第01章 钢筋混凝土结构的基本概念及材料的物理力学性能.ppt
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1、第一篇第一篇钢筋混凝土结构钢筋混凝土结构第一章第一章钢筋混凝土结构的基本概念钢筋混凝土结构的基本概念及材料的物理力学性能及材料的物理力学性能第一节第一节 钢筋混凝土结构的基本概念钢筋混凝土结构的基本概念一、钢筋混凝土一、钢筋混凝土(Reinforced Concrete,简称,简称RC)结构的基本概念结构的基本概念 钢筋混凝土结构由钢筋和混凝土两种不同钢筋混凝土结构由钢筋和混凝土两种不同物理力学性能的材料组成的一种人工材料,它物理力学性能的材料组成的一种人工材料,它充分了发挥钢筋和混凝土各自的优点:充分了发挥钢筋和混凝土各自的优点:1、混凝土:抗拉强度、混凝土:抗拉强度ft(tensile s
2、trength)较低,抗压强度较低,抗压强度fc较(较(compressive strength)高;)高;2、钢筋:抗压强度、抗拉强度均很高。、钢筋:抗压强度、抗拉强度均很高。1、梁(、梁(Beam、Girder):):1F1F1FcAs裂缝McASa)b)c)ASsSss s 受拉区中性轴中性轴FFc:梁的破坏荷载:梁的破坏荷载F Fc时,出现数条时,出现数条竖向裂缝并向上发竖向裂缝并向上发展,中性轴上移,展,中性轴上移,混凝土受压区面积混凝土受压区面积不断减少,梁塑性不断减少,梁塑性破坏。破坏。FFc时时,中和轴以中和轴以上受压上受压,以下受拉以下受拉F=Fc时,出现竖时,出现竖向裂缝并
3、迅速发展,向裂缝并迅速发展,梁突然断裂。发生梁突然断裂。发生脆性破坏。脆性破坏。素混凝土梁素混凝土梁钢筋混凝土梁钢筋混凝土梁 在在受受拉拉区区内内配配置置适适量量的的钢钢筋筋后后(即即所所谓谓的的适适筋筋梁梁(ideally reinforced beam),梁梁的的破坏过程为:破坏过程为:可见,与素混凝土梁相比,钢筋混凝土梁可见,与素混凝土梁相比,钢筋混凝土梁的的承载能力承载能力和和变形能力变形能力都有很大提高,且钢筋都有很大提高,且钢筋与混凝土两种材料强度都能得到较充分的利用。与混凝土两种材料强度都能得到较充分的利用。受拉钢筋应力达到屈服强度受压区混凝土被压坏梁破坏2、柱(、柱(Colum
4、n):):试验表明,钢筋混凝土柱与素混凝土柱相试验表明,钢筋混凝土柱与素混凝土柱相比,承载力大为提高,受力性能也得到改善:比,承载力大为提高,受力性能也得到改善:素混和钢混轴心受压构件受力性能比较素混和钢混轴心受压构件受力性能比较二、钢筋与混凝土能共同工作的条件二、钢筋与混凝土能共同工作的条件1、两者之间有可靠的粘结力;、两者之间有可靠的粘结力;2、线膨胀系数大致相同,不会因温度发生、线膨胀系数大致相同,不会因温度发生变化而影响粘结力,即不发生错动;变化而影响粘结力,即不发生错动;(混凝土线膨胀系数:(混凝土线膨胀系数:1.01.510-5/,钢筋线膨胀系数:钢筋线膨胀系数:1.210-5/)
5、3、钢筋外面有一个良好的保护层,钢筋被、钢筋外面有一个良好的保护层,钢筋被混凝土所包裹,从而防止钢筋的锈蚀,保证结混凝土所包裹,从而防止钢筋的锈蚀,保证结构的耐久性。构的耐久性。耐久性好耐久性好耐火性好耐火性好整体性好整体性好可塑性好可塑性好抗震性好抗震性好取材容易取材容易自重大,跨越能力自重大,跨越能力小小抗裂性较差抗裂性较差施工受季节环境影施工受季节环境影响较大(冬、雨)响较大(冬、雨)耗用大量模板、支耗用大量模板、支撑材料撑材料 维修困难维修困难 三、钢筋混凝土材料的特点三、钢筋混凝土材料的特点优点优点 缺点缺点第二节第二节 混凝土(混凝土(Concrete)一、混凝土的内部结构一、混凝
6、土的内部结构 混凝土的构成:水泥、石子、砂、水、外混凝土的构成:水泥、石子、砂、水、外加剂、细掺料等。加剂、细掺料等。1、固体:集料,水泥石决定混凝土材料、固体:集料,水泥石决定混凝土材料的强度。的强度。2、液体:水泥胶体带有一定塑性,具有、液体:水泥胶体带有一定塑性,具有流动性,在一两年后才能变成固体,是引起徐流动性,在一两年后才能变成固体,是引起徐变的主要原因。变的主要原因。3、孔隙:混凝土结硬、收缩形成。、孔隙:混凝土结硬、收缩形成。二、工程上对混凝土的要求二、工程上对混凝土的要求1、和易性(也称工作性、和易性(也称工作性:粘聚性,饱水粘聚性,饱水性,流动性);性,流动性);2、强度;、
7、强度;3、耐久性;、耐久性;4、经济性。、经济性。混凝土的化学成分在混凝土的化学成分在土木工程材料土木工程材料课中已经学习过,此处不赘述,本课程主要课中已经学习过,此处不赘述,本课程主要掌握混凝土的力学性能。掌握混凝土的力学性能。三、混凝土的强度(三、混凝土的强度(Strength)混凝土的抗压强度比抗拉强度大很多混凝土的抗压强度比抗拉强度大很多818倍倍,因此混凝土主要用于抗压,而拉力主,因此混凝土主要用于抗压,而拉力主要是由抗拉强度很高的钢筋承担,所以混凝土要是由抗拉强度很高的钢筋承担,所以混凝土的抗压强度是最重要的强度指标。的抗压强度是最重要的强度指标。混凝土的强度等级与水泥强度等级混凝
8、土的强度等级与水泥强度等级、集料集料性质、级配、水灰比等有关。性质、级配、水灰比等有关。是用三标试件,即:是用三标试件,即:(1)标准尺寸:标准尺寸:150mm150mm150mm;(2)标准温度和相对湿度:标准温度和相对湿度:202,相对湿度,相对湿度95%以上;以上;(3)养护养护28d,依照标准制作及试验方法,依照标准制作及试验方法测得的抗压强度值。测得的抗压强度值。1、立方体抗压强度、立方体抗压强度fcu(Cube Crushing Strength)混凝土立方体抗压强度与试验方法有着混凝土立方体抗压强度与试验方法有着密切的关系:密切的关系:立方体抗压强度试件立方体抗压强度试件 a)立
9、方体试件的受力立方体试件的受力 b)承压板与试件表面之间未涂润滑剂时承压板与试件表面之间未涂润滑剂时 c)承压板与试件表面之间涂润滑剂时承压板与试件表面之间涂润滑剂时 2、轴轴心抗心抗压压强强度度fc(Axial Compressive Strength)(又称棱柱体抗(又称棱柱体抗压压强强度)度)混凝土的抗压强度不仅与试件的尺寸有关,混凝土的抗压强度不仅与试件的尺寸有关,也与其形状有关。也与其形状有关。在实际工程中,受压构件一般都是棱柱体,在实际工程中,受压构件一般都是棱柱体,采用棱柱体试件比立方体试件能更好地反映混采用棱柱体试件比立方体试件能更好地反映混凝土的实际抗压能力。凝土的实际抗压能
10、力。(1)影响因素:)影响因素:试件高度试件高度h与边长与边长b之比之比,比值越大比值越大,轴心轴心抗压强度越小;(抗压强度越小;(如如P7图图1-4),但当),但当h/b3后,后,fc/fcu不再变化。不再变化。(2)试件)试件:150mm150mm300mm,制作方法同立方,制作方法同立方体试件。体试件。3、轴轴心抗拉心抗拉强强度度 ft(Axial Tensile Strength)(1 1)测试方方法法:采采用用圆柱柱体体或或立立方方体体的的劈劈裂裂试件件测得得劈劈裂裂抗抗拉拉强度度fts(split tensile strength)。劈裂试验(劈裂试验(split tensile
11、test)F(2)采用劈裂试验测抗拉强度的原因)采用劈裂试验测抗拉强度的原因采用两端预埋钢筋测试轴心抗拉强度时,采用两端预埋钢筋测试轴心抗拉强度时,保持试件轴心受拉保持试件轴心受拉很重要但很难很重要但很难做到做到,钢筋预,钢筋预埋和试件安装难以对中,对测试干扰很大。埋和试件安装难以对中,对测试干扰很大。混凝土抗拉强度试验试件混凝土抗拉强度试验试件 4、复合、复合应应力(力(Combined Stress)状)状态态下的下的强强度度(了解)(了解)强度变化特点强度变化特点(1)双向)双向应力:应力:两个垂直平两个垂直平面上作用有法面上作用有法向应力,第三向应力,第三个平面上应力个平面上应力为零。
12、为零。1.251.16混凝土圆柱体抗压强度混凝土圆柱体抗压强度 混凝土强度提高的原因是由于侧向约束了混凝土强度提高的原因是由于侧向约束了混凝土受压后的横向变形,限制了其内部裂缝混凝土受压后的横向变形,限制了其内部裂缝的产生和发展。的产生和发展。(2)三向应力)三向应力混凝土三向受压时,各方向上的抗压强度都混凝土三向受压时,各方向上的抗压强度都有很大的提高(有很大的提高(如图如图)。轴心抗压强度与侧压)。轴心抗压强度与侧压应力应力 2的关系有如下线性经验公式:的关系有如下线性经验公式:侧压应力值侧压应力值混凝土的变形性能比较复杂,研究表明:混凝土的变形性能比较复杂,研究表明:在荷载作用下,混凝土
13、会产生非线性的弹塑性在荷载作用下,混凝土会产生非线性的弹塑性变形。变形。混凝土的变形性能与混凝土的组成、龄期、混凝土的变形性能与混凝土的组成、龄期、荷载的大小和持续时间、加荷速度以及荷载循荷载的大小和持续时间、加荷速度以及荷载循环次数有关。环次数有关。还与体积收缩和膨胀变形有关。还与体积收缩和膨胀变形有关。四、混凝土的变形(四、混凝土的变形(Deformation)由上分析可以看出:由上分析可以看出:混凝土的变形可分为两类:混凝土的变形可分为两类:1、是由于受力而产生的变形;、是由于受力而产生的变形;2、是由收缩和温度湿度变化而产生的变形。、是由收缩和温度湿度变化而产生的变形。受力变形:短期荷
14、载作用,长期荷载受力变形:短期荷载作用,长期荷载作用,多次重复作用等。作用,多次重复作用等。体积变形:收缩变形,温度变形等。体积变形:收缩变形,温度变形等。混凝土混凝土的变形的变形1、单调短期加短期加载作用下的作用下的变形形(1)混凝土混凝土应力力应变曲曲线(如(如图)OA:弹性工作阶段:弹性工作阶段AB:塑性工作阶段:塑性工作阶段BC:完全塑性工作阶段:完全塑性工作阶段CD、CE:下降段:下降段收敛段收敛段cu(2)影响混凝土应变曲线的主要因素影响混凝土应变曲线的主要因素 混凝土强度,应变速率,测试技术及试验混凝土强度,应变速率,测试技术及试验条件。条件。强度等级不同的混凝土的应力应变曲线强
15、度等级不同的混凝土的应力应变曲线2、混凝土在、混凝土在长期荷期荷载作用下的作用下的变形形 徐变徐变(Creep)(1)徐徐变:混凝土在荷:混凝土在荷载长期不期不变作用作用下下产生随生随时间而增而增长的的变形。形。(2)徐变曲线(徐变曲线(Curve of Creep):):(3)徐变原因:)徐变原因:较小时,水泥胶体向水泥结晶体(水泥较小时,水泥胶体向水泥结晶体(水泥石)发展时应力重分布。石)发展时应力重分布。较大时,混凝土中的内部微裂缝在荷载较大时,混凝土中的内部微裂缝在荷载作用下不断发展和增长,而导致应变的增作用下不断发展和增长,而导致应变的增长。长。(4)影响徐)影响徐变的因素:的因素:
16、持持续作用作用应力大小,持力大小,持续作用作用应力越力越大,徐大,徐变越大。越大。0.5fc时,徐变与应力成正比,即线性徐变,时,徐变与应力成正比,即线性徐变,最主要的特点是收敛最主要的特点是收敛;0.6fc时,收敛性越来越差时,收敛性越来越差;0.8fc时,徐变时间曲线发散,最终导致混时,徐变时间曲线发散,最终导致混凝土破坏。凝土破坏。t(d)0.8fc 混凝土的龄期,龄期越长,硬结程度越好,混凝土的龄期,龄期越长,硬结程度越好,徐变就越小,反之越大;徐变就越小,反之越大;加荷时混凝土龄期对徐变大小的影响加荷时混凝土龄期对徐变大小的影响 水泥用量越多,水灰比越大,密实性越差,水泥用量越多,水
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