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叶见曙结构设计原理第四版第1章 -54

时间:2020-09-01 15:30

  叶见曙结构设计原理第四版第1章 -54_物理_自然科学_专业资料。叶见曙 ·结构设计原理(第4版)·教学课件 第1章 钢筋混凝土结构的概念及材料 的物理力学性能 张娟秀 雷 笑 马 莹 编制 叶见曙 主审 Principle of Structure De

  叶见曙 ·结构设计原理(第4版)·教学课件 第1章 钢筋混凝土结构的概念及材料 的物理力学性能 张娟秀 雷 笑 马 莹 编制 叶见曙 主审 Principle of Structure Design 本章目录 1.1 钢筋混凝土结构的基本概念 1.2 混凝土 1.3 钢筋 1.4 钢筋与混凝土之间的粘结 ?2 教学要求 ? 理解钢筋混凝土结构的概念和混凝土中配置受力钢筋的作 用。 ? 理解混凝土的立方体抗压强度,轴心抗压强度和抗拉强度 概念,了解混凝土的弹性模量、徐变和收缩变形。 ? 深刻理解混凝土在一次单调加载作用下受压应力-应变曲 线。 ? 了解普通热轧钢筋的强度和变形,掌握普通热轧钢筋的强 度级别和品种。 ? 理解钢筋与混凝土之间的粘结性能及其机理。 ?3 1.1 钢筋混凝土结构的概念 钢筋混凝土结构是由配置受力的普通钢筋或钢筋骨架的混 凝土制成的结构。 图1-1 素混凝土梁和钢筋混凝土梁 ?4 图1-2 素混凝土和钢筋混凝土轴心受压构件的受力性能比较 a) 柱的压力——混凝土应变曲线;b) 素混凝土柱; c) 钢筋混凝土柱 钢筋的作用是代替混凝土受拉(受拉区混凝土出现裂 缝后)或协助混凝土受压。 ?5 钢筋和混凝土能有效地结合在一起共同工作,主要的原因 是: (1)混凝土和钢筋之间有着良好的粘结力,使两者能可 靠地结合成一个整体,在荷载作用下能够很好地共同变形, 完成其结构功能。 (2)钢筋和混凝土的温度线膨胀系数较为接近,钢筋为 (1.2×10-5)/℃,混凝土为(0.7×10-5~1.1×10-5)/℃,当温 度变化时,钢筋与混凝土之间不致产生较大的相对变形而破 坏两者之间的粘结。 (3)质量良好的混凝土可以保护钢筋免遭锈蚀,保证了 钢筋与混凝土的共同作用。 ?6 1.2 混凝土材料物理力学性能 1.2.1 混凝土的强度 1)混凝土立方体抗压强度 混凝土的立方体抗压强度是按规定的标准试件和标准试 验方法得到的混凝土强度基本代表值。 每边边长为150mm的立方体为标准试件。 标准试件在20℃±2℃的温度和相对湿度在95%以上的潮 湿空气中养护28d,依照标准制作方法和试验方法测得的抗 压强度值(以MPa为单位)作为混凝土的立方体抗压强度。 混凝土立方体抗压强度用符号 fcu 表示。 ?7 ? 混凝土立方体抗压强度与试验方法有着密切的关系。 图1-3 立方体抗压强度试件 规定采用的方法是不加油脂润滑剂的试验方法。 混凝土的抗压强度还与试件尺寸有关。 ?8 2)混凝土轴心抗压强度(棱柱体抗压强度) 棱柱体试件(高度大于截面边长的试件)的受力状态更 接近于实际构件中混凝土的受力情况。 按照与立方体试件相同条件下制作和试验方法所得的棱 柱体试件的抗压强度值,称为混凝土轴心抗压强度,用符 号 fc 表示。 ? 混凝土的轴心抗压强度试验 以150mm×150mm×300mm 的试件为标准试件。 图1-4 h/b 对抗压强度的影响 ?9 3)混凝土抗拉强度 混凝土抗拉强度(用符号 ft 表示)和抗压强度一样,都 是混凝土的基本强度指标。 图1-6 劈裂试验 ?10 4)复合应力状态下的混凝土强度 在钢筋混凝土结构中,构件通常受到轴力、弯矩、剪力 及扭矩等不同组合情况的同时作用,因此,混凝土更多的 是处于双向或三向受力状态。 在复合应力状态下,混凝土的强度有明显变化。 ?11 ?双向正应力状态下混凝土强度 图1-7 双向应力状态下混凝土强度变化曲线中第三象限),一 向的混凝土强度随着另一 向压应力的增加而增加。 σ1/σ2 约等于 2 或 0.5 时,其强度比单向抗压强 度增加约为25%左右,而 在 σ1/σ2 =1时,其强度增 加仅为16%左右。 ?12 (2)当双向受拉时(图1-7中第一象限),无论应力比值 σ1/σ2如何,实测破坏强度基本不变,双向受拉的混凝土抗拉 强度均接近于单向抗拉强度。 (3)当一向受拉、 一 向 受 压 时 ( 图 1-7 中 第二、四象限),混凝 土的强度均低于单向受 力(压或拉)的强度。 图1-7 双向应力状态下混凝土强度变化曲线 ? 法向应力(拉或压)和剪应力形成压剪或拉剪复合应力状 态下混凝土强度 混凝土的抗压强度由于剪应力的存在而降低。 图1-8 法向应力与剪应力组合时的强度曲线)时,抗剪强度随压应力的增大而增大; 当σ/fc>(0.5~0.7)时,抗剪强度随压应力的增大而减小。 ?14 ? 混凝土圆柱体三向受压 混凝土轴心抗压强度fcc与侧压应力σ2之间的关系用下列线性 经验公式表达: fcc ? fc? ? k?? 2 (1-2) fcc ——三向受压时圆柱体的混凝土轴心抗压强度; fc’——混凝土圆柱体强度,计算时可近似以混凝土 轴心抗压强度 fc 代之; ? 2 ——侧压应力值。 k ’ ——侧压效应系数,侧向压力较低时得到的值较大。 图1-9 三向受压状态下混凝土强度 ?15 1.2.2 混凝土的变形 1)混凝土在一次单调加载作用下的变形性能 (1)混凝土的应力——应变曲线 对棱柱体试件进行的一次单调加载试验(指加载从零开 始单调增加至试件破坏,也称单调加载)来测试混凝土的应 力——应变曲线。 在试验时,需使用刚度较大的试验机,或者在试验中用 控制应变速度的特殊装置来等应变速度地加载,或者在普通 压力机上用高强弹簧(或油压千斤顶)与试件共同受压,测 得混凝土试件受压时典型的应力——应变曲线 上升段 下降段 收敛段 图1-10 混凝土受压时应力-应变曲线 一次单调加载下完整的混凝土轴心受压应力应变曲线由 上升段OC、下降段CD和收敛段DE组成。 ?17 ? 混凝土轴心受压应力应变曲线的上升段OC 和下降段CD, 最大应力值 fc 及相应的应变值 εc0 以及D点的应变值(称极限压 应变值 εcu)成为曲线的三个特征值。 对于均匀受压的棱柱体试件,其压应力达到 fc 时,混凝土 就不能承受更大的压力,成为结构构件计算时混凝土强度的主 要指标。 与 fc 相比对应的应变 εc0 随混凝土强度等级而异,约在 (1.5~2.5)×10-3间变动,平均值为 εc0 =2.0×10-3。 应力-应变曲线中相应于D点的混凝土极限压应变εcu约为 (3.0~5.0)×10-3。 ?18 ? 影响混凝土轴心受压应力-应变曲线的主要因素: ①混凝土强度。 图1-11 强度等级不同的混凝土的应力-应变曲线 ②应变速率。 ③测试技术和试验条件。 ?19 (2)混凝土的弹性模量与变形模量 混凝土的弹性模量有三种表示方法 ①原点弹性模量E?c ②切线模量E??c ③变形模量E???c 图1-12 混凝土变形模量的表示方法 ?20 ? 我国《公路桥规》混凝土弹性模量 Ec取值方法: 试验采用棱柱体试件,取应力上 限为σ =0.5 fc,然后卸荷至零,再重 复加载卸荷5~10次,变形已基本趋 于稳定,应力——应变曲线),该直线的斜率即作为 混凝土弹性模量的取值。 ? 混凝土弹性模量是混凝土棱柱体标 准试件,用标准的试验方法所得的规 定压应力值与其对应的压应变值的比 值。 图1-13 测定混凝土弹性模量的方法 ?21 混凝土 Ec 的经验公式为: 105 Ec ? 2.2 ? (34.74 fcu,k ) (MPa) fcu,—k — 混凝土立方体抗压强度标准值. (1-7) 混凝土弹性模量值见附表1-2。 取混凝土的受拉弹性模量与受压弹性模量相等。 ?22 混凝土的剪切弹性模量 Gc,一般可根据试验测得的混凝 土弹性模量 Ec 和泊松比按式(1-8)确定: (1-8) 其中vc为混凝土的横向变形系数(泊松比)。取vc=0.2 时,代入式(1-8)得到Gc=0.4Ec。 ?23 2)混凝土在长期荷载作用下的变形性能——徐变变形 在荷载的长期作用下,混凝土的变形将随时间而增加,即 在应力不变的情况下,混凝土的应变随时间继续增长,这种现 象被称为混凝土的徐变。 混凝土徐变变形是在持久作用下混凝土结构随时间推移而 增加的应变。 ?24 图1-14为100mm×100mm×400mm的棱柱体试件在相对湿 度为65%、温度为20℃、承受 σ =0.5fc 压应力并保持不变的情 况下变形与时间的关系曲线 混凝土的徐变曲线 影响混凝土徐变的因素 (1)混凝土在长期荷载作用下产生的应力大小。 当压应力 σ≤0.5fc 时,徐变大致与应力成正比,各条徐变曲 线的间距差不多是相等的,称为线,线性徐变 在加荷初期增长很快,一般在两年左右趋以稳定,三年左右 徐变即告基本终止。 当压应力σ介于(0.5~0.8)fc 之间时,徐变的增长较应力 的增长为快,这种情况称为非线性徐变。 当压应力σ>0.8fc时,混凝土的非线性徐变往往是不收敛的。 ?26 (2)加荷时混凝土的龄期。加荷时混凝土龄期越短,则 徐变越大。 图1-16 加荷时混凝土龄期对徐变大小的影响 (3)混凝土的组成成分和配合比。 ?27 (4)养护及使用条件下的温度与湿度。 当环境介质的温度和湿度保持不 变时,混凝土内水分的逸失取决于构 件的尺寸和体表比(构件体积与表面 积之比)。 构件的尺寸越大,体表比越大, 徐变就越小。 图1-17 构件尺寸对徐变的影响 ?28 3)混凝土的收缩 在混凝土凝结和硬化的物理化学过程中体积随时间推移 而减小的现象称为混凝土收缩。 混凝土在不受力情况下的这种自由变形,在受到外部或 内部(钢筋)约束时,将产生混凝土拉应力甚至开裂。 ?29 ? 混凝土的收缩是一种随时间而增长的变形(图1-18)。 结硬初期收缩变形发展很快,两周可完成全部收缩的 25%,一个月约可完成50%,三个月后增长缓慢,一般两 年后趋于稳定,最终收缩变形值约为(2~6)×10-4。 图1-18 混凝土的收缩变形与时间关系 ?30 ? 引起混凝土收缩的原因: ? 主要是硬化初期水泥石在水化凝固结硬过程中产生 的体积变化,后期主要是混凝土内自由水分蒸发引 起的干缩。 ? 影响混凝土收缩的因素: ? 混凝土的组成和配合比。 ? 混凝土构件的养护条件、使用环境的温度与湿度等。 ? 混凝土构件的体表比。 ?31 1.3 钢筋材料的物理力学性能 ? 配筋混凝土结构中采用的钢筋有 由热轧低碳钢、低合金钢所制成 的普通钢筋和由高碳钢制成的预 应力钢筋(例如,高强度碳素钢 丝、钢绞线等)。 ? 钢筋混凝土结构采用的受力普通 钢筋为热轧钢筋。 图1-19 热轧钢筋的外形 ?32 1.3.1 热轧钢筋的种类 ? 热轧带肋钢筋截面包括纵肋和横肋,外周不是一个光滑连 续的圆周,因此,热轧带肋钢筋直径采用公称直径。 ? 公称直径是与钢筋的公称横截面积相等的圆的直径,即以 公称直径的圆面积就是钢筋的截面面积。 对于热轧光圆钢筋截面,其直径就是公称直径。 ?33 1.3.2 热轧钢筋的强度等级和牌号 钢筋的牌号是根据钢筋屈服强度标准值、制造成型方式及 种类等规定加以分类的代号。 热轧钢筋的牌号是由英文字母缩写和屈服强度标准值组成。 国产热轧钢筋牌号及力学能特征值见表1-1。 ?34 目前,《公路桥规》规定公路桥梁钢筋混凝土结构使用的 热 轧 钢 筋 牌 号 为 HPB300 、 HRB400 、 HBRF400 、 RRB400 和 HRB500。 当钢筋混凝土构件处于受侵蚀物质等影响的环境中时, 《公路桥规》建议可以采用环氧树脂涂层钢筋。 环氧树脂涂层钢筋时在工厂生产条件下,用热轧钢筋采用 环氧树脂粉来以静电喷涂方法生产的钢筋。 ?35 1.3.3 热轧钢筋的强度与变形 热轧钢筋试件单向拉伸试验的典型应力——应变曲线 有明显流幅的钢筋应力——应变曲线~a) 屈服阶段(a~f) 强化阶段(f~d) 破坏阶段(d~e) ?36 ? 从工程结构设计角度来看,应当注意有关热轧钢筋强度的 以下情况: (1)热轧钢筋的拉伸应力——应变曲线有明显的屈服 点和流幅,断裂时有颈缩现象; (2)热轧钢筋的应力到达屈服点后,会产生很大的塑性 变形(流幅),使钢筋混凝土构件出现很大的变形和过宽的 混凝土裂缝,以致不能正常使用,因此,以屈服强度作为钢 筋强度限值,且按其屈服下限确定。 (3)钢筋极限强度是钢筋的实际破坏强度。钢筋屈服 强度与极限强度的比值称为屈强比,它可以代表钢筋的强度 储备,国家标准规定热轧钢筋的屈强比应不大于0.8。 ?37 1.3.4 热轧钢筋的塑性性能 ? 热轧钢筋除应具有足够的强度外,还应具有一定的塑性 变形能力,通常用伸长率和冷弯性能两个指标来衡量。 (1)伸长率 是由热轧钢筋单向拉伸试验得到其伸长率值。 钢筋断后伸长率是指钢筋试件上标距为10d 或 5d(d 为 钢筋公称直径)范围内的伸长值与原长的比率,伸长值即为 图1-20所示钢筋应力——应变曲线中e点的横坐标值。 ?38 (2)冷弯性能 工程上钢筋在工地现场进行冷加工,形成满足设计要求的 各种形状的钢筋,基本型式是钢筋的弯钩和弯折(图1-21)。 为了使钢筋在加 工、使用时不开裂、 弯断或脆断,钢筋必 须满足冷弯性能要求。 图1-21 钢筋的弯钩与弯折示意图 (尺寸单位:mm) a) 钢筋135°弯钩; b) 钢筋的弯折 ?39 钢筋冷弯性能试验 将钢筋标准试件放在冷弯试验机上,用有一定弯心直径D的 冲头,在常温下对标准试件施加力使之弯曲达到规定弯角(180° 或90°)。 检查钢筋标准试件表面,不出现裂纹,起层,鳞落或断裂现 象,则认为钢筋冷弯性能合格。 钢冲头 钢筋标 准试件 试验台座 试验前 钢筋试件冷弯试验 冷弯后 冲头 冷弯试验后的 钢筋试件 ?40 1.4 钢筋与混凝土之间的粘结 ? 在钢筋混凝土结构中,钢筋和混凝土这两种材料之所以能 共同工作的基本前提是具有足够的粘结强度,能承受由于 变形差(相对滑移)沿钢筋与混凝土接触面上产生的剪应 力,通常把这种剪应力称为粘结应力。 ?41 1.4.1 粘结的作用 ? 通过对粘结力基准试验和模拟构件 试验,环亚集团,可以测定出粘结应力的分布 情况,了解钢筋和混凝土之间的粘 结作用的特性。钢筋自混凝土试件 中的拔出试验就是一种对粘结力的 观测试验。 ? 图1-22为钢筋一端埋置在混凝土试 件中,在钢筋伸出端施加拉拔力的 拔出试验示意图。 图1-22 光圆钢筋的拔出试验 a) 试验示意图; b) 粘结应力分布图; c) 钢筋应力分布图; d) 钢筋隔离体受力 ?42 图1-23 钢筋的粘结应力分布图 a) 光圆钢筋情况; b) 带肋钢筋情况 ?43 1.4.2 粘结机理分析 ? 光圆钢筋与混凝土的粘结作用主要由三部分组成: (1)混凝土中水泥胶体与钢筋表面的化学胶着力; (2)钢筋与混凝土接触面上的摩擦力; (3)钢筋表面粗糙不平产生的机械咬合作用。 其中胶着力所占比例很小,发生相对滑移后,光圆钢筋 与混凝土之间的粘结力主要由摩擦力和咬合力提供。 ?44 ? 带肋钢筋与混凝土之间的胶着力和摩擦力仍然存在, 但带肋钢筋与混凝土之间的粘结力主要是钢筋表面凸起的 肋纹与混凝土的机械咬合作用(图1-24)。 图1-24 变形钢筋横肋处的挤压力和内部裂缝图 ?45 1.4.3 影响粘结强度的因素 (1)光圆钢筋及变形钢筋的粘结强度均随混凝土强度等级 的提高而提高,但并不与立方体强度 fcu 成正比。 (2)浇筑混凝土时钢筋所处的位置。 (3)截面上有多根钢筋并列一排时,钢筋之间的净距(图 1-26)。 (4)混凝土保护层厚度。 (5)带肋钢筋与混凝土的粘结强度比用光圆钢筋时大。 ?46 Thank you! 47 图1-26 钢筋净距过小产生的粘结破坏(尺寸单位:mm) a)试验装置;b)破坏图形 ?48 ?49 ? 上升段:当压应力σ<0.3fc 左右时,应力应变关系接近 直线变化(OA段),混凝土处于弹性阶段工作。 ? 在压应力 σ≥0.3fc 后,随着压应力的增大,应力——应变 关系愈来愈偏离直线,原有的混凝土内部微裂缝发展, 并在孔隙等薄弱处产生新的个别的微裂缝。 ? 当应力达到 0.8 fc(B点) 左右后,内部裂缝处于非稳定发 展阶段。当应力达到最大应力σ = fc 时(C点),应力应 变曲线的斜率已接近于水平,试件表面出现不连续的可 见裂缝。 ?50 ? 下降段:到达峰值应力点C后,混凝土的强度并不完全消 失,随着应力 σ 的减少(卸载),应变仍然增加,曲线下 降坡度较陡,混凝土表面裂缝逐渐贯通。 ?51 ? 收敛段:在反弯点D之后,应力下降的速率减慢,曲线逐 渐平缓至稳定的残余应力。表面纵向裂缝把混凝土棱柱体 分成若干个小柱,外载力由裂缝处的摩擦咬合力及小柱体 的残余强度所承受。 ?52 图1-15 压应力与混凝土徐变变形的关系 53 国产热轧钢筋牌号及力学能特征值 表1-1 ?54