T混凝土結(jié)構(gòu)原理之材料力學(xué)性能

緒論

以混凝土為主要材料制作的結(jié)構(gòu)稱為混凝土結(jié)構(gòu)。它包括素混凝土結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)和各種其他形式的加筋混凝土結(jié)構(gòu)。素混凝土結(jié)構(gòu)是指不配置任何鋼材的混凝土結(jié)構(gòu)，常用于路面和一些非承重結(jié)構(gòu)。預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)是在結(jié)構(gòu)或構(gòu)件中配置了預(yù)應(yīng)力鋼筋并施加預(yù)應(yīng)力的結(jié)構(gòu)。

（a）素混凝土梁；（b）鋼筋混凝土梁由于混凝土抗拉強(qiáng)度很低，在不大的荷載作用下，梁下部受拉區(qū)邊緣的混凝土即出現(xiàn)裂縫，而受拉區(qū)混凝土一旦開裂，裂縫迅速發(fā)展，梁瞬時(shí)斷裂而破壞。此時(shí)受壓區(qū)混凝土的抗壓強(qiáng)度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有充分利用，梁的承載力很低。如果在梁的底部受拉區(qū)配置抗拉強(qiáng)度較高的鋼筋，形成鋼筋混凝土梁，當(dāng)荷載增加到一定值時(shí)，梁的受拉區(qū)仍會(huì)開裂，但鋼筋可以代替混凝土承受拉力，裂縫不會(huì)迅速發(fā)展，梁的承載能力還會(huì)繼續(xù)提高。如果配筋適當(dāng)，梁可以在較大的荷載作用下才被破壞，破壞時(shí)鋼筋的應(yīng)力可以達(dá)到屈服強(qiáng)度，受壓區(qū)混凝土的抗壓強(qiáng)度也能得到充分利用。而且在破壞前，裂縫充分發(fā)展，梁的變形迅速增大，有明顯的破壞預(yù)兆。在混凝土適當(dāng)?shù)奈恢门渲靡欢ㄐ问胶蛿?shù)量的鋼筋形成鋼筋混凝土構(gòu)件后，可以收到下列效果：(1)結(jié)構(gòu)的承載能力有很大的提高；(2)結(jié)構(gòu)的受力性能得到顯著的改善鋼筋和混凝土是兩種物理力學(xué)性能很不相同的材料，它們能夠有效地結(jié)合在一起共同工作的主要原因是：(1)混凝土硬化后，鋼筋和混凝土之間存在粘結(jié)力，使兩者之間能傳遞力和變形。粘結(jié)力是使這兩種不同性質(zhì)的材料能夠共同工作的基礎(chǔ)。(2)鋼筋和混凝土兩種材料的線膨脹系數(shù)接近，鋼筋為1.2×10-5/℃，混凝土為(1.0～1.5)×l0-5/℃，所以當(dāng)溫度變化時(shí)，鋼筋和混凝土的粘結(jié)力不會(huì)因兩者之間過大的相對(duì)變形而破壞。(3)混凝土對(duì)鋼筋具有良好的保護(hù)作用，能夠保證結(jié)構(gòu)的耐久性，使鋼筋與混凝土長(zhǎng)期可靠地工作。0.2鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)缺點(diǎn)

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)與其他結(jié)構(gòu)相比具有下列優(yōu)點(diǎn)：

(1)就地取材。

(2)節(jié)約鋼材。

(3)耐久性好。

(4)耐火性好。

(5)可模性好。

(6)整體性好。

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)也具有下述主要缺點(diǎn)：

(1)自重大

(2)抗裂性差。0.3混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用及發(fā)展簡(jiǎn)況

應(yīng)用相當(dāng)廣泛，朝輕質(zhì)高強(qiáng)的方向發(fā)展鋼筋混凝土是由鋼筋和混凝土兩種性質(zhì)不相同的材料組成的，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力性能與鋼筋和混凝土兩種材料的力學(xué)性能密切相關(guān)。

1。1鋼筋

1。1。1鋼筋的品種、級(jí)別和形式

（1）按化學(xué)成分：碳素鋼和普通低合金鋼

第1章混凝土結(jié)構(gòu)用材料的力學(xué)性能（2）根據(jù)加工工藝：A.熱軋鋼筋：在高溫下直接由碳素鋼、普通低合金鋼軋制成型；B.熱處理鋼：將熱軋鋼經(jīng)過調(diào)質(zhì)（加熱、淬火和回火）處理后制成目的主要是提高強(qiáng)度，而塑性降低不多；C.鋼絲：包括光面鋼絲、消除應(yīng)力鋼絲、螺旋肋鋼絲、刻痕鋼絲和鋼絞線等（定義見書）。(3）根據(jù)鋼筋外形：A.光圓鋼筋：表面是光滑的；（HPB235）B.變形鋼筋：表面有肋（如月牙肋等）（HRB335、HRB400、RRB400）；（4）根據(jù)力學(xué)特性：A.軟鋼：在應(yīng)力應(yīng)變圖上有明顯屈服臺(tái)階，如普通熱軋低碳鋼和低合金鋼；B.硬鋼：在應(yīng)力應(yīng)變圖上無(wú)屈服臺(tái)階，如中、高強(qiáng)鋼絲和鋼絞線；2．鋼筋筋的彈彈性模模量ES（見表1.2）彈性模模量：：材料料在單單向受受拉或或受壓壓狀態(tài)態(tài)下其其應(yīng)力力應(yīng)變變呈線線性關(guān)關(guān)系時(shí)時(shí)，截截面上上正應(yīng)應(yīng)力和和正應(yīng)應(yīng)變的的比值值。3．反映映鋼筋筋塑性性性能能的指指標(biāo)：：伸長(zhǎng)長(zhǎng)率和和冷彎彎性能能塑性（（或延延性））：指指鋼材材受力力屈服服后，，能產(chǎn)產(chǎn)生顯顯著的的殘余余變形形而不不立即即斷裂裂的性性質(zhì)。。伸長(zhǎng)率率：冷彎性性能：：鋼材材在冷冷加工工產(chǎn)生生塑性性變形形時(shí)，，對(duì)產(chǎn)產(chǎn)生裂裂縫的的抵抗抗能力力4.鋼筋的的冷加加工（（常溫溫下加加工））目的：：提高高鋼材材的屈屈服強(qiáng)強(qiáng)度，，但同同時(shí)鋼鋼材的的塑性性降低低。冷加工工方法法：（1）冷拉拉：在在常溫溫下將將鋼筋筋拉伸伸至屈屈服，，然后后卸載載且再再拉伸伸，可可使屈屈服強(qiáng)強(qiáng)度提提高；時(shí)效硬硬化：：在常常溫下下將鋼鋼筋拉拉伸至至屈服服后卸卸載，，經(jīng)過過一段段時(shí)間間后再再拉伸伸，可可使屈屈服強(qiáng)強(qiáng)度和和極限限抗拉拉強(qiáng)度度提高高。（2）冷拔拔：在在常溫溫下將將鋼筋筋拔過過比其其自身身直徑徑還小小的硬硬質(zhì)合合金拔拔絲模模拉伸伸至屈屈服；；（3）冷軋軋：將將熱軋軋圓盤盤條經(jīng)經(jīng)冷拔拔或冷冷拉工工藝減減小直直徑后后，在在鋼筋筋表面面軋出出月牙牙紋的的鋼筋筋。5．鋼筋筋的選選用原原則(1).較高的的強(qiáng)度度；(2).良好的的塑性性；(3).良好的的可焊焊性；；(4).較強(qiáng)的的耐火火性；；(5).鋼筋與與混凝凝土良良好的的粘結(jié)結(jié)力。。6．設(shè)計(jì)計(jì)時(shí)如如何選選用鋼鋼筋（1）鋼筋筋混凝凝土結(jié)結(jié)構(gòu)中中的鋼鋼筋和和預(yù)應(yīng)應(yīng)力混混凝土土結(jié)構(gòu)構(gòu)中的的非預(yù)預(yù)應(yīng)力力鋼筋筋，宜宜選用用熱軋軋鋼筋筋，且且宜優(yōu)優(yōu)先采采用HRB400和HRB335級(jí)鋼筋筋，也也可采采用HPB235和RRB400級(jí)熱軋軋鋼。。（2）預(yù)應(yīng)應(yīng)力鋼鋼筋宜宜采用用預(yù)應(yīng)應(yīng)力鋼鋼絞線線、中中高強(qiáng)強(qiáng)鋼絲絲，也也可采采用熱熱處理理鋼筋筋。（3）應(yīng)盡量選選用強(qiáng)度較較高、塑性性較好、價(jià)價(jià)格較低的的鋼材。1-2混凝土的物物理力學(xué)性性能·混凝土的組組成：混凝凝土=水泥+細(xì)骨料（砂砂）+粗骨料（碎碎石或鵝卵石）+水+外加劑·抗壓強(qiáng)度的的測(cè)定：讓讓混凝土試試件均勻受受壓，它在在即將破壞壞前所能承承受的最大大壓應(yīng)力即即為其極限限抗壓強(qiáng)度度?！び绊懣箟簭?qiáng)強(qiáng)度的因素素：組成材材料、施工工方法、試試件尺寸、、加荷方法法、加荷速速度等因素素。尺寸效應(yīng)：：當(dāng)試件的的尺寸越小小，試塊與與壓力機(jī)加加壓板之間間摩擦力作作用的影響響就愈大，，量測(cè)所得得的極限強(qiáng)強(qiáng)度值越高高，反之愈愈低，這種種現(xiàn)象稱為為“尺寸效效應(yīng)”。一、砼強(qiáng)度度的分類（一）單向向受力狀態(tài)態(tài)下的混凝凝土強(qiáng)度1.混凝土的抗抗壓強(qiáng)度（（單位：N/mm22或稱MPa）（1）混凝土的立立方體抗壓壓強(qiáng)度的確定方法法：標(biāo)準(zhǔn)試件：：150mm×150mm××150mm的立方體；；標(biāo)準(zhǔn)制作條條件：在溫溫度（20±3）0C和相對(duì)濕度度90%以上的環(huán)境境下養(yǎng)護(hù)28天；標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方方法：試件件表面不涂涂潤(rùn)滑劑、、均勻加載載和勻速加加“靜”載載的主要作用用：混凝土土強(qiáng)度的基基本指標(biāo)和和評(píng)定混凝凝土強(qiáng)度等等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)。（2）混凝土的的軸心抗壓壓強(qiáng)度（（N/mm22）確定方法：：

標(biāo)準(zhǔn)試試件：高高寬比為2~3，尺150mm×150mm×300mm的棱柱體；；（其余同同的的確定定方法）；；與與的的關(guān)關(guān)系：公式式（1.3）

主要作作用:受壓構(gòu)件的的強(qiáng)度計(jì)算算。2.混凝土的軸軸心抗拉強(qiáng)強(qiáng)度

確定定方法：軸軸心受拉試試驗(yàn)和劈裂裂試驗(yàn)（自自學(xué)）；由由表1.3可知，混凝凝土軸心抗抗拉強(qiáng)度約約為抗壓強(qiáng)強(qiáng)度的1/10；與與的的關(guān)關(guān)系:公式1.6(二).復(fù)合應(yīng)力狀狀態(tài)下混凝凝土的強(qiáng)度度1.關(guān)于雙向應(yīng)應(yīng)力狀態(tài)下下的強(qiáng)度變變化規(guī)律·雙向受壓時(shí)時(shí)，混凝土土抗壓強(qiáng)度度大于單向向；·雙向受拉時(shí)時(shí)，混凝土土抗拉強(qiáng)度度接近于單單向；·一向受壓和和受拉時(shí)，，其抗拉（（壓）強(qiáng)度度均低于相相應(yīng)的單向向強(qiáng)度；·由于剪應(yīng)力力的存在，，混凝土抗抗壓強(qiáng)度低低于單向；；·由于壓應(yīng)力力的存在，，混凝土抗抗剪強(qiáng)度有有限增加。。2.關(guān)于三向受受壓狀態(tài)下下的強(qiáng)度變變化規(guī)律結(jié)論：三向向受壓狀態(tài)態(tài)下的混凝凝土抗壓強(qiáng)強(qiáng)度大于雙雙向和單向向。注:實(shí)際工程中中均采用單單向強(qiáng)度，，但要考慮慮復(fù)合應(yīng)力力情況，從從構(gòu)造上加加以調(diào)整。。二.混凝土的變變形變形的分類類：受力變變形(荷載產(chǎn)生)、非受力變變形（收縮縮、溫差即即濕差產(chǎn)生生）。1.一次短期加加載下混凝凝土的變形形（1）混凝土受受壓時(shí)的應(yīng)應(yīng)力-應(yīng)變曲線實(shí)際試驗(yàn)曲曲線如圖，，其規(guī)律為為：a.應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為為曲線，上上升段中僅僅有一小段段直線；b.應(yīng)力峰值對(duì)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變變約為0.002（基本與等等級(jí)無(wú)關(guān)））；c.混凝土強(qiáng)度度高時(shí)其延延性越差。。（2）《規(guī)范》采用的混應(yīng)應(yīng)力-應(yīng)變曲線該曲線分為為兩個(gè)部分分，上升部部分為拋物物線段，另另外一部分分為水平直直線段。當(dāng)≤≤時(shí)時(shí)(1.8)當(dāng)＜＜≤≤時(shí)時(shí)(1.9)3．橫向變形形混凝土受壓壓時(shí)在產(chǎn)生生縱向變形形的同時(shí)還還會(huì)產(chǎn)生橫橫向變形，，橫向應(yīng)變變與縱向應(yīng)應(yīng)變之比稱稱為泊松比比系數(shù)。。規(guī)規(guī)范取=0.2。2.荷載長(zhǎng)期作作用下混凝凝土的變形形性能（1）徐變：在在長(zhǎng)期不變變的荷載作作用下，變變形隨時(shí)間間而增長(zhǎng)。。（2）影響徐變變的因素：：應(yīng)力（荷荷載）大小??；加載時(shí)的齡齡期；材性、工作環(huán)環(huán)境等；（3）徐變對(duì)結(jié)結(jié)構(gòu)的影響響（多數(shù)情情況為不利利影響）A使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生生應(yīng)力重分分布：B使預(yù)應(yīng)力產(chǎn)產(chǎn)生損失。。3.混凝土在荷荷載重復(fù)作作用下的變變形（疲勞勞變形）疲勞破壞：：荷載重復(fù)復(fù)作用引起起的破壞；；（4）混凝土的的彈性模量量和變形摸摸量A.彈性模量（（切線模模量）：取取混凝土棱棱柱體受壓壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線的原點(diǎn)切切線的斜率率作為。。（表表1.4）B變形模量（（割線模模量）：應(yīng)應(yīng)力-應(yīng)變曲線上上原點(diǎn)至任任一點(diǎn)割線線的斜率，，稱為任意意點(diǎn)的變形形模量，它它反映塑性性階段的應(yīng)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)關(guān)系。二者關(guān)系：：（（為為彈彈性系數(shù)，，等于彈性性應(yīng)變與總總應(yīng)變的比比值））（5）.混凝土的收收縮與膨脹脹。影響：產(chǎn)生生裂縫，導(dǎo)導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力力損失。（（影響因素素見書）（6）混凝土的的溫度變形形（熱脹冷冷縮）（自自學(xué)）3.設(shè)計(jì)時(shí)如何何選用混凝凝土

（1）鋼筋混凝凝土結(jié)構(gòu)的的混凝土強(qiáng)強(qiáng)度等級(jí)不不應(yīng)低于C15；

（2）當(dāng)采用HRB335級(jí)鋼筋時(shí)，，不宜低于于C20；

（3）當(dāng)采用HRB400和RRB400級(jí)鋼筋以及及對(duì)承受重重復(fù)荷載的的構(gòu)件，不不得低低于C20；

（4）預(yù)應(yīng)力混凝凝土結(jié)構(gòu)的的混凝土強(qiáng)強(qiáng)度等級(jí)不不應(yīng)低于于于C30；

（5）當(dāng)采用鋼絲絲、鋼絞線線、熱扎鋼鋼筋作預(yù)應(yīng)應(yīng)力鋼筋時(shí)時(shí)，不宜低低于C40?！?.3混凝土與鋼鋼筋的粘結(jié)結(jié)粘結(jié)的意義義：確?；旎炷僚c鋼鋼筋能共同同工作。二.粘結(jié)力的組組成