工学水工钢筋混凝土结构学

工学水工钢筋混凝土结构学

第一节 钢筋的品种和力学性能 一 . 钢筋的品种 ★ 按化学成分区分 低碳钢：（含碳量 <0.25% ）强度低、塑性好 中碳钢：（ 0.25%≤ 含碳量≤ 0.6% ） 高碳钢：（含碳量 >0.6% ）强度高、塑性差 低合金钢：碳素钢基础上加入少量合金元素而成， 强度高、塑性好 第一章 钢筋砼结构的材料 1.1 钢筋的品种和力学性能 第一章 钢筋砼结构的材料 ★ 按外形区分 光面钢筋 变形钢筋 月牙肋 —— 纹路与肋不相交， 不易产生应力集中，粘结强度 略低于等高肋钢筋。 等高肋 —— （螺旋纹、人字纹） 与钢筋砼粘结力好，纹路与肋相交，易产生应力集中。 第一章 钢筋砼结构的材料 1.1 钢筋的品种和力学性能 光面圆钢筋 螺旋纹钢筋 人字纹钢筋 月牙纹钢筋 第一章 钢筋砼结构的材料 1.1 钢筋的品种和力学性能 ★ 按加工方式区分 热轧钢筋 Ⅰ 级钢筋： 光面低碳钢，塑性好、强度低； 多作为厚度不大楼板的受力钢筋和箍筋。 Ⅱ 级钢筋 、 Ⅲ 级钢筋： 月牙肋、低合金钢， 强度较高； 多作为钢筋砼构件受力钢筋，尺寸较大的构件，为增强与砼的粘结可用 Ⅱ 级钢作箍筋。 Ⅳ 级钢筋： 等高肋、低合金钢，强度高； 一般经冷拉后用于预应力钢筋砼结构。 1.1 钢筋的品种和力学性能 第一章 钢筋砼结构的材料 冷加工钢筋 热轧钢筋 常温下 经冷拉、冷拔、冷轧、冷扭加工后而成。冷加工提高钢筋的强度，节约钢材。冷加工后， 强度提高， 塑性降低。 一般用于预应力 砼结构。 热处理钢筋 等高肋低合金钢， Ⅳ 级钢经加热、淬火和回火等调质工艺而成，强度提高，塑性降低不多。用于预应力砼结构。 钢丝 直径 ＜ 6mm ，外形有光面、刻痕和螺旋肋三种，另有二股、三股和七股钢绞线，外接圆直径 9.5~15.2 mm 。用于预应力砼结构。 第一章 钢筋砼结构的材料 1.1 钢筋的品种和力学性能 第一章 钢筋砼结构的材料 二 . 钢筋的力学性能 （一） 软钢的力学性能 a 为比例极限 cd 为强化段 b 为屈服强度 f y bc 为屈服台阶 d 为抗拉强度 1.1 钢筋的品种和力学性能 软钢： 有明显屈服点的钢筋，如热轧 Ⅰ ~ Ⅳ 级钢筋。 第一章 钢筋砼结构的材料 1.1 钢筋的品种和力学性能 屈服强度： 是钢筋强度的设计依据 ，在混凝土中的钢筋，应力达到屈服强度，荷载不增加，应变继续增大，裂缝开展过宽，构件变形过大，结构不能正常使用。 伸 长 率： 钢筋拉断时应变，反映钢筋 塑性性能 的指标。伸长率大的钢筋，拉断前有足够预兆，延性较好。 弯曲试验： 钢筋围绕直径为 D 的钢辊弯转 α 角而不发生裂纹，是 反映钢筋 塑性性能 的另一指标。 屈 强 比： 反映钢筋的 强度储备 ， f y /f u =0.6~0.7 。 ★ 含碳量高，屈服强度和抗拉强度高，伸长率小，流幅缩短。 第一章 钢筋砼结构的材料 1.1 钢筋的品种和力学性能 第一章 钢筋砼结构的材料 （二）硬钢的力学性能 a 点： 比例极限 协定流限： 强度设计指标 ， 指经加载及卸载后尚存有 0.2% 永久残余变形时的应力，用 σ 0.2 表示。 σ 0.2 一般相当于抗拉强度的 70% ~ 85% 。 硬钢： 没有明显屈服点的钢筋，如热处理钢筋及高强钢丝。 1.1 钢筋的品种和力学性能 σ ε （三）钢筋的冷加工 冷拉钢筋 将钢筋拉伸 超过 其屈服强度，放松，经一段时间之后，钢筋会获得比原来屈服强度更高的屈服强度值。如图所示。 冷拉后， 屈服强度提高 了，流幅缩短，伸长率降低，钢材性质变硬变脆。 冷拉后， 抗压强度没有提高 ，计算仍取用原来的抗压强度。 第一章 钢筋砼结构的材料 1.1 钢筋的品种和力学性能 第一章 钢筋砼结构的材料 1.1 钢筋的品种和力学性能 拔冷 将钢筋用强力拔过硬质合金拔丝模，截面变 小而长度增加， 强度提高，塑性降低。 冷轧 将热轧钢筋在常温下表面轧制成不同的形状， 强度提高，塑性降低。 冷轧带肋钢筋 — 采用低碳热轧盘圆进行冷轧减径，表面轧出月牙纹。 冷轧扭钢筋 — 钢筋经冷轧并经扭转而成。 第二节 砼的物理力学性能 一．砼的强度 （一）立方体抗压强度 f cu 砼结构主要利用其 抗压强度 ，因此抗压强度是最主要和最基本的指标。 标准立方体强度：标准立方体试件测得的抗压强度，用 f cu 表示。 砼强度等级： 边长 150mm 立方体，温度为 20±3℃ 、相对湿度不小于 95% 的条件下养护 28 天，用 标准试验方法 测得的 具有 95% 保证率 的立方体抗压强度标准值 f cuk 作为砼的强度等级，以符号 C 表示，单位为 N/mm 2 。 第一章 钢筋砼结构的材料 1.2 砼的物理力学性能 影响砼强度的因素 ①试验方法。②试件尺寸。③加载速度。④龄期。 第一章 钢筋砼结构的材料 1.2 砼的物理力学性能 试验录像 ★ 水利水电工程用砼分 11 个强度等级 ，即 C10 、 C15 、 C20 、 C25 、 C30 、 C35 、 C40 、 C45 、 C50 、 C55 、 C60 ， 级差为 5N/mm 2 。 第一章 钢筋砼结构的材料 1.2 砼的物理力学性能 （二）轴心抗压强度 f c 150mm×150mm×300mm 的棱柱体试件测定， f c 表示，较接近实际构件中砼的受压情况。 f c < f cu f c 与 f cu 成线性关系， f c /f cu 比值平均为 0.76 。 考虑到实际结构构件与试件制作及养护条件的差异、尺寸效应及加荷速度等因素的影响，规范偏安全地取： 第一章 钢筋砼结构的材料 1.2 砼的物理力学性能 试验录像 （三）轴心抗拉强度 f t 砼基本力学性能指标， f t 表示。砼构件开裂、裂缝、变形，以及受剪、受扭、受冲切等的承载力均与抗拉强度有关。 根据与轴心受压强度相同的理由，规范取用关系式： 第一章 钢筋砼结构的材料 1.2 砼的物理力学性能 劈拉试验 P d P 拉 压 压 轴心受拉试验对中困难，常采用立方体或圆柱体 劈裂试验 测定砼的抗拉强度。 立方体试件通过垫条施加线载荷 P ，垂直截面上除垫条附近外，产生均匀拉应力，当 拉应力达到 f t 时，试件对半劈裂。 第一章 钢筋砼结构的材料 1.2 砼的物理力学性能 试验录像 ☼ 双轴应力状态 实际结构中，砼很少处于单向受力状态。更多的是处于 双向 或 三向 受力状态。 双向受压强度大于单向受 压强度，即 一向强度随另 一向压应力的增加而增加 。 （四）复合应力状态下的砼强度 第一章 钢筋砼结构的材料 1.2 砼的物理力学性能 ☼ 双轴应力状态 实际结构中，砼很少处于单向受力状态。更多的是处于 双向 或 三向 受力状态。 在双向受拉区，其强度与 单向受拉时差别不大，即 一向抗拉强度基本上与另 一向拉应力的大小无关。 （四）复合应力状态下的砼强度 第一章 钢筋砼结构的材料 1.2 砼的物理力学性能 ☼ 双轴应力状态 实际结构中，砼很少处于单向受力状态。更多的是处于 双向 或 三向 受力状态。 （四）复合应力状态下的砼强度 第一章 钢筋砼结构的材料 1.2 砼的物理力学性能 在一轴受压一轴受拉状态 下，抗压强度或抗拉强度 均随另一方向拉应力或压 应力的增加而减小。 ☼ 三向受压 应力状态 实际结构中，砼很少处于单向受力状态。更多的是处于 双向 或 三向 受力状态。 （四）复合应力状态下的砼强度 第一章 钢筋砼结构的材料 1.2 砼的物理力学性能 砼一向抗压强度随另两向压 应力的增加而增加。 ☼ 构件受剪或受扭时常遇到剪应力 t 和正应力 s 共同作用下的复合受力情况。 ☼ 砼的抗剪强度：随 拉 应力增大而减小， 随 压 应力增大而增大； 当压应力在 0.6 f c 左右时，抗剪强度达到最大， 压应力继续增大，内裂缝发展明显，抗剪强度随压应力的增大而减小。 第一章 钢筋砼结构的材料 1.2 砼的物理力学性能 二． 砼的变形 第一章 钢筋砼结构的材料 1.2 砼的物理力学性能 （一）砼 在一次短期加载时的应力 — 应变曲线 砼的变形有两类 : 外荷载作用产生的 受力变形 , 温度和干湿变化引起的 体积变形。 砼 单轴受力 应力 - 应变关系是反映砼受力全过程的重要力学特征， 是分析砼构件应力、建立承载力和变形计算理论的必要依据，也是利用计算机进行非线性分析的基础。 砼单轴受压应力 - 应变关系曲线，常采用棱柱体试件来测定。 普通试验机采用 等应力速度 加载，达到 f c 时，试验机中集聚的弹性应变能大于试件所能吸收的应变能，导致试件突然脆性破坏，只能测得应力 - 应变曲线的 上升段 。 采用 等应变速度 加载，或在试件旁附设高弹性元件与试件一同受压，吸收试验机内集聚的应变能，可测得应力 - 应变曲线的 下降段 。 第一章 钢筋砼结构的材料 1.2 砼的物理力学性能 第一章 钢筋砼结构的材料 1.2 砼的物理力学性能 应力小于 f c 的 30% ∼ 40% 时（ a 点） ，应力应变关系接近 直线 。 当应力  ，呈现 塑性 。应力增大到 f c 的 80% 左右（ b 点），应变增长更快。 应力达到 f c （ c 点 ）时，试件表面出现纵向裂缝，试件开始破坏。达到的最大应力 σ o 称为砼 棱柱体抗压强度 f c ，相应的应变为 ε o 一般为 0.002 左右。 第一章 钢筋砼结构的材料 1.2 砼的物理力学性能 ★ 影响应力 — 应变曲线形状因素 砼强度 低，曲线平坦；强度高，曲线陡， ε cu 小； 加载速度 快，最大应力提高，曲线陡；加载速度慢，曲线平缓， ε cu 增大。 第一章 钢筋砼结构的材料 1.2 砼的物理力学性能 试验录像 ★ 规范建议的应力 - 应变曲线 第一章 钢筋砼结构的材料 1.2 砼的物理力学性能 ★ 砼受拉应力 - 应变关系 第一章 钢筋砼结构的材料 1.2 砼的物理力学性能 （二）砼在重复载荷下的应力 - 应变曲线 应力不大，重复 5 ∼ 10 次后，加载和卸载的应力 — 应变曲线合并接近一直线，同弹性体一样工作。 应力超过某一限值，经多次循环，应力应变关系成为直线后，重新变弯，试件很快破坏。该限值为砼的 疲劳强度 1.2 砼的物理力学性能 第一章 钢筋砼结构的材料 （三）砼的弹性模量 初始弹性模量： 通过原点 0 的切线的斜率 tg α 0 。 割线弹性模量 ：应力不大时，应力应变关系近似于直线，弹性模量可用应力 σ c 除以其相应的应变 ε c 来表示： E c = tg α 1 = σ c / ε c 第一章 钢筋砼结构的材料 1.2 砼的物理力学性能 弹性模量测定方法 s e 0.4 f c 5~10 次 利用多次重复加载卸载后应力应变关系趋于直线的性质求弹性模量。 加载至 0.4 f c ，卸载至零，重复加载卸载 5 ～ 10 次，应力 — 应变曲线渐趋稳定并接近于一直线，该直线的正切 tg α 即为砼的弹性模量。 第一章 钢筋砼结构的材料 1.2 砼的物理力学性能 弹性模量经验公式： 砼的变形模量 应力较大时，砼的塑性 变形显著，此时砼的应 力与应变之比称为变形 模量 E c ’ E c ’ 与 E c 的关系用弹性系数 n 表示 , n 随应力增大而减小， n = 1~0.4 。 第一章 钢筋砼结构的材料 1.2 砼的物理力学性能 （四）砼的极限变形 砼受压极限应变 ε cu 与其本身性质 、 试验方法和应力状态有关。 砼强度等级越高， ε cu 越小。 不同受力情况 ε cu 不同： 均 匀 受压取 0.002 ；非均匀受压取 0.0033 。 受拉极限应变 ε tu 比受压极限应变小得多，计算时一般取为 0.0001 。 第一章 钢筋砼结构的材料 1.2 砼的物理力学性能 （五）砼的徐变 在荷载长期持续作用下，应力不变，变形随时间而增长。这种现象，称为砼的 徐变 。 徐变与塑性变形不同。 徐变是 砼受力后，水泥石中的凝胶体产生的 粘性流动 。 徐变部分可恢复。 徐变在较小的应力时就发生。 第一章 钢筋砼结构的材料 1.2 砼的物理力学性能 （五）砼的徐变 在荷载长期持续作用下，应力不变，变形随时间而增长。这种现象，称为砼的 徐变 。 徐变与塑性变形不同。 塑性变形是砼中结合面裂缝扩展引起的。 应力超过材料弹性极限后发生。 不可恢复。 第一章 钢筋砼结构的材料 1.2 砼的物理力学性能 ε cr,∞ = (2 ∼ 3) ε 0 ★ 影响徐变的因素 内在因素： 砼的组成和配比。 骨料的刚度（弹性模量）越大，体积比越大，徐变就越小。 水灰比越小，徐变也越小。 应力大小： 砼应力越大，徐变越大。 s c ≤ (0.5 ~ 0.55) f c 时，徐变与应力成正比，称为 线性徐变 。徐变是稳定的。 s c > (0.5 ~ 0.55) f c 时，最终徐变与应力不成正比，称为 非线性徐变 。当 s c >0.8 f c 时，砼内部微裂缝的发展处于不稳定状态，徐变的发展不收敛，导致砼的破坏。 加载龄期： 砼的龄期越短，凝胶体的粘性流动越大，徐变越大。 环境影响： 外界相对湿度越高，结构内部水分不易外逸，徐变越小。 第一章 钢筋砼结构的材料 1.2 砼的物理力学性能 ★ 徐变对结构的作用 徐变有利于结构构件产生内（应）力重分布，减小应力集中现象。 减小大体积砼内的温度应力。 徐变会使结构（构件）的（挠度）变形增大。 引起预应力损失。 在长期高应力作用下，会导致破坏。 ★ 松弛 当结构受外界约束而无法变形，结构的应力会随时间的增长而降低，这种现象称为松弛。 第一章 钢筋砼结构的材料 1.2 砼的物理力学性能 （六）砼的温度变形和干湿变形 砼因 温度和湿度变化 引起的体积变化称为温度变形和干湿变形。 大体积砼结构温度变形十分重要，当变形受到约束，温度变化引起的应力可能引起开裂。 计算温度变形或应力时，砼温度线膨胀系数取为 1.0×10 -5 。 大体积砼结构中，用钢筋来防止温度裂缝或干缩裂缝是不可能的。 适当布置钢筋，可分散裂缝，减小裂缝宽度。 为减小温度应力和干缩应力，可设置伸缩缝。 第一章 钢筋砼结构的材料 1.2 砼的物理力学性能 砼因外界湿度变化产生 干缩与湿胀 。 湿胀常产生有利的影响，设计中一般可不考虑。 干缩变形受到约束时，结构产生干缩裂缝。 干缩变形影响因素： 水泥用量多、水灰比越大，收缩越大； 骨料弹性模量高、级配好，收缩就小； 干燥失水及高温环境，收缩大； 小尺寸构件收缩大，大尺寸构件收缩小。 第一章 钢筋砼结构的材料 1.2 砼的物理力学性能 三．砼的其他性能 （一）重力密度（或重度） 设计一般钢筋砼结构时，其重力密度可近似地采用为 25kN/m 3 。 （二）砼的耐久性 水工砼的耐久性，与其抗渗、抗冻、抗冲刷、抗碳化和抗腐蚀等性能有密切关系。 第一章 钢筋砼结构的材料 1.2 砼的物理力学性能 第三节 钢筋与砼的粘结 一 . 钢筋与砼之间的粘结力 钢筋与砼间具有足够的粘结是保证两者共同受力变形的基本前提。 通过钢筋与砼界面的粘结应力，可以实现钢筋与砼之间的 应力传递 ，从而使两种材料可以结合在一起共同工作。 粘结应力通常是指钢筋与砼界面间的剪应力。 第一章 钢筋砼结构的材料 1.3 钢筋与砼的粘结 第一章 钢筋砼结构的材料 1.3 钢筋与砼的粘结 拔出试验 粘结应力 第一章 钢筋砼结构的材料 1.3 钢筋与砼的粘结 光面钢筋 τ b 峰值随 P 增加，由加荷端移至自由端， τ b 图形长度（有效埋长）达到自由端。 变形钢筋 τ b 峰值始终在加荷端附近，有效埋长增加 缓慢，粘结力大于光面钢筋。 ★ 光面钢筋的粘结力由三部分组成： 水泥凝胶体与钢筋表面之间的胶着力； 砼收缩，将钢筋紧紧握固而产生的摩擦力； 钢筋表面不平整与砼之间产生的机械咬合力。 第一章 钢筋砼结构的材料 ★ 变形钢筋的粘结力除了胶着力与摩擦力等以外，更主要的是钢筋表面突出的横肋对砼的 挤压力 。 1.3 钢筋与砼的粘结 ★ 影响粘结力的主要因素 ◆ 砼强度 ： 粘结强度随砼强度的提高而增加， 但并不与立方体强度 f cu 成正比 ，而与抗拉强度 f t 成正比。 ◆ 保护层厚度 ： 变形钢筋，粘结强度主要取决于劈裂破坏。相对保护层厚度 c/d 越大，砼抵抗劈裂破坏的能力也越大，粘结强度越高。 ◆ 受力情况 ： 受压钢筋由于直径增大会增加对砼的挤压，从而使摩擦作用增加。 ◆ 钢筋表面和外形特征 ： ● 光面钢筋表面凹凸较小，机械咬合作用小，粘结强度低。 ● 月牙肋和螺纹肋变形钢筋，机械咬合作用大，粘结强度高。 第一章 钢筋砼结构的材料 1.3 钢筋与砼的粘结 二．钢筋的锚固与接头 锚固长度根据钢筋的应力达到 f y 时，钢筋被 拔动确定。 第一章 钢筋砼结构的材料 1.3 钢筋与砼的粘结 钢筋强度越高，直径越粗，砼强度越低， 锚固长度越长。 钢筋类型 砼强度等级 C15 C20 C25 C30 ≥C40 Ⅰ 级钢筋 40 d 30 d 25 d 20 d 20 d 月牙肋 Ⅱ 级钢筋 50 d 40 d 35 d 30 d 25 d Ⅲ 级钢筋 — 45 d 40 d 35 d 30 d 冷轧带肋钢筋 — 40 d 35 d 30 d 25 d 二．钢筋的锚固与接头 在设计中，如截面上钢筋的强度被充分利用，则钢筋从该截面起的 锚固长度 不应小于下表中规定的数值： 受拉钢筋的 最小锚固长度 l a 第一章 钢筋砼结构的材料 1.3 钢筋与砼的粘结 光面钢筋表面凹凸程度小，机械咬合作用不大 , 与砼的粘结强度较低。 为保证光面钢筋的锚固， 规范规定受力的光面钢筋末端必须作成半圆弯钩。如图所示： 第一章 钢筋砼结构的材料 1.3 钢筋与砼的粘结 接长钢筋有三种办法： 绑扎搭接；焊接；机械连接。 绑扎搭接时，必须有足够的 搭接长度 l l : 受拉钢筋的 l l ≥1.2 l a 且 l l ≥300mm ； 受压钢筋的 l l ' ≥0.85 l a 且 l l ' ≥200mm 。 第一章 钢筋砼结构的材料 1.3 钢筋与砼的粘结 钢筋不能在同一截面同时接长。 焊接接头 第一章 钢筋砼结构的材料 机械连接 1.3 钢筋与砼的粘结 套管 钢筋冷挤压连接 第一章 钢筋砼结构的材料 1.3 钢筋与砼的粘结 锥螺纹钢筋连接 第一章 钢筋砼结构的材料 1.3 钢筋与砼的粘结 第一章 钢筋砼结构的材料 1.3 钢筋与砼的粘结 挤压钢筋连接 第一章 钢筋砼结构的材料 1.3 钢筋与砼的粘结 第一章 钢筋砼结构的材料 1.3 钢筋与砼的粘结 第一章 钢筋砼结构的材料 本 章 要 点 本章要点： 软钢与硬钢的应力 — 应变曲线不同。软钢以 屈服强度 作为 强度设计指标；硬钢以 协定流限 作为强度设计指标。 砼立方体抗压强度是评定砼强度的基本标准。区分 砼立方体抗压强度、轴心抗压强度、轴心抗拉强度 及复合应力状态下砼强度的物理意义及相互关系。 区分砼 短期一次加载 应力 — 应变曲线 、重复荷载 下的 应力 — 应变曲线及 徐变 曲线。 粘结力 是保证钢筋与砼共同工作的主要原因。