钢筋混凝土的组合作用.ppt

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1、第二篇,钢筋和混凝土的组合作用,钢筋混凝土是以混凝土为主体，配设不同形式的高抗拉强度的钢筋所构成的组合材料，二者的性能互补，成为迄今结构工程中应用最成功、最广泛的组合材料。钢筋和混凝土的材料本质和力学性能存在巨大差别。钢筋混凝土作为一种组合材料，其力学性能当然不同于二者中的任一种，也不是二者性能的简单叠加。如果掌握了组合材料的性能规律，就可以主动地设计和构造二者的组合方式，提高效益或满足多种工程的需求。,5.钢筋的力学性能,5.1 混凝土结构中的钢材 钢材放置在混凝土结构中的主要作用是承受拉力，以弥补混凝土抗拉强度的低下和延性的不足。实际工程中常用的“筋”可分作几类。1.钢筋 混凝土结构中最大

2、量使用的是钢筋。钢筋一般为圆形截面，也有椭圆形和类方圆形。强度较低的钢筋，一般为简单的光圆形。其他强度较高的钢筋均轧制成不同的表面形状。,2.高强钢丝 碳素钢丝经过热处理后可达很高的抗拉强度，但性质变脆，无明显的屈服台阶，属“硬钢”。这类钢丝主要应用与预应力混凝土结构。3.型钢 热轧型钢如，成为组合的型钢-混凝土承载结构。所用钢材一般为强度较角钢槽钢工字钢和钢管等都可以在混凝土结构中应用低的软钢。,4.钢丝网水泥 用细钢丝编织成的网片作为配筋，浇注水泥砂浆后成为薄板状，由于钢丝直径细，所以双向密布而不易开裂。可做成波形瓦等。5.其它替代材料 近年出现了多种人造新材料，例如玻璃纤维和碳素纤维的抗

3、拉强度极高，且具有质轻抗腐蚀等优点，已应用于海洋工程。但目前价格昂贵，尚未广泛应用。,节总结：一、这节主要讲混凝土结构中的钢材，以及各钢材的特点。二、需要注意一下的是钢丝网水泥和其它替代材料。,5.2 应力-应变关系,钢筋的应力-应变关系，一般采用原钢筋表面不经切削加工的试件进行拉伸试验加以测定。根据应力-应变曲线上有无明显的屈服台阶，将钢材分成两大类，分别称为软钢和硬钢。5.2.1 软钢 钢筋试件的典型拉伸曲线如图5-4.曲线上的一些特征点反映了钢材受力破坏过程的各种物理现象。从工程应用的观点，将软钢的拉伸曲线简化成4段:弹性段屈服段强化段和颈缩段。比例极限弹性极限和上下屈服点合并为一个屈服

4、点Y，一般取数值较稳定且偏低的下屈服点，相应的应力值称屈服强度。,5.2.2 硬钢 高强度的碳素钢丝钢绞丝和热处理钢筋的拉伸曲线如图5-7.这类拉伸曲线上没有明显的屈服台阶。结构设计时，需对这类钢材定义一个名义的屈服强度作为设计值,节总结：一、主要讲软刚、硬钢的应力-应变关系和计算模型。,5.3 反复荷载作用下的变形,混凝土结构在承受重复荷载或反复荷载的多次作用时，其中所配设的钢筋相应地产生应力的多次加卸过程，用单根钢筋试件在试验机上进行加卸试验，测得应力-应变全过程曲线，据此建立计算模型。钢筋在拉力重复加卸作用下的应力-应变曲线如图5-9.钢材变形进入塑性阶段后，在拉压应力反复加卸作用且应力

5、逐次增加的试验情况下，得到的应力-应变曲线如图5-10.,钢材变形进入塑性阶段后，在拉、压应力反复加卸作用、且应力（变）逐次增加的试验情况下，得到的应力-应变曲线如上图。钢材受拉进入屈服段后，从T1点卸载至应力为零（T1o1段），反向加载（压应力）为o1C1曲线，再从C1点卸载至压应力为零，得C1o2线。第二次加载（拉）时，从o2开始，经过与第一次加载最大拉应力相等的点T1，进而达到T2。再次卸载（T2o3）和反向加载、反向卸载等。,将同方向（拉或压）加载的应力-应变曲线中，超过前一次加载最大应力的区段（图中实粗线）平移相连后得到的曲线称骨架线。经过对比后发现，首次加载方向的骨架线与钢材一次拉

6、伸曲线一致，而反向加载（受压）的骨架线却有明显差别。主要区别在第一次反向加载（o1C1）的屈服点降低，且无清楚的屈服台阶。但后继的应力-应变曲线仍基本相同。,钢材一次受力屈服后，反向加载时的弹性极限显著降低；且首次加载达到的应变值越大，反向弹性极限降低越多，这种现象称为包兴格效应。,节总结：一、反复荷载作用下对钢材性能的影响以及拉压反复加载的钢筋应力-应变曲线。二、加载曲线、包兴格效应。,5.4 冷加工强化性能,大量实践证明，对软钢进行各种冷加工，如冷拉冷轧冷扭冷拔等工序使钢材产生很大塑性变形后，由于金属晶粒的畸变和位移增大了抗阻力，钢材的屈服强度获得提高，但延伸率减小，这一现象称为冷作强化。

7、5.4.1 冷拉和时效 钢筋在冷拉和时效后的应力-应变关系如图5-13所示。,对钢筋实施冷拉时，一般应采用应力和伸长率的“双控”工艺，以保证钢筋的强度和结构的安全。钢筋一次冷拉，伸长率为3%-5%，屈服强度可比原材的提高20%-35%，增幅相当可观。但需注意，冷拉后钢筋的抗压强度并不提高。冷拉后的钢筋没有明显的屈服台阶。将钢筋自然停放一段时间或人工加热后，再次拉伸的应力-应变曲线表明屈服台阶已经清楚再现，台阶比原材的缩短，但屈服强度再次提高，极限强度也有所增长，极限延伸率又有减少。这一现象称为时效。,5.4.2 冷拔 钢材在冷拔过程中产生强烈的塑性变形，金属晶粒的变形和位移很大，大大地提高了钢

8、材的强度，相应地极限延伸率有较大下降，其应力-应变曲线（图5-14）已与硬钢的相似。工程中采用冷拔钢丝的目的是提高钢材强度，节约用钢和降低造价。,节总结：一、主要讲对钢材进行冷加工的的必要性。二、讲冷拉、时效和冷拔以及它们的区别。,5.5 徐变和松弛 软钢在其弹性极限范围内长期受力或反复加卸载都不发生徐变和松弛。但是，高强钢筋和冷加工钢筋在应力水平较高时会发生塑性变形。这类钢材在非弹性变形范围内，在应力的长期作用下，即使在常温状态也将发生徐变和松弛。,徐变和松弛同是材料塑性变形状态的反映，但表现形式不同，在数值上可以互换。钢材的徐变是金属晶粒在高应力作用下随时间发生的塑性变形和滑移。在工程中，

9、钢材的徐变使结构的变形增大，应力松弛使混凝土结构中的预应力筋产生预应力损失降低结构抗裂性，后者更常见。影响因素:1.钢材的品种 2.应力持续时间 3.应力水平 4.温度,节总结：一、主要讲徐变和松弛概念以及关系，松弛的影响因素。,章总结：一、这一章主要是讲钢材的一些力学性能。包括软、硬钢的应力-应变关系、钢材在反复荷载下的变形、冷拉和冷拔、徐变和松弛。,6.钢筋与混凝土的粘结,6.1 粘结力的作用和组成6.1.1 作用和分类 钢筋和混凝土构成一种组合结构材料的基本条件是二者之间有可靠的粘结和锚固。1.钢筋端部的锚固粘结 如简支梁支座处的钢筋端部梁跨间的主筋搭接或切断悬臂梁和梁柱节点受拉主筋的外

10、伸段等。2.裂缝间粘结,粘结应力的存在，使混凝土内钢筋的平均应变或总变形小于钢筋单独受力时的相应变形，有利于减小裂缝宽度和增大构件的刚度，称为受拉刚化效应。由于钢筋和混凝土的粘结作用是个局部应力状态，应力和应变分布复杂，又有混凝土的局部裂缝和二者的相对滑移，构件的平截面假定不再合适，而且影响因素众多，这些都成为研究中的难点。,6.1.2 组成 钢筋和混凝土之间的粘结力或者抗滑移力，由3部分组成。混凝土中的水泥凝胶体在感觉表面产生的化学粘着力或吸附力。周围混凝土对钢筋的摩阻力，当混凝土的粘着力破坏后发挥作用。钢筋表面粗糙不平，或变形钢筋凸肋和混凝土之间的机械咬合作用，即混凝土对钢筋表面斜向压力的

11、纵向分力。其实，粘结力的三部分都与钢筋表面的粗糙程度和锈蚀程度密切相关，试验中很难单独量测或严格区分。,节总结：一、主要介绍了一下钢筋混凝土组合结构的两种粘结以及两种材料之间粘结力的组成。,6.2 试验方法和粘结机理,6.2.1 试验方法 1.拉式试验 试件一般为棱柱形，钢筋埋设在其中心，水平方向浇注混凝土。试验时，试件的一端支承在带孔的垫板上，试验机夹持外露钢筋端施加拉力，直至钢筋被拔出或者屈服。上述试件的加载端混凝土受到局部挤压，与结构中钢筋端部附近的应力状态差别大，影响试验结果的真实性。后来改为试件加载端的局部钢筋与周围混凝土脱空的试件。,2.梁式试验 为了更好地模拟钢筋在梁端的粘结锚固

12、状况，可采用梁式试件。梁试件（图6-5）分两半制作，钢筋在加载端和支座端个有一段无粘结区，中间的粘结长度为10d。梁跨中的拉区为试验钢筋，压区用铰相连，力臂明确，以便根据试验荷载准确地计算钢筋拉力。有些试验还在钢筋拔出过程中研究混凝土内部裂缝的发展。在试件中预留的孔道内压注了红墨水，混凝土开裂后红墨水渗入缝隙，卸载后剖开试件可清楚地观察到裂缝的数量和形状。,6.2.2 光圆钢筋 在光圆钢筋的拔出试验中，量测到的拉力或平均粘结应力与钢筋两端的滑移曲线及其分布曲线如图6-7。试验中钢筋拔出过程是指埋入长度较短的试件。如果钢筋的埋入长度大，当施加的拉力使钢筋的加载端发生屈服而钢筋不被拔出时，所需的最

13、小埋长称为锚固长度。,当试件开始受力后，加载端的粘着力很快被波坏，即可测得加载端钢筋和混凝土的相对滑移。此时钢筋只有靠近加载端的一部分受力，粘结力分布也限于这一区段。,当荷载增大后，钢筋的受力段和滑移段继续扩展，加载端滑移明显增长，但自由端仍无滑移。当加载到极限强度的大约80%时，钢筋的自由端开始滑移，加载段的滑移发展更迅速。此时滑移段已遍及钢筋全埋长，粘结应力的峰点很靠近自由端。加载端附近的破坏严重，粘结应力已很小，钢筋的应力接近均匀。,当自由端的滑移为0.10.2mm时，试件的荷载达最大值，即得钢筋的极限粘结强度。此后，钢筋的滑移急速增大，拉拔力由钢筋表面的摩阻力和残存咬合力承担，周围混凝

14、土受碾磨而破碎，阻抗力减小，形成曲线的下降段。最终，钢筋从混凝土中被徐徐拔出，表面上带有少量磨碎的混凝土粉碴。,6.2.3 变形钢筋 变形钢筋拔出试验中量测的粘结应力-滑移典型曲线如图6-8（a），钢筋应力粘结应力和滑移S.沿钢筋埋长的分布随荷载的变化过程见图6-8（b）,试件内部裂缝的发展过程示意于图6-9。变形钢筋和光圆钢筋的主要区别是钢筋表面具有不同形状的横肋或斜肋。变形钢筋受拉 时，肋的凸缘挤压周围混凝土，大大地提高了机械咬合力，改变了粘结受力机理，有利于钢筋在混凝土中的粘结锚固性能。,一个不配横向钢筋的拔出试件，开始受力后钢筋的加载端局部就因为应力集中而破坏了与混凝土的粘着力，发生滑

15、移。当荷载增大到极限粘结力的大约30%时，钢筋自由端的粘着力也被破坏，开始出现滑移，加载端的滑移加快增长。和光圆钢筋相比，变形钢筋自由端滑移时的应力值接近，但比值大大减小，钢筋的受力段和滑移段的长度也较早的遍及钢筋的全埋长。,当平均粘结应力达极限粘结应力的40%50%时，即曲线上的A点，钢筋靠近加载端横肋的背面发生粘结力破坏，出现拉脱裂缝1.随即，此裂缝向后（拉力的反方向）延伸，形成表面纵向滑移裂缝2.荷载稍有增大，肋顶混凝土受钢筋肋部的挤压，使裂缝1向前延伸，并转为斜裂缝3，试件内部形成一圆锥形裂缝面。随着荷载继续增加，钢筋肋部的裂缝1、2、3不断加宽，并且从加载端往自由端依次地在各肋部发生

16、，滑移的发展加快，曲线的斜率渐减。和光圆钢筋相比，变形钢筋的应力沿埋长的变化率较小，故粘结应力分布比较均匀。,这些裂缝形成后，试件的拉力主要依靠钢筋表面的摩阻力和肋部的挤压力传递。肋前压应力的增大，使混凝土局部挤压，形成肋前破碎区4.钢筋肋部对周围混凝土的挤压力，其横向分力在混凝土中产生环向应力。当此拉应力超过混凝土的极限强度时，试件内形成径向-纵向裂缝5.这种裂缝由钢筋表面沿径向往试件外表发展，同时由加载端往自由端延伸。此后，裂缝沿纵向往自由端延伸，并发出劈裂声响，钢筋的滑移急剧增长，荷载增加不多即达峰点，很快转入下降段，不久试件被劈成2块或3块。混凝土劈裂面上留有钢筋的肋印，而钢筋的表面在

17、肋前区附着混凝土的破碎粉末。,试件配设了横向螺旋筋或者钢筋的保护层很厚时，粘结力-滑移曲线如下图。开裂时的应力和相应的滑移量都有很大提高。试件拔出时仍有一定的残余抗拔力。这类试件的极限粘结强度远大于光圆钢筋的相应值。在此钢筋拔出试验的粘结力-滑移全曲线上可确定4个特征点，即内裂点、劈裂点、极限点、残余点，并以此划分受力阶段和建立本构模型。,节总结：一、主要讲粘结力的两种试验方法，以及光圆和变形钢筋的粘结力-滑移曲线以及它们的一些不同。二、当试件配设了横向螺旋筋或钢筋的保护层很厚时，粘结应力-滑移曲线以及四个特征点。,6.3 影响因素,钢筋和混凝土的粘结性能及其各项特征值，受到许多因素的影响而变

18、化。1.混凝土强度 试验结果表明，钢筋的极限粘结强度约与混凝土的抗拉强度成正比。2.保护层厚度 钢筋的混凝土保护层厚度指钢筋外皮至构件表面的最小距离。,增大保护层厚度，加强了外围混凝土的抗劈裂能力，显然能提高构件的劈裂应力和极限粘结强度。3.钢筋埋长 试件中钢筋埋得越深，则受力后的粘结应力分布越不均匀，试件破坏时的平均粘结强度与实际最大粘结应力的比值越小，故试验粘结强度随埋长的增加而降低。,4.钢筋的直径和外形 钢筋的粘结面积与截面周界长度成正比，而拉力与截面积成正比，二者之比值反映钢筋的相对粘结面积。直径越大的钢筋，相对粘结面积减小，不利于极限粘结强度。肋的外形几何参数都对混凝土的咬合力有一

19、定影响。试验结果表明，肋的外形变化对钢筋的极限粘结强度值的差别并不大，对滑移值的影响稍大。,5.横向箍筋 拔出试件内配设横向箍筋，能延迟和约束径向-纵向劈裂缝的开展，阻止劈裂破坏，提高极限粘结强度和增大特征滑移值，而且应力-滑移曲线下降段平缓，粘结延性好。6.横向压应力 横向压应力作用在钢筋锚固端，增大了钢筋和混凝土界面的摩阻力，有利于粘结锚固。但是，也有试验证明，当横向压应力过大时，,将提前产生沿压应力作用平面方向的劈裂缝，反而降低粘结强度。7.其它因素 例如混凝土制作过程中的坍落度浇捣质量养护条件各种扰动等，又如钢筋在构件中的方向是垂直或平行于混凝土的浇注方向钢筋在截面的顶部或底部钢筋离构

20、件表面的距离等，都对钢筋和混凝土的粘结性能产生一定影响。,节总结：一、主要讲钢筋混凝土粘结性能的一些影响因素。二、大部分在工程实际中有考虑。一些在计算中也需考虑。,6.4 粘结应力-滑移本构模型,6.4.1 特征值的计算 1.劈裂应力 现有两种途径确定拉拔钢筋的劈裂应力值。一种是半理论半经验的方法，将钢筋周围的混凝土简化为一厚壁管，根据钢筋横肋对混凝土的挤压力，按弹性或塑性理论进行推导，建立近似计算式。另一种途径则是直接统计试验数据，用回归分析求得经验公式。2.极限粘结强度 钢筋于混凝土的平均极限粘结强度，一般用试验数据的回归分析式。对于埋长较深的钢筋，以及在计算钢筋的锚固长度时应采用其它公式

21、。可参照文献6-20。,6.4.2 粘结应力-滑移曲线方程 1.分段折线模型 2.连续曲线模型,节总结：一、主要讲粘结应力-滑移本构模型的一些特征点的测定与一些本构模型。,章总结：一、这一章主要讲钢筋混凝土的粘结力组成、试验方法、影响因素、粘结应-力滑移本构模型。二、重点是光圆、变形钢筋的粘结机理和破坏过程。,7.轴向受力特性,承受轴向拉力和压力是钢筋混凝土 的最简单、最基本的受力状态。,7.1 受压构件,7.1.1 基本方程几何（变形）条件物理（本构）关系力学（平衡）方程,其中，称为换算截面面积,7.1.1 基本方程,7.1.2 应力和应变分析钢筋屈服应变小于混凝土峰值应变,1.钢筋屈服之前

22、（）对柱子施加轴压力后，应变逐渐增加，钢筋的应力和承受的压力都成正比增大。混凝土出现塑性变形后，弹性模量渐减，其应力和承受的压力的增长幅度逐渐减小。由平衡条件得 2.钢筋已屈服，混凝土达到峰值应变之前 刚屈服时,快达极限轴力时 混凝土钢筋都达到各自强度3.混凝土峰值应变后 钢筋应力维持不变，混凝土应力减小，柱的残存承载力由钢筋控制。取值为混凝土应力应变曲线的下降段。,7.1.3 应力和应变分析 钢筋屈服应变大于混凝土峰值应变,1.混凝土峰值应变之前 与上一柱子没什么区别。2.混凝土应力下降，钢筋达屈服之前（）柱的极限承载力值必超过混凝土峰值应变时的轴力，而小于混凝土和钢筋的承载力的总和。,3.

23、钢筋屈服后 钢筋的应力保持不变，混凝土残余强度继续下降，柱的轴力-应变关系和钢筋、混凝土的应力变化与上柱一样。节总结：一、这节主要介绍受轴压柱两种情况的应力和变形分析过程。二、得出即使最简单的钢筋混凝土轴心受压短柱，其轴力-变形曲线和钢筋、混凝土的应力都是非线性的，且跟两种材料的性能有很大关系。,7.2 受拉构件,7.2.1 分析的基本方程几何（变形）条件 物理（本构）关系 钢筋的同受压。力学（平衡）方程 同理，,7.2.2 各阶段的应力和变形分析,1.混凝土开裂之前 与轴压柱受力初期的相似。2.混凝土开裂后、钢筋屈服之前 混凝土达到峰值拉应变，钢筋应力还低。极限开裂轴力近似取为混凝土峰值应变

24、时的轴力。3.钢筋屈服后混凝土开裂严重，已经不在承受拉力，全部轴力由钢筋承受。,7.2.3 最小配筋率 当配筋率过小时，将出现计算极限轴力小于开裂轴力（）的情况。这种构件称为少筋构件，其界限 称最小配率。少筋构件易发生脆性破坏，为避免此种情况，应满足。即 这是钢筋混凝土受拉杆最小配筋率的理论计算公式.,7.2.4 受拉钢化效应,不均匀系数 拉杆开裂之前或钢筋与混凝土的粘结沿全长破坏时这之间的比值均小于1.后边计算裂缝宽度时要考虑。原因是受拉构件开裂后，混凝土的存在使裂缝间钢筋的应力减小，平均应变小于裂缝截面的应变（）。,受拉刚化效应 受拉构件开裂后，混凝土的存在使裂缝间钢筋的应力减小，平均应变

25、小于裂缝截面的应变，减小了构件的伸长，提高了构件的刚度，故称为受拉刚化效应。后边在11、12章中裂缝宽度计算和弯曲截面刚度计算中要考虑到。,节总结：一、主要讲轴拉构件的应力和变形分析。二、最小配筋率的概念、破坏特点以及理论公式。三、受拉刚化效应和不均匀系数，后边在裂缝宽度计算和弯曲截面刚度的计算中会有考虑。,7.3 一般性规律,综上对钢筋混凝土在轴向压力和拉力作用下的受力性能研究，得出如下规律：钢筋混凝土从开始受力直到破坏，截面应力状态不断地发生重分布，是一个非线性变化的全过程。构件的力学反应，不仅取决于混凝土和钢筋各自的本构关系，还因二者的相对值和钢筋构造不同而有很大变化。钢筋和混凝土两种材

26、料一般不会同时达到各自的强度指标。必须根据材料本构关系和构件的几何、平衡条件作具体分析。大量试验量测证明，构建从开始受力直至破坏，全截面受压或者截面受压部分的应变都符合平截面分布。混凝土开裂后，钢筋和混凝土的应力沿轴线的分布不在均匀。,总之，钢筋混凝土组合材料带来的这些特性，比任何单一材料结构的性能复杂得多。对于其他材料构成的“广义”混凝土结构，其受力性能也符合上述一般规律，可用相同的原则和方法进行分析。,节总结：一、主要讲钢筋混凝土组合材料在轴向力作用下受力性能的一些规律。更深的了解钢筋混凝土的性能，便于研究、应用。,章总结：一、主要讲钢筋混凝土组合材料轴向受力的一些特性。受压、受拉以及一些一般性规律。二、给出了钢筋混凝土组合材料的一些概念最小配筋率、受拉刚化效应。,