第七章钢筋混凝土结构的一般概念.docx
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第七章钢筋混凝土结构的一般概念
第七章钢筋混凝土结构的一般概念
一、教学目标
⑴了解钢筋的种类；
⑵掌握钢筋及混凝土的的力学性质；
⑶掌握混凝土徐变的概念及影响徐变的因素；
（4）了解钢筋何混凝土的黏结，钢筋的锚固搭接
二、重点难点
1、掌握钢筋及混凝土的的力学性质；
2、掌握混凝土徐变的概念及影响徐变的因素
三、教学方式
采用启发式教学，通过提问，引导学生思考，让学生回答问题。
四、建议学时
6学时
五、讲课提纲
第一节钢筋的力学性质
钢筋混凝土结构使用的钢筋，不仅要强度高，而且要具有良好的塑性和可焊性，同时还要求与混凝土有较好的粘结性能。
1.1.1钢筋的强度与变形
钢筋的力学性能有强度和变形（包括弹性变形和塑性变形）等。
单向拉伸试验是确定钢筋力学性能的主要手段。
通过试验可以看到，钢筋的拉伸应力-应变关系曲线可分为两大类，即有明显流幅（图1-19）和没有明显流幅的（图1-21）。
图1-19为有明显流幅的钢筋拉伸应力应变曲线。
在达到比例极限a点之前，材料处于弹性阶段，应力与应变的比值为常数，即为钢筋的弹性模量Es。
此后应变比应力增加快，到达b点进入屈服阶段，即应力不增加，应变却继续增加很多，应力应变曲线图形接近水平线，称为屈服台阶（或流幅）。
对于有屈服台阶的钢筋来讲，有两个屈服点，即屈服上限（b点）和屈服下限（c点）。
屈服上限受试验加载速度、表面光洁度等因素影响而波动；屈服下限则较稳定，故一般以屈服下限为依据，称为屈服强度。
过了f点后，材料又恢复部分弹性进入强化阶段，应力应变关系表现为上升的曲线，到达曲线最高点d，d点的应力称为极限强度。
过了d点后，试件的薄弱处发生局部“颈缩”现象，应力开始下降，应变仍继续增加，到e点后发生断裂，e点所对应的应变（用百分数表示）称为伸长率，用δ10或δ5表示（分别对应于量测标距为10d或5d，d为钢筋直径）。
有明显流幅的钢筋拉伸时的应力应变曲线显示了钢筋主要物理力学指标，即屈服强度、抗拉极限强度和伸长率。
屈服强度是钢筋混凝土结构计算中钢筋强度取值的主要依据，把屈服强度与抗拉极限强度的比值称为屈强比，它可以代表材料的强度储备，一般屈强比要求不大于0.8。
伸长率是衡量钢筋拉伸时的塑性指标。
表1-1为我国国家标准对钢筋混凝土结构所用普通热轧钢筋（具有明显流幅）的机械性能作出的规定。
图1-19有明显流幅的钢筋应力应变曲线
预制构件工厂中进行冷加工，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1-20）。
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。
一般采用冷弯试验进行检查，即取钢筋试件按表1-1规定条件，绕弯心直径为D的辊轴冷弯后，钢筋外表面不产生裂纹、鳞落或断裂现象为合格。
普通热轧钢筋机械性能的规定表1-1
品种
强度等级代号
直径
（mm）
屈服应力σs（MPa）
抗拉强度σb（MPa）
伸长率δ5
（%）
冷弯
D=弯心直径
d=钢筋直径
外形
强度级别
不小于
光圆钢筋
Ⅰ
R235
8~20
235
370
25
180°D=d
带肋钢筋
Ⅱ
HRB335
6~25
335
490
16
180°D=3d
28~50
180°D=4d
Ⅲ
HRB400
6~25
400
570
14
180°D=4d
28~50
180°D=5d
KL400
8~25
440
600
14
90°D=3d
28~40
90°D=4d
在拉伸试验中没有明显流幅的钢筋，其应力-应变曲线如图1-21所示。
高强度碳素钢丝、钢绞线的拉伸应力—应变曲线没有明显的流幅。
钢筋受拉后，应力与应变按比例增长，其比例（弹性）极限约为
。
此后，钢筋应变逐渐加快发展，曲线的斜率渐减，当曲线到顶点极限强度
后，曲线稍有下降，钢筋出现少量颈缩后立即被拉断，极限延伸率较小，约为（5~7）%。
这类拉伸曲线上没有明显流幅的钢筋，在结构设计时，需对这类钢筋定义一个名义的屈服强度作为设计值。
将对应于残余应变为0.2%时的应力
作为屈服点（又称条件屈服强度），《公路桥规》取
。
图1-20没有明显流幅的钢筋应力应变曲线
1.1.2钢筋的成分、级别和品种
我国钢材按化学成分可分为碳素钢和普通低合金钢两大类。
碳素钢除含铁元素外，还有少量的碳、锰、硅、磷等元素。
其中含碳量愈高，钢筋的强
度愈高，但钢筋的塑性和可焊性愈差。
一般把含碳量少于0.25%的称为低碳钢；含碳量在0.25%~0.6%的称为中碳钢；含碳量大于0.6%的称为高碳钢。
在碳素钢的成份中加入少量合金元素就成为普通低合金钢，如20MnSi、20MnSiV、20MnTi等，其中名称前面的数字代表平均含碳量（以万分之一计）。
由于加入了合金元素，普通低合金钢虽含碳量高，强度高，但是其拉伸应力应变曲线仍具有明显的流幅。
第二节混凝土的力学性质
钢筋混凝土是由钢筋和混凝土这两种力学性能不同的材料所组成。
为了正确合理地进行钢筋混凝土结构设计，必须深入了解钢筋混凝土结构及其构件的受力性能和特点。
而对于混凝土和钢筋材料的物理力学性能（强度和变形的变化规律）的了解，则是掌握钢筋混凝土结构的构件性能、分析和设计的基础。
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。
我国取用的标准试件为边长相等的混凝土立方体。
这种试件的制作和试验均比较简便，而且离散性较小。
我国国家标准《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T50081-2002）规定以每边边长为150mm的立方体为标准试件，在（20±2）℃的温度和相对湿度在95%以上的潮湿空气中养护28天，依照标准制作方法和试验方法测得的抗压强度值（以N/mm2为单位）作为混凝土的立方体抗压强度，用符号fcu表示。
按这样的规定，就可以排除不同制作方法、养护环境等因素对混凝土立方体强度的影响。
混凝土立方体抗压强度与试验方法有着密切的关系。
在通常情况下，试件的上下表面与试验机承压板之间将产生阻止试件向外自由变形的摩阻力，阻滞了裂缝的发展［图1-3a）］，从而提高了试块的抗压强度。
破坏时，远离承压板的试件中部混凝土所受的约束最少，混凝土也剥落得最多，形成两个对顶叠置的截头方锥体［图1-3b）］。
要是在承压板和试件上下表面之间涂以油脂润滑剂，则试验加压时摩阻力将大为减少，所测得的抗压强度较低，其破坏形态如图1-3c）所示的开裂破坏。
规定采用的方法是不加油脂润滑剂的试验方法。
图1－3立方体抗压强度试件
a）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c）承压板与试件表面之间涂润滑剂时
混凝土的抗压强度还与试件尺寸有关。
试验表明，立方体试件尺寸愈小，摩阻力的影响愈大，测得的强度也愈高。
在实际工程中也有采用边长为200mm和边长为100mm的混凝土立方体试件，则所测得的立方体强度应分别乘以换算系数1.05和0.95来折算成边长为150mm的混凝土立方体抗压强度。
2）混凝土轴心抗压强度（棱柱体抗压强度）
通常钢筋混凝土构件的长度比它的截面边长要大得多，因此棱柱体试件（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。
试验表明，棱柱体试件的抗压强度较立方体试块的抗压强度低。
棱柱体试件高度h与边长b之比愈大，则强度愈低。
当h/b由1增至2时，混凝土强度降低很快。
但是当h/b由2增至4时，其抗压强度变化不大（图1-4）。
因为在此范围内，既可消除垫板与试件接触面间摩阻力对抗压强度的影响，又可以避免试件因纵向初弯曲而产生的附加偏心距对抗压强度的影响，故所测得的棱柱体抗压强度较稳定。
因此，国家标准《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T50081-2002）规定，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
对抗压强度的影响
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。
但是混凝土的抗拉强度比抗压强度低得多，它与同龄期混凝土抗压强度的比值大约在1/8~1/18。
这项比值随混凝土抗压强度等级的增大而减少，即混凝土抗拉强度的增加慢于抗压强度的增加。
混凝土轴心受拉试验的试件可采用在两端预埋钢筋的混凝土棱柱体（图1-5）。
试验时用试验机的夹具夹紧试件两端外伸的钢筋施加拉力，破坏时试件在没有钢筋的中部截面被拉断，其平均拉应力即为混凝土的轴心抗拉强度。
图1－5混凝土抗拉强度试验试件（尺寸单位：
mm）
在用上述方法测定混凝土的轴心抗拉强度时，保持试件轴心受拉是很重要的，也是不容易完全做到的。
因为混凝土内部结构不均匀，钢筋的预埋和试件的安装都难以对中，而偏心又对混凝土抗拉强度测试有很大的干扰，因此，目前国内外常采用立方体或圆柱体的劈裂试验来测定混凝土的轴心抗拉强度。
劈裂试验是在卧置的立方体（或圆柱体）试件与压力机压板之间放置钢垫条及三合板（或纤维板）垫层（图1-6），压力机通过垫条对试件中心面施加均匀的条形分布荷载。
这样，
图1-6劈裂试验
除垫条附近外，在试件中间垂直面上就产生了拉应力，它的方向与加载方向垂直，并且基本上是均匀的。
当拉应力达到混凝土的抗拉强度时，试件即被劈裂成两半。
我国交通部部颁标准《公路工程水泥混凝土试验规程》（JTJ053-94）规定，采用150mm立方块作为标准试件进行混凝土劈裂抗拉强度测定，按照规定的试验方法操作，则混凝土劈裂抗拉强度fts按下式计算：
（1-1）
式中
—混凝土劈裂抗拉强度（MPa）；
F—劈裂破坏荷载；
A—试件劈裂面面积（mm2）。
采用上述试验方法测得的混凝土劈裂抗拉强度值换算成轴心抗拉强度时，应乘以换算系数0.9，即
。
混凝土的变形可分为两类。
一类是在荷载作用下的受力变形，如单调短期加载的变形、荷载长期作用下的变形以及多次重复加载的变形。
另一类与受力无关，称为体积变形，如混凝土收缩以及温度变化引起的变形。
1）混凝土在单调、短期加载作用下的变形性能
（1）混凝土的应力应变曲线
混凝土的应力应变关系是混凝土力学性能的一个重要方面，它是研究钢筋混凝土构件的截面应力分布，建立承载能力和变形计算理论所必不可少的依据。
特别是近代采用计算机对钢筋混凝土结构进行非线性分析时，混凝土的应力应变关系已成了数学物理模型研究的重要依据。
一般取棱柱体试件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如图1-10所示。
图1-10混凝土受压时应力应变曲线
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三个阶段组成。
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，任一点的应变ε可分为弹性应变εce和塑性应变εcp两部分。
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0.8fc（B点）左右后，混凝土塑性变形显著增大，内部裂缝不断延伸扩展，并有几条贯通，应力应变曲线斜率急剧减小，如果不继续加载，裂缝也会发展，即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。
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。
收敛段：
在反弯点D之后，应力下降的速率减慢，趋于稳定的残余应力。
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。
对于没有侧向约束的混凝土，收敛段没有实际意义，所以通常只注意混凝土轴心受压应力应变曲线的上升段OC和下降段CD，而最大应力值fc及相应的应变值εco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相对应的应变εco随混凝土强度等级而异，约在（1.5~2.5）×10-3间变动，通常取其平均值为εco=2.0×10-3。
应力应变曲线中相应于D的混凝土极限压应变εcu约为（3.0~5.0）×10-3。
从图1-14可见，24个月的徐变变形εcc约为加荷时立即产生的瞬时弹性变形εci的2~4倍，前期徐变变形增长很快，6个月可达到最终徐变变形的70%~80%，以后徐变变形增长逐渐缓慢。
从图1-14还可以看到，有B点卸荷后，应变会恢复一部分，其中立即恢复的一部分应变被称混凝土瞬时恢复弹性应变εcir；再经过一段时间（约20天）后才逐渐恢复的那部分应变被称为弹性后效εchr；最后剩下的不可恢复的应变称为残余应变εcp。
混凝土徐变的主要原因是在荷载长期作用下，混凝土凝胶体中的水分逐渐压出，水泥石逐渐粘性流动，微细空隙逐渐闭合，结晶体内部逐渐滑动，微细裂缝逐渐发生等各种因素的综合结果。
在进行混凝土徐变试验时，需注意观测到的混凝土变形中还含有混凝土的收缩变形（见下节），故需用同批浇筑同样尺寸的试件在同样环境下进行收缩试验，这样，从量测的徐变试验试件总变形中扣除对比的收缩试验试件的变形，便可得到混凝土徐变变形。
影响混凝土徐变的因素很多，其主要因素有：
（1）混凝土在长期荷载作用下产生的应力大小。
图1-15表明，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，被称为线性徐变。
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。
图1-15压应力与徐变的关系
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。
（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）。
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。
混凝土中骨料本身没有徐变，它的存在约束了水泥胶体的流动，约束作用大小取决于骨料的刚度（弹性模量）和骨料所占的体积比。
当骨料的弹性模量小于7×104N/mm2时，随骨料弹性模量的降低，徐变显著增大。
骨料的体积比越大，徐变越小。
近年的试验表明，当骨料含量由60%增大为75%时，徐变可减少50%。
混凝土的水灰比越小，徐变也越小，在常用的水灰比范围（0.4~0.6）内，单位应力的徐变与水灰比呈近似直线关系。
（4）养护及使用条件下的温度与湿度。
混凝土养护时温度越高，湿度越大，水泥水化作用就越充分，徐变就越小。
混凝土的使用环境温度越高，徐变越大；环境的相对湿度越低，徐变也越大，因此高温干燥环境将使徐变显著增大。
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）。
图1-17构件尺寸对徐变的影响
应当注意混凝土的徐变与塑性变形不同。
塑性变形主要是混凝土中骨料与水泥石结合面之间裂缝的扩展延伸引起的，只有当应力超过一定值（例如
左右）才发生，而且是不可恢复的。
混凝土徐变变形不仅可部分恢复，而且在较小的作用应力时就能发生。
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，甚至使混凝土开裂。
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，最终收缩值约为（2~6）×10-4。
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而引起的干缩。
混凝土的组成和配比是影响混凝土收缩的重要因素。
水泥的用量越多，水灰比较大，收缩就越大。
骨料的级配好、密度大、弹性模量高、粒径大能减小混凝土的收缩。
这是因为骨料对水泥石的收缩有制约作用，粗骨料所占体积比越大、强度越高，对收缩的制约作用就越大。
图1-18混凝土的收缩变形与时间关系
由于干燥失水是引起收缩的重要原因，所以构件的养护条件、使用环境的温度与湿度、以及凡是影响混凝土中水分保持的因素，都对混凝土的收缩有影响。
高温湿养（蒸汽养护）可加快水化作用，减少混凝土中的自由水分，因而可使收缩减少（图1-18）。
使用环境的温度越高，相对湿度较低，收缩就越大。
混凝土的最终收缩量还和构件的体表比有关，因为这个比值决定着混凝土中水分蒸发的速度。
体表比较小的构件如工字形、箱形薄壁构件，收缩量较大，而且发展也较快。
第三节钢筋和混凝土共同工作
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。
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，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1-23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。
试件端部以外，全部作用力F由钢筋（其面积设为As）负担，故钢筋的应力σs=F/As，相应的应变为εs=σs/Es，Es为钢筋的弹性模量。
而试件端面混凝土的应力σc=0，应变εc=0。
钢筋与混凝土之间有应变差，应变差导致两者之间产生粘结应力τ，通过τ将钢筋的拉力逐渐向混凝土传递。
随着距试件端部截面距离的增大，钢筋应力σs（相应的应变εs）减小，混凝土的拉应力σc（相应的应变εc）增大，二者之间的应变差逐渐减小，直到距试件端部截面为l处钢筋和混凝土的应变相同，无相对滑移，τ=0。
自试件端部x＜l区段内取出长度为dx的微段，设钢筋直径为d，截面积As=πd2/4，钢筋应力为
，其应力增量为
，则由dx微段的平衡可得到
或
（1-9）
式（1-9）表明，粘结应力使钢筋应力沿其长度上发生变化，或者说没有粘结应力τ就不会产生钢筋应力增量
。
经拔出试验证明，粘结应力的分布呈曲线形，但是光圆钢筋和带肋钢筋的粘结应力分布图有明显不同。
光圆钢筋的粘结应力分布图[图1-24a）]表现出τ值自试件混凝土端面开始迅速增长，在靠近端面的一定距离内达到峰值，其后迅速衰减的现象。
随着拉拔力 F的增加，光圆钢筋的峰值不断向埋入端内移，到破坏时渐呈三角形分布。
带肋钢筋的粘结应力分布图中的衰减段略呈凹进，随着拉拔力F的增加，应力分布的长度将略有增长；应力峰值也增大，但峰值位置内移甚少，只在接近破坏时才明显内移[图1-24b）]。
在实际工程中，通常以拔出试验中粘结失效（钢筋被拔出，或者混凝土被襞裂）时的最大平均粘结应力作为钢筋和混凝土的粘结强度。
平均粘结应力
计算式为
（1-10）
式中F——拉拔力；
d——钢筋直径；
l——钢筋埋置长度。
当钢筋压入试验时，因钢筋受压缩短、直径增大，在实际工程中钢筋端头又有混凝土顶住，故得到的粘结强度比拔出试验要大。
图1-24钢筋的粘结应力分布图
a）光圆钢筋情况b）带肋钢筋情况
1.4.3影响粘结强度的因素
影响钢筋与混凝土之间粘结强度的因素很多，其中主要为混凝土强度、浇筑位置、保护层厚度及钢筋净间距等。
（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。
试验表明，当其它条件基本相同时，粘结强度与混凝土抗拉强度ft近乎成正比。
（2）粘结强度与浇筑混凝土时钢筋所处的位置有明显关系。
混凝土浇筑后有下沉及泌水现象。
处于水平位置的钢筋，直接位于其下面的混凝土，由于水分、气泡的逸出及混凝土的下沉，并不与钢筋紧密接触，形成了间隙层，削弱了钢筋与混凝土间的粘结作用，使水平位置钢筋比竖位钢筋的粘结强度显著降低。
图1-27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
（3）钢筋混凝土构件截面上有多根钢筋并列一排时，钢筋之间的净距对粘结强度有重要影响。
净距不足，钢筋外围混凝土将会发生在钢筋位置水平面上贯穿整个梁宽的劈裂裂缝（图1-27）。
图1-28为一组不同钢筋净距的梁进行粘结强度试验的结果。
图1-28表明，梁截面上一排钢筋的根数越多、净距越小，粘结强度降低就愈多。
（4）混凝土保护层厚度对粘结强度有着重要影响。
特别是采用带肋钢筋时，若混凝土保护层太薄时，则容易发生沿纵向钢筋方向的劈裂裂缝，并使粘结强度显著降低。
（5）带肋钢筋与混凝土的粘结强度比用光圆钢筋时大。
试验表明，带肋钢筋与混凝土之间的粘结力比用光圆钢筋时高出（2~3）倍。
因而，带肋钢筋所需的锚固长度比光圆钢筋短。
试验还表明，牙纹钢筋与混凝土之间的粘结强度比用螺纹钢筋时的粘结强度低（10~15）%。
图1-28钢筋净距对粘结强度及钢筋应力的影响
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