1、水工鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)網(wǎng)上輔導(dǎo)材料之一第01章 緒論、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的材料第 0 章 緒論基本概念：一、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)1混凝土結(jié)構(gòu)的定義： 混凝土結(jié)構(gòu)是以混凝土為主要材料制成的結(jié)構(gòu)，包括素 混凝土結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)等。 素混凝土結(jié)構(gòu) 是指由無(wú)筋或不 配置受力鋼筋的混凝土制成的結(jié)構(gòu)； 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu) 是指由配置受力鋼筋的混凝土制 成的結(jié)構(gòu)； 預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu) 是指由配置受力的預(yù)應(yīng)力鋼筋通過(guò)張拉或其他方法建立 預(yù)加應(yīng)力的混凝土制成的結(jié)構(gòu)。其中，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在工程中應(yīng)用最為廣泛。2鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)： 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是以混凝土承受壓力、鋼筋承受拉 力，能比較充分合理地利用

2、混凝土 (高抗壓性能 )和鋼筋 (高抗拉性能 )這兩種材料 的力學(xué)特性。與素混凝土結(jié)構(gòu)相比，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)承載力大大提高，破壞也呈延性 特征，有明顯的裂縫和變形發(fā)展過(guò)程。對(duì)于一般工程結(jié)構(gòu)，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)優(yōu)于鋼結(jié)構(gòu)。技 術(shù)經(jīng)濟(jì)效益顯著。鋼筋有時(shí)也可以用來(lái)協(xié)助混凝土受壓，改善混凝土的受壓破壞脆性性能和減少截面 尺寸。3鋼筋和混凝土能夠共同工作的主要原因：(1) 鋼筋與混凝土之間存在有良好的粘結(jié)力，能牢固地形成整體，保證在荷載作 用下，鋼筋和外圍混凝土能夠協(xié)調(diào)變形，相互傳力，共同受力。(2) 鋼筋和混凝土兩種材料的溫度線膨脹系數(shù)接近(鋼材為 1.2為0-5,混凝土為 (1.01.5) 10-5)，當(dāng)溫度變

3、化時(shí)，兩者間不會(huì)產(chǎn)生很大的相對(duì)變形而破壞它們之間的結(jié) 合，而能夠共同工作。二、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)(1) 合理用材。能充分合理的利用鋼筋(高抗拉性能)和混凝土(高抗壓性能) 兩種材料的受力性能。(2) 耐久性好。在一般環(huán)境下，鋼筋受到混凝土保護(hù)而不易生銹，而混凝土的強(qiáng) 度隨著時(shí)間的增長(zhǎng)還有所提高，所以其耐久性較好。( 3)耐火性好。混凝土是不良導(dǎo)熱體，遭火災(zāi)時(shí)，鋼筋因有混凝土包裹而不致于 很快升溫到失去承載力的程度。(4) 可模性好。混凝土可根據(jù)設(shè)計(jì)需要支模澆筑成各種形狀和尺寸的結(jié)構(gòu)。(5) 整體性好。整體澆筑的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)整體性好，再通過(guò)合適的配筋，可獲 得較好的延性，有利于抗震、防爆和防

4、輻射，適用于防護(hù)結(jié)構(gòu)。(6) 易于就地取材。混凝土所用的原材料中占很大比例的石子和砂子，產(chǎn)地普遍， 便于就地取材。三、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)（1）自重偏大。相對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，混凝土結(jié)構(gòu)自重偏大，這對(duì)于建造大跨度結(jié) 構(gòu)和高層建筑是不利的。（2）抗裂性差。由于混凝土的抗拉強(qiáng)度較低，在正常使用時(shí)，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)往 往帶裂縫工作，裂縫存在會(huì)影響結(jié)構(gòu)物的正常使用性和耐久性。（ 3） 施工比較復(fù)雜，工序多。施工受季節(jié)、天氣的影響也較大。（4）新老混凝土不易形成整體。混凝土結(jié)構(gòu)一旦破壞，修補(bǔ)和加固比較困難。四、混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展方向（1）在計(jì)算理論方面。在工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中已采用的基于概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)分 析的可

5、靠度理論，概率極限狀態(tài)計(jì)算體系要不斷完善；混凝土的微觀斷裂機(jī)理、混凝 土的多軸強(qiáng)度理論及非線性變形的計(jì)算理論等方面也需要更大的突破，并應(yīng)用于工程 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中（2）在材料研究方面。混凝土主要是向高強(qiáng)、輕質(zhì)、耐久、易成型及具備某種特 殊性能的高性能混凝土方向發(fā)展。鋼筋的發(fā)展方向是高強(qiáng)、防腐、較好的延性和良好 的粘結(jié)錨固性能。（3）在結(jié)構(gòu)型式方面。預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)由于抗裂性能好，可充分利用高強(qiáng)度材 料，各種應(yīng)用發(fā)展迅速。一些高性能新型組合結(jié)構(gòu)具有充分利用材料強(qiáng)度、較好的適 應(yīng)變形能力（延性）、施工較簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，也得到廣泛應(yīng)用（4）在施工技術(shù)方面。大型水利工程的工地建有拌和樓（站）集中攪拌混凝土， 城

6、市應(yīng)用的商品混凝土，都現(xiàn)澆混凝土施工，整體性好。大體積混凝土結(jié)構(gòu)采用的滑 模和碾壓混凝土施工技術(shù)，施工機(jī)械化程度高。標(biāo)準(zhǔn)化（設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化、制造工業(yè)化、 安裝機(jī)械化）的裝配式或裝配整體式結(jié)構(gòu)，施工上也具有一定的優(yōu)越性。在模板使用方面，除了目前使用的木模板、鋼模板、竹模板、硬塑料模板外，今 后將向多功能發(fā)展。發(fā)展薄片、美觀、廉價(jià)又能與混凝土牢固結(jié)合的永久性模板，將 使模板可以作為結(jié)構(gòu)的一部分參與受力，還可省去裝修工序。透水模板的使用，可以 濾去混凝土中多余的水分，大大提高混凝土的密實(shí)性和耐久性。在鋼筋的連接成型方面，正在大力發(fā)展各種鋼筋成型機(jī)械及綁扎機(jī)具，以減少大 量的手工操作。除了現(xiàn)有的綁扎搭接、

7、焊接、螺栓及擠壓連接方式外，隨著化工膠結(jié) 材料的發(fā)展，還出現(xiàn)了膠接的連接方式。第 1 章 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的材料基本概念：一、鋼筋的品種1按化學(xué)成分劃分（1）碳素鋼：碳素鋼按碳的含量多少分為低碳鋼、和高碳鋼。含碳量增加，能使 鋼材強(qiáng)度提高，性質(zhì)變硬，但也使鋼材的塑性和韌性降低，焊接性能也會(huì)變差。（2）普通低合金鋼：普通低合金鋼是在煉鋼時(shí)對(duì)碳素鋼加入少量合金元素而形成 的。低合金鋼鋼筋具有強(qiáng)度高、塑性及可焊性好的特點(diǎn)，因而應(yīng)用較為廣泛。2按加工工藝劃分 我國(guó)生產(chǎn)的建筑用鋼筋按加工工藝有熱軋鋼筋、冷加工鋼筋、熱處理鋼筋及高強(qiáng)鋼 絲和鋼絞線等。3按表面形狀劃分（1）光面鋼筋：表面是光滑的，與混凝土的粘

8、結(jié)性較差。（2）帶肋鋼筋：表面有縱向凸緣（縱肋）和許多等距離的斜向凸緣（橫肋） 。其中， 由兩條縱肋和縱肋兩側(cè)多道等距離、等高度及斜向相同的橫肋形成的螺旋紋表面。若 橫肋斜向不同則形成了人字紋表面。這兩種表面形狀的鋼筋習(xí)慣稱為螺紋鋼筋，現(xiàn)在 稱為等高肋鋼筋，國(guó)內(nèi)已基本上不再生產(chǎn)。斜向凸緣和縱向凸緣不相交，甚無(wú)縱肋，剖面幾何形狀呈月牙形的鋼筋，稱為月牙 肋鋼筋，與同樣公稱直徑的等高肋鋼筋相比，凸緣處應(yīng)力集中得到改善，但與混凝土 之間的粘結(jié)強(qiáng)度略低于等高肋鋼筋。二、鋼筋的力學(xué)性能1軟鋼的力學(xué)性能軟鋼（熱軋鋼筋）有明顯的屈服點(diǎn)，破壞前有明顯的預(yù)兆（較大的變形，即伸長(zhǎng) 率），屬塑性破壞。2硬鋼的力學(xué)性

9、能 硬鋼（熱處理鋼筋及高強(qiáng)鋼絲）強(qiáng)度高，但塑性差，脆性大。從加載到突然拉斷， 基本上不存在屈服階段（流幅）。屬脆性破壞。材料的塑性好壞直接影響到結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞性質(zhì)。所以，應(yīng)選擇塑性好的鋼筋。3冷拉鋼筋的力學(xué)性能冷拉是將鋼筋拉伸超過(guò)屈服強(qiáng)度并達(dá)到強(qiáng)化階段中的某一應(yīng)力值，然后放松。若 立即重新加荷，此時(shí)屈服點(diǎn)將提高。表明鋼筋經(jīng)冷拉后，屈服強(qiáng)度提高，但伸長(zhǎng)率減 小，塑性性能降低，也就是鋼材性質(zhì)變硬變脆了。此稱冷拉硬化。如果卸荷后，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間再重新加荷，則屈服點(diǎn)還會(huì)進(jìn)一步提高，稱冷拉時(shí)效。鋼筋冷拉后，只提高抗拉強(qiáng)度，其抗壓強(qiáng)度并沒(méi)有提高。因此，不要把冷拉鋼筋 用作受壓鋼筋。三、鋼筋的選用1選用原則（

10、 1）建筑用鋼筋要求具有一定的強(qiáng)度（屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度） ，應(yīng)適當(dāng)采用較高強(qiáng) 度的鋼筋，以獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益。（2）要求鋼筋有足夠的塑性（伸長(zhǎng)率和冷彎性能） ，以使結(jié)構(gòu)獲取較好的破壞性 質(zhì)。（3）應(yīng)有良好的焊接性能，保證鋼筋焊接后不產(chǎn)生裂紋及過(guò)大的變形。（4）鋼筋和混凝土之間應(yīng)有足夠的粘結(jié)力，保證兩者共同工作。2鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中主要采用的鋼筋I(lǐng)級(jí)鋼筋（相當(dāng)于HPB235）: I級(jí)鋼筋（Q235鋼）是熱軋光圓低碳鋼筋，質(zhì)量穩(wěn) 定，塑性及焊接性能較好，但強(qiáng)度稍低，而且與混凝土的粘結(jié)稍差。因此，1級(jí)鋼筋 主要應(yīng)用在厚度不大的板中或作為梁、柱的箍筋。U級(jí)鋼筋（相當(dāng)于HRB335）: U級(jí)鋼筋（20Mn

11、Si）是熱軋?jiān)卵览叩秃辖痄摻睿瑥?qiáng) 度、塑性及可焊性都比較好。U級(jí)鋼筋在工程中應(yīng)用較為廣泛。川級(jí)鋼筋（相當(dāng)于HRB40和RRB400:川級(jí)鋼筋（20MnSiV等）是熱軋?jiān)卵览?低合金鋼筋。其中余熱處理川級(jí)（K20MnS）是鋼筋熱軋后立即穿水，進(jìn)行表面冷卻， 然后利用芯部余熱自身完成回火處理而形成。它的塑性及可焊性也比較好 , 強(qiáng)度更高。 川級(jí)鋼筋在工程中應(yīng)用越來(lái)越廣泛。四、混凝土的強(qiáng)度1混凝土的單軸強(qiáng)度（1）立方體抗壓強(qiáng)度f(wàn)eu :不是結(jié)構(gòu)計(jì)算的實(shí)用指標(biāo)，它是衡量混凝土強(qiáng)度高低 的基本指標(biāo)，并以其標(biāo)準(zhǔn)值定義混凝土的強(qiáng)度等級(jí)。（2）軸心抗壓強(qiáng)度f(wàn)e :比立方體抗壓強(qiáng)度能更好地反映受壓構(gòu)件中混凝土的

12、實(shí)際 抗壓強(qiáng)度，為一實(shí)用抗壓強(qiáng)度指標(biāo)。（3）軸心抗拉強(qiáng)度f(wàn)t :反映混凝土的抗拉能力。（二）混凝土的多軸強(qiáng)度 上面所講混凝土強(qiáng)度，均是指單向受力條件下所得到的強(qiáng)度。但實(shí)際上，結(jié)構(gòu)物 很少處于單向受力狀態(tài)。工程上經(jīng)常遇到的都是一些雙向或三向受力的復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)。 用單軸應(yīng)力狀態(tài)的強(qiáng)度表示實(shí)際結(jié)構(gòu)中混凝土的破壞條件（強(qiáng)度準(zhǔn)則）不合理的，特 別是對(duì)非桿件結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值分析時(shí)，其強(qiáng)度準(zhǔn)則的選取直接影響計(jì)算結(jié)果的精確度和 正確性。所以研究復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)下的混凝土強(qiáng)度條件，對(duì)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)是極為重要的。 但由于測(cè)試技術(shù)的復(fù)雜性和試驗(yàn)結(jié)果的離散性，目前還未能建立起完整的強(qiáng)度理論。 根據(jù)現(xiàn)有的試驗(yàn)結(jié)果，可以得出以下幾

13、點(diǎn)結(jié)論:（1）雙向受壓的強(qiáng)度:雙向受壓的混凝土的強(qiáng)度比單向受壓的強(qiáng)度為高。也就是 說(shuō)，一向強(qiáng)度隨另一向壓應(yīng)力的增加而增加。（2）雙向受拉的強(qiáng)度:雙向受拉的的混凝土強(qiáng)度與單向受拉強(qiáng)度基本一樣。也就 是說(shuō)，混凝土一向抗拉強(qiáng)度基本上與另一向拉應(yīng)力的大小無(wú)關(guān)。（3）一向受拉一向受壓的強(qiáng)度:一向受拉一向受壓的混凝土抗壓強(qiáng)度隨另一向的 拉應(yīng)力的增加而降低。或者說(shuō)，混凝土的抗拉強(qiáng)度隨另一向的壓應(yīng)力的增加而降低。（4） 正應(yīng)力及剪應(yīng)力下的強(qiáng)度：在單軸正應(yīng)力 （T及剪應(yīng)力T共同作用下，當(dāng)為 壓應(yīng)力時(shí)，混凝土的抗剪強(qiáng)度有所提高，但當(dāng)壓應(yīng)力過(guò)大時(shí)，混凝土的抗剪強(qiáng)度反有 所降低。為拉應(yīng)力時(shí)降低抗剪強(qiáng)度。三向受力下的混

14、凝土強(qiáng)度規(guī)律與雙向受力時(shí)基本相同。五、混凝土的變形（一）混凝土的受力變形1混凝土的應(yīng)力 應(yīng)變曲線試驗(yàn)表明 , 混凝土不論是受壓或是受拉，破壞的過(guò)程本質(zhì)上是由連續(xù)材料逐步變成 不連續(xù)材料的過(guò)程，即混凝土的破壞是微裂縫的發(fā)展導(dǎo)致橫向變形引起的。對(duì)橫向變 形加以約束，就可以限制微裂縫的發(fā)展，從而可提高混凝土的強(qiáng)度。約束混凝土可以 提高混凝土的強(qiáng)度，也可以提高混凝土的變形能力。復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)對(duì)混凝土強(qiáng)度的影 響就在于此原因。約“束混凝土 ”可以提高混凝土的強(qiáng)度，但更值得注意的是可以提高混 凝土的變形能力，配箍筋混凝土就起此效果。隨著混凝土強(qiáng)度的提高，峰值應(yīng)力、應(yīng)變有所增大。但下降段的坡度變陡，即應(yīng) 力下

15、降相同幅度時(shí)變形越小，極限應(yīng)變減小，塑性變差，破壞時(shí)脆性顯著。加載速度 較快時(shí)，強(qiáng)度提高，但極限應(yīng)變將減小。2混凝土的徐變及對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的影響徐變是混凝土在荷載長(zhǎng)期持續(xù)作用下，應(yīng)力不變，隨著時(shí)間而增長(zhǎng)的變形。產(chǎn)生徐變的原因有：（1）混凝土受力后，在應(yīng)力不大的情況下，徐變緣于水泥石中的凝膠體產(chǎn)生的粘 性流動(dòng)（顆粒間的相對(duì)滑動(dòng)）要延續(xù)一個(gè)很長(zhǎng)的時(shí)間。（2）在應(yīng)力較大的情況下，骨料和水泥石結(jié)合面裂縫的持續(xù)發(fā)展，導(dǎo)致徐變加大。徐變對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的不利影響：（1）徐變作用會(huì)使結(jié)構(gòu)的變形增大。（2）在預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中，它還會(huì)造成較大的預(yù)應(yīng)力損失。（3）徐變還會(huì)使構(gòu)件中混凝土和鋼筋之間發(fā)生應(yīng)力重分布，導(dǎo)致混

16、凝土應(yīng)力減小， 鋼筋應(yīng)力增大，使得理論計(jì)算產(chǎn)生誤差。一定要注意避免高應(yīng)力下的非線性徐變。（二）混凝土的收縮及對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的影響 混凝土在空氣中結(jié)硬時(shí)，由于溫、濕度及本身化學(xué)變化的影響，體積隨時(shí)間增長(zhǎng) 而減小的現(xiàn)象稱為收縮。收縮對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的不利影響：（1）收縮受到約束時(shí)會(huì)使混凝土產(chǎn)生拉應(yīng)力，甚至使混凝土開(kāi)裂。（2）混凝土收縮還會(huì)使預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力損失。混凝土的收縮會(huì)帶來(lái)危害，而膨脹變形一般是有利的，不予討論。六、鋼筋與混凝土的粘結(jié)1鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)力粘結(jié)力是在鋼筋和混凝土接觸面上阻止兩者相對(duì)滑移的剪應(yīng)力。粘結(jié)力主要由三 部分組成：（ 1）水泥凝膠體與鋼筋表面之間的化學(xué)膠著力（膠

17、結(jié)力） ；（ 2）混凝土收縮，將鋼筋緊緊握固而產(chǎn)生的摩擦力（摩阻力）;（3）鋼筋表面凹凸不平與混凝土之間產(chǎn)生的機(jī)械咬合力。光面鋼筋在粘結(jié)應(yīng)力達(dá)到粘結(jié)強(qiáng)度破壞時(shí)，其表面有明顯的縱向摩擦痕跡。變形鋼 筋，接近破壞時(shí)，首先由于橫肋擠壓混凝土引起的環(huán)向或斜向拉應(yīng)力而使鋼筋周圍混 凝土開(kāi)裂，最終因肋間混凝土剪切強(qiáng)度不夠，將被擠碎帶出，發(fā)生沿肋外徑圓柱面的 剪切破壞。其粘結(jié)強(qiáng)度比光面鋼筋要大得多。2影響粘結(jié)強(qiáng)度的主要因素（1）混凝土強(qiáng)度。粘結(jié)強(qiáng)度都隨混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提高而提高，粘結(jié)強(qiáng)度基本上 與混凝土的抗拉強(qiáng)度成正比例的關(guān)系。（2）鋼筋的表面狀況。鋼筋表面形狀對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度有影響，變形鋼筋的粘結(jié)強(qiáng)度大 于光圓鋼筋。（3）混凝土保護(hù)層厚度和鋼筋的凈間距。增大保護(hù)層厚度（相對(duì)保護(hù)層厚度c/d ），保持一定的鋼筋間距（鋼筋凈距s與鋼筋直徑d的比值s/d ）,可以提高外圍混凝土的抗劈裂能力，有利于粘結(jié)強(qiáng)度的充分發(fā)揮。也能使粘結(jié)強(qiáng)度得到相應(yīng)的提高。七、鋼筋的錨固與連接1鋼筋的錨固 根據(jù)鋼筋受拉應(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度時(shí)，鋼筋才被拔出的條件確定出基本錨固（埋入） 長(zhǎng)度 l a。為了保證鋼筋在混凝土中錨固可靠，避免粘結(jié)遭到破壞，而使鋼筋被拔出發(fā)生錨 固破壞，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該使鋼筋在混凝土中有足夠的錨固（埋入）長(zhǎng)度 la。分析表明，鋼 筋強(qiáng)度越高，直徑越粗，混凝土強(qiáng)度越低，則要求錨