第3章建筑结构材料_建筑结构第三章

2020-02-28 其他范文 下载本文

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第3章 建筑结构材料

第3章 建筑结构材料

建筑结构材料主要有三种:钢材、钢筋混凝土、砌体。3.1 钢筋混凝土结构材料

混凝土由水泥、砂、石子三种材料用水搅拌和凝固硬化后形成的一种复合材料。

1、混凝土的强度指标 1)立方体抗压强度fcu 水利水电工程用砼分10个强度等级,C15~C60,级差为5N/mm2。钢筋砼:≥C15 HRB335、HRB400、RRB400时,≥C20,保证足够的粘结力 预应力砼,≥C30 用钢绞线、钢丝作预应力筋时,≥C40 其中≥ C50为高强度混凝土

(2)棱柱体抗压强度--轴心抗压强度fc 钢筋混凝土受压构件的长度远大于截面尺寸,因此棱柱体强度能更好地反映受压构件中混凝土的实际强度。

棱柱体试件高度与宽度比大于3时,试件两端接触面摩擦力对试件中部的影响不明显,fc趋于稳定。

(3)轴心抗拉强度

远低于抗压强度,与抗压强度的比值随抗压强度的提高而降低。凡影响抗压强度的因素,对抗拉强度也有影响,但影响程度不同。此外,用碎石拌制的混凝土,抗拉强度高于用卵石拌制的。测定方法:

(1)直接拉伸法

150mm×150mm×550mm棱柱,两端埋深125mm对中变形钢筋,直接受拉。缺点:对中、应力集中。

(2)劈裂法

测得强度受垫条的刚度及宽度影响。我国采用直接拉伸法来测定混凝土的轴心抗拉强度。

(4)复合应力状态下的混凝土强度 实际工程中,一般为双向或三向受力的复合应力状态。但复合应力状态下混凝土的强度问题比较复杂,尚未能建立起完整的强度理论。现在已经得到的一些公认的结果:

(1)双压时强度提高

(2)双拉时强度不变

(3)拉压时一向的强度随另一向应力的提高而降低

(4)三向受压下一向抗压强度随另二向应力的增加而增加(5)双轴受压下混凝土的强度

①双向受拉,接近单轴抗拉强度;

②双向受压,混凝土的侧向变形受到约束,强度提高 ;

③一拉一压,加速了混凝土内部微裂缝的发展,抗拉、抗压强度均降低。

(6)压剪及拉剪下混凝土的强度

①随着拉应力的增大,混凝土的抗剪强度降低。

②随着压应力的增大,混凝土的抗剪强度逐渐增大;当压应力超过某一数值后,抗剪强度随压应力增大而减小。

(7)三轴应力状态下混凝土的强度

试件侧向变形受到限制,其内部微裂缝的产生和发展受到阻碍,当侧压力增大时,轴向抗压强度也相应增大。

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2、混凝土的变形

混凝土变形分为两种:受力变形和体积变形 一次短期加载时的应力-应变曲线

1)应力较小时,接近直线

(2)应力继续增大,呈现出塑性性质

(3)应力达到极限强度时出现平行裂缝

(4)普通试验机上下降段无规律(5)伺服机上可得到下降段

(7)影响因素:混凝土强度,加载速率,组成材料的性质及配合比、试验方法及约束情况等

1)混凝土的弹性模量

为方便常近似将混凝土看作弹性材料进行分析,但混凝土的应力应变关系为曲线,因此需要恰当地规定混凝土的弹性模量。2)混凝土的徐变

a.混凝土在荷载的长期作用下,应力不变,变形也会随着时间而增长。这种现象称为徐变。

b.如果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。这种现象称为应力松弛。

c.徐变的特点:

开始增长较快,以后逐渐减慢,最后趋于稳定,但时间很长。

d.徐变的原因:

①水泥凝胶体的黏性流动,使骨料应力增大。

②混凝土内部微裂缝在长期作用下不断发展和增加。

e.徐变与塑性变形的区别:

◇发生原因:塑性变形主要由混凝土中结合面裂缝的扩展延伸而引起;徐变是因为混凝土受力后水泥中凝胶体产生的粘性流动引起。

◇性质:塑性变形不可恢复,与时间无关;徐变部分可恢复,与时间有关。f.影响徐变的因素:

(1)加载应力(2)加载龄期(3)周围湿度(4)水泥用量、水灰比、水泥品种及养护条件等

混凝土的应力条件是影响徐变的主要因素。(3)混凝土的收缩与膨胀

对于养护不好的混凝土构件,表面在受荷前可能产生收缩裂缝。需要说明,混凝土的收缩对处于完全自由状态的构件只会引起构件的缩短而不开裂。对于周边有约束而不能自由变形的构件,收缩会引起构件内混凝土产生拉应力,甚至会有裂缝产生

在不受约束的混凝土结构中,钢筋和混凝土由于粘接力的作用,相互之间变形是协调的。混凝土具有收缩的性质,而钢筋并没有这种性质,钢筋的存在限制了混凝土的自由收缩使混凝土受拉、钢筋受压,如果截面的配筋率较高时会导致混凝土开裂。

3、钢筋的品种和分类 1)钢筋的化学成分

钢筋的力学性能主要取决于它的化学成分。其主要成分是铁元素,此外还含有少量的碳、锰、硅、硫等元素。(2)钢筋的分类 a.按加工方法分: 热轧钢筋、冷加工钢筋、热处理钢筋、钢丝、钢绞线等种类,其中应用量最大的是热轧钢筋。b.按使用用途分:

普通钢筋、预应力钢筋

c.按化学成分分:低碳钢钢筋、普通低合金钢钢筋 d.按力学性能分:有明显屈服点钢筋(软钢)、无明显屈服点钢筋(硬钢)e.按钢筋表明形状分:光面钢筋、变形钢筋

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碳钢和低合金钢 低碳钢:(含碳量

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 热轧钢筋

热轧钢筋是钢厂用普通低碳钢(含碳量不大于0.25%)和普通合金钢(合金元素不大于5%)制成。

HPB235为热轧光面钢筋,普通钢筋,“软钢” HRB335和HRB400是热轧变形钢筋,普通钢筋,“软钢”

RRB400是余热处理钢筋 冷加工钢筋

冷加工钢筋是指在常温下采用某种工艺对热轧钢筋进行加工得到的钢筋。常用的加工工艺有冷拉、冷拔、冷轧和冷轧扭四种。其目的都是为了提高钢筋的强度,以节约钢材。但是,经冷加工后的钢筋在强度提高的同时,延伸率显著降低,除冷拉钢筋仍具有明显的屈服点外,其余冷加工钢筋均无明显屈服点和屈服台阶。

冷轧带肋钢筋是以低碳钢筋或低合金钢筋为原材料,在常温下进行轧制而成的表面带有纵肋和月牙纹横肋的钢筋。

我国预应力混凝土结构采用的钢丝都是消除应力钢丝,其中大部分为低松弛钢丝。消除应力钢丝是将钢筋拉拔后,经中温回火消除应力并进行稳定化处理的钢丝,按其表面形状可分为光圆、螺旋肋及刻痕三种。

螺旋肋钢丝是以普通低碳钢或普通低合金钢热轧的圆盘条为母材,经冷轧减径后在其表面冷轧成二面或三面有月牙肋的钢丝。

刻痕钢丝是用高碳钢光圆盘条钢筋经冷拔和矫直回火,再将表面经过机械刻痕制成。钢绞线是由几根高强钢丝用绞盘捻制在一起经过低温回火处理清除内应力后而制成。(3)钢筋的强度与变形

a.对于有明显屈服点的钢筋,屈服点对所对应的应力为屈服强度。b.冷弯性能:指钢筋在常温下达到一定弯曲程度而不被破坏的能力。

c.冷弯试验:将直径为d的钢筋绕弯芯直径为D弯曲到规定的角度,通过检查被弯后的钢筋试件是否发生裂纹、断裂以及起层来判断是否合格。

弯芯的直径D越小,弯转角越大,说明钢筋的塑性越好。(4)力学性能

a.软钢:含碳量越高,屈服强度和抗拉强度高,伸长率小,流幅缩短,塑性越差。b.硬钢:塑性差,脆性大,基本上没有屈服阶段 钢筋在多次重复加载时,会呈现疲劳的特性。☆疲劳破坏:钢筋在承受重复、周期动荷载作用下,经过一定次数后,从塑性破坏的性质转变成脆性突然断裂的现象。

☆疲劳强度:在某一规定应力幅度内,经受某一规定次数循环加载后,才发生疲劳破坏的最大应力值。

影响钢筋疲劳强度的因素:应力的幅度、最大应力值、钢筋外表面的几何形状、钢筋直径、钢筋等级和试验方法等。

钢筋混凝土的常用钢筋

a.普通钢筋宜采用HRB335级和HRB400级钢筋,也可采用HPB235级和III级作余热处理

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RRB400级钢筋。

b.预应力钢筋宜采用钢绞线、钢丝,也可采用螺纹钢筋或钢棒。

4、混凝土与钢筋的粘结

钢筋与混凝土之间的粘结是两种材料共同受力的基本前提。外力作用在混凝土上,依靠粘结力传力给钢筋。

当钢筋于混凝土之间产生相对变形(滑移),在钢筋和混凝土的交界面上产生沿钢筋轴线方向的相互作用力,此作用力称为粘结力。

钢筋与混凝土接触面上产生的沿钢筋纵向的剪应力叫做粘结应力。粘结失效时的最大(平均)粘结应力叫做粘结强度。钢筋的连接方式 a.绑扎搭接

b.机械连接

常用的机械连接方式:挤压套筒接头 锥螺纹套筒接头

直螺纹套筒接头

熔融金属充填套筒接头

水泥灌浆充填套筒接头

受压钢筋端面接头 c.焊接链接

电阻连接、闪光对焊、电弧焊、电渣压力焊、气压焊和埋弧压力焊 3.2 砌体结构材料及其力学性能 砌体由块材和砂浆砌筑而成的材料。

(1)砖分为烧结普通砖、烧结多孔砖和非烧结硅酸盐砖等。(2)砌块

小型砌块:h﹤350mm;

砌块灌浆混凝土(Cb××表示)

配套专门材料 砌块专用砂浆(Mb ××表示)(3)石材

石材主要来源于重质岩石和轻质岩石。(4)砂浆

砂浆由胶结材料、细骨料、掺合料加水拌合而成的粘结材料。其种类主要有纯水泥砂浆、混合砂浆和石灰砂浆。(5)砌体种类

砖砌体、砌块砌体、石材砌体、配筋砌体和组合砖砌体 3.3 建筑钢材

(1)建筑钢材的力学性能

强度、塑性、韧性、可焊性、冷弯性能

截面收缩率是表示钢材在颈缩区的应力状况下,所产生的最大塑性变形,它是衡量钢材塑性变形的一个指标。(2)钢材的选用原则

a.能使结构安全可靠和满足应用要求;

b.最大程度节约钢材和降低造价。

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