第二章 钢筋混凝土材料力学性能课件.ppt

2 钢筋和混凝土材料力学性能,工程结构,2.1 钢筋的形式和品种,1、依据化学成分分类,碳素钢（铁、碳、硅、锰、硫、磷等元素）,低碳钢（含碳量0.25%）,中碳钢（含碳量0.250.6%）,高碳钢（含碳量0.61.4%）,普通低合金钢（另加硅、锰、钛、钒、铬等）,锰系硅钒系硅钛系硅锰系硅铬系,钢筋的力学性能主要取决于它的化学成分,2 钢筋和混凝土的材料性能,2、钢筋的品种(Reinforcement types) 热轧钢筋、钢丝和钢绞线、热处理钢筋和冷加工钢筋。（1）热轧钢筋：由低碳钢、普通低合金钢在高温状态下扎制而成。根据力学指标的高低，分为热轧光面钢筋HPB235、热轧带肋钢筋HRB335、热轧带肋钢筋HRB400、余热处理钢筋RRB400 。,2 钢筋和混凝土的材料性能,热轧钢筋 Hot Rolled Steel Reinforcing BarHPB235级、HRB335级、HRB400级、RRB400级,HPB,HRB,RRB,余热处理钢筋:热轧后立即穿水，进行表面控制冷却，然后利用芯部余热自身完成回火处理所得的成品钢筋.,HPB235级(级)钢筋多为光面钢筋（Plain Bar），多作为现浇楼板的受力钢筋和箍筋HRB335级(级)和 HRB400级(级)钢筋强度较高，多作为钢筋混凝土构件的受力钢筋，尺寸较大的构件，也有用级钢筋作箍筋，为了增强与混凝土的粘结（Bond），外形制作成月牙肋或等高肋的变形钢筋（Deformed Bar）。余热处理钢筋的焊接性能与热轧钢筋相比，有一定的差异，延性和强屈比稍低。在工程应用中，与热轧钢筋的使用范围存在实际的差异(适用于一般结构及抗震等级为三、四的抗震结构 )。,2 钢筋和混凝土的材料性能,（2）冷加工钢筋 Cold working rebar：在常温下，由热轧钢筋经冷拉、冷拔、冷轧、冷扭加工后而成。冷加工的目的是为了提高钢筋的强度，节约钢材。但经冷加工后，钢筋的延伸率降低。近年来，冷加工钢筋的品种很多，应根据专门规程使用。,（3）热处理钢筋 Heat treatment ：是将中碳低合金带肋钢筋通过加热、淬火和回火等调质工艺处理，使强度得到较大幅度的提高，而延伸率降低不多。用于预应力混凝土结构。,（4）钢丝 Wire：中强钢丝的强度为8001200MPa，高强钢丝、钢绞线(Strand or Tendon)的为 1470 1860MPa；钢丝的直径39mm；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9.515.2 mm。中高强钢丝和钢绞线均用于预应力混凝土结构。,2.2 钢筋的力学性能 1.有明显流幅（屈服点）钢筋的应力-应变曲线,ef为颈缩阶段,几个指标：屈服强度是钢筋强度的设计依据，因为钢筋屈服后将发生很大的塑性变形，且卸载时这部分变形不可恢复，这会使钢筋混凝土构件产生很大的变形和不可闭合的裂缝。屈服上限与加载速度有关，不太稳定，一般取屈服下限作为屈服强度。延 伸 率：钢筋拉断后的伸长值与原长的比率，是反映钢筋塑性性能的指标。延伸率大的钢筋，在拉断前有足够预兆，延性较好。,屈 强 比：反映钢筋的强度储备，要求极限抗拉强度与屈服强度比值不低于1.25。,冷弯性能：检验钢筋塑性的另一种方法。将直径为d的钢筋绕直径为D的钢辊弯成一定的角度而不发生裂纹、起层或断裂 。参见教材11页图2.7,2、无明显屈服点的钢筋,a点：比例极限，约为0.65fua点前：应力-应变关系为线弹性a点后：应力-应变关系为非线性，有一定塑性变形，且没有明显的屈服点强度设计指标条件屈服点残余应变为0.2%所对应的应力规范取s0.2 =0.85 fu,1）强度：要求钢筋有足够的强度和适宜的强屈比(极限强度与屈服强度的比值)。例如，对抗震等级为一、二级的框架结构，其纵向受力钢筋的实际强屈比不应小于1.25。 2）塑性：要求钢筋应有足够的变形能力。 3）可焊性：要求钢筋焊接后不产生裂缝和过大的变形，焊接接头性能良好。 4）与混凝土的粘结力：要求钢筋与混凝土之间有足够的粘结力，以保证两者共同工作。,3、 混凝土结构对钢筋性能的要求,2.3 钢筋的冷加工和热处理,温度的影响：温度达700C时恢复到冷拉前的状态，先焊后拉,3、钢筋的冷加工和热处理,冷拔:用强力把光圆钢筋通过比其直径稍小的硬质合金模上的锥形拔丝孔，使其产生塑性变形，横截面减小，长度增大。,经过冷拔后钢筋没有明显的屈服点和流幅,冷拔既能提高抗拉强度又能提高抗压强度,3、 钢筋的冷加工和热处理,热处理,对特定钢号的钢筋进行淬火和回火处理,将淬火后的钢材重新加热到723以下某一温度范围、保温一定时间后再缓慢地或较快地冷却至室温，这一过程称为回火处理。回火可消除钢材淬火时产生的内应力，使其硬度降低，恢复塑性和韧性。按回火温度不同，又可分为高温回火（500650）、中温回火（300500）和低温回火（150300）种。回火温度愈高，钢材硬度下降愈多，塑性和韧性恢复愈好，若钢材淬火后随即进行高温回火处理，则称调质处理，其目的是使钢材的强度、塑性、韧性等性能均得以改善。,将钢材加热至723以上某一温度，并保持一定时间后，迅速置于水中或机油中冷却，这个过程称钢材的淬火处理。钢材经淬火后，强度和硬度提高，脆性增大，塑性和韧性明显降低。,2.5 钢筋的蠕变、松弛和疲劳,蠕变,应力不变，随时间的增长应变继续增加,松弛,长度不变，随时间的增长应力降低,对结构，尤其是预应力结构，产生不利的影响，需采取必要的措施,钢筋的疲劳,钢筋在重复、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脆性突然断裂的现象，称为疲劳破坏。,规定的应力幅度内，经一定次数的重复荷载后，发生疲劳破坏的最大应力值称为疲劳强度。,试验方法,单根钢筋的轴拉疲劳,钢筋埋入混凝土中重复受拉或受弯,2.6 混凝土的强度 1. 单轴受力状态下混凝土的抗压强度,1）立方体抗压强度 fcu,不涂润滑剂（存在套箍作用）,我国规范的方法：不涂润滑剂,压力试件裂缝发展扩张整个体系解体，丧失承载力,影响强度的因素还有：龄期：龄期越长，强度增大加载速率：加载速度越快，测定的强度越大试块尺寸：尺寸越小，测定的强度越大,不涂润滑剂（存在套箍作用）,中部外围混凝土剥落,1、单轴受力状态下混凝土的抗压强度,非标准试块：100100 100 换算系数 0.95 200200 200 换算系数 1.05,立方体抗压强度是区分混凝土强度等级的指标，我国规范混凝土的强度等级是按照立方体抗压强度标准值fcu,k确定的C15，C20，C25，C30，C35，C40，C45，C50，C55，C60，C65，C70，C75，C80,表示混凝土Concrete,立方体抗压强度标准值,立方体抗压强度标准值边长为150mm的混凝土立方体试件，在标准条件下（温度为203，湿度90%）养护28天，用标准试验方法（加载速度0.150.25N/mm2.s，两端不涂润滑剂）测得的具有95%保证率的抗压强度,2）轴心抗压强度fc（棱柱体抗压强度）,按标准方法制作的150mml50mm 300mm的棱柱体试件，在温度为20土3和相对湿度为90以上的条件下养护28d，用标准试验方法测得的具有95保证率的抗压强度 。对于同一混凝土，棱柱体抗压强度小于立方体抗压强度。非标准试块：100100 300 换算系数 0.95 200200 400 换算系数 1.05 考虑到实际结构构件制作、养护和受力情况，实际构件强度与试件强度之间存在差异，规范基于安全取偏低值，规定轴心抗压强度标准值和立方体抗压强度标准值的换算关系为：,混凝土的物理力学性能,式中： k为棱柱体强度与立方体强度之比，对不大于C50级的混凝土取0.76，对C80取0.82，其间按线性插值。 k2为高强混凝土的脆性折减系数，对C40取1.0，对C80取0.87，中间按直线规律变化取值。0.88为考虑实际构件与试件混凝土强度之间的差异而取用的折减系数。,2、单轴受力状态下混凝土的抗拉强度,直接受拉试验ft,要求钢筋位于试件的轴线上，因此存在对中困难,轴心抗拉强度,混凝土的轴心抗拉强度可以采用直接轴心受拉的试验方法来测定，但由于试验比较困难，目前国内外主要采用圆柱体或立方体的劈裂试验来间接测试混凝土的轴心抗拉强度。,第二章 钢筋和混凝土的材料性能,2.1 混凝土的物理力学性能,混凝土结构设计规范规定轴心抗拉强度标准值与立方体抗压强度标准值的换算关系为：,混凝土轴心抗拉强度与立方体抗压强度的关系,3、复合受力状态下混凝土的强度,多维受力强度在实际结构中，混凝土经常不处于单轴应力状态，而受多维应力的作用；侧向压力限制混凝土受压后的横向变形，使纵向受压裂缝的开展延迟，促使纵向受压强度有效提高； （侧向约束）3.反之侧向拉力会使纵向受压裂缝的开展加快，使纵向受压强度明显降低。,3. 复合受力状态下混凝土的强度,三向受压时的混凝土强度,圆柱体试验,有侧向约束时的抗压强度,无侧向约束时圆柱体的单轴抗压强度,多维受力强度的应用,钢管混凝土螺旋箍筋,无螺旋箍筋,配有较大间距的螺旋箍筋,配有较小间距的螺旋箍筋,3、复合受力状态下混凝土的强度,法向应力和剪应力下的强度曲线,剪压、剪拉受力状态,抗剪强度随压应力的提高而提高,抗剪强度随压应力的提高而减小,受力变形一次短期加载荷载长期作用多次重复荷载体积变形收缩与膨胀温度变形,2.7 混凝土的变形性能,1、一次短期加载下的应力-应变关系,o,混凝土单轴受压应力-应变关系曲线，常采用棱柱体试件来测定。 在普通试验机上采用等应力速度加载，达到轴心抗压强度fc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，会导致试件产生突然脆性破坏，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，以吸收试验机内集聚的应变能，可以测得应力-应变曲线的下降段。,第二章 钢筋和混凝土的材料性能,混凝土,A点以前，微裂缝没有明显发展，混凝土的变形主要弹性变形，应力-应变关系近似直线。A点应力随混凝土强度的提高而增加，对普通强度混凝土sA约为 (0.30.4)fc ，对高强混凝土sA可达0.50.7fc。,A点以后，由于微裂缝处的应力集中，裂缝开始有所延伸发展，产生部分塑性变形，应变增长开始加快，应力-应变曲线逐渐偏离直线。微裂缝的发展导致混凝土的横向变形增加。但该阶段微裂缝的发展是稳定的。,混凝土在结硬过程中，由于水泥石的收缩、骨料下沉以及温度变化等原因，在骨料和水泥石的界面上形成很多微裂缝，成为混凝土中的薄弱部位。混凝土的最终破坏就是由于这些微裂缝的发展造成的。,达到B点，内部一些微裂缝相互连通，裂缝发展已不稳定，横向变形突然增大。在此应力的长期作用下，裂缝会持续发展最终导致破坏。取B点的应力作为混凝土的长期抗压强度。普通强度混凝土sB约为0.8fc，高强强度混凝土sB可达0.95fc以上。,达到C点fc，内部微裂缝连通形成破坏面，应变增长速度明显加快，C点的纵向应变值称为峰值应变 e 0，约为0.002。,内部裂缝在试件表面出现第一条可见平行于受力方向的纵向裂缝。,随应变增长，试件上相继出现多条不连续的纵向裂缝，横向变形急剧发展，承载力明显下降，混凝土骨料与砂浆的粘结不断遭到破坏，裂缝连通形成斜向破坏面。E点的应变e = (23) e 0，应力s = (0.40.6) fc。,第二章 钢筋和混凝土的材料性能,2.1 混凝土,不同强度混凝土的应力-应变关系曲线,强度等级越高，线弹性段越长，峰值应变也有所增大。但高强混凝土中，砂浆与骨料的粘结很强，密实性好，微裂缝很少，最后的破坏往往是骨料破坏，破坏时脆性越显著，下降段越陡。,混凝土的物理力学性能,侧向受约束时混凝土的变形特点,2、重复荷载下混凝土的变形性能,重复荷载下的应力-应变曲线（三种不同水平的应力重复作用）,因荷载多次重复作用而引起的破坏称为疲劳破坏。标准试件100100 300或150150 450 的棱柱体试块fcf的确定原则承受200万次（或以上）循环荷载时发生破坏的最大压应力值,3. 混凝土的模量,原点切线模量（弹性模量）：拉压相同,变形模量（割线模量、弹塑性模量）,切线模量,混凝土的弹性模量的试验方法（150150 300标准试件）,510次,混凝土的泊松比和剪切模量,混凝土的泊松比，在压力较小时为0.150.18，接近破坏时可达0.5以上，一般可取0.2,混凝土的剪切模量为,（1）长期荷载作用下混凝土的变形性能-徐变,原因之一，凝胶体的粘性流动,原因之二，混凝土内部微裂缝的不断发展,4、混凝土的收缩和徐变,徐变造成构件变形增大，引起预应力损失，在高应力作用下，会导致构件破坏。,影响徐变的因素,应力： c0.8fc，造成混凝土破坏，不稳定,c0.5fc，线性徐变,c0.8fc，非线性徐变,加荷时混凝土的龄期，越早，徐变越大,影响徐变的因素,混凝土的组成和配合比水泥用量越多，水灰比越大，徐变越大;骨料的弹性模量越大，骨料体积在混凝土中所占体积愈高，徐变越小；养护及使用条件的温度与湿度养护时温度高、湿度大，徐变小；使用环境温度高，相对湿度越低，徐变越大。,影响徐变的因素,构件的尺寸和体表比尺寸越大，体表比越大，则徐变越小。,影响徐变的因素,（2）混凝土的收缩 混凝土在空气中硬化时体积会缩小，这种现象称为混凝土的收缩。 收缩是混凝土在不受外力情况下体积变化产生的变形。,影响因素 混凝土的收缩受结构周围的温度、湿度、构件断面形状及尺寸、配合比、骨料性质、水泥性质、混凝土浇筑质量及养护条件等许多因素有关。（1）水泥的品种：水泥强度等级越高，制成的混凝土收缩越大。（2）水泥的用量：水泥用量多、水灰比越大，收缩越大。（3）骨料的性质：骨料弹性模量高、级配好，收缩就小。（4）养护条件：高温湿养，收缩小。（5）混凝土制作方法：混凝土越密实，收缩越小。（6）使用环境：使用环境温度越高、相对湿度越低，收缩越大。（7）构件的体积与表面积比值：比值大时，收缩小。,收缩对混凝土结构的影响：钢筋受压， 混凝土受拉。如果截面配筋率较高会导致混凝土开裂,第二章 钢筋和混凝土的材料性能,2.10 混凝土与钢筋的粘结,2.8 混凝土与钢筋的粘结,1、粘结的定义粘结和锚固是钢筋和混凝土形成整体、共同工作的基础,粘结力定义：若钢筋与混凝土有相对变形（滑移），就会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。,粘结强度：钢筋单位表面面积上所能承担的最大纵向剪应力。,钢筋混凝土轴心受拉构件裂缝出现前的应力分布,钢筋混凝土梁中的应力分布,第一章 钢筋和混凝土的材料性能,2.10 混凝土与钢筋的粘结,2.10 混凝土与钢筋的粘结,2、粘结的分类锚固粘结,裂缝附近的局部粘结,3、 粘结力的组成,化学粘结力混凝土浇筑时水泥浆体对钢筋表面氧化层的渗透以及水化过程中水泥晶体的生长和硬化；粘结力的大小不仅与钢筋与混凝土接触的表面积有关，更与混凝土强度相关，强度等级高的混凝土所形成的粘结力也大；光圆钢筋表面与混凝土所形成的粘结力的主要来源；,3、 粘结力的组成,摩擦力(混凝土收缩握裹钢筋)光圆钢筋表面与混凝土所形成的粘结力的主要来源；摩擦力的大小与钢筋与混凝土接触的表面积成正比；光圆钢筋表面的微微锈蚀有助于提高这种摩擦力，但较大的锈蚀会导致钢筋与混凝土的隔离，进而降低摩擦力。,3、粘结力的组成,机械咬合力是带肋钢筋的锚固力的主要来源；带肋钢筋的锚固力中，摩擦力与化学粘结力所占的比例较小；,对于光圆钢筋，可以采取端部弯钩的方式形成钢筋与混凝土的机械咬合，从而增加锚固力。,第二章 钢筋和混凝土的材料性能,混凝土与钢筋的粘结,4、影响粘结的因素影响钢筋与混凝土粘结强度的因素很多，主要有混凝土强度、保护层厚度及钢筋净间距、横向配筋以及浇筑混凝土时钢筋的位置等。.光圆钢筋及变形钢筋的粘结强度都随混凝土强度等级的提高而提高，但不与立方体强度成正比。.变形钢筋能够提高粘结强度。.浇筑混凝土时钢筋所处的位置也会影响粘结强度。.混凝土保护层厚度越薄，粘结强度越低。.横向钢筋可以限制混凝土纵向裂缝的发展，提高粘结强度。 F.钢筋间的净距越大，粘结强度越高。,5、保证粘结的构造措施,钢筋的最小搭接长度和锚固长度,5、保证粘结的构造措施,光面受力钢筋端部做成弯钩,钢筋的最小净距混凝土保护层的最小厚度，参见教材203页钢筋在搭接接头范围内箍筋加密,