《材料性能》PPT课件.ppt
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1、第一章 钢筋和混凝土材料的力学性能,主要内容一、钢筋的品种二、钢筋的应力-应变关系(力学性能)三、钢筋的塑性性能指标四、钢筋的冷加工五、钢筋的连接六、混凝土结构对钢筋性能的要求,2.1 钢 筋,1.1 钢 筋 Steel Reinforcement,2.1 钢筋,1.1 钢 筋 Steel Reinforcement一、钢筋的品种(P10)钢筋原材钢材碳素钢和合金钢(改善性能)(高碳钢、中碳钢和低碳钢,碳高强度高、塑性、韧性、可焊性降低)普通低合金钢(合金量3%5%,加入合金元素锰、硅钛等)。钢筋 按外形分为:钢筋 按加工工艺分为:热轧钢筋、热处理钢筋、钢丝、钢绞线四种,冷加工钢筋,2.1 钢
2、 筋,1、热轧钢筋 Hot Rolled Steel Reinforcing BarHPB235级、HRB335级、HRB400级、RRB400级,HPB,HRB,RRB,屈服强度 fyk(标准值=钢材废品限值,保证率7.73%)P11表1-1HPB235级:fyk=235 N/mm2HRB335级:fyk=335 N/mm2HRB400级、RRB400级:fyk=400 N/mm2,P410 附表1,2.1 钢 筋,HPB235级(级)钢筋多为光面钢筋(Plain Bar),低碳钢,多作为现浇楼板的受力钢筋和箍筋。HRB335级(级)和 HRB400级(级)外形制作成月牙肋或等高肋的变形钢筋
3、(Deformed Bar),低合金。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的为增强与混凝土的粘结(Bond)。RRB400级与HRB335成分相同,但强度高,性能不稳定,不适宜作为钢筋混凝土构件中的配筋,一般冷拉后作预应力筋。直径640mm。热轧钢筋属软钢。,(20MnSi),2.1 钢筋,2、钢丝 根据母材不同分为:1)冷拔低碳钢丝:b HPB235加工而成(中强钢丝)直径3、4、5mm,强度为8001200MPa。2)高强钢丝:高碳钢线材加工而成,直径39mm,外形有光面p、刻痕I和螺旋肋H三种,质量稳定。3、钢绞线s有二股、三股和七股钢绞线,外
4、接圆直径9.515.2 mm。强度为 1470 1860MPa.4、热处理钢筋HT是将热扎钢筋牌号为40Si2Mn和 48Si2Mn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。热处理钢筋、高强钢丝和钢绞线属硬钢,只能用于预应力混凝土结构。5、冷拉钢筋是由热轧钢筋和盘条在常温下经冷拉,超过其屈服强度,然后卸载从而提高钢筋的抗拉强度,节约钢材。但经冷拉后,钢筋的延伸率降低。,2.1 钢筋,二、钢筋的应力-应变关系(力学性能-强度和变形,单向拉伸试验)1、有明显屈服点的钢筋 Steel bar with yield point(软钢),a为比例极限proporti
5、onal limit s=Ese,a为弹性极限elastic limit,de为强化段strain hardening stage,b为屈服上限upper yield strength,c为屈服下限,即屈服强度 fylower yield strength,cd为屈服台阶yield plateau,e为极限抗拉强度 fu ultimate tensile strength,强屈比反映钢筋的强度储备,fu/fy大于.25,但也不宜过大。,应力-应变曲线,记住2个强度指标,2.1 钢筋,2、无明显屈服点的钢筋Steel bar without yield point(硬钢),a点:比例极限,约为0
6、.65 sba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,峰值(最大应力)称为极限强度sb 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 sb,应力-应变曲线,sb,e,s,2.1 钢筋,三、钢筋的塑性性能指标延伸率(伸长率)elongation rate:钢筋拉断时的应变,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。冷弯性能Cold bending performance:常温下的冷弯性能试验来决定,是将直径为d的钢筋绕直径为D的钢辊,弯成一定的角度而不发生断裂,就表示合格。钢辊
7、的直径D越小、弯转角越大,说明钢筋的塑性越好。冷弯角度。各级热轧钢筋的性能见下表1-1,D,热轧钢筋等级、品种及主要力学性能指标,2.1 钢筋,四、钢筋的冷加工将热轧钢筋和盘条在常温下进行冷拉、冷拔、冷轧、冷扭等加工。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。冷加工钢筋的品种很多,应根据专门规程使用(桥梁工程中不用)。热轧钢筋通过冷拉或冷拔提高其屈服强度,从而节约钢材。,2.1 钢筋,1、冷拉:将钢筋拉伸超过它的屈服强度,然后放松,经过一段时间后,钢筋会获得比原来的屈服强度更高的新屈服强度值。称为“冷拉强化”冷拉时效硬化:如在k点卸载,过一段时间(人工加热后)
8、,再张拉钢筋,则屈服强度又进一步提高的现象。常温时,时效硬化HPB235需20d;100C时,2小时;冷拉时效后的钢筋,如再次加温,钢筋会恢复到前的力学性能。为何要先焊后拉的原因,2.1 钢筋,2、冷拔将钢筋用强力拔过比其直径还小的硬质合金拔丝模具,钢筋除受拉还要受到很大侧向挤压力。被拔成长度增加直径变细的钢丝。经多次冷拔后,钢筋的强度比原来提高很多,但塑性降低。图为一根6钢筋经三次冷拔到3钢丝应力应变曲线。冷拉只提高钢筋的抗拉强度,不能作为受压钢筋。冷拔则同时提高钢筋的抗拉和抗压强度。,2.1 钢筋,3、冷轧 冷轧带肋钢筋是以低碳钢或低合金钢为原料,在常温下进行扎制而成的,表面具有纵肋和月牙
9、横肋的钢筋,其强度提高幅度接近冷拔低碳钢丝,而塑性性能优于冷拔低碳钢丝。,2.1 钢筋,五、钢筋的连接热扎钢筋主要有、绑扎连接:是目前仍为钢筋连接的主要手段之一。钢筋的绑扎接头是采用2022号火烧丝或镀锌丝,按规范规定的最小搭接钢筋长度,绑扎在一起而成的钢筋接头。采用绑扎连接时其位置和搭接长度必须满足混凝土结构设计规范规定,轴心受拉及小偏心受拉构件的纵向受力钢筋不得采用绑扎接头。当钢筋直径过大时不能采用绑扎连接,因为这样会产生偏心作用的不良效果。、焊接连接:混凝土结构设计规范规定,钢筋的接头宜优先采用焊接接头。焊接接头的焊接质量与钢材的焊接性、焊接工艺有关。焊接又分为闪光对焊、电弧焊、电渣压力
10、、气压焊焊。其中闪光对焊以及电渣压力焊在工程上使用较为频繁。、机械连接:钢筋机械连接是通过机械手段将两钢筋端头连接连接在一起(套筒连接)。挤压套筒连接、锥螺纹套筒连接、辊轧直螺纹连接、镦粗直螺纹连接。(钢筋的应用向大直径、密集布置、高强度方向发展)机械连接质量上会优于焊接,但成本较高。,其他高强度钢筋用专门连接器。,2.1 钢筋,六、混凝土结构对钢筋性能的要求1、强度2、塑性性能3、连接性(可焊性)4、锚固性(与混凝土的粘结力-握裹力)5、其他性能(疲劳、防腐等)疲劳破坏:钢筋在多次重复加载时,会出现疲劳特性,即钢筋在承受重复周期荷载作用下,会出现从塑性破坏变成脆性突然断裂的破坏现象。钢筋在疲
11、劳破坏时强度低于钢筋在静荷载下的极限强度值。吊车梁、桥面板、轨枕等均属承受重复荷载。见规范要求。,热轧钢筋等级、品种及主要力学性能指标,主要内容:一、混凝土的强度二、混凝土的变形 一)混凝土在单调荷载作用下混凝土的变形 二)混凝土在多次重复荷载作用下混凝土的变形 三)混凝土在长期荷载作用下混凝土的变形 四)混凝土体积变形(收缩和膨胀等)三、混凝土的弹性模量 四、混凝土特殊性能要求,1.2 混凝土,混凝土结构中,主要是利用它的抗压强度。抗压强度是混凝土力学性能中最主要和最基本的指标。混凝土的强度等级是用立方体抗压强度来划分的。混凝土强度等级:边长150mm立方体标准试件,在标准条件下(203,9
12、0%湿度)养护28天,用标准试验方法(加载速度0.150.3N/mm2/sec,两端不涂润滑剂)测得的具有95%保证率的立方体抗压强度,用符号C表示,C30表示fcu,k=30N/mm2 规范根据强度范围,从C15、C20、C25、C30、C80共划分为14个强度等级,级差为5N/mm2。C50以上为高强混凝土。混凝土等级选定要求?(P16),1.2 混凝土一、混凝土的强度,(混凝土的强度指标),分为抗压强度和抗拉强度,1、混凝土强度等级-(立方体抗压强度划分)用符号fcu表示,立方体强度影响因素?内因(水泥等级和用量、骨料级配、水灰比等)外因(龄期、养护条件、试验方法、试件尺寸等)。尺寸效应
13、:尺寸小,测值偏大横向约束:横向约束大,测值偏大,2、轴心抗压强度-棱柱体抗压强度,轴心抗压强度采用棱柱体试件测定,用符号fc表示。棱柱体试件高宽比一般为h/b=34,我国取150mm150mm450mm或,100100300试件。对于同一混凝土,棱柱体抗压强度小于立方体抗压强度,棱柱体抗压强度标准值和立方体抗压强度标准值的换算关系,c1轴心抗压强度与立方体抗压强度的比值;c2对C40以上混凝土的脆性折减系数;fck混凝土轴心抗压强度标准值;fcu,k混凝土立方体抗压强度标准值。规范对小于C50级的混凝土取=0.76,C80取=0.82,其间按线性插值。对小于C40级的混凝土取=1,对C80取
14、=0.87,其间按线性插值。0.88修正系数,2.2 混凝土,3、轴心抗拉强度,用符号 ft 表示。混凝土构件开裂、裂缝、变形,以及受剪、受扭、受冲切等承载力均与抗拉强度有关。,截面尺寸100X100mm,0.88的意义和c2的取值同上。,直接式试验,由于轴心受拉试验对中困难,也常常采用立方体或圆柱体劈拉试验测定混凝土的抗拉强度,间接式试验,二、混凝土的变形一)在短期一次加荷时的变形(应力-应变关系)介绍4个问题:1、单调受压应力-应变关系Stress-strain Relationship(P14),混凝土单轴受压时的应力-应变关系反映了混凝土受压力全过程的重要力学特征。,常采用棱柱体试件来
15、测定。得到受荷时应力-应变关系:,2.2 混凝土,混凝土受压破坏分析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发展造成的。,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(0.50.7)fc。A点以后,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,微裂缝的发展导致混凝土的横向变形增加。微裂缝的发展是稳定的。,达到B点,内部一些微裂
16、缝相互连通,裂缝发展已不稳定,横向变形突然增大,体积应变开始由压缩转为增加。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。,纵向应变发展达到D点,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,裂缝连通形成斜向破坏面。E点应变e=(23)
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