钢筋混凝土的力学性能.ppt
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1、1,第一章 钢筋混凝土的力学性能,1.1 钢筋1.2 混凝土的强度1.3 混凝土的变形 1.4 钢筋和混凝土的共同工作,2,1.1.1 钢筋的性能,钢筋作用,受力钢筋,架立钢筋,分布钢筋,纵向构造钢筋(腰筋),构造箍筋,1.1 钢 筋,主要承担拉力,也可加强砼的抗压能力.,保证受力钢筋的设计位置不因捣制砼而有所移动,将构件所受到的外力分布在较广的范围,以改善在板中受力情况,同时固定受力钢筋。,改善梁、柱中受力情况,同时固定受力钢筋。,梁截面高度较大时梁中构造钢筋,3,受力、架立和分布钢筋并不一定能绝对区别开来,即同一钢筋往往可同时起上述两种以上的作用,此外,钢筋往往还有其它作用,如,一般砼收缩
2、及温度变化的应力能常就利用受力与分布钢筋来承受,但有时也设专门的温度钢筋。,4,砼结构对钢筋质量要求,适当强度:屈服和极限强度,屈服强度是计算主要依据;可焊性好:要求钢筋焊接后不产生裂纹及过大变形;足够塑性:以伸长率和冷弯性能为主要指标,即要求钢筋断裂前有足够变形,在钢筋混凝土结构中,能给出构件将要破坏的预告信号,同时保证钢筋冷弯要求。一般而言强度高的钢筋塑性和可焊性就差些;钢筋耐火性:热轧钢筋最好,冷拉钢筋其次,预应力钢筋最差,设计时注意砼保护层厚度满足耐火极限要求。与砼粘结良好:保证共同工作。,5,1.1.2 钢筋品种、级别和分类,砼结构设计规范规定,用于钢筋混凝土结构的国产普通钢筋可使用
3、热轧钢筋。用于预应力砼结构的国产预应力钢筋可使用预应力钢丝(消除应力钢丝、螺旋肋钢丝、刻痕钢丝)、钢绞线,也可使用热处理钢筋。,热轧钢筋 由低碳钢、普通低合金钢在高温状态下轧制而成。按其强度由低到高分为HPB235(原级)、HRB335(级)、HRB400(级)和RRB400(余热处理级,可作为三级钢筋使用,但焊接受热回火可能降低强度且高强部分集中在钢筋表层,疲劳性能、冷弯性能受到影响。)其余钢筋的制作工艺可参考相关资料。规范规定钢筋混凝土结构中的纵向受力钢筋宜优先采用HRB400 级钢筋。,6,用冷拉或冷拔的冷加工方法可提高热轧钢筋强度。冷拉时,钢筋冷拉应力值必须超过钢筋屈服强度。冷拉后经过
4、一段时间钢筋屈服点有所提高,这种现象称为时效硬化。时效硬化和温度有关,温度过高(450以上)强度反而有所降低而塑性性能却有所增加,温度超过700,钢材会恢复到冷拉前力学性能,不会发生时效硬化。为避免冷拉钢筋在焊接时高温软化,要先焊好后再进行冷拉。钢筋经过冷拉和时效硬化,能提高屈服强度、节约钢材,但冷拉后钢筋塑性有所降低。为了保证钢筋在强度提高的同时又具有一定的塑性,冷拉时应该同时控制应力和控制应变。冷拔钢筋是将钢筋用强力拔过比小直径硬质合金拔丝模,同时受到纵向拉力和横向压力作用,截面变小而长度拔长。经过几次冷拔,钢丝的强度比原来有很大提高,但塑性降低很多。冷拉只能提高钢筋的抗拉强度,冷拔则可同
5、时提高抗拉及抗压强度。应用冷加工钢筋应参照相应的行业标准。,知识点:冷拉及冷拔钢筋,7,知识点:按外形特点分类,目前广泛使用的变形钢筋是纵肋与横肋不相交的月牙纹钢筋,与螺纹钢筋相比,月牙纹钢筋避免了纵横肋相交处的应力集中现象,使钢筋的疲劳强度和冷弯性能得到一定改善,而且还具有在轧制过程中不易卡辊的优点;不足的是与螺纹钢筋相比,月牙纹钢筋与砼的粘结强度略有降低。,8,知识点:柔性及劲性钢筋,钢筋混凝土结构中使用的钢筋又可以分为柔性钢筋及劲性钢筋。柔性钢筋 常用的普通钢筋的统称。其外形有光圆和带肋两类,带肋钢筋又可分为等高肋和月牙肋两种。I级钢筋是光圆钢筋,II级、III级钢筋是带肋的,统称为变形
6、钢筋。钢丝的外形通常为光圆,也有在表面刻痕的。柔性钢筋可绑轧或焊接成钢筋骨架或钢筋网,分别用于梁、柱、板、壳结构中。劲性钢筋 是由各种型钢与钢筋焊接成的骨架。劲性钢筋本身刚度很大,施工时模板及混凝土的重力可以由劲性钢筋本身来承担,因此能加速并简化支模工作,承载能力也比较大。,9,1.1.3 钢筋的强度和变形,10,1.1.3 钢筋的强度和变形,1、钢筋的变形指标,伸长率钢筋拉断后的伸长值与原长的比值 伸长率越大,塑性越好。,冷弯性能将直径为d的钢筋绕过直径为D的弯芯弯曲到规定角度后无裂纹断裂及起层现象为合格 D越小,弯转角越大,塑性越好。,11,2 钢筋应力应变曲线,oa弹性阶段,ac流塑阶段
7、,cd强化阶段,de颈缩阶段a比例极限,b屈服强度,d极限强度,0.2条件屈服强度,12,3 钢筋强度设计值的取值依据,由于构件中钢筋的应力达到屈服点后,会产生很大的塑性变形,使得钢筋混凝土构件出现很大的变形和过宽的裂缝,以致不能使用,所以对有明显流幅的钢筋,在计算承载力时以屈服点作为钢筋强度限值。对没有明显流幅或屈服点的预应力钢丝、钢绞线和热处理钢筋,为了与钢筋国家标准相一致,规范中也规定在构件承载力设计时,取极限抗拉强度80作为条件屈服点。钢筋受压性能在到达屈服强度前与受拉时应力应变规律相同,其屈服强度也与受拉时基本一样。在达到屈服强度之后,由于试件发生明显的塑性压缩,截面积增大,因而难以
8、给出明确的抗压极限强度。,13,1.1.4 钢筋的强度和变形指标,1 钢筋强度指标,钢筋力学性能要求:屈服强度、极限强度、伸长率、冷弯性能。,(1)软钢:屈服强度、极限强度 当某截面钢筋应力达到屈服强度后,试件将在荷载基本不增加情况下产生持续塑性变形,构件可能在钢筋尚未进入强化阶段之前就已破坏或产生过大的变形与裂缝。因此,钢筋的屈服强度是钢筋关键性强度指标;此外,钢筋的屈强比(屈服强度与极限强度之比)表示结构可靠性潜力。在抗震结构中,考虑受拉钢筋可能进入强化阶段,要求其屈强比0.8,因而钢筋极限强度是检验钢筋质量的另一强度指标。(2)硬钢:极限强度 由于其条件屈服点不易测定,钢筋质量检验以极限
9、强度作为主要强度指标,并规定取条件屈服强度为极限强度0.8倍,即f0.20.8fsu。,14,2 钢筋变形性能指标,(1)伸长率 为钢筋试件拉断后的伸长值与原长的比率。伸长率是衡量钢筋塑性性能的一个指标,伸长率越大,塑性越好。塑性好的钢筋,拉断前有明显的预兆,反之,则呈脆性特征。(2)冷弯试验 是检验钢筋塑性的另一种方法,伸长率一般不能反映钢材脆化的倾向,为使钢筋在弯折加工时不易断裂和使用过程中不致脆断,应进行冷弯试验,并保证满足规定的指标。冷弯试验的合格标准为在规定弯心直径和冷弯角度下冷弯后的钢筋应无裂纹、鳞落或断裂现象。,注:屈服强度、极限强度、伸长率和冷弯性能是对软钢进行质量检验的四项主
10、要指标,而对无明显屈服点的钢筋,则只测后三项。,15,1.1.5 钢筋的冷拉和冷拔,钢筋的冷加工包括冷拉与冷拔。钢筋冷加工是将热轧钢筋或线材通过冷加工工艺以改变材质、提高强度,达到节约材料目的。,1 冷拉 将钢筋拉伸至超过其屈服强度某一应力,后卸荷至零以提高钢筋强度的方法。冷拉强化和时效硬化。屈服强度提高,塑性下降。,16,合理选择控制点,可使钢筋既保持一定的塑性又能提高强度,控制点的应力称为冷拉控制应力,对应的应变称为冷拉控制应变或冷拉率。相应的冷拉工艺有应力控制和应变控制两种。当采用应力控制时,冷拉控制应力直接取强度标准值;当采用控制应变时,冷拉控制应力取强度标准值加30N/mm2,并按应
11、力确定相应的冷拉率。通常为了保证钢筋在强度提高的同时又具有一定的塑性,冷拉时应同时控制应力和控制应变。值得注意的是,时效硬化和温度有很大关系,温度过高(450摄氏度以上)强度反而有所降低而塑性性能却有所增加,温度超过700摄氏度,钢材会恢复到冷拉前的力学性能,不会发生时效硬化。焊接时产生的高温会使钢筋软化,因此需焊接的钢筋应先焊好再进行冷拉;同时,冷拉只能提高钢筋的抗拉强度而不能提高抗压强度。,1 冷拉,17,将钢筋用强力拔过比其直径小的硬质合金拔丝模。钢筋受到纵向拉力和横向压力的作用,内部结构发生变化,截面变小而长度拔长。经过几次反复冷拔,钢筋强度比原来的有很大的提高,而塑性则显著降低,且没
12、有明显屈服点。冷拔可同时提高钢筋的抗拉强度和抗压强度。,2 冷拔,18,1.1.6 钢筋疲劳,1 疲劳定义:钢筋承受重复周期性动载作用,经过一定次数后,突然脆性断裂现象。吊车梁、桥面板、轨枕等钢砼构件在正常使用时会由于疲劳发生破坏。钢筋的疲劳强度与一次循环应力中最大和最小应力的差值(应力幅度)有关,钢筋的疲劳强度是指在某一规定应力幅度内经受一定次数循环荷载后发生疲劳破坏的最大应力值。2 产生原因:一般认为是由于钢筋内部和外部的缺陷,容易引起应力集中。应力过高,钢材晶体滑移,产生疲劳裂纹,应力重复作用次数增加,裂纹扩展。3 影响因素:疲劳强度主要与应力变化的幅值有关,其它有:最小应力值的大小、钢
13、筋外表面几何尺寸和形状、钢筋的直径、钢筋的强度、钢筋的加工和使用环境以及加载的频率等。由于承受重复性荷载的作用,钢筋的疲劳强度低于其在静荷载作用下的极限强度。原状钢筋疲劳强度最低。埋置在砼中钢筋的疲劳断裂通常发生在纯弯段内裂缝截面附近,疲劳强度稍高。,19,1.1.7 钢筋应力应变的数学模型,模型将钢筋的应力应变曲线简化为图19(a)所示的两段直线,不计屈服强度的上限和由于应变硬化而增加的应力,20,1.1.7 钢筋应力应变的数学模型,可以描述屈服后立即发生应变硬化(应力强化)的钢材,正确地估计高出屈服应变后的应力。,21,3 弹塑性双斜线型模型,22,1.2.1 混凝土立方体抗压强度,虽然实
14、际工程中的混凝土构件和结构一般处于复合应力状态,但是单向受力状态下混凝土的强度是复合应力状态下强度的基础和重要参数。混凝土的强度与水泥强度等级、水灰比有很大关系,骨料的性质、混凝土的级配、混凝土成型方法、硬化时的环境条件及混凝土的龄期等也不同程度地影响混凝土的强度。试件的大小和形状、试验方法和加载速度也影响混凝土强度试验结果,各国对各种单向受力下的混凝土强度都规定了统一的标准试验方法。,23,砼立方体强度的定义:立方体试件的强度比较稳定,我国把立方体强度值作为混凝土强度的基本指标,并把立方体抗压强度作为评定混凝土强度等级的标准。我国规范规定:,用cu,k表示,单位N/mm2。,1 混凝土立方体
15、抗压强度的定义和强度等级,24,立方体标准强度(cu,k),两重含义:,1、采用边长为150的立方体试块,在标准条件(温度为1723,湿度在90以上)下养护28d,按照标准的试验方法加压到破坏测得的立方体抗压强度。,2、作为标准值,所测得的混凝土的立方体抗压强度不小于该值的保证率为95,也即强度低于该值的概率不大于5。,25,砼强度等级规定:规范规定混凝土强度等级应按立方体抗压强度标准值确定。规范规定的混凝土强度等级有C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75、C80共14个等级。例如,C30表示立方体抗压强度标准值为30N/mm2。
16、其中C50C80属于高强度混凝土范畴。,26,试验方法对混凝土的立方体强度有很大影响。试件在试验机上单向受压时,竖向缩短,横向扩张,由于混凝土与压力机垫板弹性模量和横向变形系数不同,压力机垫板的横向变形明显小于砼的,垫板通过接触面上的摩擦力约束混凝土试块横向变形,就象在试件上下端各加了一个套箍,致使混凝土破坏时形成两个对顶的角锥形破坏面,抗压强度比没有约束的情况要高。如果在试件上下表面涂一些润滑剂,测得的抗压强度就低。我国规定的标准试验方法是不涂润滑剂的。加载速度对立方体强度也有影响,加载速度越快,测值越大。通常规定加载速度为:混凝土强度等级低于C30时,取每秒0.30.5N/mm2;高于或等
17、于C30时,取每秒0.50.8N/mm2。,2 影响混凝土立方体抗压强度的因素,27,规范规定,钢筋混凝土结构的混凝土强度等级不应低于C15;当采用HRB335级钢筋时,混凝土强度等级不宜低于C20;当采用HRB400和RRB400级钢筋以及承受重复荷载的构件,混凝土群雕的不得低于C20。预应力混凝土结构的混凝土强度等级不应低于C30;当采用钢绞线、钢丝、热处理钢筋作预应力钢筋时,混凝土强度等级不宜低于C40。,3 钢筋混凝土结构对混凝土强度等级的要求,28,1.2.2 混凝土轴心抗压强度,混凝土抗压强度与试件形状有关,采用棱柱体比立方体能更好的反映混凝土结构的实际抗压能力。用混凝土棱柱体试件
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