《钢筋混凝土结构设计原理》钢筋混凝土材料性能.ppt
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1、,主 页,目 录,帮 助,上一章,下一章,混凝土结构的材料,主 页,目 录,帮 助,上一章,下一章,本章重点,熟悉混凝土在各种受力状态下的强度与变形性能及其选用原则;,熟悉土木工程所用钢筋的品种、级别、性能及其选用原则;,了解钢筋与混凝土的共同工作原理。,主 页,目 录,帮 助,上一章,下一章,2.1.1 建筑用钢筋的品种,按化学成分,按生产工艺,按表面形状,主 页,目 录,帮 助,上一章,下一章,1.碳素钢 碳素钢除含有铁元素,还含有少量的碳、锰、硅、磷、硫等。,Mn 锰,Si 硅,P 磷,Fe 铁,S 硫,C 碳,主 页,目 录,帮 助,上一章,下一章,2.普通低合金钢 碳素钢中加入少量的
2、合金元素,如:锰、镍、钛、钒等。,Mn 锰,Ni 镍,V 钒,Nb 铌,Ti 钛,C 碳,砼结构用的普通钢筋分为热轧钢筋和冷加工钢筋两大类。,钢筋的分类,热轧光园钢筋,热轧带肋钢筋,1 热轧钢筋,是最常用的钢筋,有热轧光圆钢筋(HPB)、热轧带肋钢筋(HRB)和余热处理钢筋(RRB)三种。,主 页,目 录,帮 助,上一章,下一章,2.1.1 建筑用钢筋的品种,热轧钢筋,热轧钢筋中HRB400(俗称新级)是国家技术政策推荐的主力钢筋。在钢筋砼结构中宜采用级和级钢筋,也可采用级和级钢筋。,热轧钢筋的符号说明,HPB235,屈服强度,生产工艺:hot rolled,表面形状:plain,钢筋:bar
3、,HPB 热轧光面钢筋,强度最低;HRB 热轧带肋钢筋;RRB 余热处理钢。,H 代表热轧,P 光圆,R 带肋,R 余热处理,B 代表钢筋 目前,混凝土结构中纵向受力钢筋优先采用HRB400级钢筋,热轧钢筋的力学性能,共62页 第5页,2 冷加工钢筋,主要有冷拉、冷拔、冷轧、冷轧扭,其使用应符合冷轧带肋钢筋砼结构技术规程和冷轧扭钢筋砼构件技术规程。冷加工钢筋可提高强度、节约钢材。,冷拉钢筋和冷拔低碳钢丝已被建设部列为限制使用技术而淘汰。冷拔低碳钢丝从2005年1月1日起不得作为结构受力钢筋使用。,冷轧扭钢筋,冷轧带肋钢筋,主 页,目 录,帮 助,上一章,下一章,中、高强钢丝、钢绞线,2.1.2
4、 钢筋的力学性能,上屈服点不稳定,下屈服点,出现颈缩,拉断,BC段为屈服平台CD段为强化段,有明显流幅的钢筋,无明显流幅的钢筋,钢筋受压和受拉时的应力-应变曲线几乎相同,一.钢筋的应力-应变曲线,钢材的技术性能,钢材的性能主要包括力学性能(抗拉性能、冲击韧性、疲劳强度和硬度等)和工艺性能(冷弯性能、焊接性能和热处理性能等)两个方面。,一、力学性能(一)拉伸性能实验方法:使用万能试验机在试件两端施加一对缓慢增加的拉伸荷载,观察试件的受力与变形过程,直至被拉断,如图7-2所示。,低碳钢受拉时,其应力应变关系曲线可分为四个阶段:弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和颈缩阶段,见图7-3。,图7-2钢材的拉伸
5、试件,1.钢材应力应变关系曲线,图7-3 低碳钢单轴拉伸应力-应变示意图,1)弹性阶段OB段 如卸去荷载,试件将恢复原状,不产生残留塑性变形。与A点相对应的应力为比例极限;与B点相对应的最大应力称为弹性极限。,2)屈服阶段BC段定义:在BC曲线范围内,应力与应变不成比例,不再是弹性变形,而是产生了塑性变形,应变增加的速度大于应力增长速度,这一阶段称为屈服阶段。表现:该阶段在材料万能试验机上表现为指针不动(即使加大送油)或来回窄幅摇动。,3)强化阶段CD段 当荷载超过屈服点以后,由于试件内部组织结构发生变化,抵抗变形能力又重新提高,故称为强化阶段。对应于最高点D点的应力为抗拉强度,又称强度极限,
6、用 表示。,4)颈缩破坏阶段DE段 过 D点后,材料变形迅速增大,而应力反而下降。试件在拉断前,于薄弱处截面显著缩小,产生“颈缩现象”,直至断裂,如图7-4所示。,钢筋应力-应变关系的理论模型,有明显流幅的钢筋,无明显流幅的钢筋,图7-4 钢材颈缩拉断示意图,2.主要指标,1)弹性模量(E)定义:在弹性阶段的OA段内,应力与应变的比值为一常量,称为弹性模量,用E 表示。公式:,2)屈服强度定义:以屈服阶段的最低应力点作为材料抗力的指标,称为屈服强度或屈服点,用 表示。公式:,钢筋的强度和变形指标,强度指标,*明显流幅的钢筋:下屈服点对应的强度作为设计强度的依据。,*无明显流幅的钢筋:残余应变为
7、0.2%时所对应的应力作为条件屈服强度。,应用:钢材在结构中的受力不得进入屈服阶段,在结构设计中以屈服强度作为钢材设计强度取值的依据,施工选材验收也以屈服强度作为重要的技术指标。硬钢性质:中碳钢与高碳钢(硬钢),拉伸时的应力应变曲线无明显屈服现象,伸长率小,断裂时呈脆性破坏,其应力应变曲线如图7-5所示。规范规定以试件在拉伸过程中产生0.2%塑性变形时的应力作为该钢材的屈服强度,称为条件屈服强度,图7-5 硬钢的应力-应变曲线,3)抗拉强度 定义:称强度极限D点对应的应力为抗拉强度公式:,4)屈强比 定义:钢材的屈服强度与抗拉强度之比称为屈强比公式:,5)伸长率定义:试件拉断后有效长度的伸长量
8、与原有效长度的比率。公式:,主 页,目 录,帮 助,上一章,下一章,变形指标 用延伸率和冷弯性能衡量。,延伸率,同一根钢筋延伸率大,钢筋的塑性性能好,破坏前有明显预兆。,:,:,二、工艺性能,(一)冷弯性能定义:冷弯性能是指钢材在常温下承受弯曲变形而不断裂的能力。试验要求:钢材试件绕着指定弯心弯曲至指定角度后,如试件弯曲处的外拱面和两侧面不出现断裂、起层现象,即认为冷弯合格。如图7-11和图7-12所示:,a)弯曲准备 b)弯曲至a角度 c)弯心d,弯曲1800 d)弯心0,弯曲1800 图7-11 钢材的冷弯试验示意图,反复弯曲要求:冷弯过程中无裂缝、脱皮或断裂。D愈小,愈大,塑性愈好。反复
9、次数愈多,塑性愈好。,主 页,目 录,帮 助,上一章,下一章,冷弯,冷弯是检验钢筋变形能力的指标。钢筋塑性愈好,构件破坏前预兆愈明显。,疲劳强度 钢材在交变荷载的反复作用下,往往在应力远小于其抗拉强度甚至小于屈服强度的情况下就突然发生断裂,这种现象称为钢材的疲劳破坏。在一定条件下,钢材疲劳破坏的应力值随应力循环次数的增加而降低,如图所示。,钢材疲劳强度示意图,(一)概念 定义:将钢材在常温下进行强力的拉或压,使之超过屈服,产生一定的塑性变形,以达到提高其机械强度和钢材利用率(同时降低塑性和韧性)的加工方法,称为钢材的冷加工;包括冷加工强化和冷加工时效。,五、钢材冷加工技术及应用,1冷加工强化
10、定义:钢材经冷加工(冷拉)后,若立即再拉伸,会发现屈服点明显提高,而塑性、韧性和弹性模量明显降低,这种现象称为冷加工强化;如图7-16曲线 对应的应力应变关系曲线所示。,钢材冷拉时效强化示意图,2冷加工时效 定义:钢材经冷加工(冷拉)后,若放置一段时间,会发现屈服强度进一步提高、极限抗拉强度也提高,塑性和韧性进一步降低、弹性模量得到一定恢复的现象称为冷加工时效;如图曲线对应的应力应变关系曲线所示。,建筑工程中大量使用的钢筋采用冷加工强化具有明显的经济效益。冷拔钢丝的屈服点可提高4060可适当减小钢筋混凝土结构设计截面减小混凝土中配筋数量,第七章 建筑钢材,(二)应用 常利用冷加工、时效作用来提
11、高其强度,增加钢材的品种规格,节约钢材。常见的冷加工方式有冷拉、冷拔、冷轧等。1.冷拉定义:将钢筋用拉伸设备在常温下拉长至超过屈服点某处,使之产生一定的塑性变形,然后缓慢卸去荷载的加工方式。作用:通过冷拉,能使钢筋的强度提高,长度增加,从而达到矫直、除锈、节约钢材的目的。,钢筋的冷加工,1).冷拉,无时效,经时效,K点的选择:超过屈服强度,温度的影响:温度达700C时恢复到冷拉前的状态,先焊后拉,特性:只提高抗拉强度,不提高抗压强度,强度提高,塑性下降,2.冷拔定义:在常温下将钢筋通过硬质合金拔丝模孔强行拉拔,如图7-17所示。作用:提高钢材的屈服强度。,图7-17 冷拔加工示意图,3.冷轧工
12、艺:将圆钢在轧钢机上轧成刻痕。作用:增大钢筋与混凝土间的黏结力。,第七章 建筑钢材,钢筋的冷加工,2).冷拔,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,问题:直接承受动荷载作用的焊接钢结构是否能使用经冷加工的钢材吗?为什么?,答:不能。因为冷加工后钢材的塑性和韧性大大降低,可焊性变差,增加了焊接后的硬脆倾向,为了防止钢结构发生突然的脆性断裂,所以不能采用。,2.1.4 钢的选用原则,基本要求:对一般结构:具有屈服点、抗拉强度、伸长率三项机械性能和硫、磷含量两项化学成分的合格保证对焊接结构应有含碳量的合格保证对于较大型构件、直接承受力荷载的结构,钢材应具有冷弯试
13、验的合格保证对于大、重型结构和直接承受动力荷载的结构,根据冬季工作温度情况应具有常温和低温冲击韧性的合格保证,主 页,目 录,帮 助,上一章,下一章,2.1.4 钢筋的选用原则,强度高,主 页,目 录,帮 助,上一章,下一章,变形性能好 保证延伸率和冷弯性能满足要求。,:,:,主 页,目 录,帮 助,上一章,下一章,可加工性好,与混凝土粘结锚固性好,经济性,主 页,目 录,帮 助,上一章,下一章,钢筋混凝土结构:,宜用HRB400和HRB335钢筋 可用HPB235、RRB400钢筋,预应力混凝土结构:,宜用钢铰线、钢丝、可用热处理钢筋 不主张推广应用冷加工钢筋,其延性差。,钢筋的选用原则,四
14、、混凝土结构用钢 钢筋的主要品种有热轧钢筋、冷拉钢筋、冷轧带肋钢筋、热处理钢筋等。钢丝的主要品种有冷拔低碳钢丝、预应力混凝土用钢丝、钢绞线等。(一)热轧钢筋 经热轧成型并自然冷却的成品钢筋。根据钢筋的表面特征将热轧钢筋分为光圆钢筋和带肋钢筋。,1.钢筋混凝土用热轧光圆钢筋牌号:HPB235、HPB300两个牌号符号意义:H、P、B分别为热轧(Hot rolled)、光圆(Plain)、钢筋(Bars)3个词的英文首位字母,后面的数值代表钢筋的屈服强度特征值。,2.热轧带肋钢筋 带肋钢筋分为月牙肋钢筋和等高肋钢筋,见图。,带肋钢筋,3.热轧钢筋的选用 光圆钢筋:广泛用作普通钢筋混凝土结构;,(二
15、)冷轧带肋钢筋工艺:冷轧带肋钢筋是用低碳钢热轧圆盘条经冷轧后,在其表面带有沿长度方向均匀分布的二面或三面横肋的钢筋,见图。牌号:CRB550、CRB650、CRB800、CRB970四个牌号。符号意义:C、R、B分别为冷轧(Cold rolled)、带肋(Ribbed)、钢筋(Bar)三个词的英文首位字母,后面的数值代表钢筋的抗拉强度最小值。,(三)预应力混凝土用热处理钢筋工艺:预应力混凝土用热处理钢筋,是由热轧螺纹钢筋(即普通热轧中碳低合金钢筋)经淬火和回火等调质处理制成的螺纹钢筋。用途:主要用于预应力混凝土桥梁轨枕,还用于预应力梁、板结构及吊车梁等。(四)预应力混凝土用钢丝工艺:预应力混凝
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