钢筋砼结构材料的力学性能.ppt

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1、钢筋混凝土与砖石结构,徐州建筑职业技术学院土木工程分院,由力学性能不同分成：,软钢：有明显屈服台阶的钢筋(热轧钢筋、冷拉钢筋),硬钢：无明显屈服台阶的钢筋(钢丝、热处理钢筋),比例极限,屈服强度,极限强度,fy,ft,e,d,流幅,a,b,c,图2-1,oa弹性阶段,a比例极限,b屈服强度,cd强化阶段,d极限强度,de 颈缩阶段,0.2条件屈服强度,钢筋除需有足够的强度外，还应具有一定的塑性变形（plastic deformation)能力，钢筋的塑性通常用伸长率 和冷弯性能两个指标来衡量。,伸长率,冷弯是将直径为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。,钢筋四项主

2、要力学指标：,屈服强度、极限强度、伸长率和冷弯性能。,对于有明显屈服台阶的软钢取屈服强度 fy 作为强度设计依据。,对于无明显屈服台阶的硬钢取条件屈服强度 0.2作为强度设计依据。,取相应于残余应变=0.2%时的应力 0.2作为名义屈服点。常取 0.2=0.8 fsu。,伸长率：,冷弯性能：,弯心直径,冷弯角度,11,0.2的定义：,普通低合金钢除碳素钢已有的成分外，再加入少量的合金元素如硅、锰、钛、钒等，可以有效地提高钢材的强度和改善钢材的其他性能。,建筑中常用钢材按加工方法分为四类,热轧钢筋,冷拉钢筋,钢丝,热处理钢筋,热扎钢筋按照外形特征可分为光圆钢筋和变形钢筋。,钢丝是由热轧钢筋经冷拔

3、而成，根据原材料不同又分为冷拔低碳钢丝和碳素钢丝，钢丝可刻痕(刻痕钢丝)和铰成钢绞线，故钢丝有：,冷拉低碳钢丝 b,碳素钢丝 s,刻痕钢丝 k,钢绞线 j,热处理钢筋是由强度大致相当于IV级的某种特定钢号钢筋经淬火和回火处理后制成。,冷加工的方法：冷拉、冷拔、冷轧。,冷加工的目的：改变钢材内部结构，提高 钢材强度，节约钢筋。,冷加工对钢材性能的影响。,o,冷拉控制应力,(N/mm2),冷拉率,o,a,b,c,c,d,d,冷拉无时效,冷拉经时效,可采用控制应力和和控制冷拉率两种方法。,冷拉后可提高钢材的抗拉强度，但其屈服台阶变短。,冷拉时应力值必须超过钢筋的屈服强度。,时效硬化。,冷拔可同时提高

4、钢材的抗拉和抗压强度。塑性降低很多。,冷轧后，钢筋表面轧成带肋，强度与冷拔低碳丝接近，塑性要好一些。,强度、塑性、可焊性、与混凝土的粘结。,在严寒地区，还应考虑钢筋的低温性能。,钢材的常用直径：,钢 丝：4、5(mm),钢铰线：12(74)，15(75)(mm),钢 筋：6,8,10,12,14,16,18,20,22,25,28,30,32,普通砼是由水泥、石、砂、水按一定的配合比拌制，经过凝固硬化后做成的人工石材。,骨料,水泥结晶体,水泥凝胶体,弹性变形的基础,塑性变形的基础,砼的强度及变形随时间、随环境的变化而变化。,单向受力状态下混凝土的强度指标，是进行钢筋混凝土结构构件强度分析、建立

5、强度理论公式的重要依据。,混凝土强度值的大小与采用的水泥标号、水灰比、骨料的性质、制作方法、养护条件及试验时试件的大小和形状、试验方法或加载时间长短等有很大的关系。,1.立方体的抗压强度 fcu,影响立方体强度的因素：试件尺寸、温度、湿度、试验方法。,由于尺寸效应的影响：fcu(150)=0.95 fcu(100),fcu(150)=1.05 fcu(200),用标准制作方式制成的150150mm的立方体试块，在28天龄期，用标准试验方法测得具有95保证率的抗压强度。,常用等级：C7.5,C10,C15,C20,C25,C30,C35,C40,C45,C55,C60.,混凝土强度等级：,2.轴

6、心抗压强度（棱柱体强度）fc,真实反映以受压为主的混凝土结构构件的抗压强度。,为消除端部约束的影响,用立方体强度反映：,考虑实际情况(施工状况、养护条件等),12,3.混凝土的受压破坏机理,混凝土的宏观破坏是裂缝累积的过程，是内部结构局部损伤到连续想遭受破坏（裂缝贯通）而导致整个体系解体而丧失承载力的过程，决非组成相（粗骨料、砂浆）自身强度的耗尽。,混凝土的抗拉强度比抗压强度小得多，为抗压强度。,混凝土的抗拉强度和抗压强度一样，都是混凝土的基本强度指标。,直接测试方法,间接测试方法(弯折，劈裂),23,考虑施工因素，取,24,测定混凝土抗拉强度的方法,在混凝土结构中，混凝土很少处于理想的单向应

7、力状态，而往往处于复合应力状态，如双向应力状态或三向应力状态。,由于混凝土的特点，在复合应力状态下的强度，目前，仍只是借助有限的试验资料，推荐一些近似方法作为计算的依据。,双向正应力作用(如图),1,2(压压)强度增加,1,2(拉压)强度降低,1,2(拉拉)强度基本不变,正应力和剪应力作用（如图）,抗剪强度一般随拉应力的增加而减小，随压应力的增加而增大，但当压应力大于（0.50.7）f c时，抗剪强度反而随压应力的增加而减小。,三轴受压：(如图),工程应用：约束混凝土,钢管砼,密配螺旋箍筋,15,混凝土的变形可分为两类：,（1）荷载作用下的受力变形，如单调短期加载的变形、荷载长期作用下的变形以

8、及多次重复加载的变形。,（2）与受力无关，称为体积变形，如混凝土收缩以及温度变化引起的变形。,1.单调、短期加载时的变形性能(如图),C,B,D,E,fc,0,0,A,cu,完整的混凝土轴心受压应力应变曲线由上升段OC、下降段CD和收敛段DE三个阶段 组成。,混凝土受压时的应力应变关系曲线,A:0.3fc,:0.3fc 0.8fc 裂缝稳定阶段,:0.8 fc 1.0 fc,上升段OC段由以下三个阶段组成：,（1）OA 弹性阶段,（2）AB 弹塑性阶段,（3）BC 裂缝不稳定阶段,曲线下降坡度较陡，应力逐渐减少，应变仍然增加，混凝土表面裂缝逐渐贯通。,应力下降的速率减慢，趋向于稳定的残余应力。

9、表面纵向裂缝把混凝土棱柱体分成若干个小柱。荷载由裂缝处的摩擦咬合力及小柱体的残余强度所承受。,下降段CD段：,收敛段DE段：,特征点：,0 对应于峰值点应变 规范0=0.002,cu 混凝土极限压应变规范cu=0.0033,fc 轴心抗压强度,影响混凝土轴心受压应力应变曲线的主要因素：,（2）应变速率,（3）测试技术和试验条件,（1）混凝土强度,混凝土的变形模量,混凝土的变形模量有如下三种表示方法：,（1）原点弹性模量,（2）割线模量（变形模量）,（3）切线模量,图1-8,k,c,c,ce,cp,h,原点弹性模量：,17,16,割线模量：,19,切线模量：,弹性系数01.0,110,剪切模量：

10、,c=ce+cp,18,G=0.4Ec,2.混凝土在荷载长期作用下的变形 徐变,混凝土在受到荷载作用后，在荷载(应力)不变的情况下，变形(应变)随时间而不断增长的现象。,徐变：,图1-9,混凝土徐变的主要原因是在荷载长期作用下，混凝土凝胶体中的水分逐渐压出，水泥石逐渐粘性流动，微细空隙逐渐闭合，细晶体内部逐渐滑动，微细裂缝逐渐发生等各种因素的综合结果。,（1）混凝土在长期荷载作用下的应力大小。,（2）加荷时混凝土的龄期。,（3）混凝土的组成成分和配合比。,（4）养护及使用条件下的温度和湿度。,（5）构件的形状及尺寸。,线性徐变 初应力 c0.5fc 徐变与初应力呈正比,非线性徐变 c 0.5f

11、c,当c 0.8fc，徐变发展最终导致破坏,作为混凝土的长期抗压强度。,0.8fc,徐变对结构的影响：,使构件的变形增加；,在截面中引起应力重分布；,在预应力混凝土结构中引起预应力损失。,2.混凝土在重复荷载作用下的变形(如图）,如一次加荷应力小于混凝土疲劳强度，其加荷、卸荷的应力应变曲线形成了一个环状。在多次加荷、卸荷作用下，应力应变环越来越闭合，最后闭合成一条直线（图中CD线）,如一次加荷应力大于混凝土疲劳强度，则其加卸载不能再形成闭合环。至荷载重复到某一定次数时，构件会因严重开裂或变形过大而破坏。,3.混凝土的非荷载变形 收缩,混凝土在空气中结硬体积减小的现象。,图1-10,收缩：,收缩

12、的原因,引起混凝土收缩的原因，在硬化初期主要是水泥石在水化凝固结硬过程中产生的体积变化，后期主要是混凝土内自由水分蒸发而引起的干缩。,收缩的影响因素,（1）水泥品种、用量。,（2）骨料的性质。,（3）养护条件。,（4）混凝土制作方法。,（5）使用环境。,（6）构件的体积与表面积的比值。,收缩的性质,自由收缩,约束收缩,来自内部的钢筋约束,来自支座的外部约束,收缩对结构的影响：,自由收缩一般不会引起拉应力，故不会开裂,约束收缩产生收缩应力甚至开裂,钢筋和混凝土这两种材料结合在一起，在荷载、温度、收缩等外界因素作用下，能够共同工作，除了两者具有相近的线膨胀系数外，主要是由于混凝土硬化后，钢筋与混凝

13、土之间产生了良好的粘结能力。,产生钢筋和混凝土粘结强度的主要原因：,混凝土收缩将钢筋紧紧握固而产生的摩擦力；,混凝土颗料的化学作用产生的混凝土与钢筋之间的胶合力；,钢筋表面凹凸不平与混凝土之间产生的咬合力；,钢筋端部加弯钩、弯折或在锚固区焊短钢筋、焊角钢等来提供锚固能力。,粘结力的测定：,粘结力的测定通常采用拔出试验方法。将钢筋的一端埋入混凝土内，在另一端施力将钢筋拔出（如图）。,粘结强度：,粘结强度可由下式确定。,式中：,P拔出力；,d钢筋直径；,l钢筋埋入长度。,粘结应力的类型：,由弯曲引起粘结应力；,两相邻裂缝间钢筋应力不均匀引起的局部粘结应力；,锚固粘结应力。,锚固设计的基本原则是必须

14、保证足够的锚固粘结强度以使钢筋强度得以充分利用，即,以锚固粘结应力为例：,钢筋的粘结性能：,（1）光面钢筋的粘结性能,光面钢筋的粘结能力来源于胶结和摩擦。由中心拉拔试验可知，在加荷初期，胶结力承担了全部拉拔力，随着拉力增大，首先在加载端出现滑移线，此时粘结力主要靠钢筋和混凝土之间的摩擦力提供。,钢筋的粘结性能：,（2）变形钢筋的粘结性能,变形钢筋的粘结能力主要来源于摩擦力和机械咬合力。影响变形钢筋粘结力的主要因素有混凝土强度、锚固长度、保护层相对厚度、锚筋外形特征、混凝土浇注状况以及锚筋受力情况等。,影响粘结强度的因素：,（1）混凝土强度等级；,（2）钢筋外观特征；,（3）浇注位置；,（4）钢筋净距及保护层厚度。,保证粘结力的措施：,（1）钢筋的锚固长度和搭接长度；,（2）钢筋周围的混凝土应有足够的厚度；,（3）钢筋末端的弯钩；,（4）混凝土的浇筑。,钢筋与混凝土为什么能共同作用？最主要的原因是什么？,2.为了保证钢筋与混凝土间的粘结力，可采取哪些措施？,返回,