混凝土与钢筋的力学性能.doc

1、混凝土结构设计讲义白绍良 重庆大学土木工程学院2、钢筋混凝土原理和分析过镇海 时旭东 清华大学出版社3、现代混凝土结构基本理论及应用贡金鑫 魏巍巍 赵尚传 中国建筑工业出版社第1章 混凝土与钢筋的力学性能1.1混凝土的力学性能组成：水泥、水、细骨料、粗骨料、添加剂加工过程：搅拌、注模、振捣、养护硬化成的一种人工合成材料基本受力特点： 复杂的微观内应力、变形和裂缝状态； 变形的多因素组成； 应力状态和加载途径对力学性能有很大影响； 加载时间和环境条件对力学性能有很大影响；1. 2单向受力混凝土的力学性能1. 2.1普通混凝土的抗压强度（C50）1、强度立方体抗压强度：（中国、英国、德国、俄罗斯等）棱柱体抗压强度：圆柱体抗压强度：（美国、欧洲、日本、新西兰、澳大利亚等）2、各强度之间的关系 与的关系（中国）； （俄罗斯）； （欧洲） 与的关系：表1-1 与的强度相对值表试件立方体试件圆柱体试件（150mm×300mm） 边长（mm）强度等级200150100C20C40C50C60C70C80抗压强度相对值0.951.01.050.800.830.860.8750.89 混凝土的平均强度，标准强度和设计强度的关系 混凝土的强度分布表1-2 立方体强度混凝土的变异系数C15C20C25C30C35C40C45C50C55C60C800.210.180.160.140.130.120.120.110.110.10 （1.1）（具有95%的保证率） （1.2）中国： 表1-2 各国标准中混凝土分项系数取值国别美国中国英国欧洲1.431.41.51.5注：不同国家的表达形式有所不同，如美国1. 2. 2普通混凝土一次加压下的关系 棱柱体试件一次加压下的关系 加载至E点后的外观1、曲线的特点 应力较小（，图中A点），应力与应变近似按比例增长，塑性变形和微裂缝稍有发展，混凝土的泊松比，体积应变（）为压缩，残余变形很小。 应力为时（B点），内部微裂缝发展较多，但裂缝为稳定发展阶段（荷载不增大裂缝发展停滞），变形增大，泊松比接近0.5，体积压缩变形达极植，但试件表面尚无肉眼可看见裂缝。 B点之后，混凝土内部出现非稳定裂缝，应变和泊松比增长很快，体积压缩变形开始恢复，应力达峰值点C，相应的应变为峰值应变。 曲线进入下降段不久，应力，试件中部表面出现可见裂缝，裂缝细而短，平行于受力方向。 继续增大应变，试件内部骨料和砂浆界面裂缝，以及砂浆内的裂缝不断地延伸、扩展和连通，试件的承载力迅速下降，曲线达D点。 裂缝进一步发展，试件中部的混凝土逐步压碎（E点）。此时，试件的应变约为，残余强度约为（0.40.6），在更大的应变下，混凝土的残余强度仍未完全丧失。2、 关于下降段的讨论 实现下降段的试验方法（由力加载模式转换成位移加载模式）。3、常用的数学模型Hognestad Rüsh Kent-Park Sargin, Saenz Hognestad (美国) Rüsh（德国） 中国（02规范）1. 2. 3高强混凝土的性能 主要通过降低水灰比来达到提高混凝土强度的目的。通过添加粉煤灰、硅粉保证混凝土的流动性。对粗骨料的强度有一定要求。1、高强混凝土一次加压下的关系： 高强混凝土一次加压下的关系 2、高强混凝土具有以下特点： 内部的微裂缝出现晚，但一旦出现沿竖向迅速发展、贯通；（7590%）应力范围基本保持线性，强度越高，线性段越大； 比普通混凝土大，可达0.0025甚至更大； 下降段陡，短，强度下降快，脆性、延性差； 进入下降段后的破碎过程呈爆裂形式； 随混凝土强度的提高而提高。 我国规范规定9度区C60，8度C70。1. 2. 4高性能混凝土纤维（钢纤维、聚丙乙烯纤维）混凝土，自密实混凝土等。1. 2. 5混凝土受重复加、卸载的性能在实际工程中，由于有可变荷载的作用，结构或构件往往要受到重复加作用(如厂房中的梁)，则混凝土要受到重复应力的作用。目前已经进行了混凝土在多种形式下的重复荷截试验，尽管不能完全模拟结构中的混凝土受力，但可得到一般性的规律和结论。1、 重复加卸、载试验可归纳为以下5种：等应变增量完全加卸载 等应变增量半应力卸载 等应力循环加截 等应变循环加载加至某一大应变状态下循环2、一般规律和现象 外包络线重复加截下曲线的外轮廓线与单调加载线十分接近，其峰值应力以及峰值应力对应的应变与单调加载的无明显区别。 卸载与再加载曲线卸载曲线：开始应力下降快，应变恢复慢。随着应力值的降低，应变恢复加快。再加载曲线：处于上升段时，曲线凸向应力轴没有反向弯曲；处于下降段时，曲线先凸向应变轴后凸向应力轴，有反弯点。 共同点轨迹线从包络线上卸载后再加载其交点为“共同点”，共同点的轨迹与包络线或单调加载线的形状相似。以上各种加载方式的共同点轨迹与包络线或单调加载曲线的相似比值为：，平均值 稳定点轨迹在预定应变值下重复加卸载，经过一定次数的循环后，混凝土的应力不再下降，残余应变也不再增大，形成的闭合环的上端成为稳定点。稳定点的轨迹线为混凝土低周疲劳的极限包络线。在曲线的上升段，一般重复循环45次达稳定点；在曲线的下降段一般重复710次达稳定点。稳定点轨迹与包络线相似，其比值为：，1. 2. 6单向受拉混凝土的性能1、试验方法 轴拉法，劈拉法，弯折法 （a）； (b)； (c)，存在换算关系。 与的关系 与的关系规范（50010-2002）规定：2、曲线清华大学过镇海教授给出的试验曲线：混凝土轴拉曲线 当应力（A点）时，混凝土的变形基本按比例增大。此后混凝土出现少量塑性变形曲线微凸。 当平均应变达时，曲线的切线水平，得抗拉强度（C点）。 随后，试件的承载力很快下降，肉眼观察到试件表面上的裂缝时，曲线已进入下降段（E点）。裂缝为横向，细而短，缝宽约为0.040.08mm。 当试件的表面裂缝沿截面周边贯通时，裂缝宽度约为0.10.2mm。此时截面中央尚残留未开裂面积和裂缝面的骨料咬合作用，试件仍有少量残余承载力约。裂缝贯穿全截面试件拉断成两截（F点）。受拉截面开裂示意图3、混凝土受拉模型1. 2. 7混凝土的抗剪强度1、试验方法 Z形单剪法，二轴拉压法，薄壁圆筒受扭法，四点受力梁法 Z形单剪法 轴拉、压法 薄壁圆筒受扭法四点受力梁法 与的关系 与的关系2、关系关系曲线1. 2. 8 动力荷载下混凝土的性能 在地震作用或结构受到爆炸冲击时，混凝土的性能与静力加载是不同的。通常认为加载速度大于10-4 mm/s时为动力加载。 强度变化 动力受压强度与加载速率的关系动力受拉强度与加载速率的关系 弹性模量变化弹性模量与加载速率的关系 变化混凝土受压与加载速率的关系1. 3 混凝土的多轴受力性能在钢筋混凝土结构中，混凝土极少是单轴受力状态，一般的梁、板构件多受弯矩和剪力共同作用，梁柱节点，锚固区、壳体、坝体以及设备基础等混凝土都是二维或三维受力状态，因此，研究混凝土多轴性能具有重要意义。早在20世纪初，开始进行混凝土的多轴受压试验，60年代大力发展核电，建核反应堆安全壳，推动了混凝土多轴性能研究，70年代出现了一个研究高潮，70年代末，我国的一些高校研究院开始试验与理论的研究工作。1. 3. 1 试验设备和方法1、常规三轴试验1928年，美国Richart教授利用常规三轴设备完成了混凝土圆柱体的三轴受压试验。这种试验设备可以进行二轴应力状态的试验，但无法进行真三轴试验和二轴受拉试验。Richart的常规三轴试验设备利用常规三轴设备进行二轴应力状态试验2、真三轴试验混凝土三轴试验装置 存在的问题 试验加载装置不统一； 无统一的试验标准； 通常是等比例加载； 试件的尺寸差异较大，立方体试件：边长50150mm。导致试验结果的离散性较大。1. 3. 2 混凝土的二轴受力性能1、混凝土的二轴应力状态，Kupfer的试验（200×200×50）符号规定：，以受拉为正，受压为负。 二轴受压 ，随的增大提高较快。，随的增大而变得平缓。为（1.251.6），发生在之间。 混凝土二轴强度之间的关系，随应力比提高而降低。二轴等压强度：，。 二轴拉/压 混凝土的软化加拿大多伦多大学的Collins , Mitchell and Vecchio的试验 ； 。随应力比的增大迅速降低。 混凝土的软化曲线多伦多大学提出的混凝土软化模型 二轴受拉 任意应力比，其和相近。 二轴受压的应力一应变曲线1.3.3 三轴应力状态1、常规三轴受压的性能常规三轴受压的关系一般规律：随应力比的加大要成倍增长，峰值应变的增长幅度更大。2、被动约束混凝土 配置圆形螺旋箍筋构件研究结果表明，受被动约束混凝土的强度可以用下式表示：当时，箍筋发挥的约束作用达到极限。由y0： 受被动约束混凝土的基本性能提高强度；提高延性；约束能力达到极限；横向箍筋间距的不同约束效果不同；日本阪神地震震害表明单肢螺旋箍柱存在的不足。 矩形截面构件的约束混凝土矩形截面构件的约束混凝土Mander、Salin Razvi研究的混凝土强度范围为30MPa130MPa。 Salin Razvi的矩形箍筋约束混凝土模型其中： ； 矩形截面构件约束混凝土模型日本青山博之的试验研究表明：圆形约束箍筋可采用较高强度的箍筋，在试验中总可以屈服，能够发挥出强度，屈服强度的上限高达1,100MPa。但矩形箍筋强度过高不会屈服，建议上限700MPa，美国ACI08版规范建议100,000psi(690MPa)。 方形螺旋箍、连续复合螺旋方箍在工程中的应用：混凝土结构设计规范GB50010-2002对配置连续复合螺旋箍的柱子，当满足：S80 , Sl200 , d10时，对于柱中 连续复合螺旋方箍轴压比的限值允许适当放宽，即可以增加0.1。 钢管约束混凝土轴压下钢管混凝土的应力应变曲线钢管的应力状态与应力途径 OA弹性阶段钢材的泊松比（）混凝土的（）大，所以在这一阶段钢管与混凝土基本上仅承受轴力，此时。 AB弹塑性阶段混凝土的微裂缝发展，横向变形增大，挤压钢管壁，钢管壁中切向拉力出现但较小，径向力增大，钢管中的应力增大至（B点）。此时远远小于。 BC钢管进入塑性阶段试件的纵向应度发展很快，钢管竖向应力减小，但增大，对混凝土的约束增强，混凝土中的随之增加，达到C点，得截面最大承截力，随后混凝土的达到三轴抗压强度并逐渐降低，横向变形激增，钢管局部屈曲D点。相应的三轴抗压强度可表达为： 由Mises屈服准则确定。约束指标： 混凝土构件受拉的刚化效应构件受拉开裂后，混凝土对其承截力（）已不起作用，但受拉混凝土的存在使各裂缝之间钢筋应力减小，即，提高了构件刚度，此现象称为混凝土的受拉刚化效应，受弯构件的受拉区也存在受拉刚化，构件中混凝土的这种受拉刚化可提高构件刚度。 混凝土构件受拉的刚化1.4 钢筋的力学性能1.4.1我国建筑工程中常用普通钢筋的种类（取消） ； （新增） ； （将取消） ； （新增） ； ； （新增） （新增） （新增）（细晶粒） 1、 钢筋强度的平均值，标准值和设计值 (）；5 () 规范要求：“钢筋强度标准值应具有不小于95%的保证率”，即：。但目前按照出厂检验标准得到的强度标准值 各等级钢筋的参数钢筋级别平均值N/mm2均方差N/mm2变异系数标准值N/mm2设计值N/mm2系 数I级钢235级26520.00.0755232235 2101.6451.5II级钢335级  螺旋纹408.823.50.0575370335 3001.645 3.14III级钢335（老）月牙纹435.721.90.0524399.7400 3601.645 1.63IV级钢500级月牙纹530570 5004352、结构有抗震要求时，对钢筋性能提出的特殊要求 钢筋强度提高后带来的问题 抗震钢筋的性能要求 受弯钢筋的裂缝宽度，钢筋的抗震性能等。当建筑结构有抗震要求时，对使用的钢筋性能提出特殊要求，是保证结构具有良好抗震性能的重要措施之一。目前世界各国混凝土结构设计规范均对抗震结构钢筋性能提出了特殊要求，具体的主要指标为：钢筋强度（屈服强度和极限强度），抗拉强度实测值与屈服强度实测值的比值（强屈比），屈服强度实测值与屈服强度标准值的比值（超强比）以及延伸率（均匀伸长率或断口伸长率），如表1所示。从表中的具体数值可以看出，不论是强屈比、超强比还是伸长率，各国设计规范的具体规定并不完全一致，表明目前各国对钢筋性能指标取用不同限值对混凝土构件表1 各国规范抗震钢筋指标对比表国家牌号屈服强度抗拉强度强屈比超强比断口伸长率A（%）最大力伸长率Agt（%）美国40级2804201.25实测值-标准值124MPa11；12；60级4205501.25-14；12；10-欧盟C 级400600之间-1.15且1.351.257.5日本SD3903905602号1614A号17SD4904906202号1214A号13新西兰300E300-1.15且1.501.2515500E500-1.15且1.401.3510中国335E3354551.251.39400E400540500E500630和结构抗震性能的影响程度没有达成完全一致的认识。目前我国建筑工程中广泛应用的钢筋主要为添加锰、硅低合金元素辅以添加钒、钛等微合金元素的钢筋系列，钢筋的强度主要为335MPa和400MPa级钢筋。 钢筋强度提高后带来的主要问题除了受弯构件的裂缝宽度问题以外，配置高强钢筋对结构构件的抗震性能的影响等。1.4.2钢筋在重复和反复荷载作用下的特点1、重复荷载作用 的特点； 的特点。重复荷载作用钢筋的2、反复荷载作用反复荷载作用钢筋的包兴格(Bauschinger)效应： 钢筋一次受力（受拉或受压）屈服后，反向加载（受压或受拉）时的弹性极限明显降低，且第一次加载达到应变值越大，反向加载时的弹性极限下降得就越多，这种现象就是包兴格效应。 反复加、卸载下的曲线特点反复加载下的卸截曲线都近似为直线，再加载曲线由于包兴格效应出现软化段。1.4.3 钢筋在反复荷载作用下的模型1、重复荷载下2、反复荷载下 双线性滞回模型 Ramberg-Osgood滞回模型 考虑Bauschinger效应的滞回模型1.4.4 钢筋在动力荷载作用下的性能试验结果表明，随着加载应变率的增加，钢筋的屈服强度要明显提高，但极限强度的提高没有屈服强度提高明显。钢筋屈服强度随加载速率的关系钢筋极限强度随加载速率的关系美国ASTMA615 对各级钢筋的动力提高系数1.5钢筋与混凝土的粘性能1.5.1粘结应力的产生 只要沿钢筋纵向的应力大小发生变化，则钢筋与混凝土之间即有粘结应力产生。 与的关系1.5.2研究粘结的意义 实际工程中，由于构件受力环境导致钢筋与混凝土之间的粘结应力高，易发生粘结失效，导致构件的受力性能差，从而影响到结构的受力性能和抗震性能。 混凝土结构中混凝土与钢筋必须保持良好的粘结才能使钢筋和混凝土共同受力，充分发挥两者各自的性能优势。 在混凝土结构（或构件）的非线性有线元分析中，当钢筋与混凝土之间出现较大的粘结滑移之后，对结构（或构件）受力性能进行模拟，在局部范围内需要建立能够反映钢筋与混凝土粘结滑移关系的粘结单元，这种粘结单元能够反映不同条件（或因素）影响的粘结滑移关系（即粘结应力与粘结滑移模型），真实再现结构或构件实际的受力情况。1.5.3 分布的量测，的量测1、粘结应力分布的量测 2、的量测3、关系曲线 单调受拉曲线 反复受力曲线4、锚固 直线锚固试验过程中，钢筋受力达到屈服时所需要的最短直线锚固长度即为临界直线锚固长度。试验时采用的钢筋、混凝土强度是平均值，考虑可靠度因素后（钢筋、混凝土强度取用设计值），设计锚固长度大约是临界锚固长度的1.6倍左右。 并筋锚固二并筋：； 三并筋：； 机械锚固 最常用的锚固形式：90°弯折锚固锚板锚固 其它机械锚固方式 焊筋锚固。5、搭接 弯折搭接方式弯折搭接6、延伸长度 基本规定 钢筋的延伸长度目前各国规范规定的思路是基本一致的。 充分利用点伸出： 不需要点延伸出一个长度。 仍有一下几个问题需要注意： 主斜裂缝与纵轴的夾角与负弯矩分布相对长度有关, 大，小，反之则大。 过大，使用的钢筋过细时，先批截断钢筋的截断点可能会在负弯矩区内，有可能不安全； 悬臂梁负弯矩钢筋分批切断偏于不安全（断点在受拉区），原规范没有相应的规定。feel free to listen to their voices and help the masses solve problems, we were officially opened on May 10 "12345" Mayor calls, formulated rules and regulations, equipped with a full-time staff, a 24-hour on-duty system, people to call to receive, reply, action, reminders, feedback and so on. By year end, handled the crowd calls 1076, 94.7% feedback rate. By Mayor calls active coordination to solve a large number of bears on the immediate interests of the people and issues of great lives, but also for leadership research and decision to collect a lot of good ideas and suggestions, by all sectors of the community alike. Second, start Municipal Government Affairs Hall built. On May 11, we built and launched the city-government lobby, were settled in 12 departments, strict implementation of first asking duty system, service system, system of gratuitous, "receiving, internal coordination, head of the window handle, limited time concluded" one-stop service. By the end of today to accept various types of 3,273, originally of up to 100%. 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