02钢筋和混凝土材料的力学性能.ppt
2019/2/19,第二章 钢筋混凝土材料的力学性能,2019/2/19,为了合理地进行混凝土结构设计，需要深入地了解混凝土和钢筋的受力性能。对混凝土和钢筋力学性能、相互作用和共同工作的了解，是掌握混凝土结构构件性能并对其进行分析与设计的基础。,概 述,2019/2/19,本章重点,熟悉土木工程用钢筋的品种、级别、性能及其选用原则；,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；,了解钢筋与混凝土的粘结性能。,2019/2/19,1.定义：,在混凝土结构中采用的棒状、丝状钢材。,一、钢筋的物理力学性能,2019/2/19,一、钢筋的物理力学性能,按化学成分,碳素钢（铁、碳、硅、锰、硫、磷等元素）,低碳钢（含碳量0.25%）,中碳钢（含碳量0.250.6%）,高碳钢（含碳量0.61.4%）,普通低合金钢（另加硅、锰、钛、钒、铬等）,锰系 硅钒系 硅钛系 硅锰系 硅铬系,2. 钢筋的成分、级别和品种,含碳量越高，强度越高，但塑性和可焊性减低,2019/2/19,钢筋,热轧钢筋：由低碳钢和普通低合金钢在高温状态下轧制而成,冷加工钢筋：由热轧钢筋在常温下用机械加工而成,热处理钢筋：将HRB400、RRB400钢筋通过加热、淬火、回火而成,按加工方法,钢丝,碳素钢丝：钢筋通过多次冷拔、应力消除、矫正、回火处理而成,刻痕钢丝：在钢丝表面刻痕，以增强其与混凝土间的粘结力,钢绞线：几根相同直径的钢丝成螺旋状铰绕在一起,一、钢筋的物理力学性能,2019/2/19,冷加工钢筋,热轧钢筋 低合金钢筋,冷拉、冷拔、冷轧、冷轧扭,冷加工钢筋,提高强度 塑性降低,2019/2/19,光圆钢丝,钢丝、钢绞线,4mm、5mm、6mm、7mm、8mm、9mm,2股、3股、7股,1570MPa1770MPa,2019/2/19,一、钢筋的物理力学性能,按表面形状,光圆钢筋,变形钢筋,无明显屈服点钢筋（“硬钢”）,按力学性能,有明显屈服点钢筋（“软钢”）,按使用用途,普通钢筋,预应力钢筋,螺旋纹,人字纹,月牙纹,2019/2/19,2019/2/19,一、钢筋的物理力学性能,表1-1 常用热轧钢筋的种类、代表符号和直径范围,注：第一个字母H（hot rolled）表示热轧，R(Remained heat treated)表示为余热处理；第二个字母P(Plain)表示光圆，R(ribbed)表示带肋；第三个字母B（Bar）代表钢筋；数字表示标准强度。,2019/2/19,钢厂提供的钢筋直径为6 mm，6.5 mm，8 mm，8.2 mm，10 mm，12 mm，14 mm，16 mm，18 mm，20 mm，22 mm，25 mm，28 mm，32 mm，36 mm，40 mm和 50 mm。其中，d=8.2 mm的钢筋仅适用于有纵肋的热处理钢筋。设计时，应在表1-1的直径范围和上述提供的直径内选择钢筋。当采用直径大于40 mm的钢筋时，应有可靠的工程经验。,一、钢筋的物理力学性能,2019/2/19,一、钢筋的物理力学性能,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,2. 钢筋的应力-应变曲线,2019/2/19,强度指标,* 有明显流幅的钢筋：在建立钢筋混凝土构件截面承载力计算理论时，以下屈服点对应的强度作为设计时钢筋强度的取值（ fy ）。,一、钢筋的物理力学性能,两点简化： A. 钢筋应力不大于屈服点时应力-应变关系-直服从胡克定律，处于理想弹性阶段；,B.不利用应力强化阶段，假设钢筋混凝土构件截面达到破坏时，钢筋拉应力保持为屈服点应力。钢筋的极限强度作为一种安全储备。,2019/2/19,强度指标,* 无明显流幅的钢筋：残余应变为0.2%时所对应的应力作为其强度限值，称为条件屈服强度 ，混凝土规范取0.20.85 b， b为极限抗拉强度。,一、钢筋的物理力学性能,2019/2/19,一、钢筋的物理力学性能,强度指标的确定,强度,随机变量,根据统计资料，运用数理统计方法确定的具有95以上保证率（钢筋为97.73% ）的统计特征值： 强度标准值（fyk）=强度平均值-2×均方差,钢筋强度用标准值和设计值表示。,钢筋强度的设计值fy等于钢筋强度标准值除以材料分项系数s，即,2019/2/19,钢筋变形指标,2019/2/19,一、钢筋的物理力学性能,变形指标,* 伸长率：钢筋拉断后的伸长与原长的比值,* 冷弯性能：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及起层现象,为防止在弯折加工时断裂和使用过程中脆断，钢筋还应具有一定的塑性变形能力。,伸长率越大，塑性越好。伸长率用表示，用钢筋试样拉断后断口两侧的残留应变(用百分率表示)作伸长率，即,弯芯的直径越小，弯转角越大，塑性越好,2019/2/19,钢筋的力学性能指标,fy,fu,-屈服强度,-极限抗拉强度,fy / fu,-屈强比,一、钢筋的物理力学性能,2019/2/19,一、钢筋的物理力学性能,冷拉,无时效,经时效,K点的选择：应力控制和应变控制,温度的影响：温度达700ºC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,冷加工钢筋的力学性能指标,2019/2/19,一、钢筋的物理力学性能,冷拔,经过冷拔后钢筋强度提高，塑性降低，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,2019/2/19,一、钢筋的物理力学性能,2019/2/19,徐变,应力不变，随时间的增长应变继续增加,松弛,长度不变，随时间的增长应力降低,对结构，尤其是预应力结构，产生不利的影响,一、钢筋的物理力学性能,3.钢筋的徐变与松弛,2019/2/19,强度要求：保证经济性。屈服强度和极限强度，抗震设计时还要 求有一定的屈强比,塑性要求：保证结构延性，给人以破坏的预兆。伸长率和冷弯要求,可焊性：钢筋焊接后不产生裂纹及过大的变形，保证焊接后的接头性能良好。,与混凝土的粘结性：保证钢筋和混凝土共同工作。,4. 混凝土结构对钢筋的要求,一、钢筋的物理力学性能,2019/2/19,一、钢筋的物理力学性能,普通钢筋宜优先采用HRB400级和HRB335级钢筋，以节省钢筋用量。也可以采用HPB235级和RRB400级热轧钢筋以及强度级别较低的冷拔、冷轧和冷轧扭钢筋。,预应力钢筋宜采用预应力钢绞线、中高强钢丝，也可以采用热处理钢筋。还可以采用冷拉钢筋和强度级别较高的冷拔低碳钢丝和冷轧扭钢筋。,5. 钢筋的选用原则,2019/2/19,混凝土的组成特点,混凝土水泥水砂石,水化过程长，性能需较长时间才能稳定,二、混凝土的物理力学性能,2019/2/19,重点：混凝土的强度,立方体抗压强度 轴心抗压强度 轴心抗拉强度 复合应力状态下的强度,二、混凝土的物理力学性能,2019/2/19,二、混凝土的物理力学性能,立方体抗压强度 fcu,1） 单轴受力状态下混凝土的抗压强度,1. 混凝土的强度,温度：20±3 湿度：90,2019/2/19,二、混凝土的物理力学性能,fcu,k与平均值f和标准差f的关系为,混凝土的强度等级 :具有95保证率的抗压强度标准值 (以N/mm2计),混凝土强度等级的选用：,采用HRB335、HRB400/RRB400级钢筋时,不得低于C20；,承受重复荷载构件的混凝土，不得低于C20；,预应力混凝土结构，不应低于C30；,采用高强钢丝作预应力钢筋时，不宜低于C40。,2019/2/19,二、混凝土的物理力学性能,立方体抗压强度的影响因素,1） 单轴受力状态下混凝土的抗压强度,1. 混凝土的强度,温度：20±3 湿度：90,2019/2/19,影响一：润滑剂,不涂润滑剂,涂润滑剂,试块受压、纵向压缩，横向扩张，试块表面与垫板间的摩擦力约束了横向扩张，限制了微裂缝的开展，从而提高试件抗压强度。,套箍效应,二、混凝土的物理力学性能,立方体抗压强度的影响因素,2019/2/19,影响二：尺寸,尺寸效应,标准试块 150×150 ×150,1.05 : 1 : 0.95,二、混凝土的物理力学性能,2019/2/19,影响三：加载速度,加载速度快，内部微裂纹来不及扩展，,实测强度提高,二、混凝土的物理力学性能,2019/2/19,棱柱体抗压强度fc,标准试块：150×150 ×300mm,二、混凝土的物理力学性能,抗压强度与试件形状有关，实际构件往往是棱柱体，棱柱体抗压强度比立方体试件能更好地反映混凝土的实际抗压能力。 中部横向变形不受端部摩擦力的约束，代表了混凝土处于单向全截面均匀受压的应力状态。,试验量测到fc值比fcu值小，并且棱柱体试件高宽比(即h/b)越大，它的强度越小。,真实反映混凝土的实际工作状态。,摆脱端部摩擦力的影响； 试件不致失稳。,2019/2/19,fc 与 fcu 的关系：,立方体抗压强度,脆性折减系数： C40以下： C80：,考虑实际构件的工作条件与试件所处条件的差异引入的修正系数,二、混凝土的物理力学性能,2019/2/19,混凝土轴心抗拉强度ft,2）单轴受力状态下混凝土的抗拉强度,二、混凝土的物理力学性能,由于混凝土构件内部的不均匀性，加之安装试件偏差的原因，通过直接受拉试验测量抗拉强度是很困难的，试验数据离散性很大。,误差大 难实现,2019/2/19,劈裂试验ft,s,二、混凝土的物理力学性能,根据弹性理论,试件中间垂直截面除加力点附近很小的范围外，有均匀分布的水平拉应力。当拉应力达到混凝土的抗拉强度时，试件被劈成两半。,2019/2/19,抗拉强度ft与立方体抗压强度fcu之间的折算关系为,二、混凝土的物理力学性能,混凝土的脆性系数，当混凝土的强度等级不大于C40时， =1.0；当混凝土的强度等级为C80时， =0.87；其间按线性插值；,0.88考虑结构中的混凝土强度与试块混凝上强度之间的差异等因素的修正系数。,为轴心抗拉强度与立方体抗压强度的折算关系,2019/2/19,双轴应力下的强度,3）复合受力状态下混凝土的强度,二、混凝土的物理力学性能,双向受拉，1与2的相互影响不大，双向受拉强度均接近于单向受拉强度。,一向受拉，另一向受压，混凝土强度均低于单向拉伸或压缩的强度，即双向异号应力使强度降低,双向受压，一向强度随另一向应力的增加而增加。,2019/2/19,三向受压时的混凝土强度,圆柱体试验,有侧向约束时的抗压强度,无侧向约束时圆柱体的单轴抗压强度,二、混凝土的物理力学性能,混凝土一向抗压强度随另两向侧压力的增加而提高。,2019/2/19,对于纵向受压的混凝土，约束混凝土的侧向变形，可使混凝土的抗压强度有较大提高。钢管混凝土柱、螺旋钢箍柱,二、混凝土的物理力学性能,2019/2/19,二、混凝土的物理力学性能,2. 混凝土的变形性能,混凝土的变形,非受力变形,受力变形,一次短期加载下的变形,荷载长期作用下的变形,多次重复荷载作用下的变形,硬化过程中的收缩变形,温湿度变化引起的变形,2019/2/19,二、混凝土的物理力学性能,受压时的应力-应变关系,1）一次短期加载下的变形,峰值应变0取0.002。,裂缝迅速发展，内部整体性严重破坏,2019/2/19,二、混凝土的物理力学性能,影响因素,混凝土强度对下降段影响很大，强度越高，下降段越陡峭，延性越差。,加载速度越大，下降段越陡峭。,横向箍筋,2019/2/19,中国规范,二、混凝土的物理力学性能,受压时应力-应变关系的数学模型,2019/2/19,受压时应力-应变关系的数学模型,美国Hognestad模型,二、混凝土的物理力学性能,2019/2/19,德国Rüsch模型,二、混凝土的物理力学性能,受压时应力-应变关系的数学模型,2019/2/19,二、混凝土的物理力学性能,受拉时混凝土的应力-应变关系,理论模型,2019/2/19,fcf的确定原则：100×100 ×300或150×150 ×450 的棱柱体试块承受200万次（或以上）循环荷载时发生破坏的最大压应力值,二、混凝土的物理力学性能,2）重复荷载下混凝土的变形性能,2019/2/19,二、混凝土的物理力学性能,3)混凝土的弹性模量,原点切线模量（弹性模量）：拉压相同,变形模量弹塑性模量（割线模量、切线模量）,切线模量,是材料变形性能的主要指标，计算构件变形、截面应力和预应力构件的预应力损失等时用。,2019/2/19,二、混凝土的物理力学性能,混凝土弹性模量的试验方法重复加载试验,510次,（150×150 × 300标准试件）,取应力上限为0.5fc 重复加载510次。,试验结果回归,2019/2/19,二、混凝土的物理力学性能,混凝土的泊松比和剪切模量,混凝土的剪变模量为,混凝土的泊松比（试件的横向应变与纵向应变之比） ，在压力较小时为0.150.18，接近破坏时可达0.5以上，规范取0.2,2019/2/19,二、混凝土的物理力学性能,4）长期荷载作用下混凝土的变形性能-徐变,荷载保持不变，随时间而增长的变形,原因之一，胶凝体的粘性流动,原因之二，混凝土内部微裂缝的不断发展,2019/2/19,徐变对结构设计的影响： 使钢筋混凝土构件截面产生内力重分布； 使钢筋混凝土构件变形加大 ； 使预应力混凝土构件产生预应力损失 ； 在高应力作用下还会使构件破坏。,二、混凝土的物理力学性能,有利的,2019/2/19,二、混凝土的物理力学性能,徐变对混凝土结构的影响,P拆去，钢筋受压混凝土受拉，可能会引起混凝土开裂,徐变： s， c,2019/2/19,二、混凝土的物理力学性能,影响徐变的因素,应力： c0.8fc，造成混凝土破坏，不稳定,加荷时混凝土的龄期，越早，徐变越大,水泥用量越多，水灰比越大，徐变越大,0.5fcc0.8fc，非线性徐变,c0.5fc，线性徐变,养护温度越高、湿度越大，水化越充分，徐变越小,受荷后温度越高、湿度越低，徐变越大,2019/2/19,二、混凝土的物理力学性能,5）混凝土的收缩-在空气中结硬时混凝土体积缩小的性质,水泥品种：等级越高，收缩越大,水泥用量：水泥用量越多，水灰比越大，收缩越大,骨料：骨料越硬，收缩越小；骨料粒径越大，收缩越小,养护条件、制作方法、使用环境等,由凝缩和干缩组成（干燥失水是引起收缩的重要因素）,2019/2/19,二、混凝土的物理力学性能,收缩对混凝土结构的影响,收缩： 钢筋受压， 混凝土受拉,混凝土的收缩对处于完全自由状态的构件只会引起构件的缩短而不开裂。对于周边有约束而不能自由变形的构件， 收缩会引起构件内混凝土产生拉应力，甚至会有裂缝产生。,2019/2/19,热胀冷缩 当温度变形受到外界的约束而不能自由发生时，将在构件内产生温度应力。 大体积混凝土中 ，内部混凝土对试图缩小体积的表面混凝土形成约束，在表面混凝土形成拉应力。,6）混凝土的温度变形,二、混凝土的物理力学性能,2019/2/19,三、钢筋与混凝土的粘结,1. 粘结力的定义及分类,当钢筋与混凝土之间产生相对变形（滑移），在钢筋和混凝土的交界面上产生沿钢筋轴线方向的相互作用力，此作用力称为粘结力。,粘结力：,与素混凝土梁无异,2019/2/19,三、钢筋与混凝土的粘结,弯曲粘结应力,粘结应力分类,局部粘结应力,锚固粘结应力,粘结应力大小与M沿纵向钢筋分布 规律有关，和力学中剪力分布规律 相同，此粘结应力称弯曲粘结应力。,钢筋两端不存在拉力差，就不存在粘结力 即粘结应力存在，钢筋应力沿长度才发生变化。,2019/2/19,三、钢筋与混凝土的粘结,弯曲粘结应力,粘结应力分类,局部粘结应力,钢筋在支座处的锚固粘结应力是构件承载力至关重要的因素。,钢筋的端头应力为零，在经过不长的粘结距离(称锚固长度)后，钢筋的应力应能达到其设计强度。,锚固粘结应力,2019/2/19,三、钢筋与混凝土的粘结,弯曲粘结应力,粘结应力分类,局部粘结应力,梁开裂后，混凝土开裂前承受的拉力通过粘结应力传递给钢筋、从而使裂缝处钢筋应力增大、这种粘结应力称为局部粘结应力，其作用是使裂缝之间的混凝土参与受拉。,锚固粘结应力,2019/2/19,三、钢筋与混凝土的粘结,化学胶结力钢筋与混凝土接触面上的化学吸附作用力（一般很小，一旦产生相对滑移即消失）。,2、粘结力的组成：,摩擦力混凝土收缩后将钢筋紧握产生的摩擦力，钢筋表面越粗糙，摩擦力越大。（钢筋表面微锈摩擦力增加）。,机械咬合力钢筋表面凹凸不平与混凝土产生的机械咬合作用（是变形钢筋粘结力的主要组成部分）。,钢筋端部的锚固作用钢筋端部的弯钩、弯折，在钢筋端部焊短钢筋、短角钢等措施。,2019/2/19,化学胶着力,3 粘结破坏机理,（1）光圆钢筋的粘结破坏：,三、钢筋与混凝土的粘结,摩擦力,破坏,（2） 变形钢筋的粘结破坏,化学胶着力,摩擦力,机械咬合力,破坏,2019/2/19,拔出试验 钢筋与混凝土界面上的平均粘结应力F为 F/(dl),三、钢筋与混凝土的粘结,4. 粘结强度,：粘结失效时的最大（平均）粘结应力。,2019/2/19,粘结强度的测试,三、钢筋与混凝土的粘结,2019/2/19,三、钢筋与混凝土的粘结,5. 影响粘结强度的因素,（1）混凝土的强度等级：钢筋与混凝土间的粘结强度均随混凝土的强 度提高而提高。,（2）混凝上保护层c和钢筋之间净距离越大，外围混凝土的劈裂抗力越 大，因而粘结强度越高。,（3）横向钢筋及侧向压力约束限制了内部裂缝的发展，可使粘结强度 提高。,（4）浇筑时钢筋的位置：深度过大，钢筋底面的混凝土会产生沉淀收 缩和离析泌水，出现强度较低的疏松空隙层，削弱混凝土的粘结 强度。,（5）钢筋表面形状：变形钢筋的大于光圆钢筋的。,2019/2/19,三、钢筋与混凝土的粘结,6. 保证可靠粘结的措施,混凝土保护层不宜过小,钢筋之间净距离不宜过小,在钢筋端部做弯钩,在钢筋的搭接和锚固区附设横向箍筋,在搭接和支座处保证一定的锚固长度,2019/2/19,三、钢筋与混凝土的粘结,受拉钢筋的基本锚固长度,为了保证钢筋与混凝土之间有可靠的粘结，构件中的钢筋必须有一定的锚固长度。,平均粘结强度与混凝土的抗拉强度近似成正比，因此规范公式为,确定原则：钢筋屈服的同时，锚固失效。,7.钢筋的锚固与接头,2019/2/19,机械锚固的形式,依靠钢筋自身的性能无法满足锚固要求，采用机械锚固措施。,三、钢筋与混凝土的粘结,2019/2/19,三、钢筋与混凝土的粘结,钢筋的搭接,纵向受拉钢筋的搭接长度,且,受压钢筋的搭接长度取受拉钢筋搭接长度的70，且不小于200mm。,在搭接长度范围内应配置箍筋,接长钢筋的办法：绑扎搭接；焊接；机械连接。,绑扎搭接是指将两根钢筋的端头在一定长度内并放，并采用适当的连接将一根钢筋的力通过钢筋与混凝土之间的粘结力传给另一根钢筋。,2019/2/19,钢筋搭接接头的错开要求,三、钢筋与混凝土的粘结,
