钢筋混凝土材料的物理力学性能.ppt

第一章 钢筋混凝土结构的材料,1.1 钢筋 (Reinforcement or Rebar),一、钢筋的品种 热轧钢筋、冷加工钢筋（冷拉钢筋，冷轧带肋钢筋）、热处理钢筋；钢丝和钢绞线。,参见附录二（P.333）各种钢筋的符号和强度设计值。,各种钢筋的性能和工程应用： (级)钢筋多为光面钢筋（Plain Bar），多作为现浇楼板的受力钢筋和箍筋。 (级和级) 钢筋强度高，多作为钢筋混凝土构件的受力钢筋，尺寸较大的构件，也有用级钢筋作箍筋。 钢绞丝、钢丝和热处理钢筋一般用于预应力混凝土结构。,二、钢筋的力学性能,钢筋的 曲线,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),(一)软钢 有明显屈服点的钢筋 Rebar with yield point,a为比例极限 proportional limit s =Ese,a为弹性极限 elastic limit,de为强化段 strain hardening stage,b为屈服上限 upper yield strength,c为屈服下限，即屈服强度 fy lower yield strength,cd为屈服台阶 yield plateau,e为极限抗拉强度 fu ultimate tensile strength,几个指标(Index)： 屈服强度：是钢筋强度的设计依据，因为钢筋屈服后将很大的塑性变形，且卸载时这部分变形不可恢复，这会使钢筋混凝土构件产生很大的变形和不可闭合的裂缝。屈服上限与加载速度有关，不太稳定，一般取屈服下限作为屈服强度。 延 伸 率：钢筋拉断时的应变，是反映钢筋塑性性能的指标。延伸率大的钢筋，在拉断前有足够预兆，延性较好,屈 强 比反映钢筋的强度储备，fy/fu=0.60.7。,(二)硬钢 无明显屈服点的钢筋,a点：比例极限，约为0.65fu a点前：应力-应变关系为线弹性 a点后：应力-应变关系为非线性，有一定塑性变形，且没有明显的屈服点 强度设计指标条件屈服强度 (协定流限) 残余应变为0.2%所对应的应力 规范取s0.2 =0.85 fu,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(10%20%)。,(三) 钢筋的冷加工,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,冷拉对钢材性能的影响: 屈服强度提高了，但流幅缩短；钢材变硬变脆了；对承受冲击荷载和重复荷载是不利的。,（四） 钢筋的蠕变、松弛和疲劳, 钢筋在高应力作用下，随时间增长其应变继续增加的现象为蠕变。, 钢筋受力后，若保持长度不变，则其应 力随时间增长而降低的现象称为松弛。, 钢筋的疲劳破坏是指钢筋在承受重复、周期动荷载作用下，经过一定次数后，从塑性破坏的性质转变成脆性突然断裂的现象。,1.2 混凝土 (Concrete),一、混凝土的强度,混凝土的抗压强度 混凝土的抗拉强度 混凝土在复合应力作用下的强度,混凝土结构中，主要是利用它的抗压强度。因此抗压强度是混凝土力学性能中最主要和最基本的指标。 混凝土的强度等级是用抗压强度来划分的,立方体抗压强度 混凝土的强度等级 混凝土的选用原则 轴心抗压强度,（一）立方体抗压强度 fcu （参见录像01）,破坏形式和原理？,混凝土的强度和哪些因素有关？如何影响？,由于尺寸效应的影响：fcu(150) = 0.95 fcu(100),fcu(150) = 1.05 fcu(200),如何测定？,（二）混凝土的强度等级,水电工程根据强度，从C10C60共划分为11个强度等级，级差为5N/mm2。 C50以上为高强混凝土。,补充说明：,（三） 混凝土的选用原则,水电工程中，素混凝土结构受力不宜低于C10 钢筋混凝土构件的混凝土强度等级不应低于C15 当采用级、级钢筋时，装配式和薄壁结构以及承受重复荷载的构件，不宜低于C20 预应力混凝土结构不应低于C30 采用钢绞线、钢丝、热处理钢筋作预应力钢筋时，不宜低于C40,（四） 轴心抗压强度 fc,棱柱体试件高宽比一般为h/b=34通常取 150mm150mm 300mm或 150mm 150mm 450mm 标准试件。,真实反映以受压为主的混凝土结构构件的抗压强度。 所以是构件设计时所采用的强度种类，但还要将该标准值变为设计值。,为什么棱柱体抗压强度小于立方体抗压强度？,如何换算？,（四）轴心抗拉强度 ft,ft仅相当于fcu的1/91/18,ft=2P/d2,测量方法：,（五）复合应力状态下的混凝土强度,实际结构中混凝土很少受于单向受力状态。更多的是处于双向或三向受力状态。如混凝土拱坝、核电站的安全壳等。,参见录象（04双向复合受力强度）,混凝土的双向受力强度,双向受拉：强度接近单向 受拉强度,一拉一压：强度降低,双向受压：抗压强度和极 限压应变均有 所提高,压,压,拉,混凝土在正应力和剪应力作用下的复合强度,在有剪应力作用时，混凝土的抗压强度将低于单轴抗压强度,混凝土的抗剪强度：随拉应力增大而减小 随压应力增大而增大。当压应力在0.6fc左 右时，抗剪强度达到最大。 压应力继续增大，则由于内裂缝发展明显，抗剪强度将随压应力的增大而减小。,压,拉,混凝土的三向受压强度,三向受压时，混凝土的抗压强度和极限变形都有较大提高,工程应用：约束混凝土，实际工程遇到较多的螺旋箍筋柱和钢管混凝土柱。,侧向压应力的存在还可提高混凝土的延性。,参见图1-12。,二、混凝土的变形,（一）单轴受压应力-应变关系,如何能画出曲线的下降段？,OA 弹性阶段,A : 0.3fc,AB 弹塑性阶段, : 0.3fc 0.8fc 裂缝稳定阶段,BC 裂缝不稳定阶段, : 0.8 fc 1.0 fc,C,B,D,E,fc,0,0,A,cu,特征点：,0 峰值点应变 规范0 = 0.002,cu 极限压应变。值越大，混凝土的延性越好,fc 轴心抗压强度,混凝土强度对应力-应变的影响：,加载速度对应力-应变的影响：如图1-15,约束混凝土可以提高混凝土的强度，但更值得注意的是可以提高混凝土的变形能力，这一点对于抗震结构非常重要。,（二） 混凝土在多次重复荷载下的应力应变关系,混凝土的疲劳抗压强度，用符号 表示。 结合曲线说明,（三） 混凝土的弹性模量,初始弹性模量； 割线弹性模量； 切线弹性模量； 多次重复加载求弹性模量； 经验公式；,弹性状态 （拉、压相等）,由应力-应变关系曲线直接求； 变形模量；,塑性状态,（四） 混凝土的徐变,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。,徐变的影响因素和减小徐变措施 内在因素是指混凝土内水泥胶体的影响。水泥胶体多、徐变就大。减小徐变，应尽量减少水泥用量，减小水灰比，增加骨料所占体积及其刚度。 环境影响包括养护和使用条件。受荷前养护的温湿度越高，水泥水化作用越充分，徐变就越小。采用蒸汽养护可使徐变减少（2035）%。受荷后构件所处的环境温度越高，相对湿度越小，徐变就越大。 应力条件是引起徐变的直接原因，应力越大，徐变就越大。在低应力下，徐变与应力为线性关系。在高应力下，将产生非线性徐变，徐变不能趋于稳定，要避免这种情况。 加荷龄期。在同样的应力条件下，加荷越早，混凝土硬化越不充分，徐变就越大。,徐变性质：,线性徐变 初应力 c0.5fc 徐变与初应力呈正比，趋于稳定,非线性徐变 c 0.5fc,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（有利和不利）：, 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。,影响收缩的主要因素： 收缩应变的大小与混凝土的组成、配比、养护条件等关系很大。水泥用量多，水灰比大，振捣不密实，干燥环境下养护，构件外露表面积大等，都会使收缩应变增加。,（五） 混凝土的温度变形和收缩,收缩对结构的影响： 使混凝土中产生拉应力，甚至引起混凝土的开裂。 混凝土收缩会使预应力混凝土构件产生预应力损失。 某些对跨度比较敏感的超静定结构（如拱结构），收缩也会引起不利的内力。,（一）单轴受压应力-应变关系,（五） 混凝土的温度变形和收缩,（四） 混凝土的徐变,（二） 混凝土在多次重复荷载下的应力应变关系,受力变形,体积变形,变形内容：,1.3 钢筋和混凝土的粘结,粘结是这两种材料共同受力变形的保证,1.3 钢筋和混凝土的粘结,1.3 钢筋和混凝土的粘结,测定、组成、影响因素,粘结应力：单位界面面积上这种作用力沿钢筋轴线方向的应力（钢筋和混凝土界面上的剪应力）。,1.3 钢筋和混凝土的粘结,测定、组成、影响因素,1.3 钢筋和混凝土的粘结,测定、组成、影响因素, 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机械咬合力。,1.3 钢筋和混凝土的粘结,测定、组成、影响因素,1.4 钢筋的锚固,钢筋的锚固长度一般指梁、板、柱等构件的受力钢筋伸入支座或基础中