砼结构材料性能.ppt

混凝土 第一章 第1章 钢筋混凝土结构的基本概念及 材料的物理力学性能 混凝土 第一章 引言 钢筋混凝土结构主要用钢筋和混凝土材料 制作而成。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。 混凝土 第一章 内容提要 一、钢筋混凝土结构的基本概念 二、混凝土的强度 三、混凝土的变形 四、钢筋的强度与变形 五、钢筋的成分、级别和品种 六、粘结机理 七、影响粘结强度的因素 混凝土 第一章 学习指导 教学要求：了解钢筋混凝土结构受力性能的复 杂性及配筋对其受力性能的影响。掌握钢筋混凝 土结构的优缺点。掌握钢筋的种类及其物理力学 特性。熟悉钢筋混凝土结构对钢筋性能要求。掌 握混凝土各种强度指标及其特性。理解钢筋与混 凝土粘结性能 混凝土 第一章 学习指导 学习重点： 1、钢筋混凝土梁与素混凝土梁的差别； 2、钢筋与混凝土共同工作的条件； 3、钢筋混凝土结构的优缺点； 4、钢筋的品种和力学性能的基本指标； 5、钢筋的应力应变曲线； 6、混凝土的强度指标及强度等级； 7、混凝土的应力应变曲线； 8、混凝土的各种模量； 9、混凝土的徐变和收缩； 10、钢筋与混凝土之间的粘结力 混凝土 第一章 混凝土结构 素混凝土结构：素砼主要用于以受压为 主的基础、柱墩和一些非承重结构。 钢筋混凝土结构 预应力混凝土结构 钢筋混凝土结构：是由配置受力的普通钢筋或 钢筋骨架的混凝土制成的结构 。 1.1 钢筋混凝土结构的基本 概 念 混凝土 第一章 例：一跨度为4m，跨中作用集中荷载的简支梁，梁截 面尺寸200300mm，混凝土为C20。如图所示： 图0-1 4000 A A F a) 200 300 AA b) 4000 B B BB 200 300 210 316 混凝土 第一章 柱：试验表明，钢筋混凝土柱与素混凝土柱相比，不仅 承载力大为提高，而且受力性能也得到改善（下图） 素素混凝土和钢筋混凝土轴心受压构件的受力性能比较混凝土和钢筋混凝土轴心受压构件的受力性能比较 混凝土 第一章 现将素混凝土梁和配置钢筋的梁进行荷载试验： a) 素砼梁 极限荷载 P=3.6kN 由砼抗拉强度控 制 破坏形态：脆性 b) 钢筋砼梁 极限荷载 P=36kN 由钢筋受拉、砼 受压而破坏 破坏形态：延性 由此得出钢筋和混凝土结合的有效性： 大大提高结构的承载力 结构的受力性能得到改善 混凝土 第一章 钢筋混凝土结构不是钢筋和混凝土之间的 任意组合。 其组合的原则：发挥钢筋抗拉、抗压强 度高的特点；发挥混凝土抗压强度高，而避免 抗拉强度低的弱点。 1.1.2钢筋与混凝土合理的组合原则 混凝土 第一章 板 图 0-2 P PP Pe e 柱 简支梁 PPPP 连续梁 混凝土 第一章 1. 混凝土和钢筋之间有着良好的粘结力,使两者能可靠地结合 成一个整体，在荷载作用下能够很好地共同变形,完成其 结构功能。 2. 二者具有相近的温度线膨胀系数，不会由于温度变化产 生较大的温度应力和相对变形而破坏粘结力。 钢筋 st = 1.2 105 混凝土 ct = 1.0 1.5 105 3. 呈碱性的混凝土可以保护钢筋免遭锈蚀的作用，保证了 钢筋与混凝土的共同作用。 1.1.3 钢筋与混凝土能长期共同工作的条 件 混凝土 第一章 1. 就地取材，节约钢筋：砼所用砂、石，易于 就地取材。近年有用工业废料制造人工骨料，或 作为水泥的外加成分，改善砼的性能。钢筋和砼 的材料强度得到充分发挥，结构承载力与刚度比 例合适，单位应力价格低，经济指标优于钢结构 。 2. 耐久性好，耐火性好；砼是不良热导体， 30mm厚砼保护层可耐火2小时，使钢筋不致因升温过 快而丧失强度。 3. 可模性好，便于结构型式的实现； 4. 现浇或装配整体式结构的整体性好，刚度 大。 1.1.4 钢筋混凝土结构的主要优缺点 优点： 混凝土 第一章 1. 自重大 =25kN/m3 轻骨料砼 4.修补或拆除较困难。 缺 点： 2. 抗裂性差施加预应力。 3.施工受气候条件影响较大; 混凝土 第一章 1.2.1 钢筋的品种和级别 1.按化学成分 碳素钢 普通低合金钢(加入少量低 合金元 素,强度、塑性均提高）比如： 20MnSi,20MnSiV 1.2钢 筋 低碳钢（含碳量少 于0.25% 中碳钢（含碳量 在0.25%0.6% 高碳钢（含碳量 大于0.6%) 钢筋的要求：较高的强度，良好的塑性和可焊性，与混凝 土有较好的粘结性能。 混凝土 第一章 2.按钢筋的加工方法:热轧钢筋、冷拉钢筋、冷轧带肋钢 筋、热处理钢筋、钢丝 用于钢筋混凝土桥梁结构的钢筋主要选取：热轧钢筋、碳 素钢丝、精轧螺纹钢筋等三类 热轧钢筋：将钢材在高于再结晶温度状态下，用机械方法 轧制成不同外形的钢筋。 碳素钢丝：又称高强钢丝，一般是将热轧钢筋8高碳钢 盘条加热到850950，并经在500 600的铅浴中淬火 ，使其具有较高的塑性，然后再经酸洗，镀铜，拉拔、娇 直、回火、卷盘等工艺生产而得。 混凝土 第一章 常见的碳素钢丝有： 光面钢丝：以多根钢丝组成钢丝束或由若干根钢 丝纽结成钢绞线得形式应用。桥梁常用有：12（ 二股）13（三股）17（七股）d=9.515.2mm 螺旋肋钢丝 刻痕钢丝 适用于先张法d49mm. 精轧螺纹钢筋：d=18mm,25mm,32mm,40mm四 种，强度较高，主要用于中小跨径得预应力桥梁 构件。 混凝土 第一章 3、按强度等级分（见表11） 级：R235 ，低碳钢，其强度较低，但塑性和可焊性能 较好，公称直径范围820mm; 级：HRB335，普通低合金钢，强度、塑性和可焊性等 综合性能较好，钢筋表面带肋与混凝土粘结性能也较好。 公称直径：650mm，推荐采用一般不超过32mm。 级： HRB400，公称直径650mm； KL400,钢筋经过热轧后立即穿水，进行表面冷却，然后利 用心部余热自身完成回火处理。公称直径840mm。 公称直径：相当于横截面积相等得光面钢筋的直径。 混凝土 第一章 3、热轧钢筋按 外型特征分 热轧光圆钢筋（R235， d=820,） 热轧带肋钢筋（ HRB335,HRB400,KL400） 月牙肋 纹路与肋不相交， 不易产生应力集中、粘结强度 略低于等高肋钢筋。 等高肋（螺旋纹、人字纹）与 钢筋砼粘结力好，纹路与肋相交， 易产生应力集中。 混凝土 第一章 光面圆钢筋 螺旋纹钢筋 人字纹钢筋 月牙纹钢筋 混凝土 第一章 1.2.2 钢筋的力学性能(强度与变形)等 一、钢筋的 曲线 l P P A 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(高强碳素钢丝、钢绞线) （一）软钢 混凝土 第一章 混凝土 第一章 比例极限 屈服强度 极限强度 o (N/mm2) b d e d 流幅 a bc a比例极限 b屈服强度(b屈 服上限c屈服下限 ） e延伸率 d极限强度 1、特征： 四个阶 段： oa弹性阶段 bc屈服阶段(cf) cd强化阶段(fd) de 颈缩阶段 四个点： 混凝土 第一章 2、钢筋主要物理力学指标： 屈服强度、抗拉极限强度、伸长率、冷弯性能。 两个强度指标： （1）b点的屈服强度是钢筋混凝土结构设计计算中 强度取值的主要依据，因为钢筋应力达到屈服极限后， 荷载不增加，应变继续增大，使得钢筋混凝土裂缝开展 过宽，变形过大，结构不能正常使用。 （2）d点的极限抗拉强度材料的实际破坏强度，衡 量钢筋经巨量变形后的抗拉能力，不能作为计算依据。 混凝土 第一章 屈强比：表示结构的可靠性潜力，屈强比小则结构的 可靠性高，但太小钢材利用率太低。但为了保证钢筋 的综合强度性能，在检验钢筋的质量时，仍要保证它 的极限抗拉强度并满足检验标准的要求，特别在抗震 结构中，由于构件要进入大变形工作，考虑到钢筋可 能受拉进入强化阶段。 混凝土 第一章 3、钢筋的两个塑性指标 冷弯性能： 弯心直径 冷弯角度 伸长率： 混凝土 第一章 （二）硬钢 1、应力应变关系 b 0.2的定义（名义屈 服强度）： 相应于残余应变 = 0.2%时的应力。 作为强度设计的依 据。 混凝土 第一章 1.2.3 钢材的冷加工 冷加工的方法：冷拉、冷拔、冷轧、冷轧 扭。 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。 混凝土 第一章 v冷拉钢筋 将钢筋拉伸超过其屈服强度，放松，经一段时间 之后，钢筋会获得比原来屈服强度更高的屈服强 度值。如图所示。 冷拉后，屈服强度提高了，屈服台阶变短,伸长率 降低，钢材性质变硬变脆。采用冷拉控制应力和 冷拉率控制。抗压强度没有提高，计算仍取用原 来的抗压强度。 混凝土 第一章 图1-4 o 冷拉控制应力 (N/mm2) 冷拉率 残余 变形 o a b c c d d 冷拉无时效 冷拉经时效 (a) (b) d1 d2 P d2 d1 混凝土 第一章 v冷拔 将钢筋用强力拔过硬质合金拔丝模，截面变 小而长度增加，可同时提高钢材的抗拉和抗压 强度。塑性降低很多。 冷轧 将热轧钢筋在常温下表面轧制成不同的形状 ，强度提高，塑性降低。 冷轧带肋钢筋采用低碳热轧盘圆进行冷轧 减径，表面轧出月牙纹。 冷轧扭钢筋钢筋经冷轧并经扭转而成。 混凝土 第一章 混凝土的组份： 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。 1.3 混凝土 水泥、石、砂、水按一定的配合比制成不 同等级的砼。 混凝土 第一章 1.3.1 混凝土的强度 1.混凝土立方体的抗压强度 fcu： 砼结构主要利用其抗压强度，因此抗压强度是最主 要和最基本的指标。 以每边边长为150mm的立方体为标准试件，在（ 202）的温度、相对湿度在95%以上的潮湿空气 中养护28d，依照标准制作方法和试验方法测得的 抗压强度值（以MPa为单位）作为混凝土的立方体 抗压强度，用符号fcu表示。 混凝土 第一章 v影响砼强度的因素 试验方法。试件尺寸。加载速度。龄期。 由于尺寸效应的影响： fcu(150) = 0.95 fcu(100) fcu(150) = 1.05 fcu(200) 混凝土 第一章 试验录像 混凝土 第一章 常用等级： C15, C20, C25, C30, C35, C40, C45, C50,C55, C60, C65, C70, C80. 混凝土 第一章 混凝土 第一章 2. 轴心抗压强度 fc 真实反映以受压为主的混凝土结构构件 的抗压强度， 1)1)试件试件: : 150150mmmm150150mmmm300300mm,mm,制作方制作方 法同立方体试件法同立方体试件. . 2) 2)影响因素影响因素: : 试件高度试件高度h h与边长与边长b b之比之比, ,比值越大比值越大, ,轴心轴心 抗压强度越小抗压强度越小.( .(图图1-4)1-4) 混凝土 第一章 试验录像 混凝土 第一章 3. 轴心抗拉强度 ft 混凝土的抗拉强度比抗压强度小得多， 为抗压强度 。 直接测试方法(100X100X500) 间接测试方法(劈裂试验) 测试方 法： 混凝土 第一章 （1）直接拉伸测试方法：采用两端预埋钢筋的混凝 土棱柱体测试轴心抗拉强度时（如下图），保持试 件轴心受拉是很重要的，也是不容易完全做到的。 混凝土内部结构不均匀，钢筋的预埋和试件的安装 都难以对中，而偏心又对抗拉强度测试有很大的干 扰。 混凝土 第一章 （2）劈裂试验测试法：轴心受拉试验对中困难，常采用 立方体或圆柱体劈裂试验测定砼的抗拉强度。 采用圆柱体或立方体的劈裂试件来测定.(如下图） 混凝土 第一章 劈拉试验 F d F 拉 压 压 混凝土 第一章 通过垫条施加线载荷P，垂直截面上除垫条附近外， 产生均匀拉应力，当拉应力达到ft时，试件对半劈裂 。 fts(混凝土劈裂抗拉强度），F(劈裂破坏荷载） ，A（试件劈裂面面积） 混凝土 第一章 试验录像 混凝土 第一章 4. 复合应力状态下混凝土强度 双向正应力作用：两个垂直平面上作用有法向应两个垂直平面上作用有法向应 力力, ,第三个平面上应力为零第三个平面上应力为零. . (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 混凝土 第一章 混凝土 第一章 正应力和剪应力作用（混凝土的抗压强度由于剪应 力的存在而降低，当/fc（0.50.7)时,抗剪强度随压 应力的增大而增大, /fc（0.50.7)时,抗剪强度随压应 力的增大而减小, 混凝土 第一章 三向受压状态下混凝土强度三向受压状态下混凝土强度 混凝土 第一章 凝土强度提高的原因是：由于侧向约束了混凝土 受压后横向变形，限制了混凝土内部裂缝的产生 和发展，从而提高了混凝土在受压方向上的抗压 强度 钢管砼 密配螺旋箍筋 15 混凝土三向受压时，各个方向上的抗压强度都有混凝土三向受压时，各个方向上的抗压强度都有 很大的提高。轴心抗压强度与侧压应力很大的提高。轴心抗压强度与侧压应力 2 2 的关系的关系 有如下线性经验式：有如下线性经验式： 工程应用：约束混 凝土 混凝土 第一章 1.2.2 混凝土的变形 受力变形 单调短期加载下的变形 变形分类 长期荷载作用下的变形 多次重复加载的变形 体积变形：混凝土收缩以及温度变化引起的变 形 混凝土 第一章 1 1 单调短期加载作用下单调短期加载作用下 1)1)混凝土应力应变曲线混凝土应力应变曲线 （如图）（如图） （1 1） 上升段上升段 OA OA 线性段线性段虎克定理虎克定理 AB AB 塑性，裂纹稳定发展阶段塑性，裂纹稳定发展阶段 BC BC 塑性，裂纹非稳定发展阶段塑性，裂纹非稳定发展阶段 （2 2） 下降段下降段 （3 3） 收敛段收敛段 混凝土 第一章 特征点： 0 对应于峰值点应变 规范c0 = 0.002 cu 混凝土极限压应变规范cu = (3.05.0)10-3 fc 轴心抗压强度 2）影响混凝土轴心受压应力应变曲线的主要因素： a、混凝土的强度：上升段影响较小，下降段影响较上升段影响较小，下降段影响较 大。强度越高，延性越差。延性是材料承受变形的大。强度越高，延性越差。延性是材料承受变形的 能力）能力） b、应变速率：应变速率小，峰值应力fc降低， c0 增 大，下降段曲线坡度显著地减缓。 c、 测试技术和试验条件 混凝土 第一章 混凝土 第一章 图1-8 k c c 0 cecp 0 h 混凝土弹性模量 地三种表示方法 （1）原点弹性 模量： 16 3 3）混凝土的弹性模量，变形模量）混凝土的弹性模量，变形模量 混凝土 第一章 v弹性模量测定方法 0.5fc 510次 利用多次重复加载卸载 后应力应变关系趋于直线 的性质求弹性模量。 加载至0.5fc，卸载至零 ，重复加载卸载510次 ，应力应变曲线渐趋稳 定并接近于一直线，该直 线的正切tg即为砼的弹 性模量。 弹性模量经验公式： 17 混凝土 第一章 （2）割线模量： 19 （3）切线模量： 01.0 110 （4）剪切模量： c = ce + cp 18 G = 0.4Ec 弹性特弹性特 征系数征系数 混凝土 第一章 2. 混凝土在荷载长期作用下的变形 徐变 （1）定义：在荷载的长期作用下，混凝土的 变形将随时间而增加，亦即在应力不变的情况下， 混凝土的应变随时间继续增长，这种现象被称为徐 变。 徐变： （2）徐 变曲线： 混凝土 第一章 （3）混凝土徐变的原因： 在荷载长期作用下，混凝土凝胶体中的水 分逐渐压出，水泥石逐渐发生粘性流动， 微细空隙逐渐闭合，结晶体内部逐渐滑动 ，微细裂缝逐渐发生等各种因素的综合结 果。(凝胶体的粘性流动要持续一个较长时 间，内部裂缝不断产生和发展） 混凝土 第一章 （a）初应力大小：初应力越大，徐变越大 徐变性质： 线性徐变 初应力 c0.5fc 徐变与初应力呈正比 非线性徐变 c0.5fc0.8fc ），徐变 的增长较应力的增长为快 当c 0.8fc ，徐变发展最终导致破坏 （4）徐变的影响因素： 混凝土 第一章 （b）加荷时混凝土的龄期：加载时 龄期越短，徐变越大 （c）混凝土的组成成分和配合比：水泥用量越多 ，水灰比越大，徐变越大；骨料强度和弹性模量 越高，徐变越小。 （d）养护和使用条件下的温度和湿度：养护温度 高、湿度大，徐变越小；受力后环境温度越高， 湿度低，徐变就越大。 混凝土 第一章 (5)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。 混凝土 第一章 3. 混凝土的非荷载变形 收缩 （1）定义：在混凝土凝结和硬化的物理化学过程 中体积随时间推移而减小的现象称为收缩。 混凝土 第一章 蒸汽养护 常温养护 05101520 0.1 0.2 0.3 0.4 收缩(103) 时间 (月) (2)(2)混凝土收缩曲线混凝土收缩曲线 特点：特点： 结硬初期收缩变形发展很快，两周可完成全部收缩的结硬初期收缩变形发展很快，两周可完成全部收缩的 25%25%，一个月完成，一个月完成50%50%，三个月后增长缓慢，两年后趋于，三个月后增长缓慢，两年后趋于 稳定。最终收缩值约为（稳定。最终收缩值约为（2 26 6）1010-4 -4。 。 混凝土 第一章 (3)收缩的原因 硬化初期水泥石在凝固过程 中产生的体积变化（化学性 收缩，本身的体积收缩） 后期主要是混凝土内自由水分蒸 发而引起的干缩（物理收缩，失 水干燥） (4)影响收缩 的主要因素 混凝土的组成和配比 构件的养护条件、使用环境的温度和 湿度以及凡是影响混凝土中水分保持 的因素 构件的体表比：比值越小，收缩越大 混凝土 第一章 （5）收缩对结构的影响 构件未受荷之前产生裂缝。 超静定结构产生次内力。 预应力构件中预应力损失（预应力筋和混 凝土一同回缩引起预应力损失。 混凝土 第一章 1.基本概念 粘结:钢筋和混凝土界面之间的一种相互作用 力。 粘结应力：钢筋与混凝土接触面上所产生的 沿钢筋纵向的剪应力。 粘结强度：粘结失效（钢筋被拔出或混凝土 被劈裂）时的最大平均粘结应力。 1.3钢筋与混凝土的粘结 混凝土 第一章 2.粘结的作用 抵抗钢筋滑动，保证两种材料共同工作 1.3钢筋与混凝土的粘结 3.粘结机理 (1)粘结力的组成: 化学胶着力:钢筋和混凝土表面的化学吸附作 用. 摩擦力:混凝土收缩紧握钢筋而产生的. 机械咬合力:钢筋表面凹凸不平和混凝土之间 产生机械咬合力 混凝土 第一章 l FsAs d max （2）.粘结应力分析 (以拉拔试验为例) u 混凝土 第一章 a.应力分析： 加荷端钢筋 试件端混凝土： 应变差产生，粘结应力将钢筋拉力逐步向 混凝土传递，钢筋的应力应变减小，而混凝 土的应力应变增加，直到长度l处c=s， 0 混凝土 第一章 b.结论： 1)粘结应力分布呈曲线形； 2）光圆钢筋和带肋钢筋的粘结应力分布图 形不同； 3）带肋钢筋与混凝土的粘结强度比光圆钢 筋高得多。 混凝土 第一章 (3)破坏过程: 光面钢筋: 粘结力:胶着力、摩擦力、机械咬合力。 破坏过程：没有产生滑移前，只有化学吸附 作用，一旦混凝土和钢筋发生滑移后，则由 摩擦力和钢筋表面粗糙不平产生的机械咬合 力提供。 1.3钢筋与混凝土的粘结 混凝土 第一章 破坏形态：剪切破坏（钢筋从混凝土中被拔 出），破坏面是钢筋和混凝土之间的接触面 。 措施：端部做弯钩和足够的锚固长度（受压 时，可不做弯钩）。 1.3钢筋与混凝土的粘结 混凝土 第一章 带肋钢筋: 粘结力:胶着力、摩擦力、机械咬合力。 破坏过程：没有产生滑移前，只有化学吸附 作用，一旦混凝土和钢筋发生滑移后，则由 摩擦力和机械咬合力（主要）提供。 1.3钢筋与混凝土的粘结 混凝土 第一章 破坏形态： 剪切型粘结破坏(保护层厚度较厚或有环向箍筋 约束） 劈裂型粘结破坏（保护层厚度较小，或未配环向 箍筋） 1.3钢筋与混凝土的粘结 混凝土 第一章 混凝土 第一章 .4.影响粘结强度的主要因素: (1)混凝土的强度等级：粘结强度随砼强度的提高而增加 ，但并不与立方体强度fcu成正比，而与抗拉强度 ft大约 成 正比。 (2)浇注混凝土时钢筋所处的位置有关：混凝土浇筑后有下 沉及泌水现象。处于水平位置的钢筋，其下