结构材料的力学性能-2.ppt

第三章第三章 结构材料的力学性能结构材料的力学性能 本章主要内容 v建筑钢材 v混凝土 v钢筋与混凝土的粘结作用 大纲及要求 1教学目的和要求： （1）掌握钢筋和混凝土的强度指标及规范取值； （2）掌握混凝土的变形指标、钢筋和混凝土粘结 原理。 2 教学内容： （1）钢筋混凝土材料的一般概念； （2）钢筋的力学性能； （3）混凝土材料的组成及力学性能； （4）钢筋与混凝土的粘结性能。 3教学重点与难点： （1）重点： n钢筋的形式、品种和级别，钢筋的强度、变形和弹 性模量，钢筋的冷加工、弯钩和接头及钢筋混凝土 的粘结。 n混凝土的强度立方强度、等级，轴心抗压、抗拉 、弯曲抗压和疲劳强度； n混凝土的变形混凝土在短期和长期荷载下的变形 ，混凝土的弹性模量、徐变、收缩和膨胀； （2）难点：混凝土的强度、混凝土的疲劳强度、钢 筋的强度。 大纲及要求 3.1 建筑钢材 v含碳量低于2的铁碳合金称为钢； v含碳量高于2的铁碳合金称为生铁。 v钢经轧制或加工的钢筋、钢丝、钢绞线、 钢板及各种型钢，统称为钢材。 一、钢材的力学性能 v钢筋的力学性能：强度、变形（弹性和塑性 变形） v单向拉伸试验是确定钢筋性能的主要手段 n应力应变（） 曲线可将钢材分为有明 显屈服点钢材与无明显屈服点钢材两类 一、钢材的力学性能 钢材拉伸试验 的标准试件 l P P A 有明显屈服点的钢筋 a a b c d e fu a为比例极限 oa为弹性阶段 de为强化阶段 b为屈服上限 c为屈服下限，即屈服强度 fy cd为屈服台阶 e为极限抗拉强度 fu fy f ef为颈缩阶段 o 低碳钢和低合金钢（含碳量和低碳钢相同） 一次拉伸时的应力-应变曲线见图。 v把y取为计算构件的强度标准，以u作为材料的强度储备 。 e 0.2% 0.2 (N/mm2) o 0.2条件屈服强度 v2）无明显屈服点的钢 材 v 没有明显的屈服点和 屈服台阶钢材的应力-应 变曲线见图 v对于没有明显屈服点的 钢材，以残余变形为 0.2%时的应力作为名义 屈服点，其值约等于极限 强度85%。 注意：钢材在一次压缩或剪切所表现出来的应 力-应变变化规律基本上与一次拉伸试验时相似， 压缩时的各强度指标也取用拉伸时的数据，只是 剪切时的强度指标数值比拉伸时的小。 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) 钢筋力学性能指标： 屈服强度、抗拉强度、伸长率、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。同时，要求屈服强度与抗拉强度的 比值不大于0.8。 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=0.85 fsu。 条件屈服极限 1、钢材的强度：包括屈服强度与抗拉强度两项指标。 2、钢筋的塑性：指钢材破坏前产生变形的能力。 伸长率： 冷弯性能： 弯心直径 冷弯角度 冷弯性能 钢筋冷弯试验 冷弯性能合格是鉴定钢材在弯曲状态下的塑性应变能 力和钢材质量的综合指标。 冷弯试验不仅能直接检验钢材的弯曲变形能力或塑性 性能，还能暴露钢材内部的冶金缺陷，如硫、磷偏析和硫 化物与氧化物的掺杂情况，这些都将降低钢材的冷弯性能 。 国家标准钢筋混凝土用热轧带肋钢筋 GB1499-98对混凝土结构用钢筋的机械性 能作出规定： n对于有明显流幅的钢筋，其主要指标为： 屈服强度、抗拉强度、伸长率、冷弯性能 n对于没有明显流幅的钢筋，其主要指标为： 抗拉强度、伸长率、冷弯性能 冷加工的方法：冷拉、冷拔 冷加工的目的：改变钢材内部结构，提高 钢材强度，节约钢筋。但冷加工后会使钢筋 的塑性降低。 冷加工对钢材性能的影响：冷拉只能提高 钢筋的抗拉强度，而不能提高钢筋的抗压强 度；冷拔可同时提高钢筋的抗拉强度和抗压 强度。 二、钢材的冷加工和热处理 二、钢材的冷加工和热处理 v热处理是对某些特定型号的热轧钢进 行淬火和回火处理。钢筋热处理后强 度有很大提高而塑性降低不多。 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 冷拉时效 (a) (b) d1 d2 P d2 d1 钢筋冷拉 钢筋冷拔 冷拉时，可采用冷拉控制应力和冷拉率控制 。冷拉后可提高钢材的抗拉强度，但其屈服 台阶变短。即冷拉可提高钢材的抗拉强度， 但不能提高钢筋的抗压强度。 冷拔时，可同时提高钢材的抗拉和抗压强度 。塑性降低很多。 目前我国强度高、性能好的钢筋及钢丝、钢 绞线已可充分供应，故冷拉钢筋和冷拔低碳 钢丝已不再列入规范。 1、混凝土结构对钢筋的要求 v 应具有较高的强度和良好的塑性； v 便于加工和焊接； v 并应与混凝土之间具有足够的粘接力 。 三、钢材的种类 及选用 热轧钢筋 冷拉钢筋 热处理钢筋 冷轧钢筋（冷轧带肋钢筋、冷轧扭钢筋） 冷拔低碳 消除应力钢丝 钢绞线 钢筋按加工 方法不同分类 v钢筋 钢筋按在结构 中是否施加预 应力分类 普通钢筋 钢丝（热处理 钢筋） 三、钢材的种类 及选用 钢筋按外形分类 光面钢筋 带肋钢筋 1）普通钢筋 普通钢筋指用于钢筋混凝土结构中的钢筋和 预应力混凝土结构中的非预应力钢筋。 用于钢筋混凝土结构的热轧钢筋分为 HPB235、 HRB335、HRB400和RRB400四 个 级别。 混凝土规范规定，普通钢筋宜采用 HRB400级和HRB335级钢筋。 三、钢材的种类及选用 HPB235级钢筋：光圆钢筋，公称直径范围为8 20mm，推荐直径为8、10、12、16、20mm。实际工 程中只用作板、基础和荷载不大的梁、柱的受力主筋、箍 筋以及其他构造钢筋。 HRB335级钢筋：月牙纹钢筋，公称直径范围为6 50mm，推荐直径为6、8、10、12、16、20、25、32 、40和50mm。是混凝土结构的辅助钢筋，实际工程中 也主要用作结构构件中的受力主筋。 HRB400级钢筋：月牙纹钢筋，公称直径范围和推荐 直径同HRB335钢筋。是混凝土结构的主导钢筋，实际工 程中主要用作结构构件中的受力主筋。 RRB400级钢筋：月牙纹钢筋，公称直径范围为8 40mm，推荐直径为8、10、12、16、20、25、32和 40mm。强度虽高，但疲劳性能、冷弯性能以及可焊性均 较差，其应用受到一定限制。 2）预应力钢筋 预应力钢筋应优先采用钢绞线和钢丝，也可采 用热处理钢筋。 钢绞线：由多根高强钢丝绞织在一起而形成的，有3股和 7股两种， 多用于后张法大型构件。 预应力钢丝：主要是消除应力钢丝，其外形有光面、螺 旋肋、三面刻痕三种。 热处理钢筋：包括40Si2Mn、48Si2Mn及45Si2Cr几种牌号 ，它们都以盘条形式供应，无需焊接、冷拉，施工方便。 2.钢结构用钢材 （1）钢种和钢号 建筑工程常用碳素结构钢和低合金高强度结构钢 1）碳素结构钢 碳素结构钢的牌号： 质量等级代号：A、B、C、D 屈服点数值（N/mm2）： 195、215、235、255、275 钢材屈服点代号：Q 脱氧程度代号：F、b、Z、其中Z可以省略 碳素结构钢牌号举例：Q235A 2）低合金高强度结构钢 低合金高强度结构钢的牌号： 质量等级代号：A、B、C、D、E 屈服点数值（N/mm2）：295、345、390、420、460 钢材屈服点代号：Q 注：低合金高强度结构钢的A、B级属于镇静钢， C、D、E级属于特殊镇静钢。 3）钢材的选用 钢结构规范规定，承重结构的钢材宜采 用Q235钢、Q345钢、Q390钢和Q420钢。 承重结构采用的钢材应具有抗拉强度、伸长 率、屈服强度和硫、磷含量的合格保证，对焊接 结构尚应具有碳含量的合格保证。 焊接承重结构以及重要的非焊接承重结构采 用的钢材还应具有冷弯试验的合格保证。 （2）品种及规格 1）热轧钢板 热轧钢板 厚度为4.560 mm，宽0.73m，长412m 。 广泛用来组成焊接构件和连接钢板。 厚度为0.354 mm，宽0.51.5m，长0.54m。 薄钢板是冷弯薄壁型钢的原料 厚度为460mm，宽度为30200mm，长39m。 钢板用符号“-”后加“厚宽长（单位为mm）”的方法表示 ，如-128002100。 薄板 厚板 扁钢 2.钢结构用钢材 2）热轧型钢（图2.1.2） v 角钢 工字钢 槽钢 v H型钢 剖分T型钢 钢管 3）冷弯薄壁型材 v冷弯薄壁型钢：由26mm的薄钢板经冷弯或模压而成型 的高效经济的截面；缺点是因为壁薄，对锈蚀影响较为敏感 ，故多于跨度小，荷载轻的轻型钢结构中。 v 压型钢板：所用钢板厚度为0.42mm。其优缺点同冷 弯薄壁型钢，主要用于围护结构、屋面、楼板等。 3.2 混凝土 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 混凝土的强度及变形随时间和环境的变化而变化。 水泥、石、砂、水按一定的配合比制成不 同等级的砼。 一、混凝土的强度 1、立方体的抗压强度 fcu 用标准制作方式制成的150150mm的立方体 试块，在标准养护条件下养护28天，用标准试验 方法测得具有95保证率的抗压强度，作为混凝 土的立方抗压强度标准值，用符号fcu,k表示。 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) 混凝土强度等级： 根据立方体抗压强度标准值fcu,k的大小， 混凝土强度等级分C15、C20、C25、C30、 C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、 C70、C75、C80共14级。其中，C60 C80 属高强混凝土。 2、混凝土的轴心抗压强度 fc 真实反映以受压为主的混凝土结构构件的抗 压强度。 砼轴心抗压试验 v我国采用150150300mm棱柱体试件测 得的强度作为混凝土的轴心抗压强度。 v 混凝土的轴心抗压强度标准值按下式计算 ： 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) 2、混凝土的轴心抗压强度 fc 式中 棱柱强度与立方强度之比，对C50及以下取 =0.76，对C80取 =0.82，中间按线形规律变化； 考虑C40以上混凝土脆性的折减系数，对C40取 =1.0，对C80取 =0.87，中间按线形规律变化。 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 。 v混凝土的抗拉强度可采用尺寸为100100500mm 的柱体试件进行直接轴心受拉试验，但其准确性较差。 故国内为多采用圆柱体或立方体的劈裂试验来间接测定 。 0 双向正应力作用(如图) 复合应力状态下混凝土强度 三轴受压：(如图) 工程应用：约束混凝土 钢管砼 密配螺旋箍筋 200 3= 50N/mm2 35N/mm2 1 3 3 10N/mm2 150 100 50 0510152025 1(N/mm2) 1 () 二、混凝土的变形性能 v混凝土的变形有两类：一类是受力变 形；另一类是体积变形，包括收缩、膨 胀和温度变形。 二、混凝土的变形性能 1、混凝土的单轴应力应变关系 v混凝土单轴短期荷载作用下的应力-应变关系是混 凝土材料最基本的力学性能，是对混凝土进行理论分 析的基本依据，是研究和建立混凝土构件的承载力、 变形、延性以及应用计算机进行构件的非线性全过程 分析的重要依据。 混凝土单轴受压应力-应变关系曲线 常采用标准棱柱体或圆柱体试件来测定。 二、混凝土的变形性能 1、混凝土的单轴应力应变关系 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 00 A cu 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 混凝土的应力应变关系 对混凝土单轴短期加载下 关系曲线的几点认识： 1、混凝土的 关系是一条曲线，说明混凝土是一种弹塑性 材料。 2、 曲线的上升段的高低反映了混凝土强度的大小，下降 段的陡缓反映了混凝土变形能力的大小。 混凝土的变形能力是指混凝土到达极限强度后，在应力下降 幅度相同的情况下变形的大小，变形大的，说明混凝土耐受 变形的能力强，亦即延性好。即下降段越缓的混凝土，其变 形能力越好。 3、不同强度混凝土的 曲线有相似的形状，但也有实质性 区别。混凝土强度越高，其下降段越陡，其延性越差，而上 升段和峰值应变的变化不大。见图。 强度等级越高，线弹性段 越长，峰值应变也有所增 大。但高强混凝土中，砂 浆与骨料的粘结很强，密 实性好，微裂缝很少，最 后的破坏往往是骨料破坏 ，破坏时脆性越显著，下 降段越陡。 v不同强度等级的应力应变曲线 4、 关系曲线与加荷速度有关。 加荷速度增加，最大应力值提高，相应的峰值 应变减小，下降段变陡。加荷速度降低，最大应 力值降低，相应的峰值应变提高，下降段减缓。 2、混凝土的疲劳强度 如果我们们将混凝土棱柱体试块试块 加荷使其压压 应应力达到某个数值值，然后卸荷至零，并把 这这一循环环多次重复下去，就称为为多次重复 荷载载。混凝土在荷载重复作用下引起的破坏 称为疲劳破坏。 。 我们们通常把能使试试件循环环200万次或次数稍多 时发时发 生破坏的压应压应 力称为为混凝土的疲劳劳抗压压 强度，用符号 表示。 混凝土一次加载卸载时应力应变曲线： O A B B 0 c 卸载时瞬时恢复应变残余应变卸载后弹性后效 O 1 3 fcf 混凝土多次重复加载卸载的应力应变曲线： v 混凝土不是弹性材料，其应力和应变不呈线性 关系，在不同应力阶段的变形模量（应力与应变之 比）不同，原点切线很难准确地作出。实用中，采 用应力上限为（0.40.5）fc循环510次后的应 力-应变曲线，应力为（0.40.5）fc时的割线模量 作为混凝土的弹性模量的近似值。 3、混凝土的弹性模量 k c c 0 cecp 0 原点弹性模量： 3、混凝土的弹性模量 v查附表4得 4、混凝土的徐变 混凝土在受到荷载作用后，在长期荷载( 应力) 不变的情况下，变形(应变)随时间而不 断增长的现象。 在应力（0.5fc）作用瞬间，首先产生瞬时弹性应变e（= i/Ec(t0)，t0加荷时的龄期），荷载持续作用下逐渐完成徐变应 变 。 前4个月徐变增长较快，6个月可达最终徐变的（7080）%， 以后增长逐渐缓慢，24年后趋于稳定。 (103) 0 0.5 1.0 1.5 2.0 51015 202530 (t/月) e cr e e“ cr (103) 0 0.5 1.0 1.5 2.0 51015 202530 (t/月) e cr e e“ cr 如在时间t 卸载，则会产生瞬时弹性恢复应变e。由于混凝土弹 性模量随时间增大，故弹性恢复应变e小于加载时的瞬时弹性 应变 e。再经过一段时间后，还有一部分应变e可以恢复，称 为弹性后效或徐变恢复，但仍有不可恢复的残留永久应变cr 混凝土的级配、水灰比、初始加载龄期、初应 力大小，养护使用条件等。 徐变的影响因素： v养护条件越好，周围环境的湿度越大， 构件加载前混凝土的强度愈高，水泥用量 愈少，混凝土越密实，集料含量越大，集 料刚度越大，则徐变越小。 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 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 3、混凝土的徐变 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。 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