结构材料的力学性能.ppt

第三章 结构材料的力学性能 苏州科技学院 土木工程学院 唐兴荣 博 士 教 授 二O一二年元月 主要内容 第二节 混凝土 第一节 建筑钢材 第三节 钢筋与混凝土的相互作用粘结力 混凝土的强度 混凝土立方体抗压强度 混凝土棱柱体抗压强度（混凝土轴心抗压强度） 混凝土轴心抗拉强度 混凝土的变形 混凝土短期加载下的变形性能 混凝土在荷载长期作用下的变形性能 混凝土收缩 混凝土强度等级的选用原则 钢材的力学性能 钢材的冷加工 建筑钢材的品种 钢材的选用 粘结力的概念 保证钢筋和混凝土之间粘结力的措施 第一节 建筑钢材 一、钢材的力学性能 钢材通常只作拉伸试验。 软钢 钢筋的应力应变曲线中有明显的流幅 （ 热轧低碳钢和普通热轧低合金钢所制成的钢筋） 硬钢 钢筋的应力应变曲线中无明显的流幅 （钢丝、钢绞线、热处理钢筋等预应力钢筋） 软钢的应力-应变曲线 弹性阶段 （oa段） 屈服阶段 （abcd段） 应力（s）与应变（e）按正比 例增加，如果卸载则试件的变形 可全部恢复 软钢的应力-应变曲线 屈服强度是软钢设计强度的依据 （构件中钢筋的应力到达屈服强度后，将产生很大的塑性变形，这时 钢筋混凝土构件将出现很大的变形和不可闭合的裂缝，以致不能使用） 强化阶段（de段） 颈缩阶段 （ef段） 含碳量越高，钢筋的屈服强度、极限强度越高，但屈服台阶缩短， 伸长率下降 在强化阶段卸载，应力-应变曲线平行于Oa 硬钢规定以条件屈服点作为设计强度的指标。 硬钢 钢筋的应力应变曲线中没有明显的流幅 二、钢材的冷加工 （冷拉、冷拔） 提高热轧钢筋的强度 图3-4 钢筋冷拉原理图 必须注意 焊接时产生的高温会使钢筋软化（强度降低，塑性增加），因此需要焊接的 钢筋应先焊好再进行冷拉； 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。 经冷拔后钢筋没有明显的屈服点和流幅。 钢筋进行冷拔处理可同时提高钢筋的抗拉强度和抗压强度。 冷拔 是将直径为610mm的HPB235（Q235）级钢筋用强力拔过比本身直径还小 0.51.0mm的硬质合金拔丝模。钢筋在通过拔丝钢模时，同时受到纵向拉力和横向挤 压的作用而产生塑性变形，迫使钢筋内部结构组织发生变化，从而使钢筋的强度比原 来有很大的提高，但塑性降低很多。 三、建筑钢材的品种 含碳量越高钢筋的强度越高，但其塑性和可焊性降低，反之钢筋的 强度降低，其塑性和可焊性好。 硫(S)和磷(P)是钢材中的有害元素。 磷(P)元素使钢材塑性降低，并使钢在低温下易于脆断，磷的危害性 随含碳量增多而增加，但在低碳钢中磷的影响较小。 硫(S)元素使钢材的可焊性降低，同时在高温下使钢材产生热脆。 这两种元素在钢材中的含量均有限制，不得超过0.045%0.05%。 锰元素 可以提高钢材的强度和硬度并可改善钢材的焊接性能 钛元素 可改善钢材的塑性、韧性和可焊性 钒元素 可改善钢材的塑性和可焊性 钢筋混凝土结构中大量应用普通低合金钢 热轧钢筋（低碳钢、普通低合金钢热轧） HPB300 热轧光面钢筋 Hot-rolled Plain steel Bar HRB335、HRB400、HRB500热轧带肋钢筋 Hot-rolled Ribbed-steel Bar RRB400 余热处理钢筋 heat treatment Ribbed steel Bar HRBF335、HRBF400、HRBF500细晶粒带肋钢筋 Hot-rolled Ribbed-steel Bar Fine 根据钢筋产品标准的修改，不再限制钢筋材料的化学成分和制作工艺，而按性 能确定钢筋的牌号和强度级别，并以相应的符号表达。 增加强度为500Mpa的热轧带肋钢筋；推广400Mpa、500Mpa级高强热轧带肋 钢筋作为纵向受力的主导钢筋；限制并准备逐步淘汰335Mpa级热轧带肋钢筋 的应用；用300Mpa级光圆钢筋替代235级光圆钢筋。 推广具有较好的延性、可焊性、机械连接性能及施工适应性的HRB系列普通 热轧带肋钢筋。列入采用控温轧制工艺生产的HRBF系列细晶粒带肋钢筋。 RRB系列余热处理钢筋由轧制钢筋经高温水，余热处理后提高强度，其延性 、可焊性、机械连接性能及施工适应性降低，一般可用于对变形性能及加工 性能要求不高的构件（如基础、大体积混凝土、楼板、墙体以及次要的中小 结构构件）中。 箍筋用于抗剪、抗扭及抗冲切设计时，其抗拉强度设计值受到限制，不宜采用 强度高于400Mpa级的钢筋。当用于约束混凝土的间接配筋时，其强度可以得 到充分发挥，采用500Mpa级钢筋具有一定的经济效益。 热处理钢筋（级热轧钢筋经加热、淬火调质）预应力钢筋 冷拉钢筋（热轧钢筋冷拉） 冷拉级只用于普通钢筋混凝土 冷拉级 冷拉级 预应力钢筋 冷拉级 冷拔钢筋（热轧钢筋冷拔）预应力钢筋 钢丝（消除应力钢丝、低松弛钢丝、中等强度钢丝） 钢绞线 精轧螺纹钢筋 增加预应力筋的品种： 增补高强、大直径的钢绞线； 列入大直径预应力螺纹钢筋（精制螺纹钢筋）； 列入中强度预应力钢丝以补充中等强度预应力筋的空缺，用于中、小跨度的预 应力构件； 淘汰锚固性能很差的刻痕钢丝。 近年来，我国强度高、性能好的预应力钢筋（钢丝、钢绞线）已充分供应，故 冷加工钢筋不再列入。 预应力筋强度标准值和设计值.doc 变形钢筋（螺纹钢筋、人字纹钢筋、月牙纹钢筋） 实际工程大多数采用 四、钢材的选用 1、钢材的质量要求 强度指标：屈服强度、极限强度 塑性指标：伸长率、冷弯性能 对不同品种的钢筋有不同钢锟直径及弯曲角度的要求。钢锟的直 径D越小，弯转角越大，说明钢筋的塑性越好。 2、混凝土结构对钢筋性能的要求 强度 强度是指钢筋的屈服强度和极限强度。钢筋的屈服强度是混凝土结 构构件计算的主要依据之一（对无明显屈服点的钢筋取条件屈服点 ）。采用较高强度的钢筋可以节省钢材，获得较好的经济效益。 塑性 要求钢筋在断裂前有足够的变形，使混凝土结构构件将要破坏时能 给人们以破坏的预兆。另外，还要保证钢筋的冷弯试验的要求。 可焊性 在一定的工艺条件下要求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。 耐火性 结构设计时应注意混凝土保护层厚度满足耐火极限的要求。 与混凝土的粘结力 为了保证钢筋与混凝土共同工作，两者之间应有足够大粘结力；钢 筋表面的形状对粘结力有重要的影响。 在寒冷地区，为了防止钢筋发生脆性破坏，对钢筋的低温性能也有 一定的要求。 3、钢筋的选用原则 规范（GB50010-2010）规定： 纵向受力普通钢筋宜采用HRB400、HRB500、HRBF400、HRBF500钢筋，也 可采用HPB300、HRB335、HRBF335、RRB400钢筋 梁、柱中受力普通钢筋应采用HRB400、HRB500、HRBF400、HRBF500钢筋 推广400Mpa、500Mpa级高强热轧带肋钢筋作为纵向受力的主导钢筋； 限制并准备逐步淘汰335Mpa级热轧带肋钢筋的应用； 用300Mpa级光圆钢筋替代235级光圆钢筋 RRB系列余热处理钢筋由轧制钢筋经高温水，余热处理后提高强度，其延性、 可焊性、机械连接性能及施工适应性降低，一般可用于对变形性能及加工性能 要求不高的构件（如基础、大体积混凝土、楼板、墙体以及次要的中小结构构 件）中。 箍筋宜采用HRB400、HRBF400、HPB300、HRB500、HRBF500钢筋，也可 采用HRB335、HRBF335钢筋 箍筋用于抗剪、抗扭及抗冲切设计时，其抗拉强度设计值受到限制，不宜采用 强度高于400Mpa级的钢筋。当用于约束混凝土的间接配筋时，其强度可以得到 充分发挥，采用500Mpa级钢筋具有一定的经济效益。 预应力筋宜采用预应力钢丝、钢绞线和预应力螺纹钢筋 4、钢筋强度取值 钢筋强度标准值 符合规定质量的钢筋强度总分布的0.05分位值，即具有不小于95%的保证率 钢筋的强度设计值与其强度标准值之间的关系 第二节 混凝土 混凝土的组成结构 宏观结构 砂浆、粗骨料两组分体（基相：水泥砂浆;分散相：粗骨料） 亚微观结构 混凝土中的水泥石结构（基相：水泥石;分散相：细骨料） 微观结构 水泥石结构 混凝土= 粗、细骨料 + 水泥 + 水 水化反应（水泥凝胶体+水泥结晶体） 粘结骨料 骨料与水泥石界面 粘结裂缝（Bond Cracking） 水泥石内部微裂缝（Microcracking） 粗、细骨料、水泥结晶体、未水化水泥颗粒混凝土产生弹性变形 水泥凝胶、孔隙、微裂缝、粘结裂缝 混凝土产生塑性变形 1、混凝土的立方体抗压强度 “混凝土强度等级”定义 规范以边长为150mm的立方体，在（203）0C的温度和相对湿度 在90%以上的潮湿空气中养护28天，依据标准试验方法（试件表面不 涂润滑剂、全截面受压、加荷速度0.150.25N/(mm2.s)）测得的具有 95%保证率的抗压强度（以N/mm2计）作为混凝土的强度等级，并用 符号f cu,k表示。 规范混凝土强度等级（14级） C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、 C75、C80 一、混凝土强度 影响混凝土抗压强度的因素 混凝土的组成成分 （水泥等级及用量、水灰比、骨料级配、制作方法等） 养护条件 （龄期、温湿度） 试验条件（加载方法试件上、下表面是否涂润滑剂 （加载速度C30，每分钟0.30.5N/mm2 C30，每分钟0.50.8N/mm2 ） 试件尺寸、形状（fcuk,10=1.05fcuk,15；fcuk,20=0.95fcuk,15 ） 2、混凝土的轴心抗压强度（棱柱体抗压强度） 实际结构中混凝土结构受压构件是棱柱体 混凝土棱柱体抗压强度 棱柱体试件 试件高宽比h/b=23，基本上试件中间区段形成纯压状态 “混凝土轴心抗压强度”定义 规范采用150150450mm或100100300mm的棱柱体，在标准条件下 养护28天，依据标准试验方法测得的具有95%保证率的抗压强度（以N/mm2计 ）。并用符号fck表示。 根据我国近年来所做的棱柱体与立方体抗压强度对比试验，并考虑到结构 中混凝土的强度与试件混凝土强度之间的差异，规范混凝土抗压强度 标准值与混凝土立方体强度等级之间的关系： (3-3) P40 3、混凝土轴心抗拉强度 轴心抗拉强度是混凝土的基本力学性能，也可用其间接地衡量混凝 土的其他力学性能，如混凝土的冲切强度等。 测定方法 （1）直接拉伸试验（规范） 存在问题：试件安装有较小的歪斜和偏心； 混凝土内部构造不均匀，其几何中心与物理中心不重合 （2）间接拉伸试验（劈裂试验） （2）间接拉伸试验（劈裂试验） 试验表明：劈裂抗拉强度略大于直接受拉强度 式中，dl试件劈裂面面积 混凝土材料标准值系指符合规定质量的混凝土强度总分布的0.05分位值，即 具有不小于95%的保证率。 混凝土强度设计值与其标准值之间的关系为 二、混凝土的变形 1、混凝土短期加荷时的应力-应变关系 各阶段特征 骨料和水泥石的受压弹性变形和水泥胶凝体的粘性流动 测试技术和试验条件（等应力加载只能测得上升段；等应变加载 测得上升、下降段） （试验机刚度对下降段影响较大） （应变量测标距越大，曲线坡度越陡 ） 混凝土的变形模量 P41 混凝土的弹性模量Ec以其强度等级按下式计算 附表4 正截面承载力计算时混凝土压应力与应变关系曲线（GB50010-2010） 2、混凝土在荷载长期作用下的变形徐变 “混凝土徐变”定义 混凝土在荷载长期作用下，应变随时间的增长的现象 混凝土徐变产生原因 混凝土结硬后，骨料间水泥浆，一部分转变为结晶体，另一部分尚未转化 为结晶体的水泥凝胶向水泥结晶体应力重分布; 混凝土内部微裂缝在荷载作用下不断发展和增加，从而导致应变增加。 应力不大时，徐变以第原因为主 应力较大时，徐变以第原因为主 徐变的有利及不利作用 不利： 高应力下会导致构件出现徐变破坏现象； 受弯构件由于受压区混凝土徐变，使长期挠度增长； 偏心受压构件，由于受压区混凝土徐变引起侧向挠度增长； 预应力混凝土构件中，徐变引起预应力损失。 有利： 徐变引起构件截面内力重分布； 对水工结构，徐变可降低温（湿）度引起的内力和缓和应力集中现象 影响混凝土徐变的因素 内在条件混凝土的组成和配比 (水泥用量越多,徐变越大；水灰比越大,徐变越大；骨料越坚硬,弹性模 量越高,徐变越小) 环境因素养护条件；使用环境温（湿）度 (养护时温度高,湿度大,水泥水化作用充分,徐变越小) (受荷载后所处的环境温度越高,湿度越低,徐变越大) 应力条件混凝土龄期；施加初应力；钢筋存在及应力符号 (加载时的混凝土龄期越早,徐变越大) (施加初始应力越大,徐变越大) 体表比 (体表比越大,徐变越小) 3、混凝土的收缩和膨胀 “混凝土收缩、膨胀”定义 混凝土在空气中结硬时，体积减小现象混凝土收缩 混凝土在水中结硬时，体积膨胀现象 混凝土膨胀 引起混凝土收缩的原因 干燥失水 物理收缩 水泥和水拌和后，水泥颗粒吸收水分后凝结形成水泥胶体，胶体 中水泥颗粒与水不断发生水化作用，形成一种新的晶体化合物， 这种较原材料体积小，因而引起体积不断收缩 化学收缩 一般硬化初期以为主，后期则以为主 收缩的有利和不利作用 收缩受限制使混凝土内产生拉应力，甚至使混凝土开裂； 收缩影响结构的效能、外表； 在预应力混凝土构件中引起预应力损失 影响混凝土收缩的因素 混凝土的组成成分（水泥等级、水泥用量、水灰比、骨料等） （水泥强度等级高、水泥用量多、水灰比大、骨料弹性模量小， 收缩大） 养护条件（温（湿）度） （养护周围温度、湿度越大，收缩越小） 混凝土制作方法（人工、机制） （混凝土越密实，收缩越小） 使用环境 （使用环境温度、湿度越大，收缩越小） 体表比 （体表比大，收缩小） 钢筋存在及应力符号 三、 混凝土强度等级选择 混凝土结构设计规范（GB50010-2010）规定： 素混凝土结构 混凝土强度等级不应低于C15 钢筋混凝土结构 钢筋混凝土结构中的混凝土强度等级不应低于C20 采用强度等级400Mpa及以上的钢筋时，混凝土强度等级不应低于C25 承受重复荷载的钢筋混凝土构件，混凝土强度等级不应低于C30 预应力混凝土结构 预应力混凝土结构的混凝土强度等级不宜低于C40，且不应低于C30 小知识点:规范用词说明 表示很严格，非这样做不可的用词 正面词：必须 反面词：严禁 表示严格，在正常情况下均应这样做的用词 正面词：应 反面词：不应或不得 表示允许稍有选择，在条件许可时首先应这样做的用词 正面词：宜 反面词：不宜 表示有选择，在一定条件下可以这样做的 用词：可 第三节 钢筋与混凝土的相互作用粘结力 1、钢筋与混凝土共同工作的基本条件 混凝土硬化后钢筋与混凝土之间产生了良好的粘结应力，使两者可靠地结合在 一起 主要条件 钢筋与混凝土两种材料的温度线膨胀系数的数值几乎相等（钢材为1.210-5； 混凝土为1.0 10-5 1.5 10-5 ） 材料本身 混凝土能很好地保护钢筋免于锈蚀 保证耐久性 2、钢筋与混凝土之间的粘结力 粘结力的测定采用拔出试验或压入试验的方法 特点：粘结应力沿钢筋埋入长度按曲线分布，最大粘结应力在离端头某 一距离处，且随拔出力的大小而变化 粘结机理 粘结应力由以下三部分组成 钢筋与混凝土接触面上的化学吸附作用力，也称胶结力 混凝土硬结时体积收缩将钢筋紧紧握固而产生的摩擦力 钢筋表面凹凸不平与混凝土之间产生的机械咬合力，也称咬合力 光面钢筋的粘结力主要来源于胶结力与摩擦力 变形钢筋的粘结力主要来源于摩擦力和机械咬合力 影响钢筋与混凝土之间粘结力的因素 混凝土强度等级 浇注混凝土时钢筋位置 顶部水平钢筋粘结强度比竖向钢筋和底部钢筋的粘结强度低 混凝土的保护层厚度C和钢筋净距 横向钢筋存在延缓了内部微裂缝的发展，提高劈裂粘结应力及粘结强度 侧压力 横向压力约束混凝土的横向变形，使钢筋与混凝土间摩擦力增大， 提高粘结强度。若侧压力过大将导致提前出现裂缝，降低粘结强度 。 锚固区范围内剪力 在锚固区范围内有剪力时，使平均粘结强度降低 钢筋的外形特征 变形钢筋较光面钢筋的粘结强度高； 月牙形钢筋的粘结强度较螺纹钢筋的粘结强度低。 钢筋直径 机械锚固 弯钩、弯折、焊横钢筋（角钢）等附加锚固可增大钢筋与混凝土间粘结力 规范（GB50010-2010）规定： 钢筋混凝土结构绑扎骨架和绑扎网中的光面钢筋，除轴心受压钢筋和其它 构件中12mm以下的受压钢筋外，都必须在端头设弯钩，以增强锚固能力 锚固长度修正系数，对普通钢筋按下列规定取用，当多于一 项时，可按连乘就是那，但不应小于0.6 当带肋钢筋的公称直径大于25mm时，取1.10 环氧树脂涂层带肋钢筋取1.25 施工过程中易受扰动的钢筋取1.10 纵向受力钢筋的实际配筋面积大于其计算面积时，修正系数取设计计 算面积与实际计算面积的比值（但对于抗震设防要求及直接受动力荷载 的结构构件，不应考虑此项修正） 锚固钢筋的保护层厚度为3d（d为锚固钢筋的直径）时修正系数可 取0.80，保护层厚度为5d时修正系数可取0.70，中间按内插取值 当纵向受拉普通钢筋末端采用弯钩或机械锚固措施时，包括弯钩或锚 固端头在内的锚固长度（投影长度）可取为基本锚固长度lab的60%。 锚固形式技术要求 90o弯钩末端90o弯钩，弯钩内径4d，弯后直段长度12d 135o弯钩末端135o弯钩，弯钩内径4d，弯后直段长度5d 一侧贴焊锚筋末端一侧贴焊长5d同直径钢筋 两侧贴焊锚筋末端两侧贴焊长3d同直径钢筋 焊端锚板末端与厚度d的锚板穿孔塞焊 螺栓锚头末端旋入锚栓锚头 钢筋弯钩和机械锚固的形式和技术要求