材料的物理力学性能.ppt

混凝土结构设计原理混凝土结构设计原理 梁兴文 王社良 李晓文 等编著 科学出版社 2003年8月 本课程的主要内容：本课程的主要内容： 混凝土结构基本构件的受力性能受力性能 混凝土结构基本构件的承载力计算承载力计算 混凝土结构基本构件的变形计算变形计算 混凝土结构基本构件的配筋构造配筋构造 基本构件：基本构件： 受弯构件（梁、板） 构件截面主要存在弯矩M、剪力V。 受压构件（柱、墙） 构件截面都有轴向压力N，可能存在弯矩M、剪力V。 受拉构件（屋架下弦、拉杆） 构件截面都有轴向拉力N，可能存在弯矩M、剪力V。 受扭构件 （曲梁、雨棚梁） 构件截面除产生弯矩M、剪力V外，还会产生扭矩T。 按结构构件的主要受力特点，可分为以下几类： 教材编写及课件制作教材编写及课件制作 章教材作者课件制作课件审查 第1章 材料梁兴文邓明科李晓文 第2章 计算原理梁兴文谢启芳李晓文 第3章 轴心受力陈 平马乐为李晓文 第4章 受弯正截面王社良丁怡洁、黄炜李晓文 第5章 偏心受力李晓文王 威李晓文 第6章 斜截面梁兴文马乐为梁兴文 第7章 受扭梁兴文黄 炜周铁钢 第8章 裂缝变形陈 平赵祥、朱丽华李方圆 第9章 预应力李方圆李方圆李方圆 混凝土结构设计原理混凝土结构设计原理 第第 1 1 章章 材料的物理力学性能材料的物理力学性能 教材作者：梁兴文 课件制作：邓明科 课件审查：李晓文 第第1 1章章 材料的物理力学性能材料的物理力学性能 主要内容：主要内容： 钢筋的物理力学性能 混凝土的物理力学性能 钢筋与混凝土的粘结 钢筋的锚固和连接 重点：重点： 钢筋的级别、强度和变形性能 混凝土的强度和变形性能 粘结破坏机理 第第1 1章章 材料的物理力学性能材料的物理力学性能 1.1 1.1 钢筋的物理力学性能钢筋的物理力学性能 1 钢筋的种类及符号说明 钢筋的外形 热轧钢筋 第第1 1章章 材料的物理力学性能材料的物理力学性能 1.1 1.1 钢筋的物理力学性能钢筋的物理力学性能 1 钢筋的种类及符号说明 预应力钢筋 第第1 1章章 材料的物理力学性能材料的物理力学性能 1.1 1.1 钢筋的物理力学性能钢筋的物理力学性能 1 钢筋的种类及符号说明 热轧钢筋的符号说明 HPB235 生产工艺： hot rolled 表面形状：plain 钢筋：bar 屈服强度 第第1 1章章 材料的物理力学性能材料的物理力学性能 1.1 1.1 钢筋的物理力学性能钢筋的物理力学性能 1 钢筋的种类及符号解释 热轧钢筋的符号说明 HRB335 hot rolled ribbed bar RRB400 remained heat treatment ribbed bar 第第1 1章章 材料的物理力学性能材料的物理力学性能 1.1 1.1 钢筋的物理力学性能钢筋的物理力学性能 1 钢筋的种类及符号说明 热轧钢筋的屈服强度 种类类符号fyf y 热轧钢 筋 HPB 235(Q235)210210 HRB 335(20MnSi)300300 HRB 400(20MnSiV、 20MnSiNb、20MnTi) 360360 RRB 400(K20MnSi) R 360360 第第1 1章章 材料的物理力学性能材料的物理力学性能 1.1 1.1 钢筋的物理力学性能钢筋的物理力学性能 1 钢筋的种类及符号说明 预应力钢筋的符号说明 钢绞线 S Strand 光面钢丝 P Plain 刻痕钢丝 I Indented 螺旋肋钢丝 H Helix 热处理钢筋 HT Heat-treated 第第1 1章章 材料的物理力学性能材料的物理力学性能 1.1 1.1 钢筋的物理力学性能钢筋的物理力学性能 1 钢筋的种类及符号说明 预应力钢筋的屈服强度 种类类符号fptkfpyfpy 钢绞线1317201220 15701110 1718601320390 1720 1220 消除应力钢 丝 光面螺旋肋P H 17701250 410 16701180 15701110 刻痕热处理钢筋40Si2MnH48Si2Mn 45Si2Cr 第第1 1章章 材料的物理力学性能材料的物理力学性能 1.1 1.1 钢筋的物理力学性能钢筋的物理力学性能 2 软钢的应力应变曲线 a 比例极限 b 弹性极限 ob 弹性阶段 d 极限抗拉强度 bc 屈服阶段 cd 强化阶段 de 破坏阶段 e 极限应变 第第1 1章章 材料的物理力学性能材料的物理力学性能 1.1 1.1 钢筋的物理力学性能钢筋的物理力学性能 3 硬钢的应力应变曲线 d 极限抗拉强度 e 极限应变 条件屈服强度： 取残余应变为0.2%所对应的应力作为无明显流幅钢筋 的强度限值，通常称为条件屈服强度。 第第1 1章章 材料的物理力学性能材料的物理力学性能 1.1 1.1 钢筋的物理力学性能钢筋的物理力学性能 4 钢筋的应力应变简化模型 （1）理想弹塑性模型（2）三段线性模型 第第1 1章章 材料的物理力学性能材料的物理力学性能 1.1 1.1 钢筋的物理力学性能钢筋的物理力学性能 5 钢筋的塑性性能 （1）延伸率： （2）冷弯性能： 延伸率越大，钢筋的塑性和 变形能力越好。 弯心直径越小，弯过的角度 越大，冷弯性能越好，钢筋的塑 性性能越好。 第第1 1章章 材料的物理力学性能材料的物理力学性能 1.1 1.1 钢筋的物理力学性能钢筋的物理力学性能 6 钢筋的冷加工 冷拉： 在常温下用机械方法将有明显流幅的钢筋拉到超过 屈服强度的某一应力值，然后卸载至零。 第第1 1章章 材料的物理力学性能材料的物理力学性能 1.1 1.1 钢筋的物理力学性能钢筋的物理力学性能 6 钢筋的冷加工 钢筋在冷拉后，未经时效前，一般没有明显的屈服台阶； 经过停放或加热后进一步提高了屈服强度并恢复了屈服台 阶，这种现象称为冷拉时效硬化。 第第1 1章章 材料的物理力学性能材料的物理力学性能 1.1 1.1 钢筋的物理力学性能钢筋的物理力学性能 6 钢筋的冷加工 冷拔： 将HPB235级热轧钢筋强行拔过小于其直径的硬质合金拔 丝模具。 经过几次冷拔的钢丝，抗拉、抗压强度均大大提高，但 塑性降低。 第第1 1章章 材料的物理力学性能材料的物理力学性能 1.1 1.1 钢筋的物理力学性能钢筋的物理力学性能 7 混凝土结构对钢筋性能的要求 保证构件具有一定的强度储备。 （1）适当的屈强比 （2）足够的塑性 避免发生脆性破坏。 （4）耐久性和耐火性 （3）可焊性 要求钢筋具备良好的焊接性能。 （5）与混凝土具有良好的粘结 必要的混凝土保护层厚度以满足对构件耐火极限的要求。 （6）寒冷地区，防止钢筋低温冷脆导致破坏。 第第1 1章章 材料的物理力学性能材料的物理力学性能 1.2 1.2 混凝土的物理力学性能混凝土的物理力学性能 1 立方体抗压强度 用边长为150mm的标准立方体试块在标准条件下养护28d 后，以标准试验方法测得的破坏时的平均压应力为混凝土的 立方体抗压强度。 影响因素： 按上述规定所测得的具有95%保证率的抗压强度称为混 凝土的立方体抗压强度标准值 。 尺寸效应：尺寸越大，内部缺陷较多， 强度较低。 加载速度：加载速度越快，强度越低。 端部约束：涂润滑油 ，强度降低。 第第1 1章章 材料的物理力学性能材料的物理力学性能 1.2 1.2 混凝土的物理力学性能混凝土的物理力学性能 1 立方体抗压强度 混凝土强度等级 按立方体抗压强度标准值确定，按 的大小划分为14级。 C15、 C20、 C25、 C30 C80。 混凝土强度等级的选用 采用HRB335、 HRB400、 RRB400级钢筋时， 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。 承受重复荷载构件的混凝土， 不得低于C20； 第第1 1章章 材料的物理力学性能材料的物理力学性能 1.2 1.2 混凝土的物理力学性能混凝土的物理力学性能 2 轴心抗压强度 棱柱体高度的取值： 摆脱端部摩擦力的影响； 试件不致失稳。 与 的关系： 试验目的：采用棱柱体试件，反映混凝土的实际工作状态。 试件尺寸：我国取 mm为标准试件。 第第1 1章章 材料的物理力学性能材料的物理力学性能 1.2 1.2 混凝土的物理力学性能混凝土的物理力学性能 3 轴心抗拉强度 与 的关系： 直接受拉试验 劈裂试验 第第1 1章章 材料的物理力学性能材料的物理力学性能 1.2 1.2 混凝土的物理力学性能混凝土的物理力学性能 4 复杂受力状态下混凝土的强度 双轴应力状态 双向受拉，接近单轴抗拉强度； 双向受压，混凝土的侧向变形受到约束，强度提高 ； 一拉一压，加速了混凝土内部微裂缝的发展 ，抗拉、抗压强 度均降低。 混凝土的三轴抗压强度 第第1 1章章 材料的物理力学性能材料的物理力学性能 1.2 1.2 混凝土的物理力学性能混凝土的物理力学性能 4 复杂受力状态下混凝土的强度 三轴应力状态 试件侧向变形受到限制，其内 部微裂缝的产生和发展受到阻碍， 当侧压力增大时，轴向抗压强度也 相应增大。 混凝土的三轴抗压强度 第第1 1章章 材料的物理力学性能材料的物理力学性能 1.2 1.2 混凝土的物理力学性能混凝土的物理力学性能 4 复杂受力状态下混凝土的强度 剪压或剪拉复合应力状态 随着拉应力的增大 ， 混凝土的抗剪强度降低。 随着压应力的增大 ， 混凝土的抗剪强度逐渐增大；当压应力 超过某一数值后，抗剪强度随压应力增大而减小。 混凝土的剪压复合强度 第第1 1章章 材料的物理力学性能材料的物理力学性能 1.2 1.2 混凝土的物理力学性能混凝土的物理力学性能 5 一次短期加载下混凝土受压的应力应变曲线 当0.3时， 关系接近于直线； 当=(0.30.8)时， 关系偏离直线； 当=(0.81.0)时，内部微裂缝进入非稳定发展阶段。 峰值应变 极限压应变 混凝土的应力应变曲线 第第1 1章章 材料的物理力学性能材料的物理力学性能 1.2 1.2 混凝土的物理力学性能混凝土的物理力学性能 6 三向受压时混凝土的应力应变曲线 试件纵向受压时，混凝土的横向膨胀受到约束，使核心混凝 土处于三向受压状态，内部微裂缝的发展受到抑制，从而提高了 试件的纵向强度和延性，特别是延性大为提高。 混凝土圆柱体三向受压时轴向应力应变曲线 第第1 1章章 材料的物理力学性能材料的物理力学性能 1.2 1.2 混凝土的物理力学性能混凝土的物理力学性能 6 三向受压时混凝土的应力应变曲线 螺旋箍筋圆柱体约束混凝土的应力应变曲线 第第1 1章章 材料的物理力学性能材料的物理力学性能 1.2 1.2 混凝土的物理力学性能混凝土的物理力学性能 7 混凝土的变形模量 初始弹性模量 ：过原点切线的斜率。 切线模量 ：过某一点切线的斜率。 割线模量 ：某一点与原点连线的斜率。 混凝土的变形模量 第第1 1章章 材料的物理力学性能材料的物理力学性能 1.2 1.2 混凝土的物理力学性能混凝土的物理力学性能 7 混凝土的变形模量 混凝土弹性模量与立方体抗压强度之间的关系： 第第1 1章章 材料的物理力学性能材料的物理力学性能 1.2 1.2 混凝土的物理力学性能混凝土的物理力学性能 8 混凝土的徐变 定义：在荷载长期作用下，混凝土的变形随时间而徐徐增长 的现象。 徐变的特点：开始增长较快，以后逐渐减慢，最后趋于稳定。 混凝土的徐变 第第1 1章章 材料的物理力学性能材料的物理力学性能 1.2 1.2 混凝土的物理力学性能混凝土的物理力学性能 8 混凝土的徐变 徐变的原因： 水泥凝胶体的黏性流动，使骨料应力增大。 混凝土中内部微裂缝的发展。 影响徐变的因素： 应力的大小； 混凝土的龄期； 混凝土的制作、养护环境； 水灰比与水泥用量； 骨料用量及力学性能。 第第1 1章章 材料的物理力学性能材料的物理力学性能 1.2 1.2 混凝土的物理力学性能混凝土的物理力学性能 8 混凝土的徐变 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； 使受弯构件和偏压构件的变形加大 ； 使预应力混凝土构件产生预应力损失 。 第第1 1章章 材料的物理力学性能材料的物理力学性能 1.3 1.3 钢筋与混凝土的粘结与锚固钢筋与混凝土的粘结与锚固 1 粘结应力的定义 钢筋与混凝土接触面上产生的沿钢筋纵向的剪应力 。 粘结强度：粘结失效时的最大（平均）粘结应力。 粘结强度的测试 第第1 1章章 材料的物理力学性能材料的物理力学性能 1.3 1.3 钢筋与混凝土的粘结与锚固钢筋与混凝土的粘结与锚固 1 粘结应力的定义 拔出试验 第第1 1章章 材料的物理力学性能材料的物理力学性能 1.3 1.3 钢筋与混凝土的粘结与锚固钢筋与混凝土的粘结与锚固 2 粘结应力的组成 钢筋与混凝土表面的化学胶着力； 钢筋与混凝土接触面的摩擦力 ； 钢筋与混凝土表面凹凸不平的机械咬合力 。 第第1 1章章 材料的物理力学性能材料的物理力学性能 1.3 1.3 钢筋与混凝土的粘结与锚固钢筋与混凝土的粘结与锚固 3 粘结破坏机理 （1）光圆钢筋的粘结破坏： 粘结作用在钢筋与混凝土间出现相对滑移前主要取决于化 学胶着力，发生滑移后则由摩擦力和机械咬合力提供。 （2） 变形钢筋的粘结破坏 粘结强度仍由胶着力、摩擦力和机械咬合力组成。但主要 为机械咬合力。 钢筋开始滑移后，粘结力主要由钢筋凸肋对混凝土的斜向 挤压力和界面上的摩擦力组成。 若钢筋外围混凝土很薄且没有环向箍筋约束，形成纵向劈 裂裂缝，沿钢筋纵向产生劈裂破坏。 第第1 1章章 材料的物理力学性能材料的物理力学性能 1.3 1.3 钢筋与混凝土的粘结与锚固钢筋与混凝土的粘结与锚固 3 粘结破坏机理 若有环向箍筋约束混凝土的变形，纵向劈裂裂缝的发展受 到限制，最后钢筋沿肋外径的圆柱面出现整体滑移，发生 刮犁式破坏（剪切破坏）。 （3）