钢筋和混凝土材料的力学性能—选.ppt

2019/6/30,CH2 MECHANICAL PROPERTIES OF MATERIALS,本章重点(Emphasis),熟悉土木工程用钢筋的品种、级别、性能及其选用原则（the variety，level，performance and selection principle of steel reinforcement）；,熟悉混凝土在各种受力状态下的强度与变形性能 （strength and deformation of concrete under various loads)及其选用原则；,了解钢筋与混凝土的粘结性能(bond between steel bar and concrete)。,CH2. Mechanical Properties of Materials,钢筋的力学性能指标？ 为何以屈服强度作为钢筋强度设计值的依据，而不是极限抗拉强度？ 混凝土结构对钢筋性能的具体要求？,小结,2.1 Performance of Steel Bar,结合钢筋应力-应变曲线和钢筋混凝土梁受力特点说明“为何将屈服强度作为钢筋强度设计值的依据，而不是极限抗拉强度？”,任务,2.1 Performance of Steel Bar,Ultimate stress fu,钢筋的力学性能指标 Index of mechanical properties,fy,fu,-屈服强度,-极限抗拉强度,fy / fu,-屈强比,塑性指标,（延伸率elongation）,冷弯性能,Plasticity index,cold-formed capacity,ultimate tensile strength,yielding strength,均匀伸长率,2.1 Performance of Steel Bar,回顾,强度要求：保证经济性。屈服强度和极限抗拉强度，还要求有适当的屈强比。,塑性要求：保证结构延性，给人以破坏的预兆。伸长率和冷弯要求。,可焊性：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。,与混凝土的粘结性：保证钢筋和混凝土共同工作。,4 混凝土结构对钢筋性能的要求,耐久性和耐火性：设置必要的混凝土保护层。,2.1 Performance of Steel Bar,可焊性,刻痕钢丝,混凝土水泥水骨料,水化过程长，性能需较长时间才能稳定,Concretecementwateraggregates,2.2 Performance of Concrete,混凝土的组成特点 Composition feature of Concrete,Cube compressive strength Prism compressive strength Tensile strength Compressive strength under bi-axial or tri-axial loads,2.2 Performance of Concrete,Emphasis ：the strength of concrete,Emphasis ：the deformation of concrete,Deformation of concrete under axial and tri-axial compressive loads,试验证明，结构混凝土在承受荷载或外应力之前，内部就已经存在少量、分散的微裂缝，宽(25)10-3、最长(12mm)，其主要原因是在混凝土的凝固过程中，粗骨料和水泥砂浆的收缩差和不均匀温湿度场所产生的微观应力场。,2.2.1. Strength of Concrete,2.2 Performance of Concrete,在逐渐受压过程中，混凝土试块的破坏是内部微裂缝逐渐发展(Extension of micro-cracks)的结果。,s = 0.85smax,s = 0.65smax,s = 0,混凝土试块从开始受力直到极限荷载，混凝土内的微裂缝逐渐增多和扩展，可以分作三个阶段：,2.2 Performance of Concrete,微裂缝不发展,微裂缝扩展,微裂缝非稳定发展,混凝土破坏,2.2.1. Strength of Concrete,s = 0.85smax,s = 0.65smax,s = 0,2.2 Performance of Concrete,微裂缝不发展,微裂缝扩展,微裂缝非稳定发展,混凝土破坏,结论：混凝土受压破坏是由于混凝土内裂缝的扩展所致。如果对混凝土的横向变形加以约束，限制裂缝的开展，则可以提高混凝土纵向抗压强度。,2.2.1. Strength of Concrete,立方体抗压强度(Cube Compressive Strength) fcu,1） 单轴受力状态下的混凝土强度（under axial loads）,2.2 Performance of Concrete,2.2.1. Strength of Concrete,轴心抗压强度(Axial Compressive Strength) fc,轴心抗拉强度(Axial Tensile Strength) ft,养护28d,标准试验方法,抗压强度,2.2 Performance of Concrete,Cube compressive strength fcu,影响因素一：润滑剂(lubricant),不涂润滑剂,涂润滑剂,套箍效应,立方体抗压强度影响因素(Factors that affect the cube strength),The friction between the heads of the testing machine and the specimen offers some lateral constraint to restrict the lateral expansion of the specimen under pressure, so the specimen can take a higher compressive strength.,2.2 Performance of Concrete,影响因素二：尺寸(Size),尺寸效应,标准试块 150150 150,非标准试块 100100 100,非标准试块 200200 200,1.05 : 1 : 0.95,尺寸越大,内部缺陷较多; 尺寸越大，套箍作用越不明显。,试块尺寸越大，实测破坏强度越低。,The smaller the size of the specimen, the higher the compressive strength.,2.2 Performance of Concrete,立方体抗压强度影响因素(Factors that affect the cube strength),影响因素三：加载速度The loading speed,加载速度快，内部微裂纹来不及扩展,实测强度提高,The loading speed increases more rapidly during the test, the compressive strength will be higher.,2.2 Performance of Concrete,立方体抗压强度影响因素(Factors that affect the cube strength),另外，影响因素还有龄期、养护条件、材料组成、试件形状以及试验方法等。,2.2 Performance of Concrete,因此，在建立混凝土的强度时，需要规定一个统一的标准作为依据。,Cube compressive strength fcu,具有95保证率的立方体抗压强度标准值 (N/mm2),14 grades,C15 C20 C25 C30 C35 C40 C45 C50 C55 C60 C65 C70 C75 C80,2.2 Performance of Concrete,混凝土的强度等级strength grade of concrete,按立方体抗压强度标准值fcu,k确定,抗压强度与试件形状有关，实际构件往往是棱柱体，棱柱体抗压强度比立方体试件能更好地反映混凝土的实际抗压能力。,真实反映混凝土的实际工作状态,2.2 Performance of Concrete,Axial compressive strength fc,试件长度不宜过小或过大：摆脱端部摩擦力的影响；试件不致失稳或发生较大弯曲变形。,Standard specimen :150150 300(450)mm,2.2 Performance of Concrete,试验量测到fc值比fcu值小，并且棱柱体试件高宽比(即h/b)越大，它的强度越小。,Axial compressive strength fc,中部横向变形不受端部摩擦力的约束，代表了混凝土处于单向全截面均匀受压的应力状态。,真实反映混凝土的实际工作状态,通过大量比对试验，可建立fc值与fcu值之间的关系式。,fc 与 fcu 的关系,立方体抗压强度试验平均值,脆性折减系数： C40以下： C80：,考虑实际构件的工作条件与试件所处条件的差异引入的修正系数,2.2 Performance of Concrete,fc 与 fcu的关系曲线,Axial tensile strength ft,由于混凝土构件内部的不均匀性，加之安装试件偏差的原因，通过直接受拉试验测量抗拉强度是很困难的，试验数据离散性很大。,直接测试法,误差大 难实现,2.2 Performance of Concrete,混凝土的抗裂、抗剪、抗扭、抗冲切等与之有关。试验方法未统一。,根据弹性力学知识,试件中间垂直截面除加力点附近很小的范围外，有均匀分布的水平拉应力。当拉应力达到混凝土的抗拉强度时，试件被劈成两半。,2.2 Performance of Concrete,Axial tensile strength ft,劈裂试验(splitting test ),2.2 Performance of Concrete,Axial tensile strength ft,抗折试验(bending test ),Standard specimen :150150 500600mm,fr=Mu / W,ft与fcu之间的换算关系,混凝土的脆性系数，当混凝土的强度等级不大于C40时， =1.0；当混凝土的强度等级为C80时， =0.87；其间按线性插值。,0.88考虑结构中的混凝土强度与试块混凝上强度之间的差异等因素的修正系数。,为轴心抗拉强度与立方体抗压强度的折算关系。,2.2 Performance of Concrete,ft=0.395,双轴应力下的强度under bi-axial load,2）复合受力状态下混凝土的强度under bi-axial or tri-axial loads,双向受拉，1与2的相互影响不大，双向受拉强度均接近于单向受拉强度。,一向受拉，另一向受压，混凝土强度均低于单向拉伸或压缩的强度，即双向异号应力使强度降低。,双向受压，一向强度随另一向应力的增加而增加。,2.2 Performance of Concrete,三向受压时的强度under tri-axial load,Strength with lateral constraint,Strength without lateral constraint,混凝土一向抗压强度随另两向侧压力的增加而提高，同时轴向变形能力也明显提高,试验系数，C50为1.0；C80为0.85；其间线性内插。,2.2 Performance of Concrete,2）复合受力状态下混凝土的强度under bi-axial or tri-axial loads,对于纵向受压的混凝土，约束混凝土的侧向变形，可使混凝土的抗压强度和延性有较大提高。实际工程中常用钢管混凝土柱、螺旋钢箍柱。,2.2 Performance of Concrete,2.2 Performance of Concrete,2.2 Performance of Concrete,2.2.2 Deformation behavior of concrete,混凝土的变形,体积变形,受力变形,一次短期加载下的变形,荷载长期作用下的变形,多次重复荷载作用下的变形,硬化过程中的收缩变形,温湿度变化引起的变形,2.2 Performance of Concrete,受压应力-应变关系 Stress-strain relationship under axial compressive load,1）一次短期加载下的变形,峰值应变(peak strain)0取0.002,裂缝迅速发展，内部整体性严重破坏,极限压应变(ultimate strain)u取0.0033,2.2 Performance of Concrete,影响因素(Factors),Grade of concrete Loading speed The condition of lateral constraint,2.2 Performance of Concrete,1）一次短期加载下的变形,2.2 Performance of Concrete,受拉应力-应变关系Stress-strain relationship under tension load,2.2 Performance of Concrete,1）一次短期加载下的变形,极限拉应变(ultimate strain)t取1.510-4,fcf的确定原则：100100 300或150150 450 的棱柱体试块承受200万次（或以上）循环荷载时发生破坏的最大压应力值,2）重复荷载下混凝土的变形性能 The deformation performance under repeated load,2.2 Performance of Co