钢筋砼结构材料的力学性能.ppt

钢筋混凝土与砖石结构,徐州建筑职业技术学院 土木工程分院,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),比例极限,屈服强度,极限强度,fy,ft,e,d,流幅,a,b,c,图2-1,oa弹性阶段,a比例极限,b屈服强度,cd强化阶段,d极限强度,de 颈缩阶段, 0.2条件屈服强度,钢筋除需有足够的强度外，还应具有一定的塑性变形（plastic deformation)能力，钢筋的塑性通常用伸长率 和冷弯性能两个指标来衡量。,伸长率,冷弯是将直径为d的钢筋绕直径为D的钢辊，弯成一定的角度而不发生断裂，就表示合格。,钢筋四项主要力学指标：,屈服强度、极限强度、伸长率和冷弯性能。,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。,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=0.8 fsu。,伸长率：,冷弯性能：,弯心直径,冷弯角度,11,0.2的定义：,普通低合金钢除碳素钢已有的成分外，再加入少量的合金元素如硅、锰、钛、钒等，可以有效地提高钢材的强度和改善钢材的其他性能。,建筑中常用钢材按加工方法分为四类,热轧钢筋,冷拉钢筋,钢丝,热处理钢筋,热扎钢筋按照外形特征可分为光圆钢筋和变形钢筋。,钢丝是由热轧钢筋经冷拔而成，根据原材料不同又分为冷拔低碳钢丝和碳素钢丝，钢丝可刻痕(刻痕钢丝)和铰成钢绞线，故钢丝有：,冷拉低碳钢丝 b,碳素钢丝 s,刻痕钢丝 k,钢绞线 j,热处理钢筋是由强度大致相当于IV级的某种特定钢号钢筋经淬火和回火处理后制成。,冷加工的方法：冷拉、冷拔、冷轧。,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。,o,冷拉控制应力,(N/mm2),冷拉率,o,a,b,c,c,d,d,冷拉无时效,冷拉经时效,可采用控制应力和和控制冷拉率两种方法。,冷拉后可提高钢材的抗拉强度，但其屈服 台阶变短。,冷拉时应力值必须超过钢筋的屈服强度。,时效硬化。,冷拔可同时提高钢材的抗拉和抗压强度。塑性降低很多。,冷轧后，钢筋表面轧成带肋，强度与冷拔低碳丝接近，塑性要好一些。,强度、塑性、可焊性、与混凝土的粘结。,在严寒地区，还应考虑钢筋的低温性能。,钢材的常用直径：,钢 丝： 4、5(mm),钢铰线： 12(74)，15(75)(mm),钢 筋： 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22, 25, 28, 30, 32,普通砼是由水泥、石、砂、水按一定的配合比拌制，经过凝固硬化后做成的人工石材。,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。,单向受力状态下混凝土的强度指标，是进行钢筋混凝土结构构件强度分析、建立强度理论公式的重要依据。,混凝土强度值的大小与采用的水泥标号、水灰比、骨料的性质、制作方法、养护条件及试验时试件的大小和形状、试验方法或加载时间长短等有很大的关系。,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),用标准制作方式制成的150150mm的立方体试块，在28天龄期，用标准试验方法测得具有95保证率的抗压强度。,常用等级：C7.5, C10, C15, C20, C25, C30, C35, C40, C45, C55, C60.,混凝土强度等级：,2. 轴心抗压强度（棱柱体强度） fc,真实反映以受压为主的混凝土结构构件的抗压强度。,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),12,3. 混凝土的受压破坏机理,混凝土的宏观破坏是裂缝累积的过程，是内部结构局部损伤到连续想遭受破坏（裂缝贯通）而导致整个体系解体而丧失承载力的过程，决非组成相（粗骨料、砂浆）自身强度的耗尽。,混凝土的抗拉强度比抗压强度小得多，为抗压强度 。,混凝土的抗拉强度和抗压强度一样，都是混凝土的基本强度指标。,直接测试方法,间接测试方法(弯折，劈裂),23,考虑施工因素，取,24,测定混凝土抗拉强度的方法,在混凝土结构中，混凝土很少处于理想的单向应力状态，而往往处于复合应力状态，如双向应力状态或三向应力状态。,由于混凝土的特点，在复合应力状态下的强度，目前，仍只是借助有限的试验资料，推荐一些近似方法作为计算的依据。,双向正应力作用(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,正应力和剪应力作用（如图）,抗剪强度一般随拉应力的增加而减小，随压应力的增加而增大，但当压应力大于（0.50.7）f c时，抗剪强度反而随压应力的增加而减小。,三轴受压：(如图),工程应用：约束混凝土,钢管砼,密配螺旋箍筋,15,混凝土的变形可分为两类：,（1）荷载作用下的受力变形，如单调短期加载的变形、荷载长期作用下的变形以及多次重复加载的变形。,（2）与受力无关，称为体积变形，如混凝土收缩以及温度变化引起的变形。,1. 单调、短期加载时的变形性能 (如图),C,B,D,E,fc,0,0,A,cu,完整的混凝土轴心受压应力应变曲线由上升段OC、下降段CD和收敛段DE三个阶段 组成。,混凝土受压时的应力应变关系曲线,A : 0.3fc, : 0.3fc 0.8fc 裂缝稳定阶段, : 0.8 fc 1.0 fc,上升段OC段由以下三个阶段组成：,（1）OA 弹性阶段,（2）AB 弹塑性阶段,（3） BC 裂缝不稳定阶段,曲线下降坡度较陡，应力逐渐减少，应变仍然增加，混凝土表面裂缝逐渐贯通。,应力下降的速率减慢，趋向于稳定的残余应力。表面纵向裂缝把混凝土棱柱体分成若干个小柱。荷载由裂缝处的摩擦咬合力及小柱体的残余强度所承受。,下降段CD段：,收敛段DE段：,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,影响混凝土轴心受压应力应变曲线的主要因素：,（2）应变速率,（3）测试技术和试验条件,（1）混凝土强度,混凝土的变形模量,混凝土的变形模量有如下三种表示方法：,（1）原点弹性模量,（2）割线模量（变形模量）,（3）切线模量,图1-8,k,c,c,ce,cp,h,原点弹性模量：,17,16,割线模量：,19,切线模量：, 弹性系数01.0,110,剪切模量：,c = ce + cp,18,G = 0.4Ec,2. 混凝土在荷载长期作用下的变形 徐变,混凝土在受到荷载作用后，在荷载(应力) 不变的情况下，变形(应变)随时间而不断增长的现象。,徐变：,图1-9,混凝土徐变的主要原因是在荷载长期作用下，混凝土凝胶体中的水分逐渐压出，水泥石逐渐粘性流动，微细空隙逐渐闭合，细晶体内部逐渐滑动，微细裂缝逐渐发生等各种因素的综合结果。,（1）混凝土在长期荷载作用下的应力大小。,（2）加荷时混凝土的龄期。,（3）混凝土的组成成分和配合比。,（4）养护及使用条件下的温度和湿度。,（5）构件的形状及尺寸。,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,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。,2. 混凝土在重复荷载作用下的变形(如图）,如一次加荷应力小于混凝土疲劳强度，其加荷、卸荷的应力应变曲线形成了一个环状。在多次加荷、卸荷作用下，应力应变环越来越闭合，最后闭合成一条直线（图中CD线）,如一次加荷应力大于混凝土疲劳强度，则其加卸载不能再形成闭合环。至荷载重复到某一定次数时，构件会因严重开裂或变形过大而破坏。,3. 混凝土的非荷载变形 收缩,混凝土在空气中结硬体积减小的现象。,图1-10,收缩：,收缩的原因,引起混凝土收缩的原因，在硬化初期主要是水泥石在水化凝固结硬过程中产生的体积变化，后期主要是混凝土内自由水分蒸发而引起的干缩。,收缩的影响因素,（1）水泥品种、用量。,（2）骨料的性质。,（3）养护条件。,（4）混凝土制作方法。,（5）使用环境。,（6）构件的体积与表面积的比值。,收缩的性质,自由收缩,约束收缩,来自内部的钢筋约束,来自支座的外部约束,收缩对结构的影响：,自由收缩一般不会引起拉应力，故不会开裂,约束收缩产生收缩应力甚至开裂,钢筋和混凝土这两种材料结合在一起，在荷载、温度、收缩等外界因素作用下，能够共同工作，除了两者具有相近的线膨胀系数外，主要是由于混凝土硬化后，钢筋与混凝土之间产生了良好的粘结能力。,产生钢筋和混凝土粘结强度的主要原因：,混凝土收缩将钢筋紧紧握固而产生的摩擦力；,混凝土颗料的化学作用产生的混凝土与钢筋之间的胶合力；,钢筋表面凹凸不平与混凝土之间产生的咬合力；,钢筋端部加弯钩、弯折或在锚固区焊短钢筋、焊角钢等来提供锚固能力。,粘结力的测定：,粘结力的测定通常采用拔出试验方法。将钢筋的一端埋入混凝土内，在另一端施力将钢筋拔出（如图）。,粘结强度：,粘结强度可由下式确定。,式中：,P拔出力；,d钢筋直径；,l钢筋埋入长度。,粘结应力的类型：, 由弯曲引起粘结应力；, 两相邻裂缝间钢筋应力不均匀引起的局部粘结应力；, 锚固粘结应力。,锚固设计的基本原则是必须保证足够的锚固粘结强度以使钢筋强度得以充分利用，即,以锚固粘结应力为例：,钢筋的粘结性能：,（1）光面钢筋的粘结性能,光面钢筋的粘结能力来源于胶结和摩擦。由中心拉拔试验可知，在加荷初期，胶结力承担了全部拉拔力，随着拉力增大，首先在加载端出现滑移线，此时粘结力主要靠钢筋和混凝土之间的摩擦力提供。,钢筋的粘结性能：,（2）变形钢筋的粘结性能,变形钢筋的粘结能力主要来源于摩擦力和机械咬合力。影响变形钢筋粘结力的主要因素有混凝土强度、锚固长度