钢筋和混凝土材料的力学性能

1,第一章钢筋和混凝土的材料性能,1.1钢筋,1.1钢筋SteelReinforcement一、钢筋的应力-应变关系有明显屈服点的钢筋Steelbarwithyieldpoint,a为比例极限proportionallimits=Esea为弹性极限elasticlimitb为屈服上限upperyieldstrengthc为屈服下限，即屈服强度fyloweryieldstrengthcd为屈服台阶yieldplateaude为强化段strainhardeningstagee为极限抗拉强度fuultimatetensilestrength,第一章钢筋和混凝土材料的力学性能,2,第一章钢筋和混凝土的材料性能,1.1钢筋,几个指标：屈服强度yieldstrength：是钢筋强度的设计依据，因为钢筋屈服后将很大的塑性变形，且卸载时这部分变形不可恢复，这会使钢筋混凝土构件产生很大的变形和不可闭合的裂缝。屈服上限与加载速度有关，不太稳定，一般取屈服下限作为屈服强度。延伸率elongationrate：钢筋拉断时的应变，是反映钢筋塑性性能的指标。延伸率大的钢筋，在拉断前有足够预兆，延性较好,均匀延伸率dgt对应最大应力时应变，包括了残余应变和弹性应变，反映了钢筋真实的变形能力(2.5%)屈强比反映钢筋的强度储备，fy/fu=0.60.7。,3,第一章钢筋和混凝土的材料性能,1.1钢筋,有明显屈服点钢筋的应力-应变关系一般可采用双线性的理想弹塑性关系,4,第一章钢筋和混凝土的材料性能,1.1钢筋,无明显屈服点的钢筋Steelbarwithoutyieldpoint,a点：比例极限，约为0.65fua点前：应力-应变关系为线弹性a点后：应力-应变关系为非线性，有一定塑性变形，且没有明显的屈服点强度设计指标条件屈服点残余应变为0.2%所对应的应力规范取s0.2=0.85fu,5,第一章钢筋和混凝土的材料性能,1.1钢筋,二、钢筋的品种,成分碳素钢：除含铁元素外还有少量碳、硅、锰、硫、磷等元素低碳钢（含碳量0.25%）中碳钢（含碳量为0.250.6%）高碳钢（含碳量为0.61.4%）普通低合金钢：在碳素钢基础上加入少量合金元素(钛、钒等)砼结构对钢筋的要求强度、塑性、可焊性、与砼有足够粘结力、严寒地区有低温性能。钢筋的类型柔性钢筋钢筋：光面和带肋钢筋两种钢丝：直径在5mm以内劲性钢筋用于砼中的型钢,6,第一章钢筋和混凝土的材料性能,1.1钢筋,钢筋的品种热轧钢筋、中高强钢丝和钢绞线、热处理钢筋和冷加工钢筋,常用钢筋形式,7,第一章钢筋和混凝土的材料性能,1.1钢筋,8,第一章钢筋和混凝土的材料性能,1.1钢筋,热轧钢筋HotRolledSteelReinforcingBarHPB235级、HRB335级、HRB400级、RRB400级,HPB,HRB,RRB,屈服强度fyk（标准值=钢材废品限值，保证率97.73%）HPB235级：fyk=235N/mm2HRB335级：fyk=335N/mm2HRB400级、RRB400级：fyk=400N/mm2,9,第一章钢筋和混凝土的材料性能,1.1钢筋,HPB235级(级)钢筋多为光面钢筋（PlainBar），多作为现浇楼板的受力钢筋和箍筋HRB335级(级)和HRB400级(级)钢筋强度较高，多作为钢筋混凝土构件的受力钢筋，尺寸较大的构件，也有用级钢筋作箍筋的为增强与混凝土的粘结（Bond），外形制作成月牙肋或等高肋的变形钢筋（DeformedBar）。级钢筋强度太高，不适宜作为钢筋混凝土构件中的配筋，一般冷拉后作预应力筋延伸率d5=25、16、14、10%，直径840。,10,第一章钢筋和混凝土的材料性能,1.1钢筋,钢丝，中强钢丝的强度为8001200MPa，高强钢丝、钢绞线的为14701860MPa；延伸率d10=6%，d100=3.54%；钢丝的直径39mm；外形有光面、刻痕和螺旋肋三种，另有二股、三股和七股钢绞线，外接圆直径9.515.2mm。中高强钢丝和钢绞线均用于预应力混凝土结构。热处理钢筋是将级钢筋通过加热、淬火和回火等调质工艺处理，使强度得到较大幅度的提高，而延伸率降低不多。用于预应力混凝土结构。冷加工钢筋是由热轧钢筋和盘条经冷拉、冷拔、冷轧、冷扭加工后而成。冷加工的目的是为了提高钢筋的强度，节约钢材。但经冷加工后，钢筋的延伸率降低。近年来，冷加工钢筋的品种很多，应根据专门规程使用。,11,第二章钢筋和混凝土的材料性能,2.1钢筋,冷拉:冷拉是将钢筋拉到超过钢筋屈服强度的某一应力值，以提高钢筋的抗拉强度，达到节约钢材的目的。,冷拉只能提高钢筋的抗拉强度，塑性下降；应先焊接后冷拉；冷拉钢筋不宜用作为受压钢筋和承受冲击力或重复荷载及负温下的结构中。,12,第一章钢筋和混凝土的材料性能,1.1钢筋,冷拔：冷拔是将D6D8的HPB235级钢筋，用强力从直径较小硬质合金拔丝模拔过，使它产生塑性变形，拔成较细直径的钢丝，以提高其强度的冷加工方法。冷拔可同时大幅提高抗拉和抗压强度，塑性也大幅降低，钢筋由软钢变为硬钢。,13,第一章钢筋和混凝土的材料性能,1.1钢筋,三、钢筋的强度标准值(CharacteristicorStandardStrength)按冶金钢材质量控制标准，钢筋的强度标准值是取其出厂时的废品限值，其数值相当于fy,m-3s，具有97.73%的保证率，满足建筑结构设计统一标准材料强度标准值保证率95%的要求。,14,第一章钢筋和混凝土的材料性能,1.1钢筋,15,第一章钢筋和混凝土的材料性能,1.2混凝土,1.2混凝土一、混凝土的强度1、立方体抗压强度混凝土结构中，主要是利用它的抗压强度。因此抗压强度是混凝土力学性能中最主要和最基本的指标。混凝土的强度等级是用立方体抗压强度来划分的,混凝土强度等级：边长150mm立方体标准试件，在标准条件下（203，90%湿度）养护28天，用标准试验方法（加载速度0.150.3N/mm2/sec，两端不涂润滑剂）测得的具有95%保证率的立方体抗压强度。规范根据强度范围，从C15C80共划分为14个强度等级，级差为5N/mm2。用符号C表示，C30表示fcu,k=30N/mm2,不涂润滑剂,16,第一章钢筋和混凝土的材料性能,1.2混凝土,100mm立方体强度与标准立方体强度之间的换算关系,小于C50的混凝土，修正系数m=0.95。随混凝土强度的提高，修正系数m值有所降低。当fcu100=100N/mm2时，换算系数m约为0.9,美国、日本、加拿大等国家，采用圆柱体（直径150mm，高300mm）标准试件测定的抗压强度来划分强度等级，符号记为fc。圆柱体强度与我国标准立方体抗压强度的换算关系为，,立方体和圆柱体抗压试验都不能代表混凝土在实际构件中的受力状态，只是用来在同一标准条件下比较混凝土强度水平和品质的标准（制作、测试方便）。,17,第一章钢筋和混凝土的材料性能,1.2混凝土,2、轴心抗压强度,轴心抗压强度采用棱柱体试件测定，用符号fc表示，它比较接近实际构件中混凝土的受压情况。棱柱体试件高宽比一般为h/b=34，我国通常取150mm150mm450mm的棱柱体试件，也常用100100300试件。对于同一混凝土，棱柱体抗压强度小于立方体抗压强度。棱柱体抗压强度和立方体抗压强度的换算关系为，,规范对小于C50级的混凝土取k=0.76，对C80取k=0.82，其间按线性插值,考虑结构中混凝土强度与混凝土试件强度的比值，还需乘以0.88；,18,第一章钢筋和混凝土的材料性能,1.2混凝土,3、轴心抗拉强度,也是其基本力学性能，用符号ft表示。混凝土构件开裂、裂缝、变形，以及受剪、受扭、受冲切等的承载力均与抗拉强度有关。,19,第一章钢筋和混凝土的材料性能,1.2混凝土,由于轴心受拉试验对中困难，也常常采用立方体或圆柱体劈拉试验测定混凝土的抗拉强度,20,第一章钢筋和混凝土的材料性能,1.2混凝土,4、混凝土强度的标准值,规范规定材料强度的标准值fk应具有不小于95%的保证率,立方体强度标准值即为混凝土强度等级fcu。规范在确定混凝土轴心抗压强度和轴心抗拉强度标准值时，假定它们的变异系数与立方体强度的变异系数相同，利用与立方体强度平均值的换算关系，便可按上式计算得到。同时，规范考虑到试件与实际结构的差异以及高强混凝土的脆性特征，对轴心抗压强度和轴心抗拉强度，还采用了以下两个折减系数：结构中混凝土强度与混凝土试件强度的比值，取0.88；脆性折减系数，对C40取1.0，对C80取0.87，中间按线性规律变化。,21,第一章钢筋和混凝土的材料性能,1.2混凝土,例fcu=30MPa,d=0.12,fcu,m=fcu/(1-1.645d)fc,m=0.76fcu,mfc,k=fc,m(1-1.645d)0.881.0=0.76fcu0.881.0=20.06MPa,22,第一章钢筋和混凝土的材料性能,1.2混凝土,混凝土破坏机理,fcfcu?,不涂润滑剂,0.8fc时，混凝土内部微裂缝的发展已处于不稳定的状态，徐变的发展将不收敛，最终导致混凝土的破坏。因此将0.8fc作为混凝土的长期抗压强度。高强混凝土的密实性好，在相同的s/fc比值下，徐变比普通混凝土小得多。但由于高强混凝土承受较高的应力值，初始变形较大，故两者总变形接近。此外，高强混凝土线性徐变的范围可达0.65fc，长期强度约为0.85fc，也比普通混凝土大一些。,55,第一章钢筋和混凝土的材料性能,1.2混凝土,56,第一章钢筋和混凝土的材料性能,1.2混凝土,57,1.3钢筋与混凝土的粘结性能一、粘结的概念钢筋与混凝土间具有足够的粘结是保证钢筋与混凝土共同受力变形的基本前提。通过钢筋与混凝土界面的粘结应力(bondstress)，可以实现钢筋与混凝土之间的应力传递，从而使两种材料可以结合在一起共同工作。粘结应力通常是指钢筋与混凝土界面间的剪应力。粘结应力使钢筋应力沿长度方向发生数量变化，即没有粘结应力就不会产生钢筋应力变化；反之，没有钢筋应力变化就不存在粘结应力。,第一章钢筋和混凝土的材料性能,1.3钢筋与混凝土的粘结性能,58,第一章钢筋和混凝土的材料性能,1.3钢筋与混凝土的粘结性能,59,第一章钢筋和混凝土的材料性能,1.3钢筋与混凝土的粘结性能,60,二、粘结的作用1、锚固粘结,第一章钢筋和混凝土的材料性能,1.3钢筋与混凝土的粘结性能,61,第一章钢筋和混凝土的材料性能,1.3钢筋与混凝土的粘结性能,2、裂缝间粘结,62,三、粘结的机理钢筋与混凝土的粘结作用由三部分组成：混凝土中水泥胶体与钢筋表面的胶结力；混凝土因收缩将钢筋握紧而产生的钢筋与混凝土间的摩擦力；钢筋表面粗糙不平产生的机械咬合力。,当钢筋与混凝土产生相对滑动后，胶结作用即丧失。摩擦力的大小取决于握裹力和钢筋与混凝土表面的摩擦系数。,第一章钢筋和混凝土的材料性能,1.3钢筋与混凝土的粘结性能,63,第一章钢筋和混凝土的材料性能,1.3钢筋与混凝土的粘结性能,对于光面钢筋，表面轻度锈蚀有利于增加摩擦力，但摩擦作用也很有限。由于光面钢筋表面的自然凹凸程度很小，机械咬合作用也不大。因此，光面钢筋与混凝土的粘结强度是较低的。为保证光面钢筋的锚固，通常需在钢筋端部弯钩、弯折或加焊短钢筋以阻止钢筋与混凝土间产生较大的相对滑动。,64,将钢筋表面轧制出肋形成带肋钢筋，即变形钢筋，可显著增加钢筋与混凝土的机械咬合作用，从而大大增加了粘结强度。对与强度较高的钢筋，均需作成变形钢筋，以保证钢筋与混凝土间具有足够的粘结强度使钢筋的强度得以充分发挥。,第一章钢筋和混凝土的材料性能,1.3钢筋与混凝土的粘结性能,65,变形钢筋受力后，其凸出的肋对混凝土产生斜向挤压力，其水平分力使钢筋周围的混凝土轴向受拉、受剪，径向分力使混凝土产生环向拉力。轴向拉力和剪力使混凝土产生内部斜向锥形裂缝，环向拉力使混凝土产生内部径向裂缝。,第一章钢筋和混凝土的材料性能,1.3钢筋与混凝土的粘结性能,66,当混凝土保护层和钢筋间距较小时，径向裂缝可发展达到构件表面，产生劈裂裂缝，机械咬合作用将很快丧失，产生劈裂式粘结破坏。,第一章钢筋和混凝土的材料性能,1.3钢筋与混凝土的粘结性能,在钢筋周围配置横向钢筋（箍筋或螺旋钢筋）或增加混凝土的保护层厚度（c/d），可提高粘结强度。,67,第一章钢筋和混凝土的材料性能,1.3钢筋与混凝土的粘结性能,68,第一章钢筋和混凝土的材料性能,1.3钢筋与混凝土的粘结性能,如果钢筋周围的横向钢筋较多或混凝土的保护层（c/d）较大，径向裂缝很难发展达到构件表面，则肋前部的混凝土在水平分力和剪力作用下最终将被挤碎，发生沿肋外径圆柱面的剪切破坏，形成所谓的“刮梨式”破坏，“刮梨式”破坏是变形钢筋与混凝土粘结强度的上限。,69,四、粘结强度BondStrength,第一章钢筋和混凝土的材料性能,1.3钢筋与混凝土的粘结性能,拔出试验Pullouttest,粘结强度tu：粘结破坏（钢筋拔出或混凝土劈裂）时钢筋与混凝土界面上的最大平均粘结应力,70,影响粘结强度的主要因素Influencefactors混凝土强度、保护层厚度和钢筋净间距、横向配筋、钢筋表面和外形特征、受力情况及锚固长度,混凝土强度：光面钢筋和变形钢筋的粘结强度均随混凝土强度的提高而增加，但并不与立方体强度fcu成正比，而与抗拉强度ft成正比。保护层厚度和钢筋净间距：对于变形钢筋，粘结强度主要取决于劈裂破坏。因此相对保护层厚度c/d越大，混凝土抵抗劈裂破坏的能力也越大，粘结强度越高。当c/d很大时，若锚固长度不够，则产生剪切“刮梨式”破坏。同理，钢筋净距s与钢筋直径d的比值s/d越大，粘结强度也越高。,第一章钢筋和混凝土的材料性能,71.3钢筋与混凝土的粘结性能,71,横向配筋：横向钢筋的存在限制了径向裂缝的发展，使粘结强度得到提高。由于劈裂裂缝是顺钢筋方向产生的，其对钢筋锈蚀的影响比受弯垂直裂缝更大，将严重降低构件的耐久性。因此应保证不使径向裂缝到达构件表面形成劈裂裂缝。所以，保护层应具有一定的厚度，钢筋净距也应保证。配置横向钢筋可以阻止径向裂缝的发展。因此对于直径较大钢筋的锚固区和搭接长度范围，均应增加横向钢筋。当一排并列钢筋的数量较多时，也应考虑增加横向钢筋来控制劈裂裂缝的发生。,第七章粘结、锚固及钢筋布置,1.3钢筋与混凝土的粘结性能,72,第一章钢