钢筋和混凝土材料的力学性能.ppt

2019/12/3,第二章钢筋混凝土材料的力学性能,2019/12/3,混凝土结构主要用钢筋和混凝土材料制作而成。为了合理地进行混凝土结构设计，需要深入地了解混凝土和钢筋的受力性能。对混凝土和钢筋力学性能、相互作用和共同工作的了解，是掌握混凝土结构构件性能并对其进行分析与设计的基础。,概述,2019/12/3,本章重点,熟悉土木工程用钢筋的品种、级别、性能及其选用原则；,熟悉混凝土在各种受力状态下的强度与变形性能及其选用原则；,了解钢筋与混凝土的粘结性能。,2019/12/3,一、钢筋的物理力学性能,按化学成分,碳素钢（铁、碳、硅、锰、硫、磷等元素）,低碳钢（含碳量0.25%）,中碳钢（含碳量0.250.6%）,高碳钢（含碳量0.61.4%）,普通低合金钢（另加硅、锰、钛、钒、铬等）,锰系硅钒系硅钛系硅锰系硅铬系,1.钢筋的成分、级别和品种,含碳量越高，强度越高，但塑性和可焊性减低,20MnSi40Si2MnV45SiMnTi40Si2Mn45Si2Cr,2019/12/3,一、钢筋的物理力学性能,按表面形状,光圆钢筋,变形钢筋,无明显屈服点钢筋（“硬钢”）,按力学性能,有明显屈服点钢筋（“软钢”）,按使用用途,普通钢筋,预应力钢筋,2019/12/3,钢筋,热轧钢筋：由低碳钢和普通低合金钢在高温状态下轧制而成,冷拉钢筋：由热轧钢筋在常温下用机械拉伸而成,热处理钢筋：将HRB400、RRB400钢筋通过加热、淬火、回火而成,按加工方法,钢丝,碳素钢丝：钢筋通过多次冷拔、应力消除、矫正、回火处理而成,刻痕钢丝：在钢丝表面刻痕，以增强其与混凝土间的粘结力,钢绞线：几根相同直径的钢丝成螺旋状铰绕在一起,一、钢筋的物理力学性能,2019/12/3,一、钢筋的物理力学性能,表1-1常用热轧钢筋的种类、代表符号和直径范围,注：第一个字母H（hotrolled）表示热轧，R(Remainedheattreated)表示为余热处理；第二个字母P(Plain)表示光圆，R(ribbed)表示带肋；第三个字母B（Bar）代表钢筋；数字表示标准强度。,2019/12/3,HPB235为热轧光面钢筋，普通钢筋，“软钢”HRB335和HRB400是热轧变形钢筋，普通钢筋，“软钢”RRB400是余热处理钢筋，余热处理钢筋是将屈服强度相当于HRB335的钢筋在轧制后穿水冷却，然后利用芯部的余热对钢筋表面的淬水硬壳回火处理而成的变形钢筋。其性能接近于HRB400级钢筋，但不如HRB400级钢筋稳定，应用范围受到限制。,一、钢筋的物理力学性能,2019/12/3,钢筋的直径范围并不表示在此范围内任何直径的钢筋钢厂都生产。钢厂提供的钢筋直径为6mm，6.5mm，8mm，8.2mm，10mm，12mm，14mm，16mm，18mm，20mm，22mm，25mm，28mm，32mm，36mm，40mm和50mm。其中，d=8.2mm的钢筋仅适用于有纵肋的热处理钢筋。设计时，应在表1-1的直径范围和上述提供的直径内选择钢筋。当采用直径大于40mm的钢筋时，应有可靠的工程经验。,一、钢筋的物理力学性能,2019/12/3,钢筋表面形状的选择取决于钢筋的强度。为了使钢筋的强度能够充分地利用，强度越高的钢筋要求与混凝土粘结的强度越大。提高粘结强度的办法是将钢筋表面轧成有规律的凸出花纹，称为变形钢筋。HPB235钢筋的强度低，表面做成光面即可。螺旋纹和人字纹(右图b，c):横肋较密，消耗于肋纹的钢材较多;纵肋和横肋相交，容易造成应力集中,对钢筋的动力性能不利.月牙纹(右图d)。,一、钢筋的物理力学性能,2019/12/3,一、钢筋的物理力学性能,上屈服点不稳定,下屈服点,出现颈缩,拉断,BC段为屈服平台CD段为强化段,有明显流幅的钢筋,无明显流幅的钢筋,钢筋受压和受拉时的应力-应变曲线几乎相同,2.钢筋的应力-应变曲线,2019/12/3,强度指标,*有明显流幅的钢筋：在建立钢筋混凝土构件截面承载力计算理论时，以下屈服点对应的强度作为设计时钢筋强度的取值（fy）。,一、钢筋的物理力学性能,两点简化：A.钢筋应力不大于屈服点时应力-应变关系-直服从胡克定律，处于理想弹性阶段；,B.不利用应力强化阶段，假设钢筋混凝土构件截面达到破坏时，钢筋拉应力保持为屈服点应力。钢筋的极限强度作为一种安全储备。,2019/12/3,强度指标,*无明显流幅的钢筋：残余应变为0.2%时所对应的应力作为其强度限值，称为条件屈服强度，混凝土规范取0.20.85b，b为极限抗拉强度。,一、钢筋的物理力学性能,2019/12/3,一、钢筋的物理力学性能,强度指标的确定,强度,随机变量,根据统计资料，运用数理统计方法确定的具有95以上保证率（钢筋为97.73%）的统计特征值：强度标准值（fyk）=强度平均值-2均方差,钢筋强度用标准值和设计值表示。,钢筋强度的设计值fy等于钢筋强度标准值除以材料分项系数s，即,2019/12/3,一、钢筋的物理力学性能,变形指标,*伸长率：钢筋拉断后的伸长与原长的比值,*冷弯性能：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及起层现象,为防止在弯折加工时断裂和使用过程中脆断，钢筋还应具有一定的塑性变形能力。,伸长率越大，塑性越好。伸长率用表示，用钢筋试样拉断后断口两侧的残留应变(用百分率表示)作伸长率，即,弯芯的直径越小，弯转角越大，塑性越好,2019/12/3,一、钢筋的物理力学性能,冷拉,无时效,经时效,K点的选择：应力控制和应变控制,温度的影响：温度达700C时恢复到冷拉前的状态，先焊后拉,特性：只提高抗拉强度，不提高抗压强度，强度提高，塑性下降,3.冷加工钢筋,2019/12/3,一、钢筋的物理力学性能,冷拔,经过冷拔后钢筋强度提高，塑性降低，没有明显的屈服点和流幅,冷拔既能提高抗拉强度又能提高抗压强度,2019/12/3,一、钢筋的物理力学性能,2019/12/3,徐变,应力不变，随时间的增长应变继续增加,松弛,长度不变，随时间的增长应力降低,对结构，尤其是预应力结构，产生不利的影响,一、钢筋的物理力学性能,4.钢筋的徐变与松弛,2019/12/3,重复荷载作用下，钢筋的强度静载作用下的强度,规定的应力幅度（一次循环应力中最大和最小应力的差值）内，经一定次数的重复荷载后，发生疲劳破坏的最大应力值称为疲劳强度。对钢筋用疲劳应力幅来表示其疲劳强度。,试验方法,单根钢筋的轴拉疲劳,钢筋埋入混凝土中重复受拉或受弯,5.钢筋的疲劳,一、钢筋的物理力学性能,钢筋在承受重复、周期动荷载作用下，发生突然的脆性断裂破坏，称为疲劳破坏。,2019/12/3,对于不同的疲劳应力比值满足循环次数为200万次条件下的钢筋最大应力值为钢筋的疲劳强度。,一、钢筋的物理力学性能,规范规定了不同等级钢筋的疲劳应力幅度限值，该值与截面同一纤维上钢筋最小应力与最大应力比值（疲劳应力比值）有关。,2019/12/3,强度要求：保证经济性。屈服强度和极限强度，抗震设计时还要求有一定的屈强比,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。,6.混凝土结构对钢筋的要求,一、钢筋的物理力学性能,2019/12/3,一、钢筋的物理力学性能,普通钢筋宜优先采用HRB400级和HRB335级钢筋，以节省钢筋用量。也可以采用HPB235级和RRB400级热轧钢筋以及强度级别较低的冷拔、冷轧和冷轧扭钢筋。,预应力钢筋宜采用预应力钢绞线、中高强钢丝，也可以采用热处理钢筋。还可以采用冷拉钢筋和强度级别较高的冷拔低碳钢丝和冷轧扭钢筋。,7.钢筋的选用原则,2019/12/3,二、混凝土的物理力学性能,立方体抗压强度fcu,k,1）单轴受力状态下混凝土的抗压强度,规范规定以边长为150mm的立方体在203的温度和相对湿度在90以上的潮湿空气中养护28d，依照标准试验方法测得的具有95保证率的抗压强度标准值(以Nmm2计)作为混凝土的强度等级，并用符号fcu,k表示。,fcu,k与平均值f和标准差f的关系为,1.混凝土的抗压强度,2019/12/3,二、混凝土的物理力学性能,我国规范的方法：不涂润滑剂,压力试件裂缝发展扩张整个体系解体，丧失承载力,另影响强度的因素还有：龄期、加载速率、试块尺寸等,2019/12/3,标准试块：150150150,非标准试块：100100100换算系数0.95200200200换算系数1.05,立方体抗压强度是区分混凝土强度等级的指标，我国规范混凝土的强度等级有：C15，C20，C25，C30，C35，C40，C45，C50，C55，C60，C65，C70，C75，C80,表示混凝土Concrete,立方体抗压强度,二、混凝土的物理力学性能,2019/12/3,棱柱体抗压强度fck,标准试块：150150300mm,二、混凝土的物理力学性能,抗压强度与试件形状有关，实际构件往往不是立方体，而是棱柱体，可以用棱柱体测得的抗压强度作为轴心抗压强度，又称为棱柱体抗压强度。受压时试件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，比立方体试件能更好地反映混凝土的实际抗压能力。,试验量测到fck值比fcu,k值小，并且棱柱体试件高宽比(即h/b)越大，它的强度越小。,2019/12/3,二、混凝土的物理力学性能,轴心抗压强度(棱柱体强度)标准值fck与立方体抗压强度标准值fcu,k之间存在以下折算关系,棱柱体强度与立方体强度的比值，当混凝土的强度等级不大于C50时，=0.76；当混凝土的强度等级为C80时，=0.82；其间按线性插值；,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土强度之间的差异等因素的修正系数。,2019/12/3,混凝土轴心抗拉强度ft,2）单轴受力状态下混凝土的抗拉强度,二、混凝土的物理力学性能,试验机夹紧两端伸出的钢筋，对试件施加拉力，破坏时裂缝产生在试件的中部，此时的平均破坏应力为轴心抗拉强度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。,2019/12/3,劈裂试验ft,s,二、混凝土的物理力学性能,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。,根据弹性理论,2019/12/3,抗拉强度标准值ftk与立方体抗压强度标准值fcu,k之间的折算关系为,二、混凝土的物理力学性能,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,(1-1.645)0.45反映了试验离散程度对标准值保证率的影响。,2019/12/3,二、混凝土的物理力学性能,式中c混凝土的材料分项系数，建筑工程取c=1.40，公路桥涵工程取c=1.45。,混凝土抗压强度设计值fc和抗拉强度设计值ft与其对应的标准值的关系为,2019/12/3,双轴应力下的强度,双向正应力下的强度曲线,3）复合受力状态下混凝土的强度,二、混凝土的物理力学性能,双向受拉（第一象限），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（第二、四象限），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（第三象限），一项强度随另一项应力的增加而增加。,2019/12/3,法向应力和剪应力下的强度曲线,二、混凝土的物理力学性能,抗剪强度随拉应力的增大而减小；,混凝土的抗压强度由于剪应力的存在而降低。,/fc0.50.7时，抗剪强度随着压应力的增大而增大；但在/fc0.50.7时，由于内裂缝明显发展，抗剪强度反而随压应力的增大而减小,2019/12/3,三向受压时的混凝土强度,圆柱体试验,有侧向约束时的抗压强度,无侧向约束时圆柱体的单轴抗压强度,二、混凝土的物理力学性能,混凝土一向抗压强度随另两向侧压力的增加而提高。,2019/12/3,对于纵向受压的混凝土，如果约束混凝土的侧向变形，也可使混凝土的抗压强度有较大提高。如采用钢管混凝土柱、螺旋钢箍柱等能有效约束混凝土的侧向变形使混凝土的抗压强度、延性(承受变形的能力)有相应的提高。,二、混凝土的物理力学性能,2019/12/3,二、混凝土的物理力学性能,2.混凝土的变形性能,混凝土的变形,非受力变形,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,2019/12/3,二、混凝土的物理力学性能,受压时的应力-应变关系,1）一次短期加载下的变形,2019/12/3,二、混凝土的物理力学性能,0A:第I阶段(弹性阶段）(=0.30.4fck)，混凝土的变形主要是骨料和水泥结晶体的弹性变形，应力应变关系接近直线。,AB:第II阶段(稳定裂缝扩展阶段），临界点B相对应的应力可作为长期受压强度的依据(一般取0.8fCk),BC：第III阶段（裂缝快速发展阶段），应力达到的最高点为fck，与其相应的应变称为峰值应变0，平均取0.002。,在fck以后，裂缝迅速发展，试件的平均应力强度下降；D后，曲线凸向水平方向发展，在曲线中曲率最大点E称为“收敛点”，E点以后主裂缝已很宽。结构内聚力几乎耗尽失去结构的意义。,2019/12/3,二、混凝土的物理力学性能,影响因素,混凝土强度对下降段影响很大，强度越高，下降段越陡峭，延性越差。,加载速度越大，下降段越陡峭。,2019/12/3,受压时应力-应变关系的数学模型,美国Hognestad模型,二、混凝土的物理力学性能,2019/12/3,德国Rsch模型,二、混凝土的物理力学性能,2019/12/3,中国规范,二、混凝土的物理力学性能,2019/12/3,二、混凝土的物理力学性能,受拉时混凝土的应力-应变关系,理论模型,2019/12/3,二、混凝土的物理力学性能,混凝土的弹性模量,原点切线模量（弹性模量）：拉压相同,变形模量（割线模量、弹塑性模量）,切线模量,弹性特征系数，与应力值有关受压时，为0.41.0；受拉ft时，为0.5,是材料变形性能的主要指标，在计算构件变形、截面应力和预应力构件的预应力损失等时用。,2019/12/3,二、混凝土的物理力学性能,混凝土弹性模量的试验方法,510次,（150150300标准试件）,取应力上限为0.5fc重复加载510次。,试验结果回归,2019/12/3,二、混凝土的物理力学性能,混凝土的泊松比和剪切模量,混凝土的剪变模量为,混凝土的泊松比（试件的横向应变与纵向应变之比），在压力较小时为0.150.18，接近破坏时可达0.5以上，规范取0.2,2019/12/3,fcf的确定原则：100100300或150150450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,二、混凝土的物理力学性能,疲劳强度与重复作用时应力变化的幅度有关，随疲劳应力比的增大而增大,2）重复荷载下混凝土的变形性能,2019/12/3,二、混凝土的物理力学性能,3）长期荷载作用下混凝土的变形性能-徐变,荷载保持不变，随时间而增长的变形,原因之一，胶凝体的粘性流动,原因之二，混凝土内部微裂缝的不断发展,2019/12/3,二、混凝土的物理力学性能,影响徐变的因素,应力：c0.8fc，造成混凝土破坏，不稳定,加荷时混凝土的龄期，越早，徐变越大,水泥用量越多，水灰比越大，徐变越大,骨料越硬，徐变越小；构件尺寸越小，徐变越大,0.5fcc0.8fc，非线性徐变,c0.5fc，线性徐变,养护温度越高、湿度越大，水化越充分，徐变越小,受荷后温度越高、湿度越低，徐变越大,2019/12/3,二、混凝土的物理力学性能,徐变对混凝土结构的影响,P拆去，钢筋受压混凝土受拉，可能会引起混凝土开裂,徐变：s，c,2019/12/3,二、混凝土的物理力学性能,4）混凝土的收缩-在空气中结硬时混凝土体积缩小的性质,水泥品种：等级越高，收缩越大,水泥用量：水泥用量越多，水灰比越大，收缩越大,骨料：骨料越硬，收缩越小；骨料粒径越大，收缩越小,养护条件、制作方法、使用环境、体积与表面积的比值等,干燥失水是引起收缩的重要因素,2019/12/3,二、混凝土的物理力学性能,收缩对混凝土结构的影响,收缩：钢筋受压，混凝土受拉,混凝土的收缩对处于完全自由状态的构件只会引起构件的缩短而不开裂。对于周边有约束而不能自由变形的构件，收缩会引起构件内混凝土产生拉应力，甚至会有裂缝产生。,2019/12/3,当温度变化时，混凝土的体积有热胀冷缩的性质。当温度变形受到外界的约束而不能自由发生时，将在构件内产生温度应力。在大体积混凝土中，由于混凝土表面较内部的收缩量大，再加上水泥水化热使混凝土的内部温度比表面温度高，如果把内部混凝土视为相对不变形体，它将对试图缩小体积的表面混凝土形成约束，在表面混凝土形成拉应力，如果内外变形差较大，将会造成表层混凝土开裂。,5）混凝土的温度变形,二、混凝土的物理力学性能,2019/12/3,6）混凝土的选用原则,建筑工程中：钢筋混凝土构件的混凝士强度等级：一般情况下不应低于C15；当采用HRB335级钢筋时，混凝土的强度等级不宜低于C20；当采用HRB400和RRB400级钢筋以及承受重复荷载的构件，混凝土的强度等级不得低于C40。预应力混凝土结构的混凝土强度等级：一般情况下不应低于C30；当采用钢绞线、钢丝、热处理钢筋作预应力钢筋时混凝土强度等级不宜低于C40。,二、混凝土的物理力学性能,2019/12/3,公路桥涵工程中：钢筋混凝土构件的混凝土强度等级：一般情况下不应低于C20；当采用HRB400和KL400级钢筋时，混凝土的强度等级不应低于C25。预应力混凝土构件的混凝土强度等级不应低于C40。位于以下区域的桥涵构件，混凝土的强度等级不低于C30；严寒区、海水区或使用除冰盐且受其影响的桥涵构件；有气态、液态或固态侵蚀物质的环境时不抵干C30。,二、混凝土的物理力学性能,2019/12/3,三、钢筋与混凝土的粘结,1.粘结力的定义及组成,当钢筋与混凝土之间产生相对变形（滑移），在钢筋和混凝土的交界面上产生沿钢筋轴线方向的相互作用力，此作用力称为粘结力。,粘结力：,与素混凝土梁无异,2019/12/3,三、钢筋与混凝土的粘结,锚固粘结应力,粘结应力分类,局部粘结应力,钢筋在支座处的锚固粘结应力是构件承载力至关重要的因素。,钢筋的端头应力为零，在经过不长的粘结距离(称锚固长度)后，钢筋的应力应能达到其设计强度。,2019/12/3,三、钢筋与混凝土的粘结,锚固粘结应力,粘结应力分类,局部粘结应力,梁开裂后，混凝土开裂前承受的拉力通过粘结应力传递给钢筋、从而使裂缝处钢筋应力增大、这种粘结应力称为局部粘结应力，其作用是使裂缝之间的混凝土参与受拉。,2019/12/3,三、钢筋与混凝土的粘结,化学胶结力钢筋与混凝土接触面上的化学吸附作用力（一般很小，一旦产生相对滑移即消失）。,粘结力的组成：,摩擦力混凝土收缩后将钢筋紧握产生的摩擦力，钢筋表面越粗糙，摩擦力越大。（钢筋表面微锈摩擦力增加）。,机械咬合力钢筋表面凹凸不平与混凝