钢筋混凝土 第二章砼结构材料的物理力学性能.pdf

第二章第二章 混凝土结构材料的混凝土结构材料的 主要力学性能主要力学性能 混凝土混凝土 混凝土结构混凝土结构材料材料强度和变形强度和变形 主要力学性能 主要力学性能 钢 筋钢 筋 第一节混凝土的主要力学性能第一节混凝土的主要力学性能 一 混凝土的组成结构一 混凝土的组成结构 通常把混凝土的结构分为三种类型 通常把混凝土的结构分为三种类型 微观结构 微观结构 也即水泥石结构 包括水泥凝胶 晶体骨架 未 水化完的水泥颗粒和凝胶孔组成 也即水泥石结构 包括水泥凝胶 晶体骨架 未 水化完的水泥颗粒和凝胶孔组成 亚微观结构 亚微观结构 即混凝土中的水泥砂浆结构 即混凝土中的水泥砂浆结构 宏观结构 宏观结构 即砂浆和粗骨料两组分体系 即砂浆和粗骨料两组分体系 注意 注意 1 骨料的分布及骨料与基相之间在界面的结合强度是影响 混凝土强度的重要因素 骨料的分布及骨料与基相之间在界面的结合强度是影响 混凝土强度的重要因素 2 在荷载的作用下 微裂缝的扩展对混凝土的力学性能有 着极为重要的影响 在荷载的作用下 微裂缝的扩展对混凝土的力学性能有 着极为重要的影响 加固土的微观结构加固土的微观结构SEM图 龄期 图 龄期 7d 放大倍数 放大倍数 2000 加固土的微观结构加固土的微观结构SEM图 龄期 图 龄期 28d 放大倍数 放大倍数 2000 加固土的微观结构加固土的微观结构SEM图 龄期 图 龄期 14d 放大倍数 放大倍数 2000 二 混凝土的强度二 混凝土的强度 荷载的性质和受力条件不同 使混凝土具有不同的 强度 立方体抗压强度 荷载的性质和受力条件不同 使混凝土具有不同的 强度 立方体抗压强度 单向应力状态下的强度单向应力状态下的强度轴心抗压强度 轴心抗拉强度 轴心抗压强度 轴心抗拉强度 复合应力状态下的强度复合应力状态下的强度双向受力强度 三向受压强度 双向受力强度 三向受压强度 1 混凝土的立方体抗压强度和强度等级N mm1 混凝土的立方体抗压强度和强度等级N mm2 2 cu k 我国将立方体抗压强度值作为混凝土强度的我国将立方体抗压强度值作为混凝土强度的基本基本 指标 指标 立方体抗压强度值由试验得到 立方体抗压强度值由试验得到 标准试验条件标准试验条件 见书 见书P7 f 影响立方体抗压强度的因素 影响立方体抗压强度的因素 1 试验方法试验方法 分为 分为涂润滑剂涂润滑剂和和不涂润滑剂不涂润滑剂 通常试块与试验机垫板之间存在摩擦 这种摩擦 对试块有 通常试块与试验机垫板之间存在摩擦 这种摩擦 对试块有 套箍套箍 作用作用 引起抗压强度提高 引起抗压强度提高 如果涂润滑剂 摩擦力大大减小 横向不受约 束 强度不提高 如果涂润滑剂 摩擦力大大减小 横向不受约 束 强度不提高 注意 我国规定的标准试验方法是不涂润滑剂的 注意 我国规定的标准试验方法是不涂润滑剂的 不涂润滑剂不涂润滑剂涂润滑剂涂润滑剂 2 试件尺寸试件尺寸 尺寸越小 强度越高 尺寸越小 强度越高 3 加载速度加载速度 速度越快 强度越高 速度越快 强度越高 4 混凝土龄期混凝土龄期 随龄期的增长而提高 随龄期的增长而提高 混凝土强度等级混凝土强度等级 是按立方体抗压强度标准值确定的 共 是按立方体抗压强度标准值确定的 共14级 用级 用C表示 表示 C15 C20 C25 C30 C80 例如例如 C20 表示表示 kcu f 2 20 cu k fN mm 2 混凝土的轴心抗压强度2 混凝土的轴心抗压强度 ck f c f 用标准棱柱体试件用标准棱柱体试件 150 X 150 X 300 mm3 采 用标准试验方法 与立方体相同 测定的混 凝土抗压强度 采 用标准试验方法 与立方体相同 测定的混 凝土抗压强度 轴心抗压强度轴心抗压强度 一般认为当一般认为当 h b 2 3 时 可以消除摩擦 力的影响 中间为纯压状态 接近实际情 况 时 可以消除摩擦 力的影响 中间为纯压状态 接近实际情 况 通过试验分析 通过试验分析 规范 给出轴心抗压强度标准值与立方体抗压强度标 准值的关系按下式确定 规范 给出轴心抗压强度标准值与立方体抗压强度标 准值的关系按下式确定 棱柱体强度与立方体强度的比值 棱柱体强度与立方体强度的比值 C50及以 下 取 及以 下 取0 76 C80取取0 82 高强混凝土的脆性折减系数 高强混凝土的脆性折减系数 C40及以 下 取 及以 下 取1 0 C40以上 需折减 以上 需折减 0 88 考虑实际构件与试件混凝土之间的差异而取的 折减系数 考虑实际构件与试件混凝土之间的差异而取的 折减系数 92 0 70 0 kcuck ff kcuck ff 21 88 0 1 2 小提示 小提示 在以后计算受弯构件 轴心受压构 件和偏心受压构件的正截面承载力时 都是 以作为强度计算指标的 在以后计算受弯构件 轴心受压构 件和偏心受压构件的正截面承载力时 都是 以作为强度计算指标的 c f 3 混凝土的轴心抗拉强度3 混凝土的轴心抗拉强度 一般只为抗压强度的一般只为抗压强度的 1 17 1 8 轴心抗拉强度可由试验直接测得 轴心受拉试验 直接 劈裂试验 间接 轴心抗拉强度可由试验直接测得 轴心受拉试验 直接 劈裂试验 间接 t f tk f F a F 拉 压 压 2 2 a F f st 通过试验分析 规范 给出轴心抗拉强度标准 值与立方体抗压强度标准值的关系 式中 变异系数 其余符号同式 通过试验分析 规范 给出轴心抗拉强度标准 值与立方体抗压强度标准值的关系 式中 变异系数 其余符号同式 2 1 注意 混凝土强度越高 与的比值越 小 注意 混凝土强度越高 与的比值越 小 2 45 055 0 645 11 395 088 0 kcutk ff tk f kcu f 小提示小提示 在以后实际计算时 不 用上式计算 当混凝土强度等级一定时 直接查表 见附录2 tk f ck f 4 复合应力状态下的混凝土的强度4 复合应力状态下的混凝土的强度 实际上混凝土构件都处于复合应力状态 实际上混凝土构件都处于复合应力状态 梁既受梁既受M又受又受V 柱同时受 柱同时受M N V 所以 所以 需研究复合应力状态下混凝土的强度 需研究复合应力状态下混凝土的强度 1 混凝土的双向受力强度 1 混凝土的双向受力强度 正应力 正应力 a 双向受拉 相互影响不大 双向受拉 强度接近于单向受拉强度 双向受拉 相互影响不大 双向受拉 强度接近于单向受拉强度 b 双向受压双向受压 一向的强度随另一向压力的增加 而增加 双向受压强度比单向受压 强度最多可提高 一向的强度随另一向压力的增加 而增加 双向受压强度比单向受压 强度最多可提高27 c 一向受压 一向受拉 双向异号应力使单向 受压或受拉 强度降低 一向受压 一向受拉 双向异号应力使单向 受压或受拉 强度降低 1 2 2 在法向应力和剪应力组合下的混凝土强度 2 在法向应力和剪应力组合下的混凝土强度 压剪状态压剪状态 压应力低时 抗剪强度随压应力的增 大而增大 当压应力超过时 抗剪强度随压应 力的增大而减小 压应力低时 抗剪强度随压应力的增 大而增大 当压应力超过时 抗剪强度随压应 力的增大而减小 也就是说 由于剪应力存在 混凝土的抗压强度低 于单向抗压强度 也就是说 由于剪应力存在 混凝土的抗压强度低 于单向抗压强度 拉剪状态拉剪状态 抗剪强度随拉应力增大而减小 抗剪强度随拉应力增大而减小 也就是说 由于剪应力存在 混凝土的抗拉强度降 低 也就是说 由于剪应力存在 混凝土的抗拉强度降 低 6 0 c f 3 混凝土的三向受压强度 3 混凝土的三向受压强度 混凝土在三向受压时 由于侧向压应力的约束作 用 最大的主压应力轴的抗压强度大大增大 混凝土在三向受压时 由于侧向压应力的约束作 用 最大的主压应力轴的抗压强度大大增大 试验经验公式 试验经验公式 实际工程中 配有螺旋钢箍柱 钢管混凝土柱 等都是利用此性质 强度 延性大大提高 实际工程中 配有螺旋钢箍柱 钢管混凝土柱 等都是利用此性质 强度 延性大大提高 套箍作用套箍作用 Lccc fff0 7 5 4 三三 混凝土的变形混凝土的变形 混凝土的变形分为混凝土的变形分为 一次短期加载下的变形一次短期加载下的变形 1 混凝土的受力变形混凝土的受力变形荷载长期作用下的变形 重复荷载作用下的变形 荷载长期作用下的变形 重复荷载作用下的变形 2 混凝土的体积变形2 混凝土的体积变形收缩 湿度 温度变化收缩 湿度 温度变化 1 一次短期加载下混凝土的变形性能1 一次短期加载下混凝土的变形性能 1 混凝土受压时的应力混凝土受压时的应力 应变曲线应变曲线 通过应力 通过应力 应变曲线 可以了解混凝土各阶段的应变曲线 可以了解混凝土各阶段的强度强度和和变 形 变 形 采用棱柱体试件测定混凝土受压时应力采用棱柱体试件测定混凝土受压时应力 应变应变 全曲线 包括 上升段和下降段全曲线 包括 上升段和下降段 02468 10 20 30 MPa 10 3 B A C E D A点以前点以前 微裂缝没有 明显发展 混凝土的变 形主要弹性变形 应 力 微裂缝没有 明显发展 混凝土的变 形主要弹性变形 应 力 应变关系近似直 线 应变关系近似直 线 A点应力随混凝土 强度的提高而增加 对 普通强度混凝土 点应力随混凝土 强度的提高而增加 对 普通强度混凝土 A约为约为 0 3 0 4 fc 对高强混 凝土 对高强混 凝土 A可达可达 0 5 0 7 fc A点以后点以后 由于微裂缝 处的应力集中 裂缝开 始有所延伸发展 产生 部分塑性变形 应变增 长开始加快 应力 由于微裂缝 处的应力集中 裂缝开 始有所延伸发展 产生 部分塑性变形 应变增 长开始加快 应力 应 变曲线逐渐偏离直线 微裂缝的发展导致混凝 土的横向变形增加 但 该阶段微裂缝的发展是 稳定的 混凝土在结硬过程中 由于水泥石的收缩 骨 料下沉以及温度变化等 原因 在骨料和水泥石 的界面上形成很多微裂 缝 成为混凝土中的薄 弱部位 混凝土的最终 破坏就是由于这些微裂 缝的发展造成的 达到 应 变曲线逐渐偏离直线 微裂缝的发展导致混凝 土的横向变形增加 但 该阶段微裂缝的发展是 稳定的 混凝土在结硬过程中 由于水泥石的收缩 骨 料下沉以及温度变化等 原因 在骨料和水泥石 的界面上形成很多微裂 缝 成为混凝土中的薄 弱部位 混凝土的最终 破坏就是由于这些微裂 缝的发展造成的 达到B点 内部一些微 裂缝相互连通 裂缝发 展已不稳定 横向变形 突然增大 体积应变开 始由压缩转为增加 在 此应力的长期作用下 裂缝会持续发展最终导 致破坏 取 点 内部一些微 裂缝相互连通 裂缝发 展已不稳定 横向变形 突然增大 体积应变开 始由压缩转为增加 在 此应力的长期作用下 裂缝会持续发展最终导 致破坏 取B点的应力 作为混凝土的长期抗压 强度 普通强度混凝土 点的应力 作为混凝土的长期抗压 强度 普通强度混凝土 B约为约为0 8fc 高强强度 混凝土 高强强度 混凝土 B可达可达0 95fc以 上 达到 以 上 达到C点点fc 内部微裂缝 连通形成破坏面 应变 增长速度明显加快 内部微裂缝 连通形成破坏面 应变 增长速度明显加快 C 点的纵向应变值称为峰 值应变 点的纵向应变值称为峰 值应变 0 约为 约为0 002 纵向应变发展达到 纵向应变发展达到D 点 内部裂缝在试件表 面出现第一条可见平行 于受力方向的纵向裂 缝 随应变增长 试件上相 继出现多条不连续的纵 向裂缝 横向变形急剧 发展 承载力明显下 降 混凝土骨料与砂浆 的粘结不断遭到破坏 裂缝连通形成斜向破坏 面 点 内部裂缝在试件表 面出现第一条可见平行 于受力方向的纵向裂 缝 随应变增长 试件上相 继出现多条不连续的纵 向裂缝 横向变形急剧 发展 承载力明显下 降 混凝土骨料与砂浆 的粘结不断遭到破坏 裂缝连通形成斜向破坏 面 E点的应变点的应变 2 3 0 应力 应力 0 4 0 6 fc 上升段 上升段 OC a 加载到 接近直线 混凝土处于 弹性阶段 A点 a 加载到 接近直线 混凝土处于 弹性阶段 A点 比例极限 b 加载 图形逐渐弯曲 混 凝土呈现出弹塑性性质 E不是常数 B点 比例极限 b 加载 图形逐渐弯曲 混 凝土呈现出弹塑性性质 E不是常数 B点 混凝土混凝土长期抗压强度长期抗压强度的取值依据 c 加载至峰点C 应变增大 图形更弯曲 C点 的取值依据 c 加载至峰点C 应变增大 图形更弯曲 C点 混凝土混凝土棱柱体抗压强度棱柱体抗压强度 对应的应变 对应的应变 下降段 下降段 CE 达到峰值应力后 裂缝继续扩 展 贯通 变形增大 收敛点E 达到峰值应力后 裂缝继续扩 展 贯通 变形增大 收敛点E 应变应变 c f4 0 3 0 cc ff8 0 4 0 3 0 c f 002 0 0 max 0 003 0 004 特点 特点 1 混凝土的应力应变图形是一曲线 说明混 凝土是一种弹塑性材料 只有压应力很小 时 才可视为弹性材料 混凝土的应力应变图形是一曲线 说明混 凝土是一种弹塑性材料 只有压应力很小 时 才可视为弹性材料 2 混凝土强度对应力应变曲线下降段有较大 影响 混凝土强度高 应力下降快 延性 越差 强度低 下降段越平缓 延性好 混凝土强度对应力应变曲线下降段有较大 影响 混凝土强度高 应力下降快 延性 越差 强度低 下降段越平缓 延性好 从书上从书上P14 中 图中 图2 10 可以看出这个特点 可以看出这个特点 通过上述受压应力应变曲线 获得混凝土的变形 性能指标 通过上述受压应力应变曲线 获得混凝土的变形 性能指标 2 混凝土的弹性模量 变形模量 是一曲线 非线性 E是变量不是常数 2 混凝土的弹性模量 变形模量 是一曲线 非线性 E是变量不是常数 a 弹性模量 a 弹性模量 过曲线上的原点作曲线的切 线 该切线的斜率为弹性模量 过曲线上的原点作曲线的切 线 该切线的斜率为弹性模量 原点弹性模量原点弹性模量 Ec tan 0 tan c E c E 规范 规定采用 反复加荷的方法确 定 对标准棱柱体试 件 取 反复加荷 卸载5 至10次 随加载次 数增加 接近直线 该直线 斜率即为 规范 规定采用 反复加荷的方法确 定 对标准棱柱体试 件 取 反复加荷 卸载5 至10次 随加载次 数增加 接近直线 该直线 斜率即为弹性模 量 弹性模 量 3 300150150mm c f5 0 据实验值的统计分析 得出与的关系式 据实验值的统计分析 得出与的关系式 kN mm2 实际设计时 可以根据混凝土等级查表 实际设计时 可以根据混凝土等级查表 小提示 小提示 只有在应力很小时 才能用 混凝土 进入弹塑性状态 要用变形模量或切线模量来表 示应力 只有在应力很小时 才能用 混凝土 进入弹塑性状态 要用变形模量或切线模量来表 示应力 应变关系 应变关系 c E kcu f 2 10 34 7 2 2 c cu k E f c E c E b 变形模量 割线模量 b 变形模量 割线模量 弹塑性模量 弹塑性模量 连接原点至曲线上任一点 处割线的斜率为该点的变 形模量 连接原点至曲线上任一点 处割线的斜率为该点的变 形模量 变量 各点不同变量 各点不同 c 切线模量 c 切线模量 过某一应力作曲线切 线 其斜率为 过某一应力作曲线切 线 其斜率为 规律 随荷载增大 和 不断减小 规律 随荷载增大 和 不断减小 c E c c E c E c E Ec tan Ec tan 1 tan c E 3 混凝土轴向受拉时的应力应变曲线 3 混凝土轴向受拉时的应力应变曲线 与受压时相似与受压时相似 上升段 下降段上升段 下降段 见 见P17 图 图2 16 但其应力 应变峰值小的多 但其应力 应变峰值小的多 0001 0 u 2 荷载长期作用下混凝土的变形性能2 荷载长期作用下混凝土的变形性能 混凝土在长期荷载下 应力不变 应变随时间而增长的 现象 混凝土在长期荷载下 应力不变 应变随时间而增长的 现象 徐变 徐变的特点 徐变 徐变的特点 a 与时间有关a 与时间有关 开始增加快 以后慢 六个月完成大部 分 1 2年后稳定 开始增加快 以后慢 六个月完成大部 分 1 2年后稳定 徐变应变约为瞬时应变的1 4 倍 徐变应变约为瞬时应变的1 4 倍 b 与应力大小有关 b 与应力大小有关 当应力较小时 徐变大致与应力成正比当应力较小时 徐变大致与应力成正比 线性徐变线性徐变 当应力较大时 徐变增长大于应力增长当应力较大时 徐变增长大于应力增长 非线性徐 变 非线性徐 变 当应力过高时 徐变急剧增大 不收敛 试件破坏当应力过高时 徐变急剧增大 不收敛 试件破坏 所以一般取为混凝土的长期极限强度 所以一般取为混凝土的长期极限强度 c f 5 0 c f8 0 cc ff8 0 75 0 c 与混凝土的龄期有关 c 与混凝土的龄期有关 加载时混凝土的龄期越早 徐变越大加载时混凝土的龄期越早 徐变越大 d 与混凝土的组成成分有关 d 与混凝土的组成成分有关 水泥用量越多或水灰比越大 徐变越大 骨料质 量好 徐变越小 水泥用量越多或水灰比越大 徐变越大 骨料质 量好 徐变越小 e 与混凝土养护条件有关 e 与混凝土养护条件有关 养护时温度高 湿度大 徐变小 养护时温度高 湿度大 徐变小 f 与构件形状 尺寸有关f 与构件形状 尺寸有关 体表比大 徐变小 体表比大 徐变小 影响徐变的因素归纳为三个方面 影响徐变的因素归纳为三个方面 内在因素 环境因素 应力因素内在因素 环境因素 应力因素 徐变对混凝土结构性能的影响 徐变对混凝土结构性能的影响 引起构件变形增 加 内力重分布 在预应力混凝土构件中会造成 预应力损失 引起构件变形增 加 内力重分布 在预应力混凝土构件中会造成 预应力损失 减小徐变的措施 减小徐变的措施 1 选用优质骨料 优质水泥 减小水泥用量和水灰 比 1 选用优质骨料 优质水泥 减小水泥用量和水灰 比 2 加强养护 尽量捣实 保持温度 湿度 2 加强养护 尽量捣实 保持温度 湿度 3 适当控制混凝土龄期 3 适当控制混凝土龄期 3 重复荷载作用下混凝土的变形3 重复荷载作用下混凝土的变形 在荷载重复作用下 混凝土的强度和变形有很大在荷载重复作用下 混凝土的强度和变形有很大 变化 混凝土在荷载重复作用下引起的破坏称为 变化 混凝土在荷载重复作用下引起的破坏称为 疲劳破坏 疲劳破坏 容易出现疲劳破坏的构件 容易出现疲劳破坏的构件 吊车梁 钢筋混凝土道桥 港口海岸的混凝土结构等 吊车梁 钢筋混凝土道桥 港口海岸的混凝土结构等 疲劳抗压强度 疲劳抗压强度 混凝土的疲劳强度用疲劳试验测定 疲 劳试验采用100mm 100mm 300mm或150mm 150mm 450mm 的棱柱体 把能使棱柱体试件承受 混凝土的疲劳强度用疲劳试验测定 疲 劳试验采用100mm 100mm 300mm或150mm 150mm 450mm 的棱柱体 把能使棱柱体试件承受200万次或其以上200万次或其以上循环 荷载而发生破坏的压应力值称为 循环 荷载而发生破坏的压应力值称为混凝土的疲劳抗压强度混凝土的疲劳抗压强度 疲劳抗压强度与应力变化幅度有关 式中 表示截面同一纤维上的混 凝土最小应力和最大应力 疲劳抗压强度与应力变化幅度有关 式中 表示截面同一纤维上的混 凝土最小应力和最大应力 f c f cf c max min f c min f c max 4 混凝土的收缩和膨胀4 混凝土的收缩和膨胀 体积变形体积变形 混凝土在空气中结硬时体积减小的现象混凝土在空气中结硬时体积减小的现象 收缩收缩 混凝土在水中结硬时体积增大的现象混凝土在水中结硬时体积增大的现象 膨胀膨胀 膨胀值远小于收缩值 一般不考虑 膨胀值远小于收缩值 一般不考虑 收缩与时间有关 半年完成 80 90 收缩与时间有关 半年完成 80 90 当这种自发的变形受到外部 支座 或内部 钢 筋 的约束时 当这种自发的变形受到外部 支座 或内部 钢 筋 的约束时 将使混凝土中产生拉应力 甚至 引起混凝土的开裂 混凝土收缩会使预应力混凝 土构件产生预应力损失 将使混凝土中产生拉应力 甚至 引起混凝土的开裂 混凝土收缩会使预应力混凝 土构件产生预应力损失 混凝土收缩在钢筋混凝土结构中会产生不利影响混凝土收缩在钢筋混凝土结构中会产生不利影响 开裂开裂 影响因素影响因素 混凝土的收缩受结构周围的温度 湿度 构件断 面形状及尺寸 配合比 骨料性质 水泥性质 混 凝土浇筑质量及养护条件等许多因素有关 混凝土的收缩受结构周围的温度 湿度 构件断 面形状及尺寸 配合比 骨料性质 水泥性质 混 凝土浇筑质量及养护条件等许多因素有关 归纳为 内在因素 环境因素归纳为 内在因素 环境因素 减小混凝土收缩的措施 减小混凝土收缩的措施 1 2 3 同徐变 同徐变 4 设置适当抗收缩钢筋4 设置适当抗收缩钢筋 构造钢筋 构造钢筋 见相关构造要求 见相关构造要求 温度变化温度变化 也会引起混凝土开裂 一般影响不大 在重要结 构 高层结构 特种结构中考虑 也会引起混凝土开裂 一般影响不大 在重要结 构 高层结构 特种结构中考虑 设置伸缩缝 设置伸缩缝 第二节钢筋的主要力学性能第二节钢筋的主要力学性能 一 钢筋的品种和级别一 钢筋的品种和级别 一 钢筋的品种 分类 一 钢筋的品种 分类 按化学成分分类 低碳钢 碳素钢中碳钢 按化学成分分类 低碳钢 碳素钢中碳钢随含碳量增加 钢筋强度提高 随含碳量增加 钢筋强度提高 高碳钢高碳钢塑性性能降低 塑性性能降低 普通低合金钢 除碳素钢已有的成分外 再加入少量的 硅 锰 钛 钒等合金元素 普通低合金钢 除碳素钢已有的成分外 再加入少量的 硅 锰 钛 钒等合金元素 强度显著提高 塑性性能也好 强度显著提高 塑性性能也好 按外形分类光面钢筋按外形分类光面钢筋 表面光滑 表面光滑 与混凝土粘结力差 与混凝土粘结力差 变形钢筋变形钢筋 表面带肋 螺旋纹 人字纹 月牙纹 表面带肋 螺旋纹 人字纹 月牙纹 与混凝土粘结力高 与混凝土粘结力高 热轧钢筋热轧钢筋 用于钢筋混凝土结构 用于钢筋混凝土结构 按生产工艺分类预应力钢丝和钢绞线 热处理钢筋按生产工艺分类预应力钢丝和钢绞线 热处理钢筋 用于预应力混凝土结构 用于预应力混凝土结构 冷加工钢筋冷加工钢筋 用于预应力混凝土结构 三种钢筋的生产工艺不同 见P22 用于预应力混凝土结构 三种钢筋的生产工艺不同 见P22 D 公称直径 A 3 股钢绞线量测尺寸 钢绞线 图 2 1 常用钢筋形式 刻痕钢丝 螺旋肋钢丝 二 钢筋的级别 二 钢筋的级别 1 热轧钢筋1 热轧钢筋 由普通 低碳 碳素钢 低合 金钢轧制而成 由普通 低碳 碳素钢 低合 金钢轧制而成 软钢软钢 常用热轧钢筋的级别 符号 钢种和形状常用热轧钢筋的级别 符号 钢种和形状 性能 随着钢筋级别的增加 强度提高 塑性降低 性能 随着钢筋级别的增加 强度提高 塑性降低 级别代号符号钢种形状 级别代号符号钢种形状 HPB235 Q235光面 光面 HRB33520MnSi变形 变形 HRB400 20MnSiV 20MnSiNb 20MnTi 变形 余热 变形 余热RRB400 RK20MnSi余热处理余热处理 2 预应力钢丝和钢绞线 热处理钢筋2 预应力钢丝和钢绞线 热处理钢筋 用于预应力混凝土结构中 用于预应力混凝土结构中 直径直径 3 冷加工钢筋3 冷加工钢筋冷拉 冷拔冷拉 冷拔 冷拉冷拉 提高抗拉强度 提高抗拉强度 不宜作受压钢筋不宜作受压钢筋 冷拔冷拔 同时提高抗拉 抗压强度 同时提高抗拉 抗压强度 9 4 1 冷拉钢筋冷拉钢筋 所谓所谓冷拉冷拉是指有明显屈 服点的钢筋用卷扬机或 其他拉伸装置逐根拉到 其应力超过原有的屈服 强度 是指有明显屈 服点的钢筋用卷扬机或 其他拉伸装置逐根拉到 其应力超过原有的屈服 强度 使之进入应力使之进入应力 应变 曲线的强化阶段 应变 曲线的强化阶段 然后卸 掉全部拉力 然后卸 掉全部拉力 使钢筋应力 重新恢复到零 使钢筋应力 重新恢复到零 并停留一 段时间 并停留一 段时间 冷拉冷拉只能提高钢筋的抗 拉强度 只能提高钢筋的抗 拉强度 钢筋冷拉前后的应力 应变曲线钢筋冷拉前后的应力 应变曲线 2 冷拔钢筋冷拔钢筋 冷拔冷拔是将钢筋用强力拔过比其直径小的硬质合金 拨丝模 这时钢筋受到纵向拉力和横向压力的作用 内部结构发生变化 截面变小而长度增加 经过几次 冷拔 钢筋强度比原来的有很大提高 但塑性则显著 降低 且没有明显的屈服点 冷拔可以同时提高钢筋 的抗拉强度和抗压强度 是将钢筋用强力拔过比其直径小的硬质合金 拨丝模 这时钢筋受到纵向拉力和横向压力的作用 内部结构发生变化 截面变小而长度增加 经过几次 冷拔 钢筋强度比原来的有很大提高 但塑性则显著 降低 且没有明显的屈服点 冷拔可以同时提高钢筋 的抗拉强度和抗压强度 冷拔示意图 冷拔对钢筋应力 应变曲线的影响 冷拔示意图 冷拔对钢筋应力 应变曲线的影响 冷拔低碳钢丝为光圆钢丝 直径为冷拔低碳钢丝为光圆钢丝 直径为3mm 4mm 5mm 强度为 强度为550MPa 650MPa和和750MPa三种 其中 三种 其中 550MPa冷拔低碳钢丝用作非预应力钢筋 其余用作预应力钢筋 冷拔低碳钢丝用作非预应力钢筋 其余用作预应力钢筋 冷拉和冷拔冷拉和冷拔固然可以提高钢筋的强度 但同时也 会使钢筋的脆性增加 使钢筋受力后容易发生突然 断裂 因此不宜推广使用 固然可以提高钢筋的强度 但同时也 会使钢筋的脆性增加 使钢筋受力后容易发生突然 断裂 因此不宜推广使用 二 钢筋的强度和变形二 钢筋的强度和变形 通过拉伸试验获得的通过拉伸试验获得的 应力应变曲线来说明应力应变曲线来说明 应力应力 应变曲线分两类 应变曲线分两类 有明显的流幅有明显的流幅 热轧钢筋 软钢 热轧钢筋 软钢 无明显的流幅无明显的流幅 高碳钢 硬钢 预应力钢丝 钢 绞线 热处理钢筋 高碳钢 硬钢 预应力钢丝 钢 绞线 热处理钢筋 设计强度取值依据 设计强度取值依据 有明显流幅有明显流幅钢筋 取其钢筋 取其屈服点强度屈服点强度作为设计取值依 据 作为设计取值依 据 无明显流幅无明显流幅钢筋 取 极限抗拉强度 作为 条件屈服点 钢筋 取 极限抗拉强度 作为 条件屈服点 b 85 0 塑性变形衡量指标 塑性变形衡量指标 伸长率 伸长率 钢筋拉断后的伸长值与原长的比率 伸长 率越大 塑性越好 钢筋拉断后的伸长值与原长的比率 伸长 率越大 塑性越好 冷弯 冷弯 将直径为d的钢筋绕直径为D的弯芯弯曲到规 定的角度后无裂纹断裂及起层现象 弯芯的直径D越 小 弯转角越大 塑性越好 将直径为d的钢筋绕直径为D的弯芯弯曲到规 定的角度后无裂纹断裂及起层现象 弯芯的直径D越 小 弯转角越大 塑性越好 关于伸长率和冷弯的一些规定要求可参照相应国家标准 三 混凝土结构对钢筋性能的要求三 混凝土结构对钢筋性能的要求 1 1 强度 强度 要求钢筋有足够的强度和适宜的强屈比 极限强 度与屈服强度的比值 例如 对抗震等级为一 二级的 框架结构 其纵向受力钢筋的实际强屈比不应小于1 25 2 2 塑性 塑性 要求钢筋应有足够的变形能力 3 3 可焊性 可焊性 要求钢筋焊接后不产生裂缝和过大的变形 焊接接头性能良好 4 4 耐火性 耐火性 注意混凝土保护层厚度应满足对构件耐火极 限的要求 5 5 与混凝土的粘结性 与混凝土的粘结性 要求钢筋与混凝土之间有足够 的粘结力 以保证两者共同工作 第三节 钢筋和混凝土的粘结与锚固第三节 钢筋和混凝土的粘结与锚固 一 粘结的作用和分类一 粘结的作用和分类 钢筋和混凝土之间的粘结 是保证两者共同工作 的前提 钢筋和混凝土之间的粘结 是保证两者共同工作 的前提 钢筋混凝土结构受力后 若钢筋和混凝土有相对 变形 滑移 就会在其交界面上产生剪应力 钢筋混凝土结构受力后 若钢筋和混凝土有相对 变形 滑移 就会在其交界面上产生剪应力 这 种剪应力称为 这 种剪应力称为钢筋和混凝土之间的粘结力钢筋和混凝土之间的粘结力 局部粘结应力局部粘结应力 粘结应力分为 粘结应力分为 锚固粘结应力锚固粘结应力 钢筋与混凝土之间粘结应力示意图钢筋与混凝土之间粘结应力示意图 a 锚固粘结应力 b 裂缝间的局部粘结应力 a 锚固粘结应力 b 裂缝间的局部粘结应力 局部粘结应力 局部粘结应力 发生在裂缝间 发生在裂缝间 作用作用 钢筋应力发生变化 使相邻两个裂缝之间的 钢筋应力发生变化 使相邻两个裂缝之间的 混凝土参与受拉 其丧失 会开裂 混凝土参与受拉 其丧失 会开裂 锚固粘结应力 锚固粘结应力 发生在钢筋端部 支座内 发生在钢筋端部 支座内 作用作用 钢筋需有一定锚固长度 以积累足够的粘 钢筋需有一定锚固长度 以积累足够的粘 结力 达到需要的拉力 否则 发生锚固结力 达到需要的拉力 否则 发生锚固 破坏 破坏 二 粘结力的组成二 粘结力的组成 1 钢筋和混凝土接触面上的化学吸附作用力 1 钢筋和混凝土接触面上的化学吸附作用力 化学胶结力化学胶结力 水泥对钢筋表面氧化层渗透较小 水泥对钢筋表面氧化层渗透较小 2 混凝土收缩握裹钢筋而产生的摩阻力 2 混凝土收缩握裹钢筋而产生的摩阻力 摩阻 力 摩阻 力 3 钢筋表面凹凸不平与混凝土之间产生的机械咬 合作用力 3 钢筋表面凹凸不平与混凝土之间产生的机械咬 合作用力 机械咬合力机械咬合力 光圆钢筋粘结力主要来自光圆钢筋粘结力主要来自胶结力和摩阻力胶结力和摩阻力 变形钢筋粘结力主要来自变形钢筋粘结力主要来自机械咬合力机械咬合力 三 影响粘结强度的因素三 影响粘结强度的因素 平均粘结应力平均粘结应力 式中 式中 N为钢筋的拉力 为钢筋的拉力 d为钢筋的直径 为钢筋的直径 l为粘结长 度 为粘结长 度 影响影响粘结强度粘结强度的主要因素 1 的主要因素 1 混凝土强度等级 混凝土强度等级 粘结强度与混凝土的抗拉强度 大致成正比例 2 粘结强度与混凝土的抗拉强度 大致成正比例 2 保护层厚度及钢筋净间距 保护层厚度及钢筋净间距 保护层厚度越大 保 持一定的钢筋间距 粘结强度发挥的越高 3 保护层厚度越大 保 持一定的钢筋间距 粘结强度发挥的越高 3 横向钢筋 箍筋 及侧向压应力 横向钢筋 箍筋 及侧向压应力 可以限制裂缝 的发展 提高粘结强度 4 可以限制裂缝 的发展 提高粘结强度 4 浇筑混凝土处钢筋所处的位置 浇筑混凝土处钢筋所处的位置 dl N t f 四 保证钢筋和混凝土粘结力的措施四 保证钢筋和混凝土粘结力的措施 用构造 措施保证 用构造 措施保证 1 对不同等级的混凝土和钢筋 要保证基 1 对不同等级的混凝土和钢筋 要保证基 本的锚固长度和最小搭接长度 本的锚固长度和最小搭接长度 2 满足钢筋最小间距和混凝土保护层最小 2 满足钢筋最小间距和混凝土保护层最小 厚度 厚度 3 加密箍筋 接头范围内 3 加密箍筋 接头范围内 4 钢筋端部设弯钩 光面钢筋 4 钢筋端部设弯钩 光面钢筋 钢筋的基本锚固长度钢筋的基本锚固长度 第第5章章 钢筋的基本锚固长度取决于钢筋的强度及混凝 土抗拉强度 并与钢筋的外形有关 规范 规定 纵向受拉钢筋的锚固长度作为钢筋的基本锚固长 度 其计算公式为 钢筋的基本锚固长度取决于钢筋的强度及混凝 土抗拉强度 并与钢筋的外形有关 规范 规定 纵向受拉钢筋的锚固长度作为钢筋的基本锚固长 度 其计算公式为 d f f l t y 钢筋的搭接长度 钢筋的搭接长度 第第5章章 钢筋搭接的原则是 接头应设置在受力较小 处 同一根钢筋上应尽量少设接头 机械连接接头 能产生较牢固的连接力 应优先采用机械连接 受 拉钢筋绑扎搭接接头的搭接长度计算公式 钢筋搭接的原则是 接头应设置在受力较小 处 同一根钢筋上应尽量少设接头 机械连接接头 能产生较牢固的连接力 应优先采用机械连接 受 拉钢筋绑扎搭接接头的搭接长度计算公式 al ll 式中 为受拉钢筋搭接长度修正系数 它 与同一连接区内搭接钢筋的截面面积有关 详见第 式中 为受拉钢筋搭接长度修正系数 它 与同一连接区内搭接钢筋的截面面积有关 详见第5章内容 章内容 第四节 钢筋和混凝土的选用第四节 钢筋和混凝土的选用 混凝土的选用原则 混凝土的选用原则 建筑工程中 钢筋混凝土构件的混凝土强度等级不应低于建筑工程中 钢筋混凝土构件的混凝土强度等级不应低于 C15C15 当采用当采用HRB335级HRB335级钢筋时 混凝土强度等级钢筋时 混凝土强度等级不宜不宜低于低于C20C20 当采用当采用HRB400HRB4