砼结构材料性能.ppt

引言 钢筋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 内容提要 一 钢筋混凝土结构的基本概念二 混凝土的强度三 混凝土的变形四 钢筋的强度与变形五 钢筋的成分 级别和品种六 粘结机理七 影响粘结强度的因素 学习指导 教学要求 了解钢筋混凝土结构受力性能的复杂性及配筋对其受力性能的影响 掌握钢筋混凝土结构的优缺点 掌握钢筋的种类及其物理力学特性 熟悉钢筋混凝土结构对钢筋性能要求 掌握混凝土各种强度指标及其特性 理解钢筋与混凝土粘结性能 学习指导 学习重点 1 钢筋混凝土梁与素混凝土梁的差别 2 钢筋与混凝土共同工作的条件 3 钢筋混凝土结构的优缺点 4 钢筋的品种和力学性能的基本指标 5 钢筋的应力 应变曲线 6 混凝土的强度指标及强度等级 7 混凝土的应力 应变曲线 8 混凝土的各种模量 9 混凝土的徐变和收缩 10 钢筋与混凝土之间的粘结力 混凝土结构 素混凝土结构 素砼主要用于以受压为主的基础 柱墩和一些非承重结构 钢筋混凝土结构 预应力混凝土结构 钢筋混凝土结构 是由配置受力的普通钢筋或钢筋骨架的混凝土制成的结构 例 一跨度为4m 跨中作用集中荷载的简支梁 梁截面尺寸200 300mm 混凝土为C20 如图所示 图0 1 柱 试验表明 钢筋混凝土柱与素混凝土柱相比 不仅承载力大为提高 而且受力性能也得到改善 下图 素混凝土和钢筋混凝土轴心受压构件的受力性能比较 现将素混凝土梁和配置钢筋的梁进行荷载试验 a 素砼梁极限荷载P 3 6kN由砼抗拉强度控制破坏形态 脆性 b 钢筋砼梁极限荷载P 36kN由钢筋受拉 砼受压而破坏破坏形态 延性 由此得出钢筋和混凝土结合的有效性 大大提高结构的承载力 结构的受力性能得到改善 钢筋混凝土结构不是钢筋和混凝土之间的任意组合 其组合的原则 发挥钢筋抗拉 抗压强度高的特点 发挥混凝土抗压强度高 而避免抗拉强度低的弱点 图0 2 1 混凝土和钢筋之间有着良好的粘结力 使两者能可靠地结合成一个整体 在荷载作用下能够很好地共同变形 完成其结构功能 2 二者具有相近的温度线膨胀系数 不会由于温度变化产生较大的温度应力和相对变形而破坏粘结力 钢筋 st 1 2 10 5 混凝土 ct 1 0 1 5 10 5 3 呈碱性的混凝土可以保护钢筋免遭锈蚀的作用 保证了钢筋与混凝土的共同作用 1 就地取材 节约钢筋 砼所用砂 石 易于就地取材 近年有用工业废料制造人工骨料 或作为水泥的外加成分 改善砼的性能 钢筋和砼的材料强度得到充分发挥 结构承载力与刚度比例合适 单位应力价格低 经济指标优于钢结构 2 耐久性好 耐火性好 砼是不良热导体 30mm厚砼保护层可耐火2小时 使钢筋不致因升温过快而丧失强度 3 可模性好 便于结构型式的实现 4 现浇或装配整体式结构的整体性好 刚度大 优点 1 自重大 25kN m3 轻骨料砼 4 修补或拆除较困难 缺点 2 抗裂性差 施加预应力 3 施工受气候条件影响较大 1 按化学成分 碳素钢 普通低合金钢 加入少量低合金元素 强度 塑性均提高 比如 20MnSi 20MnSiV 低碳钢 含碳量少于0 25 中碳钢 含碳量在0 25 0 6 高碳钢 含碳量大于0 6 钢筋的要求 较高的强度 良好的塑性和可焊性 与混凝土有较好的粘结性能 2 按钢筋的加工方法 热轧钢筋 冷拉钢筋 冷轧带肋钢筋 热处理钢筋 钢丝 用于钢筋混凝土桥梁结构的钢筋主要选取 热轧钢筋 碳素钢丝 精轧螺纹钢筋等三类 热轧钢筋 将钢材在高于再结晶温度状态下 用机械方法轧制成不同外形的钢筋 碳素钢丝 又称高强钢丝 一般是将热轧钢筋 8高碳钢盘条加热到850 950 并经在500 600 的铅浴中淬火 使其具有较高的塑性 然后再经酸洗 镀铜 拉拔 娇直 回火 卷盘等工艺生产而得 常见的碳素钢丝有 光面钢丝 以多根钢丝组成钢丝束或由若干根钢丝纽结成钢绞线得形式应用 桥梁常用有 1 2 二股 1 3 三股 1 7 七股 d 9 5 15 2mm螺旋肋钢丝刻痕钢丝适用于先张法d 4 9mm 精轧螺纹钢筋 d 18mm 25mm 32mm 40mm四种 强度较高 主要用于中小跨径得预应力桥梁构件 3 按强度等级分 见表1 1 级 R235 低碳钢 其强度较低 但塑性和可焊性能较好 公称直径范围8 20mm 级 HRB335 普通低合金钢 强度 塑性和可焊性等综合性能较好 钢筋表面带肋与混凝土粘结性能也较好 公称直径 6 50mm 推荐采用一般不超过32mm 级 HRB400 公称直径6 50mm KL400 钢筋经过热轧后立即穿水 进行表面冷却 然后利用心部余热自身完成回火处理 公称直径8 40mm 公称直径 相当于横截面积相等得光面钢筋的直径 3 热轧钢筋按外型特征分 热轧光圆钢筋 R235 d 8 20 热轧带肋钢筋 HRB335 HRB400 KL400 月牙肋 纹路与肋不相交 不易产生应力集中 粘结强度略低于等高肋钢筋 等高肋 螺旋纹 人字纹 与钢筋砼粘结力好 纹路与肋相交 易产生应力集中 光面圆钢筋 螺旋纹钢筋 人字纹钢筋 月牙纹钢筋 一 钢筋的 曲线 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 高强碳素钢丝 钢绞线 一 软钢 比例极限 屈服强度 极限强度 b d e d 流幅 a b c a 比例极限 b 屈服强度 b屈服上限 c屈服下限 e 延伸率 d 极限强度 1 特征 四个阶段 oa 弹性阶段 bc 屈服阶段 cf cd 强化阶段 fd de 颈缩阶段 四个点 2 钢筋主要物理力学指标 屈服强度 抗拉极限强度 伸长率 冷弯性能 两个强度指标 1 b点的屈服强度 是钢筋混凝土结构设计计算中强度取值的主要依据 因为钢筋应力达到屈服极限后 荷载不增加 应变继续增大 使得钢筋混凝土裂缝开展过宽 变形过大 结构不能正常使用 2 d点的极限抗拉强度 材料的实际破坏强度 衡量钢筋经巨量变形后的抗拉能力 不能作为计算依据 屈强比 表示结构的可靠性潜力 屈强比小则结构的可靠性高 但太小钢材利用率太低 但为了保证钢筋的综合强度性能 在检验钢筋的质量时 仍要保证它的极限抗拉强度并满足检验标准的要求 特别在抗震结构中 由于构件要进入大变形工作 考虑到钢筋可能受拉进入强化阶段 3 钢筋的两个塑性指标 冷弯性能 弯心直径 冷弯角度 伸长率 二 硬钢 1 应力 应变关系 b 0 2的定义 名义屈服强度 相应于残余应变 0 2 时的应力 作为强度设计的依据 冷加工的方法 冷拉 冷拔 冷轧 冷轧扭 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 冷拉钢筋将钢筋拉伸超过其屈服强度 放松 经一段时间之后 钢筋会获得比原来屈服强度更高的屈服强度值 如图所示 冷拉后 屈服强度提高了 屈服台阶变短 伸长率降低 钢材性质变硬变脆 采用冷拉控制应力和冷拉率控制 抗压强度没有提高 计算仍取用原来的抗压强度 图1 4 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 a b 冷拔将钢筋用强力拔过硬质合金拔丝模 截面变小而长度增加 可同时提高钢材的抗拉和抗压强度 塑性降低很多 冷轧将热轧钢筋在常温下表面轧制成不同的形状 强度提高 塑性降低 冷轧带肋钢筋 采用低碳热轧盘圆进行冷轧减径 表面轧出月牙纹 冷轧扭钢筋 钢筋经冷轧并经扭转而成 混凝土的组份 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 水泥 石 砂 水按一定的配合比制成不同等级的砼 1 混凝土立方体的抗压强度fcu 砼结构主要利用其抗压强度 因此抗压强度是最主要和最基本的指标 以每边边长为150mm的立方体为标准试件 在 20 2 的温度 相对湿度在95 以上的潮湿空气中养护28d 依照标准制作方法和试验方法测得的抗压强度值 以MPa为单位 作为混凝土的立方体抗压强度 用符号fcu表示 影响砼强度的因素 试验方法 试件尺寸 加载速度 龄期 由于尺寸效应的影响 fcu 150 0 95fcu 100 fcu 150 1 05fcu 200 试验录像 常用等级 C15 C20 C25 C30 C35 C40 C45 C50 C55 C60 C65 C70 C80 2 轴心抗压强度fc 真实反映以受压为主的混凝土结构构件的抗压强度 1 试件 150mm 150mm 300mm 制作方法同立方体试件 2 影响因素 试件高度h与边长b之比 比值越大 轴心抗压强度越小 图1 4 试验录像 3 轴心抗拉强度ft 混凝土的抗拉强度比抗压强度小得多 为抗压强度 直接测试方法 100X100X500 间接测试方法 劈裂试验 测试方法 1 直接拉伸测试方法 采用两端预埋钢筋的混凝土棱柱体测试轴心抗拉强度时 如下图 保持试件轴心受拉是很重要的 也是不容易完全做到的 混凝土内部结构不均匀 钢筋的预埋和试件的安装都难以对中 而偏心又对抗拉强度测试有很大的干扰 2 劈裂试验测试法 轴心受拉试验对中困难 常采用立方体或圆柱体劈裂试验测定砼的抗拉强度 采用圆柱体或立方体的劈裂试件来测定 如下图 通过垫条施加线载荷P 垂直截面上除垫条附近外 产生均匀拉应力 当拉应力达到ft时 试件对半劈裂 fts 混凝土劈裂抗拉强度 F 劈裂破坏荷载 A 试件劈裂面面积 试验录像 4 复合应力状态下混凝土强度 双向正应力作用 两个垂直平面上作用有法向应力 第三个平面上应力为零 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 混凝土的抗压强度由于剪应力的存在而降低 当 fc 0 5 0 7 时 抗剪强度随压应力的增大而增大 fc 0 5 0 7 时 抗剪强度随压应力的增大而减小 三向受压状态下混凝土强度 凝土强度提高的原因是 由于侧向约束了混凝土受压后横向变形 限制了混凝土内部裂缝的产生和发展 从而提高了混凝土在受压方向上的抗压强度 钢管砼 密配螺旋箍筋 1 5 混凝土三向受压时 各个方向上的抗压强度都有很大的提高 轴心抗压强度与侧压应力 2的关系有如下线性经验式 工程应用 约束混凝土 1单调短期加载作用下1 混凝土应力应变曲线 如图 1 上升段OA线性段 虎克定理AB塑性 裂纹稳定发展阶段BC塑性 裂纹非稳定发展阶段 2 下降段 3 收敛段 特征点 0 对应于峰值点应变 规范 c0 0 002 cu 混凝土极限压应变 规范 cu 3 0 5 0 10 3 fc 轴心抗压强度 2 影响混凝土轴心受压应力应变曲线的主要因素 a 混凝土的强度 上升段影响较小 下降段影响较大 强度越高 延性越差 延性是材料承受变形的能力 b 应变速率 应变速率小 峰值应力fc降低 c0增大 下降段曲线坡度显著地减缓 c 测试技术和试验条件 图1 8 k c c ce cp h 混凝土弹性模量地三种表示方法 1 原点弹性模量 1 6 3 混凝土的弹性模量 变形模量 弹性模量测定方法 s e 0 5 f c 5 10 次 利用多次重复加载卸载后应力应变关系趋于直线的性质求弹性模量 加载至0 5fc 卸载至零 重复加载卸载5 10次 应力 应变曲线渐趋稳定并接近于一直线 该直线的正切tg 即为砼的弹性模量 弹性模量经验公式 1 7 2 割线模量 1 9 3 切线模量 0 1 0 1 10 4 剪切模量 c ce cp 1 8 G 0 4Ec 弹性特征系数 2 混凝土在荷载长期作用下的变形 徐变 1 定义 在荷载的长期作用下 混凝土的变形将随时间而增加 亦即在应力不变的情况下 混凝土的应变随时间继续增长 这种现象被称为徐变 徐变 2 徐变曲线 3 混凝土徐变的原因 在荷载长期作用下 混凝土凝胶体中的水分逐渐压出 水泥石逐渐发生粘性流动 微细空隙逐渐闭合 结晶体内部逐渐滑动 微细裂缝逐渐发生等各种因素的综合结果 凝胶体的粘性流动要持续一个较长时间 内部裂缝不断产生和发展 a 初应力大小 初应力越大 徐变越大 徐变性质 线性徐变初应力 c 0 5fc徐变与初应力呈正比 非线性徐变 c 0 5fc 0 8fc 徐变的增长较应力的增长为快 当 c 0 8fc 徐变发展最终导致破坏 4 徐变的影响因素 b 加荷时混凝土的龄期 加载时龄期越短 徐变越大 c 混凝土的组成成分和配合比 水泥用量越多 水灰比越大 徐变越大 骨料强度和弹性模量越高 徐变越小 d 养护和使用条件下的温度和湿度 养护温度高 湿度大 徐变越小 受力后环境温度越高 湿度低 徐变就越大 5 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 3 混凝土的非荷载变形 收缩 1 定义 在混凝土凝结和硬化的物理化学过程中体积随时间推移而减小的现象称为收缩 2 混凝土收缩曲线特点 结硬初期收缩变形发展很快 两周可完成全部收缩的25 一个月完成50 三个月后增长缓慢 两年后趋于稳定 最终收缩值约为 2 6 10 4 3 收缩的原因 硬化初期水泥石在凝固过程中产生的体积变化 化学性收缩 本身的体积收缩 后期主要是混凝土内自由水分蒸发而引起的干缩 物理收缩 失水干燥 4 影响收缩的主要因素 混凝土的组成和配比构件的养护条件 使用环境的温度和湿度以及凡是影响混凝土中水分保持的因素构件的体表比 比值越小 收缩越大 5 收缩对结构的影响 构件未受荷之前产生裂缝 超静定结构产生次内力 预应力构件中预应力损失 预应力筋和混凝土一同回缩引起预应力损失 1 基本概念 粘结 钢筋和混凝土界面之间的一种相互作用力 粘结应力 钢筋与混凝土接触面上所产生的沿钢筋纵向的剪应力 粘结强度 粘结失效 钢筋被拔出或混凝土被劈裂 时的最大平均粘结应力 2 粘结的作用 抵抗钢筋滑动 保证两种材料共同工作 3 粘结机理 1 粘结力的组成 化学胶着力 钢筋和混凝土表面的化学吸附作用 摩擦力 混凝土收缩紧握钢筋而产生的 机械咬合力 钢筋表面凹凸不平和混凝土之间产生机械咬合力 l F sAs d max 2 粘结应力分析 以拉拔试验为例 a 应力分析 加荷端钢筋试件端混凝土 应变差产生 粘结应力 将钢筋拉力逐步向混凝土传递 钢筋的应力应变减小 而混凝土的应力应变增加 直到长度l处 c s 0 b 结论 1 粘结应力分布呈曲线形 2 光圆钢筋和带肋钢筋的粘结应力分布图形不同 3 带肋钢筋与混凝土的粘结强度比光圆钢筋高得多 3 破坏过程 光面钢筋 粘结力 胶着力 摩擦力 机械咬合力 破坏过程 没有产生滑移前 只有化学吸附作用 一旦混凝土和钢筋发生滑移后 则由摩擦力和钢筋表面粗糙不平产生的机械咬合力提供 破坏形态 剪切破坏 钢筋从混凝土中被拔出 破坏面是钢筋和混凝土之间的接触面 措施 端部做弯钩和足够的锚固长度 受压时 可不做弯钩 带肋钢筋 粘结力 胶着力 摩擦力 机械咬合力 破坏过程 没有产生滑移前 只有化学吸附作用 一旦混凝土和钢筋发生滑移后 则由摩擦力和机械咬合力 主要 提供 破坏形态 剪切型粘结破坏 保护层厚度较厚或有环向箍筋约束 劈裂型粘结破坏 保护层厚度较小 或未配环向箍筋 4 影响粘结强度的主要因素 1 混凝土的强度等级 粘结强度随砼强度的提高而增加 但并不与立方体强度fcu成正比 而与抗拉强度ft大约成正比 2 浇注混凝土时钢筋所处的位置有关 混凝土浇筑后有下沉及泌水现象 处于水平位置的钢筋 其下的混凝土由于水分 气泡的逸出及混凝土的下沉 并不与钢筋紧密接触 削弱了二者之间的粘结作用 比竖向位置的钢筋的粘结强度要低 3 钢筋之间的净距 4 混凝土保护层厚度 变形钢筋 粘结强度主要取决于劈裂破坏 相对保护层厚度c d越大 砼抵抗劈裂破坏