钢筋和混凝土的物理力学性能

第2章钢筋和混凝土的物理力学性能 2 2钢筋的物理力学性能 2 3混凝土与钢筋的粘结 2 1混凝土的物理力学性能 2 1混凝土的力学性能 混凝土是由水泥 砂 石子和水等搅拌而成的人造石材 不是匀质弹性材料 一 混凝土的强度 单轴向 在钢筋混凝土结构中 混凝土主要用于抗压 1 混凝土的抗压强度 Gompression 1 混凝土立方体抗压强度 和强度等级采用边长为150mm立方体试块 在温度20 3 湿度90 以上的潮湿空气中养护28天 依据标准试验方法对试件进行加压 测得的强度为立方体抗压强度具有95 保证率的抗压强度为混凝土的立方体抗压强度标准值 作为划分混凝土强度等级的依据 立方体抗立方体抗压强度fcu压强度fc立方体抗压强度fcuu 混凝土结构设计规范 根据混凝土立方体抗压强度将混凝土划分为14个强度等级 C15 C20 C25 C30 C35 C40 C45 C50 C55 C60 C65 C70 C75 C80 C15 C CONCRETE 15 立方体抗压强度标准值为15N mm2 若无边长为150mm的立方体试件 也可用边长为100mm或200mm的试件代替 但测得的强度应乘以相应的换算系数 100mm 200mm 0 95 1 05 立方体抗压强度fcu 轴心抗压强度fc 采用边长为150mm 150mm 300mm的棱柱体试件作为混凝土轴心抗压强度的标准试件 制作养护方法与立方体试件的方法相同 2 轴心抗压强度fc fc fcu 棱柱体抗压强度平均值与立方体抗压强度平均值之间存在线性关系 比值大概在0 7 0 92之间 规范规定 轴心抗压强度标准值fck与立方体抗压强度标准值fcu k之间的关系如下式 棱柱体强度与立方体强度之比 C50以下取0 76 C80取0 82 中间按线性插值 高强混凝土的脆性折减系数 C40以下取1 00 C80取0 87 中间线性插值 考虑实际构件与试件混凝土之间的差异等 引入的修正系数 轴心抗拉强度ftTension 轴心抗拉强度ft远远小于轴心抗压强度fc 一般只有5 10 且强度等级越高 这个比值越小 测定方法 轴心受拉试验 压 拉 P P P P P 劈裂试验 2 d 立方体边长或圆柱体直径 l 立方体边长或圆柱体长度 P 根据试验结果统计分析 取混凝土轴心抗拉强度试验平均值ft与立方体抗压强度试验平均值fcu的关系为 轴心抗拉强度ft 规范规定轴心抗拉强度标准值ftk与立方体抗压强度标准值fcu k的关系为 高强混凝土的脆性折减系数 C40以下取1 00 C80取0 87 中间线性插值 考虑实际构件与试件混凝土之间的差异等 引入的修正系数 混凝土强度变异系数 复合应力状态下的混凝土强度 二 在钢筋混凝土结构中 混凝土一般处于复合应力状态 双向应力状态 1 1 2 2 当双向受压时 一向的抗压强度随另一向应力的增加而增加 当双向受拉时 一向的抗拉强度基本上与另一向拉应力大小无关 当一向受拉 一向受压时 混凝土的抗压强度随另一向拉应力的增加而降低 双向应力状态 2 2 混凝土的抗压强度由于剪应力的存在而降低 混凝土的抗剪强度随着拉应力的增大而减小 混凝土的抗剪强度随着压应力的增大先增大后减小 三向受压状态 三向受压时 混凝土一向抗压强度随另二向压应力的增加而增加 且混凝土的极限压应变也大大增加 三 混凝土的变形 变形 荷载作用下的变形 非荷载作用下的变形 短期一次荷载作用下的变形 长期荷载作用下的变形 热胀冷缩 湿胀干缩 结硬时的收缩与膨胀 1 混凝土在短期一次加载时的变形 混凝土短期一次加载是指荷载从零开始单调增加至试件破坏 通常采用棱柱体试件来测定 其应力 应变关系是混凝土最基本的力学性能之一 从开始加载到A点 约为0 3fc 时 砼基本处于弹性状态 应力应变关系接近直线 随着应力的增大 砼出现塑性 应力在0 3fc 0 8fc AB段 时 应变增长速度较应力快 超过B点 应变增长速度更快 试件中部出现平行于压力方向的裂缝 应力很快达到了砼的抗压强度fc C点 应力达到fc后 试件承载能力下降 裂缝迅速发展 应力应变曲线向下弯曲 直到凹向发生弯曲 出现 拐点 D 点 超过 拐点 曲线开始凸向应变轴 此段曲线中曲率最大的一点E称为 收敛点 E后的曲线为收敛段 上升段 下降段 1 受压砼的应力 应变曲线 拐点 收敛点 fc fc 最大应力值 轴心抗压强度 0 最大应力值相应的应变 大致为0 002 0 cu cu 混凝土破坏前的最大应变 极限压应变 混凝土本构关系曲线 2 强度对砼的应力 应变曲线的影响 下降段 混凝土强度越高 曲线下降段越陡 强度越低 下降段越平坦 曲线越长 上升段 混凝土强度影响较小 强度越大 曲线越陡 与应力峰值点相应的应变 0大致为0 002 混凝土强度越高 曲线越陡 cu越小 延性越差 3 加载速度对砼应力 应变曲线的影响 加载速度较快时 fc有所提高 曲线比较陡 加载速度缓慢时 fc略有降低 曲线 尤其是下降段 平缓 0和 cu增大 4 砼的弹性模量和变形模量 匀质弹性材料 0 变形模量Ec 混凝土应力应变曲线上任一点对应的应力和应变之比 也称 割线模量 随着应力增加而减小 弹性模量Ec 混凝土应力与相应的弹性应变之比 也称 原点切线模量 常量 根据试验分析 影响混凝土弹性模量的诸多因素中 最主要的是混凝土的抗压强度 因此 根据试验结果统计分析 得出了混凝土弹性模量和其立方体抗压强度的关系为 6 砼的泊松比 0 15 0 2之间 一般取0 2或1 6 A 5 砼受拉应力 应变曲线 与混凝土受压时的应力 应变曲线类似 2 混凝土在荷载长期作用下的变形 在长期不变荷载作用下 混凝土变形随时间增长的现象称为徐变 1 徐变特点 1 徐变速度 先快后慢 开始增长较快 以后逐渐减慢 经过较长一段时间后趋于稳定 2 徐变大小 徐变是瞬时应变的1 4倍 3 徐变可部分恢复 2 徐变原因 混凝土中的未晶体化的水泥凝胶体 在持续的外荷载作用下产生黏性流动 压应力逐渐转移给骨料 卸载后 水泥凝胶体又恢复原状 骨料又将应力转回给凝胶体 此外 混凝土内部的裂缝不断发展也使变形增加 3 影响徐变的因素 1 材料 砼的组成成分 水泥用量越多 水灰比越大 徐变越大 骨料越坚硬 弹性模量越高 徐变越小 2 环境 养护 使用时的温湿度 养护时温度高 湿度大 水泥水化作用就充分 徐变就小 使用时处于高温 干燥条件下 徐变将增大 3 应力 持续作用的应力值越大 徐变越大 3 影响徐变的因素 4 加载龄期 5 其他 如构件的形状 尺寸等 如大试件内部失水受到限制 徐变减小 加载时混凝土龄期越长 硬结程度就越好 产生的徐变就越小 反之徐变越大 4 徐变对结构的影响 徐变将对结构产生不利或有利的影响 q 不利 由于压区混凝土的徐变 可能使构件的长期挠度显著增加 降低构件的承载力 预应力混凝土结构中引起预应力损失 等等 有利 引起构件截面应力重分布或内力重分布 等等 徐变使截面中混凝土的应力逐渐减小 纵向钢筋的应力逐渐增大 使两种材料的强度得到充分利用 3 混凝土在非荷载作用下的变形 1 结硬时的收缩与膨胀 混凝土在空气中结硬时 体积缩小 收缩 混凝土在水中或处于饱和湿度中结硬时 体积增大 膨胀 混凝土的组成和养护的条件 但与收缩量相比 混凝土的膨胀值要小得多 对结构影响甚微 一般忽略 水泥水化引起的体积收缩 水分蒸发引起的干缩等等 收缩与膨胀 引起收缩的原因 影响收缩的因素 危害及防止 收缩引起收缩裂缝 防止盲目提高水泥用量和水灰比 加强对砼的振捣和养护以减小其收缩 设置伸缩缝 配置适当钢筋等等 2 温度和湿度引起的变形 热胀冷缩 湿胀干缩 当温 湿 度引起的变形受到约束时 在结构内部就会产生温度应力 特别是在大体积混凝土中 如果不采取措施可能导致结构开裂或破坏 防止措施 设置伸缩缝 适当配置钢筋等 四 规范中混凝土的选择原则 在钢筋砼结构中 砼强度等级不应低于C15 当采用HRB335级钢筋时 砼强度等级不宜低于C20 当采用HRB400和RRB400级钢筋以及对承受重复荷载的构件 砼强度等级不得低于C20 预应力砼结构的强度等级不应低于C30 当采用钢丝 钢铰线 热处理钢筋作预应力钢筋时 砼强度等级不宜低于C40 当采用山砂砼及高炉炉渣砼时 尚应符合专门规程的规定 2 2钢筋的力学性能 一 钢筋的化学成分 铁Fe 碳C和其他合金元素等 制作钢筋的钢材按照化学成分分可以分为 碳素钢 低合金钢 低碳钢 含碳量 0 25 中碳钢 含碳量0 25 0 6 高碳钢 含碳量 0 6 含碳量越高 强度越高 塑性 可焊性越低 在碳素钢的基础上 冶炼时加入少量合金元素 如硅 锰等 而成 强度高 塑性好 二 钢筋的表面形状 光面钢筋 变形钢筋 表面光滑 表面肋纹 螺旋纹 人字纹 月牙纹 光面圆钢筋 螺旋纹钢筋 人字纹钢筋 月牙纹钢筋 提高与混凝土的粘结锚固能力 三 常用钢筋的品种 热轧钢筋 钢丝 钢绞线 热处理钢筋等 热轧钢筋 钢丝 钢绞线 用低碳钢 普通低合金钢在高温下轧制而成 直径较小 有冷拉钢丝 消除应力钢丝等 外形有光面 刻痕和螺旋肋三种 一般用于预应力砼结构 由多根高强钢丝在绞丝机上绞合 再经过低温回火制成 通常有二股 三股和七股钢绞线 用于预应力砼结构 热轧钢筋 热轧钢筋是用低碳钢 普通低合金钢等在高温下轧制而成 根据力学指标 强度 的高低 可以分为4级 1 级别 热轧钢筋是用低碳钢 普通低合金钢等在高温下轧制而成 根据力学指标 强度 的高低 可以分为4级 1 级别 一般用于楼板的受力钢筋和梁 柱的箍筋 一般用于钢筋混凝土梁 柱的受力钢筋 应用受到一定限制 用于预应力钢筋砼结构 光面低碳钢筋 强度低 塑性好 低合金钢 强度较高 强度高 保留一定的塑性 2 力学性能 单向拉伸应力 应变曲线 A 比例极限 B 屈服上限 BC 屈服台阶 D 极限抗拉强度 b 设计时取屈服强度fy还是极限抗拉强度 b作为设计的依据 为什么 屈服阶段 强化阶段 破坏阶段 B 屈服强度fy fy b 弹性阶段 颈缩 设计时取屈服强度 b作为钢筋强度设计值的依据 钢筋达到屈服强度后 塑性变形急剧增加 构件出现很大的变形和过宽的裂缝 以致构件不能正常使用 但因为钢筋屈服完成后 还有一强化阶段 还能继续承受更大的荷载 此时构件并未破坏 极限抗拉强度类似于钢筋的 强度储备 因此 钢筋的极限抗拉强度值不能与屈服强度太接近 应与屈服强度有足够大的差值 屈强比fy b 反映钢筋的强度储备 fy b 0 6 0 7 不同级别热轧钢筋的应力应变曲线 热轧钢筋级别越高 强度越 屈服平台越 塑性越 高 差 短 塑性性能 伸长率 冷弯性能 伸长率越高 塑性性能越好 冷弯直径越小 角度越大 塑性越好 l l 把钢筋在常温下围绕直径为D的辊轴弯转 角而要求不发生裂纹 冷拉 k k 软钢 常温下张拉 应力超过屈服强度k 立即重新张拉 o d e 卸载o o kde 放置相当一段时间后重新张拉 o k d e 高温下短时间后重新张拉 o k d e 冷拉可提高钢筋的屈服强度 但塑性降低 时效硬化 1 冷拉仅能提高钢筋的抗拉屈服强度 不能提高其抗压屈服强度 2 人工加热时温度不可过高 否则将失去冷拉效果 3 钢筋的冷拉和冷拔 冷拔 在拔丝机上用强力将钢筋拉过硬质合金钢模上比钢筋直径稍小的拔丝孔 迫使钢筋截面缩小 长度增大 在拉拔过程中 钢筋同时受到纵向拉力及横向压力的作用后 强度比原来有很大提高 但塑性降低很多 冷拔可同时提高钢筋的抗拉和抗压强度 中高强钢丝 钢绞线 热处理钢筋 中高强钢丝和钢绞线强度较高 均无明显的屈服点和屈服台阶 主要用于预应力混凝土结构 热处理钢筋 将强度大致相当于 级热轧钢筋的某些特定品种热轧钢筋通过加热 淬火和回火等调质工艺处理 使强度得到较大幅度的提高 但无明显的屈服点和屈服台阶 主要用于预应力混凝土结构 0 2 0 2 没有明显屈服点的钢筋 有明显屈服点的钢筋 硬钢 软钢 对于硬钢 通常以卸载后残余应变为0 2 时对应的应力值 0 2作为屈服极限 称为 条件屈服极限 并取 0 2 0 85 b 硬钢的应力应变曲线 1600 N mm2 6 四 钢筋的连接 接头的承载能力 变形性能不能比被连接的钢筋差 接头的存在不应对钢筋与混凝土的共同工作产生不利影响 还应便于施工等 常用的连接方式 绑扎搭接 焊接和机械连接 搭接一定的长度并用细钢丝捆绑成型 通过和混凝土的粘结力来传递内力 因此对绑扎搭接的长度有一定的要求构造简单 施工方便 应用广泛 绑扎搭接 焊接工艺 方法很多 闪光对焊 电弧焊等优点 性能良好 传力直接 节省钢材 成本低缺点 影响焊接质量的因素多 焊接质量难以控制 焊接 机械连接 上钢筋 下钢筋 套筒 内有凹螺纹 连接形式有锥螺纹套筒连接 挤压套筒连接等 锥螺纹连接示意图 挤压套筒连接示意图 质量稳定可靠 操作简单 施工速度快 适用范围广 五 钢筋砼结构对钢筋性能的要求 1 强度高2 塑性好 伸长率大 冷弯性能好 3 具有良好的可焊性4 与混凝土的粘结锚固性能良好5 耐火性好等 六 钢筋的选用原则 规范条文 第4 2 1条钢筋混凝土结构及预应力混凝土结构的钢筋 应按下列规定选用 1 普通钢筋宜采用HRB400级和HRB335级钢筋 也可采用HPB235级和RRB400级钢筋 2 预应力钢筋宜采用预应力钢绞线 钢丝 也可采用热处理钢筋 2 3钢筋和混凝土的粘结 钢筋和混凝土之间的粘结是保证这两种力学性能不同的材料在结构构件中形成整体而变形协调地共同工作的重要条件 粘结应力 纵向剪应力 力 钢筋 混凝土 粘结应力 混凝土 钢筋 粘结力的组成 水泥胶的胶结力 水泥水化后产生在钢筋表面产生的胶结力 摩擦力 混凝土收缩 仅仅握裹住钢筋 相互滑动时产生的摩擦力 机械咬合力 钢筋表面粗糙或凹凸不平 与砼产生的机械咬合力 平均粘结强度的测定 拔出试验 影响粘结强度的因素 砼的强度等级 钢筋的表面形状 钢筋周围混凝土厚度 混凝土强度等级越高 粘结强度也越高 变形钢筋比光面钢筋的粘结强度高 钢筋外混凝土要有足够的厚度 不小于钢筋直径 钢筋的受力情况 钢筋受压时粘结强度高于钢筋受拉时 保证钢筋和砼粘结的措施 钢筋的锚固 钢筋的弯钩 钢筋绑扎搭接 砼保护层厚度 钢筋和混凝土粘结的要求 构件的耐久性要求 c d 附表4 8 混凝土保护层的作用 保证钢筋和混凝土的可靠粘结 保护钢筋不过早锈蚀 钢筋拉断时的应变称为 它标志钢筋的塑性性能 在以下关于钢筋塑性的说法中 是正确的 A 热轧钢筋强度越高 塑性越好B 冷弯试验中 辊轴直径越大 钢筋塑性越好C 钢丝的塑性比热轧钢筋好D 冷弯性能能反映钢筋塑性 按其表面形状来说 热轧 级钢筋为钢筋 热轧 级钢筋为钢筋 对于没有明显屈服点的钢筋 在设计中一般取的应力值作其 条件屈服极限 热轧钢筋的含碳量越低 则 A 屈服台阶越长 伸长率越大 塑性越好 强度越高B 屈服台阶越短 伸长率越小 塑性越差 强度越低C 屈服台阶越短 伸长率越小 塑性越差 强度越高D 屈服台阶越长 伸长率越大 塑性越好 强度越低 热轧钢筋的应力应变曲线可分为个阶段 伸长率 D 光面 变形 残余应变为0 2 时 D 四 混凝土各种强度指标的数值大小次序是 A fcu fc ftB fc fcu f