混凝土结构材料的力学性能

第一章钢筋混凝土结构的基本概念及材料的物理力学性能,本章的主要内容,混凝土在各种受力状态下的强度与变形性能钢筋的品种、级别及其力学性能钢筋和混凝土的粘结,一、钢筋的品种,普通钢筋可选取R235（HPB235）、HRB335、HRB400、KL400（RRB400）热轧钢筋注：括号内蓝色字体的表示方法适用于混凝土结构设计规范，以下同,预应力钢筋应选用钢绞线和钢丝，中小型构件或竖、横向钢筋也可选用精轧螺纹钢筋,预应力筋,1.1钢筋,常用热轧钢筋,R,HRB335,hotrolled,ribbed,bar,RRB400,Remainedheattreatment,ribbed,bar,HPB300：质量稳定，塑性好易成型，但屈服强度较低，不宜用于结构中的受力钢筋；HRB335：带肋钢筋，有利于与混凝土之间的粘结，强度和塑性均较好，是目前主要应用的钢筋品种之一；HRB400：带肋钢筋，有利于与混凝土之间的粘结，强度和塑性均较好，是今后主要应用的钢筋品种之一；RRB400：是HRB335钢筋热轧后快速冷却，利用钢筋内温度自行回火而成，淬火钢筋强度提高，但塑性降低，余热处理后塑性有所改善。一般冷拉后作预应力筋,碳素钢,普通低合金钢,低碳钢（含碳量少于0.25%）,中碳钢（含碳量0.25%0.6%）高碳钢（含碳量大于0.6%),1.按化学成份分,注：由于冷加工钢筋延性较差，目前较少使用，若在工程中采用时，应遵守专门规程的规定。,热轧钢筋,光圆钢筋（R235（HPB235）,带肋钢筋(HRB335,HRB400,KL400（RRB400）),2、按钢筋的加工方法,冷拉钢筋冷轧带肋钢筋冷轧扭钢筋,热处理钢筋,冷加工钢筋,3、热轧钢筋按外型特征分类,光面钢筋,螺纹钢筋,月牙纹钢筋,人字纹钢筋,光圆钢筋（R235（HPB235）,带肋钢筋(HRB335,HRB400,KL400（RRB400）),4、按供应方式,盘圆或盘条钢筋：直径为6-10mm的钢筋卷成圆盘直条或碾条钢筋：直径大于12mm的钢筋轧成6-12m长一根,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),5、按力学性能不同可分为,主要物理力学指标：,对于有明显屈服台阶的软钢取屈服强度fsk作为强度设计依据。,对于无明显屈服台阶的硬钢取条件屈服强度0.2作为强度设计依据。,屈服强度、抗拉极限强度、伸长率、冷弯性能,1、软钢-有明显流服钢筋的应力应变曲线,二、钢筋的强度和变形,oa弹性阶段,a比例极限,fd强化阶段,d极限强度,de颈缩阶段,cf屈服台阶,c屈服强度,极限压应变,四个受力阶段,四个特征值,两个强度指标：,（1）c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，使得钢筋混泥土裂缝开尺过宽，变形过大，结构不能正常使用。,（2）d点的极限强度材料的实际破坏强度，衡量钢筋经大变形后的抗拉能力，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。,两个塑性指标：,（1）伸长率又称延伸率，e点所对应的横坐标，用（指标注为10倍或5倍钢筋直径即）表示，,2冷弯性能,为使钢筋在加工、使用时不开裂、弯断或脆断，,对钢筋试件所作的冷弯试验。检查试件表面是否有裂纹或分层断裂来反映塑性。,2无明显流幅钢筋的应力应变关系曲线,主要针对强度高，塑性差，脆性大的钢筋。,条件流限（或条件屈服强度）经加载、卸载后尚存有0.2%的残余变形时的应力，用0.2表示。一般取极限强度的85%。,0.2%,0.2,0.2条件屈服强度,3钢筋应力应变曲线数学模型,（3）双斜线模型,（2）三折线模型（完全弹塑性加硬化模型）,（1）双直线模型（完全弹塑性模型）,其中：,式中：,；时，表达式同（1）,（2）影响因素：初始应力、温度、钢筋品种,（3）分类：分普通松弛和低松弛（低松弛约为普通松弛值的1/3）两类,4钢筋的松弛（徐舒）,（1）定义：钢筋受力长度保持不变的情况下，应力随时间增长而降低的现象。,焊接接头机械连接接头绑扎接头,套筒挤压接头,镦粗直螺纹接头,1、钢筋的接头,对焊,电弧搭接焊,绑扎接头的钢筋直径：一般不宜大于28mm受压构件中的受压钢筋可不大于32mm,四、钢筋的接头、弯钩和弯折,钢筋的搭接长度可见电子教材相关内容,有绑扎接头的受力钢筋的截面积：受拉区不超过25%；受压区不超过50%,普通钢筋的焊接接头a)闪光接触b)夹杆式电弧焊c)搭叠式电弧焊,钢筋的绑扎搭接接头,（1）受拉的光面钢筋需在端头设半圆弯钩（2）带肋钢筋设直角形弯钩（3）弯折处钢筋内侧弯曲直径D不得小于20d,2、钢筋的弯钩和弯折,钢筋的弯钩与弯折示意图（尺寸单位：mm）a)钢筋135弯钩b)钢筋的弯折,五、混凝土结构对钢筋的要求1.钢筋的强度屈强比小则结构的可靠性高，但太小钢材利用率太低。2.钢筋的塑性为了使钢筋在断裂前有足够的变形需要求钢材有一定的塑性。钢筋的伸长率和冷弯性能是施工单位验收钢筋是否合格的主要指标。3.钢筋的可焊性可焊性是评定钢筋焊接后的接头性能的指标。可焊性好，即要求在一定的工艺条件下钢筋焊接后不产生裂纹及过大的变形。,4.钢筋的耐火性热轧钢筋的耐火性能最好，冷轧钢筋其次，预应力钢筋最差。结构设计时应注意混凝土保护层厚度满足对构件耐火极限的要求。5.钢筋与混凝土的粘结力为了保证钢筋与混凝土共同工作，要求钢筋与混凝土之间必须有足够的粘结力。钢筋表面的形状是影响粘结力的重要因素。,钢筋选用,普通钢筋宜采用I、II、III级热轧钢筋和乙级冷,拔低碳钢丝。,预应力钢筋宜采用碳素钢丝、刻痕钢丝、钢绞,线和热处理钢筋，也可采用冷拉、级,钢筋。,对中小型构件中的预应力钢筋，采用甲级冷拔,低碳钢丝。,六、钢筋的选用,1.2混凝土,混凝土是用水泥、砂子和石子三种材料，经水拌和凝固硬化后制成的人工石材。,混凝土的要求：,和易性好,强度要高(重点),耐久性要好,经济上要节省,评定混凝土品质的主要指标,一、混凝土的强度,三个强度指标：,影响因素：材料的性质、混凝土配合比、养护环境、施工方法、试件的形状与尺寸，试验方法，加载条件和试件的受力性质。,（1）定义：按照标准方法制作养护（温度203、相对湿度不小于90%的潮湿空气中养护28d）的边长150mm的立方体试件，在28d龄期用标准试验方法（试件表面不涂润滑剂，全截面受压，加载速度0.150.25MPa/sec）测得的具有95%保证率的抗压强度。,1.混凝土的立方体抗压强度,-基本强度指标,(一)砼的立方体抗压强度fcu,1测定方法,标准试块,抗压试验,破坏,标准条件：温度203,湿度90%，养护28天,加载速度：0.150.25N/mm2s,试块全截面受力且不涂润滑剂,标准试验方法：,所测得极限压应力,立方体抗压强度标准值fcu,k,（2）影响因素,试件尺寸(尺寸效应),直接受压(标准试验方法)间接受压(试块与承压板之间涂有油脂或填以塑料薄片),试验方法,加载速度越快,强度越高,（3）对混凝土强度等级的要求,混凝土强度从C20C80共分为14个等级，中间以5MPa进级。C50以下为普通强度混凝土，C50及以上为高强度混凝土公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范规定：钢筋混凝土构件不应低于C20，当采用HRB400、KL400级钢筋配筋时，不应低于C25预应力混凝土构件不应低于C40。,混凝土结构设计规范规定：钢筋混凝土构件不应低于C15，当采用HRB335级钢筋配筋时，混凝土强度等级不宜低于C20；当采用HRB400、RRB级钢筋以及重复荷载的构件，混凝土强度等级不得低于C20预应力混凝土构件，混凝土强度等级不应低于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,例：“桃都逸园”,本工程共36层，124m高,材料如下:,墙，柱砼等级,-4-2层C50,3-7层C45,8-12层C40,13-17层C35,18-顶层C30,梁，板砼等级,1-2层C50,其余各层C30,例如，美国、日本和欧洲混凝土协会、(CEB)采用直径6英寸(152mm)、高12英寸(305mm)的圆柱体标准试件的抗压强度作为轴心抗压强度的指标，记作。对C60以下的混凝土，圆柱体抗压强度和立方体抗压强度标准值fcu,k之间的关系可按下式折算：,国外常采用混凝土圆柱体试件确定混凝土轴心抗压强度,当fcu,k超过60N/mm2后随着抗压强度提高，与fcu,k的比值(即公式中的系数)要提高。CEB-FIPMC-90给出：对C60的混凝土，比值为0.833；对C70的混凝土，比值为0.857；对C80的混凝土，比值为0.875。,2.棱柱体强度（轴心抗压强度),（1）定义：真实反映以受压为主的混凝土结构构件的抗压强度，用150mm150mm300mm棱柱体为标准试件测得的抗压强度。注：试件制作、养护和加载试验方法同立方体试件,（2）轴心抗压强度标准值与立方体抗压强度标准值的换算:,注：C50及以下混凝土，=0.76；C55C80混凝土，=0.760.82考虑C40以上混凝土具有脆性，还需取折减系数C40C80为1.00.87，中间按直线插入。,1测定方法,棱柱体试件,轴心抗压试验,破坏,标准条件,标准方法,所测得极限压应力,轴心抗压强度标准值fck,3.轴心抗拉强度(),是钢筋混凝土构件设计中确定混凝土抗裂度的重要指标,边长为150mm立方体试件抗压强度的变异系数,表达式：,式中：,标准试件,轴心抗拉试验,轴心抗拉强度标准值ftk,破坏,所测得极限拉应力,两端预埋d=20mm,将拉力机的夹具夹紧试件,两端钢筋，均匀受拉,的变形钢筋,1测定方法,(1)直接测试法,(2)间接测试法,P-破坏荷载,d-圆柱体直径或立方体边长,l-圆柱体长度或立方体边长,？,混凝土的强度指标是立方体强度是各种力学指标的基本代表值,4.复合应力状态下混凝土强度,1,2(压压)混凝土强度增加（第三象限）1,2(拉压)混凝土强度降低（第二、四象限）1,2(拉拉)混凝土强度基本不变（第一象限）,0,（1）双向正应力作用(如下图),（2）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（0.50.7)时,抗剪强度随压应力的增大而增大当/fc（0.50.7)时,抗剪强度随压应力的增大而减小当压应力在左右时，抗剪强度达到最大，压应力继续增大，则由于内裂缝发展明显，抗剪强度将随压应力的增大而减小。,200,50N/mm2,35N/mm2,1,2,2,10N/mm2,150,100,50,0,5,10,15,20,25,12(N/mm2),1(),（3）三轴受压（抗压强度提高）,混凝土圆柱体三向受压的轴心抗压强度与侧压的经验公式：,工程应用钢管砼、密配螺旋箍筋,纵向钢筋,螺旋箍筋,工程应用钢管混凝土、密配螺旋箍筋,二、混凝土的变形1、混凝土变形性能的特点,影响因素加载方式、荷载作用时间、温度、湿度、试验的尺寸、形状、混凝土强度等。,外荷载作用而产生的受力变形：,体积变形：包括温度变形和收缩变形,长期荷载作用下的变形,一次短期加载下的变形,重复荷载作用下的变形,分类,（1）混凝土的应力应变曲线,2.混凝土在单调、短期加载作用下的变形性能,受力过程：OA弹性阶段（0.3fc）AB弹塑性阶段（裂缝稳定阶段）（=0.3fc0.8fc）BX裂缝不稳定阶段：（=0.8fc1.0fc）,特征值fc：峰值应力（轴心抗压强度）0：对应于应力峰值点的应变规范c0=0.002cu：最大应变（混凝土极限压应变）规范cu=3.010-3,（2）影响混凝土轴心受压应力应变曲线的主要因素：混凝土的强度：,9,15,22,28,32,40,30,20,10,00.0010.0020.0030.004强度等级不同的混凝土的应力应变曲线,混凝土强度愈高，应力应变曲线下降愈剧烈，延性就愈差（延性是材料承受变形的能力）。,加载速度应变速率小，峰值应力fc降低，c0增大，下降段曲线坡度显著地减缓。测试技术和试验条件,应该采用等应变加载。试验机的刚度对下降段的影响很大。如果试验机的刚度不足，无法测出应力应变曲线的下降段。应变测量的标距也有影响，应变量测的标距愈大，曲线坡度陡；标距愈小，坡度愈缓。,C)承压板和试件上下表面之间涂以油脂润滑剂,不加油脂润滑剂的试验方法b）破坏状态,侧向约束试件的上下表面与试验机承压板之间存在摩阻力，破坏时，形成两个对顶叠置的截头方锥体。（测得的强度较高）试件的上下表面与试验机承压板之间涂抹润滑剂，其破坏形态如c)图所示。（测得的强度较低，应力应变曲线没有下降段）,k,c,c,ce,cp,h,（3）混凝土的模量抗压弹性模量（三种表示方法）原点弹性模量切线弹性模量割线弹性模量,（初始弹性模量）过原点作切线，该切线的斜率：,过应力应变曲线上某一点作切线，该切线的斜率：,切线模量,原点弹性模量,连接混凝土应力应变曲线的原点O及曲线上某一点K，该割线的斜率，也称割线模量或弹塑性模量，即,式中：,弹性特征系数，即,反映了混凝土的弹塑性性质，,越大，,越小,变形模量,(,),混凝土的剪切模量G：,混凝土的泊松比,规范中抗压弹性模量的测定方法用棱柱体标准试件，将应力增加到然后卸载至零，在0间加载510次，不断消除塑性变形，直至应力-应变曲线逐渐稳定成为直线，该直线斜率即为混凝土弹性弹性模量,由统计分析得经验公式为：,3、混凝土单轴向受压应力-应变曲线的数学模型国内外采用广泛的描述混凝土单轴向受压应力-应变曲线模型上升段为二次抛物线，下降段为斜直线。上升段：下降段：式中，峰值应变极限压应变,我国规范采用的混凝土单轴向受压应力-应变曲线模型该模型形式较简单，上升段采用二次抛物线，下降段采用水平直线。上升段：水平段：式中，参数取值如下：,、,4.混凝土在荷载长期作用下的变形徐变,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。,徐变定义：,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）,徐变产生的原因,塑性变形：混凝土中结合面裂缝的扩展延伸引起；只有当应力超过材料的弹性极限强度后才产生塑性变形，且具有不可恢复性。,徐变：应力不大时为混凝土内未结晶的水泥胶体的应力重分布所致（水泥石中的胶体具有流动的性质）；应力较大时，是混凝土内微裂缝发展的结果（裂缝促进徐变发展）；应力较小时就会发生，部分可恢复。,徐变和塑性变形的区别,影响混凝土徐变的因素,（1）加载龄期：加载龄期越老，水泥石晶体所占比重越大，胶体粘流就越小，徐变就越小。,当应力,时，徐变大致与应力成正比，,产生线性徐变。,（2）加载应力大小：,时，徐变急剧增加，不收敛。,产生非线性徐变。,时，徐变的增长较应力快，,当应力,当应力,工程应用,工程应用,预应力混凝土构件的预加力过高危险,应避免过早的施加预应力,（3）周围湿度：混凝土周围的湿度是影响徐变大小的主要因素之一，外界相对湿度越低，混凝土的徐变就越大。,（4）混凝土的组成成份和配合比：水泥用量、水灰比、水泥品种，养护条件等对徐变有影响，水泥用量多，水灰比大，徐变则大，水泥的活性越低，徐变越大。,徐变的作用,不利方面：引起挠度增大，造成预应力损失。,有利方面：减少由于支座不均匀沉降产生的应力；分散应力集中，引起应力重分布（由于徐变而使应力集中缓和）；降低温度应力。,应力重分布：某一个给定的截面在梁的不同阶段受拉区与受压区的应力相对初始弹性分布时期的变化。,5.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。,蒸汽养护,常温养护,0,5,10,15,20,0.1,0.2,0.3,0.4,收缩(103),时间(月),（2）收缩的原因,（3）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,构件未受荷之前产生裂缝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超静定结构产生次内力,（4）收缩对结构的影响,1.3钢筋与混凝土之间的粘结,一、粘结的作用,抵抗钢筋滑动，保证两种材料共同工作,二、粘结机理分析,三、影响粘结强度的因素,四、钢筋的锚固钢筋的最小锚固长度,主要内容：,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,T,d,max,（2）粘结应力分析(以拉拔试验为例),钢筋埋入混凝土的长度称为锚固长度。,结论：,粘结应力分布呈曲线形；光圆钢筋和带肋钢筋的粘结应力分布图形不同；带肋钢筋与混凝土的粘结强度比光圆钢筋高得多。,钢筋的粘结应力分布图a)光圆钢筋情况b)带肋钢筋情况,（MPa）,（MPa）,（MPa）,（MPa）,a),b),（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）,（3）破坏过程:,.3.影响粘结强度的主要因素:,混凝土的强度等级混凝土的强度等级。混凝土强度等级越高，粘结强度越大；混凝土保护层厚度及钢筋净距。混凝土保护层较薄时