河海大学钢砼第1章.ppt

1,第1章混凝土结构材料的物理力学性能,1.2混凝土的物理力学性能,1.3钢筋和混凝土的粘结,1.1钢筋的物理力学性能,2,学习目标,1.掌握钢筋混凝土结构中常用钢筋的品种、强度等级和符号。2.掌握钢筋的强度性能和变形特点及设计强度取值。3.掌握混凝土的强度等级及其他强度指标的确定方法，了解混凝土在荷载作用和温湿度变化时的变形性能。4.掌握钢筋与混凝土之间的粘结性能，理解保证黏结的工程构造措施。,3,1.1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可以分为：,碳素钢,低合金钢,低碳钢（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,有害元素：硫、磷,Steelbar,4,二、钢筋的表面形状,光圆钢筋,带肋钢筋,表面光滑,表面肋纹,螺旋纹,人字纹,月牙肋,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,5,三、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,6,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,7,热轧钢筋,光圆钢筋公称直径：6、8、10、12、14、16、18、20、22,变形钢筋公称直径：6、8、10、12、14、16、18、20、22、25、28、32、36、40、50,8,一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,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,9,钢筋拉伸试验图,oa：弹性阶段a：比例极限b：屈服上限c：屈服下限或屈服点cd：屈服平台de：强化阶段e：极限抗拉强度ef：颈缩阶段,热轧钢筋,（2）力学性能,单向拉伸应力应变曲线,10,热轧钢筋,（2）力学性能,单向拉伸应力应变曲线,弹性阶段,屈服阶段,强化阶段,破坏阶段,颈缩,设计时取屈服强度fy还是极限抗拉强度fu作为设计的依据？为什么？,11,设计时取屈服强度fy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/fu：反映钢筋的强度储备，fy/fu=0.60.7。,12,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,13,GB50010-2010新规范：,14,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。,15,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,okde,放置相当一段时间后重新张拉,okde,高温下短时间后重新张拉,okde,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）钢筋的冷加工,热轧钢筋,冷拉强化,16,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。,（3）钢筋的冷加工,热轧钢筋,17,预应力钢丝、钢绞线、热处理钢筋,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。,无明显屈服点的钢筋,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=0.85b。,硬钢的应力-应变曲线,18,四、钢筋的弹性模量,五、钢筋的疲劳强度,疲劳破坏：钢筋在承受重复、周期动荷载作用下，经过一定次数后，从塑性破坏的性质转变成脆性突然断裂的现象。疲劳强度:在某一规定应力幅度内，经受某一规定次数循环加载后，才发生疲劳破坏的最大应力值。,疲劳应力比：,20,重复次数：我国规范取200万次应力比越小，疲劳强度越小。200万次时，疲劳强度约为0.440.55fy,水工建筑中，一般可不验算材料的疲劳强度。,五、钢筋的疲劳强度,试验方法：钢筋埋入混凝土中重复受拉或受弯与单根钢筋的轴拉疲劳,21,六、钢筋砼结构对钢筋性能的要求,（1）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、三级的框架结构，其纵向受力钢筋的实际强屈比不应小于1.25。,（2）塑性：要求钢筋在断裂前有足够的变形能力。,22,六、钢筋砼结构对钢筋性能的要求,（3）可焊性：要求钢筋焊接后不产生裂缝和过大的变形，焊接接头受力性能良好。（4）与混凝土的粘结力：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。,23,2.2混凝土的力学性能,混凝土（Concrete）是由水泥、砂、石子和水等按一定比例配合搅拌而成的人造石材，不是匀质弹性材料。,24,2.2混凝土的力学性能,一、混凝土的强度,25,2.2混凝土的力学性能,一、混凝土的强度,在钢筋混凝土结构中，混凝土主要用于抗压。,1、影响混凝土强度的因素,影响混凝土强度的因素很多，可以总结为以下几方面：,材料,水泥用量、水泥强度、水灰比、骨料品种、配合比等,浇筑、养护,捣制方法、养护温度、湿度等,试验方法,试件形状、尺寸、加载速度等,26,试验方法,试件形状、尺寸、加载速度等,（1）试件形状,150150150,150150450,A,B,A、B试块，材料、养护条件等均相同，二者强度的大小关系？,AB，为什么？,27,压力,试件产生横向变形,加载板与试件间产生摩擦阻力，对试块的横向变形产生约束，且约束的大小随着离接触面的垂直距离的增大而减小。,产生摩擦阻力,产生摩擦阻力,产生摩擦阻力,产生摩擦阻力,对试件中部的约束AB，所以，抗压强度AB。,加强对混凝土横向变形的约束，可以提高其抗压强度。,试验方法,试件形状、尺寸、加载速度等,（1）试件形状,28,（2）试块尺寸,A,B,C,100100100,150150150,200200200,A、B、C三个试块，材料、养护条件等均相同，三者强度的大小关系？,ABC，为什么？,试验方法,试件形状、尺寸、加载速度等,29,（3）润滑剂,A,150150150,B,150150150,涂润滑剂,涂润滑剂,A、B两个试块，材料、养护条件等均相同，二者强度的大小关系？,（AB）,试验方法,试件形状、尺寸、加载速度等,30,（4）加载速度,（5）加载龄期,加载速度越快，测得的强度越高。,加载龄期越长，测得的强度越高。,影响混凝土强度的因素，尤其是试验方法对强度的影响因素众多，因此，如何区分不同级别的混凝土？规范规定：混凝土的强度等级用“立方体抗压强度”来划分。,试验方法,试件形状、尺寸、加载速度等,31,立方体抗压强度fcu,k,用标准试块按照标准方法测得的强度,采用边长为150mm的立方体试件，在温度203，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fcu,k，作为划分混凝土强度等级的依据。,2、,32,立方体抗压强度fcu,k,2、,立方体和圆柱体抗压试验都不能代表混凝土在实际构件中的受力状态，只是用来在同一标准条件下比较混凝土强度水平和品质的标准（制作、测试方便）。,欧洲砼协会、美国、加拿大、日本等,国外测定混凝土抗压强度等级的试件形状,33,立方体抗压强度fcu,k,2、,水工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10个强度等级：C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60,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,水利水电工程中钢筋混凝土结构的混凝土强度等级不宜低于C15HRB335钢筋混凝土结构的混凝土强度等级不宜低于C20HRB400、RRB400钢筋混凝土结构的混凝土强度等级不应低于C20预应力混凝土结构的混凝土强度等级不应低于C30当采用钢绞线、钢丝作预应力筋时，混凝土强度等级不宜低于C40,34,混凝土强度等级选用原则,35,fckfcu,k,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，比值平均值为0.76。,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：,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。,轴心抗压强度fck,3、,采用边长为150mm150mm300mm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。,36,轴心抗拉强度ftk,轴心抗拉强度ftk远小于轴心抗压强度fck，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,4、,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,37,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：,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：,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ftk,4、,38,不同强度等级混凝土的fck、ftk的值可查附录2中的附表6。,fcu,k、fck、ftk的大小关系？,39,复合应力状态下的混凝土强度,5、,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。,I,40,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,-0.1,41,三向受压状态：,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。,42,二、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,水化时的收缩与膨胀,43,1、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0.3fc0.8fc(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,44,fc,fc：最大应力值，轴心抗压强度。,0：最大应力值对应的应变，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,45,在普通试验机上采用等应力速度加载，达到轴心抗压强度fc时，试验机中集聚的弹性应变能大于试件所能吸收的应变能，会导致试件产生突然脆性破坏，只能测得应力-应变曲线的上升段。采用等应变速度加载，或在试件旁附设高弹性元件与试件一同受压，以吸收试验机内集聚的应变能，可以测得应力-应变曲线的下降段。,46,（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，与应力峰值点对应的应变0大致为0.002。,混凝土强度越高，曲线越陡，cu越小，延性越差。,47,（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。,48,混凝土破坏机理,49,（4）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。,通常取t0=0.00015。,50,重复荷载下混凝土的强度和变形-疲劳,a）一次加载卸载b)多次加载卸载混凝土在短期重复荷载下的应力应变关系曲线,51,多次重复加载下混凝土的应力应变关系当应力峰值小于混凝土的疲劳强度时：每次循环形成环状，面积逐渐减少，直至成直线；当应力峰值大于混凝土的疲劳强度时：开始的数次循环中，与小应力的相似；直线后，曲线凸凹方向改变，斜率降低，裂缝和变形严重。,52,混凝土的疲劳强度疲劳破坏：因荷载重复作用而引起的破坏（拉、压）疲劳强度：产生疲劳破坏所需要重复荷载的最小应力峰值：疲劳强度疲劳强度修正系数砼强度,53,（5）砼的弹性模量和变形模量,匀质弹性材料,0,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,54,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,切线模量Ec,混凝土应力应变曲线上任一点应力增量与应变增量之比（切线的斜率）。,随着应力增加而减小,弹性系数,55,弹性模量测定,（5）混凝土轴向受拉时的应力应变关系,56,2、混凝土在荷载长期作用下的变形,在长期不变荷载作用下，应力不变，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2-3倍。3、徐变可部分恢复。,（2）徐变原因：混凝土中未晶体化的水泥凝胶体，在持续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，混凝土内部裂缝不断发展也使变形增加。,57,（3）影响徐变的因素：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。,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。,应力：,持续作用的应力值越大，徐变越大。,58,（3）影响徐变的因素：加载龄期：,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。,59,（4）徐变对结构的影响：,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。,60,（5）徐变与塑性变形的区别,发生机理徐变：低应力状态凝胶体高应力状态微裂纹塑性变形：应力较大，超过弹性极限，界面等裂纹开展是否可以恢复？徐变：可部分恢复塑性变形：不可恢复,61,3、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。,62,混凝土的收缩是随时间而增长的变形，早期收缩变形发展较快，两周可完成全部收缩的25%，一个月可完成50%，以后变形发展逐渐减慢，整个收缩过程可延续两年以上。,混凝土的收缩与膨胀影响因素,63,（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。,64,墙板干燥收缩裂缝与边框架的变形,65,2.3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，