混凝土结构设计原理(新规范)_钢筋和混凝土材料的基本性能PPT演示课件

第2章钢筋和混凝土材料的基本性能,本章主要内容,钢筋的材料性能混凝土的材料性能混凝土与钢筋的粘结,本章提要,材料性能（物理力学性能）钢筋的强度、变形性能混凝土的强度、变形性能钢筋与混凝土之间的粘结-滑移性能重点混凝土的强度、变形性能本章在本课程中的作用后续各章的基础,钢筋的成分、级别和种类钢筋的强度和变形性能（重点）混凝土结构对钢筋性能的要求,2.1钢筋的基本性能,2.1.1钢筋的品种和级别,混凝土结构中的钢筋,热轧钢筋的符号说明,hotrolledplainbarfyk=300N/mm2,hotrolledribbedbarfyk=335N/mm2,hotrolledribbedbarfyk=400N/mm2,remainedheattreatmentribbedbarfyk=400N/mm2,2.1.1钢筋的品种和级别,2.1.1钢筋的品种和级别,普通钢筋强度标准值（N/mm2）HPB300d=820fyk=300HRB335,HRBF335d=650fyk=335HRB400,HRBF400,RRB400d=650fyk=400HRB500，HRBF500d=840fyk=500主要成分：铁其他成分：碳、锰、硅、磷、硫等碳素钢：低碳钢（含碳量0.25%）；中碳钢（0.25%0.6%）高碳钢（0.6%1.4%）。含碳量高，强度高，延性差锰、硅：可提高钢材强度，保持一定的塑性,热轧钢筋的外形,2.1.1钢筋的品种和级别,2.1.1钢筋的品种和级别,预应力钢筋外形,普通钢筋一般为软钢；预应力筋一般为硬钢。从受力性能分：软钢；硬钢,2.1.2钢筋的强度和变形性能,钢筋的应力应变曲线（有明显流幅的钢筋,软钢）,比例极限,弹性极限,屈服上限,屈服下限,屈服平台,强化阶段,颈缩阶段,钢筋的两个强度指标:屈服强度和极限强度屈服强度作为钢筋设计强度取值依据,钢筋的应力应变曲线（无明显流幅的钢筋,硬钢）,2.1.2钢筋的强度和变形性能,条件屈服强度：取残余应变为0.2%所对应的应力,钢筋的塑性性能,钢筋的两个塑性指标:延伸率和冷弯性能,延伸率试验,冷弯试验,2.1.2钢筋的强度和变形性能,最大力下的总伸长率,普通钢筋及预应力筋在最大力下的总伸长率gt应不小于附表5的规定的数值。,2.1.2钢筋的强度和变形性能,软钢与硬钢的区别软钢：有明显的屈服平台、屈服强度，极限强度硬钢：只有极限强度，人为规定“条件屈服强度”设计取值依据屈服强度（软钢）、条件屈服强度（硬钢）钢筋的屈强比=屈服强度/极限强度0.8钢筋的延性（ductility）钢筋在强度无显著降低情况下抵抗变形的能力（屈服后的变形能力）.软钢延性好，硬钢延性较差。弹性模量：弹性极限以下应力-应变曲线的斜率,2.1.2钢筋的强度和变形性能,钢筋的疲劳性能钢筋的疲劳是钢筋在承受重复、周期性的动荷载作用下，经过一定次数后突然脆性断裂的现象。钢筋疲劳断裂的主要原因是应力集中。钢筋的疲劳强度是指在一定规定应力幅度内，经受一定次数的循环荷载后发生疲劳破坏的最大应力值。与应力变化的幅值、最小应力值、钢筋外表面几何尺寸及形状等因素有关。钢筋疲劳断裂试验有两种方法：一种是直接进行单根原状钢筋拉试验；一种是将钢筋埋入混凝土中使其重复受拉或受弯试验。,2.1.3钢筋的冷加工,冷拉冷拉是在常温下用机械方法将有明显流幅的钢筋拉到超过屈服强度即强化阶段中的某一应力值，然后卸载至零。冷拉强化：冷拉控制应力必须超过屈服点，进入强化阶段。屈服强度提高，屈服平台消失，极限强度未提高，延性降低冷拉时效：钢筋经首次冷拉后，在自然条件下一段时间后进行第二次张拉，屈服强度和极限强度均提高，且恢复屈服台阶。只能提高抗拉强度，抗压屈服强度将降低。,2.1.3钢筋的冷加工,2.1.3钢筋的冷加工,冷拔冷拔一般是将6的HPB235热轧钢筋强行拔过小于其直径的硬质合金拔丝模具。可同时提高抗拉和抗压强度。冷加工目的是节约钢材和扩大钢筋的应用范围。混凝土规范不提倡冷拉钢筋，已取消冷拉钢筋.,2.1.4混凝土结构对钢筋性能的要求,适当的屈强比0.8足够的塑性HPB300：不小于10.0%；HRB400HRB500:不小于7.5%预应力筋：不小于3.5%可焊性耐久性耐火性与混凝土具有良好的粘结抗低温性能,混凝土的强度混凝土的变形性能,2.2混凝土的基本性能,2.2.1混凝土的强度,简单受力状态下混凝土的强度立方体抗压强度(uniaxialcompressivecubestrength)轴心抗压强度(uniaxialcompressivestrength)轴心抗拉强度(uniaxialtensilestrength)复杂受力状态下混凝土的强度双轴受力强度三轴受力强度剪压及剪拉强度,2.2.1混凝土的强度,简单受力状态下混凝土的强度立方体抗压强度混凝土立方体抗压强度试验方法边长为150mm的标准立方体试块、在标准条件下养护28d或设计规定龄期后，以标准试验方法测得的破坏时的平均压应力为混凝土的立方体抗压强度。注：对掺加粉煤灰等时，规定龄期为60、90天等。立方体抗压强度标准值fcu,k按上述规定所测得的具有95%保证率的抗压强度称为混凝土的立方体抗压强度标准值。混凝土强度等级混凝土规范规定：混凝土强度等级按立方体抗压强度标准值确定,2.2.1混凝土的强度,混凝土强度等级的分级按fcu,k划分为14级，即C15C80，级差5MPa。符号C35C：立方体(Cube)35：立方体抗压强度标准值，单位N/mm2当C50时，普通混凝土（normal-strengthconcrete）当C50时，高强混凝土（high-strengthconcrete）fcu,k是混凝土各种强度指标的基本代表值,混凝土受压破坏机理,骨料之间的微裂缝是内因纵向受压破坏是横向拉裂造成的。,影响立方体抗压强度的因素,材料组成尺寸效应加载速度端部约束，环箍效应混凝土的龄期,骨料之间的微裂缝,2.2.1混凝土的强度,2.2.1混凝土的强度,影响因素分析材料组成：最主要因素，在材料组成一定时，还有下列因素加载速度：加载速度快，微裂缝不能充分扩展，强度高试验条件：试件上、下表面不涂油，横向变形受到约束，强度高（“套箍”效应你）试件尺寸：尺寸大，内部缺陷相对较多，端部摩擦力影响相对较大，强度低龄期：龄期长，试件强度高,简单受力状态下混凝土的强度轴心抗压强度轴心（棱柱体）抗压强度fc,采用棱柱体试件，能够反映混凝土的实际工作状态。我国取150150300mm为标准试件，按与立方体试验相同的规定所得的平均应力值，为fc。棱柱体高度取值的原因：摆脱端部摩擦力的影响试件不致失稳,立方体抗压强度与轴心抗压强度之间的关系,棱柱体强度与立方体强度的比值,混凝土考虑脆性的折减系数,结构中混凝土与试件混凝土的强度差异修正系数,2.2.1混凝土的强度,2.2.1混凝土的强度,棱柱体试件尺寸,试件强度不受端部摩擦力和附加偏心距的影响。中间处于均匀受压状态。,解决问题的思路由已知求未知，由简单方法解决复杂问题确定方法：对比试验,2.2.1混凝土的强度,轴心抗压强度试验值修正值:棱柱体强度与立方体强度之比值，C50及以下取=0.76，对C80取=0.82，中间按线性规律变化取值；为混凝土考虑脆性的折减系数，对C40取=1.00，对C80取=0.87，中间按线性规律变化取值；0.88:考虑结构中混凝土强度与试件混凝土强度之间的差异而采取的修正系数。,简单受力状态下混凝土的强度轴心抗拉强度轴心抗拉强度ft,混凝土的抗拉强度远低于抗压强度对于普通混凝土，抗拉强度约1/17-1/8的抗压强度对于高强混凝土，抗拉强度约1/24-1/20的抗压强度,轴心抗拉强度的试验方法,直接受拉试验劈裂试验弯折试验,2.2.1混凝土的强度,简单受力状态下混凝土的强度轴心抗拉强度直接受拉试验,轴心抗拉强度与立方体抗压强度平均值之间的关系,轴直接受拉试验的缺点:容易引起偏拉破坏,2.2.1混凝土的强度,2.2.1混凝土的强度,对比试验结果,简单受力状态下混凝土的强度轴心抗拉强度劈裂试验,弯折试验,2.2.1混凝土的强度,2.2.1混凝土的强度,圆柱体劈裂试验,复杂受力状态下混凝土的强度双轴应力状态,研究文献来源:H.Kupfer,H.K.Hilsdorf,H.Rusch,Behaviourofconcreteunderbiaxialstresses,ACIJ.66(1969)656-666.,研究方法,方形板试件,施加法向应力1,施加法向应力2,板处于平面应力状态,2.2.1混凝土的强度,复杂受力状态下混凝土的强度双轴应力状态,双等拉,双等压,-1.26,双向受拉的破坏强度接近于单轴抗拉强度。,双向受压的破坏强度高于单轴抗压强度。,一拉一压的破坏强度低于相应的单轴受力强度。,双轴受压的强度最大值不是发生在双轴等压的情况下,而是发生在1/20.5时。,2.2.1混凝土的强度,复杂受力状态下混凝土的强度双轴应力状态,双向受拉的破坏强度接近于单轴抗拉强度。,双向受压的破坏强度高于单轴抗压强度。,一拉一压的破坏强度低于相应的单轴受力强度。,双轴受压的强度最大值不是发生在双轴等压的情况下,而是发生在1/20.5时。,2.2.1混凝土的强度,复杂受力状态下混凝土的强度三轴受压状态,侧向等压（常规三轴）的情况,通过液体静压力对圆柱体试件施压,当侧向压力较较高低时,上式不再为线性关系,可采用蔡绍怀经验公式,当侧向压力较低时,对于普通混凝土,2.2.1混凝土的强度,复杂受力状态下混凝土的强度剪压或剪拉复合应力状态,试验结果,岗岛达雄的试验结果,试验结论随着拉应力的增加，混凝土抗剪强度降低；随着压应力的增加，抗剪强度先增大、后减小；达到轴心抗压强度时，抗剪强度为零；当拉应力约为0.1fc时，抗剪强度为零。,2.2.1混凝土的强度,2.2.2混凝土的变形性能,混凝土的变形受力变形一次短期加载下的变形(重点)：轴压、轴拉、复合应力状态下承载力计算；非线性分析荷载长期作用下的变形（徐变）：变形和裂缝宽度计算；预应力损失重复荷载作用下的变形（疲劳性能）：确定弹性模量；疲劳验算体积变形收缩变形：收缩裂缝；预应力损失温度变形：温度应力裂缝防止温度、收缩裂缝的构造措施,A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-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sA约为(0.30.4)fc，对高强混凝土sA可达(0.50.7)fc。,A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-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B点的应力作为混凝土的长期抗压强度。普通强度混凝土sB约为0.8fc，高强强度混凝土sB可达0.95fc以上。,达到C点fc，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e0，约为0.002。,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，裂缝连通形成斜向破坏面。E点的应变e=(23)e0，应力s=(0.40.6)fc。,2.2.2混凝土的变形性能,1.单调短期加载下的变形性能轴心受压的应力-应变关系,4,8,a点前内部裂缝没有发展，应力应变近似直线。,b点称为临界应力点,内部裂缝有发展,但处于稳定状态,c点的应变称为峰值应变,约为0.002,内部裂缝延伸到表面，c点后出现应变软化,d点为极限压应变,对普通混凝土取0.0033。,2.2.2混凝土的变形性能,应力-应变曲线特点oa段：即应力比0.3时，应力-应变关系接近于直线，故a点相当于混凝土的弹性极限。ab段：当应力比约为（0.30.8）时，应力-应变关系偏离直线，应变的增长速度比应力增长快，故b点称为临界应力点。bc段：当应力比约为（0.81.0）时，应变增长速度进一步加快，应力-应变曲线的斜率急剧减小，混凝土内部微裂缝进入非稳定发展阶段。当应力到达c点时，混凝土发挥出受压时的最大承载能力，即轴心抗压强度（极限强度），相应的应变值称为峰值应变。cd段：下降段，由滑移面上的摩擦咬合力和混凝土柱体的残余强度提供,2.2.2混凝土的变形性能,应力-应变曲线上三个特征点峰值应力：材料的最大承载力峰值应变：与峰值应力相应的应变极限压应变：试件破坏时的最大应变值混凝土材料的延性混凝土试件在强度没有显著降低情况下承受变形的能力混凝土强度越高，越大；越小；材料的脆性越明显问题：混凝土应力-应变曲线如何表达？数学表达式,2.2.2混凝土的变形性能,混凝土单轴受压应力-应变关系模型（本构模型）应力-应变关系模型是应力-应变曲线的数学表达式，可根据某一应变值求出相应的应力值。应用：承载力计算；混凝土结构非线性分析本节给出的两个应力-应变关系模型，一般用于结构的非线性分析。Hognestad模型（早期）上升段下降段,混凝土规范规定的单轴受压应力-应变关系模型,4,8,公式根据清华大学1979年的受压全曲线所得。,2.2.2混凝土的变形性能,混凝土轴心受拉的应力-应变关系,轴心受拉的应力-应变关系,混凝土规范建议的单轴受拉应力-应变关系模型,公式来源：过镇海，张秀琴.混凝土受拉应力应变全曲线的试验研究.建筑结构学报，1988(4).45-53,2.2.2混凝土的变形性能,2.2.2混凝土的变形性能,混凝土在复合应力下的应力-应变关系三轴受压：随侧向压应力增加，纵向强度和变形能力均提高。侧向压力约束了混凝土横向变形，限制了横向膨胀和内部微裂缝的扩展。（约束混凝土）,2.2.2混凝土的变形性能,螺旋箍筋圆柱体约束混凝土在接近混凝土单轴抗压强度之前，横向钢筋几乎不受力，混凝土基本不受约束。轴向压力大于单轴抗压强度时，轴向强度和变形能力均提高，横向钢筋越密，提高幅值越大。螺旋筋能使核心混凝土在侧向受到均匀连续的约束力，其效果较普通箍筋好，因而强度和延性的提高更为显著。普通箍筋约束混凝土柱,2.2.2混凝土的变形性能,2.混凝土在重复荷载作用下的变形性能一次加载、卸载下的应力-应变曲线总应变=弹性应变+弹性后效+残余应变加载、卸载形成环状，其面积为加载、卸载过程中消耗的能量卸载曲线在A点的切线与加载曲线在原点的切线平行,2.2.2混凝土的变形性能,多次重复荷载作用下的应力-应变曲线当加载、卸载的最大压应力值不超过某个限值时，每次加载、卸载过程都将形成塑性变形。经多次重复后，塑性变形将不再增长，混凝土加、卸载的应力-应变曲线呈直线变化，且此直线大致与第一次加载时的原点切线平行。当应力值超过一特定值之后，出现直线后就产生反向弯曲。应变越来越大，就会发生破坏，即疲劳破坏。该特定值就是混凝土的疲劳强度。,2.2.2混凝土的变形性能,混凝土的弹性模量、剪变模量和泊松比混凝土的变形模量初始弹性模量：过原点切线的斜率。切线模量：过某一点切线的斜率。（增量理论）割线模量：某一点与原点连线的斜率。（全量理论）,2.2.2混凝土的变形性能,混凝土弹性模量初始弹性模量不易准确测定；多次重复加载、卸载后，应力-应变曲线变为直线，且与原点切线平行。我国规范规定用下述方法测定混凝土弹性模量：将棱柱体试件加载至应力，重复加载、卸载各5次后，应力-应变曲线基本上趋于直线，将应力-应变曲线上与0.5N/mm2的应力差与相应的应变差的比值作为弹性模量。,2.2.2混凝土的变形性能,混凝土弹性模量与立方体抗压强度之间的关系混凝土弹性模量是试验结果的试验平均值，保证率50%;弹性模量随立方体强度标准值非线性增长;混凝土受拉与受压弹性模量相同.混凝土的泊松比混凝土的剪变模量,3.混凝土在荷载长期作用下的变形性能,徐变在不变的应力长期持续作用下，混凝土的变形随时间徐徐增长的现象称为混凝土的徐变。,瞬时变形,徐变变形,卸载时瞬时恢复的变形,残余变形,卸载后的弹性后效,2.2.2混凝土的变形性能,徐变的特点先快后慢，最后趋于稳定徐变的原因水泥凝胶体的黏性流动，使骨料应力增大混凝土中内部微裂缝的发展影响徐变的因素应力的大小线性徐变，徐变与应力成正比非线性徐变，徐变增长速度比应力增长快徐变与时间曲线发散。,2.2.2混凝土的变形性能,2.2.2混凝土的变形性能,影响徐变的因素混凝土组成和配合比骨料（不产生徐变）多，徐变小；水泥用量和水灰比大（混凝土中凝胶体比重大），徐变大。环境条件湿度低，温度高，徐变大（高温干燥下，砼水份逸失较多，转化为水泥结晶体的水泥浆少，凝胶体较多）；龄期短，徐变大。注：徐变是受力变形，有应力存在就有徐变变形；徐变方向与受力方向一致，有受拉、压徐变；徐变随时间变化。,2.2.2混凝土的变形性能,徐变对结构的影响（研究徐变的意义）1）使钢筋混凝土构件截面产生内力重分布：混凝土应力减小，钢筋应力增大。2）使受弯构件和偏压构件的变形加大：徐变使截面受压区变形增大，引起受弯构件挠度增大，偏压构件偏心距增大。3）使预应力混凝土构件产生预应力损失：预压力使混凝土产生徐变，构件缩短，引起预应力损失。,混凝土的收缩,混凝土在空气中结硬时其体积会缩小，这种现象称为混凝土的收缩。使结构产生收缩裂缝，引起预应力损失。,混凝土的膨胀,混凝土的温度变形,温度变化会使混凝土热胀冷缩，在结构中产生温度应力，甚至会使构件开裂以至于损坏。,2.2.2混凝土的变形性能,混凝土在水中结硬时体积会膨胀，称为混凝土的膨胀。,粘结应力的概念及特点粘结破坏机理及影响因素钢筋的锚固,2.3钢筋与混凝土的粘结,本节内容,2.3.1一般概念粘结应力；粘结强度2.3.2粘结应力的特点光面钢筋；变形钢筋2.3.3粘结破坏机理光面钢筋；变形钢筋2.3.4影响粘结强度的因素2.3.5钢筋的锚固和连接应用：锚固长度，连接长度，延伸长度混凝土结构非线性分析,2.3.1一般概念,粘结应力(粘结力)效应,钢筋与混凝土接触面上所产生的沿钢筋纵向的剪应力。,粘结强度抗力,粘结失效（钢筋被拔出或混凝土被劈裂）时的最大粘结应力。,粘结应力的分类,锚固粘结应力裂缝附近的局部粘结应力,2.3.1一般概念,粘结应力分类锚固粘结应力：钢筋伸入支座，负弯矩钢筋在某处截断-钢筋的锚固长度和延伸长度局部粘结应力：裂缝附近的局部粘结应力-裂缝宽度和变形计算,la,锚固粘结应力,fy,F=0,悬臂梁的纵筋锚固,锚固长度,裂缝附近的局部粘结应力,开裂截面处的钢筋应力通过粘结应力向混凝土传递,2.3.1一般概念,2.3.2粘结应力的特点,粘结应力的特点,粘结应力分布的中心拔出试验,百分表,试件,承压垫板,穿孔球铰,试验机垫板,粘结应力的特点,钢筋应力及粘结应力的分布,变形钢筋粘结性能比光面钢筋好。光圆钢筋应力峰值靠近加载端，粘结应力增长缓慢。变形钢筋粘结应力分布长度缓慢增长，粘结应力峰值显著增大。,2.3.2粘结应力的特点,2.3.3粘结破坏机理,光圆钢筋的粘结破坏,粘结力的组成化学胶着力：混凝土中水泥凝胶体与钢筋表面的化学胶着力；占的比例较小。摩擦力：钢筋与混凝土接触面间的摩擦力机械咬合力：钢筋表面粗糙不平的机械咬合力,2.3.3粘结破坏机理,光圆钢筋的粘结破坏破坏过程加载端滑移（oa）中间部分滑移（ab）自由端滑移（b）拔出前整体滑移（bc）光圆钢筋的粘结作用，在出现相对滑移前主要取决于化学胶着力，发生滑称后则由摩擦力和机械咬合力提供。光圆钢筋拔出试验的破坏形态，为钢筋从混凝土中被拔出的剪切破坏，其破坏面就是钢筋与混凝土的接触面。,变形钢筋的粘结破坏,粘结力的组成仍为化学胶着力、摩擦力、机械咬合力，但主要为机械咬合力。变形钢筋的-s曲线,刮犁式破坏,2.3.3粘结破坏机理,变形钢筋的粘结破坏,劈裂式破坏的条件:钢筋外围砼薄而且没有环向箍筋刮犁式破坏的条件:钢筋外围砼厚或有环向箍筋约束刮犁式破坏模式,内部斜裂缝,斜向挤压力,径向分力,环向挤压力,径向裂缝,变形钢筋处的挤压力和内部裂缝,2.3.3粘结破坏机理,2.3.4影响粘结强度的因素,影响粘结强度的因素,混凝土强度:粘结强度大致与混凝土抗拉强度成线性关系保护层厚度和钢筋净间距：二者越大，粘结强度越高钢筋的外形：变形钢筋粘结强度高横向配筋：提供侧向约束，延缓或阻止劈裂裂缝发展侧向压应力：使摩擦力的机械咬合力增大受力状态：重复荷载或反复荷载使粘结强度退化,2.3.5钢筋的锚固和连接,钢筋的锚固设计锚固长度，搭接长度，延伸长度钢筋的锚固和连接的实质是粘结问题钢筋锚固：通过混凝土中钢筋埋置段或机械措施，将钢筋所受力传递给混凝土，使钢筋埋置于混凝土而不被拔出。锚固是钢筋如何将力传给混凝土的问题直钢筋的锚固带弯钩、弯折钢筋的锚固机械锚固,（a）90弯钩（b）135弯钩（c）一侧贴焊锚筋,（d）两侧贴焊锚筋（e）穿孔塞焊锚板（f）螺栓锚头,锚固设计原理强度极限状态钢筋与混凝土之间的粘结应力达到粘结强度主要适用于直钢筋的锚固问题刚度极限状态钢筋与混凝土之间的相对滑移增长过速的状态主要适用于带弯钩和弯折钢筋的锚固问题,最大粘接应力点,滑移速率变化点,2.3.5钢筋的锚固和连接,受拉钢筋的锚固长度临界锚固长度lacr,锚固极限状态时钢筋应力与屈服强度的比值。,平衡粘结强度tu,2.3.5钢筋的锚固和连接,临界锚固长度lacr,受拉钢筋的基本锚固长度,钢筋的外形系数，光面钢筋取0.16，带肋钢筋取0.14。,受拉钢筋的基本锚固长度lab,