第1章钢筋和混凝土材料的物理力学性能及其相互作用

第1章钢筋和混凝土材料的物理力学性能及其相互作用,主讲教师：朱美春单位：建筑工程学院,材料的力学性能,钢筋,混凝土,两者间的粘结,强度,变形,粘结破坏的过程和机理,钢筋种类：热轧钢筋、热处理钢筋、冷加工钢筋、钢丝或钢绞线,一、钢筋的强度和变形1.钢筋的级别和品种,HPB235（HotRolledPlainSteelBar）热轧光面钢筋Q235HRB335（HotRolledRibbedSteelBar）热轧带肋钢筋20MnSiHRB400（HotRolledRibbedSteelBar）热轧带肋钢筋20MnSiV,20MnSiNb,20MnTiRRB400（RemainedheattreatmentRibbedSteelBar）余热处理钢筋,常用热轧钢筋的分类,主要成分为铁元素，还含有少量的碳、硅、锰、硫、磷等元素，力学性能主要与碳的含量有关：含碳量越高，则钢筋的强度越高，质地硬，但塑性变差。若含碳量低于0.25，则称为低碳钢，钢筋混凝土结构中多应用的是低碳钢。20MnSi前面的20指的是平均含碳量的万分数，其他化学元素的含量在1.5以下。,热轧钢筋的成分,HPB235：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。,热轧钢筋的性能特点,一、钢筋的强度和变形2.钢筋的应力-应变曲线,上屈服点不稳定,下屈服点,出现颈缩,拉断,BC段为屈服平台CD段为强化段,有明显流幅的钢筋,无明显流幅的钢筋,钢筋受压和受拉时的应力-应变曲线几乎相同,一、钢筋的强度和变形2.钢筋的应力-应变曲线,强度指标,明显流幅的钢筋：屈服强度定义为屈服下限，它是钢筋混凝土构件计算的强度限值，这是因为钢筋屈服后会产生大的塑性变形，钢筋混凝土构件会产生不可恢复的变形和不可闭合的裂缝，以至不能使用强屈比为极限强度与屈服强度的比值，热轧钢筋通常在1.41.6之间。,*无明显流幅的钢筋：残余应变为0.2%时所对应的应力作为条件屈服强度,一、钢筋的强度和变形2.钢筋的应力-应变曲线,变形指标,*伸长率：钢筋拉断后的伸长与原长的比值,*冷弯要求：将直径为d的钢筋绕直径为D的钢辊弯成一定的角度而不发生断裂,不同钢筋应力应变关系的比较,一、钢筋的强度和变形3.钢筋的冷加工和热处理,冷拉,无时效,经时效,K点的选择：应力控制和应变控制,特性：只提高抗拉强度，不提高抗压强度，强度提高，塑性下降,一、钢筋的强度和变形3.钢筋的冷加工和热处理,冷拔,经过冷拔后钢筋没有明显的屈服点和流幅,冷拔既能提高抗拉强度又能提高抗压强度,一、钢筋的强度和变形3.钢筋的冷加工和热处理,热处理,对特定钢号的钢筋进行淬火和回火处理,强度提高，塑性降低,不降低强度的前提下，消除由淬火产生的内力，改善塑性和韧性,一、钢筋的强度和变形4.钢筋的徐变和松弛,徐变,应力不变，随时间的增长应变继续增加,松弛,长度不变，随时间的增长应力降低,对结构，尤其是预应力结构，产生不利的影响，需采取必要的措施,一、钢筋的强度和变形5.钢筋的疲劳,重复荷载作用下，钢筋的强度静载作用下的强度,规定的应力幅度内，经一定次数的重复荷载后，发生疲劳破坏的最大应力值称为疲劳强度。对钢筋用疲劳应力幅来表示其疲劳强度。,试验方法,单根钢筋的轴拉疲劳,钢筋埋入混凝土中重复受拉或受弯,一、钢筋的强度和变形6.混凝土结构对钢筋的要求,强度要求：屈服强度和极限强度，抗震设计时还要求有一定的屈强比,塑性要求：伸长率和冷弯要求,可焊性,与混凝土的粘结性：带肋钢筋,混凝土材料,混凝土材料是由水泥、砂、石子和水按一定比例组成，经凝结和硬化形成的，属于复合材料。,混凝土是由水泥结晶体、水泥凝胶体和内部微裂缝组成的,二、混凝土的强度和变形,混凝土的强度,混凝土立方抗压强度,混凝土轴心抗压强度,混凝土抗拉强度,混凝土的抗压强度混凝土结构中，主要是利用它的抗压强度。因此抗压强度是混凝土力学性能中最主要和最基本的指标。混凝土的强度等级是用抗压强度来划分的。混凝土强度等级：边长150mm立方体标准试件，在标准条件下（203，90%湿度）养护28天，用标准试验方法（加载速度0.150.3N/mm2/sec，两端不涂润滑剂）测得的具有95%保证率的立方体抗压强度，用符号C表示，C30表示fcu,k=30N/mm2规范根据强度范围，从C15C80共划分14个强度等级，级差为5N/mm2。C50以上为高强混凝土。,混凝土强度标准值,规范规定材料强度的标准值fk应具有不小于95%的保证率,混凝土强度等级fcu即为立方体强度标准值。,二、混凝土的强度和变形,立方体抗压强度的试验,我国规范的方法：不涂润滑剂,压力试件裂缝发展扩张整个体系解体，丧失承载力,另影响强度的因素还有：龄期、加载速率、试块尺寸等,二、混凝土的强度和变形,标准试块：150150150,非标准试块：100100100换算系数0.95200200200换算系数1.05,立方体抗压强度的换算,立方体抗压试验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）,二、混凝土的强度和变形,轴心抗压强度：轴心抗压强度采用棱柱体试件测定，用符号fc表示，它比较接近实际构件中混凝土的受压情况。,标准试块：150150300,非标准试块：100100300换算系数0.95200200400换算系数1.05,考虑到承压板对试件的约束，立方体抗压强度大于棱柱体抗压强度，且有：fc=0.76fcu(试验结果)考虑到构件和试件的区别，取fc=0.67fcu,对国外（美国、日本、欧洲混凝土协会等）采用的圆柱体试件（d=150,h=300），有fc=0.79fcu,圆柱体抗压强度,二、混凝土的强度和变形混凝土的抗拉强度,抗拉强度也是混凝土的基本力学性能，用符号ft表示。混凝土构件开裂、裂缝、变形，以及受剪、受扭、受冲切等的承载力均与抗拉强度有关。,二、混凝土的强度和变形,直接受拉试验ft,试验结果：ft=0.395fcu0.55,二、混凝土的强度和变形,劈拉试验ftp：由于轴心受拉试验对中困难，也常常采用立方体或圆柱体劈拉试验测定混凝土的抗拉强度,我国根据100mm立方体的劈裂与抗压试验结果有：ftp=0.19fcu3/4,双向正应力下的强度曲线,二、混凝土的强度和变形复合受力状态下混凝土的强度,剪应力t和正应力s共同作用下的受力情况,混凝土的抗剪强度：随拉应力增大而减小，随压应力增大而增大当压应力在0.6fc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。,二、混凝土的强度和变形复合受力状态下混凝土的强度,三向受压时的混凝土强度：三轴应力状态有多种组合，实际工程遇到较多的螺旋箍筋柱和钢管混凝土柱中的混凝土为三向受压状态。三向受压试验一般采用圆柱体在等侧压条件进行。,圆柱体试验,有侧向约束时的抗压强度,无侧向约束时圆柱体的单轴抗压强度,二、混凝土的强度和变形混凝土的变形性能,单轴受压时的应力-应变关系,二、混凝土的强度和变形混凝土的变形性能,单轴受压时的应力-应变关系的数学模型-中国规范,二、混凝土的强度和变形混凝土的变形性能,侧向受约束时混凝土的变形特点,二、混凝土的强度和变形混凝土的变形性能,轴向受拉时混凝土的应力应变关系,理论模型,二、混凝土的强度和变形混凝土的变形性能,重复荷载下混凝土的变形性能,二、混凝土的强度和变形混凝土的变形性能,混凝土的弹性模量,原点切线模量（弹性模量）：拉压相同,变形模量（割线模量、弹塑性模量）,切线模量,受压时，为0.41.0；受拉破坏时，为1.0,二、混凝土的强度和变形混凝土的变形性能,混凝土的弹性模量的试验方法（150150300标准试件）,510次,混凝土的收缩和徐变ShrinkageandCreep,混凝土在空气中硬化时体积会缩小，这种现象称为混凝土的收缩，收缩是混凝土在不受外力情况下体积变化产生的变形。,混凝土在长期不变荷载的作用下，其变形随时间而不断增长的现象称为徐变。,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。通常，最终收缩应变值约为(25)10-4，而混凝土开裂应变为(0.52.7)10-4，说明收缩会导致开裂。,混凝土收缩包括凝缩和干缩两部分，凝缩是由于水泥结晶体比原材料的体积小；干缩是混凝土内自由水分蒸发引起的。,混凝土的收缩受结构周围的温度、湿度、构件断面形状及尺寸、配合比、骨料性质、水泥性质、混凝土浇筑质量及养护条件等许多因素有关：水泥用量多、水灰比越大，收缩越大；骨料弹性模量高、级配好，收缩就小；干燥失水及高温环境，收缩大；小尺寸构件收缩大，大尺寸构件收缩小；高强混凝土收缩大。影响收缩的因素多且复杂，要精确计算尚有一定的困难。在实际工程中，要采取一定措施减小收缩应力的不利影响。,混凝土收缩的影响因素,当这种自发的变形受到外部（支座）或内部（钢筋）的约束时，将使混凝土中产生拉应力，甚至引起混凝土的开裂。混凝土收缩会使预应力混凝土构件产生预应力损失。,随荷载作用时间的延续，变形不断增长，前4个月徐变增长较快，6个月可达最终徐变的（7080）%，以后增长逐渐缓慢，23年后趋于稳定。,混凝土的徐变,瞬时恢复,弹性后效,残余应变,收缩应变,徐变应变,瞬时应变,徐变会使结构（构件）的（挠度）变形增大，引起预应力损失，在长期高应力作用下，甚至会导致破坏。,混凝土徐变的主要原因是在荷载长期作用下，混凝土凝胶体中的水分逐渐压出，水泥石逐渐粘性流动，微细空隙逐渐闭合，细晶体内部逐渐滑动，微细裂缝逐渐发生等各种因素的综合结果。,应力：c0.8fc，造成混凝土破坏，不稳定,加荷时混凝土的龄期，越早，徐变越大,水泥用量越多，水灰比越大，徐变越大,骨料越硬，徐变越小,混凝土徐变的影响因素,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。,钢筋和混凝土这两种材料结合在一起，在荷载、温度、收缩等外界因素作用下，能够共同工作，除了两者具有相近的线膨胀系数外，主要是由于混凝土硬化后，钢筋与混凝土之间产生了良好的粘结能力。,三、钢筋与混凝土的相互作用-粘结,产生钢筋和混凝土粘结强度的主要原因：,混凝土收缩将钢筋紧紧握固而产生的摩擦力；,混凝土颗料的化学作用产生的混凝土与钢筋之间的胶合力；,钢筋表面凹凸不平与混凝土之间产生的咬合力；,钢筋端部加弯钩、弯折或在锚固区焊短钢筋、焊角钢等来提供锚固能力。,粘结力的测定：,粘结力的测定通常采用拔出试验方法。将钢筋的一端埋入混凝土内，在另一端施力将钢筋拔出（如图）。,粘结强度：,粘结强度可由下式确定。,式中：,P拔出力；,d钢筋直径；,l钢筋埋入长度。,粘结应力的类型：,两相邻裂缝间钢筋应力不均匀引起的局部粘结应力；,锚固粘结应力。,锚固设计的基本原则是必须保证足够的锚固粘结强度以使钢筋强度得以充分利用，即,以锚固粘结应力为例：,钢筋的粘结性能：,（1）光面钢筋的粘结性能,光面钢筋的粘结能力来源于胶结和摩擦。由中心拉拔试验可知，在加荷初期，胶结力承担了全部拉拔力，随着拉力增大，首先在加载端出现滑移线，此时粘结