结构材料的力学性能

第三章结构材料力学性能，唐教授，苏州科技学院土木工程学院，2012年1月，主要内容，第二节混凝土，第一节建筑用钢，第三节钢筋与混凝土的相互作用粘结力，混凝土强度混凝土立方体抗压强度混凝土棱柱体抗压强度(混凝土轴向抗压强度)混凝土轴向抗拉强度可变形混凝土长期荷载下可变形混凝土可收缩混凝土强度等级选择原则， 钢材的机械性能冷加工建筑钢材的选择钢材的类型，粘结力概念确保钢筋和混凝土之间粘结力的措施第1节建筑钢材，第1节钢材的机械性能钢材通常只进行拉伸试验。 软钢筋的应力-应变曲线有明显的流动幅度(由热轧低碳钢和普通热轧低合金钢制成的钢筋)，而硬钢筋的应力-应变曲线没有明显的流动幅度(预应力钢筋如钢丝、钢绞线和热处理钢筋)，软钢筋的应力-应变曲线、弹性阶段(oa段)、屈服阶段(abcd段)、应力(S)和应变(E)按比例增加。如果卸载，样品的变形可以完全恢复。软钢的应力-应变曲线和屈服强度是软钢设计强度的基础(在构件中的钢筋应力达到屈服强度后，将发生大的塑性变形，然后钢筋混凝土构件将有大的变形和未闭合的裂缝，使其不能使用)，加强阶段(de阶段)，颈缩阶段(ef阶段)，碳含量越高，钢筋的屈服强度和极限强度越高。然而，在强化阶段，屈服台阶缩短，伸长率降低，应力-应变曲线平行于Oa,曲线。对于硬钢，条件屈服点被指定为设计强度指数。硬钢对钢筋的应力-应变曲线没有明显的流动振幅。其次，钢材的冷加工(冷拉和冷拉)可以提高热轧钢筋的强度。图3-4钢筋冷拉示意图。必须注意焊接过程中高温引起的钢筋软化(强度降低和塑性增加)。因此，待焊接的钢筋应在冷拉前进行焊接。冷拉只能提高钢筋的抗拉强度，而不能提高钢筋的抗压强度。冷拉后，钢筋没有明显的屈服点和流动幅度。对钢筋进行冷拉处理，可以同时提高钢筋的抗拉强度和抗压强度。冷拉是将直径为6-10毫米的HPB235(Q235)级钢筋通过直径比钢筋直径小0.5-1.0毫米的硬质合金拉伸模。当钢筋通过拉丝模时，既受到纵向拉力又受到横向挤压，产生塑性变形，迫使钢筋内部结构发生变化，从而大大提高了钢筋的强度，但大大降低了塑性。对于建筑用钢的品种，含碳量越高，钢筋的强度越高，但其塑性和可焊性降低，而钢筋的强度降低，其塑性和可焊性良好。硫和磷是钢中的有害元素。磷元素降低钢的塑性，使钢在低温下变脆。磷的危害随着碳含量的增加而增加，但磷在低碳钢中的影响很小。硫元素降低了钢的可焊性，使钢在高温下变脆。钢中这两种元素的含量是有限的，不得超过0.045%-0.05%。锰元素可以提高钢的强度和硬度，可以改善钢的可焊性，钛元素可以提高钢的塑性、韧性和可焊性，钒元素可以改善钢的塑性和可焊性，普通低合金钢广泛用于钢筋混凝土结构，热轧钢筋(低碳钢和普通低合金钢均为热轧)，HPB300热轧光面钢筋热轧莱钢，HRB335热轧HRB400，HRB500热轧带肋钢筋，RRB400热处理钢筋热处理带肋钢筋，HRBF33加入强度为500兆帕的热轧带肋钢筋；推广400兆帕、500兆帕级高强度热轧带肋钢筋作为纵向应力下的主导钢筋；限制并准备逐步淘汰335兆帕级热轧带肋钢筋的应用；用300兆帕级光滑圆钢替换235级光滑圆钢。推广具有较好延性、焊接性、机械连接性能和施工适应性的HRB系列普通热轧带肋钢筋。包括采用控温轧制工艺生产的HRBF系列细晶粒带肋钢筋。RRB系列余热处理钢棒是由经过高温水处理的轧制钢棒制成的。残余热处理后，强度提高。其延性、可焊性、机械连接性能和施工适应性降低。一般情况下，RRB系列余热处理钢筋可用于对变形性能和加工性能要求较低的构件(如基础、大体积混凝土、楼板、墙体和次中小型结构构件)。当箍筋用于抗剪、抗扭和冲切设计时，抗拉强度的设计值是有限的，因此不适合使用强度大于400兆帕的钢筋。当用于抑制混凝土的间接配筋时，可以充分发挥其强度，使用500兆帕级配筋具有一定的经济效益。热处理钢筋(四级热轧钢筋加热淬火回火)-预应力钢筋，冷拉钢筋(热轧钢筋为冷拉)一级-仅用于普通钢筋混凝土冷拉二级冷拉三级-预应力钢筋冷拉四级，冷拉钢筋(热轧钢筋为冷拉)-预应力钢丝(消除应力钢丝、低松弛钢丝、中等强度钢丝)钢丝，细轧螺纹钢丝，预应力钢筋品种包括大直径预应力螺纹钢筋(精制螺纹钢筋)；包括在中等强度预应力钢丝中，以补充中等强度预应力钢筋的空缺，并用于中小跨度预应力构件；消除锚固性能差的刻痕钢丝。近年来，我国已全面供应高强度、高性能的预应力钢筋(钢丝、钢绞线)，因此不再包括冷加工钢筋。预应力钢筋的强度标准和设计值。doc、变形钢筋(螺纹钢筋、人字形钢筋、月牙形钢筋)大多用于实际工程。4.钢材选择1。钢材强度指标的质量要求：屈服强度、极限强度塑性指标：延伸率和冷弯性能。不同类型的钢筋需要不同的钢锝直径和弯曲角度。钢辊直径d越小，弯曲角度越大，表明钢筋的塑性越好。2、混凝土结构的钢材性能要求强度是指钢材的屈服强度和极限强度。钢筋屈服强度是混凝土结构构件计算的主要依据之一(无明显屈服点的钢筋采用条件屈服点)。使用较高强度的钢筋可以节约钢材，获得较好的经济效益。塑性要求钢筋在断裂前有足够的变形，因此当混凝土结构构件即将被破坏时，它们可以给人们一个破坏的警告。此外，还应保证钢筋冷弯试验的要求。某些工艺条件下的焊接性要求钢筋焊接后不会出现裂纹和过度变形，以保证焊接后的良好接头性能。在设计耐火结构时，应注意混凝土保护层的厚度，以满足耐火极限的要求。与混凝土的粘结力为了保证钢筋与混凝土的连接，两者之间应有足够的粘结力。钢筋表面的形状对粘结力有重要影响。在寒冷地区，为了防止钢筋的脆性破坏，对钢筋的低温性能也有一定的要求。，3。钢筋选用原则规范 (GB 50010-2010)规定，HRB400、HRB500、HRBF400和HRBF500适用于纵向应力下的普通钢筋，HPB300、HRB335、HRB335和RRB400也适用于纵向应力下的普通钢筋。建议将400兆帕和500兆帕级的高强度热轧带肋钢筋作为纵向应力下的主筋。限制并准备逐步淘汰335兆帕级热轧带肋钢筋的应用；用300Mpa级光面圆钢代替235级光面圆钢RRB系列余热处理钢棒，是由轧制钢棒经高温水制成。余热处理后，强度提高，延性、焊接性、机械连接性能和施工适应性降低。一般情况下，可用于对变形性能和加工性能要求不高的构件(如基础、大体积混凝土、楼板、墙体和二次中小型结构构件)。箍筋应为HRB400、HRBF400、HPB300、HRB500和HRBF500钢筋。当HRB335和HRBF335钢箍筋用于剪切、扭转和冲切设计时，抗拉强度的设计值是有限的，强度大于400兆帕的钢筋是不合适的。当用于抑制混凝土的间接配筋时，可以充分发挥其强度，使用500兆帕级配筋具有一定的经济效益。预应力钢筋应是预应力钢丝、钢绞线和预应力螺纹钢筋。4.钢筋强度标准值为规定质量的钢筋强度总分布的0.05个百分点，即保证率不低于95%，钢筋强度设计值与其强度标准值之间的关系。第2节：混凝土。混凝土的组成结构和宏观结构。两组分体，砂浆和粗骨料(基相：水泥砂浆；分散相：粗骨料)、亚微观结构、混凝土中的水泥石结构(基相：水泥石；分散相：细骨料)、微观结构、水泥石结构、混凝土=粗骨料和细骨料水泥水、水化反应(水泥凝胶水泥晶体)、粘结骨料、骨料和水泥石之间的界面、水泥石内部的BondCracking),、粗骨料和细骨料的Microcracking),弹性变形、水泥晶体和未水化的水泥颗粒混凝土。含有水泥凝胶、孔隙、微裂纹和粘结裂纹的混凝土会产生塑性变形。1.混凝土的立方体抗压强度定义为“混凝土强度等级”。规范是一个边长为150毫米的立方体，在温度为(203)0C、相对湿度大于90%的潮湿空气中固化28天。根据标准试验方法(试样表面未涂润滑剂，整个截面受压，加载速度为0.15 0.25牛顿/(mm2.s)测得的95%保证率的抗压强度(单位为牛顿/平方毫米)作为混凝土的强度等级，用符号FCU 规范混凝土强度等级(等级14) C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、Cc表示固化条件(老化、温度和湿度)试验条件(加载方法-样品的上下表面是否涂有润滑剂(加载速度C30，0.30.5 N/mm2C30，0 . 50 . 8n/mm2/分钟)样品尺寸和形状(FCUK，10=1.05 FCUK，15；Fcuk，20=0.95fcuk，15)，2。混凝土的轴向抗压强度(棱柱抗压强度)。在实际结构中，混凝土结构的受压构件是棱柱体混凝土棱柱体抗压强度。棱柱形试样的高宽比H/B为2 3，试样的中部基本形成纯压缩状态。“混凝土轴向抗压强度”的定义规范采用150150450mm或100100300mm棱镜，在标准条件下养护28天，抗压强度(N/mm2 ),保证率为95%,按照标准试验方法测量。并用符号fck表示。根据我国近年来对棱柱体和立方体抗压强度的对比试验，考虑到结构中混凝土强度与试件强度的差异，规范混凝土抗压强度标准值与混凝土立方体强度等级的关系为：(3-3)P40，3。混凝土的轴向抗拉强度是混凝土的基本力学性能，也可用于间接测量混凝土的其他力学性能，如混凝土的抗冲切强度等。测定方法(1)直接拉伸试验(规范)存在问题：试样安装时偏斜和偏心较小；混凝土内部结构不均匀，其几何中心和物理中心不重合。(2)间接拉伸试验(劈裂试验)，(2)间接拉伸试验(劈裂试验)。试验表明，劈裂抗拉强度略大于直接抗拉强度。公式中，dl是试件的劈裂表面积，混凝土材料的标准值是指符合规定质量的混凝土强度总分布的0.05个百分点，即保证率不低于95%。混凝土强度的设计值与其标准值的关系是，2、混凝土的变形，1、混凝土在短期荷载下的应力-应变关系，各阶段的特性，骨料和水泥浆的压缩弹性变形和水泥浆的粘性流动，试验技术和试验条件(等应力荷载-只有上升段可以测量；等应变加载测得的上升段和下降段，(试验机的刚度对下降段有很大影响)，(应变测量的标距越大，曲线的斜率越陡)，混凝土的变形模量、P41和混凝土的弹性模量Ec根据其强度等级按下式计算，表4，正截面承载力计算中混凝土的压应力与应变关系曲线(GB50010-2010)。2.混凝土在长期荷载下的变形徐变“混凝土徐变”是指混凝土在长期荷载下的应变随时间而增加的现象。混凝土徐变的原因是混凝土硬化后，骨料之间的一些水泥浆转化为晶体，而未转化为晶体的另一部分水泥凝胶被重新分配给水泥晶体的应力。混凝土中的微裂缝在荷载作用下不断发展和增加，导致应变增加。当应力不大时，蠕变主要由第一个原因引起。当应力较大时，蠕变主要由第一个原因引起。蠕变的有利和不利影响都是不利的：高应力会导致构件的蠕变失效；受弯构件的长期挠度由于受压区的混凝土徐变而增加。对于偏心受压构件，由于受压区的混凝土徐变，侧向挠度增加；在预应力混凝土构件中，徐变会导致预应力损失。有利：蠕变导致构件截面内力重分布；对于水工结构来说，徐变可以降低温度(湿度)引起的内力，缓解应力集中，以及影响混凝土徐变因素的内部条件混凝土的组成和配比(水泥用量越多，徐变越大；水灰比越大，蠕变越大。骨料越硬，弹性模量越高，蠕变越小)环境因素固化条件；使用环境温度(湿度)的应力条件(高温、养护期间的高湿度、水泥的充分水化和较小的蠕变)(较高的环境温度、较低的湿度和加载后较大的蠕变)-混凝土龄期；施加初始应力；钢筋和应力符号的存在(加载时混凝土龄期越早，徐变越大)(施加的初始应力越大，徐变越大)体表比(体表比越大，徐变越小)。3.混凝土的收缩和膨胀“混凝土的收缩和膨胀”定义了当混凝土在空气中硬化时当混凝土在水中收缩和硬化时体积减小的现象。体积膨胀现象-由于混凝土膨胀引起混凝土收缩-干燥和脱水-水泥和水混合后的物理收缩，水泥颗粒吸水并凝结形成水泥胶体，胶体中的水泥颗粒和水不断水合形成新的结晶化合物，其小于原材料的体积，从而引起体积的持续收缩-化学收缩主要用于硬化的初始阶段，在后期阶段，主要收缩的有利和不利影响受到限制，导致混凝土中的拉应力甚至混凝土开裂；收缩影响结构的效率和外观。预应力损失是由预应力混凝土构件引起的，影响混凝土收缩的因素是混凝土的组成(水泥标号、水泥用量、水灰比、骨料等)。)(高水泥强度等级，大水泥用量，大水灰比，小骨料弹性模量，大收缩率)养护条件(温度(湿度)(较高的养护环境温度和湿度，较小的收缩率)混凝土制造方法(劳动，机械)(混凝土密度越大，收缩率越小)在使用环境中钢筋的存在和应力符号(使用环境的温度和湿度越大，收缩率越小)和车身表面比率(车身表面比率越大，收缩率越小)。三。混凝土强度等级混凝土结构设计规范 (GB50010-2010)的选择规定素混凝土结构的混凝土强度等级不得低于