钢筋和混凝土的力学性能.ppt

1、第1章 钢筋和混凝土的力学性能,钢筋混凝土构件由钢筋和混凝土这两种性质极不相同的材料组合而成，混凝土材料抗压强度较强，抗拉能力很低，而钢筋抗拉强度很高，将两者结合在一起协同工作，能充分发挥各自特长，而且可以克服钢材锈蚀、需要经常维护的麻烦。钢筋置于混凝土中不易腐蚀，可提高其耐火性，混凝土材料本身脆弱，有钢筋协同工作，可增加其延性,1.1 钢筋,第1章 钢筋和混凝土的力学性能,1.1 混凝土的力学性能,1.1.1 混凝土的强度 1、混凝土的抗压强度 1)混凝土的立方抗压强度（强度等级） 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

2、用立方抗压强度来划分的 混凝土强度等级：边长150mm立方体标准试件，在标准条件下（202，95%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共划分为14个强度等级，级差为5N/mm2。C50以上为高强混凝土，其有关指标与普通混凝土有所区别,1.1 混凝土的力学性能,第1章 钢筋和混凝土的力学性能,试验录像,第1章 钢筋和混凝土的力学性能,100mm立方体强度与标准立方体强度之间的换算关系,小于C50的混凝土，修正系数m1

3、=0.95， m2 =1.05 。随混凝土强度的提高，修正系数m 值有所降低。当fcu100=100N/mm2时，换算系数m 约为0.9,美国、日本、加拿大等国家，采用圆柱体（直径150mm，高300 mm）标准试件测定的抗压强度来划分强度等级，符号记为 fc。 圆柱体强度与我国标准立方体抗压强度的换算关系为,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,第1章 钢筋和混凝土的力学性能,1.2 混凝土,立方体抗压强度标准值与平均值的关系,我国规范确定混凝土强度等级共分为14级： C15，C20， C25，

4、C30， C35， C40， C45 C50， C55， C60， C65， C70， C75， C80,混凝土强度等级是根据混凝土立方抗压强度标准值确定,第1章 钢筋和混凝土的力学性能,1.2 混凝土,2)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。棱柱体试件高宽比一般为h/b=34，我国通常取150mm150mm450(或300)mm的棱柱体试件，也常用100100300试件。 对于同一混凝土，棱柱体抗压强度小于立方体抗压强度。棱柱体抗压强度和立方体抗压强度的换算关系为,其中： 0.88修正系数 1 为棱柱体强度与立方强度比值，对小于

5、C50级的混凝土取1=0.76, C80取1=0.82，其间按线性插值 2 为混凝土的脆性系数 ，对小于C40级的混凝土取2=1.0 ， C80取2=0.87，其间按线性插值,第1章 钢筋和混凝土的力学性能,试验录像,第1章 钢筋和混凝土的力学性能,2、轴心抗拉强度,也是其基本力学性能，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,第1章 钢筋和混凝土的力学性能,试验录像,第1章 钢筋和混凝土的力学性能3,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,第1章 钢筋和混凝土的力学性能,3、局部承压强度,第1章

6、钢筋和混凝土的力学性能,在一轴受压一轴受拉状态下，任意应力比情况下均不超过其相应单轴强度。并且抗压强度或抗拉强度均随另一方向拉应力或压应力的增加而减小,4、混凝土在复合应力状态下的强度,双轴应力状态 Biaxial Stress State,实际结构中，混凝土很少处于单向受力状态。更多的是处于双向或三向受力状态。如剪力和扭矩作用下的构件、弯剪扭和压弯剪扭构件、混凝土拱坝、核电站安全壳等,第1章 钢筋和混凝土的力学性能,试验录像,第1章 钢筋和混凝土的力学性能,1.2 混凝土,三轴应力状态 Triaxial Stress State,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

7、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,第1章 钢筋和混凝土的力学性能,混凝土强度的标准值,规范规定材料强度的标准值 fk 应具有不小于95%的保证率,立方体强度标准值即为混凝土强度等级fcu。规范在确定混凝土轴心抗压强度和轴心抗拉强度标准值时，假定它们的变异系数与立方体强度的变异系数相同，利用与立方体强度平均值的换算关系，便可按上式计算得到。 同时，规范考虑到试件与实际结构的差异以及高强混凝土的脆性特征，对轴心抗压强度和轴心抗拉强度，还采用了以下两个折减系数：结构中混凝土强度与混凝土试件强度的比值，取0.88；脆性折减系数，对C40取1.0，对C80取0.8

8、7，中间按线性规律变化,第1章 钢筋和混凝土的力学性能,例 fcu=30MPa, d =0.12, fcu,m=fcu/(1-1.645d) fc,m=0.76fcu,m fc,k=fc,m(1-1.645d)0.881.0 =0.76fcu0.88 1.0 =20.06MPa,第1章 钢筋和混凝土的力学性能,1.1.2 混凝土的变形 1、混凝土的受力变形,1）单轴（单调）受压应力-应变关系Stress- strain Relationship 混凝土单轴受力时的应力-应变关系反映了混凝土受力全过程的重要力学特征 是分析混凝土构件应力、建立承载力和变形计算理论的必要依据，也是利用计算机进行非线

9、性分析的基础,混凝土单轴受压应力-应变关系曲线，常采用棱柱体试件来测定。 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,第1章 钢筋和混凝土的力学性能,1.2 混凝土,第1章 钢筋和混凝土的力学性能,试验录像,第1章 钢筋和混凝土的力学性能,强度等级越高，线弹性段越长，峰值应变也有所增大。但高强混凝土中，砂浆与骨料的粘结很强，密实性好，微裂缝很少，最后的

10、破坏往往是骨料破坏，破坏时脆性越显著，下降段越陡,图1-6,第1章 钢筋和混凝土的力学性能,反映混凝土全部受压力学性能，可采用混凝土应力-应变全曲线的形式。 若采用无量纲坐标x=e/e0，y=s/fc，则混凝土应力-应变全曲线的几何特征必须满足,第1章 钢筋和混凝土的力学性能,根据以上条件，过镇海提出的应力-应变全曲线表达式,a=Ec/E0， Ec为初始弹性模量； E0为峰值点时的割线模量， 为满足条件和，一般应有1.5a3；ac 为下降段参数,第1章 钢筋和混凝土的力学性能,规范应力-应变关系,上升段,下降段,1.2 混凝土,2）混凝土的受压变形模量 Displace Modulus,原点切

11、线模量 Elastic Modulus,割线模量 Secant Modulus,切线模量 Tangent Modulus,弹性系数n (coefficient of elasticity) 随应力增大而减小 n =10.5,弹性模量测定方法,采用棱柱体试件，取应力上限为0.5fc 重复加荷510次,第1章 钢筋和混凝土的力学性能,1.2 混凝土,三、混凝土的收缩和徐变Shrinkage and Creep,1)混凝土的徐变 Creep 混凝土在荷载的长期作用下，其变形随时间而不断增长的现象称为徐变。 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。

12、不过，徐变有利于结构构件产生内（应）力重分布，降低结构的受力（如支座不均匀沉降），减小大体积混凝土内的温度应力，受拉徐变可延缓收缩裂缝的出现。 与混凝土的收缩一样，徐变也与时间有关。因此，在测定混凝土的徐变时，应同批浇筑同样尺寸不受荷的试件，在同样环境下同时量测混凝土的收缩变形，从徐变试件的变形中扣除对比的收缩试件的变形，才可得到徐变变形,第1章 钢筋和混凝土的力学性能,在应力（0.5fc）作用瞬间，首先产生瞬时弹性应变eel（= si/Ec(t0)，t0加荷时的龄期）。 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

13、于稳定,第1章 钢筋和混凝土的力学性能,记(t-t0)时间后的总应变为e c(t,t0)，此时混凝土的收缩应变为esh(t，t0)，则徐变为， ecr (t,t0) = ec(t,t0)- e c(t0)- esh(t,t0)= ec(t,t0)- eel- esh(t,t0,第1章 钢筋和混凝土的力学性能,如在时间t 卸载，则会产生瞬时弹性恢复应变eel。由于混凝土弹性模量随时间增大，故弹性恢复应变eel小于加载时的瞬时弹性应变 eel。再经过一段时间后，还有一部分应变eel可以恢复，称为弹性后效或徐变恢复，但仍有不可恢复的残留永久应变ecr,第1章 钢筋和混凝土的力学性能,影响因素 内在因

14、素是混凝土的组成和配比。骨料(aggregate)的刚度（弹性模量）越大，体积比越大，徐变就越小。水灰比越小，徐变也越小。 环境影响包括养护和使用条件。受荷前养护(curing)的温湿度越高，水泥水化作用月充分，徐变就越小。采用蒸汽养护可使徐变减少（2035）%。受荷后构件所处的环境温度越高，相对湿度越小，徐变就越大,第1章 钢筋和混凝土的力学性能,应力条件是指初应力(initial stress)水平si /fc和加荷时混凝土的龄期t0，它们影响徐变的非常主要的因素。当初始应力水平si /fc 0.5时，徐变值与初应力基本上成正比，也即（最终）徐变系数j =ecr /eel =Ececr /

15、si =常数，这种徐变称为线性徐变。 当初应力si 在(0.50.8) fc 范围时，徐变最终虽仍收敛，但最终徐变与初应力si不成比例，也即徐变系数j 随si的增大而增大，这种徐变称为非线性徐变。当初应力si 0.8fc 时，混凝土内部微裂缝的发展已处于不稳定的状态，徐变的发展将不收敛，最终导致混凝土的破坏。因此将0.8fc作为混凝土的长期抗压强度。 高强混凝土的密实性好，在相同的s /fc比值下，徐变比普通混凝土小得多。但由于高强混凝土承受较高的应力值，初始变形较大，故两者总变形接近。此外，高强混凝土线性徐变的范围可达0.65fc，长期强度约为0.85fc，也比普通混凝土大一些,第1章 钢筋

16、和混凝土的力学性能,第1章 钢筋和混凝土的力学性能,第1章 钢筋和混凝土的力学性能,1.2 混凝土,2、混凝土的非受力变形 1）混凝土的收缩 Shrinkage 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。 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。 某些对跨度比较敏感的超静定结构（如拱结构），收缩也会引起不利的内力,第1章 钢筋和混凝土的力学性能,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2

17、5%，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。 一般情况下，最终收缩应变值约为(25)10-4 混凝土开裂应变为(0.52.7)10-4,第1章 钢筋和混凝土的力学性能,1.2 混凝土,影响因素 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

18、应力的不利影响施工缝,第1章 钢筋和混凝土的力学性能,1.1.3 混凝土的选用原则 建筑工程钢筋混凝土构件： 普通钢筋混凝土不应低于C15； HRB335（II级）钢筋以上，混凝土不宜低于C20； HRB400（IV级）以上钢筋，混凝土不得低于C20 ； 预应力混凝土不应低于C30； 钢绞线、钢丝、热处理钢筋预应力混凝土不宜低于C40。 公路桥涵工程钢筋混凝土构件： 钢筋混凝土构件不低于C25； 预应力混凝土构件不低于C40； 严寒地区、海水环境混凝土不低于C30； 具有腐蚀的环境混凝土不低于C35,第1章 钢筋和混凝土的力学性能,1.2.1钢筋的应力-应变关系 1、 有明显屈服点的钢筋 St

19、eel bar with yield point,a为比例极限proportional limit s =Ese,a为弹性极限elastic limit,de为强化段strain hardening stage,b为屈服上限upper yield strength,c为屈服下限，即屈服强度 fy lower yield strength,cd为屈服台阶yield plateau,e为极限抗拉强度 fu ultimate tensile strength,1.2 钢筋的力学性能,ef为下降段,第1章 钢筋和混凝土的力学性能,几个指标： 屈服强度yield strength：是钢筋强度的设计依据，

20、因为钢筋屈服后将很大的塑性变形，且卸载时这部分变形不可恢复，这会使钢筋混凝土构件产生很大的变形和不可闭合的裂缝。屈服上限与加载速度有关，不太稳定，一般取屈服下限作为屈服强度。 延 伸 率elongation rate：钢筋拉断时的应变，是反映钢筋塑性性能的指标。延伸率大的钢筋，在拉断前有足够预兆，延性较好,屈 强 比反映钢筋的强度储备，fy/fu=0.60.7,均匀延伸率dgt对应最大应力时应变，包括了残余应变和弹性应变，反映了钢筋真实的变形能力(2.5,第1章 钢筋和混凝土的力学性能,有明显屈服点钢筋的应力-应变关系 一般可采用双线性的理想弹塑性关系,第1章 钢筋和混凝土的力学性能,2、无明

21、显屈服点的钢筋Steel bar without yield point,a点：比例极限，约为0.65fu a点前：应力-应变关系为线弹性 a点后：应力-应变关系为非线性，有一定塑性变形，且没有明显的屈服点 强度设计指标条件屈服点 残余应变为0.2%所对应的应力 规范取s0.2 =0.85 fu,钢筋的强度标准值 ( Characteristic or Standard Strength) 按冶金钢材质量控制标准，钢筋的强度标准值是取其出厂时的废品限值，其数值相当于fy,m-2s，具有97.73%的保证率，满足建筑结构设计统一标准材料强度标准值保证率95%的要求,附表2-1 普通钢筋强度标准值

22、及极限应变,1.1 钢筋,1.2.2 钢筋的品种及塑性性能 1、钢筋的品种 热轧钢筋、中高强钢丝和钢绞线、热处理钢筋和冷加工钢筋,热轧钢筋 Hot Rolled Steel Reinforcing Bar HPB300级、HRB335级、HRB400级、RRB400(500)级,HPB,HRB,RRB,屈服强度 fyk（标准值=钢材废品限值，保证率97.73%）HPB300级： fyk = 300 N/mm2 HRB335级： fyk = 335 N/mm2 HRB400级、RRB400级： fyk = 400 N/mm2,HPB300级(级)钢筋为热轧光面钢筋（Plain Bar），多作为现

23、浇楼板的受力钢筋和箍筋。 HRB335级(级)和 HRB400级(级)钢筋强度较高，多作为钢筋混凝土构件的受力钢筋，尺寸较大的构件，也有用级钢筋作箍筋的为增强与混凝土的粘结（Bond），外形制作成月牙肋或等高肋的变形钢筋（Deformed Bar）。 、V级钢筋强度太高，不适宜作为钢筋混凝土构件中的配筋，一般冷拉后作预应力筋。 延伸率d5=25、16、14、10%，直径840,第1章 钢筋和混凝土的力学性能,钢丝，中强钢丝的强度为8001200MPa，高强钢丝、钢绞线的为 1470 1860MPa；延伸率d10=6%，d100=3.54%；钢丝的直径39mm；外形有光面、刻痕和螺旋肋三种，另有

24、二股、三股和七股钢绞线，外接圆直径9.515.2 mm。中高强钢丝和钢绞线均用于预应力混凝土结构。 冷加工钢筋是由热轧钢筋和盘条经冷拉、冷拔、冷轧、冷扭加工后而成。冷加工的目的是为了提高钢筋的强度，节约钢材。但经冷加工后，钢筋的延伸率降低。近年来，冷加工钢筋的品种很多，应根据专门规程使用。 热处理钢筋是将级钢筋通过加热、淬火和回火等调质工艺处理，使强度得到较大幅度的提高，而延伸率降低不多。用于预应力混凝土结构,第1章 钢筋和混凝土的力学性能,2、塑性性能,1）伸长率 伸长率是衡量钢筋塑性性能的一个指标，伸长率越大，塑性越好。伸长率用,l钢筋拉伸试验试件的应变量测标距,l钢筋经拉断并重新拼合后量

25、测断口两侧的标距，即产生残留伸长后的标距,第1章 钢筋和混凝土的力学性能,2）截面收缩率 截面收缩率是反映材料塑性变形能力的另一个指标，等于试件被拉断后颈缩区的断面面积缩小值与原断面面积比值的百分率，用符号表示。截面收缩率可以按照以下公式计算,A0试件受力前的断面面积,A-试件拉断后颈缩区的断面面积,第1章 钢筋和混凝土的力学性能,3）冷弯性能 冷弯试验的合格标准为在规定的和下冷弯后钢筋应无裂纹、鳞落或断裂现象,第1章 钢筋和混凝土的力学性能,4）强度及弹性模量 热轧钢筋的强度以屈服点应力为依据， 高强钢筋的强度以条件屈服应力为依据 。 钢筋强度分为标准值和设计值,第1章 钢筋和混凝土的力学性能,5）冷加工钢筋,1）冷拉钢筋,所谓冷拉是指在常温条件下使热轧钢筋的冷拉应力值先超过屈服强度，然后完全放松，若钢筋再次受拉，则能获得较高屈服强度的一种加工方法,2）冷拔钢筋,冷拔是将钢筋（盘条）用强力拔过比它本身直径小的硬质合