混凝土结构材料的力学性能

1、南京理工大学土木工程系钢筋混凝土基本构件钢筋混凝土基本构件主讲：范主讲：范 进进南京理工大学土木工程系第二章第二章 混凝土结构材料的力学性能混凝土结构材料的力学性能2.1 钢筋2.2 混凝土2.3 钢筋与混凝土的黏结2.4 钢筋的锚固和连接南京理工大学土木工程系2.1 钢筋钢筋2.1.1 钢筋的种类钢筋的种类2.1.2 钢筋的钢筋的强度和变形2.1.3 钢筋的冷加工钢筋的冷加工2.1.4 钢筋的疲劳钢筋的疲劳2.1.5 混凝土结构对钢筋性能的要求南京理工大学土木工程系2.1.1 钢筋的种类钢筋的种类 钢筋的种类 元素组成：元素组成：碳碳 钢（低、中、高碳钢）钢（低、中、高碳钢） 合金钢（锰、硅

2、、钒等）合金钢（锰、硅、钒等） 加工方式：加工方式：热轧、冷拉、热处理钢筋热轧、冷拉、热处理钢筋 强度等级：强度等级：HPB300、HRB335 、 HRBF335、 HRB400、HRBF400、 RRB400 、 HRB500、HRBF500 外外 形：形：光圆钢筋、变形钢筋、钢丝、光圆钢筋、变形钢筋、钢丝、 钢丝束、钢绞线钢丝束、钢绞线南京理工大学土木工程系2.1.1 钢筋的种类钢筋的种类D公称直径 A3 股钢绞线量测尺寸钢绞线图 2-1 常用钢筋形式刻痕钢丝螺旋肋钢丝南京理工大学土木工程系2.1.2 钢筋的强度和变形根据力学性能不同分为根据力学性能不同分为：硬钢：无明显流幅的钢筋无明显

3、流幅的钢筋(钢丝、热处理钢筋钢丝、热处理钢筋)软钢：有明显流幅的钢筋有明显流幅的钢筋(热轧钢筋、冷拉钢筋热轧钢筋、冷拉钢筋)南京理工大学土木工程系2.1.2 钢筋的强度和变形软钢应力应变关系硬钢应力应变关系硬钢应力应变关系比例极限比例极限屈服强度屈服强度极限强度极限强度o(N/mm2)fyfted流幅流幅abc0.2% 0.2(N/mm2)o南京理工大学土木工程系2.1.2 钢筋的强度和变形钢筋的力学性能指标： 软钢：屈服强度、延 伸 率、屈 强 比 硬钢：条件屈服点残余应变为0.2%所对应 的应力，规范取为0.85 fu。南京理工大学土木工程系2.1.2 钢筋的强度和变形钢筋的变形性能： 塑

4、性变形（伸长率、冷弯）最大力下的总伸长率量测方法 钢筋的冷弯南京理工大学土木工程系2.1.3 钢筋的冷加工钢筋的冷加工冷拉冷拉冷拔冷拔冷轧冷轧南京理工大学土木工程系2.1.4 钢筋的疲劳疲劳破坏是指钢筋在承受重复、周期性的荷载作用下，经过一定次数后，突然脆性断裂的现象。与一次单调加载时的塑性破坏不同，疲劳破坏时钢筋的最大应力明显低于静荷载作用下钢筋的极限强度。钢筋的疲劳强度是指在某一规定应力变化幅度内，经受一定次数循环荷载后发生破坏的最大应力值。钢筋疲劳断裂，一般认为是由于钢筋内部和外部的缺陷引起。影响钢筋疲劳强度最主要的因素是钢筋的疲劳应力幅，即 。南京理工大学土木工程系2.1.5 混凝土结

5、构对钢筋性能的要求适当的强度和屈强比塑性好可焊性好与混凝土有良好的黏结力南京理工大学土木工程系2.2 混凝土混凝土1 混凝土的强度混凝土的强度2 混凝土的变形混凝土的变形南京理工大学土木工程系 由水泥、石、砂、水按一定的配合比制成，经凝结硬化形成的复合材料。 通常把混凝土的结构分为三种类型：.微观结构：微观结构：即水泥石结构.亚微观结构亚微观结构：即混凝土中的水泥砂浆结构。.宏观结构宏观结构：即砂浆和粗骨料两组分体系。混凝土的组混凝土的组成成南京理工大学土木工程系 1、混凝土为多相、多种材料、具有初始缺陷；、混凝土为多相、多种材料、具有初始缺陷； 2、骨料的分布及骨料与基相之间在界面的结合强度

6、是、骨料的分布及骨料与基相之间在界面的结合强度是影响混凝土强度的重要因素；影响混凝土强度的重要因素； 3、在荷载的作用下，微裂缝的扩展对混凝土的力学性、在荷载的作用下，微裂缝的扩展对混凝土的力学性能有着极为重要的影响。能有着极为重要的影响。注意注意:混凝土的组混凝土的组成成南京理工大学土木工程系2.2.1 混凝土的强度混凝土的强度混凝土立方体抗压强度混凝土轴心抗压强度混凝土抗拉强度cufcftf混凝土在复杂应力下强度2.2.1 混凝土的强度混凝土的强度 在混凝土结构中，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。（1）立方体的抗压强度 fcu 从C15C15C8

7、0 C80 共划分为14个强度等级，级差为 。 混凝土的强度等级是用抗压强度来划分25mmN南京理工大学土木工程系（2）轴心抗压强度 fc150mm150mm300mm 棱柱体棱柱体 用立方体强度反映：用立方体强度反映：考虑实际情况考虑实际情况(施工状况、养护条件等施工状况、养护条件等)cucff76. 0cucucfff67. 076. 088. 0真实反映以受压为主的混凝土结构构件的抗压度。2.2.1 混凝土的强度混凝土的强度南京理工大学土木工程系 混凝土的轴心抗拉强度可以采用直接轴心受拉或圆柱体或立方体的劈裂试验的试验方法来测定。劈拉试验劈拉试验FaF（3）轴心抗拉强度 ft混凝土构件开

8、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。拉拉压压压压2.2.1 混凝土的强度混凝土的强度南京理工大学土木工程系 在平面（两向）应力状态下，当两方向应力均为压应力时，抗压强度相互提高，最大可增加27，而当一方向为压应力，另一方向为拉应力时，强度相互降低。复杂应力状态下的强度2.2.1 混凝土的强度混凝土的强度南京理工大学土木工程系2.2.1 混凝土的强度混凝土的强度南京理工大学土木工程系 同一种混凝土的各种强度（立方体抗压强度、轴心抗压强度 、抗拉强度、两向强度、三向强度、局压强度）相互之间都有一定的关系。2.2.1 混凝土的强度混凝土的强度南京理工大学土木工程系2.2

9、.1 混凝土的强度混凝土的强度南京理工大学土木工程系2.2.2 混凝土的变形混凝土的变形骨料骨料水泥结晶体水泥结晶体水泥凝胶体水泥凝胶体弹性变形的基础塑性变形的基础混凝土变形与材料组成的关系混凝土变形与材料组成的关系混凝土南京理工大学土木工程系2.2.2 混凝土的变形混凝土的变形（1）一次短期荷载作用的变形2.2.2 混凝土的变形混凝土的变形CBDEfc00Acu一次短期荷载作用的应力应变关系OA 弹性阶段弹性阶段A : 0.3fcAB 弹塑性阶段、裂弹塑性阶段、裂缝稳定阶段缝稳定阶段BC 裂缝不稳定阶段裂缝不稳定阶段 : 0.8 fc 1.0 fc : 0.3fc 0.8fc 南京理工大学土

10、木工程系2.2.2 混凝土的变形混凝土的变形0 对应于峰值点应变 规范0 = 0.002cu 混凝土极限压应变规范cu = 0.0033fc 轴心抗压强度特征点：南京理工大学土木工程系2.2.2 混凝土的变形混凝土的变形0tgEc变形模量1tgEctgEc 一次短期荷载作用的变形模量弹性模量切线模量南京理工大学土木工程系2.2.2 混凝土的变形混凝土的变形（2 2）长期荷载作用下的变形）长期荷载作用下的变形徐变徐变 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。南京理工大学土木工程系2.2.2 混凝土的变形混凝土的变形徐变对混凝徐变对混凝土结构工作土结构工作性能有很大性能有很

11、大影响影响使构件的变形增加使构件的变形增加引起应力重分布引起应力重分布引起预应力的损失引起预应力的损失影响徐变的因素有混凝土的级配、水灰比、初始影响徐变的因素有混凝土的级配、水灰比、初始加载龄期、初应力大小，养护使用条件等。加载龄期、初应力大小，养护使用条件等。南京理工大学土木工程系2.2.2 混凝土的变形混凝土的变形徐变性质：徐变性质：线性徐变线性徐变 c0.5fc非线性徐变非线性徐变 c 0.5fc当当c 0.8fc ，徐变发展最终导致破坏，一般，徐变发展最终导致破坏，一般取混凝土应力约取混凝土应力约 作为混凝作为混凝土的长期抗压强度。0.750.8fc南京理工大学土木工程系2.2.2 混

12、凝土的变形混凝土的变形（3）长期混凝土的收缩、膨胀和温度变形2.2.3 混凝土的疲劳混凝土的疲劳重复荷载作用下的变形重复荷载作用下的变形疲劳疲劳南京理工大学土木工程系2.3 钢筋与混凝土的黏结钢筋与混凝土的黏结2.3.1 黏结的作用与机理2.3.2 黏结的含义2.3.3 黏结作用的特点2.3.4 黏结作用的机理2.3.1 黏结的作用与机理粘结和锚固是钢筋和混凝土形成整体、共同工 作的基础。 钢筋与混凝土之间粘结应力示意图（a）锚固粘结应力 （b）裂缝间的局部粘结应力黏结的意义：结的意义：南京理工大学土木工程系 光圆钢筋与变形钢筋具有不同的粘结机理，其粘结作用主要由三部分组成：（）胶结：钢筋与混

13、凝土接触面上的化学吸附作用力（胶结力），一般很小，仅在受力阶段的局部无滑移区域起作用，当接触面发生相对滑移时，该力即消失。（）摩擦：混凝土收缩握裹钢筋而产生的摩阻力。（）咬合：钢筋表面凹凸不平与混凝土之间产生的机械咬合作用力（咬合力）。对于光圆钢筋，这种咬合力来自于表面的粗糙不平。黏结作用的机理：结作用的机理：2.3.1 黏结的作用与机理南京理工大学土木工程系2.3.1 黏结的作用与机理南京理工大学土木工程系2.3.2 影响黏结强度的因素影响黏结强度的因素混凝土强度：混凝土强度：混凝土强度越高，钢筋与混凝土的黏结力越高；保护层厚度：保护层厚度：混凝土保护层较薄时，其粘结力降低，并在保护层最 薄

14、弱位置容易出现劈裂裂缝，促使粘结力提早破坏；钢筋表面形状：钢筋表面形状：带肋钢筋表面凹凸不平，与混凝土之间的机械咬合力较好，破坏时粘结强度大；光面钢筋的粘结强度则 较小，所以要在钢筋端部做成弯钩，可以增加拔力；横向压应力：横向压应力：如支座处的反力作用在钢筋锚固端，增大了摩阻力有利于黏结锚固。浇筑混凝土时钢筋的位置：浇筑混凝土时钢筋的位置：浇筑混凝土时钢筋的位置也会影响黏结的强度。南京理工大学土木工程系保证粘结的措施： (1) 对不同等级的混凝土和钢筋，要保证最小搭接长度和锚固长度。 (2)为了保证混凝土与钢筋之间 有足够的粘结，必须满足钢筋最小间距和混凝土保护层最小厚度的要求； (3) 在钢筋的搭接接头内应加密箍筋； (4) 为了保证足够的粘结在钢筋端部应设置弯钩； (5) 对大深度混凝土构件应分层浇筑或二次浇捣； (6) 一般除重锈钢筋外，可不必除锈。南京理工大学土