钢筋与混凝土力学性能PPT课件

1、2.1.1 2.1.1 钢筋的品种钢筋的品种我国混凝土结构设计规范中推荐的钢筋由碳素结构钢和普通低合金钢制成。按外形分类，可分为光圆钢筋、带肋钢筋、刻痕钢筋。按加工方法分有以下几类（见图）：1.热轧钢筋 （低碳钢和普通低合金钢在高温下轧制而成） 2.冷加工钢筋 （冷拉和冷拔钢筋）3.热处理钢筋 （利用热轧钢筋的余热进行淬火、回火等调质工艺处理的钢筋）4.钢丝（高碳圆钢经过加热、淬火、冷拔、回火等工艺制成） 5.钢绞线（是将多根碳素钢丝用绞盘绞制而成 ）2.1 2.1 钢筋的力学性能钢筋的力学性能第1页/共60页强度高，塑性低强度高，粘结性好强度高预应力钢筋钢筋热轧钢筋钢 丝钢绞线热处理钢筋HP

2、B235HRB335HRB400RRB400光圆钢筋变形钢筋变形钢筋变形钢筋非预应力钢筋强度塑性弱强高低2.1.1 2.1.1 钢筋的品种钢筋的品种第2页/共60页常用钢筋形式 人字纹钢筋第3页/共60页 有屈服点的钢筋试件在试验机上进行拉伸试验得出的典型应力应变曲线如图2.1所示。其中颈缩现象如图2.2。 对于有明显屈服点的钢筋取其屈服强度作为钢筋强度的限值强度指标。 2.1.2 2.1.2 钢筋的强度和变形钢筋的强度和变形1. 1. 有屈服点的钢筋有屈服点的钢筋第4页/共60页反映钢筋塑性性能的基本指标是伸长率和冷弯性能。伸长率是钢筋试件拉断后的伸长值与原长的比率。应按下式计算： 00ll

3、l 第5页/共60页图2.1钢筋的应力应变曲线 第6页/共60页图2.2钢筋的颈缩 第7页/共60页无明显屈服点的钢筋试件在试验机上进行拉伸试验得出的典型应力应变曲线如图2.3所示。 实际设计中通常取相应于残余应变=0.2%时的应力0.2作为名义屈服点，即条件屈服强度。对于无明显屈服点的钢筋，由于其条件屈服点不容易测定，因此，这类钢筋的质量检验以其极限强度作为主要指标。混凝土结构设计规范规定，条件屈服强度0.2取极限强度b的0.8倍，即：0.2=0.8b 2.无屈服点的钢筋无屈服点的钢筋第8页/共60页图2.3无明显屈服点钢筋 第9页/共60页钢筋在常温下的加工称为冷加工，常用冷拉、冷拔等方法

4、。其目的就是使钢筋的内部组织结构发生变化，从而提高钢筋的强度，达到节约钢筋的目的。 (1)冷拉冷拉是把钢筋张拉到应力超过屈服点的某一应力值，然后放松钢筋，经时效硬化后再张拉钢筋时，则应力应变曲线将发生变化，如图2.4所示。3. 钢筋的冷加工钢筋的冷加工图2.4钢筋冷拉的应力应变曲线 第10页/共60页图2.5钢筋冷拔示意图 (2)冷拔冷拔是在常温下将钢筋（热轧HPB235）用强力拔过比它直径小的硬质合金拔丝模，如图2.5，拔成比原来直径小的钢丝。 第11页/共60页 对特定钢号的钢筋进行淬火和回火处理不降低强度的前提下，消除由淬火产生的内力，改善塑性和韧性强度提高塑性降低4. 钢筋的热处理钢筋

5、的热处理第12页/共60页(1)钢筋的强度标准值混凝土结构设计规范（GB 500102002）规定，材料强度的标准值应具有不少于95%保证率。热轧钢筋的强度标准值根据屈服强度确定，用fyk表示。预应力钢绞线、钢丝和热处理钢筋的强度标准值根据极限抗拉强度确定，用fptk表示。5. 钢筋的计算指标钢筋的计算指标第13页/共60页HPB235(级钢级钢) : 光面, ,锚固性能差HRB335,HRB400(,级级钢钢): 强度高, ,延性好, ,锚固性能好新规范推荐使用新规范推荐使用HRB400( (钢筋规格齐全钢筋规格齐全) )第14页/共60页(2)钢筋的强度设计值在进行钢筋混凝土结构构件承载力

6、设计计算时，钢筋应采用强度设计值。钢筋强度设计值等于钢筋强度标准值除以钢筋材料分项系数s，按不同钢筋种类，分别取s=1.101.20。第15页/共60页应力不变，随时间的增长应变继续增加长度不变，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，需采取必要的措施钢筋在周期性重复荷载作用下会发生疲劳破坏。疲劳强度是指在规定的应力幅度内，经一定次数的重复荷载后，发生疲劳破坏的最大应力值。对钢筋用疲劳应力幅来表示其疲劳强度。6. 钢筋的蠕变、松弛和疲劳钢筋的蠕变、松弛和疲劳第16页/共60页（1） 有较高的强度和适宜的屈强比。 （2） 有良好的塑性，使结构构件在破坏前有明显的预兆。（3）

7、 钢筋与混凝土之间有良好的粘结力。 （4） 具有良好的可焊性。（5） 在寒冷地区，钢筋的低温性能也要符合一定要求，不宜采用冷加工钢筋，以免发生脆性破坏。 2.1.3 钢筋的选用钢筋的选用1 .混凝土结构对钢筋性能的要求混凝土结构对钢筋性能的要求第17页/共60页 具体工程中，现浇楼板的钢筋和梁柱的箍筋多采用HPB235级钢筋；梁柱的受力筋多采用HRB335、HRB400和RRB400级钢筋；尺寸较大的构件有时也采用HRB335级钢筋作箍筋。 2. 钢筋的选用钢筋的选用第18页/共60页1.1.屈服强度 是钢筋最关键的质量指标。在一般结构的设计中取屈服是钢筋最关键的质量指标。在一般结构的设计中取

8、屈服强度强度( (或条件屈服强度或条件屈服强度) )作为可以利用的应力上限作为可以利用的应力上限, ,也就是钢筋的也就是钢筋的强度。强度。2.2.极限强度 ( (抗拉抗拉, ,抗压抗压, ,抗剪强度抗剪强度) )是材料能承受的最大应力。当接是材料能承受的最大应力。当接近此强度时，产生了较大的塑性变形，同屈服强度相比，极限近此强度时，产生了较大的塑性变形，同屈服强度相比，极限强度越高，材料的安全储备越大，强度越高，材料的安全储备越大，fu / fy 越大，钢材的强度储备越大，钢材的强度储备就越大。就越大。3.3.伸长率 反映钢筋受拉时的塑性性质。伸长率大的钢筋反映钢筋受拉时的塑性性质。伸长率大的

9、钢筋, ,塑性较好。塑性较好。4.4.冷弯性能 按规定直径按规定直径D,D,规定的弯心角规定的弯心角把试件弯曲把试件弯曲, ,合格的标准是合格的标准是不出现裂纹。不出现裂纹。3. 对钢筋质量的要求对钢筋质量的要求第19页/共60页冷弯要求：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。 第20页/共60页 混凝土是由水泥、水、粗骨料（碎石、卵石）、细骨料（砂）等材料按一定配合比，经混合搅拌，入模浇捣并养护硬化后形成的人工石材。 影响混凝土的强度和变形的主要因素有：原材料的性能；各组成成分的比例，尤其是水灰比的大小；施工方法（搅拌程度、浇捣的密实性、对混凝土的养护方法）等。 混凝土

10、的基本强度指标有立方体抗压强度、轴心抗压强度和轴心抗拉强度三种。 2.2 2.2 混凝土的力学性能混凝土的力学性能第21页/共60页2.2.1 2.2.1 混凝土的强度混凝土的强度强度是指结构材料所能承受的某种极限应力。 混凝土的强度是靠水泥的水化、硬化获得的。水泥的水化硬化早期快、后期慢，故混凝土强度的增长也是早期快、后期慢，但到28d龄期时强度的增长就不明显而趋于稳定。因此，规范以28d龄期时混凝土的强度为基准。 第22页/共60页(1)混凝土强度等级立方体抗压强度fcu混凝土强度等级应按立方体抗压强度标准值确定。我国混凝土强度等级的确定方法是：用边长为150mm的立方体标准试件，在标准试

11、验条件下养护28d，并用标准试验方法（温度、相对湿度、加载、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fcuk表示。 1. 1. 混凝土的抗压强度混凝土的抗压强度150mm150mm150mm150mm150mm150mm强度等级有C15,C20,C25,C30,C35,C40,C45,C50C80共14级第23页/共60页承压板试块摩擦力不涂润滑剂涂润滑剂强度大于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、试块尺寸等我国规范的方法： 不涂润滑剂第24页/共60页(2)轴心抗压强度fck（棱柱体抗压强度）立方体抗压强度不能代表混凝土在实

12、际构件中的受力状态，只是作为在同一标准条件下比较混凝土强度水平和品质的标准。试验表明：用高宽比为23的棱柱体测得的抗压强度与以受压为主的混凝土构件中的混凝土抗压强度基本一致。因此，棱柱体的抗压强度可以作为以受压为主的混凝土抗压强度，称为轴心抗压强度，用符号fck表示。 第25页/共60页150mm150mm300mm-300mm-450mm450mm第26页/共60页kcukcff,8 . 07 . 0kcukcff,67. 0，对C80取系数为0.72，考虑到混凝土构件强度与试件强度之间的差异，规范对C50及以下的混凝土取中间按线性变化。对于C40C80混凝土再考虑乘以脆性折减系数1.00.

13、870。第27页/共60页（3）三向受压强度 混凝土试件三向受压则由于变形受到相互间有利的制约，形成约束混凝土，其强度有较大的增长，根据圆柱体试件周围加侧向液压试验结果，三向受压时混凝土纵向抗压强度的经验公式为rcccff4式中 cf 无侧向压应力时的混凝土轴心抗压强度；r 侧向压应力 混凝土三向受压时强度提高的原因是：侧向压应力约束了混凝土的横向变形，从而延迟和限制了混凝土内部裂缝的发生和发展，使试件不易破坏。第28页/共60页三向受压时的混凝土强度1=fcc1=fcc2= 3= fLfL-侧向约束压应力（加液压）双轴应力下的强度1.01.01.21.2-0.2-0.22/fc1/fc拉压双

14、向正应力下的强度曲线圆柱体试验第29页/共60页混凝土的抗拉性能很差。混凝土的抗拉强度一般只有抗压强度的1/201/8，且不与抗压强度成正比。混凝土轴心抗拉强度取棱柱体（100mm100mm500mm）的抗拉极限强度为轴心抗拉强度。混凝土构件的开裂、变形以及受剪、受扭、受冲切等承载力均与抗拉强度有关。根据试验得知，fcu、fc、ft三者之间的关系是fcufcft。 2 .混凝土的轴心抗拉强度混凝土的轴心抗拉强度ft第30页/共60页第31页/共60页(1)混凝土的强度标准值经统计分析，并考虑结构中混凝土强度与试件强度之间的差异，混凝土结构设计规范给出了混凝土强度标准值。(2)混凝土的强度设计值

15、混凝土强度设计值为混凝土强度标准值除以混凝土的材料分项系数c，规范规定c=1.4，即fc=fck/c，ft=ftk/c。3 .3 .混凝土的强度计算指标混凝土的强度计算指标第32页/共60页2.2.2 混凝土的变形混凝土的变形混凝土变形有两类：一类是荷载作用下的受力变形，包括一次短期加荷时的变形、多次重复加荷时的变形和长期荷载作用下的变形；另一类是体积变形(非受力变形)，包括收缩、膨胀和温度变形。 第33页/共60页(1)混凝土在一次短期加荷时的应力应变关系混凝土在一次短期加荷时的应力应变关系可通过对混凝土棱柱体的受压或受拉试验测定。混凝土受拉时的应力应变曲线的形状与受压时相似。对应于抗拉强度

16、ft的应变ct很小，计算时可取ct=0.0015。混凝土的应力应变关系第34页/共60页 单轴受压时的应力单轴受压时的应力-应变曲线应变曲线OA段,弹性阶段,-关系为直线; AB段, -关系表现出明显的非弹性特征; BC段, -关系的塑性性能明显, 即使荷载不增加,内部裂缝也会开展。应力逐渐减小,应变不断加大。 fc:应力峰值,当压应力达到fc之后,混凝土构件就不能承受更大的荷载;0: 与fc对应的应变(峰值应变)，取0.002;max: 破坏时的极限应变值,塑性部分越长，变形能力越大，延性愈好 。上升段:下降段:特征值:第35页/共60页混凝土的弹性模量和剪变模量混凝土的应力与其弹性应变ce

17、之比值称为混凝土的弹性模量，用符号Ec表示。根据大量试验结果，混凝土规范采用以下公式计算混凝土的弹性模量： 混凝土的剪变模量是指剪应力和剪应变的比值，即： cG)(7 .342 . 2105MPafEcuc混凝土结构设计规范混凝土结构设计规范取取 cc4 . 0EG 第36页/共60页(2)混凝土在重复荷载作用下的变形性能 混凝土在重复荷载作用下表现出来的变形性能，称为混凝土的疲劳性能。应力应变曲线斜率降低是混凝土发生疲劳破坏的一个主要征兆。此时的变形模量明显降低，其值约为弹性模量的0.4。混凝土疲劳时除变形模量减少外，其强度也有所减小，强度降低系数与重复作用应力的变化幅度有关，最小值为0.7

18、4。 通常把试件承受200万次（或更多次）重复荷载时发生破坏的压应力值，称为混凝土的疲劳强度，用 表示。 fcf第37页/共60页混凝土受压后除产生瞬时压应变外，在维持其外力不变的条件下（即荷载长期不变），应变随时间继续增长的现象，叫做混凝土的徐变。如图2.9所示为一施加的初始压力为=0.5fc时的徐变与时间的关系。混凝土的徐变对混凝土结构构件的受力性能有重要的影响：它将使结构构件的变形增加；轴心受压构件中钢筋的应力增加而混凝土的压应力减小的应力重分布现象产生；在预应力混凝土结构构件中引起预应力损失等。 (3)混凝土在荷载长期作用下的变形性能-徐变第38页/共60页混凝土的徐变应变-时间关系曲

19、线第39页/共60页影响混凝土徐变的主要因素有：（1） 构件中截面上的应力愈大，徐变就愈大；构件承载前，混凝土的强度越高，徐变就越小。（2） 配合比、水灰比越大，徐变越大；骨料的级配愈好，含量愈高，徐变愈小。（3） 构件浇捣愈密实，养护条件愈好，徐变愈小；反之，徐变愈大。第40页/共60页混凝土在空气中凝结硬化时，体积减小的现象称为收缩变形。其规律见图2.10所示。 收缩变形是一种非受力变形；而徐变变形只有在受力达到一定数值并且持续作用下才产生。 (4)混凝土的收缩变形和温度变形第41页/共60页和其它许多材料一样，当温度发生变化时混凝土的体积也具有热胀冷缩的性质。混凝土的热胀冷缩变形称为混凝

20、土的温度变形 ，混凝土结构设计规范规定，当温度在0100范围内时，混凝土线膨胀系数c可采用110-5/。与钢筋的温度线膨胀系数接近，故当温度变化时两者仍能共同变形。但温度变形对大体积混凝土结构极为不利，由于大体积混凝土在硬化初期，内部的水化热不易散发而外部却难以保温，故而混凝土内外温差很大而造成表面开裂。因此，对大体积混凝土应采用低热水泥、表面保温等措施，必要时还需采取内部降温措施。第42页/共60页混凝土在结硬的过程中发生收缩，温度变化时会热胀冷 缩，当这两种变形受到约束后，在结构内部就会产生收缩应力和温度应力，这两种应力分别超过混凝土抗拉强度时就会导致混凝土开裂而形成收缩裂缝或温度裂缝。超

21、长混凝土结构中较多见的是在收缩应力和温度应力共同作用下所产生的温度收缩裂缝。 温度收缩裂缝的基本特点： 该裂缝由收缩和温度变形共同产生，其分布一般为收缩和温度两种裂缝的组合，随环境湿度和温度而变化，随时间而发展，裂缝的开裂和危害程度往往较单一的收缩或温度裂缝严重。 第43页/共60页实际工程中较常见的是以收缩变形为主的温度收缩裂缝，一般发生在混凝土浇筑后一年内，但多见半月至数月之内。 主要影响的部位及构件是底层和顶部数层梁板构件以及基础梁、挑檐、栏板等外露构件。 梁板裂缝呈现不同分布和特征，梁缝一般垂直于纵向，分布在两侧面，两头细、中间宽、枣核形。裂缝为表面，深进或贯通。单向板缝等间距平行于短

22、边。双向板缝较重于单向板缝，两个方向板缝纵横交错，不规则，缝多为贯通，板面缝一般宽于板底缝。 第44页/共60页加强屋面保温隔热措施，采用高效保温材料。外露室外现浇板以及板跨大于4m且采用泵送混凝土的双向连续板等温度收缩应力较大的板，均应在板面（即板的受压区）配置钢筋网片，或支座钢筋全跨贯通。 框架梁及所有现浇梁凡高度600者（外露梁高度500）均设置不小于212腰筋。腰筋宜细而密，间距不应大于200mm，每侧腰筋配筋率不宜小于0.1%。 檐口板，外露栏板应双面双向配筋，上下端头各配210温度抵抗筋，并每隔1520m设置一道20mm温度伸缩缝。 控制现浇板混凝土强度等级不宜大于C35。 针对性

23、地采取控制和抵抗温度收缩应力的措施 第45页/共60页第46页/共60页2.2.3 混凝土的选用混凝土的选用混凝土结构设计规范规定：l建筑工程中，钢筋混凝土构件的混凝土强度等级不应低于C15;C15;l当采用HRB335HRB335级钢筋时，不宜低于C20;C20;l当采用HRB400HRB400和RRB400RRB400级钢筋以及承受重复荷载的构件，不得低于C20;C20;l预应力混凝土结构不应低于C30C30采用钢绞线、钢丝、热处理钢筋作预应力钢筋时，不宜低于C40.C40.第47页/共60页2.3 2.3 钢筋与混凝土的相互作用粘结钢筋与混凝土的相互作用粘结力力粘结力是存在于钢筋与混凝土

24、界面上的作用力。它反映的是钢筋与混凝土交界面上沿钢筋纵向的抗剪能力。如图2.11所示。 产生粘结力的主要因素是：（1） 混凝土收缩将钢筋紧紧握固而产生的摩擦力；（2） 混凝土颗粒与钢筋表面产生的化学粘合力；（3）由于钢筋表面凹凸不平与混凝土之间产生的机械咬合力。1. 1. 粘结力的概念和作用粘结力的概念和作用第48页/共60页图2.11钢筋与混凝土之间的粘结 第49页/共60页2. 2. 粘结力及强度的测定和影响因素粘结力及强度的测定和影响因素粘结力的测定一般采用拔出试验方法，如图2.12所示。粘结强度f可由下式计算Pfdl图2.12钢筋拔出试验中 粘结应力分布图第50页/共60页根据拔出试验

25、可知：（1） 粘结应力按曲线分布，最大粘结应力在离开端部的某一位置出现，且随拔出力的大小而变； （2） 钢筋埋入长度越长，拔出力越大，但埋入过长则尾部的粘结力很小，甚至为零；（3） 粘结强度随混凝土强度等级的提高而增大；（4） 变形钢筋的粘结强度比光面钢筋的大；若在光面钢筋末端做弯钩，则拔出力大大提高。 第51页/共60页构件中钢筋的实际锚固长度，应根据钢筋的受力情况、保护层厚度、钢筋形式等对粘结强度的影响，采用基本锚固长度乘以一定修正系数。具体修正详见规范条文。 2.3.3 保证钢筋和混凝土之间粘结力的措施保证钢筋和混凝土之间粘结力的措施1 1 纵向受拉钢筋的基本锚固长度纵向受拉钢筋的基本锚固长度yatfldf进行拔出试验时，受拉钢筋达到屈服的同时发生粘结破坏，该临界情况的锚固长