混凝土结构设计原理2

混凝土结构设计原理2第一页，共78页。第2章材料的物理力学性能

主要内容：钢筋的物理力学性能混凝土的物理力学性能钢筋与混凝土的粘结钢筋的锚固和连接重点：钢筋的级别、强度和变形性能混凝土的强度和变形性能粘结破坏机理第二页，共78页。第2章材料的物理力学性能

2.1钢筋的物理力学性能

1钢筋的种类及符号说明

2.1钢筋的物理力学性能

钢筋的品种与级别

建筑中常用钢材分为四类热轧钢筋冷拉钢筋钢丝热处理钢筋第三页，共78页。第2章材料的物理力学性能

2.1钢筋的物理力学性能

热轧钢筋按其强度由低到高分为HPB300、HRB335、HRBF335、HRB400、HRBF400、RRB400、HRB500、HRBF500。冷拉钢筋和冷拔钢筋是通过对某些等级的热轧钢筋进行冷加工而成。光面钢筋螺纹钢筋月牙纹钢筋人字纹钢筋第四页，共78页。钢丝是由热轧钢筋经冷拔而成，根据原材料不同又分为：热处理钢筋是对某些特定型号的热轧钢筋进行热处理得到的。碳素钢丝：高碳镇静钢通过多次冷拔、应力消除、矫正、回火处理而成刻痕钢丝：在钢丝表面刻痕，以增强其与混凝土间的粘结力钢绞线：若干根相同直径的钢丝成螺旋状铰绕在一起冷拔低碳钢丝：由低碳钢冷拔而成第2章材料的物理力学性能

2.1钢筋的物理力学性能

第五页，共78页。第2章材料的物理力学性能

2.1钢筋的物理力学性能

1钢筋的种类及符号说明热轧钢筋的符号说明HPB300

生产工艺：hotrolled表面形状：plain钢筋：bar屈服强度标准值热轧光面钢筋第六页，共78页。第2章材料的物理力学性能1钢筋的种类及符号解释热轧钢筋的符号说明HRB335

hotrolledribbedbarRRB400

remainedheattreatmentribbedbar

2.1钢筋的物理力学性能

热轧带肋钢筋余热处理钢筋第七页，共78页。细晶粒热轧钢筋HRBF400

barhotrolledribbedFine细晶粒热轧钢筋：在热轧过程中，通过控轧和控冷工艺形成的细晶粒钢筋。其金相组织主要是铁素体加珠光体，不得有影响使用性能的其他组织存在，晶粒度不粗于9级。第2章材料的物理力学性能

2.1钢筋的物理力学性能

第八页，共78页。牌号化学成份（质量分数）%不大于CSiMnPSCeqHRB335HRBF3350.250.801.600.0450.0450.52HRB400HRBF4000.54HRB500HRBF5000.55钢筋牌号及化学成份第2章材料的物理力学性能

2.1钢筋的物理力学性能

第九页，共78页。混凝土结构的钢筋应按下列规定选用：1

纵向受力普通钢筋宜采用HRB400、HRB500、HRBF400、HRBF500钢筋，也可采用HPB300、HRB335、HRBF335、RRB400钢筋；2

梁、柱纵向受力普通钢筋应采用HRB400、HRB500、HRBF400、HRBF500钢筋；3

箍筋宜采用HRB400、HRBF400、HPB300、HRB500、HRBF500钢筋，也可采用HRB335、HRBF335钢筋；4

预应力筋宜采用预应力钢丝、钢绞线和预应力螺纹钢筋。第2章材料的物理力学性能

2.1钢筋的物理力学性能

第十页，共78页。牌号符号公称直径d（mm）HPB3006～22300420HRB335HRBF3356～50335455HRB400HRBF400RRB4006～50400540HRB500HRBF5006～50500630极限强度标准值屈服强度标准值普通钢筋强度标准值

第2章材料的物理力学性能

2.1钢筋的物理力学性能

第十一页，共78页。抗拉强度设计值抗压强度设计值牌号HPB300270270HRB335、HRBF335300300HRB400、HRBF400、RRB400360360HRB500、HRBF500435410普通钢筋强度设计值第2章材料的物理力学性能

2.1钢筋的物理力学性能

第十二页，共78页。种类中强度预应力钢丝8005104109706501270810消除应力钢丝147010404101570111018601320钢绞线15701110390172012201860132019601390预应力螺纹钢筋98065041010807701230900极限强度标准值抗拉强度设计值抗压强度设计值预应力筋强度设计值第2章材料的物理力学性能

2.1钢筋的物理力学性能

第十三页，共78页。由力学性能不同分成：软钢：有明显屈服台阶的钢筋(热轧钢筋、冷拉钢筋)硬钢：无明显屈服台阶的钢筋(钢丝、热处理钢筋)第2章材料的物理力学性能

2.1钢筋的物理力学性能

钢筋的强度与变形钢筋力学性能指标：对于有明显屈服台阶的软钢取屈服强度fy

作为强度设计依据。对于无明显屈服台阶的硬钢取条件屈服强度0.2作为强度设计依据。屈服强度、极限强度、伸长率、冷弯性能。屈强比：反映钢筋的强度储备，fy/fu=0.6~0.7。第十四页，共78页。比例极限屈服强度极限抗拉强度o(N/mm2)fyfted流幅abcoa－弹性阶段a－比例极限b－屈服强度cd－强化阶段d－极限强度de－颈缩阶段

软钢第2章材料的物理力学性能

2.1钢筋的物理力学性能

第十五页，共78页。AB’BCDE*明显流幅的钢筋：下屈服点对应的强度作为设计强度的依据，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，以至不能使用第2章材料的物理力学性能

2.1钢筋的物理力学性能

强度指标第十六页，共78页。强度指标的确定强度随机变量强度标准值根据统计资料，运用数理统计方法确定的具有一定保证率（钢筋为97.73%）的统计特征值：强度标准值=强度平均值×

（1-1.645×钢筋强度变异系数）概率密度材料强度强度平均值强度标准值第2章材料的物理力学性能

2.1钢筋的物理力学性能

第十七页，共78页。第2章材料的物理力学性能

2.1钢筋的物理力学性能

硬钢的应力—应变曲线

b——极限抗拉强度c——极限应变

条件屈服强度：

取残余应变为0.2%所对应的应力作为无明显流幅钢筋的强度限值，通常称为条件屈服强度。实际应用中可取极限抗拉强度σb的85%作为条件屈服点。第十八页，共78页。第2章材料的物理力学性能

2.1钢筋的物理力学性能

3钢筋的应力—应变简化模型

（1）理想弹塑性模型（2）三段线性模型第十九页，共78页。（a）有屈服点钢筋钢筋单调受拉应力-应变曲线第2章材料的物理力学性能

2.1钢筋的物理力学性能

第二十页，共78页。

（b）无屈服点钢筋钢筋单调受拉应力-应变曲线第2章材料的物理力学性能

2.1钢筋的物理力学性能

第二十一页，共78页。第2章材料的物理力学性能

2.1钢筋的物理力学性能

4钢筋的塑性性能

（1）延伸率：

延伸率越大，钢筋的塑性和变形能力越好。

塑性好用伸长率和冷弯性能衡量。同一根钢筋上述伸长率只反映断口附近残留变形大小，不反映钢筋总伸长率情况。第二十二页，共78页。（2）冷弯性能：=90°,180°,反复弯曲要求：冷弯过程中无裂缝、鳞落或断裂。D越小，弯过的角度越大，冷弯性能越好，反复次数愈高，要求愈高。

冷弯是检验钢筋局部变形能力的指标。钢筋塑性愈好，构件破坏前预兆愈明显。

第2章材料的物理力学性能

2.1钢筋的物理力学性能

第二十三页，共78页。第2章材料的物理力学性能

2.1钢筋的物理力学性能

5钢筋的冷加工冷拉：

在常温下用机械方法将有明显流幅的钢筋拉到超过屈服强度的某一应力值，然后卸载至零。第二十四页，共78页。第2章材料的物理力学性能5钢筋的冷加工

钢筋在冷拉后，未经时效前，一般没有明显的屈服台阶；

经过停放或加热后进一步提高了屈服强度并恢复了屈服台阶，这种现象称为冷拉时效硬化。

2.1钢筋的物理力学性能

第二十五页，共78页。第2章材料的物理力学性能

2.1钢筋的物理力学性能

5钢筋的冷加工

冷拔：

将HPB235级热轧钢筋强行拔过小于其直径的硬质合金拔丝模具。

经过几次冷拔的钢丝，抗拉、抗压强度均大大提高，但塑性降低。第二十六页，共78页。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，改善塑性和韧性热处理第2章材料的物理力学性能

2.1钢筋的物理力学性能

冷拉，可采用冷拉控制应力和冷拉率控制。冷拉后可提高钢材的抗拉强度，不提高抗压强度，且塑性下降。冷拔，经过冷拔后钢筋没有明显的屈服点和流幅，可同时提高钢材的抗拉和抗压强度，塑性降低很多。第二十七页，共78页。补充两个问题：（1）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，需采取必要的措施第2章材料的物理力学性能

2.1钢筋的物理力学性能

第二十八页，共78页。补充两个问题：（2）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第2章材料的物理力学性能

2.1钢筋的物理力学性能

第二十九页，共78页。第2章材料的物理力学性能

2.1钢筋的物理力学性能

6混凝土结构对钢筋性能的要求

保证构件具有一定的强度储备。（1）强度（2）足够的塑性

避免发生脆性破坏。钢筋的屈服强度、极限强度、伸长率（或）和冷弯性能是施工单位验收钢筋是否合格的4个主要指标。（4）与混凝土的粘结力（3）可焊性要求钢筋具备良好的焊接性能。第三十页，共78页。第2章材料的物理力学性能

2.2混凝土的物理力学性能

1立方体抗压强度

用边长为150mm的立方体在（20±3）0C温度和相对湿度在90%以上的潮湿空气中养护28d后，依照标准试验方法测得的具有95%保证率的抗压强度作为混凝土的强度等级。

影响因素：

尺寸效应：尺寸越大，内部缺陷较多，强度较低。

加载速度：加载速度越快，强度越高。强度等级低于C30时，每秒0.3~0.5N/mm2；高于C30，每秒0.5~0.8N/mm2

端部约束：涂润滑油，强度降低。

2.2混凝土的物理力学性能

第三十一页，共78页。第2章材料的物理力学性能

2.2混凝土的物理力学性能

第三十二页，共78页。第2章材料的物理力学性能

2.2混凝土的物理力学性能

1立方体抗压强度

混凝土强度等级

按立方体抗压强度标准值确定，按的大小划分为14级。C15、C20、C25、C30~C80。

混凝土强度等级的选用素混凝土结构的混凝土强度等级不应低于C15；钢筋混凝土结构的混凝土强度等级不应低于C20；采用强度等级400及以上的钢筋时，混凝土等级强度不应低于C25；预应力混凝土结构的混凝土强度等级不宜低于C40，且不应低于C30；承受重复荷载的钢筋混凝土构件，混凝土强度等级不应低于C30。第三十三页，共78页。第2章材料的物理力学性能

2.2混凝土的物理力学性能

2轴心抗压强度设计值

棱柱体高度的取值：

①摆脱端部摩擦力的影响；②试件不致失稳。

试验目的：采用棱柱体试件，反映混凝土的实际工作状态。

试件尺寸：我国取mm为标准试件。第三十四页，共78页。

与的关系：

——棱柱体强度与立方体强度之比，对C50及以下混凝土取0.76，C80取0.82，中间按线性插值；

——高强混凝土脆性折减系数，对C40取1.0，C80取0.87，中间按线性插值第2章材料的物理力学性能

2.2混凝土的物理力学性能

第三十五页，共78页。第2章材料的物理力学性能

2.2混凝土的物理力学性能

第三十六页，共78页。

混凝土受压破坏机理可概括为：随着应力的增大，沿粗骨料界面和砂浆内部的微裂缝逐渐延伸和扩展，导致砂浆的损伤不断积累；裂缝贯通后，混凝土的连续性遭到破坏，逐渐丧失其承载力，破坏的实质是由连续材料逐步变成不连续材料的过程。

第2章材料的物理力学性能

2.2混凝土的物理力学性能

第三十七页，共78页。第2章材料的物理力学性能

2.2混凝土的物理力学性能

结论：混凝土受压破坏是由于混凝土内裂缝的扩展所致，如果对混凝土的横向变形加以约束，限制裂缝的开展，可以提高混凝土的纵向抗压强度。第三十八页，共78页。

2.2混凝土的物理力学性能

3轴心抗拉强度

与的关系：

直接受拉试验

劈裂试验第2章材料的物理力学性能第三十九页，共78页。第2章材料的物理力学性能

2.2混凝土的物理力学性能

4复杂受力状态下混凝土的强度

双轴应力状态

①双向受拉，接近单轴抗拉强度；②双向受压，混凝土的侧向变形受到约束，强度提高；

③一拉一压，加速了混凝土内部微裂缝的发展，抗拉、抗压强度均降低。混凝土的双向受力强度

第四十页，共78页。第2章材料的物理力学性能

2.2混凝土的物理力学性能

4复杂受力状态下混凝土的强度

剪压或剪拉复合应力状态

①随着拉应力的增大，混凝土的抗剪强度降低。②随着压应力的增大，混凝土的抗剪强度逐渐增大；当压应力超过某一数值后，抗剪强度随压应力增大而减小。混凝土的剪压复合强度

第四十一页，共78页。第2章材料的物理力学性能

2.2混凝土的物理力学性能

4复杂受力状态下混凝土的强度

三轴应力状态

试件侧向变形受到限制，其内部微裂缝的产生和发展受到阻碍，当侧压力增大时，轴向抗压强度也相应增大。混凝土的三轴抗压强度

第四十二页，共78页。第2章材料的物理力学性能

2.2混凝土的物理力学性能

试件纵向受压时，混凝土的横向膨胀受到约束，使核心混凝土处于三向受压状态，内部微裂缝的发展受到抑制，从而提高了试件的纵向强度和延性，特别是延性大为提高。混凝土圆柱体三向受压时轴向应力—应变曲线

4复杂受力状态下混凝土的强度

第四十三页，共78页。第2章材料的物理力学性能

2.2混凝土的物理力学性能

螺旋箍筋圆柱体约束混凝土的应力—应变曲线

4复杂受力状态下混凝土的强度

第四十四页，共78页。第2章材料的物理力学性能

2.2混凝土的物理力学性能

5一次短期加载下混凝土受压的应力—应变曲线

①当σ≤0.3fc时，关系接近于直线；②当σ=(0.3～0.8)fc时，关系偏离直线；③当σ=(0.8～1.0)fc时，内部微裂缝进入非稳定发展阶段。——峰值应变

——极限压应变

混凝土的应力—应变曲线

第四十五页，共78页。第2章材料的物理力学性能

2.2混凝土的物理力学性能

不同强度等级的受压混凝土棱柱体应力—应变曲线第四十六页，共78页。第2章材料的物理力学性能

2.2混凝土的物理力学性能

特征点：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–––轴心抗压强度第四十七页，共78页。u=0.00380=0.002ocfcc0.15fcu=0.00350=0.002ocfcc美国Hognestad模型德国Rüsch模型单轴受压时的应力-应变关系的数学模型第2章材料的物理力学性能

2.2混凝土的物理力学性能

第四十八页，共78页。第2章材料的物理力学性能

2.2混凝土的物理力学性能

◆中国《规范》应力-应变关系上升段：下降段：高强混凝土：↗，↘第四十九页，共78页。第2章材料的物理力学性能

2.2混凝土的物理力学性能

6混凝土在多次重复荷载下的应力－应变关系

如果我们将混凝土棱柱体试块加荷使其压应力达到某个数值σ，然后卸荷至零，并把这一循环多次重复下去，就称为多次重复荷载。我们通常把能使试件循环200万次或次数稍多时发生破坏的压应力称为混凝土的疲劳抗压强度，用符号表示。第五十页，共78页。第2章材料的物理力学性能

2.2混凝土的物理力学性能

7混凝土的弹性模量、变形模量和切线模量混凝土的弹性模量ccccep01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）切线模量弹性系数，随着应力的增大而减小，当时，；当时，取；当时，取受拉破坏时，为0.5第五十一页，共78页。第2章材料的物理力学性能

2.2混凝土的物理力学性能

混凝土的弹性模量的试验方法（150×150×300标准试件）c/fcc0.45~10次此线和原点切线基本平行，取其斜率作为Ec混凝土的泊松比和剪切模量：混凝土的泊松比（横向应变与纵向应变的比值），在压力较小时为0.18~0.22，接近破坏时可达0.5以上，一般可取0.2。混凝土的剪切模量为：取，我国规范近似取第五十二页，共78页。第2章材料的物理力学性能

2.2混凝土的物理力学性能

混凝土弹性模量与立方体抗压强度之间的关系：第五十三页，共78页。第2章材料的物理力学性能

2.2混凝土的物理力学性能

8混凝土的徐变

定义：在荷载长期作用下，混凝土的变形随时间而徐徐增长的现象。徐变的特点：开始增长较快，以后逐渐减慢，最后趋于稳定。原因之一，尚未转化为结晶体的水泥凝胶体粘性流动的结果原因之二，混凝土内部微裂缝在荷载长期作用下的不断发展第五十四页，共78页。第2章材料的物理力学性能

2.2混凝土的物理力学性能

徐变性质：线性徐变初应力c0.5fc时，徐变与初应力呈正比非线性徐变c>0.5fc当c>0.8fc，徐变发展最终导致破坏作为混凝土的长期抗压强度。

0.8fc第五十五页，共78页。第2章材料的物理力学性能

2.2混凝土的物理力学性能

徐变对结构的影响：使构件变形增大，挠度增大2~3倍或更大；在长细比较大的偏心受压构件，将引起附加偏心距增大，使构件承载力降低；在预应力构件中，引起预应力损失；使钢筋混凝土截面引起应力重分布。第五十六页，共78页。徐变对混凝土结构轴压构件的影响PAsPAss1c1Ps2Ass2P拆去，钢筋受压，混凝土受拉，可能会引起混凝土开裂徐变：s，c第2章材料的物理力学性能

2.2混凝土的物理力学性能

第五十七页，共78页。第2章材料的物理力学性能

2.2混凝土的物理力学性能

8混凝土的徐变

◆徐变的影响因素：内在因素是混凝土的组成和配比。水泥用量越多，水泥胶体多，水胶比越高，徐变越大。要减小徐变，应尽量减少水泥用量，减少水胶比，增加骨料所占体积及刚度。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，水泥水化作用越充分，徐变就越小。采用蒸汽养护可使徐变减少（20~35）%。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。混凝土的应力条件的影响：加荷时混凝土的龄期越长，徐变越小；混凝土的应力越大，徐变越大。第五十八页，共78页。9混凝土的收缩和膨胀第2章材料的物理力学性能

2.2混凝土的物理力学性能

混凝土在空气中结硬时体积减小的现象称为收缩；混凝土在水中或处于饱和湿度情况下结硬时体积增大的现

象称为膨胀。第五十九页，共78页。收缩的特点：早期快，可延续1～2年。蒸汽养护常温养护051015200.10.20.30.4收缩(10–3)时间(月)第2章材料的物理力学性能

2.2混凝土的物理力学性能

第六十页，共78页。第2章材料的物理力学性能

2.2混凝土的物理力学性能

收缩的性质自由收缩约束收缩来自内部的钢筋约束来自支座的外部约束收缩对结构的影响自由收缩一般不会引起拉应力，故不会开裂约束收缩产生收缩应力甚至开裂第六十一页，共78页。收缩对结构的影响：当收缩受到约束时，引起构件开裂。减少收缩的措施：限制水泥用量；减小水灰比；加强振捣和养护；构造钢筋数量加强；设置变形缝；掺膨胀剂。AssAss收缩：钢筋受压，混凝土受拉As第2章材料的物理力学性能

2.2混凝土的物理力学性能

第六十二页，共78页。◆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。（1）水泥的品种：水泥强度等级越高，制成的混凝土收缩越大。（2）水泥的用量：水泥用量多、水胶比越大，收缩越大。（3）骨料的性质：骨料弹性模量高、级配好，收缩就小。（4）养护条件：干燥失水及高温环境，收缩大。（5）混凝土制作方法：混凝土越密实，收缩越小。（6）使用环境：使用环境温度、湿度越大，收缩越小。（7）构件的体积与表面积比值：比值大时，收缩小。第2章材料的物理力学性能

2.2混凝土的物理力学性能

第六十三页，共78页。第2章材料的物理力学性能

2.3钢筋与混凝土的粘结与锚固

1粘结应力的定义粘结应力是钢筋和混凝土接触面上的剪应力，由于这种剪应力的存在，使钢筋和周围混凝土之间的内力得到传递。

2.3钢筋与混凝土的粘结2粘结应力的意义钢筋与混凝土之间的粘结性能是钢筋和混凝土共同工作的基础。第六十四页，共78页。无粘结梁：梁中的钢筋与混凝土没有粘结，在荷载作用下，钢筋不受力，该梁如同素混凝土梁。端部有锚固无粘结梁：钢筋仅在梁端部设置机械锚固，钢筋应力沿全长相等，受力犹如二铰拱，不是梁的受力状态。所以，只有梁中的钢筋沿全长与混凝土有可靠的粘结，并在端部有可靠的锚固，才符合梁的受力特点。第2章材料的物理力学性能

2.2混凝土的物理力学性能

第六十五页，共78页。第2章材料的物理力学性能

2.2混凝土的物理力学性能

第六十六页，共78页。第2章材料的物理力学性能

2.2混凝土的物理力学性能

第六十七页，共78页。3粘结强度的测定第2章材料的物理力学性能

2.2混凝土的物理力学性能

第六十八页，共78页。第2章材料的物理力学性能

2.3钢筋与混凝土的粘结与锚固

4粘结应力的组成

化学胶结力：浇筑时水泥浆体向钢筋表面氧化层的渗透和养护过程中水泥晶体的生长和硬化，使水泥胶体和钢筋表面产生吸附胶着作用。摩擦力：混凝土凝结时收缩，使钢筋和混凝土接触面上产生正应力，将钢筋紧紧地握裹住。机械咬合力：钢筋表面凹凸不平与混凝土产生的机械咬合力作用而产生的力。钢筋端部的锚固力：一般在钢筋端部弯钩、弯折，在锚固区焊短钢筋、短角钢等方法来提供锚固力第六十九页，共78页。第2章材料的物理力学性能

2.3钢筋与混凝土的粘结与锚固

5粘结破坏机理

（1）光圆钢筋的粘结破坏：粘结作用在钢筋与混凝土间出现相对滑移前主要取决于化学胶着力