第二章钢筋和混凝土材料力学性能

第二章钢筋和混凝土材料力学性能第一页，共36页。2.1.1钢筋的品种1.根据钢筋成分划分碳素钢低碳钢（含碳量<0.25%）中碳钢（含碳量0.25~0.6%）高碳钢（含碳量0.6~1.4%）普通低合金钢锰系硅钒系硅钛系硅锰系硅铬系*钢筋含C量越高强度越高，但塑性和可焊性降低。合金元素既能使钢筋的强度提高，又能保持一定的塑性。§2.1钢筋第二页，共36页。钢筋热轧钢筋：热轧光圆钢筋HPB300（HotrolledPlainBars），热轧带肋钢筋HRB335、HRB400，HRB500(HotrolledRibbedBars),细晶粒热轧钢筋HRBF335、HRBF400，HRBF500(HotrolledRibbedBarsofFinegrains),冷拉钢筋：由热轧钢筋在常温下用机械拉伸而成余热处理钢筋RRB400：钢筋通过加热、淬火、预热处理而成钢丝碳素钢丝：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2.按加工方式划分第三页，共36页。HPB300Ф

HRB335HRB400RRB400

热轧钢筋的符号说明hotrolledplainbar

fyk=300N/mm2hotrolledribbedbar

fyk=335N/mm2hotrolledribbedbarfyk=400

N/mm2remainedheattreatmentribbedbarfyk=400

N/mm2第四页，共36页。3.按表面形状光圆钢筋带肋钢筋钢筋的应用范围非预应力钢筋：HPB300,HRB335，HRB400，RRB400，HRB500HRBF335,HRBF400,HRBF500预应力钢筋：碳素钢丝，刻痕钢丝，钢绞线，预应力螺纹钢筋第五页，共36页。AB’BCDE上屈服点不稳定下屈服点出现颈缩拉断BC段为屈服平台CD段为强化段标距有明显流幅的钢筋钢筋受压和受拉时的应力-应变曲线几乎相同2.1.2钢筋的应力应变曲线及塑性性能1.钢筋的应力-应变曲线第六页，共36页。①

A点--比例极限，应力和应变成比例，卸荷后应变恢复为零②

B’点--上屈服点（其值不够稳定）③

B点--下屈服点（其值稳定），对有明显屈服点的钢筋，下屈服点的应力值称为钢筋的屈服强度或流限④

B-C段--屈服台阶或流幅⑤

C-D段--强化段，d点的应力称为极限抗拉强度⑥

D-E段--颈缩段AB’BCDE第七页，共36页。标距无明显流幅的钢筋钢筋受压和受拉时的应力-应变曲线几乎相同第八页，共36页。a点：比例极限，约为0.65σba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(Equivalentyieldpoint)残余应变为0.2%所对应的应力《规范》取σ0.2=0.85σb第九页，共36页。AB’BCDE0.2%0.2强度指标*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*无明显流幅的钢筋：残余应变为0.2%时所对应的应力作为条件屈服强度,随着冶金系统采用国际标准及质量的提高，在相应的产品标准中明确规定屈服强度σ0.2不得小于极限抗拉强度σb的85%（0.85σb）。因此，实际应用中可取极限抗拉强度σb的85%作为条件屈服点

第十页，共36页。2.塑性性能钢筋的两个塑性指标:伸长率和冷弯性能:::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。第十一页，共36页。均匀伸长率钢筋弹性模量实测钢筋拉断强度残余伸长已回复弹性应变+=第十二页，共36页。冷弯=90°,180°,反复弯曲要求：冷弯过程中无裂缝、鳞落或断裂。D

愈小，要求愈高。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。

第十三页，共36页。强度要求：屈服强度和极限强度，抗震设计时还要求有一定的屈强比塑性要求：伸长率和冷弯要求可焊性与混凝土的粘结性3.混凝土结构对钢筋的要求耐久性第十四页，共36页。§2.2混凝土2.2.1概述主要材料：水泥、水、砂、石、外加剂

特点:1）水泥和水反应生成水泥石，水泥石由结晶体和凝胶体组成；2）水泥石结晶体和砂、石骨料组成混凝土中错综复杂的弹性骨架，主要承受外力，并使混凝土具有弹性变形的特点；3）凝胶体起调整和扩散应力的作用，并使混凝土具有塑性变形的特点；混凝土凝结初期（未受力时），在骨料和水泥胶块的接触面上形成微裂缝（粘结裂缝），它是混凝土中最薄弱的环节；4）混凝土的破坏是由微裂缝的扩展引起，限制微裂缝的扩展，可提高混凝土的强度；5）混凝土的强度和变形将随时间的增长而变化。第十五页，共36页。2.2.2

混凝土强度

1.立方体抗压强度fcu(1)标准试件：150mm×150mm×150mm

(2)标准养护条件：20℃±2℃，湿度≥95%；28d

(3)标准试验方法：试块表面不涂润滑剂、全截面均匀受压、加荷速度均匀。

立方体抗压强度标准值fcu,k是按上述规定所测得的具有95%保证率的抗压强度称为混凝土的立方体抗压强度标准值。混凝土强度等级

《混凝土规范》规定：混凝土强度等级按立方体抗压强度标准值确定。fcu,k是混凝土各种强度指标的基本代表值第十六页，共36页。混凝土强度等级的分级

按fcu,k

划分为14级，即C15～C80，级差5MPa。

符号C35

C：立方体(Cube)

35：立方体抗压强度标准值，单位

N/mm2

当≤C50时，普通混凝土（normal-strengthconcrete）当＞C50时，高强混凝土（high-strengthconcrete）第十七页，共36页。影响立方体抗压强度fcu的因素承压板试块摩擦力不涂润滑剂涂润滑剂强度大于我国规范的方法：不涂润滑剂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、试块尺寸等承压板试块摩擦力承压板试块摩擦力(1)试验方法第十八页，共36页。（2）加载速度

加载速度快，微裂缝不能充分扩展，强度高（3）试件尺寸

尺寸大，内部缺陷相对较多，端部摩擦力影响相对较大，强度低立方体试块尺寸（mm）强度换算系数

200×200×2001.05150×150×1501.00100×100×1000.95（4）龄期

龄期长，试件强度高

第十九页，共36页。2.混凝土抗压强度fc

采用棱柱体试件，能够反映混凝土的实际工作状态。我国取150×150×300mm为标准试件，按与立方体试验

相同的规定所得的平均应力值，为fc

。当试件的高度h与截面边长b之比增大时，“套箍”作用减小，

测得的强度值降低。承压板试块h/b=2-4时，测得的抗压强度值比较稳定混凝土强度与试块混凝土强度的修正系数脆性影响系数

棱柱体强度与立方体强度之比值第二十页，共36页。3.混凝土抗压强度ft混凝土的抗拉强度远小于其抗压强度150150500100100对于普通混凝土，抗拉强度约1/17-1/8的抗压强度

对于高强混凝土，抗拉强度约1/24-1/20的抗压强度

直接受拉试验试验结果：ft=0.395fcu0.55考虑到构件和试件的区别，尺寸效应，加荷速度等的影响，取ft=0.88×0.395fcu

0.55第二十一页，共36页。劈裂试验ftsddftsFFFF我国根据100mm立方体的劈裂与抗压试验结果有：fts=0.19fcu3/4直接受拉试验的缺点:容易引起偏拉破坏第二十二页，共36页。2.2.3混凝土变形1.单调短期加载下的变形性能

轴心受压的应力-应变关系

482

Os

≈0.3fca≈0.8fcbfcc6d

a点前内部裂缝没有发展，应力应变近似直线。b点称为临界应力点,内部裂缝有发展,但处于稳定状态c点的应变称为峰值应变,

约为0.002,内部裂缝延伸到表面，c点后出现应变软化d点为极限压应变,对普通混凝土取0.0033。第二十三页，共36页。应力-应变曲线特点

oa段：即应力比≤0.3时，应力-应变关系接近于直线，故a点相当于混凝土的弹性极限。ab段

：当应力比约为（0.3～0.8）时，应力-应变关系偏离直线，应变的增长速度比应力增长快，故b点称为临界应力点。bc段：当应力比约为（0.8～1.0）时，应变增长速度进一步加快，应力-应变曲线的斜率急剧减小，混凝土内部微裂缝进入非稳定发展阶段。当应力到达c点时，混凝土发挥出受压时的最大承载能力，即轴心抗压强度（极限强度），相应的应变值称为峰值应变。cd段：下降段，由滑移面上的摩擦咬合力和混凝土柱体的残余强度提供作用是：峰值应力后，吸收试验机的变形能，测出下降段第二十四页，共36页。影响混凝土应力-应变曲线的因素:

（1）混凝土强度：混凝土强度越高，上升段愈接近直线，峰值应变略有增加（但仍在左右），下降段越陡；混凝土强度越低，下降段越平缓。不同强度的混凝土的应力-应变曲线（2）加荷速度：加荷速度增加，最大应力值增加，峰值应变减小，下降段陡峭。（3）横向约束作用：横向约束增大，峰值应力、应变均增大，下降段减缓。第二十五页，共36页。3.混凝土受约束时变形特点螺旋箍筋圆柱体约束混凝土

在接近混凝土单轴抗压强度之前，横向钢筋几乎不受力，混凝土基本不受约束。

轴向压力大于单轴抗压强度时，轴向强度和变形能力均提高，横向钢筋越密，提高幅值越大。

螺旋筋能使核心混凝土在侧向受到均匀连续的约束力，其效果较普通箍筋好，因而强度和延性的提高更为显著。普通箍筋约束柱截面角上混凝土第二十六页，共36页。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）切线模量受压时，为0.4~1.0；受拉破坏时，为1.04.混凝土的弹性模量和变形模量第二十七页，共36页。混凝土的弹性模量的试验方法（150×150×300标准试件）c/fcc0.55~10次此线和原点切线基本平行，取其斜率作为Ec第二十八页，共36页。多次重复荷载作用下的应力-应变曲线

当加载、卸载的最大压应力值不超过某个限值时，每次加载、卸载过程都将形成塑性变形。经多次重复后，塑性变形将不再增长，混凝土加、卸载的应力-应变曲线呈直线变化，且此直线大致与第一次加载时的原点切线平行。

当应力值超过一特定值之后，出现直线后就产生反向弯曲。应变越来越大，就会发生破坏，即疲劳破坏。该特定值就是混凝土的疲劳强度。5.混凝土在重复荷载下的变形性能第二十九页，共36页。6.混凝土的徐变

徐变：在不变的应力长期持续作用下，混凝土的变形随时间徐徐增长的现象称为混凝土的徐变。3000.51.01.52.0510152025压应变×10-3时间/月瞬时变形徐变变形卸载时瞬时恢复的变形残余变形卸载后的弹性后效第三十页，共36页。徐变的特点

先快后慢，最后趋于稳定

徐变的原因

水泥凝胶体的黏性流动，使骨料应力增大混凝土中内部微裂缝的发展影响徐变的因素

★应力的大小

线性徐变，徐变与应力成正比非线性徐变，徐变增长速度比应力增长快徐变与时间曲线发散。

第三十一页，共36页。★混凝土组成和配合比

骨料（不产生徐变）多，徐变小；水泥用量和水灰比大（混凝土中凝胶体比重大），徐变大。★环境条件

湿度低，温度高，徐变大（高温干燥下，砼水份逸失较多，转化为水泥结晶体的水泥浆少，凝胶体较多）；龄期短，徐变大。注：徐变是受力变形，有应力存在就有徐变变形；徐变方向与受力方向一致，有受拉、压徐变；徐变随时间变化。第三十二页，共36页。徐变对结构的影响（研究徐变的意义）

1）使钢筋混凝土构件截面产生内力重分布

：混凝土应力