材料的力学性能课件

材料的力學性能

鋼筋混凝土兩者間的粘結強度變形粘結破壞的過程和機理鋼筋的種類熱軋鋼筋、熱處理鋼筋、冷加工鋼筋、鋼絲或鋼絞線HPB235（HotRolledPlainSteelBar）熱軋光面鋼筋

Q235HRB335

（HotRolledRibbedSteelBar）熱軋帶肋鋼筋

20MnSiHRB400

（HotRolledRibbedSteelBar）熱軋帶肋鋼筋

20MnSiV,20MnSiNb,20MnTiRRB400

（RemainedheattreatmentRibbedSteelBar）

餘熱處理鋼筋

常用熱軋鋼筋的分類主要成分為鐵元素，還含有少量的碳、矽、錳、硫、磷等元素，力學性能主要與碳的含量有關：含碳量越高，則鋼筋的強度越高，質地硬，但塑性變差。若含碳量低於0.25％，則稱為低碳鋼，鋼筋混凝土結構中多應用的是低碳鋼。20MnSi前面的20指的是平均含碳量的萬分數，其他化學元素的含量在1.5％以下。熱軋鋼筋的成分HPB235：品質穩定，塑性好易成型，但屈服強度較低，不宜用於結構中的受力鋼筋；HRB335：帶肋鋼筋，有利於與混凝土之間的粘結，強度和塑性均較好，是目前主要應用的鋼筋品種之一；HRB400：帶肋鋼筋，有利於與混凝土之間的粘結，強度和塑性均較好，是今後主要應用的鋼筋品種之一；RRB400：是HRB335鋼筋熱軋後快速冷卻，利用鋼筋內溫度自行回火而成，淬火鋼筋強度提高，但塑性降低，餘熱處理後塑性有所改善。熱軋鋼筋的性能特點鋼筋的強度和變形有明顯屈服點的鋼筋無明顯屈服點的鋼筋有明顯屈服點鋼筋的應力－應變關係—比例極限—彈性極限—屈服上限—屈服下限—極限強度cd段為屈服臺階df段為強化段反映鋼筋力學性能的基本指標：屈服強度、延伸率和強屈比對於有明顯屈服點鋼筋，其屈服強度定義為屈服下限。強屈比為極限強度與屈服強度的比值，熱軋鋼筋通常在

1.4～1.6之間。鋼筋在拉斷時的應變稱為延伸率，定義為：為試件的標距鋼筋標距通常取為5d或10d，標距範圍包括了鋼筋的頸縮區域，而該區域的變形占試件變形的絕大部分且與試件標距的大小關係不大，所以導致不同標距的試件測得的延伸率不同。目前多採用均勻延伸率來反映鋼筋的變形能力冷彎性能是反映鋼筋變形能力的另一個指標鋼筋的雙線性理想彈塑性本構模型無明顯屈服點鋼筋的應力－應變關係條件屈服點為殘餘變形為0.2％時對應的應力不同鋼筋應力－應變關係的比較鋼筋的冷拉性能冷拉、冷拔和冷軋混凝土結構對鋼筋的要求強度－屈服強度塑性－延伸率和冷彎性能具有較好的可焊性有較好的粘結力－帶肋鋼筋混凝土材料混凝土材料是由水泥、砂、石子和水按一定比例組成，經凝結和硬化形成的，屬於複合材料。混凝土是由水泥結晶體、水泥凝膠體和內部微裂縫組成的混凝土的強度1、混凝土強度等級混凝土結構中，主要是利用它的抗壓強度。因此抗壓強度是混凝土力學性能中最主要和最基本的指標。混凝土的強度等級是用抗壓強度來劃分的。混凝土強度等級：邊長150mm立方體標準試件，在標準條件下（20±3℃，≥90%濕度）養護28天，用標準試驗方法（加載速度0.15~0.3N/mm2/sec，兩端不塗潤滑劑）測得的具有95%保證率的立方體抗壓強度，用符號C表示，C30表示fcu,k=30N/mm2

《規範》根據強度範圍，從C15~C80共劃分為14個強度等級，級差為5N/mm2。與原《規範GBJ10-89》相比，混凝土強度等級範圍由C60提高到C80，C50以上為高強混凝土。混凝土的強度混凝土立方抗壓強度混凝土軸心抗壓強度混凝土抗拉強度立方體抗壓強度的試驗尺寸效應及摩擦力的影響美國、日本、加拿大等國家，採用圓柱體（直徑150mm，高300mm）標準試件測定的抗壓強度來劃分強度等級，符號記為fc'。圓柱體強度與我國標準立方體抗壓強度的換算關係為立方體抗壓強度的換算關係立方體和圓柱體抗壓試驗都不能代表混凝土在實際構件中的受力狀態，只是用來在同一標準條件下比較混凝土強度水準和品質的標準（製作、測試方便）100mm立方體強度與標準立方體強度之間的換算關係小於C50的混凝土，修正係數m=0.95。隨混凝土強度的提高，修正係數m值有所降低。當fcu100=100N/mm2時，換算係數m約為0.9軸心抗壓強度軸心抗壓強度採用棱柱體試件測定，用符號fc表示，它比較接近實際構件中混凝土的受壓情況。棱柱體試件高寬比一般為h/b=3~4，我國通常取150mm×150mm×450mm的棱柱體試件，也常用100×100×300試件。棱柱體抗壓強度的試驗方法立方抗壓與軸心抗壓強度的關係《規範》對小於C50級的混凝土取k=0.76，對C80取k=0.82，其間按線性插值。對於同一混凝土，棱柱體抗壓強度小於立方體抗壓強度。軸心抗拉強度也是混凝土的基本力學性能，用符號ft表示。混凝土構件開裂、裂縫、變形，以及受剪、受扭、受沖切等的承載力均與抗拉強度有關。拉壓壓劈拉試驗aPP由於軸心受拉試驗對中困難，也常常採用立方體或圓柱體劈拉試驗測定混凝土的抗拉強度。軸心抗拉與立方抗壓強度的關係混凝土強度標準值《規範》規定材料強度的標準值fk

應具有不小於95%的保證率立方體強度標準值即為混凝土強度等級fcu。《規範》在確定混凝土軸心抗壓強度和軸心抗拉強度標準值時，假定它們的變異係數與立方體強度的變異係數相同，利用與立方體強度平均值的換算關係，便可按上式計算得到。同時，《規範》考慮到試件與實際結構的差異以及高強混凝土的脆性特徵，對軸心抗壓強度和軸心抗拉強度，還採用了以下兩個折減係數：⑴結構中混凝土強度與混凝土試件強度的比值，取0.88；⑵脆性折減係數，對C40取1.0，對C80取0.87，中間按線性規律變化[例]fcu=30MPa,d=0.12,fcu,m=fcu/(1-1.645d)fc,m=0.76fcu,mfc,k=fc,m(1-1.645d)×0.88×1.0=0.76fcu×0.88×1.0=20.06MPa混凝土的變形單軸（單調）受壓應力-應變關係Stress-strainRelationship

混凝土單軸受力時的應力-應變關係反映了混凝土受力全過程的重要力學特徵，是分析混凝土構件應力、建立承載力和變形計算理論的必要依據，也是利用電腦進行非線性分析的基礎。

混凝土單軸受壓應力-應變關係曲線，常採用棱柱體試件來測定。

在普通試驗機上採用等應力速度加載，達到軸心抗壓強度fc時，試驗機中集聚的彈性應變能大於試件所能吸收的應變能，會導致試件產生突然脆性破壞，只能測得應力-應變曲線的上升段。

採用等應變速度加載，或在試件旁附設高彈性元件與試件一同受壓，以吸收試驗機內集聚的應變能，可以測得應力-應變曲線的下降段。混凝土的破壞機理A點以前，微裂縫沒有明顯發展，混凝土的變形主要彈性變形，應力－應變關係近似直線。A點應力隨混凝土強度的提高而增加，對普通強度混凝土sA約為

(0.3~0.4)fc

，對高強混凝土sA可達(0.5~0.7)fc

到達B點以後，混凝土產生部分塑性變形，應力－應變逐漸偏離直線。B點時的裂縫發展已不穩定，試件的橫向變形突然增大，常取sB作為混凝土的長期抗壓強度

；普通強度混凝土sB約為0.8fc

，高強混凝土sB可達0.95fc

到達C點時，內部微裂縫連通形成破壞面，試件承載力開始減小而進入下降段。B點時的應力稱為峰值應力，即為混凝土棱柱體抗壓強度；相應的縱向壓應變稱為峰值應變，約為0.002。繼續發展至D點時，破壞面初步形成。E點以後，縱向裂縫形成一個斜向的破壞面，此破壞面在正應力和剪應力的作用下形成破壞帶。此時試件的強度由破壞面上骨料間的摩阻力提供。隨著應變進一步發展，摩阻力不斷下降，試件的殘餘強度約為0.1~0.4fc由上述混凝土的破壞機理可知，微裂縫的發展導致橫向變形的增大。對橫向變形加以約束，就可以限制微裂縫的發展，從而可提高混凝土的抗壓強度。約束混凝土可以提高混凝土的強度，但更值得注意的是可以提高混凝土的變形能力，這一點對於抗震結構非常重要。若採用無量綱座標x=e/e0，y=s/fc，則混凝土應力-應變全曲線的幾何特徵必須滿足:◆清華大學過鎮海提出的應力-應變全曲線運算式a=Ec/E0，Ec為初始彈性模量；E0為峰值點時的割線模量，為滿足條件①和②，一般應有1.5≤a≤3；ac為下降段參數混凝土應力-應變關係的數學描述美國Hognestad建議的應力-應變曲線上升段：下降段：《規範》提出的混凝土應力-應變曲線運算式《規範》中混凝土應力－應變曲線參數的確定箍筋約束混凝土受壓的應力-應變關係

ConfinementwithTransverseReinforcement螺旋箍筋(a)螺旋箍筋壓應變箍筋d=4.76mm，s=38.1mm，箍筋d=4.76mms=63.5mm無箍筋矩形箍筋螺旋箍筋約束對強度和變形能力均有很大提高矩形箍筋約束對強度的提高不是很顯著，但對變形能力有顯著改善當應力較小時，橫向變形很小，箍筋的約束作用不明顯；當應力超過B點的應力時，由於混凝土的橫向變形開始顯著增大，側向膨脹使螺旋箍筋產生環向拉應力，其反作用力使混凝土的橫向變形受到約束，從而使混凝土的強度和變形能力都得到提高。混凝土受拉應力-應變關係TheTensionConstitutiveRelationshipofConcrete彈性係數約為0.5鋼纖維混凝（SteelFiberConcrete）不同強度混凝土應力－應變關係的比較強度等級越高，線彈性段越長，峰值應變也有所增大。但高強混凝土中，砂漿與骨料的粘結很強，密實性好，微裂縫很少，最後的破壞往往是骨料破壞，破壞時脆性越顯著，下降段越陡。混凝土的彈性模量（ElasticModulus）彈性模量的測定方法複雜應力狀態下混凝土的力學性能實際結構中，混凝土很少處於單向受力狀態。更多的是處於雙向或三向受力狀態。如剪力和扭矩作用下的構件、彎剪扭和壓彎剪扭構件、混凝土拱壩、核電站安全殼等。雙向受壓強度大於單向受壓強度，最大受壓強度發生在兩個壓應力之比為0.3~0.6之間，約為(1.25~1.60)fc。雙軸受壓狀態下混凝土的應力-應變關係與單軸受壓曲線相似，但峰值應變均超過單軸受壓時的峰值應變。雙軸應力狀態（BiaxialStressState）構件受剪或受扭時常遇到剪應力t和正應力s共同作用下的複合受力情況。混凝土的抗剪強度：隨拉應力增大而減小，隨壓應力增大而增大當壓應力在0.6fc左右時，抗剪強度達到最大，壓應力繼續增大，則由於內裂縫發展明顯，抗剪強度將隨壓應力的增大而減小。三軸應力狀態（TriaxialStressState）三軸應力狀態有多種組合，實際工程遇到較多的螺旋箍筋柱和鋼管混凝土柱中的混凝土為三向受壓狀態。三向受壓試驗一般採用圓柱體在等側壓條件進行。混凝土的收縮和徐變

ShrinkageandCreep混凝土在空氣中硬化時體積會縮小，這種現象稱為混凝土的收縮，收縮是混凝土在不受外力情況下體積變化產生的變形。混凝土在長期不變荷載的作用下，其變形隨時間而不斷增長的現象稱為徐變。混凝土的收縮是隨時間而增長的變形，早期收縮變形發展較快，兩周可完成全部收縮的25%，一個月可完成50%，以後變形發展逐漸減慢，整個收縮過程可延續兩年以上。通常，最終收縮應變值約為(2~5)×10-4

，而混凝土開裂應變為(0.5~2.7)×10-4，說明收縮會導致開裂。混凝土收縮包括凝縮和幹縮兩部分，凝縮是由於水泥結晶體比原材料的體積小；幹縮是混凝土內自由水分蒸發引起的。混凝土的收縮受結構周圍的溫度、濕度、構件斷面形狀及尺寸、配合比、骨料性質、水泥性質、混凝土澆築品質及養護條件等許多因素有關：水泥用量多、水灰比越大，收縮越大；骨料彈性模量高、級配好，收縮就小；乾燥失水及高溫環境，收縮大；小尺寸構件收縮大，大尺寸構件收縮小；高強混凝土收縮大。影響收縮的因素多且複雜，要精確計算尚有一定的困難。在實際工程中，要採取一定措施減小收縮應力的不利影響。混凝土收縮的影響因素當這種自發的變形受到外部（支座）或內部（鋼筋）的約束時，將使混凝土中產生拉應力，甚至引起混凝土的開裂。混凝土收縮會使預應力混凝土構件產生預應力損失。隨荷載作用時間的延續，變形不斷增長，前4個月徐變增長較快，6個月可達最終徐變的（70~80）%，以後增長逐漸緩慢，2~3年後趨於穩定。混凝土的徐變暫態恢復彈性後效殘餘應變收縮應變徐變應變暫態應變徐變會使結構（構件）的（撓度）變形增大，引起預應力損失，在長期高應力作用下，甚至會導致破壞。徐變有利於結構構件產生內（應）力重分佈，降低結構的受力（如支座不均勻沉降），減小大體積混凝土內的溫度應力，受拉徐變可延緩收縮裂縫的出現。與混凝土的收縮一樣，徐變也與時間有關。因此，在測定混凝土的徐變時，應同批澆築同樣尺寸不受荷的試件，在同樣環境下同時量測混凝土的收縮變形，從徐變試件的變形中