第一章钢筋和混凝土材料的力学性

1、第一章 钢筋和混凝土材料力学性能,第一节 钢筋混凝土结构的本概念 第二节 混凝土 第三节 钢筋 第四节 钢筋与混凝土之间的粘结,1、掌握混凝土的各项强度指标 2、掌握混凝土的变形,3、掌握钢筋的等级及钢筋混凝土结构对钢筋性能的要求 4、掌握钢筋与混凝土之间的粘结,1、混凝土的各项强度指标 2、混凝土的徐变及影响因素 3、钢筋与混凝土共同工作的原因,一、钢筋的强度和变形 1. 钢筋的应力-应变曲线,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,有明显流幅的钢筋,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,一、钢筋的强度和变形 1. 钢筋的应力-应变曲

2、线,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0.2不得小于极限抗拉强度b的85%（0.85b）。因此，实际应用中可取极限抗拉强度b的85%作为条件屈服点,一、钢筋的强度和变形 1. 钢筋的应力-应变曲线,变形指标,伸长率：钢筋拉断后的伸长与原长的比值,* 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,

3、一、钢筋的强度和变形 2. 钢筋的成分、级别和品种,按化学成分,碳素钢（铁、碳、硅、锰、硫、磷等元素）,低碳钢（含碳量0.25%）,中碳钢（含碳量0.250.6%）,高碳钢（含碳量0.61.4%）,普通低合金钢（另加硅、锰、钛、钒、铬等）,锰系 硅钒系 硅钛系 硅锰系 硅铬系,一、钢筋的强度和变形 2. 钢筋的成分、级别和品种,钢筋,热轧钢筋：热轧光面钢筋HPB235，热轧带肋钢筋HRB335、HRB400，余热处理钢筋RRB400,冷拉钢筋：由热轧钢筋在常温下用机械拉伸而成,热处理钢筋：将HRB400、RRB400钢筋通过加热、淬火、回火而成,按加工方法,钢丝,碳素钢丝：高碳镇静钢通过多次冷

4、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,一、钢筋的强度和变形 2. 钢筋的成分、级别和品种,按表面形状,光圆钢筋,变形钢筋,钢筋的应用范围,非预应力钢筋：HRB235，HRB335，HRB400，RRB400,预应力钢筋：碳素钢丝，刻痕钢丝，钢绞线，热处理钢筋，冷拉钢筋,一、钢筋的强度和变形 4. 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,二、混凝土的强

5、度和变形,一、概念 1 混凝土的概念：用水泥、骨料（砂子、碎石）材料，用水拌合，并掺上外加剂（减水剂、早强剂、缓凝剂）等入模浇筑，经过凝固、硬化而制成的人工石材。 2 对混凝土的品质的要求 （1）和易性好：保证各成分均匀混合，不发生分层离析的情况下，适合于搅拌、运输、浇灌、振捣、整平等工艺过程，从而获得均匀密实的混凝土的性能； （2）强度要高； （3）耐久性要好； （4）经济上要节省。,二、砼的各项强度指标 立方体抗压强度fcu,k (1)规定： 标准尺寸：150 mm150 mm150mm 养护条件：温度200 C30 C 相对湿度90% 龄期：28d,二、混凝土的强度和变形 1. 单轴受力

6、状态下混凝土的抗压强度,标准试块：150150 150,非标准试块：100100 100 换算系数 0.95 200200 200 换算系数 1.05,立方体抗压强度是区分混凝土强度等级的指标，我国规范混凝土的强度等级有： C15，C20，C25，C30，C35，C40，C45，C50，C55，C60，C65，C70，C75，C80,表示混凝土Concrete,立方体抗压强度,立方体抗压强度fcu,（2）混凝土强度等级 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTG D622004）规定的混凝土强度等级是按边长为150mm的立方体抗压强度标准值确定的，并冠以C表示，如C30表示立方体强度标准

7、值为30MPa的混凝土强度等级。 公路桥涵受力构件的混凝土强度等级可以采用C30C80，中间以5MPa进级。 C50以下为普通强度的混凝土，C50以上为高强度的混凝土。 公路桥涵混凝土的强度等级的选择按以下的规定采用： （1）钢筋混凝土构件不应低于C20，当采用HRB400、KL400级钢筋配筋时，不应低于C25； （2）预应力混凝土构件不应低于C40。,混凝土立方体抗压强度标准值是按照上述立方体抗压强度试验方法得到的具有95%保证率的抗压强度值，以符号 表示 （3）、影响砼抗压强度的因素 1）水泥标号、配合比、骨料性质、水灰比、制作方法、养护环境、养护龄期 2）试验方法的影响是否涂油 3）尺

8、寸的影响,二、混凝土的强度和变形 1. 单轴受力状态下混凝土的抗压强度,立方体抗压强度fcu,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,二、混凝土的强度和变形 1. 单轴受力状态下混凝土的抗压强度,棱柱体抗压强度fc,标准试块：150150 300,非标准试块：100100 300 换算系数 0.95 200200 400 换算系数 1.05,考虑到承压板对试件的约束，立方体抗压强度大于棱柱体抗压强度，且有：fc=0.76fcu (试验结果) 考虑到构件和试件的区别，取fc=0.67fcu,对国外（美国、日本、欧

9、洲混凝土协会等）采用的圆柱体试件（d=150, h= 300），有fc=0.79fcu,圆柱体抗压强度,二、混凝土的强度和变形 2. 单轴受力状态下混凝土的抗拉强度,直接受拉试验ft,试验结果：ft=0.395fcu 0.55 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=0.348fcu 0.55,三、混凝土的变形,变形,二、混凝土的强度和变形 3. 混凝土的疲劳强度,重复荷载下的应力-应变曲线,fcf的确定原则：100100 300或150150 450 的棱柱体试块承受200万次（或以上）循环荷载时发生破坏的最大压应力值,二、混凝土的强度和变形 4. 混凝土的变形性能,重复

10、荷载下混凝土的变形性能,二、混凝土的强度和变形 4. 混凝土的变形性能,混凝土的弹性模量,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0.41.0； 受拉破坏时，为1.0,二、混凝土的强度和变形 4. 混凝土的变形性能,混凝土的弹性模量的试验方法（150150 300标准试件）,510次,3、砼在长期荷载作用下变形 （1）徐变 定义：在长期荷载作用下，维持压应力不变，砼应变随时间增长而增长现象。,4、砼的收缩与膨胀变形 （1）定义：混凝土在空气中结硬时其体积会缩小，这种现象称为混凝土的收缩； 混凝土在水中结硬时体积会膨胀，称为混凝土的膨胀。 （2）

11、混凝土产生收缩的原因: 一般认为是由水泥凝胶体本身的体积收缩(凝缩)以及混凝土因失水产生的体积收缩(干缩)共同造成的。,二、混凝土的强度和变形 4. 混凝土的变形性能,混凝土的收缩-结硬过程中混凝土体积缩小的性质,水泥品种：等级越高，收缩越大,水泥用量：水泥用量越多，水灰比越大，收缩越大,骨料：骨料越硬，收缩越小,养护条件、制作方法、使用环境、体积与表面积的比值等,三、钢筋与混凝土的黏结,1、黏结的作用及产生的原因,裂缝出现后的粘结作用,锚固粘结,缝间粘结,改善钢筋混凝土的耗能性能,2、黏结强度及影响因素,黏结强度,钢筋周长,埋置长度,拔出拉力,影响因素,混凝土强度等级,浇注位置（水平浇注、竖

12、向浇注）,横向钢筋和侧向压力,保护层厚度和钢筋的净距,钢筋表面形状,思考题： 影响混凝土收缩和徐变得因素及解决办法,END,（3）影响徐变因素 A 持续应力的大小。试验表明，混凝土的徐变与持续应力的大小有着密切关系，持续应力越大，徐变也越大。当持续应力较小时。例如， ，徐变与应力成正比，这种情况称为线性徐变。当持续应力较大时(例如 )，徐变与应力不成正比，徐变比应力增长更快，称为非线性徐变。因此，如果构件在使用期间长时间处于高应力状态是不安全的。 B 持续时间的长短。 C 加载时混凝土的龄期。受荷时混凝土的龄期越短，混凝土中尚未完全结硬的水泥凝胶体越多，徐变也越大。因此，混凝土结构过早地受荷（

13、即过早的拆除底模板），将产生较大的徐变，对结构是不利的。,D混凝土的组成对混凝土的徐变也有很大影响。水灰比越大，水泥水化后残存的游离水越多，徐变也越大；水泥用量越多，水泥凝胶体在混凝土中所占比重也越大，徐变也越大；集料越坚硬，弹性模量越高，以及集料所占体积比越大，则由水泥凝胶体流动后转给集料的压力所引起的变形也越小。 E外部环境对混凝土的徐变亦有重要影响。养护环境湿度越大，温度越高，水泥水化作用越充分，则徐变就越小。混凝土在使用期间处于高温、干燥条件下所产生的徐变比低温、潮湿环境下明显增大。,（3）影响收缩的因素： a、水泥用量：水泥用量越多，收缩越大，水灰比越大，收缩越大。 b、水泥品种:水

14、泥标号高，收缩量大。 c、骨料品种：骨料的弹性模量大，收缩小。 d、养护环境：在砼结硬时，周围环境湿度大，则收缩小。 e、砼的制作环境：砼越密实，收缩越小。 f、使用环境：周围使用环境温、湿度大，收缩小。 g、构件的“体积/表面积”的比值，比值大，收缩小。,四、混凝土的收缩和徐变对混凝土结构的影响及采取的措施 1、混凝土的收缩 （1）混凝土的收缩对砼结构的影响 设置在砼中的钢筋对砼的收缩有很大影响，由于钢筋的存在，将会阻止砼的部分收缩，可使砼的收缩大约减少一半。 从受力分析，砼的收缩使砼受拉而钢筋受压，同时使构件内产生收缩内应力，这样对钢筋混凝土结构是不利的，尤其钢筋含量甚多时，则砼甚至会出,

15、（2）克服砼收缩对钢筋混凝土结构影响的措施 a、采用蒸汽养护 蒸汽养护的收缩值要比常温养护小，由于在高温、高湿条件下，可以大大促进水泥石的水化作用，因而可以加速砼的凝结和硬化时间，在高温高湿条件下，除一部分游离水被水泥分子进行水化作用而吸收外，另一部分水则由于高湿的缘故而迫使脱离试件表面而蒸发，因而使收缩应力减少。,由此看出，砼收缩，裂缝的发生和发展，与砼的养护条件有密切关系，砼试件如果处于完全自由变形的情况下，砼的收缩并不会产生裂缝，当试件的周界面上具有约束作用阻止自由收缩时，才会产生裂缝，因为砼中没有钢筋，它阻止砼收缩，则产生裂缝。 b、控制水泥用量、水泥品种、骨料品种等。 c、在砼中设置

16、水平纵向抗裂钢筋。,2、砼徐变 （1）砼徐变对钢筋混凝土的影响 配筋砼构件的徐变和收缩一样，是砼受拉，钢筋受压，一般比无筋砼的徐变大约要减少4050%，由于砼的徐变使钢筋和砼的既存应力发生应力重分布。 在受弯构件中，由于砼的徐变，在长期荷载作用下，梁的挠度可逐渐增大，徐变对单筋梁的影响比双筋梁要大，这是因为受压钢筋减小了受压区砼的徐变所致（随着时间的增加受压区砼的应力逐渐减小，钢筋的应力因砼的卸载而增大，而且是先快后慢）应力重分布现象。,（2）克服砼徐变对钢筋混凝土结构影响的措施 a、控制持续荷载的大小和时间 因为砼压应力增大，徐变增大，一般取（0.750.80） 作为它们长期极限强度，如果在整个使用期限，砼经常处于不变的高应力状态下是不安全的，需特别注意。 b、控制加载时砼的龄期 c、砼的组成成分：水泥用量多徐变大 水灰比