钢筋和混凝土材料的力学性能

1、第2章 混凝土结构材料的 物理力学性能,主要内容 混凝土的物理力学性能 钢筋的物理力学性能 钢筋与混凝土的粘结 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2章 混凝土结构材料的物理力学性能,第2章 混凝土结构材料的物理力学性能,2.1 混凝土的物理力学性能 1.混凝土的组成结构 成分组成：水泥、砂、石子。 结构组成：水泥石结构、砂浆、粗骨料、孔隙和微裂缝。 水泥石结构由晶体骨架（充分水化）、水泥凝胶（未充分水化）、未水化的水泥颗粒组成。 孔隙是硬化过程中水分蒸发留下的。微裂缝则是由于浇筑混凝土时的泌水作用引起的沉缩、水化作用造成的化学收缩以及干缩在混凝土内部不同

2、界面上形成的。 在承受外力时，砂、石、晶体骨架、未水化的水泥颗粒起骨架作用，具有弹性材料的变形特点，而水泥凝胶、孔隙和微裂缝则具有塑性,2.1 混凝土的物理力学性能,第2章 混凝土结构材料的物理力学性能,2.1 混凝土的物理力学性能,材料的变形特点。因此，混凝土是一种非弹性材料。 由于水泥凝胶的硬化过程很长，因此，混凝土的强度和变形随时间的增长而增长。 2. 单轴应力状态下的混凝土强度 （1）混凝土的抗压强度 混凝土的立方体抗压强度cu及混凝土的强度等级 混凝土的立方体抗压强度cu：以边长为150mm的立方体试件在温度为203，相对湿度90%以上的环境中养护28d，用标准试验方法测得的抗压强度

3、，单位为N/mm2。 标准试验方法： 试件表面不涂润滑剂；加载速度：C30以下，0.30.5 N/mm2/s，C30及以上, 0.50.8 N/mm2/s。,第2章 混凝土结构材料的物理力学性能,2.1 混凝土的物理力学性能,混凝土结构设计规范规定按立方体抗压强度标准值cu,k（具有95%保证率的cu值）确定混凝土的强度等级。 规范规定的混凝土强度等级有C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75、C80，共14个等级。 C50 C80属高强混凝土范畴。 结构混凝土强度等级的最低要求为：,第2章 混凝土结构材料的物理力学性能,素混凝土结

4、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；当采用强度等级400MPa及以上的钢筋时，混凝土强度等级不应低于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。 承受重复荷载的构件，混凝土强度等级不应低于C30。,2.1 混凝土的物理力学性能, 混凝土的轴心抗压强度c 标准试块：150150300mm 由于承压板对试件的约束影响在试件端部范围，棱柱体抗压强度小于立方体抗压强度，且有：,ck =0.88 c1 c2 cu,k,第2章 混凝土结构材料的物理力学性能,式中：0.88为实际构件与试件混凝土强度的差异所考虑的折减系数； c1对C

5、50及以下取0.76，对C80取0.82，两者之间取线性内插值； c2 对C40及以下取1.0，对C80取0.87，两者之间取线性内插值； 对国外（美国、日本、欧洲混凝土协会等）采用的圆柱体试件（d =152mm, h =305mm），有：,2.1 混凝土的物理力学性能,c= 0.79 cu,k,（2）混凝土的轴心抗拉强度t 试验方法：, 直接受拉试验,这种方法试验时，拉力难以对中。,第2章 混凝土结构材料的物理力学性能, 劈裂试验,2.1 混凝土的物理力学性能,劈裂试验装置示意,第2章 混凝土结构材料的物理力学性能,3.复合应力状态下的混凝土强度 （1）双轴应力状态下的混凝土强度,法向应力和

6、剪应力下的强度曲线,双向正应力下的强度曲线,2.1 混凝土的物理力学性能,第2章 混凝土结构材料的物理力学性能,2.1 混凝土的物理力学性能,（2）三向受压时的混凝土强度,式中， 为有侧向约束时的抗压强度； 为圆柱体的单轴抗压强度。,2= 3= fL,fL-侧向约束压应力（加液压）,4.混凝土的变形 （1）一次短期加载下混凝土的变形性能 混凝土受压时的应力-应变关系 为测出应力应变曲线的下降段，试验 只有在刚性试验机上才能完成。若采用普通 试验机，则需要增加特别装置吸收试件破坏 前试验机释放的弹性变形能。,第2章 混凝土结构材料的物理力学性能,2.1 混凝土的物理力学性能,应力-应变关系曲线,

7、 混凝土单轴受压时的应力-应变曲线的数学模型,E.Hognestad模型 （美国）,Rsch模型 （德国）,第2章 混凝土结构材料的物理力学性能,0=0.002,2.1 混凝土的物理力学性能,我国规范采用的模型：,第2章 混凝土结构材料的物理力学性能, 三向受压状态下混凝土的变形特点 三向受压状态下混凝土的强度和延性均较单向受压时有显著提高。工程上可以通过设置密排螺旋箍或箍筋来约束混凝土，改善钢筋混凝土结构的受力性能。 侧向受约束时混凝土的变形特点,2.1 混凝土的物理力学性能,第2章 混凝土结构材料的物理力学性能, 混凝土的变形模量 与弹性材料不同，混凝土受压应力-应变关系是一条曲线，在不同

8、的应力阶段，应力与应变之比的变形模量为变数。混凝土的变形模量有如下三种表示方法。,2.1 混凝土的物理力学性能, 弹性模量（原点模量）, 变形模量（割线模量）,变形模量与弹性模量的关系,第2章 混凝土结构材料的物理力学性能,式中， 为混凝土受压时的弹性系数，即总变形中弹性变形所占的比例。受压时为0.41.0；受拉破坏时为0.5。 混凝土的切线模量,2.1 混凝土的物理力学性能,混凝土弹性模量的试验方法（150150 300标准试件）,第2章 混凝土结构材料的物理力学性能, 混凝土的泊松比和剪切模量 混凝土的泊松比c，在压力较小时为0.150.18，接近破坏时可达0.5以上，一般可取0.2。 混

9、凝土的剪切模量为,2.1 混凝土的物理力学性能,理论模型, 混凝土受拉时的应力-应变关系,第2章 混凝土结构材料的物理力学性能,混凝土受拉时的弹性模量与受压时基本相同。 当c=t时，=0.5，即 。,2.1 混凝土的物理力学性能,（2）荷载长期作用下混凝土的变形性能 混凝土的徐变 定义：在不变的外力作用下，混凝土的变形随时间增长的现象。 产生原因：凝胶体 的粘性流动和混凝土内 部微裂缝的不断发展。 发展规律：开始增 长较快，一年后稳定， 三年后终止。,第2章 混凝土结构材料的物理力学性能,2.1 混凝土的物理力学性能,影响因素：应力大小，加荷时混凝土的龄期，水泥用量，水灰比，骨料性质，养护条件

10、等。 徐变对结构的影响：使构件的变形增加；引起截面内力重分布；在预应力混凝土结构中会造成预应力损失。 （3）混凝土在荷载重复作用下的变形（疲劳变形） 混凝土的疲劳抗压强度cf：能够经受200万次重复作用而不至破坏的压应力值。 试验表明，当重复作用应力值低于 cf 时，应力应变曲线经多次重复后闭合 成一条直线，当重复作用应力值高于cf 时，应力应变曲线由开始凸向应力轴而 逐渐凸向应变轴，这标志着混凝土内部,重复荷载下的应力-应变曲线,第2章 混凝土结构材料的物理力学性能,微裂缝的发展加剧趋近破坏。 混凝土的疲劳强度与疲劳应力比 有关,疲劳应力比 越大，疲劳强度越高。 （4）混凝土的收缩与膨胀 混

11、凝土在空气中凝结硬化时，体积收缩；在水中凝结硬化时，体积膨胀。收缩值比膨胀值大很多，故一般只讨论收缩。 定义：混凝土在空气中结硬时体积减小的现象。 产生原因：混凝土中游离水分子的蒸发。 对结构的影响：自由收缩时，钢筋中产生压应力，混凝土中产生拉应力。约束收缩时，钢筋的平均应力不变，混凝土中产生的拉应力导致,2.1 混凝土的物理力学性能,第2章 混凝土结构材料的物理力学性能,构件开裂。 影响收缩的因素：水泥品种，等级越高，收缩越大；水泥用量越多，水灰比越大，收缩越大；骨料性质，骨料的弹性模量大，收缩小；养护条件，温湿度越大，收缩越小；制作方法，混凝土越密实，收缩越小；使用环境，温湿度大时，收缩小

12、；构件体积与表面积的比值，比值大时，收缩小。,2.1 混凝土的物理力学性能,2.2 钢筋的物理力学性能 1.钢筋的种类和级别 （1）按化学成分分为,第2章 混凝土结构材料的物理力学性能, 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%,2.2 钢筋的物理力学性能,含碳量越高，强度越高，变形能力越差。 普通低合金钢：在碳素钢的成分中再加入少量的硅、锰、钒、钛、铬等合金元素。可提高强度并能改善塑性和可焊性。 （2）按加工工艺分为 热轧钢筋：按级别分四个大类共8个品种：,第2章 混凝土结构材料的物理力学性能,2.2 钢筋的物理力学性能,R,F,

13、注：HPB系列为热轧光圆钢筋； HRB系列为热轧带肋钢筋； RRB系列为余热处理钢筋； HRBF系列为采用温控工艺轧制的细晶粒带肋钢筋； 当钢筋用着受剪、受扭、受冲切时，fy 360N/mm2时取 fy =360N/mm2。,第2章 混凝土结构材料的物理力学性能, 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、 HRBF400、 RRB400、 HRB500、 HRBF500钢筋通过加热、淬火、回火而成。 （3）按外形分为 光圆钢筋； 变形钢筋； 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

14、粘结力。,2.2 钢筋的物理力学性能,第2章 混凝土结构材料的物理力学性能,2.2 钢筋的物理力学性能,冷拔低碳钢丝：由低碳钢冷拔而成。 钢绞线：3根（13，三股）或7根（17，七股）相同直径的钢丝成螺旋状绞绕在一起。 劲性钢筋：由各种型钢、钢轨或者用型钢和钢筋焊成的骨架。,热轧钢筋,预应力钢筋,第2章 混凝土结构材料的物理力学性能,2.钢筋的强度和变形 （1）软钢的应力应变曲线,a 比例极限 b 弹性极限 d 极限抗拉强度 e 极限应变 ob 弹性阶段 bc屈服阶段 cd 强化阶段 de 破坏阶段,以屈服点对应的强度作为设计强度的依据,2.2 钢筋的物理力学性能,条件屈服强度： 取残余应变为

15、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（或协定流限）。,第2章 混凝土结构材料的物理力学性能,（2）硬钢的应力应变曲线,b 极限抗拉强度 c 极限应变,2.2 钢筋的物理力学性能,(b),第2章 混凝土结构材料的物理力学性能,（3）衡量钢材材质的指标 强度：屈服强度，极限强度，强屈比。 变形能力：伸长率，冷弯试验。, 伸长率：,伸长率越大，钢筋的塑性和变形能力越好。 冷弯试验： 弯心直径越小，弯过的角度越大，冷弯性能越好，钢筋的塑性性能越好。,2.2 钢筋的物理力学性能,K点的选择： 应力控制和应变控制。 特性：只提高抗拉强度，不提高抗压强度。 强度提高，塑性下

16、降。,第2章 混凝土结构材料的物理力学性能,3.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。 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。,2.2 钢筋的物理力学性能,冷拔既能提高抗拉强度又能提高抗压强度。 经过冷拔后钢筋没有明显的屈服点和流幅。,第2章 混凝土结构材料的物理力学性能, 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，但塑性显著降低。,2.2 钢筋的物理力学性能,第2章

17、 混凝土结构材料的物理力学性能,4.钢筋应力应变曲线的数学模型 （1）双直线模型（完全弹塑性模型）,当 时， 当 时， （2）三折线模型（完全弹塑性加硬化） 当 时， 当 时， 当 时, 式中：,2.2 钢筋的物理力学性能,第2章 混凝土结构材料的物理力学性能,s,s,s=Ess,y,s,u,fy,fs,u,5.钢筋的疲劳 钢筋的疲劳强度：在规定的疲劳应力比值内满足循环次数为200万次条件下的钢筋最大应力值。 钢筋的疲劳强度与疲劳应力比值 有关。重复荷载作用下，钢筋的强度小于静载作用下的强度。,（3）双斜线模型 当 时， 当 时, 式中：,2.2 钢筋的物理力学性能,第2章 混凝土结构材料的物

18、理力学性能,6.混凝土结构对钢筋性能的要求 （1）适当的屈强比 保证构件具有一定的强度储备。 （2）足够的塑性 避免发生脆性破坏。 （3）可焊性 要求钢筋具备良好的焊接性能。 （4）耐久性和耐火性 必要的混凝土保护层厚度以满足对构件耐火极限的要求。 （5）与混凝土具有良好的粘结 （6）寒冷地区，防止钢筋低温冷脆导致破坏。,2.2 钢筋的物理力学性能,2.3 混凝土与钢筋的粘结 1.粘结应力的定义 钢筋与混凝土接触面上产生的沿钢筋纵向的剪应力 。 粘结强度：粘结失效时的最大（平均）粘结应力。,第2章 混凝土结构材料的物理力学性能,粘结强度的测试,2.3 混凝土与钢筋的粘结,第2章 混凝土结构材料

19、的物理力学性能, 拔出试验,2.粘结应力的组成 钢筋与混凝土表面的化学胶着力； 钢筋与混凝土接触面的摩擦力； 钢筋与混凝土表面凹凸不平的机械咬合力。,2.3 混凝土与钢筋的粘结,3.粘结强度及其影响因素 （1）粘结强度 平均粘结应力： （2）影响粘结强度的因素 粘结强度随混凝土强度等级的提高而提高； 变形钢筋比光圆具有较高的粘结强度； 多根钢筋并列一排放置时的间距； 横向钢筋（箍筋）可提高粘结强度； 支座处的横向压力可提高粘结强度； 浇筑混凝土时钢筋所处的位置。,第2章 混凝土结构材料的物理力学性能,2.3 混凝土与钢筋的粘结,第2章 混凝土结构材料的物理力学性能,4.钢筋的锚固与连接 （1）钢筋的锚固 通