第2章 混凝土结构材料的物理力学性能.ppt

1、混凝土结构设计原理,Principle of Concrete Structure Design,主 讲：魏召兰 (2013-2014学年 第二学期) 四川农业大学土木工程学院,2.1 混凝土的物理力学性能 2.2 钢筋的物理力学性能 2.3 混凝土与钢筋的粘结,目录 2.1 2.2 2.3,本章目录,2 砼结构材料的物理力学性能,钢 筋,混 凝 土,两者间的粘结,强 度,变 形,粘结破坏的 过程和机理,目录 2.1 2.2 2.3,强度,变形,立方体抗压强度,轴心抗压强度,轴心抗拉强度,复合应力作用下的强度,受力变形,非受力变形,一次短期加载变形性能,荷载重复作用下变形性能疲劳,荷载长期作用

2、下变形性能徐变,收缩,温度变形,2.1 混凝土的物理力学性能,膨胀,目录 2.1 2.2 2.3,2.2 钢筋的物理力学性能,2.2.1 钢筋的种类,柔性钢筋,光圆钢筋,带肋钢筋 (变形钢筋),螺旋纹钢筋,月牙纹钢筋,人字纹钢筋,劲性钢筋,目录 2.1 2.2 2.3,2.2.2 国产普通钢筋,混凝土结构设计规范规定，用于钢筋混凝土结构的国产普通钢筋为热轧钢筋。热轧钢筋是低碳钢、普通低合金钢在高温状态下轧制而成的软钢，其应力-应变曲线有明显的屈服点和流幅，断裂时有颈缩现象，伸长率比较大。,强度等级和牌号,4个强度等级：300MPa、335MPa、 400MPa、 500MPa,(屈服强度标准值

3、),目录 2.1 2.2 2.3,HPB: Hot Rolled Plain Steel Bar 热轧光面钢筋 HRB: Hot Rolled Ribbed Steel Bar 热轧带肋钢筋 HRBF：Hot Rolled Ribbed Steel Bar of Fine Grains 细晶粒热轧带肋钢筋 RRB: Remained Heat Treatment Ribbed Steel Bar 余热处理带肋钢筋,细晶粒钢筋,冶金行业近年来研制开发出细粒的金相组织，达到与添加合金元素相同的效果，强度和延性完全满足混凝土结构对钢筋性能的要求。细晶粒钢筋，这种钢筋不需要添加或只需添加很少的合金元素

4、，通过控制轧钢的温度形成细晶。,目录 2.1 2.2 2.3,工程应用,混凝土结构设计规范提出了推广高强度、高性能钢筋HRB400和HRB500的要求。因此，本教材的例题中，对梁、柱的纵向受力钢筋将主要采用这两种钢筋，特别是HRB400。 箍筋宜采用HRB400、HRBF400、HRB335和HPB300。 光圆钢筋HPB300虽然也可用作纵向受力钢筋，因其强度较低，故主要用作箍筋。 当HRB500和HRBF500用作箍筋时，只能用于约束混凝土的间接钢筋，即螺旋箍筋或焊接环筋，见5.2.2节。 细晶粒系列HRBF钢筋、HRB500和热处理钢筋RRB400都不能用作承受疲劳作用的钢筋，这时宜采用

5、HRB400钢筋。 工地上常把上述4个强度等级的钢筋俗称为级、级、级和级钢筋，但在施工图和正式文件中，都不应采用此俗称。,目录 2.1 2.2 2.3,(1) 有明显物理流幅的钢筋:,A,B,B,C,D,E,上屈服点,下屈服点,极值点(出现颈缩),BC段为屈服平台 CD段为强化段,试件,拉,拉断,压,强度指标： 屈服强度fy下屈服点对应的应力，作为设计强度的依据，不是极限点！,A,比例极限,弹性极限,钢筋受压和受拉时的应力-应变曲线几乎相同,强度指标,2.2.3 钢筋的强度与变形,目录 2.1 2.2 2.3,(2) 无明显物理流限的钢筋:,强度指标： 条件屈服强度0.2取残余应变为0.2%所

6、对应的应力作为无明显流幅钢筋的强度限值,目录 2.1 2.2 2.3,强度,随机变量,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-2均方差,(3) 强度指标的确定：,目录 2.1 2.2 2.3,* 伸长率：钢筋拉断后的伸长与原长的比值,* 冷弯性能：将直径为d的钢筋绕直径为D的弯芯进行弯折，在达到规定冷弯角度a 时，钢筋不发生裂纹、断裂或起层现象。,变形指标,目录 2.1 2.2 2.3,意义：冷弯性能也是评是钢筋塑性的指标，是检验钢筋韧性、内部质量和加工可适性的有效方法，弯芯的直径D越小，弯折角a 越大，说明钢筋的塑性越好

7、。,目录 2.1 2.2 2.3,钢筋单调加载的应力-应变本构关系曲线有以下三种： (1)描述完全弹塑性的双直线模型,双直线模型适用于流幅较长的低强度钢材。,2.2.4 钢筋本构关系,目录 2.1 2.2 2.3,(2) 描述完全弹塑性加硬化的三折线模型,三折线模型适用于流幅较短的软钢，要求它可以描述屈服后立即发生应变硬化(应力强化)，并能正确地估计高出屈服应变后的应力。,目录 2.1 2.2 2.3,双斜线模型可以描述没有明显流幅的高强钢筋或钢丝的应力-应变曲线。,(3) 描述弹塑性的双斜线模型,目录 2.1 2.2 2.3,概念：钢筋的疲劳是指钢筋在承受重复、周期性 的动荷载作用下，经过一

8、定次数后，从塑性破 坏变成脆性突然断裂的破坏现象。eg：吊车梁、 桥面板、轨枕。 钢筋的疲劳强度是指在某一规定的应力幅内，经受一定次数（我国规定为200万次）循环荷载后发生疲劳破坏的最大应力值。,2.2.5 钢筋的疲劳,目录 2.1 2.2 2.3,由于钢筋内部和外表面的缺陷引起应力集中，钢筋中晶粒发生滑移，产生疲劳裂纹，最后断裂。,疲劳应力幅、最小应力值的大小，钢筋外表面几何形状，钢筋直径，钢筋强度和试验方法等。我国混凝土结构设计规范规定了不同等级钢筋的疲劳应力幅度限值，并规定该值与截面同一纤维上钢筋最小应力与最大应力的比值r f 称为疲劳应力比。对预应力钢筋，当r f 0.9时，可不进行疲

9、劳强度验算。,疲劳破坏的原因,影响钢筋疲劳强度的因素,目录 2.1 2.2 2.3,2.2.6 混凝土结构对钢筋性能的要求,钢筋的强度-屈服强度及极限抗拉强度，屈服强度是设计计算的主要依据。 钢筋的延性-伸长率和冷弯性能合格。GB50010-2010和相关的国家标准中对各种钢筋的伸长率（dgt ）和冷弯性能均有明确规定。伸长率和冷弯性能是施工单位验收钢筋是否合格的主要指标。 钢筋的可焊性-可焊性是评定钢筋焊接后的接头性能的指标。 机械连接性能 施工适应性 钢筋与混凝土的粘结力,目录 2.1 2.2 2.3,2.3 混凝土与钢筋的粘结,2.3.1 粘结的意义,混凝土与钢筋的粘结是指钢筋与周围混凝

10、土之间的相互作用，它是钢筋和混凝土形成整体、共同工作的基础，包括沿钢筋长度的粘结和钢筋端部的锚固两种情况。,粘结作用,粘结应力,裂缝间的局部粘结应力,钢筋端部锚固粘结应力,目录 2.1 2.2 2.3,2.3.2 粘结力的组成,光圆钢筋的粘结机理与带肋钢筋的主要差别是，光圆钢筋的粘结力主要来自胶结力和摩阻力，而带肋钢筋的粘结力主要来自机械咬合作用。,化学胶结力 摩阻力 机械咬合力,目录 2.1 2.2 2.3,影响粘结强度的因素,钢筋表面形状 混凝土强度等级 浇注位置 钢筋净距 保护层厚度 横向钢筋,目录 2.1 2.2 2.3,2.3.3 粘结应力滑移关系,图2-26 -s曲线 (a)光圆钢

11、筋的-s曲线； (b)带肋钢筋的-s曲线,目录 2.1 2.2 2.3,2.3.4 钢筋的锚固,(1)基本锚固长度 lab,受拉钢筋的基本锚固长度是钢筋直径的倍数,目录 2.1 2.2 2.3,(2)受拉钢筋的锚固,受拉钢筋的锚固长度la,实际结构中的受拉钢筋锚固长度还应根据锚固条件的不同按下式计算，并不小于200mm。,式中 la受拉钢筋的锚固长度； a锚固长度修正系数，按下面规定取用，当多于 一项时，可以连乘计算。 lab钢筋的基本锚固长度,目录 2.1 2.2 2.3,纵向受拉带肋钢筋的锚固长度修正系数a应根据 钢筋的锚固条件按下列规定取用： 当带肋钢筋的公称直径大于25mm时取1.10

12、； 对环氧涂层钢筋取1.25； 施工过程中易受扰动的钢筋取1.10； 当纵向受力钢筋的实际面积大于其设计计算面积时，修正系数取设计计算面积与实际配筋面积的比值，但对有抗震设防要求及直接承受动力荷载的结构构件，不应考虑此项修正； 锚固区保护层厚度为3d 时修正系数可取0.80，保护层厚度为5d 时修正系数可取0.70，中间按内插取值，此处d 为纵向受力带肋钢筋的直径； 当多于上述一项时，可按连乘计算，但不应小于0.6；对预应力筋，可取1.0。,za锚固长度修正系数,目录 2.1 2.2 2.3,当纵向受拉普通钢筋末端采用弯钩或机械锚固措施时，包括弯钩或锚固端头在内的锚固长度（投影长度）可取为基本

13、锚固长度lab的60%。,图2-28 弯钩和机械锚固的形式和技术要求,锚固区的横向构造钢筋,当锚固钢筋的保护层厚度不大于5d时，锚固长度范围内应配置直径不小于d/4的横向构造钢筋。,锚固措施,目录 2.1 2.2 2.3,(3)受压钢筋的锚固,混凝土结构中的纵向受压钢筋，当计算中充分利用其抗压强度时，锚固长度不应小于相应受拉锚固长度的70%。 受压钢筋不应采用末端弯钩和一侧贴焊锚筋的锚固措施。 受压钢筋锚固长度范围内的横向构造钢筋与受检钢筋的相同。,目录 2.1 2.2 2.3,(1)立方体抗压强度试验,普通混凝土力学性能试验方法： 边长150 mm的立方体标准试件，在标准条件下（203，90

14、%湿度）养护28天，用标准试验方法（加载速度0.30.8 N/mm2/sec，两端不涂润滑剂）加压至破坏,(2)立方体抗压强度与砼等级,以具有95%保证率的立方体抗压强度作为混凝土的强度等级，并以fcu,k表示。如：C30表示该标号混凝土的 fcu,k=30 MPa （1 MPa=1 N/mm2 ）,立方体抗压强度 fcu,目录 2.1 2.2 2.3,(3)立方体抗压强度的主要影响因素 ,实验方法,不涂润滑剂,涂润滑剂,强度大于,试件尺寸：立方体尺寸愈小，试验测得的强度愈高（尺寸效应）,加载速度：加载速度越快，试验测得的强度越高（冲击效应）,龄 期： 试验时的砼龄期增长，测得的强度增大（持续

15、水化反应）,立方体抗压强度-视频,目录 2.1 2.2 2.3,实际结构和构件大多是棱柱体，因此用棱柱体试件能更好的反映实际砼结构的承载能力。用棱柱体测得的抗压强度作为轴心抗压强度，又称棱柱体抗压强度，用fc表示。,标准试件：150 mm150 mm300 mm,轴心抗压强度 fc,轴心抗压强度-视频,目录 2.1 2.2 2.3,直接测试（单位:mm）,间接测试劈裂试验,轴心抗拉强度 ft,目录 2.1 2.2 2.3,抗压强度高，而抗拉强度却很低 通常抗拉强度只有抗压强度的1/81/20 破坏时具有明显的脆性特征,抗压强度高，而抗拉强度却很低 通常抗拉强度只有抗压强度的1/81/17 破坏

16、时具有明显的脆性特征,混凝土轴心抗拉强度-视频,目录 2.1 2.2 2.3,（图中第三象限），一向的抗压强度随另一向压应力的增大 （图中第一象限），一个方向的抗拉强度受另一方向拉应力的影响不明显，其抗拉强度接近于单向抗拉强度。 （图中第二、四象限），抗压强度随拉应力的增大而降低， 同样抗拉强度也随压应力的增大而降低，其抗压或抗拉强度均不超过相应的单轴强度。,双向受压时,双向受拉时,一向受拉另一向受压时,1）双向应力状态,图2-6 混凝土双向应力强度,而增大,结合四大强度准则,复合应力状态下混凝土的强度,目录 2.1 2.2 2.3,双向复合受力强度-视频,可以看出混凝土的抗剪强度随拉应力的增

17、大 当压应力小于0.6fc 时，抗剪强度随压应力的增大 当压应力大于0.6fc时， 抗剪强度随压应力的增大 由于剪应力的存在，其抗压强度和抗拉强度均低于相应的单轴强度。,图2.15 混凝土在正应力和剪应力共同作用下的强度曲线,2）混凝土在正应力和剪应力共同作用下的强度,而减小；,目录 2.1 2.2 2.3,3）混凝土的三向受压强度 混凝土三向受压时，一向抗压强度随另两向压应力的增加而增大，并且混凝土受压的极限变形也大大增加。 由试验结果得到的经验公式为： 在等侧向压应力s2作用下混凝土圆柱体抗压强度； 无侧向压应力时混凝土圆柱体抗压强度。 k 为侧向压应力系数，根据试验结果取k =4.57.

18、0，平均值为5.6，当侧向压应力较低时得到的系数值较高。,目录 2.1 2.2 2.3,一次短期加载变形性能,(1) 混凝土受压时-关系,c,棱柱体,a,b,d,特殊装置，在峰值应力后，吸收试验机的变形能，避免试件的突然破坏，以测出下降段。,峰值应变0 ：一般0=0.00150.0025，取平均0 =0.002,比例极限，=0.3fck0.4fck,临界点，=0.8fck,峰值点,破坏点,目录 2.1 2.2 2.3,应力应变曲线-视频,不同强度受压砼-关系,强度等级越高，线弹性段越长，峰值应变也有所增大，但增量不明显，均大致为0.002 强度等级越高，下降段越陡，破坏时脆性越显著，延性越差,

19、目录 2.1 2.2 2.3,美国Hognestad模型,德国Rsch模型,(2) 混凝土受压时-数学模型,目录 2.1 2.2 2.3,(3) 混凝土轴向受拉时-关系,曲线形状与受压时相似，有上升和下降段，曲线原点切线斜率与受压时基本一致，峰值应力和峰值应变比受压时小得多。,图2-13 不同强度的混凝土拉伸应力-应变全曲线,目录 2.1 2.2 2.3,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,弹性特征系数,(4) 混凝土变形模量,目录 2.1 2.2 2.3,510次,弹性模量的测定,目录 2.1 2.2 2.3,混凝土的泊松比c,混凝土的剪切模量Gc

20、,混凝土横向应变与纵向应变之比 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,目录 2.1 2.2 2.3,混凝土棱柱体轴压试验（铁道部科学研究院）,荷载长期作用下变形性能,目录 2.1 2.2 2.3,徐变的概念,混凝土在荷载长期作用下，应力不变，应变产生的随时间而增长的现象,瞬时恢复,弹性后效,残余应变,徐变应变,瞬时应变,徐变系数,目录 2.1 2.2 2.3,线性徐变与非线性徐变,目录 2.1 2.2 2.3,当sc/fc0.8fc以后这种非线性徐变往往是不收敛的，最终将导致混凝土的破坏，如图2-17所示。 图2-16 压应力与徐变的关系 图2-17 不同应力比值的徐变时间曲线,目录 2.1 2.2 2.3,产生徐变的原因,砼中的水泥凝胶体在荷载作用下的粘性流动； 砼中微裂缝的扩展也促进了徐变的产生。,徐变的影响因素,内在因素：砼的组成和配合比；构件体表比；受载时的龄期 环境因素：养护时的温湿度；使用时的温湿度 应力因素：混凝土的应力水平,徐变对结构的影响,内力重分布 变形增大 预应力损失,目录 2.1 2.2 2.3,混凝土多次重复加荷的s-e曲线,混凝土一次加荷卸荷的s-e曲线,疲劳,目录 2