04混凝土材料.ppt

1、结构设计原理,土木工 程专业,李章政 博士 教授,2020/8/12,2,第4章 混凝土结构 材料的性能,4.1 混凝土的力学性能 4.2 混凝土的性能指标取值 4.3 钢筋的种类及其性能 4.4 钢筋的性能指标取值 4.5 钢筋与混凝土的黏结,2020/8/12,3,4.1 混凝土的力学性能,混凝土的强度等级 立方抗压 标准试样150mm 150mm 150mm 标准养护28d 端面不加润滑剂,4.1.1 混凝土的强度试验,压坏试样，取具有95%保证率的抗压强度作为立方抗压强度标准值 fcu,k。,2020/8/12,4,混凝土的强度等级 划分依据：立方抗压强度标准值 强度等级 普通混凝土：

2、C15 C20 C25 C30 C35 C40 C45 C50 高强度混凝土：C55 C60 C65 C70 C75 C80,工程实践中，已超过C100,国外已经配制出C200以上的混凝土,C20：fcu,k=20N/mm2,C35：fcu,k=35N/mm2,2020/8/12,5,混凝土棱柱体抗压强度试验 棱柱体 实际受压不是立方体而是棱柱体 尺寸：过高，弯曲影响 过低，端面摩擦影响 150mm150mm300mm 抗压强度 轴心抗压强度fc 与强度等级有关,2020/8/12,6,混凝土轴心抗拉强度试验 直接拉伸试验 在预埋钢筋上施加拉力 拉断时截面上的平均应力作为混凝土的轴心抗拉强度f

3、t 缺陷：拉力偏心对结果影响大,2020/8/12,7,劈裂拉伸试验 依据：压力作用下，中部垂直截面上存在 水平拉应力 拉应力达到混凝土的抗拉强度时， 沿垂直截面劈裂拉断 计算公式（弹性力学结果）,2020/8/12,8,混凝土复合受力时的强度 双向应力状态 主应力表示的双向应力状态,双向受压，一向强度另一向压应力的增加而增加。,双向受拉，抗拉强度接近于单向抗拉强度,一向受拉、一向受压，混凝土的强度低于单向受力时的强度,2020/8/12,9,正应力和剪应力表示的双向应力状态,混凝土的抗压强度和抗拉强度由于剪应力的存在而下降。,混凝土的抗剪强度由于拉应力的存在而下降。,混凝土的抗剪强度随压应力

4、增加增加或降低,抗剪强度随压应力的增大而增大,抗剪强度随压应力的增大而减小,2020/8/12,10,三向应力状态 强度更加复杂 约束 混凝土：三向受压（侧压力相等）,从试验曲线可知：轴心抗压强度fcc随侧压力的增加而增加,侧向应力系数，4.57.0,由钢管或间接钢筋实现约束,2020/8/12,11,4.1.2 混凝土的变形性能,荷载引起的变形,短期变形,长期变形,徐变,非荷载引起的变形,收缩变形,温度变形,地基沉降不均匀引起的变形,构造措施,施工措施,计算,2020/8/12,12,荷载产生的短期变形 应力应变关系 线弹性阶段OA：比例极限 裂缝稳定扩展阶段AB 裂缝不稳定扩展阶段BC：峰

5、值应力fc 峰值应变0 下降段CDEF：拐点应变=极限压应变cu,2020/8/12,13,混凝土的模量 切线模量 割线模量,弹性模量Ec=原点切线模量,变形模量Ec=割线模量,=e/ c为混凝土弹性应变和总压应变之比，称为混凝土的弹性系数。,2020/8/12,14,荷载产生的长期变形 徐变现象 变形随时间的增长而增长 开始变形增加较快，而后放缓 徐变最后趋于稳定,徐变是材料黏弹性、黏塑性的表现,若应变不变，则应力随时间减小=松弛,2020/8/12,15,影响徐变的主要因素 应力水平：应力越大，徐变越大； 混凝土龄期：施加荷载时龄期越小，徐变 越大； 材料配合比：水泥用量越多，徐变越大 水

6、灰比越大，徐变越大 骨料强度越高，徐变越小 温度、湿度：养护温度高、湿度大，徐变小 工作温度越高、湿度越低，徐 变越大,2020/8/12,16,徐变对结构的影响 使受弯构件挠度增大 使柱的附加偏心距增大 使预应力混凝土的预应力损失 使截面上的应力重分布,徐变对结构（构件）产生负面影响,2020/8/12,17,非荷载变形收缩变形 混凝土结硬过程体积变化 在水中结硬，体积增大膨胀 在空气中结硬，体积缩小收缩 收缩变形 凝缩变形：水泥胶凝体本身的收缩 干缩变形：自由水分蒸发引起的收缩,2020/8/12,18,影响收缩变形的因素 水泥用量愈多、水灰比愈大，收缩愈大 高标号水泥，收缩量大 养护条件

7、好，收缩量小 骨料弹性模量大，收缩量小 振捣密实，收缩量小 使用环境湿度大，收缩量小 构件体积与表面积之比大，收缩量小 收缩对结构的影响 产生裂缝 预应力损失,2020/8/12,19,4.2 混凝土的性能指标取值,4.2.1 混凝土的强度标准值,抗压强度标准值,立方抗压强度标准值,C40以上混凝土脆性折减系数：C40取c2=1.0，C80取c2=0.87，中间按线性规律变化,棱柱强度与立方强度之比，C50及以下取c1= 0.76，C80取c1=0. 82，中间按线性规律变化,结果修约到0.1,修正系数：结构与试件有差异,2020/8/12,20,例题4-1 求C20混凝土的抗压强度标准值。

8、解,N/mm2,见附表1,2020/8/12,21,抗拉强度标准值,结果修约到0.01,混凝土立方强度变异系数,公式拟合系数,表4-1,2020/8/12,22,例题4-2 求C35混凝土的抗拉强度标准值。 解,N/mm2,见附表1,2020/8/12,23,4.2.2 混凝土的强度设计值,强度设计值为强度标准值，除以材料分项系数c。混凝土的材料分项系数取1.4,承载力极限状态计算使用材料强度设计值,正常使用极限状态计算使用材料强度标准值,2020/8/12,24,例题4-3 求C40混凝土的抗压、抗拉强度设计值。 解,N/mm2,见附表2,查附表1，强度标准值,N/mm2,N/mm2,N/m

9、m2,2020/8/12,25,4.2.3 混凝土的弹性模量,混凝土的弹性模量由混凝土的强度等级（立方抗压强度标准值）按公式计算，而不实际测定。,N/mm2,计算结果修约到 0.05104 N/mm2,2020/8/12,26,例题4-4 求C60混凝土的弹性模量。 解,N/mm2,修约结果为Ec=3.60104 N/mm2,见附表3,2020/8/12,27,4.3 钢筋的种类及其性能,普通钢筋,预应力钢筋,光圆钢筋,带肋钢筋,圆钢,螺纹钢,钢 筋6mm,钢 丝6mm,2020/8/12,28,4.3.1 钢筋的种类,普通钢筋 定义 钢筋混凝土结构中的钢筋 预应力混凝土结构中的非预应力钢筋

10、种类 HPB235 热轧光面钢筋 HRB335 热轧带肋钢筋 HRB400 热轧带肋钢筋 RRB400 余热处理带肋钢筋,2020/8/12,29,预应力钢筋 钢绞线 多根高强度钢丝扭结而成并经消除应力（低温回火）后的盘卷状钢丝束。 三股钢绞线 七股钢绞线 消除应力钢丝 光面消除应力钢丝 螺旋肋消除应力钢丝 刻痕钢丝,2020/8/12,30,热处理钢筋,40Si2Mn钢,48Si2Mn钢,45Si2Cr钢,热轧,热轧钢筋,加温、淬火、回火,热处理钢筋,强度大幅度提高,塑性降低不多,合金钢的标注方法,平均含碳量万分数、主要合金元素符号、含量百分数,1.5%不标注，1.5%标注2， 2.5%标注

11、3，,解释三种合金钢,2020/8/12,31,4.3.2 钢筋的力学性能,材料强度 热轧钢筋,比例极限fp,弹性极限fe,屈服极限fy,屈服点fy,强度极限fu,屈强比 fy/fu 强度储备的标志,2020/8/12,32,钢材硬化 冷拉硬化 时效硬化,强度提高，但塑性、韧性下降,现代结构中不利用这一现象来提高强度，塑性、韧性下降对结构抗震不利。,2020/8/12,33,预应力钢筋 没有明显屈服 将残余伸长率为0.2%所对应的应力定义为名义屈服点，用表f0.2表示 规范为统一起见，取极限抗拉强度的0.85倍,2020/8/12,34,材料的伸长率, 5%，塑性材料, 5%，脆性材料,钢筋的

12、冷弯性能 冷弯试验 弯180后，放大镜检查钢筋表面 无裂纹、分层现象，冷弯合格 检验塑性应变能力和钢筋质量的综合指标,2020/8/12,35,4.3.3 混凝土结构对材料的要求,混凝土结构对钢筋质量的要求 适当的屈强比 足够的塑性 可焊性 与混凝土的黏结力 低温性能,2020/8/12,36,混凝土结构对混凝土强度的要求 钢筋混凝土结构 混凝土强度等级不应低于C15 当采用HRB335级钢筋时，混凝土强度等级不宜低于C20 当采用HRB400和RRB400级钢筋以及承受重复荷载的构件，混凝土强度等级不得低于C20 预应力混凝土结构 混凝土强度等级不应低于C30 当采用钢绞线、钢丝、热处理钢筋

13、作预应力钢筋时，混凝土强度等级不宜低于C40,2020/8/12,37,4.4 钢筋的性能指标取值,4.4.1 钢筋强度标准值,热轧钢筋,HPB235：fyk=235N/mm2,HRB335：fyk=335N/mm2,HRB400：fyk=400N/mm2,RRB400：fyk=400N/mm2,屈服强度标准值 fyk，=钢筋级别后面的数字：,预应力钢筋,抗拉强度标准值fptk,附表6,附表5,2020/8/12,38,4.4.2 钢筋强度设计值,普通钢筋强度设计值 基本条件 材料分项系数s=1.10 抗拉强度和抗压强度取值相同 计算公式,计算结果修约到10 N/mm2,2020/8/12,3

14、9,HPB235:,N/mm2,修约结果为210N/mm2,HRB335:,N/mm2,修约结果为300N/mm2,HRB400、RRB400:,N/mm2,修约结果为360N/mm2,见 附 表 8,2020/8/12,40,预应力钢筋强度设计值 抗拉强度设计值 材料分项系数取s=1.20 条件屈服强度取极限抗拉强度的0.85倍,计算结果修约到10N/mm2,2020/8/12,41,抗压强度设计值 钢材的抗拉能力和抗压能力相同 预应力钢筋的抗拉强度很高 混凝土达到最大压应力时，高强度钢筋应力达不到屈服或条件屈服 以混凝土峰值应变0.002作为钢筋抗压强度的限制条件,钢筋的弹性模量，见附表4

15、,预应力钢筋的强度设计值见附表7,不宜用高强度钢筋受压,2020/8/12,42,4.5 钢筋与混凝土的黏结,粘结力 定义：钢筋和混凝土之间相互作用力 组成 混凝土结硬时体积收缩，将钢筋紧紧握住而产生的 摩擦力 钢筋表面凹凸不平产生的机械 咬合力 混凝土与钢筋表面间的 胶结力 采用锚固措施后所造成的机械 锚固力,4.5.1 黏结强度,2020/8/12,43,拔出试验 试验方法 一端埋于混凝土中 另一端施力拔出钢筋,平均黏结应力,黏结应力精确计算很困难,2020/8/12,44,拔出试验定性结果 粘结应力沿钢筋长度曲线分布 最大粘结应力在离开端部的某一位置出现 且随拔出力的大小而变化 钢筋埋入

16、长度越长，拔出力越大；但若过长，尾部粘结应力很小，基本不起作用 粘结强度随混凝土强度等级的提高而增大 带肋钢筋优于光面钢筋；光面钢筋末端做弯钩可大大提高拔出力。,2020/8/12,45,钢筋端部处理 光圆钢筋：180弯钩 非光圆钢筋 （1）末端直钩 （2）机械锚固 末端带135弯钩，末端与钢板塞焊 末端与短钢筋双面贴焊,4.5.2 保证黏结强度的措施,2020/8/12,46,2020/8/12,47,钢筋锚固长度 基本锚固长度,ft 混凝土轴心抗拉强度设计值，强度等 级高于C40时按C40取值, 钢筋的外形系数,2020/8/12,48,特殊情况下的修正 （1）带肋钢筋直径25mm时，修正

17、系数1.1 （2）HRB335、HRB400、RRB400级的环氧 树脂涂层钢筋，1.25 （3）钢筋在施工过程中易受扰动（如滑模施 工）时，1.1 （4）带肋钢筋在锚固区的混凝土保护层厚度 钢筋直径的3倍且配有箍筋时，0.8 （5）实配钢筋的面积大于计算值时，可按计 算面积与实配面积之比进行修正（抗震 和受动力荷载构件除外）,修正系数可以连乘,2020/8/12,49,修正后的锚固长度，不应小于计算长度的0.7倍，且不小于250mm 钢筋末端采用机械锚固措施时，锚固长度为计算长度的0.7倍，即0.7la 。 受压钢筋锚固长度 受压钢筋锚固长度不应小于受拉钢筋基本锚固长度的0.7倍，即0.7l

18、a 。 钢筋连接 受拉钢筋绑扎 搭结长度,任何情况下不小于300mm,2020/8/12,50,绑扎接头区段：1.3倍搭结长度。该范围内属于同一连接区段。接头面积百分率： 梁板墙：不宜大于 25% 柱类构件：不宜大于50% 轴心受拉、小偏心拉构件的纵向受力钢筋不得采用绑扎接头 受拉钢筋直径28mm，受压钢筋直径32mm时，不宜采用绑扎接头。,2020/8/12,51,纵向受压钢筋采用搭结连接时，其搭结长度不应小于纵向受拉钢筋搭结长度的0.7倍，且在任何情况下不应小于200mm。 在纵向受力钢筋搭结长度范围内应配置箍筋，直径不应小于搭结钢筋较大直径的0.25倍。 钢筋受拉，箍筋间距不应5d 和100mm 钢筋受压，箍筋间距不应10d 和200mm 当受压钢筋直径25mm时，尚应在搭结接头两个端面外100范围内各设置两个箍筋。,2020/8/12,52,钢筋机械连接 纵向受力钢筋机械接头宜相互错开