钢筋混凝土材料的物理力学性能.ppt

第一一章 钢筋混凝土结构的材料1.1 钢筋(Reinforcement or Rebar)一、钢筋的品种 热轧钢筋、冷加工钢筋（冷拉钢筋，冷轧带肋钢筋）、热处理钢筋；钢丝和钢绞线。参见附录二（P.333）各种钢筋的符号和强度设计值。各种钢筋的性能和工程应用：(级)钢筋多为光面钢筋（光面钢筋（Plain Bar），多作为现浇楼板的受力钢筋和箍筋。(级和级)钢筋强度高，多作为钢筋混凝土构件的受力钢筋，尺寸较大的构件，也有用级钢筋作箍筋。钢绞丝、钢丝和热处理钢筋一般用于预应力混凝土结构。二、钢筋的力学性能 钢筋的 曲线lPPA由力学性能不同分成：软钢软钢：有明显屈服台阶的钢筋(热轧钢筋、冷拉钢筋)硬钢硬钢：无明显屈服台阶的钢筋(钢丝、热处理钢筋)s se e(一一)软钢软钢 有明显屈服点的钢筋有明显屈服点的钢筋 Rebar with yield pointa为比例极限 proportional limit =Esaa为弹性极限 elastic limitade为强化段 strain hardening stagebb为屈服上限 upper yield strengthc为屈服下限，即屈服强度 fy lower yield strengthcdcd为屈服台阶 yield plateauefue为极限抗拉强度 fu ultimate tensile strengthfyf几个指标几个指标(Index)：屈服强度屈服强度：是钢筋强度的设计依据是钢筋强度的设计依据，因为钢筋屈服后将很大的塑，因为钢筋屈服后将很大的塑性变形，且卸载时这部分变形性变形，且卸载时这部分变形不可恢复不可恢复，这会使钢筋混凝土构件，这会使钢筋混凝土构件产生很大的变形和不可闭合的裂缝。屈服上限与加载速度有关，产生很大的变形和不可闭合的裂缝。屈服上限与加载速度有关，不太稳定，一般取屈服下限作为屈服强度。不太稳定，一般取屈服下限作为屈服强度。延延 伸伸 率率：钢筋拉断时的应变，钢筋拉断时的应变，是反映钢筋塑性性能的指标是反映钢筋塑性性能的指标。延。延伸率大的钢筋，在拉断前有足够预兆，延性较好伸率大的钢筋，在拉断前有足够预兆，延性较好屈屈 强强 比比反映钢筋的强度储备反映钢筋的强度储备，fy/fu=0.60.7。(二二)硬钢硬钢 无明显屈服点的钢筋无明显屈服点的钢筋a点：比例极限，约为点：比例极限，约为0.65fua点前：应力点前：应力-应变关系为线弹性应变关系为线弹性a点后：应力点后：应力-应变关系为非线性，有应变关系为非线性，有一定塑性变形，且没有明显的屈服点一定塑性变形，且没有明显的屈服点强度设计指标强度设计指标条件屈服强度条件屈服强度 (协定流限协定流限)残余应变为残余应变为0.2%所对应的应力所对应的应力规范规范取取s s0.2=0.85 fu 冷加工的方法：冷拉、冷拔、冷轧。冷加工的目的：改变钢材内部结构，提高 钢材强度，节约钢筋(10%20%)。(三三)钢筋的冷加工钢筋的冷加工o冷拉控制应力(N/mm2)冷拉率残余变形oabccdd冷拉无时效冷拉经时效冷拉对钢材性能的影响:屈服强度提高了，但流幅缩短；钢材变硬变脆了；对承受冲击荷载和重复荷载是不利的。（四）（四）钢筋的蠕变、松弛和疲劳钢筋的蠕变、松弛和疲劳 钢筋在高应力作用下，随时间增长其应变继续增加的现象为蠕变蠕变。钢筋受力后，若保持长度不变，则其应 力随时间增长而降低的现象称为松弛松弛。钢筋的疲劳破坏疲劳破坏是指钢筋在承受重复、周期动荷载作用下，经过一定次数后，从塑性破坏的性质转变成脆性突然断裂的现象。1.2 混凝土(Concrete)一、混凝土的强度 混凝土的抗混凝土的抗压强度度 混凝土的抗拉混凝土的抗拉强度度 混凝土在复合混凝土在复合应力作用下的力作用下的强度度 混凝土结构中，混凝土结构中，主要是利用它的主要是利用它的抗压强度抗压强度。因此抗压强度是。因此抗压强度是混凝土力学性能中最主要和最基本的指标。混凝土力学性能中最主要和最基本的指标。混凝土的强度等级是用抗压强度来划分的混凝土的强度等级是用抗压强度来划分的立方体抗压强度立方体抗压强度立方体抗压强度立方体抗压强度 混凝土的强度等级混凝土的强度等级混凝土的强度等级混凝土的强度等级 混凝土的选用原则混凝土的选用原则混凝土的选用原则混凝土的选用原则 轴心抗压强度轴心抗压强度轴心抗压强度轴心抗压强度（一）立方体抗压强度 fcu （参见录像01）破坏形式和原理？混凝土的强度和哪些因素有关？如何影响？由于尺寸效应的影响：fcu(150)=0.95 fcu(100)fcu(150)=1.05 fcu(200)如何测定？（二）混凝土的强度等级 水电工程根据强度，从C10C60共划分为11个强度等级，级差为5N/mm2。C50以上为高强混凝土。补充说明：（三）混凝土的选用原则l l水电工程中，素混凝土结构受力不宜低于水电工程中，素混凝土结构受力不宜低于C10 l l钢筋混凝土构件的混凝土筋混凝土构件的混凝土强度等度等级不不应低于低于C15 l l当采用当采用级、级、级钢筋筋时，装配式和薄壁结构装配式和薄壁结构以及以及承受重复荷承受重复荷载的构件，的构件，不宜不宜低于低于C20 l l预应力混凝土力混凝土结构构不不应低于低于C30 l l采用采用钢绞线、钢丝、热处理理钢筋作筋作预应力力钢筋筋时，不宜不宜低于低于C40（四）轴心抗压强度 fc 棱柱体试件高宽比一般为h/b=34通常取 150mm150mm 300mm或 150mm 150mm 450mm 标准试件。真实反映以受压为主的混凝土结构构件的抗压强度。真实反映以受压为主的混凝土结构构件的抗压强度。所以是构件设计时所采用的强度种类，但还要将该标准值变为设计值。为什么棱柱体抗压强度小于立方体抗压强度？如何换算？（四）轴心抗拉强度 ftft仅相当于仅相当于fcu的的1/91/18ft=2P/d2测量方法：测量方法：（五）复合应力状态下的混凝土强度 实际结构中混凝土很少受于单向受力状态。更多的是处于双向或三向受力状态。如混凝土拱坝、核电站的安全壳等。参见录象（04双向复合受力强度）l混凝土的双向受力混凝土的双向受力混凝土的双向受力混凝土的双向受力强强度度度度 双向受拉双向受拉：强度接近度接近单向向 受拉受拉强度度一拉一一拉一压：强度降低度降低双向受双向受压：抗：抗压强度和极度和极 限限压应变均有均有 所提高所提高压压拉l混凝土在正应力和剪应力作用下的复合强度在有剪在有剪应力作用力作用时，混凝土的抗，混凝土的抗压强度将低于度将低于单轴抗抗压强度度混凝土的抗剪强度：随混凝土的抗剪强度：随拉拉应力增大而减小应力增大而减小 随随压压应力增大而增大。当压应力在应力增大而增大。当压应力在0.6fc左左 右时，抗剪强度达到最大。右时，抗剪强度达到最大。压应力继续增大，则由于内裂缝发展明显，抗剪强度将压应力继续增大，则由于内裂缝发展明显，抗剪强度将随压应力的增大而减小。随压应力的增大而减小。压拉l混凝土的三向受混凝土的三向受压强度度 三向受三向受压时，混凝土的抗，混凝土的抗压强度和极限度和极限变形都有形都有较大提高大提高工程应用：约束混凝土，实际工程遇到较多的螺旋箍筋柱和工程应用：约束混凝土，实际工程遇到较多的螺旋箍筋柱和钢管混凝土柱。钢管混凝土柱。侧向向压应力的存在力的存在还可提高混凝土的延性。可提高混凝土的延性。参见图参见图1-12。二、混凝土的变形变形（一）单轴受压应力（一）单轴受压应力-应变关系应变关系如何能画出曲线的下降段？OA 弹性阶段A:0.3fcAB 弹塑性阶段:0.3fc 0.8fc 裂缝稳定阶段BC 裂缝不稳定阶段:0.8 fc 1.0 fcCBDEfc00Acu特征点：特征点：0 峰值点应变 规范0=0.002cu 极限压应变。值越大，混凝土的延性越好fc 轴心抗压强度混凝土强度对应力-应变的影响：加载速度对应力-应变的影响：如图1-15 约束混凝土可以提高混凝土的强度，但更值得注意的是可以提高混凝土的变形能力，这一点对于抗震结构非常重要。（二）（二）混凝土在多次重复荷载下的应力应变关系混凝土在多次重复荷载下的应力应变关系混凝土的疲劳抗压强度，用符号 表示。结合曲线说明（三）（三）混凝土的弹性模量混凝土的弹性模量初始弹性模量；割线弹性模量；切线弹性模量；多次重复加载求弹性模量；经验公式；弹性状态（拉、压相等）由应力-应变关系曲线直接求；变形模量；塑性状态（四）（四）混凝土的徐变混凝土的徐变徐变：混凝土在受到荷载作用后，在荷载(应力)不变的情况下，变形(应变)随时间而不断增长的现象。徐变的徐变的影响因素影响因素和和减小徐变措施减小徐变措施内在因素内在因素是是指混凝土内水泥胶体的影响。水泥胶体多、徐变就指混凝土内水泥胶体的影响。水泥胶体多、徐变就大。减小徐变，应尽量减少水泥用量，减小水灰比，增加骨料大。减小徐变，应尽量减少水泥用量，减小水灰比，增加骨料所占体积及其刚度。所占体积及其刚度。环境影响环境影响包括养护和使用条件。受荷前养护的温湿度越高，水包括养护和使用条件。受荷前养护的温湿度越高，水泥水化作用越充分，徐变就越小。采用蒸汽养护可使徐变减少泥水化作用越充分，徐变就越小。采用蒸汽养护可使徐变减少（2035）%。受荷后构件所处的环境温度越高，相对湿度越小，。受荷后构件所处的环境温度越高，相对湿度越小，徐变就越大。徐变就越大。应力条件应力条件是引起徐变的直接原因，应力越大，徐变就越大。在是引起徐变的直接原因，应力越大，徐变就越大。在低应力下，徐变与应力为线性关系。在高应力下，将产生非线低应力下，徐变与应力为线性关系。在高应力下，将产生非线性徐变，徐变不能趋于稳定，要避免这种情况。性徐变，徐变不能趋于稳定，要避免这种情况。加荷龄期。加荷龄期。在同样的应力条件下，加荷越早，混凝土硬化越不在同样的应力条件下，加荷越早，混凝土硬化越不充分，徐变就越大。充分，徐变就越大。徐变性质：线性徐变 初应力 c0.5fc 徐变与初应力呈正比，趋于稳定非线性徐变 c 0.5fc当c 0.8fc，徐变发展最终导致破坏作为混凝土的长期抗压强度。0.8fc徐变对结构的影响（有利和不利）：使构件的变形增加；在截面中引起应力重分布；在预应力混凝土结构中引起预应力损失。影响收缩的主要因素：影响收缩的主要因素：收缩应变的大小与混凝土的组成、配比、养护条件等关系很大。水泥用量多，水灰比大，振捣不密实，干燥环境下养护，构件外露表面积大等，都会使收缩应变增加。（五）（五）混凝土的温度变形和收缩混凝土的温度变形和收缩收缩对结构的影响：收缩对结构的影响：使混凝土中产生拉应力，甚至引起混凝土的开裂。混凝土收缩会使预应力混凝土构件产生预应力损失。某些对跨度比较敏感的超静定结构（如拱结构），收缩也会引起不利的内力。（一）单轴受压应力（一）单轴受压应力-应变关系应变关系（五）（五）混凝土的温度变形和收缩混凝土的温度变形和收缩（四）（四）混凝土的徐变混凝土的徐变（二）（二）混凝土在多次重复荷载下的应力应变关系混凝土在多次重复荷载下的应力应变关系受受力力变变形形体体积积变变形形变形内容：1.3 钢筋和钢筋和混凝土的粘结粘粘结是是这两种材料共同两种材料共同受力变形受力变形的保的保证1.3 钢筋和钢筋和混凝土的粘结1.3 钢筋和钢筋和混凝土的粘结测定、组成、影响因素粘结应力：单位界面面积上这种作用力沿钢筋轴线方向的应力（钢筋和混凝土界面上的剪应力）。1.3 钢筋和钢筋和混凝土的粘结测定、组成、影响因素1.3 钢筋和钢筋和混凝土的粘结测定、组成、影响因素 混凝土收缩将钢筋紧紧握固而产生的摩擦力；混凝土颗料的化学作用产生的混凝土与钢筋之间的胶合力；钢筋表面凹凸不平与混凝土之间产生的机械咬合力。1.3 钢筋和钢筋和混凝土的粘结测定、组成、影响因素1.4 钢筋的锚固钢筋的锚固 钢筋的锚固长度一般指梁、板、柱等构件的受力钢筋伸入支座或基础中的总长度，包括直线及弯折部份。1.4 钢筋的锚固钢筋的锚固具体设计中，请参考相应规范（如附录四表2）的详细规定。总结总结粘粘结结和和锚锚固的固的构造要求构造要求：l钢筋的筋的间距和混凝土的保距和混凝土的保护层不能太小不能太小l优先采用小直径的先采用小直径的变形形钢筋，光面筋，光面钢筋末端筋末端应设弯弯钩，如果是，如果是变形形钢筋可不筋可不设弯弯钩。l钢筋伸入支座筋伸入支座应有足有足够的的锚固固长度度（参（参见附附录4表表2）l钢筋不宜在混凝土的拉区截断筋不宜在混凝土的拉区截断l在大直径在大直径钢筋的搭接和筋的搭接和锚固区域内宜固区域内宜设置横向置横向钢筋筋1.5 钢筋的连接钢筋的连接END