第二章钢筋和混凝土材料的力学性能教程优秀PPT.ppt

其次章 钢筋和混凝土材料力学性能同济高校土木工程学院建筑工程系顾祥林一、钢筋的强度和变形 1.钢筋的应力-应变曲线ABBCDE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段为强化段标距有明有明显流幅的流幅的钢筋筋钢筋受筋受压和受拉和受拉时的的应力力-应变曲曲线几乎相同几乎相同一、钢筋的强度和变形 1.钢筋的应力-应变曲线0.2%0.2标距无明无明显流幅的流幅的钢筋筋钢筋受筋受压和受拉和受拉时的的应力力-应变曲曲线几乎相同几乎相同一、钢筋的强度和变形 1.钢筋的应力-应变曲线ABBCDE0.2%0.2强度指度指标*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行复原的变形和不行闭合的裂缝，以至不能运用*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,随着冶金系统接受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-应变曲线强度指度指标的确定的确定强度度随机随机变量量强度标准值依据依据统计资料，运用料，运用数理数理统计方法确定的方法确定的具有确定保具有确定保证率（率（钢筋筋为97.73%）的）的统计特征特征值：强度度标准准值=强度平度平均均值-2均方差均方差概率密度材料强度强度平均值强度标准值一、钢筋的强度和变形 1.钢筋的应力-应变曲线ABBCDE0.2%0.2变形指形指标*伸长率：钢筋拉断后的伸长与原长的比值伸长率：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的钢辊弯成确定的角度而不发生断裂 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按化学成分碳素碳素钢（铁、碳、硅、碳、硅、锰、硫、磷等元素）、硫、磷等元素）低碳低碳钢（含碳量（含碳量0.25%）中碳中碳钢（含碳量（含碳量0.250.6%）高碳高碳钢（含碳量（含碳量0.61.4%）一般低合金一般低合金钢（另加（另加硅、硅、锰、钛、钒、铬等）等）锰系系硅硅钒系系硅硅钛系系硅硅锰系系硅硅铬系系一、钢筋的强度和变形 2.钢筋的成分、级别和品种钢筋筋热轧钢筋：筋：热轧光光圆钢筋筋HPB235，HPB300（Hot rolled Plain Bars），），热轧带肋肋钢筋筋HRB335、HRB400，HRB500(Hot rolled Ribbed Bars),细晶粒晶粒热轧钢筋筋HRBF335、HRBF400，HRBF500(Hot rolled Ribbed Bars of Fine grains),冷拉冷拉钢筋：由筋：由热轧钢筋在常温下用机械拉伸而成筋在常温下用机械拉伸而成热处理理钢筋：将筋：将HRB400、HRB500钢筋通筋通过加加热、淬火、回火而成、淬火、回火而成按加工钢丝碳素碳素钢丝：高碳冷静：高碳冷静钢通通过多次冷拔、多次冷拔、应力消退、力消退、矫正、回火正、回火处理而成理而成刻痕刻痕钢丝：在：在钢丝表面刻痕，以增加其与混凝土表面刻痕，以增加其与混凝土间的粘的粘结力力钢绞线：若干根相同直径的：若干根相同直径的钢丝成螺旋状成螺旋状铰绕在一起在一起冷拔低碳冷拔低碳钢丝：由低碳：由低碳钢冷拔而成冷拔而成一、钢筋的强度和变形 2.钢筋的成分、级别和品种按表面形按表面形态光光圆钢筋筋带肋肋钢筋筋钢筋的筋的应用范用范围非非预应力力钢筋：筋：HPB235，HPB300,HRB335，HRB400，HRB500 HRBF335,HRBF400,HRBF500预应力力钢筋：碳素筋：碳素钢丝，刻痕，刻痕钢丝，钢绞线，热处理理钢筋，冷拉筋，冷拉钢筋筋一、钢筋的强度和变形 3.钢筋的常用直径光光圆钢筋：筋：6,8,10,12,14,16,18,20,22带肋肋钢筋：筋：6,8,10,12,14,16,18,20,22,25,28,32,36,40,50一、钢筋的强度和变形 4.钢筋的冷加工和热处理冷拉冷拉BKZZK残余变形冷拉伸长率无时效经时效K点的点的选择：应力限制和力限制和应变限制限制温度的影响：温度达温度的影响：温度达700C时复原复原到冷拉前的状到冷拉前的状态，先，先焊后拉后拉特性：只提高抗拉特性：只提高抗拉强度，不提高抗度，不提高抗压强度，度，强度提高，塑性下降度提高，塑性下降一、钢筋的强度和变形 4.钢筋的冷加工和热处理冷拔冷拔经过冷拔后冷拔后钢筋没有明筋没有明显的屈服点的屈服点和流幅和流幅冷拔既能提高抗拉冷拔既能提高抗拉强度又能提高抗度又能提高抗压强度度一、钢筋的强度和变形 4.钢筋的冷加工和热处理热处理理对特定特定钢号的号的钢筋筋进行淬火和回火行淬火和回火处理理强度提高，塑性降低不降低强度的前提下，消退由淬火产生的内力，改善塑性和韧性一、钢筋的强度和变形 5.钢筋的徐变和松弛徐徐变应力不力不变，随，随时间的增的增长应变接着增加接着增加松弛松弛长度不度不变，随，随时间的增的增长应力降低力降低对结构，尤构，尤其是其是预应力力结构，构，产生生不利的影响，不利的影响，需需实行必要行必要的措施的措施一、钢筋的强度和变形 6.钢筋的疲惫重复荷重复荷载作用下，作用下，钢筋的筋的强度度静静载作用下的作用下的强度度规定的应力幅度内，经确定次数的重复荷载后，发生疲惫破坏的最大应力值称为疲惫强度。对钢筋用疲惫应力幅来表示其疲惫强度。试验方法方法单根根钢筋的筋的轴拉疲拉疲惫钢筋埋入混凝土中重复受拉或受弯筋埋入混凝土中重复受拉或受弯一、钢筋的强度和变形 7.混凝土结构对钢筋的要求强度要求：屈服强度和极限强度，抗震设计时还要求有确定的屈强比强度要求：屈服强度和极限强度，抗震设计时还要求有确定的屈强比塑性要求：伸长率和冷弯要求塑性要求：伸长率和冷弯要求可焊性可焊性与与混凝土的粘结性混凝土的粘结性一、钢筋的强度和变形 8.钢筋应力-应变曲线的数学模型sss=Essys,hfysss=Essys,hfyfs,us,us,usss=Essyfys,hfs,u有明有明显流幅的流幅的钢筋筋无明无明显流幅的流幅的钢筋筋二、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立方体抗压强度度fcu承压板试块摩擦力不涂不涂润滑滑剂涂涂润滑滑剂强度大于强度大于我国我国规范的方法：不涂范的方法：不涂润滑滑剂压力压力试件试件裂缝裂缝发展发展扩张扩张整个体整个体系解体，丢失承载力系解体，丢失承载力另另影响强度的因素影响强度的因素还有：龄期、加载速还有：龄期、加载速率、试块尺寸等率、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标准准试块：150150 150非非标准准试块：100100 100 换算系数换算系数 0.95 200200 200 换算系数换算系数 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：级有：C15，C20，C25，C30，C35，C40，C45，C50，C55，C60，C65，C70，C75，C80表示混凝表示混凝土土Concrete立方体抗立方体抗压强度压强度立方体抗立方体抗压强度度fcu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强度指度指标的确定的确定强度度随机随机变量量强度标准值依据依据统计资料，运用料，运用数理数理统计方法确定的方法确定的具有确定保具有确定保证率率（95%）的）的统计特征特征值：强度度标准准值=强度平度平均均值-1.645均方差均方差概率密度材料强度强度平均值强度标准值二、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棱柱体抗压强度度fc承压板试块标准准试块：150150 300非非标准准试块：100100 300 换算系数换算系数 0.95 200200 400 换算系数换算系数 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：于棱柱体抗压强度，且有：fc=0.76fcu(试验结果试验结果)考虑到构件和试件的区分，取考虑到构件和试件的区分，取fc=0.67fcu 对国外（美国、日本、欧洲混凝土协会等）接受的圆柱体试件（对国外（美国、日本、欧洲混凝土协会等）接受的圆柱体试件（d=150,h=300），有），有fc=0.79fcu 圆柱体抗圆柱体抗压强度压强度二、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干脆受拉干脆受拉试验ft100100150150500试验结果：试验结果：ft=0.395fcu 0.55考虑到构件和试件的区分，尺寸效应，加荷速度等考虑到构件和试件的区分，尺寸效应，加荷速度等的影响，取的影响，取ft=0.348fcu 0.55二、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劈裂劈裂试验ftsddftsFFFF我国依据我国依据100mm立方体的立方体的劈裂与抗压试验结果有：劈裂与抗压试验结果有：fts=0.19fcu 3/4二、混凝土的强度和变形 3.复合受力状态下混凝土的抗拉强度双双轴应力下的力下的强度度1.01.01.21.2-0.2-0.22/fc1/fc拉压/fc/fc0.20.1-0.10.00.61.0单轴抗拉强度单轴抗压强度双向正双向正应力下的力下的强度曲度曲线法向法向应力和剪力和剪应力下的力下的强度曲度曲线二、混凝土的强度和变形 3.复合受力状态下混凝土的抗拉强度三向受三向受压时的混凝土的混凝土强度度 1=fcc 1=fcc 2=3=fLfL-侧向约束侧向约束压应力（加液压）压应力（加液压）圆柱体柱体试验有侧向约有侧向约束时的抗束时的抗压强度压强度无侧向约无侧向约束时圆柱束时圆柱体的单轴体的单轴抗压强度抗压强度二、混凝土的强度和变形 4.混凝土的疲惫强度破坏重复荷重复荷载下的下的应力力-应变曲曲线fcf321疲劳强度fcfcf的的确定原确定原则：100100 300或或150150 450 的的棱柱体棱柱体试块承受承受200200万次万次（或以上）循（或以上）循环荷荷载时发生破坏的最大生破坏的最大压应力力值二、混凝土的强度和变形 4.混凝土的变形性能(MPa)fco0(10-3)abcd225201510546810混凝土强度提高加载速度减慢单轴受受压时的的应力力-应变关系关系作用是：峰值作用是：峰值应力后，吸收应力后，吸收试验机的变形试验机的变形能，测出下降能，测出下降段段二、混凝土的强度和变形 4.混凝土的变形性能单轴受受压时的的应力力-应变关系的数学模型关系的数学模型u=0.00380=0.002ocfcc0.15fcu=0.00350=0.002ocfcc美国美国Hognestad模模型型德国德国Rsch模型模型二、混凝土的强度和变形 4.混凝土的变形性能单轴受受压时的的应力力-应变关系的数学模型关系的数学模型-中国中国规范范u0ocfcc二、混凝土的强度和变形 4.混凝土的变形性能侧向受向受约束束时混凝土的混凝土的变形特点形特点cu约束混凝土非约束混凝土ccfccfcEsecEc c0 2c0 sp cco环箍断裂二、混凝土的强度和变形 4.混凝土的变形性能轴向受拉向受拉时混凝土的混凝土的应力力应变关系关系tto t0 tu ftt(MPa)0(mm)cr=0.00012试件：7619305mmfc=44MPa43210.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06标距83mm理论模型！二、混凝土的强度和变形 4.混凝土的变形性能重复荷重复荷载下混凝土的下混凝土的变形性能形性能pe包罗线与一次性加载时的应力-应变曲线相似二、混凝土的强度和变形 4.混凝土的变形性能混凝土的混凝土的弹性模量性模量ccccep01原点切原点切线模量（模量（弹性模量）：拉性模量）：拉压相同相同变形模量（割形模量（割线模量、模量、弹塑性模量）塑性模量）切切线模量模量受压时，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混凝土的弹性模量的性模量的试验方法（方法（150150 300标准准试件件）c/fcc0.5510次此线和原点切线基本平行，取其斜率作为Ec二、混凝土的强度和变形 4.混凝土的变形性能混凝土的泊松比和剪切模量混凝土的泊松比和剪切模量混凝土的泊松比，在压力较小时为混凝土的泊松比，在压力较小时为0.150.18，接近破坏时可达，接近破坏时可达0.5以上，以上，一般可取一般可取0.2混凝土的剪切模量为混凝土的剪切模量为二、混凝土的强度和变形 4.混凝土的变形性能长期荷期荷载作用下混凝土的作用下混凝土的变形性能形性能-徐徐变0.51.01.52.02.505101520253035(10-3)(月)c0.5fc，线性徐变c0.8fc，非线性徐变creeecrP缘由之一，胶凝体缘由之一，胶凝体的粘性流淌的粘性流淌缘由之二，混凝土缘由之二，混凝土内部微裂缝的不断发内部微裂缝的不断发展展二、混凝土的强度和变形 4.混凝土的变形性能长期荷期荷载作用下混凝土的作用下混凝土的变形性能形性能-影响徐影响徐变的因素的因素应力：应力：c0.5fc，徐变变形与应力成正比徐变变形与应力成正比-线性徐变线性徐变 0.5fc c0.8fc，造成混凝土破坏，不稳定造成混凝土破坏，不稳定加荷时加荷时混凝土的龄期，越早，徐变越大混凝土的龄期，越早，徐变越大水泥用量越多，水灰比越大，徐变越大水泥用量越多，水灰比越大，徐变越大骨料越硬，徐变越小骨料越硬，徐变越小0.51.01.52.02.505101520253035(10-3)(月)c0.5fc，线性徐变c0.8fc，非线性徐变creeecr二、混凝土的强度和变形 4.混凝土的变形性能混凝土的收混凝土的收缩-结硬硬过程中混凝土体程中混凝土体积缩小的性小的性质水泥品种：等级越高，收缩越大水泥品种：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，收缩越小骨料：骨料越硬，收缩越小养护条件、制作方法、运用环境、体积与表面积的比值等养护条件、制作方法、运用环境、体积与表面积的比值等二、混凝土的强度和变形 4.混凝土的变形性能徐徐变对混凝土混凝土结构的影响构的影响PAsPAs s1c1Pc2As s2P拆去，钢筋受压混凝土受拉，可能会引起混凝土开裂徐变：徐变：s，c 二、混凝土的强度和变形 4.混凝土的变形性能收收缩对混凝土混凝土结构的影响构的影响AscAs s收缩：收缩：钢筋受压，钢筋受压，混凝土受拉混凝土受拉As