第二章钢筋混凝土材料力学性能精选文档.ppt
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1、第二章钢筋混凝土材料力学性能本讲稿第一页,共五十六页2.1 钢筋的形式和品种1、依据、依据化学成化学成分分分类分类碳素钢(铁、碳、硅、碳素钢(铁、碳、硅、锰、锰、硫、磷硫、磷等元素)等元素)低碳钢(含碳量低碳钢(含碳量0.25%)中碳钢(含碳量中碳钢(含碳量0.250.6%)高碳钢(含碳量高碳钢(含碳量0.61.4%)普通低合金钢(另加硅、普通低合金钢(另加硅、锰、钛、钒、铬等)锰、钛、钒、铬等)锰系锰系硅钒系硅钒系硅钛系硅钛系硅锰系硅锰系硅铬系硅铬系钢筋的力学性能主要取决于它的化钢筋的力学性能主要取决于它的化学成分学成分本讲稿第二页,共五十六页2 钢筋和混凝土的材料性能2、钢筋的品种、钢筋的
2、品种(Reinforcement types)热轧钢筋、钢丝和钢绞线、热处理钢筋和冷加工钢筋。热轧钢筋、钢丝和钢绞线、热处理钢筋和冷加工钢筋。(1)热轧钢筋:由低碳钢、普通低合金钢在高温状态下扎制而成。根)热轧钢筋:由低碳钢、普通低合金钢在高温状态下扎制而成。根据力学指标的高低,分为热轧光面钢筋据力学指标的高低,分为热轧光面钢筋HPB235、热轧带肋钢筋、热轧带肋钢筋HRB335、热轧带肋钢筋热轧带肋钢筋HRB400、余热处理钢筋、余热处理钢筋RRB400。本讲稿第三页,共五十六页本讲稿第四页,共五十六页2 钢筋和混凝土的材料性能热轧钢筋热轧钢筋 Hot Rolled Steel Reinfo
3、rcing BarHPB235级、HRB335级、HRB400级、RRB400级HPBHotrolledPlainBarHRBHotrolledRibbedBarRRBRemainedHeatTreatment RibbedBar余热处理钢筋余热处理钢筋:热轧后立即穿水,进行表面控制冷却,然后利用芯部热轧后立即穿水,进行表面控制冷却,然后利用芯部余热自身完成回火处理所得的成品钢筋余热自身完成回火处理所得的成品钢筋.本讲稿第五页,共五十六页HPB235级级(级级)钢筋钢筋多为光面钢筋(多为光面钢筋(Plain Bar),多作为现浇楼板),多作为现浇楼板的受力钢筋和箍筋的受力钢筋和箍筋HRB335
4、级级(级级)和和HRB400级级(级级)钢筋钢筋强度较高,多作为钢筋混强度较高,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,为级钢筋作箍筋,为了增强与混凝土的粘结(了增强与混凝土的粘结(Bond),外形制作成月牙肋或等高肋的变),外形制作成月牙肋或等高肋的变形钢筋(形钢筋(Deformed Bar)。)。余热处理钢筋的焊接性能与热轧钢筋相比,有一定的差异,延性和余热处理钢筋的焊接性能与热轧钢筋相比,有一定的差异,延性和强屈比稍低。在工程应用中,与热轧钢筋的使用范围存在实际的差强屈比稍低。在工程应用中,与热轧钢筋的使用范围存在实际
5、的差异异(适用于一般结构及抗震等级为三、四的抗震结构适用于一般结构及抗震等级为三、四的抗震结构 )。本讲稿第六页,共五十六页2 钢筋和混凝土的材料性能(2)冷加工钢筋)冷加工钢筋 Cold working rebar:在常温下,由热轧钢筋经冷在常温下,由热轧钢筋经冷拉、冷拔、冷轧、冷扭加工后而成。冷加工的目的是为了提高钢拉、冷拔、冷轧、冷扭加工后而成。冷加工的目的是为了提高钢筋的强度,节约钢材。筋的强度,节约钢材。但经冷加工后,钢筋的延伸率降低。但经冷加工后,钢筋的延伸率降低。近年来,近年来,冷加工钢筋的品种很多,应根据专门规程使用。冷加工钢筋的品种很多,应根据专门规程使用。(3)热处理钢筋
6、Heat treatment:是将中碳低合金带肋钢筋是将中碳低合金带肋钢筋通过加热、淬火和回火等调质工艺处理,使强度得到较大通过加热、淬火和回火等调质工艺处理,使强度得到较大幅度的提高,而延伸率降低不多。用于预应力混凝土结构。幅度的提高,而延伸率降低不多。用于预应力混凝土结构。本讲稿第七页,共五十六页(4)钢丝)钢丝 Wire:中强钢丝的强度为中强钢丝的强度为8001200MPa,高强钢丝、,高强钢丝、钢绞线钢绞线(Strand or Tendon)的为的为 1470 1860MPa;钢丝的直径;钢丝的直径39mm;外形有光面、刻痕和螺旋肋三种,另有二股、三股和七;外形有光面、刻痕和螺旋肋三种
7、,另有二股、三股和七股钢绞线,外接圆直径股钢绞线,外接圆直径9.515.2 mm。中高强钢丝和钢绞线均用于。中高强钢丝和钢绞线均用于预应力混凝土结构。预应力混凝土结构。本讲稿第八页,共五十六页 e e2.22.2 钢筋的力学性能钢筋的力学性能 1.1.有明显流幅(屈服点)钢筋的应力有明显流幅(屈服点)钢筋的应力-应变曲线应变曲线aabcdefua为比例极限为比例极限oa为弹性阶段为弹性阶段de为强化阶段为强化阶段b为屈服上限为屈服上限c为屈服下限,即为屈服下限,即屈服强度屈服强度 fycd为屈服台阶为屈服台阶e为极限抗拉强度为极限抗拉强度 fu fyfef为颈缩阶段为颈缩阶段标距5-105-1
8、0d本讲稿第九页,共五十六页几个指标:几个指标: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,因为钢筋屈服后将发生很大的塑性变形,因为钢筋屈服后将发生很大的塑性变形,且卸载时这部分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产生很大的变,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,不太稳定,形和不可闭合的裂缝。屈服上限与加载速度有关,不太稳定,一般一般取屈服下限作为屈服强度取屈服下限作为屈服强度。延延 伸伸 率率:钢筋拉断后的伸长值与原长的比率,是反映钢筋塑性性能的指:钢筋拉断后的伸长值与原长的比率,是反映钢筋塑性性能的指标。延伸率大
9、的钢筋,在拉断前有足够预兆,延性较好。标。延伸率大的钢筋,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,要求极限抗拉强度与屈要求极限抗拉强度与屈服强度比值不低于服强度比值不低于1.25。冷弯性能:检验钢筋塑性的另一种方法冷弯性能:检验钢筋塑性的另一种方法。将直径为。将直径为d的钢筋绕直径为的钢筋绕直径为D的钢辊弯成一定的角度的钢辊弯成一定的角度而不发生裂而不发生裂纹、起层或断裂纹、起层或断裂。参见教材。参见教材11页图页图2.7本讲稿第十页,共五十六页2 2、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
10、: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,有一定应变关系为非线性,有一定塑性变形,且没有明显的屈服点塑性变形,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点条件屈服点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取规范取 0.2=0.85 fub b本讲稿第十一页,共五十六页 1)强度:要求钢筋有足够的强度和适宜的强屈比(极限强度与屈服强度的比值)。例如,对抗震等级为一、二级的框架结构,其纵向受力钢筋的实际强屈比不应小于1.25。2)塑性:要求钢筋应有足够的变形能力。3)可焊性:要求钢筋焊接后不产生裂缝和过大的变形,焊接接头性能
11、良好。4)与混凝土的粘结力:要求钢筋与混凝土之间有足够的粘结力,以保证两者共同工作。3、混凝土结构对钢筋性能的要求混凝土结构对钢筋性能的要求本讲稿第十二页,共五十六页2.3 钢筋的冷加工和热处理温度的影响:温度达温度的影响:温度达700C时恢复到冷时恢复到冷拉前的状态,先焊后拉拉前的状态,先焊后拉本讲稿第十三页,共五十六页 3、钢筋的冷加工和热处理冷拔冷拔:用强力把光圆钢筋通过比其直径稍小的硬质合金模用强力把光圆钢筋通过比其直径稍小的硬质合金模上的锥形拔丝孔,使其产生塑性变形,横截面减小,长上的锥形拔丝孔,使其产生塑性变形,横截面减小,长度增大。度增大。经过冷拔后钢筋没有明显的屈服点和经过冷拔
12、后钢筋没有明显的屈服点和流幅流幅冷拔既能提高抗拉强度又能提高抗压强度冷拔既能提高抗拉强度又能提高抗压强度本讲稿第十四页,共五十六页 3、钢筋的冷加工和热处理热处理热处理对特定钢号的钢筋进行淬火和回火处理对特定钢号的钢筋进行淬火和回火处理将淬火后的钢材重新加热到将淬火后的钢材重新加热到723723以下某一温度范围、保温一定时以下某一温度范围、保温一定时间后再缓慢地或较快地冷却至室温,这一过程称为回火处理。回火间后再缓慢地或较快地冷却至室温,这一过程称为回火处理。回火可消除钢材淬火时产生的内应力,使其硬度降低,恢复塑性和韧性。可消除钢材淬火时产生的内应力,使其硬度降低,恢复塑性和韧性。按回火温度不
13、同,又可分为高温回火(按回火温度不同,又可分为高温回火(500500650650)、中温回火)、中温回火(300300500500)和低温回火()和低温回火(150150300300)种。回火温度愈高,)种。回火温度愈高,钢材硬度下降愈多,塑性和韧性恢复愈好,若钢材淬火后随即进行钢材硬度下降愈多,塑性和韧性恢复愈好,若钢材淬火后随即进行高温回火处理,则称调质处理,其目的是使钢材的强度、塑性、韧高温回火处理,则称调质处理,其目的是使钢材的强度、塑性、韧性等性能均得以改善。性等性能均得以改善。将钢材加热至将钢材加热至723723以上某一温度,并保持一定时间后,迅速置于水中以上某一温度,并保持一定时
14、间后,迅速置于水中或机油中冷却,这个过程称钢材的淬火处理。钢材经淬火后,强度和硬或机油中冷却,这个过程称钢材的淬火处理。钢材经淬火后,强度和硬度提高,脆性增大,塑性和韧性明显降低。度提高,脆性增大,塑性和韧性明显降低。本讲稿第十五页,共五十六页2.5 钢筋的蠕变、松弛和疲劳钢筋的蠕变、松弛和疲劳蠕变应力不变,随时间的增长应变继续增加松弛长度不变,随时间的增长应力降低对结构,尤其是预应力结构,产生不利的影响,需采取必要的措施本讲稿第十六页,共五十六页 钢筋的疲劳钢筋的疲劳钢筋在重复、周期动荷载作用下,经过一定次数后,钢筋在重复、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脆性突然断裂的
15、现象,称为疲从塑性破坏的性质转变脆性突然断裂的现象,称为疲劳破坏。劳破坏。规定的应力幅度内,经一定次数的重规定的应力幅度内,经一定次数的重复荷载后,发生疲劳破坏的最大应力复荷载后,发生疲劳破坏的最大应力值称为疲劳强度。值称为疲劳强度。试验方法试验方法单根钢筋的轴拉疲劳单根钢筋的轴拉疲劳钢筋埋入混凝土中重复受拉或受弯钢筋埋入混凝土中重复受拉或受弯本讲稿第十七页,共五十六页2.6 混凝土的强度混凝土的强度 1.单轴受力状态下混凝土的抗压强度单轴受力状态下混凝土的抗压强度1)立方体抗压强度)立方体抗压强度 fcu承压板承压板试块试块不涂润滑剂(存在套箍作用)涂润滑剂涂润滑剂我国规范的方法:不涂润滑剂
16、我国规范的方法:不涂润滑剂压力压力试件试件裂缝发展裂缝发展扩张扩张整个体系解体,整个体系解体,丧失承载力丧失承载力影响强度的因素还有:影响强度的因素还有:龄期:龄期越长,强龄期:龄期越长,强度增大度增大加载速率:加载速度越加载速率:加载速度越快,测定的强度越大快,测定的强度越大试块尺寸:尺寸越小,试块尺寸:尺寸越小,测定的强度越大测定的强度越大摩擦力不涂润滑剂(存在套箍作用)摩擦力摩擦力不涂润滑剂不涂润滑剂(存在套箍(存在套箍作用)作用)中部外围混凝中部外围混凝土剥落土剥落本讲稿第十八页,共五十六页 1、单轴受力状态下混凝土的抗压强度非标准试块:非标准试块:100100 100 换算系数换算系
17、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级是按照立方体抗压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是按照立方体抗压强度标准值强度标准值fcu,k确定的确定的C15,C20,C25,C30,C35,C40,C45,C50,C55,C60,C65,C70,C75,C80表示混凝土表示混凝土Concrete立方体抗压强度标准值立方体抗压强度标准值立方体抗压强度标准值立方体抗压强度标准值边长为边长为150mm150mm的混凝土立方体试件,在标准条件下(温度为的混凝土立方体试件,在标准条件下(
18、温度为203203,湿度,湿度90%90%)养护)养护2828天,用标准试验方法(加载速度天,用标准试验方法(加载速度0.150.150.25N/mm0.25N/mm2 2.s s,两端不涂润滑剂两端不涂润滑剂)测得的)测得的具有具有95%95%保证率保证率的抗压强度的抗压强度本讲稿第十九页,共五十六页2 2)轴心抗压强度轴心抗压强度fc(棱柱体抗压强度)(棱柱体抗压强度)按标准方法制作的按标准方法制作的150mml50mm 300mm的棱柱体试件,在的棱柱体试件,在温度为温度为20土土3和相对湿度为和相对湿度为90以上的条件下养护以上的条件下养护28d,用标准试,用标准试验方法测得的具有验方
19、法测得的具有95保证率的抗压强度保证率的抗压强度。对于同一混凝土,。对于同一混凝土,棱棱柱体抗压强度小于立方体抗压强度柱体抗压强度小于立方体抗压强度。非标准试块:非标准试块:100100 300 换算系数换算系数 0.95 200200 400 换算系数换算系数 1.05 考虑到实际结构构件制作、养护和受力情况,实际构件强考虑到实际结构构件制作、养护和受力情况,实际构件强度与试件强度之间存在差异,规范基于安全取偏低值,度与试件强度之间存在差异,规范基于安全取偏低值,规定轴心抗压强度标准值和立方体抗压强度标准值的换算关规定轴心抗压强度标准值和立方体抗压强度标准值的换算关系为:系为:混凝土的物理力
20、学性能本讲稿第二十页,共五十六页式中:式中:k为棱柱体强度与立方体强度之比,对不大于为棱柱体强度与立方体强度之比,对不大于C50级的混级的混凝土取凝土取0.76,对,对C80取取0.82,其间按线性插值。,其间按线性插值。k2为高强混凝土的脆性折减系数,对为高强混凝土的脆性折减系数,对C40取取1.0,对,对C80取取0.87,中间按直线规律变化取值。,中间按直线规律变化取值。0.88为考虑实际构件与试件混凝为考虑实际构件与试件混凝土强度之间的差异而取用的折减系数。土强度之间的差异而取用的折减系数。2.1 混凝土的物理力学性能本讲稿第二十一页,共五十六页2、单轴受力状态下混凝土的抗拉强度、单轴
21、受力状态下混凝土的抗拉强度直接受拉试验直接受拉试验ft要求钢筋位于试件要求钢筋位于试件的轴线上,因此存的轴线上,因此存在对中困难在对中困难直径直径16mm16mm的变形的变形钢筋钢筋100100150150500本讲稿第二十二页,共五十六页轴心抗拉强度轴心抗拉强度 混凝土的轴心抗拉强度可以采用直接轴心受拉的试验方法来混凝土的轴心抗拉强度可以采用直接轴心受拉的试验方法来测定,但由于试验比较困难,目前国内外主要采用圆柱体或立方测定,但由于试验比较困难,目前国内外主要采用圆柱体或立方体的劈裂试验来间接测试混凝土的轴心抗拉强度。体的劈裂试验来间接测试混凝土的轴心抗拉强度。2.1 混凝土的物理力学性能劈
22、拉试验FaF拉压压垫条本讲稿第二十三页,共五十六页第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.1 混凝土的物理力学性能 混凝土结构设计规范规定轴心抗拉强度标准值与立方体抗混凝土结构设计规范规定轴心抗拉强度标准值与立方体抗压强度标准值的换算关系为:压强度标准值的换算关系为:混凝土轴心抗拉强度与立方体抗压强度的关系本讲稿第二十四页,共五十六页3、复合受力状态下混凝土的强度、复合受力状态下混凝土的强度多维受力强度多维受力强度1.1.在实际结构中,混凝土经常不处于在实际结构中,混凝土经常不处于单轴应力状态,而受多维应力的作单轴应力状态,而受多维应力的作用;用;2.2.侧向压力限制混凝土受压后的横向侧向压力限制混
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