混凝土结构材料的物理力学性能.pptx

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1、钢钢 筋筋混混 凝凝 土土两者间的粘结两者间的粘结强强 度度变变 形形粘结破坏的粘结破坏的过程和机理过程和机理目录目录2.12.22.3第1页/共52页强度强度变形变形立方体抗压强度立方体抗压强度轴心抗压强度轴心抗压强度轴心抗拉强度轴心抗拉强度复合应力作用下的强度复合应力作用下的强度受力变形受力变形非受力变形非受力变形一次短期加载变形性能一次短期加载变形性能荷载重复作用下变形性能荷载重复作用下变形性能疲劳疲劳荷载长期作用下变形性能荷载长期作用下变形性能徐变徐变收缩收缩温度变形温度变形2.1 2.1 混凝土的物理力学性能混凝土的物理力学性能膨胀膨胀目录目录2.12.22.3第2页/共52页2.2

2、 2.2 钢筋的物理力学性能钢筋的物理力学性能 钢筋的种类柔性钢筋柔性钢筋光圆钢筋光圆钢筋 带肋钢筋带肋钢筋(变形钢筋变形钢筋)螺旋纹钢筋螺旋纹钢筋月牙纹钢筋月牙纹钢筋人字纹钢筋人字纹钢筋劲性钢筋劲性钢筋目录目录2.12.22.3第3页/共52页 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。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。u 强度等级和牌号强度等级和牌号4个强度等级：个强度等级：300MPa、335MPa、400MPa、500MPa(屈服强度标准值)目录

3、目录2.12.22.3第4页/共52页HPB:Hot Rolled Plain Steel Bar 热轧光面钢筋热轧光面钢筋 HRB:Hot Rolled Ribbed Steel Bar 热轧带肋钢筋热轧带肋钢筋 HRBF：Hot Rolled Ribbed Steel Bar of Fine Grains 细晶粒热轧带肋钢筋细晶粒热轧带肋钢筋 RRB:Remained Heat Treatment Ribbed Steel Bar 余热处理带肋钢筋余热处理带肋钢筋8个牌号个牌号HPB300 ()HRB335 ()、HRBF335 ()HRB400 ()、HRBF400 ()、RRB400

4、()HRB500 ()、HRBF500 ()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，通过控制轧钢的温度形成细晶。目录目录2.12.22.3第5页/共52页u 工程应用工程应用 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

5、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。目录目录2.12.22.3第6页/共52页(1)有有明显物理流幅的钢筋明显物理流幅的钢筋:ABBCDE上屈服点下屈服点极值点(出现颈缩)BC段为屈服平台CD段为强化段标距试件试件拉拉拉断压压强度指标：屈服强度fy下屈服点对应的应力，作为设计强度的依据，不

6、是极限点！A比例极限弹性极限钢筋受压和受拉时的应力钢筋受压和受拉时的应力-应变曲线几乎相同应变曲线几乎相同p 强度指强度指标 钢筋的强度与变形目录目录2.12.22.3第7页/共52页(2)无无明显物理流限的钢筋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%所对应的应力作为无明显流幅钢筋的强度限值目录目录2.12.22.3第8页/共52页强度强度随机变量随机变量强强度度标标准准值值根据统计资料，运用数理根据统计资料，运用数理统计方法确定的具有一定统计方法确定的具有一定保证率（钢筋为保证率（钢筋为97.73%）的统计特征值：的统计特征值：强度标准值强度标准值=强度平均值强度

7、平均值-22均方差均方差概率概率密度密度材料强度材料强度强度强度平均平均值值强度强度标准标准值值(3)强度指标的确定：强度指标的确定：目录目录2.12.22.3第9页/共52页ABBCDE0.2%0.2*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。p 变形指变形指标目录目录2.12.22.3第10页/共52页意义：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。目录目录2.12.22.3第11页/共52页钢

8、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。钢筋本构关系目录目录2.12.22.3第12页/共52页(2)描述完全弹塑性加硬化的三折线模型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。目录目录2.12.22.3第13页/共52页 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描述弹塑性的双斜线模型目录目录2.12.22.3第14页/共52页概念：钢

9、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。钢筋的疲劳目录目录2.12.22.3第15页/共52页 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

10、应力比。对预应力钢筋，当r f 0.9时，可不进行疲劳强度验算。疲劳破坏的原因影响钢筋疲劳强度的因素目录目录2.12.22.3第16页/共52页 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目录2.12.22.3第17页/共52页2.3 2.3 混凝土与钢筋的粘结混凝土

11、与钢筋的粘结 粘结的意义 混凝土与钢筋的粘结是指钢筋与周围混凝土之间的相互作用，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。粘结作用粘结作用粘结应力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目录2.12.22.3第18页/共52页 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目录2.12.22.3第19页/共52页l 影响粘结强度的因素影响粘结强度的因素F钢筋表面形状钢筋表面形状F混凝土强度等级混凝土强度等级F浇注位置浇

12、注位置F钢筋净距钢筋净距F保护层厚度保护层厚度F横向钢筋横向钢筋目录目录2.12.22.3第20页/共52页 粘结应力滑移关系图2-26-s曲线(a)光圆钢筋的-s曲线；(b)带肋钢筋的-s曲线目录目录2.12.22.3第21页/共52页 钢筋的锚固(1)基本锚固长度基本锚固长度 lab 受拉钢筋的基本锚固长度是钢筋直径的倍数目录目录2.12.22.3第22页/共52页(2)受拉钢筋的锚固受拉钢筋的锚固p 受拉钢筋的锚固长度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，

13、当多于 一项时，可以连乘计算。lab钢筋的基本锚固长度目录目录2.12.22.3第23页/共52页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；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

14、计算，但不应小于0.6；对预应力筋，可取1.0。z za锚固长度修正系数锚固长度修正系数目录目录2.12.22.3第24页/共52页 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p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。p锚固措施目录目录2.12.22.3第25页/共52页(3)受压钢筋的锚固受压钢筋的锚固 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

15、%。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。目录目录2.12.22.3第26页/共52页(1)立方体抗压强度试验立方体抗压强度试验承压板试件试件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%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

16、/mm2）u立方体抗压强度立方体抗压强度 fcu目录目录2.12.22.3第27页/共52页(3)立方体抗压强度的主要影响因素立方体抗压强度的主要影响因素 试件实验方法实验方法不涂润滑剂涂润滑剂强度大于试件尺寸：试件尺寸：立方体尺寸愈小，试验测得的强度愈高（立方体尺寸愈小，试验测得的强度愈高（尺寸效应尺寸效应）加载速度：加载速度：加载速度越快，试验测得的强度越高加载速度越快，试验测得的强度越高（冲击效应冲击效应）龄龄 期：期：试验时的砼龄期增长，测得的强度增大试验时的砼龄期增长，测得的强度增大（持续水化反应持续水化反应）立方体抗压强度-视频目录目录2.12.22.3第28页/共52页实际结构和

17、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。试试件件标准试件：150 mm150 mm300 mmu轴心抗压强度轴心抗压强度 fc轴心抗压强度-视频目录目录2.12.22.3第29页/共52页直接测试直接测试（单位（单位:mm）100100150150500间接测试间接测试劈裂试验劈裂试验ddftsFFFFu轴心抗拉强度轴心抗拉强度 ft目录目录2.12.22.3第30页/共52页 抗压强度高，而抗拉强度却很低抗压强度高，而抗拉强度却很低 通常抗拉强度只有抗压强度的通常抗拉强度只有抗压强度的1/81

18、/20 破坏时具有明显的破坏时具有明显的脆性特征脆性特征 抗压强度高，而抗拉强度却很低抗压强度高，而抗拉强度却很低 通常抗拉强度只有抗压强度的通常抗拉强度只有抗压强度的1/81/17 破坏时具有明显的破坏时具有明显的脆性特征脆性特征混凝土轴心抗拉强度-视频目录目录2.12.22.3第31页/共52页 （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

19、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u 复合应力状态下混凝土的强度复合应力状态下混凝土的强度目录目录2.12.22.3双向复合受力强度-视频第32页/共52页 可以看出混凝土的抗剪强度随拉应力的增大当压应力小于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。图图2.15 混凝土在正应力和剪应力共同作用下的强度曲线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；目录目录2.12.22.3第33页/共52页

20、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2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 =4.57.0，平均值为5.6，当侧向压应力较低时得到的系数值较高。目录目录2.12.22.3第34页/共52页u 一次短期加载变形性能一次短期加载变形性能(1)混凝土受压时混凝土受压时-关系关系c棱柱体fck0abd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。(MPa)252015105O(10

21、-3)246810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峰值点破坏点目录目录2.12.22.3应力应变曲线-视频第35页/共52页不同强度受压砼不同强度受压砼-关系关系F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0.002F强度等级越高，下降段越陡，破坏时脆性越显著，延性越差目录目录2.12.22.3第36页/共52页occu=0.00380=0.002fc0.15fc美国Hognestad模型occu=0.00350=0.002fc德国Rsch模型(2)混凝土受压时混凝土受

22、压时-数学模型数学模型目录目录2.12.22.3第37页/共52页(3)混凝土轴向受拉时混凝土轴向受拉时-关系关系 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-应变全曲线目录目录2.12.22.3第38页/共52页 c c c c e p 0 l 原点切线模量原点切线模量（弹性模量弹性模量）：拉压相同）：拉压相同l变形模量变形模量（割线模量、弹塑性模量）（割线模量、弹塑性模量）l切线模量切线模量弹性特征系数 1(4)混凝土变形模量混凝土变形模量目录目录2.12.22.3第39页/共52页c/fc

23、c0.5510次此线和原点切线基本平行，取其斜率作为Ec 弹性模量的测定弹性模量的测定目录目录2.12.22.3第40页/共52页混凝土的泊松比混凝土的泊松比c混凝土的剪切模量混凝土的剪切模量GcF混凝土横向应变与纵向应变之比F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目录目录2.12.22.3第41页/共52页混凝土棱柱体轴压试验（铁道部科学研究院）混凝土棱柱体轴压试验（铁道部科学研究院）Pu 荷载长期作用下变形性能荷载长期作用下变形性能目录目录2.12.22.3第42页/共52页徐变的徐变的概念概念F混凝土在混凝土在荷载长期作用荷载长期作用下，应力不变，应变下，

24、应力不变，应变产生的随时间而增长的现象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徐变系数目录目录2.12.22.3第43页/共52页线性徐变与非线性徐变线性徐变与非线性徐变目录目录2.12.22.3第44页/共52页当c/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目录2.12.22.3第45页/共52页产生徐变的产生徐变的原因原因F砼中的水泥凝胶体在荷载作用下的粘性流动；砼中的水泥凝胶体在荷载作用下的粘性流动；F砼中微裂缝的扩展也促进了徐变的产

25、生。砼中微裂缝的扩展也促进了徐变的产生。徐变的徐变的影响因素影响因素F内在因素：砼的组成和配合比；构件体表比；受载时的龄期内在因素：砼的组成和配合比；构件体表比；受载时的龄期F环境因素：养护时的温湿度；使用时的温湿度环境因素：养护时的温湿度；使用时的温湿度F应力因素：混凝土的应力水平应力因素：混凝土的应力水平徐变徐变对结构的影响对结构的影响F内力重分布内力重分布F变形增大变形增大F预应力损失预应力损失目录目录2.12.22.3第46页/共52页混凝土多次重复加荷的-曲线 混凝土一次加荷卸荷的混凝土一次加荷卸荷的-曲线曲线 u 疲劳疲劳目录目录2.12.22.3第47页/共52页当加荷应力1 f

26、cf时，开始时混凝土的-曲线凸向应力轴，在重复加荷载过程中逐渐变化为凸向应变轴，不能形成封闭环；随着荷载重复次数的增加，-曲线的斜率不断降低，最后混凝土试件因严重开裂或变形太大而破坏，这种因荷载重复作用而引起的混凝土破坏称为混凝土的疲劳破坏。混凝土能承受荷载多次重复作用而不发生疲劳破坏的最大应力限值称为混凝土的疲劳强度 fcf。疲劳破坏目录目录2.12.22.3第48页/共52页 混凝土的疲劳强度用疲劳试验测定。疲劳试验采用100mm100mm300mm或150mm150mm450mm的棱柱体，把能使棱柱体试件承受200万次或其以上循环荷载而发生破坏的压应力值称为混凝土的疲劳抗压强度。目录目录

27、2.12.22.3第49页/共52页混凝土收缩的混凝土收缩的概念概念F混凝土在空气中结硬时体积减小的现象F收缩包括凝胶体本身的体积收缩（凝缩）和砼因失水产生的体积收缩（干缩）混凝土收缩混凝土收缩试验试验混凝土收缩试验（铁道部科学研究院）混凝土收缩试验（铁道部科学研究院）F早期发展快，早期发展快，2周可完成周可完成25%，1个月可完成个月可完成50%F3个月后增长缓慢，可延续个月后增长缓慢，可延续2年年F最终收缩应变值约为最终收缩应变值约为(25)10-4 u 收缩收缩目录目录2.12.22.3第50页/共52页混凝土收缩混凝土收缩对结构的影响对结构的影响F对处于自由状态的构件，收缩只会引起构件

28、的缩短而不会开裂；对对处于自由状态的构件，收缩只会引起构件的缩短而不会开裂；对受约束不能自由变形的构件，收缩会引起拉应力，甚至会产生裂缝受约束不能自由变形的构件，收缩会引起拉应力，甚至会产生裂缝FRC结构中的钢筋限制了砼的自由收缩，使砼受拉、钢筋受压。如果结构中的钢筋限制了砼的自由收缩，使砼受拉、钢筋受压。如果截面配筋较多，会导致砼开裂（截面配筋较多，会导致砼开裂（收缩裂缝收缩裂缝）收缩的收缩的影响因素影响因素F内在因素：砼的组成和配合比；构件体表比内在因素：砼的组成和配合比；构件体表比F环境因素：养护时的温湿度；使用时的温湿度环境因素：养护时的温湿度；使用时的温湿度AssAs s收缩：钢筋受压，混凝土受拉As目录目录2.12.22.3第51页/共52页感谢您的观看。第52页/共52页