给排水工程结构设计-第二章 钢筋和混凝土材料的力学性能.ppt

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1、第二章 钢筋和混凝土材料力学性能济南大学土木工程学院 杨令强一、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0.2%0.2标距有明显流幅的钢筋无明显流幅的钢筋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强度指标*明显流幅的钢筋：下屈服点对应的强度作为设明显流幅的钢筋：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可恢复的变形性

2、变形，钢筋混凝土构件会产生不可恢复的变形和不可闭合的裂缝，以至不能使用和不可闭合的裂缝，以至不能使用*无明显流幅的钢筋：剩余应变为0.2%时所对应的应力作为条件屈服强度 一、钢筋的强度和变形 1.钢筋的应力-应变曲线强度指标确实定强度随机变量强度标准值根据统计资料，运用数理统计方法确定的具有一定保证率钢筋为97.73%的统计特征值：强度标准值=强度平均值-2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：冷弯要求：将直径为将直径为d的钢

3、筋绕直径为的钢筋绕直径为D的钢辊的钢辊弯成一定的角度而不发生断裂弯成一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碳素钢铁、碳、硅、锰、硫、磷等元素低碳钢含碳量0.25%中碳钢含碳量0.250.6%高碳钢含碳量0.61.4%普通低合金钢另加硅、锰、钛、钒、铬等硅系硅钒系硅钛系硅锰系硅铬系一、钢筋的强度和变形 2.钢筋的成分、级别和品种钢筋热轧钢筋：热轧光面钢筋HPB235，热轧带肋钢筋HRB335、HRB400，余热处理钢筋RRB400冷拉钢筋：由热轧钢筋在常温下用机械拉伸而成热处理钢筋：将HRB400、RRB400钢筋通过加热、淬火、回火而成按加工钢丝刻痕

4、钢丝：在钢丝外表刻痕，以增强其与混凝土间的粘结力钢绞线：六根相同直径的钢丝成螺旋状铰绕在一起冷拔低碳钢丝：由低碳钢冷拔而成碳素钢丝：高碳镇静钢通过屡次冷拔、应力消除、矫正、回火处理而成一、钢筋的强度和变形 2.钢筋的成分、级别和品种按外表形状光圆钢筋变形钢筋钢筋的应用范围非预应力钢筋：HRB235，HRB335，HRB400，RRB400预应力钢筋：碳素钢丝，刻痕钢丝，钢绞线，热处理钢筋，冷拉钢筋一、钢筋的强度和变形 3.钢筋的冷加工和热处理冷拉BKZZK残余变形冷拉伸长率无时效经时效K点的选择：应力控制和应变控制温度的影响：温度达700C时恢复到冷拉前的状态，先焊后拉特性：只提高抗拉强度，不

5、提高抗压强度，强度提高，塑性下降一、钢筋的强度和变形 3.钢筋的冷加工和热处理冷拔经过冷拔后钢筋没有明显的屈服点和流幅冷拔既能提高抗拉强度又能提高抗压强度一、钢筋的强度和变形 3.钢筋的冷加工和热处理热处理对特定钢号的钢筋进行淬火和回火处理强度提高，塑性降低不降低强度的前提下，消除由淬火产生的内力，改善塑性和韧性一、钢筋的强度和变形 4.钢筋的徐变和松弛徐变应力不变，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，需采取必要的措施一、钢筋的强度和变形 5.钢筋的疲劳重复荷载作用下，钢筋的强度静载作用下的强度规定的应力幅度内，经一定次数的重复荷

6、载后，发生疲劳破坏的最大应力值称为疲劳强度。对钢筋用疲劳应力幅来表示其疲劳强度。试验方法单根钢筋的轴拉疲劳钢筋埋入混凝土中重复受拉或受弯一、钢筋的强度和变形 6.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强度要求：屈服强度和极限强度，抗震设计时还要求有一定的屈强比一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 7.钢筋应力-应变曲线的数学模型sss=Essys,hfysss=Essys,hfyfs,us,us,usss=Essyfys,hfs,u有明显流幅的钢筋无明显流幅的钢筋二、混凝

7、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压强度fcu承压板试块摩擦力不涂润滑剂涂润滑剂强度大于我国标准的方法：不涂润滑剂压力压力 试件试件 裂缝开裂缝开展展 扩张扩张 整个体系整个体系解体，丧失承载力解体，丧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试块：150150 150非标准试块：100100 100 换算系数 0.95 200200 200 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，我国标准混凝土的强度等立方体抗压强度是区分混凝

8、土强度等级的指标，我国标准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表示混凝土Concrete立方体抗压强度立方体抗压强度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棱柱体抗压强度fc承压板试块标准试块：150150 300非标准试块：100100 300 换算系数 0.95 200200 400 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)考虑

9、到构件和试件的区别，取考虑到构件和试件的区别，取fc=0.67fcu 对国外美国、日本、欧洲混凝土协会等采用的圆柱体试件对国外美国、日本、欧洲混凝土协会等采用的圆柱体试件d=150,h=300，有，有fc=0.79fcu 圆柱体抗压强度二、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直接受拉试验ft100100150150500试验结果：试验结果：ft=0.26fcu 2/3考虑到构件和试件的区别，尺寸效应，加荷考虑到构件和试件的区别，尺寸效应，加荷速度等的影响，取速度等的影响，取ft=0.23fcu 2/3二、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试验ftsdd

10、ftsFFFF我国根据我国根据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 2.复合受力状态下混凝土的抗拉强度双轴应力下的强度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应力下的强度曲线法向应力和剪应力下的强度曲线二、混凝土的强度和变形 2.复合受力状态下混凝土的抗拉强度三向受压时的混凝土强度1=fcc1=fcc2=3=fLfL-侧向约束压应力（加液压）圆柱体试验有侧向约束时的抗压强度无侧向约束时圆柱体的单轴抗压强度二、混

11、凝土的强度和变形 3.混凝土的疲劳强度破坏重复荷载下的应力-应变曲线fcf321疲劳强度fcfcf确实定原那么：100100 300或150150 450 的棱柱体试块承受200万次或以上循环荷载时发生破坏的最大压应力值二、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压时的应力-应变关系作用是：峰值应力后，吸收试验机的变形能，测出下降段二、混凝土的强度和变形 4.混凝土的变形性能单轴受压时的应力-应变关系的数学模型u=0.00380=0.002ocfcc0.15fcu=0.00350=0.002oc

12、fcc美国Hognestad模型德国Rsch模型二、混凝土的强度和变形 4.混凝土的变形性能单轴受压时的应力-应变关系的数学模型-中国标准u0ocfcc二、混凝土的强度和变形 4.混凝土的变形性能侧向受约束时混凝土的变形特点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时混凝土的应力应变关系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

13、形 4.混凝土的变形性能重复荷载下混凝土的变形性能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弹性模量ccccep01原点切线模量弹性模量：拉压相同变形模量割线模量、弹塑性模量切线模量受压时，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弹性模量的试验方法150150 300标准试件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，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，接近

14、破坏时可达坏时可达0.5以上，一般可取以上，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载作用下混凝土的变形性能-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原因之一，胶凝体原因之一，胶凝体的粘性流动的粘性流动原因之二，混凝土原因之二，混凝土内部微裂缝的不断开内部微裂缝的不断开展展二、混凝土的强度和变形 4.混凝土的变形性能长期荷载作用下混凝土的变形性能-影响徐变的因素应力：应力：c0.5fc，徐变变形与应力成正比-线性徐变 0.5fcc0.

15、8fc，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，徐变越小二、混凝土的强度和变形 4.混凝土的变形性能混凝土的收缩-结硬过程中混凝土体积缩小的性质水泥品种：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、使用环境、体积与外表积的比值等养护条件、制作方法、使用环境、体积与外表积的比值等二、混凝土的强度和

16、变形 4.混凝土的变形性能徐变对混凝土结构的影响PAsPAs s1c1Ps2As 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缩对混凝土结构的影响AssAs s收缩：收缩：钢筋受压，混凝土受拉As5.给排水结构对混凝土的特殊要求n1、抗渗性：抵抗水渗透的能力。钢筋混凝土贮水或水处理构筑物，地下构筑物如水池、管道、渠道和井简等，一般宜用混凝土本身的密实性满足抗渗要求.n 一般用抗渗标号表示Si,抗渗标号系指对龄期为28天的混凝土抗渗试件施加iNmm2的水压后能满足不渗水指标。例如，抗渗标号为S4的混凝土能在04Nmm2的水压

17、作用下满足不渗水指标。给水排水工程结构常用的抗渗标号为S4、S6和S8。(二)抗冻性n混凝土的“抗冻性是指混凝土在吸水饱和状态下，抵抗屡次冻结和融化循环作用而不破坏，也不严重降低混凝土强度的性能。在寒冷地区，外露的给水排水构筑物如处于冻融交替条件下，那么对混凝土应有一定的抗冻性要求，以免混凝土强度降低过多而造成构筑物损坏。n 混凝土的抗冻能力一股用“抗冻标号来衡量，并用符号Di表示。抗冻标号是指28天龄期的混凝土试件在进行相应要求冻融循环总次数为i次作用后，与未受冻融的相同试件相比，混凝土试件的强度降低不大于25，且冻融试件重量损失不超过5。冻融循环总次数i是指一年内气温从5 以上降至5以下，

18、然后上升至5以上的交替次数。对地表水取s水头部，尚应考虑一年中月平均气温低于5期间，因水位涨落而产生的冻融交替次数，此时水位每涨落一次应按一次冻融计算。(三)抗腐蚀性n在给水排水工程中，混凝土的腐蚀问题主要出现在某些工业污水处理池中。工业污水个可能含有侵蚀混凝土的各种介质，其中除酸性特强的少量污水可用耐腐蚀材料建造专用小型容池外，一般大量工业污水的处理池仍采用钢筋混凝土结构。当介质侵蚀性很弱时，对混凝土可以不采取专门的防护措施，而用增加密实性的方法来提高混凝土的抗腐蚀能力。假设介质的腐蚀性较强，那么必须在池底和池壁内采取专门的防腐蚀措施：要求较低的可以涂刷沥青；要求较高的可以涂刷耐酸漆，也可以

19、做沥青砂浆、水玻璃砂浆、硫磺砂浆或树脂砂浆面层等；要求更高的还可以用玻璃钢面层、聚氯乙烯塑料面板、耐酸陶瓷板、耐酸砖或耐酸石材贴面等。三、钢筋与混凝土共同工作n共同工作的根本条件n 1、混凝土在硬结过程中能与埋在其中的钢筋粘结在一起。n 2、混凝土与钢筋具有大致相同的线膨胀系数n 3、混凝土包裹着钢筋，由于混凝土具有弱碱性，故可以保护钢筋不锈蚀。第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.3 混凝土与钢筋的粘结三三 混凝土与钢筋的粘结混凝土与钢筋的粘结粘结的意义粘结的意义粘结和锚固是钢筋和混凝土形成整体、粘结和锚固是钢筋和混凝土形成整体、共同工作的根底共同工作的根底钢筋与混凝土之间粘结应力示意图a锚固粘

20、结应力 b裂缝间的局部粘结应力第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.3 混凝土与钢筋的粘结三三 混凝土与钢筋的粘结混凝土与钢筋的粘结粘结力的形成粘结力的形成光圆钢筋与变形钢筋具有不同的粘结机理，其光圆钢筋与变形钢筋具有不同的粘结机理，其粘结作用主要由三局部组成：粘结作用主要由三局部组成：钢筋与混凝土接触面上的化学吸附作用力钢筋与混凝土接触面上的化学吸附作用力胶结力。一般很小，仅在受力阶段的局部胶结力。一般很小，仅在受力阶段的局部无滑移区域起作用，当接触面发生相对滑移时，无滑移区域起作用，当接触面发生相对滑移时，该力即消失。该力即消失。混凝土收缩握裹钢筋而产生的摩阻力。混凝土收缩握裹钢筋而产生的摩阻

21、力。钢筋外表凹凸不平与混凝土之间产生的机钢筋外表凹凸不平与混凝土之间产生的机械咬合作用力咬合力。对于光圆钢筋，这械咬合作用力咬合力。对于光圆钢筋，这种咬合力来自于外表的粗糙不平。种咬合力来自于外表的粗糙不平。第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.3 混凝土与钢筋的粘结三三 混凝土与钢筋的粘结混凝土与钢筋的粘结变形钢筋与混凝土之间的机械咬合作用主要是变形钢筋与混凝土之间的机械咬合作用主要是由于变形钢筋肋间嵌入混凝土而产生的。由于变形钢筋肋间嵌入混凝土而产生的。变形钢筋和混凝土的机械咬合作用第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.3 混凝土与钢筋的粘结三三 混凝土与钢筋的粘结混凝土与钢筋的粘结粘结强度粘结强

22、度测试测试第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.3 混凝土与钢筋的粘结三三 混凝土与钢筋的粘结混凝土与钢筋的粘结计算公式计算公式式中式中N钢筋的拉力；钢筋的拉力；钢筋的直径；钢筋的直径；粘结的长度。粘结的长度。第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.3 混凝土与钢筋的粘结三三 混凝土与钢筋的粘结混凝土与钢筋的粘结不同强度混凝土的粘结应力和相对滑移的关系不同强度混凝土的粘结应力和相对滑移的关系第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.3 混凝土与钢筋的粘结三三 混凝土与钢筋的粘结混凝土与钢筋的粘结影响粘结的因素影响粘结的因素影响钢筋与混凝土粘结强度的因素很多，主要有影响钢筋与混凝土粘结强度的因素很多，主要有混凝土

23、强度混凝土强度、保护层厚度保护层厚度及及钢筋净间距钢筋净间距、横向配横向配筋筋及及侧向压应力侧向压应力，以及，以及浇筑混凝土时钢筋的位置浇筑混凝土时钢筋的位置等。等。.光圆钢筋及变形钢筋的粘结强度都随混凝土强光圆钢筋及变形钢筋的粘结强度都随混凝土强度等级的提高而提高，但不与立方体强度成正比。度等级的提高而提高，但不与立方体强度成正比。.变形钢筋能够提高粘结强度。变形钢筋能够提高粘结强度。.钢筋间的净距对粘结强度也有重要影响。钢筋间的净距对粘结强度也有重要影响。第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.3 混凝土与钢筋的粘结三三 混凝土与钢筋的粘结混凝土与钢筋的粘结影响粘结的因素影响粘结的因素.横向钢筋

24、可以限制混凝土内部裂缝的开展，横向钢筋可以限制混凝土内部裂缝的开展，提高粘结强度。提高粘结强度。.在直接支撑的支座处，横向压应力约束了在直接支撑的支座处，横向压应力约束了混凝土的横向变形，可以提高粘结强度。混凝土的横向变形，可以提高粘结强度。.浇筑混凝土时钢筋所处的位置也会影响粘浇筑混凝土时钢筋所处的位置也会影响粘结强度。结强度。第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.3 混凝土与钢筋的粘结三三 混凝土与钢筋的粘结混凝土与钢筋的粘结钢筋的锚固与搭接钢筋的锚固与搭接保证粘结的构造措施保证粘结的构造措施(1)对不同等级的混凝土和钢筋，要保证最小搭接长度对不同等级的混凝土和钢筋，要保证最小搭接长度和锚固长

25、度；和锚固长度；(2)为了保证混凝土与钢筋之间有足够的粘结，必须满为了保证混凝土与钢筋之间有足够的粘结，必须满足钢筋最小间距和混凝土保护层最小厚度的要求；足钢筋最小间距和混凝土保护层最小厚度的要求；(3)在钢筋的搭接接头内应加密箍筋；在钢筋的搭接接头内应加密箍筋；(4)为了保证足够的粘结在钢筋端部应设置弯钩；为了保证足够的粘结在钢筋端部应设置弯钩；(5)对大深度混凝土构件应分层浇筑或二次浇捣；对大深度混凝土构件应分层浇筑或二次浇捣；(6)一般除重锈钢筋外，可不必除锈。一般除重锈钢筋外，可不必除锈。第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.3 混凝土与钢筋的粘结三三 混凝土与钢筋的粘结混凝土与钢筋的粘结

26、钢筋的搭接钢筋的搭接钢筋搭接的原那么是：接头应设置在受力较小处，钢筋搭接的原那么是：接头应设置在受力较小处，同一根钢筋上应尽量少设接头，机械连接接头能同一根钢筋上应尽量少设接头，机械连接接头能产生较牢固的连接力，应优先采用机械连接。产生较牢固的连接力，应优先采用机械连接。受拉钢筋绑扎搭接接头的搭接长度计算公式：式中，为受拉钢筋搭接长度修正系数，它与同一连接区内搭接钢筋的截面面积有关，详见?标准?。第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.3 混凝土与钢筋的粘结三三 混凝土与钢筋的粘结混凝土与钢筋的粘结根本锚固长度根本锚固长度钢筋的根本锚固长度取决于钢筋的强度及混凝土钢筋的根本锚固长度取决于钢筋的强度及混凝土抗拉强度，并与钢筋的外形有关。抗拉强度，并与钢筋的外形有关。?标准标准?规定纵规定纵向受拉钢筋的锚固长度作为钢筋的根本锚固长度，向受拉钢筋的锚固长度作为钢筋的根本锚固长度，其计算公式为：其计算公式为：四、钢筋的混凝土保护层厚度 钢筋的混凝土保护层最小厚度的取值主要取决于构件的耐久性要求和前面所述受力钢筋帖结锚同性能的要求。