钢筋和混凝土的物理力学性能.ppt
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1、钢筋和混凝土的物理力学性能2.12.1混凝土的力学性能混凝土的力学性能混凝土的力学性能混凝土的力学性能 混凝土是由混凝土是由水泥水泥、砂砂、石子石子和和水水等搅拌而成的人造石材,等搅拌而成的人造石材,不是匀质弹不是匀质弹性材料性材料。一、混凝土的强度(单轴向)一、混凝土的强度(单轴向)在钢筋混凝土结构中,混凝土主要用于在钢筋混凝土结构中,混凝土主要用于抗压抗压。1 1、混凝土的抗压强度、混凝土的抗压强度(G Gompression)ompression)(1)1)混凝土立方体抗压强度混凝土立方体抗压强度 ,和强度等级和强度等级 采用边长为采用边长为150mm立方体试块,在立方体试块,在温度温度
2、203,湿度湿度90%以上以上的潮的潮湿空气中养护湿空气中养护28天天,依据,依据标准试验方法标准试验方法对试件进行加压,测得的强度为立对试件进行加压,测得的强度为立方体抗压强度方体抗压强度 具有具有95%保证率保证率的抗压强度为混凝土的立方体抗压强度标准值的抗压强度为混凝土的立方体抗压强度标准值 ,作为划分混凝土强度等级的依据。,作为划分混凝土强度等级的依据。立方体抗立方体抗立方体抗压强度立方体抗压强度fcu压强度压强度fc立方体抗压强度立方体抗压强度fcuu根据试验结果统计分析,取混凝土根据试验结果统计分析,取混凝土轴心抗拉强度试验平均值轴心抗拉强度试验平均值ft与与立方体抗压强度试验平均
3、值立方体抗压强度试验平均值fcu的关系为:的关系为:轴心抗拉强度轴心抗拉强度ft规范规定规范规定轴心抗拉强度标准值轴心抗拉强度标准值ftk与与立方体抗压强度标准值立方体抗压强度标准值fcu,k的关系为:的关系为:高强混凝土的脆性折减系数,高强混凝土的脆性折减系数,C40以下取以下取1.00,C80取取0.87,中,中间线性插值。间线性插值。考虑实际构件与试件混凝土之间的差异等,引入的修正系数。考虑实际构件与试件混凝土之间的差异等,引入的修正系数。混凝土强度变异系数。混凝土强度变异系数。复合应力状态下的混凝土强度复合应力状态下的混凝土强度二、二、在钢筋混凝土结构中,混凝土一在钢筋混凝土结构中,混
4、凝土一般处于复合应力状态。般处于复合应力状态。双向应力状态:双向应力状态:双向应力状态:双向应力状态:1 1 1 1 2 2 2 2当双向受压时,一向的抗压强度随另一向应力的增加而增加。当双向受压时,一向的抗压强度随另一向应力的增加而增加。当双向受拉时,一向的抗拉强度基本上与另一向拉应力大小无关。当双向受拉时,一向的抗拉强度基本上与另一向拉应力大小无关。当一向受拉、一向受压时,混凝土的抗压强度随另一向拉应力的增当一向受拉、一向受压时,混凝土的抗压强度随另一向拉应力的增加而降低。加而降低。双向应力状态:双向应力状态:双向应力状态:双向应力状态:2 2 2 2混凝土的抗压强度由于剪应力的存在而降低
5、。混凝土的抗压强度由于剪应力的存在而降低。混凝土的抗剪强度随着拉应力的增大而减小。混凝土的抗剪强度随着拉应力的增大而减小。混凝土的抗剪强度随着压应力的增大先增大后减小混凝土的抗剪强度随着压应力的增大先增大后减小三向受压状态:三向受压状态:三向受压状态:三向受压状态:三向受压时,混凝土一向抗压强度随另二向压应力的增加而增加,且三向受压时,混凝土一向抗压强度随另二向压应力的增加而增加,且混凝土的极限压应变也大大增加。混凝土的极限压应变也大大增加。三、混凝土的变形三、混凝土的变形变形变形荷载荷载作用作用下的变形下的变形非荷载非荷载作用作用下的变形下的变形短期一次荷载短期一次荷载作用下的变形作用下的变
6、形长期荷载长期荷载作用下的变形作用下的变形热胀冷缩、湿胀干缩热胀冷缩、湿胀干缩结硬时的结硬时的收缩与膨胀收缩与膨胀1、混凝土在短期一次加载时的变形、混凝土在短期一次加载时的变形 混凝土短期一次加载是指荷载从零开始单调增加至试件破坏,通常采用混凝土短期一次加载是指荷载从零开始单调增加至试件破坏,通常采用棱棱柱体试件柱体试件来测定,其应力来测定,其应力-应变关系是混凝土最基本的力学性能之一。应变关系是混凝土最基本的力学性能之一。从开始加载到从开始加载到A点(约为点(约为0.3fc)时,砼基本处于弹性状态,应力)时,砼基本处于弹性状态,应力应变关系接近直线。应变关系接近直线。随着应力的增大,砼出现塑
7、性,随着应力的增大,砼出现塑性,应力在应力在0.3fc0.8fc(AB段段)时,应变增时,应变增长速度较应力快。长速度较应力快。超过超过B点,应变增长速度更快,点,应变增长速度更快,试件中部出现平行于压力方向的裂试件中部出现平行于压力方向的裂缝,应力很快达到了砼的抗压强度缝,应力很快达到了砼的抗压强度fc(C点)。点)。应力达到应力达到fc后,试件承载能力下降,裂缝迅速发展。后,试件承载能力下降,裂缝迅速发展。应力应变曲线向下弯曲。直到凹向发生弯曲,出现应力应变曲线向下弯曲。直到凹向发生弯曲,出现“拐点拐点”(D)点。)点。超过超过“拐点拐点”,曲线开始凸向应变轴,此段曲线中曲率,曲线开始凸向
8、应变轴,此段曲线中曲率最大的一点最大的一点E称为称为“收敛点收敛点”。E后的曲线为收敛段。后的曲线为收敛段。上升段上升段下降段下降段(1)受压砼的应力)受压砼的应力应变曲线应变曲线拐点拐点收敛点收敛点fcfc:最大应力值,轴心抗压强度。最大应力值,轴心抗压强度。0:最大应力值相应的应变,大致为最大应力值相应的应变,大致为0.002。0cucu:混凝土破坏前的最大应变,极限压应变。混凝土破坏前的最大应变,极限压应变。混凝土本构关系曲线(2)强度对砼的应力)强度对砼的应力应变曲线的影响应变曲线的影响下降段:下降段:混凝土强度越高,曲线下降段越陡;强混凝土强度越高,曲线下降段越陡;强度越低,下降段越
9、平坦,曲线越长。度越低,下降段越平坦,曲线越长。上升段:上升段:混凝土强度影响较小,强度越大,曲线混凝土强度影响较小,强度越大,曲线越陡,与应力峰值点相应的应变越陡,与应力峰值点相应的应变0大致为大致为0.002。混凝土强度越高,曲线越陡,混凝土强度越高,曲线越陡,cucu越小,延性越差。越小,延性越差。(3)加载速度对砼应力)加载速度对砼应力应变曲线的影响应变曲线的影响加载速度较快时,加载速度较快时,fc有所提高,曲线比较陡。有所提高,曲线比较陡。加载速度缓慢时,加载速度缓慢时,fc略有降低,曲线(尤其是下降段)平缓,略有降低,曲线(尤其是下降段)平缓,0和和cu增大。增大。(4)砼的弹性模
10、量和变形模量)砼的弹性模量和变形模量匀质弹性材料匀质弹性材料 混凝土混凝土 00变形模量变形模量Ec 混凝土应力应变曲线上任一点对应混凝土应力应变曲线上任一点对应的应力和应变之比,也称的应力和应变之比,也称“割线模量割线模量”随着应力增加而减小随着应力增加而减小弹性模量弹性模量Ec 混凝土应力与相应的弹性应混凝土应力与相应的弹性应变之比,也称变之比,也称“原点切线模量原点切线模量”常量常量 根据试验分析,影响混凝土弹性模量的诸多因根据试验分析,影响混凝土弹性模量的诸多因素中,最主要的是混凝土的抗压强度。因此,根据素中,最主要的是混凝土的抗压强度。因此,根据试验结果统计分析,得出了混凝土弹性模量
11、和其立试验结果统计分析,得出了混凝土弹性模量和其立方体抗压强度的关系为:方体抗压强度的关系为:(6)砼的泊松比)砼的泊松比0.150.2之间,一般取之间,一般取0.2或或1/6A(5)砼受拉应力砼受拉应力应变曲线应变曲线与混凝土受压时的应力与混凝土受压时的应力应变曲线类似。应变曲线类似。2、混凝土在荷载长期作用下的变形、混凝土在荷载长期作用下的变形 在长期不变荷载作用下,在长期不变荷载作用下,混凝土变形随时间增长的混凝土变形随时间增长的现象称为现象称为徐变徐变。(1)徐变特点:)徐变特点:11、徐变速度:先快后慢,、徐变速度:先快后慢,、徐变速度:先快后慢,、徐变速度:先快后慢,开始增长较快,
12、以后逐渐减慢,开始增长较快,以后逐渐减慢,开始增长较快,以后逐渐减慢,开始增长较快,以后逐渐减慢,经过较长一段时间后趋于稳定。经过较长一段时间后趋于稳定。经过较长一段时间后趋于稳定。经过较长一段时间后趋于稳定。22、徐变大小:徐变是瞬时、徐变大小:徐变是瞬时、徐变大小:徐变是瞬时、徐变大小:徐变是瞬时应变的应变的应变的应变的1-41-4倍倍倍倍。33、徐变可部分恢复。、徐变可部分恢复。、徐变可部分恢复。、徐变可部分恢复。(2)徐变原因:)徐变原因:混凝土中的未晶体化的水泥凝胶体,在持续的外荷载作用下产生黏性流动,混凝土中的未晶体化的水泥凝胶体,在持续的外荷载作用下产生黏性流动,压应力逐渐转移给
13、骨料。卸载后,水泥凝胶体又恢复原状,骨料又将应力转回给压应力逐渐转移给骨料。卸载后,水泥凝胶体又恢复原状,骨料又将应力转回给凝胶体。此外,混凝土内部的裂缝不断发展也使变形增加。凝胶体。此外,混凝土内部的裂缝不断发展也使变形增加。(3)影响徐变的因素:)影响徐变的因素:1、材料(砼的组成成分):、材料(砼的组成成分):水泥用量越多,水灰比越大,徐变越大;骨料越坚水泥用量越多,水灰比越大,徐变越大;骨料越坚硬,弹性模量越高,徐变越小。硬,弹性模量越高,徐变越小。2、环境(养护、使用时的温湿度):、环境(养护、使用时的温湿度):养护时温度高,湿度大,水泥水化作用就养护时温度高,湿度大,水泥水化作用就
14、充分,徐变就小。使用时处于高温、干燥条件下,徐变将增大。充分,徐变就小。使用时处于高温、干燥条件下,徐变将增大。3、应力:、应力:持续作用的应力值越大,徐变越大。持续作用的应力值越大,徐变越大。(3)影响徐变的因素:)影响徐变的因素:4、加载龄期:、加载龄期:5、其他:、其他:如构件的形状、尺寸等。如大试件内部失水受到限制,徐变减小。如构件的形状、尺寸等。如大试件内部失水受到限制,徐变减小。加载时混凝土龄期越长,硬结程度就越好,产生的徐变就越小,加载时混凝土龄期越长,硬结程度就越好,产生的徐变就越小,反之徐变越大。反之徐变越大。(4 4)徐变对结构的影响:)徐变对结构的影响:徐变将对结构产生不
15、利或有利的影响徐变将对结构产生不利或有利的影响qq不利:由于压区混凝土的徐变,可能使构件的长期挠度显著增加,降低构件的不利:由于压区混凝土的徐变,可能使构件的长期挠度显著增加,降低构件的承载力,预应力混凝土结构中引起预应力损失。等等。承载力,预应力混凝土结构中引起预应力损失。等等。有利:引起构件截面应力重分布或内力重分布。等等。有利:引起构件截面应力重分布或内力重分布。等等。徐变使截面中混凝土的应徐变使截面中混凝土的应力逐渐减小,纵向钢筋的应力力逐渐减小,纵向钢筋的应力逐渐增大,使两种材料的强度逐渐增大,使两种材料的强度得到充分利用。得到充分利用。3、混凝土在非荷载作用下的变形、混凝土在非荷载
16、作用下的变形(1)结硬时的收缩与膨胀)结硬时的收缩与膨胀 混凝土在空气中结硬时,体积缩小混凝土在空气中结硬时,体积缩小(收缩)(收缩),混凝土在水中或处于饱和湿度混凝土在水中或处于饱和湿度中结硬时,体积增大中结硬时,体积增大(膨胀)膨胀)。混凝土的组成和养护的条件混凝土的组成和养护的条件 但与收缩量相比,混凝土的膨胀值要小得多,对结构影响甚微,一般忽略。但与收缩量相比,混凝土的膨胀值要小得多,对结构影响甚微,一般忽略。水泥水化引起的体积收缩、水分蒸发引起的干缩等等。水泥水化引起的体积收缩、水分蒸发引起的干缩等等。收缩与膨胀收缩与膨胀引起收缩的原因引起收缩的原因影响收缩的因素影响收缩的因素危害及
17、防止危害及防止收缩引起收缩裂缝。收缩引起收缩裂缝。防止盲目提高水泥用量和水灰比;加强对砼的振捣和养护以减小其收缩;设防止盲目提高水泥用量和水灰比;加强对砼的振捣和养护以减小其收缩;设置伸缩缝、配置置伸缩缝、配置适当适当钢筋等等。钢筋等等。(2)温度和湿度引起的变形)温度和湿度引起的变形热胀冷缩、湿胀干缩热胀冷缩、湿胀干缩 当温(湿)度引起的变形受到约束时,在结构内部就会产生当温(湿)度引起的变形受到约束时,在结构内部就会产生温度应力温度应力,特,特别是在别是在大体积混凝土大体积混凝土中。如果不采取措施可能导致结构开裂或破坏。中。如果不采取措施可能导致结构开裂或破坏。防止措施:设置伸缩缝;防止措
18、施:设置伸缩缝;适当配置适当配置钢筋等。钢筋等。四、规范中混凝土的选择原则四、规范中混凝土的选择原则在钢筋砼结构中,砼强度等级不应低于在钢筋砼结构中,砼强度等级不应低于C15;当采用;当采用HRB335级钢筋时,砼强级钢筋时,砼强度等级不宜低于度等级不宜低于C20;当采用;当采用HRB400和和RRB400级钢筋以及对承受重复荷载的构级钢筋以及对承受重复荷载的构件,砼强度等级不得低于件,砼强度等级不得低于C20。预应力砼结构的强度等级不应低于。预应力砼结构的强度等级不应低于C30;当采用钢;当采用钢丝、钢铰线、热处理钢筋作预应力钢筋时,砼强度等级不宜低于丝、钢铰线、热处理钢筋作预应力钢筋时,砼
19、强度等级不宜低于C40。当采用山砂。当采用山砂砼及高炉炉渣砼时,尚应符合专门规程的规定。砼及高炉炉渣砼时,尚应符合专门规程的规定。2.22.2钢筋的力学性能钢筋的力学性能钢筋的力学性能钢筋的力学性能一、钢筋的化学成分一、钢筋的化学成分铁铁Fe、碳、碳C和其他合金元素等。和其他合金元素等。制作钢筋的钢材按照化学成分分可以分为:制作钢筋的钢材按照化学成分分可以分为:碳素钢碳素钢低合金钢低合金钢低碳钢(含碳量低碳钢(含碳量0.6%)含碳量越高,强度含碳量越高,强度越高,塑性、可焊性越高,塑性、可焊性越低越低 在碳素钢的基础上,冶炼时在碳素钢的基础上,冶炼时加入少量合金元素(如硅、锰等)加入少量合金元
20、素(如硅、锰等)而成而成。强度高、塑性好强度高、塑性好二、钢筋的表面形状二、钢筋的表面形状光面钢筋光面钢筋变形钢筋变形钢筋表面光滑表面光滑表面肋纹表面肋纹螺旋纹螺旋纹人字纹人字纹月牙纹月牙纹光面圆钢筋光面圆钢筋螺旋纹钢筋螺旋纹钢筋人字纹钢筋人字纹钢筋月牙纹钢筋月牙纹钢筋 提高与混凝土提高与混凝土的粘结锚固能力的粘结锚固能力三、常用钢筋的品种三、常用钢筋的品种热轧钢筋热轧钢筋、钢丝钢丝、钢绞线钢绞线、热处理钢筋热处理钢筋等。等。热轧钢筋热轧钢筋钢丝钢丝钢绞线钢绞线用低碳钢、普通低用低碳钢、普通低合金钢在高温下轧合金钢在高温下轧制而成。制而成。直径较小,有冷拉钢丝、消直径较小,有冷拉钢丝、消除应力
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