混凝土结构材料的力学性能

1、第三章 混凝土结构材料的 力学性能,3 钢筋和混凝土的力学性能,本章要点 1.熟悉钢筋的强度和变形性能,钢筋的分类 和品种,钢筋的冷加工方法,混凝土结构对钢筋的要求 ; 2.掌握混凝土的各类强度,混凝土的各种变形性能,收缩和徐变对结构的影响; 3.保证钢筋和混凝土的粘结力,3.1.1 钢筋的强度和变形 1.钢筋的应力-应变关系(stress-strain relationships for steel) 钢筋可分为两类:有明显屈服点的钢筋和无明显屈服点的钢筋(习惯上分别称它们为软钢和硬钢)。普通热轧钢筋和细晶粒热轧钢筋都属于有明显屈服点的钢筋。预应力钢筋一般属于无明显屈服点的钢筋。 1) 钢筋

2、的拉伸应力-应变曲线 有明显屈服点钢筋的典型拉伸应力-应变曲线 无明显屈服点钢筋的典型拉伸应力-应变曲线,第3章 混凝土结构材料的力学性能,3.1 钢筋的物理力学性能,第3章 混凝土结构材料的力学性能,3.1 钢筋的物理力学性能,2 软钢的应力应变曲线,a 比例极限,b 弹性极限,ob 弹性阶段,d 极限抗拉强度,bc 屈服阶段,cd 强化阶段,de 破坏阶段,e 极限应变,第3章 混凝土结构材料的力学性能,3.1 钢筋的物理力学性能,3 硬钢的应力应变曲线,d 极限抗拉强度,e 极限应变,条件屈服强度,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，通常称为条件屈服强度,第3章

3、 材料的物理力学性能,3.1 钢筋的物理力学性能,4 钢筋的应力应变简化模型,1）理想弹塑性模型,2）三段线性模型,第3章 材料的物理力学性能,3.1 钢筋的物理力学性能,5 钢筋的塑性性能,1）延伸率,2）冷弯性能,延伸率越大，钢筋的塑性和变形能力越好,弯心直径越小，弯过的角度越大，冷弯性能越好，钢筋的塑性性能越好,第3章 混凝土结构材料的力学性能,3.1 钢筋的物理力学性能,3.1.2 钢筋的种类及符号说明,钢筋的外形,热轧钢筋,第3章 混凝土结构材料的力学性能,3.1 钢筋的物理力学性能,3.1.2 钢筋的种类及符号说明,预应力钢筋,第3章 混凝土结构材料的力学性能,3.1 钢筋的物理力

4、学性能,3.1.2 钢筋的种类及符号说明,热轧钢筋的符号说明,HPB235,生产工艺： hot rolled,表面形状：plain,钢筋：bar,屈服强度,第3章 混凝土结构材料的力学性能,3.1 钢筋的物理力学性能,3.1.2 钢筋的种类及符号解释,热轧钢筋的符号说明,HRB335,hot rolled,ribbed,bar,RRB400,remained heat treatment,ribbed,bar,第3章 混凝土结构材料的力学性能,3.1 钢筋的物理力学性能,第3章 混凝土结构材料的力学性能,3.1 钢筋的物理力学性能,第3章 混凝土结构材料的力学性能,3.1 钢筋的物理力学性能,

5、第3章 混凝土结构材料的力学性能,3.1 钢筋的物理力学性能,第3章 材料的物理力学性能,3.1 钢筋的物理力学性能,3.1.2 钢筋的种类及符号说明,热轧钢筋的屈服强度,第1章 材料的物理力学性能,1.1 钢筋的物理力学性能,3.1.2 钢筋的种类及符号说明,预应力钢筋的符号说明,钢绞线 S Strand,光面钢丝 P Plain,刻痕钢丝 I Indented,螺旋肋钢丝 H Helix,热处理钢筋 HT Heat-treated,第1章 材料的物理力学性能,1.1 钢筋的物理力学性能,3.1.2 钢筋的种类及符号说明,预应力钢筋的屈服强度,第3章 混凝土结构材料的力学性能,3.1 钢筋的

6、物理力学性能,钢筋主要品种,3.1.2、钢筋的品种(Reinforcement types) 热轧钢筋、中高强钢丝和钢绞线、热处理钢筋和冷加工钢筋,第3章 材料的物理力学性能,3.1 钢筋的物理力学性能,3.1.3 钢筋的冷加工,冷拉,在常温下用机械方法将有明显流幅的钢筋拉到超过屈服强度的某一应力值，然后卸载至零,是指在常温下对出厂钢材的再加工。以提高热轧钢筋的强度,第3章 材料的物理力学性能,3.1 钢筋的物理力学性能,3.1.3 钢筋的冷加工,钢筋在冷拉后，未经时效前，一般没有明显的屈服台阶； 经过停放或加热后进一步提高了屈服强度并恢复了屈服台阶，这种现象称为冷拉时效硬化,钢筋经冷拉和时效

7、硬化后，屈服强度有所提高，但塑性(伸长率)相应降低,冷拉只能提高钢筋的抗拉强度而不能提高钢筋的抗压强度,焊接时产生的高温会使钢筋软化(强度降低，塑性增加)，需要焊接的钢筋应先焊好再进行冷拉,第1章 材料的物理力学性能,3.1 钢筋的物理力学性能,3.1.3 钢筋的冷加工,冷拔,将HPB235级热轧钢筋强行拔过小于其直径的硬质合金拔丝模具,经过几次冷拔的钢丝，抗拉、抗压强度均大大提高，但塑性降低,第3章 材料的物理力学性能,3.1 钢筋的物理力学性能,3.1.4 混凝土结构对钢筋性能的要求,保证构件具有一定的强度储备,1）强度,2）足够的塑性 避免发生脆性破坏,4）耐久性和耐火性,3）可焊性 要

8、求钢筋具备良好的焊接性能,5）与混凝土具有良好的粘结,必要的混凝土保护层厚度以满足对构件耐火极限的要求,6）寒冷地区，防止钢筋低温冷脆导致破坏,第3章 材料的物理力学性能,3.1 钢筋的物理力学性能,3.1.5 钢筋的选用 1)普通钢筋 选用原则为: 纵向受力普通钢筋 宜采用HRB400、HRB500、HRBF400、HRBF500,也可采用HPB300 HRB335、HRBF335、RRB400 ； 梁、柱纵向受力普通钢筋应采用HRB400、HRB500、HRBF400、HRBF500钢筋; 箍筋宜采用HRB400、HRBF400、HPB300、HRB500、HRBF500 钢筋，也可采用H

9、RB335、HRBF335 钢筋。 2)预应力钢筋 预应力筋宜采用预应力钢丝、钢绞线和预应力螺纹钢筋,第3章 材料的物理力学性能,3.2 混凝土的物理力学性能,3.2 混凝土的物理力学性能,混凝土是由水泥、砂子和石子三种材料及水按一定配合比拌合，经过凝固硬化后做成的人工石材；它是一种各组份具有不同性质的多相复合材料,混凝土受压破坏机理可概括为：随着应力的增大，沿粗骨料界面和砂浆内部的微裂缝逐渐延伸和扩展，导致砂浆的损伤不断积累；裂缝贯通后，混凝土的连续性遭到破坏，逐渐丧失其承载力，破坏的实质是由连续材料逐步变成不连续材料的过程,第3章 材料的物理力学性能,3.2 混凝土的物理力学性能,3.2.

10、1 混凝土的强度,1、立方体抗压强度,普通混凝土力学性能试验方法标准规定：边长为150mm的标准立方体试件在标准条件（温度203，相对湿度90%）下养护28天后，以标准试验方法(中心加载，加载速度为0.31.0N/mm2s)，试件上、下表面不涂润滑剂，连续加载直至试件破坏，测得混凝土抗压强度为混凝土标准立方体的抗压强度fcc，单位N/mm2,第3章 材料的物理力学性能,3.2 混凝土的物理力学性能,1 立方体抗压强度,影响因素,按上述规定所测得的具有95%保证率的抗压强度称为混凝土的立方体抗压强度标准值,尺寸效应：尺寸越大，内部缺陷较多， 强度较低。 反之愈高,加载速度：加载速度越快，强度越低

11、,龄 期：在一定的温度和湿度条件下，混凝土的强度开始 增长较快，后来逐渐减慢,试验的方法,试件两端因受承受钢板与试件端面间横向摩擦力的作用，膨胀受到约束限制的程度随离端部的距离而逐渐减小，致使裂缝大可能沿加载方向上下延伸发展，而是成斜向随荷载增长，最终形成角锥面破坏,将混凝土强度分为十四级，称为混凝土强度等级，它是按立方体抗压强度标准的大小划分的，即C15,C20, C25 ,C30, C35, C40, C45, C50, C55, C60, C65, C70, C75, C80,2 轴心抗压强度,棱柱体高度的取值,摆脱端部摩擦力的影响； 试件不致失稳,试验目的：采用棱柱体试件，反映混凝土的

12、实际工作状态,试件尺寸：我国取 mm为标准试件,混凝土的其他设计强度指标，都可根据试验分析与立方体抗压强度标准值建立起相应的换算关系。轴心抗压强度标准值与立方体抗压强度标准值的关系如下,2 轴心抗压强度,3、轴心抗拉强度,混凝土的抗拉强度是混凝土的基本力学特征之一，一般只有抗压强度的8%10%，混凝土的抗拉强度取决于水泥石的强度和水泥石与骨料间的粘结强度。增加水泥量、减少水灰比、采用表面粗糙的骨料及良好的养护条件都可提高混凝土的抗拉强度,试件尺寸100mm100mm500mm，两端各埋入一根16的变形钢筋，埋深为150mm，置于轴线上。用试验机夹头夹住两端外伸的钢筋施加拉力，破坏时试件在没有钢

13、筋的中部截面被拉断，平均拉应力即为混凝土的轴心抗拉强度,直接受拉试验,普通混凝土力学性能试验方法标准（GB/T50081-2002）采用边长为150mm的立方体标准试件，劈裂抗拉强度为,劈裂抗拉试验,混凝土的其他设计强度指标，都可根据试验分析与立方体抗压强度标准值建立起相应的换算关系。混凝土的轴心抗拉强度标准值与立方体抗压强度标准值的关系如下,在实际工程中，虽然很少直接用混凝土作为受拉材料，但混凝土抗拉强度对构件的许多性能有重要影响，而且在构件的抗剪、抗扭、抗冲切计算中还直接运用混凝土的抗拉强度指标,轴心抗压强度和轴心抗拉强度设计值,轴心抗压强度和轴心抗拉强度设计值是相应的标准值除以材料分项系

14、数，具体如下,轴心抗压强度和轴心抗拉强度标准值,3.2.2 混凝土的变形,混凝土的变形可分为两类：一类是荷载作用下的受力变形，包括单轴短期加载，多次重复加载以及荷载长期作用下的变形；另一类是体积变形，一般指混凝土收缩、膨胀以及由于温度变化产生的变形等,混凝土轴心受压时的应力应变关系,在单轴短期荷载作用下，轴心受压混凝土的应力应变关系是混凝土材料最基本的力学性能，它可以较全面的反应混凝土的强度和变形的特点，是对混凝土进行理论分析的基本依据，是研究和建立混凝土构件的承载力、变形、延性以及应用计算机进行构件的非线性全过程分析的重要依据,1、一次短期加载下混凝土的变形性能,当0.3时， 关系接近于直线

15、； 当=(0.30.8)时， 关系偏离直线； 当=(0.81.0)时，内部微裂缝进入非稳定发展阶段,峰值应变,极限压应变,混凝土的应力应变曲线,混凝土轴心受压时应力应变曲线的数学模型,美国E.Hognestad建议的模型,西德Rsch建议的模型,规范推荐的模型,2、混凝土的变形模量和弹性模量,混凝土的弹性模量 Ec = tg0,混凝土的割线模量 Ec= tg 1 = c / c,混凝土的切线模量 Ec= tg= d/ d,弹性模量,经统计分析,3、长期荷载作用下混凝土的变形性能(徐变,在不变的应力长期持续作用下，混凝土的变形随时间而缓慢增长的现象称为混凝土的徐变,混凝土的徐变对钢筋混凝土结构的

16、影响,在某种情况下，徐变有利于防止结构裂缝形成；有利于构件的应力重分布，减少应力集中现象及减少温度应力等,由于混凝土的徐变使构件变形增大；在预应力混凝土构件中，徐变会导致预应力损失；徐变使受弯和偏心受压构件的受压区变形加大，故而使受弯构件挠度增加，使偏压构件的附加偏心距增大而导致构件承载力的降低,有利影响,不利影响,总之，弊多利少，应尽量减少徐变,混凝土徐变产生的原因,1 是混凝土中的水泥凝胶体在荷载作用下产生粘性流动，并把它所承受的压力逐渐转给骨料颗粒，使骨料压应力增大，试件变形也随之增大,2 是混凝土内部的微裂缝在荷载长期作用下不断发展和增加，也使徐变增大,当应力不大时，徐变的发展以第一个

17、原因为主；当应力较大时，则以第二个原因为主,影响徐变的因素,当0.5fcsh时，徐变与应力成正比， 这种情况称为线性徐变,1) 应力大小,当=(0.50.8)fcsh时，徐变的增长速度比应力的增长速度快，为非线性徐变,当0.8fcsh时，混凝土内部的微裂缝进入非稳态发展，导致混凝土破坏。取=0.8fcsh作为混凝土的长期抗压强度。初应力越大，徐变也越大,加载时混凝土的龄期越长，徐变越小,为了减少徐变，应避免过早地给结构施加长期荷载，例如在施工期内避免过早地撤除构件的模板支柱等，也可以采取加快混凝土硬结的措施来减小龄期对徐变的影响,2) 龄期影响,在混凝土的组成成分中，水灰比愈大，水泥水化后残余

18、的游离水愈多，徐变也愈大；水泥用量愈多，凝胶体在混凝土中所占比重也愈大，徐变也愈大；骨料愈坚硬，弹性模量愈大以及骨料所占体积比愈大，则由凝胶体流动后传给骨料压力所引起的变形也愈小，徐变也愈小,3)材料组成,养护环境湿度愈大，温度愈高，则水泥水化作用愈充分，徐变就愈小，混凝土在使用期间处于高温、干燥条件下所产生的徐变比低温、潮湿时明显增大。此外，由于混凝土中水分的挥发逸散与构件的体积与表面积之比有关，因而构件尺寸愈大，表面积相对愈小，徐变就愈小,4)外部环境,徐变对结构的影响,使构件的变形增加,在截面中引起应力重分布,在预应力混凝土结构中引起预应力损失,2.1.3 混凝土在重复荷载下的变形（疲劳

19、变形,如果我们将混凝土棱柱体试块加荷使其压应力达到某个数值，然后卸荷至零，并把这一循环多次重复下去，就称为多次重复荷载,我们通常把能使试件循环200万次或次数稍多时发生破坏的压应力称为混凝土的疲劳抗压强度，用符号 表示,2.1.4 混凝土的收缩、膨胀和温度变形,混凝土在空气中结硬时，体积要缩小，混凝土的收缩量可达310-4；混凝土的收缩是一种随时间而增长的变形，结硬初期收缩变形发展较快，两周完成收缩的1/4，一个月完成1/2，三个月后增长缓慢，一般2年后趋于稳定，最终收缩应变约为(25)10-4,混凝土的收缩,1）水泥的品种：水泥强度等级越高，制成的混凝土收缩越大。 （2）水泥的用量：水泥用量

20、多、水灰比越大，收缩越大。 （3）骨料的性质：骨料弹性模量高、级配好，收缩就小。 （4）养护条件：干燥失水及高温环境，收缩大。 （5）混凝土制作方法：混凝土越密实，收缩越小。 （6）使用环境：使用环境温度、湿度越大，收缩越小。 （7）构件的体积与表面积比值：比值大时，收缩小,收缩的影响因素,混凝土的膨胀,在水中结硬时，则体积膨胀,混凝土的膨胀特性对混凝土构件往往是有利的，故一般不予考虑,收缩和膨胀是在混凝土不受力的情况下而产生的变形，一般来说，收缩值比膨胀值大得多,温度变形,温度变形也是混凝土在非荷载状态下，产生内力的一个重要因素。混凝土的线膨胀系数随骨料性质及配合比而变化，约为(11.5)1

21、0-5，一般取1.010-5,混凝土与钢筋的线膨胀系数是相近的。温度变化时，在混凝土和钢筋之间引起的内应力很小，不致产生相对的变形,温度变形的影响,水泥在水化作用时排出的热量导致构件内部的温度上升，构件表面由于便于散热而温度相对较低。构件内外的这种温差就会引起应力，从而导致混凝土开裂,温度的变化与水泥种类、水泥含量、新拌混凝土的温度、混凝土硬化速度、构件尺寸等因素有关,大体积混凝土结构以及水池、烟囱等结构由温度变化引起的温度应力必须予以考虑,2.3 钢筋与混凝土的粘结,2.3.1 粘结的作用及产生的原因 1粘结的作用 是钢筋和混凝土共同工作的基础,是界面上的剪应力,使钢筋应力沿长度发生变化。 2粘结产生的原因:一是因为混凝土的收缩将钢筋紧紧握固而产生的摩擦力; 二是因为混凝土颗粒的化学作用产生的混凝土与钢筋之间的胶合力; 三是由于钢筋表面凹凸不平与混凝土之间产生的机械咬合力,2.3.2 粘结力的测定,通常采用拔出试验方法,根据拔出试验可知: 粘结应力沿钢筋长度是按曲线分布，最大粘结应力在离端头某一距离处，且随拔出力的大小而变化; 钢筋埋人长度越长，拔出力越大。但埋入长度过长时,尾部的粘结应力很小，甚至为零; 粘结强度(即混凝土和钢筋界面上可以达到的极限粘结应力)随混凝土强度等级的提高而增大; 带肋钢筋的粘结强度比光面钢筋的大，而在光面钢筋末端做弯钩可以大大提高拔出力,2