钢筋与混凝土材料物理力学性能专题讲座

1、钢筋与混凝土材料物理力学性能专题讲座第二章 钢筋与混凝土材料的物理力学性能 2.1 2.1 钢筋钢筋v 2.1.1 钢筋的品种和级别钢筋的品种和级别v 2.1.2 钢筋的强度和变形钢筋的强度和变形v 2.1.3 钢筋的疲劳钢筋的疲劳v 2.1.4 钢筋的选择钢筋的选择光面钢筋螺纹钢筋月牙纹钢筋人字纹钢筋钢绞线无粘结钢绞线螺旋肋钢丝刻痕钢丝土木工程常用钢筋品种2.1.1 钢筋的品种和级别钢筋的品种和级别我国常用的热轧钢筋：HPB235、HRB335、HRB400、RRB400HPB HRB RRB BarPlainHot rolledRibbedBarRibbedHot rolledBarRol

2、led2.1.2 钢筋的强度和变形钢筋的强度和变形1. 1. 有明显屈服点有明显屈服点 sessfufy0aabcedfss2.无明显屈服点sebs0.2s0.2 %3 3、弹性模量、弹性模量 当钢筋的应力在比例极限范围内时，其受当钢筋的应力在比例极限范围内时，其受拉弹性模量拉弹性模量 常数sEse0ll00100%lll4、钢筋延伸率dDa 冷弯角度冷弯角度弯心直径弯心直径5、钢筋冷弯试验aDv钢筋的疲劳是指钢筋在承受重复并带有周期性动钢筋的疲劳是指钢筋在承受重复并带有周期性动荷载作用下，经过一定次数后，钢筋由原塑性破荷载作用下，经过一定次数后，钢筋由原塑性破坏变成脆性突然断裂破坏的现象。坏

3、变成脆性突然断裂破坏的现象。 2.1.3 钢筋的疲劳钢筋的疲劳钢筋疲劳断裂的原因钢筋疲劳断裂的原因 ：v 一般认为是重复荷载作用下，由于钢筋内部和外部的一般认为是重复荷载作用下，由于钢筋内部和外部的缺陷引起的应力集中。高应力作用下钢筋中弱晶粒滑缺陷引起的应力集中。高应力作用下钢筋中弱晶粒滑移，产生疲劳裂纹，随着重复作用次数的增加，疲劳移，产生疲劳裂纹，随着重复作用次数的增加，疲劳裂纹的不断扩展，最终导致钢筋断裂。裂纹的不断扩展，最终导致钢筋断裂。钢筋疲劳的概念钢筋疲劳的概念 ：影响钢筋疲劳的因素v 疲劳应力幅 v 钢筋外外表几何尺寸和形状 v 钢筋直径、钢筋强度等级 v 钢筋轧制工艺和试验方法

4、 钢筋疲劳应力比值 ,m in,m axffsfss 、 构件疲劳验算时构件疲劳验算时, ,同同一层钢筋的最小一层钢筋的最小应力、最大应力应力、最大应力,minfs,maxfs补充：钢筋的冷加工补充：钢筋的冷加工seBKZZK残余变形冷拉伸长率无时效经时效K K点的选择：应力控制和应变控制点的选择：应力控制和应变控制温度的影响：温度达温度的影响：温度达700C700C时恢复到时恢复到冷拉前的状态，先焊后拉冷拉前的状态，先焊后拉特性：只提高抗拉强度，不提高抗压特性：只提高抗拉强度，不提高抗压强度，强度提高，塑性下降强度，强度提高，塑性下降钢材在常温下经剪切、冷弯、辊压、冷拉、冷拔等冷加工过程，钢

5、材在常温下经剪切、冷弯、辊压、冷拉、冷拔等冷加工过程，性能将发生显著改变，强度提高、塑性降低，使钢材产生硬化，性能将发生显著改变，强度提高、塑性降低，使钢材产生硬化，有增加钢结构脆性的危险。有增加钢结构脆性的危险。 1 1、钢筋的冷拉、钢筋的冷拉将钢筋拉伸至超过其屈服强度的某一应力，将钢筋拉伸至超过其屈服强度的某一应力， 然后卸载，以提高钢筋强度的方法。然后卸载，以提高钢筋强度的方法。2 2、钢筋的冷拔、钢筋的冷拔用强力将钢筋拔过比其直径略小的硬质合金拔用强力将钢筋拔过比其直径略小的硬质合金拔 丝模，钢筋受到纵向拉力和横向挤压力的作用丝模，钢筋受到纵向拉力和横向挤压力的作用 ，截面变小而长度伸

6、长，内部结构发生变化。，截面变小而长度伸长，内部结构发生变化。d1d2Pd2d1经过冷拔后钢筋没有明显的屈服点和流幅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冷拔既能提高抗拉强度又能提高抗压强度塑性显著降低塑性显著降低v 钢筋的强度钢筋的强度 v 钢筋的塑性钢筋的塑性 v 钢筋的可焊性钢筋的可焊性 v 钢筋与混凝土的粘结力钢筋与混凝土的粘结力 2.1.4 钢筋的选择钢筋的选择补充：钢筋的选用原那么补充：钢筋的选用原那么强度高，塑性低强度高，塑性低强度高，粘结性好强度高，粘结性好强度高强度高预应力钢筋预应力钢筋钢筋钢筋热轧钢筋热轧钢筋钢钢 丝丝钢绞线钢绞线热处理钢筋

7、热处理钢筋HPB235HRB335HRB400RRB400光圆钢筋光圆钢筋变形钢筋变形钢筋变形钢筋变形钢筋变形钢筋变形钢筋非预应力钢筋非预应力钢筋强度强度塑性塑性弱弱强强高高低低 2. .2 混凝土混凝土2.2.1 单轴应力状态下混凝土的强度单轴应力状态下混凝土的强度1.1.混凝土立方体强度混凝土立方体强度 150150150混凝土立方体标准试件 标准试验方法标准试验方法 v 试件在温度为试件在温度为200C30C，相对湿度，相对湿度90%以上的标准条件下养护以上的标准条件下养护28天天v 加载速度加载速度为：混凝土强等级低于为：混凝土强等级低于C30时，时，控制在控制在0.3MPaS0.5M

8、PaS ；混凝土强；混凝土强等级等于或高于等级等于或高于C30时，时， 控制在控制在0.5MPaS0.8MPaS 。 a. 不涂润滑剂 b. 涂润滑剂 混凝土立方体试件破坏情况混凝土立方体试件破坏情况 12462110 28d2010304050在枯燥环境下在潮湿环境下/年tcuf / MPa立方体强度随龄期的变化关系立方体强度随龄期的变化关系 强度平均值之间的换算关系强度平均值之间的换算关系 150100,cu mcu mff 0.95 0.90 2.2.混凝土轴心抗压强度混凝土轴心抗压强度 bbh混凝土棱柱体试件我国采用我国采用混凝土棱柱体标准试件：b=150mmh=300mm101020

9、20803030404050506070701009080600ff00ccu=0.76ff00ccu=0.82f0c/MPaf0cu/MPa混凝土轴心抗压强度与立混凝土轴心抗压强度与立方体抗压强度的关系方体抗压强度的关系试验结果试验结果：00ccuff = 0.700.92/? ?标准标准? ?平均值的换算关系：平均值的换算关系： 1,cc mcu mffaC50及以下取及以下取c10.76C80 c10.82 C50C80之间按线性规律变化取值之间按线性规律变化取值 ? ?标准标准? ?考虑到考虑到 : :1. 1. 实际结构中混凝土的实际结构中混凝土的制备制备、构件尺寸构件尺寸、混凝土混

10、凝土成型和养护方法、加荷方式及受力成型和养护方法、加荷方式及受力情况与情况与棱柱体棱柱体试件试件之间存在的差异之间存在的差异, , 取修正系数取为取修正系数取为0 0. .88 88 2.2.考虑高强混凝土考虑高强混凝土脆性脆性，脆性折减系数，脆性折减系数c2c2 C40及以下取及以下取c21.0 C80取取 c20.87 C40 C80之间按线性规律变化取值之间按线性规律变化取值 换算关系改写为换算关系改写为 ：,120.88c mcu mccffa a3.3.混凝土轴心抗拉强度混凝土轴心抗拉强度 15015050010010016PPPPdPPd压拉tp2Pdfl轴心抗拉试验轴心抗拉试验

11、圆柱体劈拉试验圆柱体劈拉试验 立方体劈拉试验立方体劈拉试验 010203040506070809010012345, t mf,cu mf0.55,0.395t mcumff轴心抗拉强度与立方体抗压强度的关系轴心抗拉强度与立方体抗压强度的关系 ? ?标准标准? ?考虑到：考虑到： 1.1.修正系数取为修正系数取为0 0. .88882.2.高强混凝土高强混凝土脆性脆性折减系数折减系数c2c2 20.55,0.88 0.395ct mcu mffa20.55,0.348ccu mfa平均值之间的换算关系 ：混凝土强度劈拉强度与立方体抗压强度混凝土强度劈拉强度与立方体抗压强度的换算关系的换算关系:

12、 : 34tp,mcu,m0.19ff根据弹性理论的劈拉强度根据弹性理论的劈拉强度: : tp2Pdfl1.1.混凝土二轴应力状态混凝土二轴应力状态 2.2.2 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-1.2-1.2-1.0-1.0-0.8-0.8-0.6-0.6-0.4-0.4-0.2-0.20.20.210ss20ss=s1 s2s1s1s22020双轴应力状态下的强度双轴应力状态下的强度0-0.10.10.10.20.20.30.30.40.40.50.60.70.80.91.0cfcf法向应力和剪应力组合下的强度法向应力和剪应力组合下的强度 2.2.混凝土三轴应力状态混凝

13、土三轴应力状态 s2s1s2s2s2s1经验公式经验公式 ：124.1cf混凝土三轴应力状态混凝土三轴应力状态 2.2.3 混凝土的变形混凝土的变形1.1.一次短期加载下混凝土的变形性能一次短期加载下混凝土的变形性能 混凝土棱柱体受压应力混凝土棱柱体受压应力应变曲线应变曲线 05.010.015.020.025.030.035.00.0020.0040.0060.0080.010a比例极限b临界应力c 峰值应力d拐点efs /MPaes / MPa0e10203040305060700.0040.0060.0080.0020.0100.012PP 不同强度等级的应力不同强度等级的应力应变曲线应

14、变曲线 0.20.40.60.81.00.20.40.61.000cf/c0.8：横向变：横向变形系数或形系数或称泊松比称泊松比c 混凝土横向变形系数与应力的关系混凝土横向变形系数与应力的关系 横向应变与纵横向应变与纵向应变的比值向应变的比值2.2.混凝土单轴向受压应力混凝土单轴向受压应力- -应变曲线数学模应变曲线数学模型型 u美国美国E.HognestadE.Hognestad建议的模型建议的模型c0cf0.15cf00.002u0.00382002ccf001 0.15ccuf 000 0 0 0u我国?标准?采用的模型 0ccf0.003300.002cuc11ccncofc c0 0

15、 ccf 0ccu ,125060cukfn,50.002 0.55010cu kf0,50.00335010cu kfcu3.3.三向受压状态下混凝土的变形特点三向受压状态下混凝土的变形特点 00.010.020.030.040.050.061020304050cca/MP30mm45mm60mm90mm120mmPP 螺旋箍螺旋箍 方形箍方形箍 非约束区非约束区 螺旋箍筋约束混凝土的应力螺旋箍筋约束混凝土的应力应变曲线应变曲线 4.4.混凝土的弹性模量、变形模量和剪变模量混凝土的弹性模量、变形模量和剪变模量 混凝土的弹性模量、变形模量混凝土的弹性模量、变形模量 cc010ep原点切线模量原

16、点切线模量 00c=dtgEd=割线模量割线模量 1eccccetgEE 切线模量切线模量 cdtgEd=? ?标准标准? ?试验方法试验方法00epac0.4 0.5fa5 51010次次 试验结果试验结果 24310203010401050106010701080Ec+104Mpac ,u kf/M MP Pa a 弹性模量与立方体强度的关系弹性模量与立方体强度的关系 5 c+cu,k10E2.234.7f统计回归公式52 c+cu,k10N/Emm2.234.7f剪变模量2()ccc=+1EG?标准?取c0.2 那么 Gc0.42Ec 故近似取 Gc0.4Ec 5.5.混凝土轴向受拉时的

17、应力混凝土轴向受拉时的应力- -应变关系应变关系 0ft0tt070120106 混凝土受拉应力混凝土受拉应力应变曲线应变曲线 试验说明：1.受拉弹性模量与受压弹性模量值根本相同受拉弹性模量与受压弹性模量值根本相同 2.当当ft时的弹性系数时的弹性系数0.5 f0ttcct0.5EEE6.6.混凝土在荷载重复作用下的变形混凝土在荷载重复作用下的变形 0fcf123fcf123荷载重复作用下混凝土应力应变曲线 ? ?标准标准? ?混凝土轴心抗压、轴心抗拉混凝土轴心抗压、轴心抗拉疲劳强度疲劳强度 fccfffttff疲劳强度修正系数，疲劳强度修正系数，由由 fc查表确定查表确定,min,maxff

18、cfcc7.7.混凝土的收缩混凝土的收缩 混凝土在空气中硬化时体积缩小的现象称为混凝土在空气中硬化时体积缩小的现象称为收缩收缩 01213141214161811012101815t/月-410 常温养护常温养护 蒸汽养护蒸汽养护 混凝土收缩与时间的关系混凝土收缩与时间的关系 产生收缩变形的主要原因产生收缩变形的主要原因: : (1)(1)水泥水化凝结作用引起体积的凝缩水泥水化凝结作用引起体积的凝缩(2)(2)混凝土内游离水分蒸发逸散引起的干缩混凝土内游离水分蒸发逸散引起的干缩影响混凝土的收缩主要因素影响混凝土的收缩主要因素 u水泥的品种：水泥强度等级越高，那么混凝土的收缩量越大水泥的品种：水

19、泥强度等级越高，那么混凝土的收缩量越大； u水泥的用量：水泥越多，收缩越大；水灰比越大，收缩也水泥的用量：水泥越多，收缩越大；水灰比越大，收缩也越大；越大；u骨料的性质：骨料的弹性模量大，那么收缩小；骨料的性质：骨料的弹性模量大，那么收缩小；u养护条件：在结硬过程中，周围的温、湿度越大，收缩越小养护条件：在结硬过程中，周围的温、湿度越大，收缩越小；u混凝土制作方法：混凝土越密实，收缩越小；混凝土制作方法：混凝土越密实，收缩越小；u使用环境：使用环境的温度、湿度大时，收缩小；使用环境：使用环境的温度、湿度大时，收缩小；u构件的体积与外表积比值：比值大时，收缩小。构件的体积与外表积比值：比值大时，收缩小。8.8.混凝土的徐变混凝土的徐变 01.01.52.00.515201025530t/月eceeceeceecrecr棱柱体100 100 400f2c u ,m4