第1章材料的物理力学性能

1、厦门理工学院土木工程系厦门理工学院土木工程系2007年年3月月钢筋的物理力学性能钢筋的物理力学性能混凝土的物理力学性能混凝土的物理力学性能钢筋与混凝土的粘结钢筋与混凝土的粘结钢筋的锚固和连接钢筋的锚固和连接钢筋的级别、强度和变形性能钢筋的级别、强度和变形性能混凝土的强度和变形性能混凝土的强度和变形性能粘结破坏机理粘结破坏机理1 1 钢筋的钢筋的种类种类 、符号、符号及及屈服强度屈服强度 钢筋的种类钢筋的种类（1）根据化学成分：）根据化学成分：A.A.碳素钢碳素钢：低碳钢、中碳钢及高碳钢，其特点：低碳钢、中碳钢及高碳钢，其特点 是随着含碳量的增加，强度提高，脆性增加；是随着含碳量的增加，强度提高

2、，脆性增加；B.B.普通低合金钢普通低合金钢：为改善碳素钢的力学特性，：为改善碳素钢的力学特性， 加入少量合金元素。加入少量合金元素。1 1 钢筋的钢筋的种类种类 、符号、符号及及屈服强度屈服强度 钢筋的种类钢筋的种类（2）根据生产工艺：）根据生产工艺：A.A.热轧钢筋热轧钢筋：在高温下直接轧制成型（如碳素钢：在高温下直接轧制成型（如碳素钢和普通低合金）；和普通低合金）；B.B.热处理钢热处理钢：将热轧钢经过调质（加热、淬火和：将热轧钢经过调质（加热、淬火和回火），主要是提高强度，而降低塑性不多；回火），主要是提高强度，而降低塑性不多；C.C.冷加工钢筋冷加工钢筋：将普通热轧钢筋在常温下进行冷

3、：将普通热轧钢筋在常温下进行冷拉或冷拔。拉或冷拔。1 1 钢筋的钢筋的种类种类 、符号、符号及及屈服强度屈服强度 钢筋的种类钢筋的种类（3）根据钢筋外型：）根据钢筋外型： 热轧钢筋热轧钢筋1 1 钢筋的钢筋的种类种类 、符号、符号及及屈服强度屈服强度 钢筋的种类钢筋的种类（3）根据钢筋外型：）根据钢筋外型： 预应力钢筋预应力钢筋1 1 钢筋的钢筋的种类种类 、符号、符号及及屈服强度屈服强度 钢筋的种类钢筋的种类（4）根据力学特性：）根据力学特性：A.软钢软钢：有明显屈服台阶；（见图：有明显屈服台阶；（见图1-2）B.硬钢硬钢：无屈服台阶；（见图：无屈服台阶；（见图1-3）1钢筋的钢筋的种类种类

4、及及符号符号热轧钢筋的热轧钢筋的符号说明符号说明HPB235 生产工艺：生产工艺： hot rolled 表面形状：表面形状：plain 钢筋：钢筋：bar 屈服强度屈服强度符号符号1钢筋的钢筋的种类种类及及符号符号热轧钢筋的热轧钢筋的符号说明符号说明HRB335 hot rolledribbed bar RRB400 remained heat treatmentribbed bar R1钢筋的钢筋的种类种类及及符号符号热轧钢筋的热轧钢筋的屈服强度屈服强度种类种类符号符号fyf y热轧钢筋HPB 235(Q235)210210HRB 335(20MnSi)300300HRB 400(20Mn

5、SiV、20MnSiNb、20MnTi)360360RRB 400(K20MnSi) R3603601钢筋的钢筋的种类种类及及符号符号*预应力钢筋的预应力钢筋的符号说明符号说明S钢绞线钢绞线 S Strand P光面钢丝光面钢丝 P Plain I刻痕钢丝刻痕钢丝 I Indented H螺旋肋钢丝螺旋肋钢丝 H Helix HT热处理钢筋热处理钢筋 HT Heat-treated 2 2 软钢的软钢的应力应力应变曲线应变曲线 a 比例极限比例极限b 弹性极限弹性极限ob 弹性阶段弹性阶段d 极限抗拉强度极限抗拉强度bc 屈服阶段屈服阶段cd 强化阶段强化阶段de 破坏阶段破坏阶段e 极限应变

6、极限应变3 3 硬钢的硬钢的应力应力应变曲线应变曲线 d 极限抗拉强度极限抗拉强度e 极限应变极限应变 条件屈服强度：条件屈服强度： 取残余应变为取残余应变为0.2%0.2%所对应的应力作为无明显流幅钢筋所对应的应力作为无明显流幅钢筋的强度限值，通常称为的强度限值，通常称为条件屈服强度条件屈服强度。混凝土规范混凝土规范取取条件屈服强度为条件屈服强度为极限抗拉强度的极限抗拉强度的0.850.85倍倍。4 4 钢筋的应力钢筋的应力应变应变简化模型简化模型 （1 1）理想弹塑性模型理想弹塑性模型（2 2）三段线性模型三段线性模型5 5 钢筋的钢筋的塑性性能塑性性能 （1）延伸率：）延伸率：（2）冷弯

7、性能：）冷弯性能： 延伸率越大，钢筋的延伸率越大，钢筋的塑性塑性和和变形能力变形能力越好。越好。100%lll 弯心弯心直径直径越小，弯过的越小，弯过的角度角度越大，冷弯性能越好，钢筋的越大，冷弯性能越好，钢筋的塑塑性性能性性能越好。越好。6 6 钢筋的钢筋的冷加工冷加工冷拉：冷拉： 在常温下用在常温下用机械机械方法将有明显流幅的钢筋拉到方法将有明显流幅的钢筋拉到超过超过屈服强度的某一应力值，然后屈服强度的某一应力值，然后卸载至零卸载至零。6 6 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；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

8、强度并恢复了屈服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，这种现象称为冷拉台阶，这种现象称为冷拉时效硬化时效硬化。6 6 钢筋的钢筋的冷加工冷加工 冷拔：冷拔： 将将HPB235HPB235级热轧钢筋级热轧钢筋强行强行拔过小于其直径的硬质合金拔过小于其直径的硬质合金拔拔丝模具丝模具。 经过几次冷拔的钢丝，抗拉、抗压经过几次冷拔的钢丝，抗拉、抗压强度均强度均大大提高，但大大提高，但塑性塑性降低。降低。7 7 混凝土结构对钢筋性能的混凝土结构对钢筋性能的要求要求 保证构件具有一定的保证构件具有一定的强度储备强度储备。（1）适当的屈强比）适当的屈强比:（2）足够的塑性）足够的塑性: 避免

9、发生避免发生脆性脆性破坏。破坏。*（4）耐久性和耐火性）耐久性和耐火性（3）可焊性）可焊性: 要求钢筋具备良好的要求钢筋具备良好的焊接焊接性能。性能。 （5）与混凝土具有良好的）与混凝土具有良好的粘结粘结 必要的混凝土保护层厚度以满足对构件必要的混凝土保护层厚度以满足对构件耐火极限耐火极限的要求。的要求。 *（6）寒冷地区，防止钢筋）寒冷地区，防止钢筋低温冷脆低温冷脆导致破坏。导致破坏。 1 1 立方体抗压强度立方体抗压强度 用边长为用边长为150mm的的标准标准立方体试块在立方体试块在标准标准条件下养护条件下养护28d后，以后，以标准标准试验方法测得的破坏时的试验方法测得的破坏时的平均平均压

10、应力为混凝土的压应力为混凝土的立方体抗压强度立方体抗压强度。 影响因素影响因素： 按上述规定所测得的具有按上述规定所测得的具有95%保证率保证率的抗压强度称为混的抗压强度称为混凝土的凝土的立方体抗压强度标准值立方体抗压强度标准值 。 cu,kf 尺寸效应：尺寸越大，内部缺陷较多，尺寸效应：尺寸越大，内部缺陷较多， 强度较低。强度较低。 加载速度：加载速度越快，强度越低。加载速度：加载速度越快，强度越低。 端部约束：涂润滑油端部约束：涂润滑油 ，强度降低。，强度降低。1 1 立方体抗压强度立方体抗压强度 混凝土混凝土强度等级强度等级 按立方体抗压强度标准值确定，按按立方体抗压强度标准值确定，按

11、的大小划分为的大小划分为14级。级。C15、 C20、 C25、 C30 C80。 cu,kf 混凝土混凝土强度等级强度等级的选用的选用 采用采用HRB335、 HRB400、 RRB400级钢筋时，级钢筋时， 不得不得低于低于C20； 预应力混凝土结构，预应力混凝土结构， 不应不应低于低于C30； 采用高强钢丝作预应力钢筋时，采用高强钢丝作预应力钢筋时，不宜不宜低于低于C40。 承受重复荷载构件的混凝土，承受重复荷载构件的混凝土， 不得不得低于低于C20；2 2 轴心抗压强度轴心抗压强度 120.88ccufccf 棱柱体棱柱体高度高度的取值：的取值： 摆脱端部摩擦力的影响；摆脱端部摩擦力的

12、影响； 试件不致失稳。试件不致失稳。 与与 的关系：的关系： 试验目的：采用棱柱体试件，反映混凝土的实际工作状态。试验目的：采用棱柱体试件，反映混凝土的实际工作状态。 试件尺寸：我国取试件尺寸：我国取 mm为标准试件。为标准试件。150 150 300scfscuf3 3 轴心抗拉强度轴心抗拉强度 tcu0.550.395ff 与与 的关系：的关系： 直接受拉试验直接受拉试验 tsfscuf 劈裂试验劈裂试验st22Pfa* *4 4 复杂受力状态下混凝土的强度复杂受力状态下混凝土的强度 双轴应力状态双轴应力状态 双向受拉，接近单轴抗拉强度；双向受拉，接近单轴抗拉强度； 双向受压，混凝土的侧向

13、变形受到约束，强度双向受压，混凝土的侧向变形受到约束，强度提高提高 ； 一拉一压，一拉一压，加速了混凝土内部微裂缝的发展加速了混凝土内部微裂缝的发展 ，抗拉、抗压强，抗拉、抗压强度均度均降低降低。 混凝土的三轴抗压强度混凝土的三轴抗压强度 4 4 复杂受力状态下混凝土的强度复杂受力状态下混凝土的强度 cccrff 三轴应力状态三轴应力状态 试件侧向变形受到限制，其内试件侧向变形受到限制，其内部微裂缝的产生和发展受到阻碍，部微裂缝的产生和发展受到阻碍，当侧压力增大时，轴向抗压强度也当侧压力增大时，轴向抗压强度也相应增大。相应增大。混凝土的三轴抗压强度混凝土的三轴抗压强度 4 复杂受力状态下混凝土

14、的强度复杂受力状态下混凝土的强度 剪压或剪拉复合应力状态剪压或剪拉复合应力状态 随着随着拉应力拉应力的增大的增大 ， 混凝土的抗剪强度混凝土的抗剪强度降低降低。 随着随着压应力压应力的增大的增大 ， 混凝土的抗剪强度混凝土的抗剪强度逐渐增大逐渐增大；当压应；当压应力力超过超过某一数值后，抗剪强度随压应力增大而某一数值后，抗剪强度随压应力增大而减小减小。混凝土的剪压复合强度混凝土的剪压复合强度 5 一次短期加载下一次短期加载下混凝土受压的应力混凝土受压的应力应变曲线应变曲线 当当0.3时，时， 关系接近于关系接近于直线直线； 当当=(0.30.8)时，时， 关系关系偏离直线偏离直线； 当当=(0

15、.81.0)时，内部微裂缝进入时，内部微裂缝进入非稳定发展非稳定发展阶段。阶段。 cu0峰值应变峰值应变 极限压应变极限压应变 混凝土的应力混凝土的应力应变曲线应变曲线 *6 三向三向受压时混凝土的应力受压时混凝土的应力应变曲线应变曲线 试件纵向受压时，混凝土的横向膨胀受到约束，使核心混凝试件纵向受压时，混凝土的横向膨胀受到约束，使核心混凝土处于土处于三向受压三向受压状态，内部状态，内部微裂缝微裂缝的发展受到抑制，从而提高了的发展受到抑制，从而提高了试件的纵向强度和试件的纵向强度和延性延性，特别是延性大为提高。，特别是延性大为提高。 混凝土圆柱体三向受压时轴向应力混凝土圆柱体三向受压时轴向应力

16、应变曲线应变曲线 *6 三向三向受压时混凝土的应力受压时混凝土的应力应变曲线应变曲线 螺旋箍筋圆柱体约束混凝土的应力螺旋箍筋圆柱体约束混凝土的应力应变曲线应变曲线 7 7 混凝土的变形模量混凝土的变形模量 初始弹性模量初始弹性模量 ：过：过原点原点切线的斜率。切线的斜率。切线模量切线模量 ：过某一点：过某一点切线切线的斜率。的斜率。割线模量割线模量 ：某一点与原点：某一点与原点连线连线的斜率。的斜率。混凝土的变形模量混凝土的变形模量 7 7 混凝土的变形模量混凝土的变形模量 混凝土混凝土弹性模量弹性模量与与立方体抗压强度立方体抗压强度之间的关系：之间的关系：52ccu,k10(N/mm )34

17、.72.2Ef8 8 混凝土的徐变混凝土的徐变 定义定义：在荷载：在荷载长期长期作用下，混凝土的作用下，混凝土的变形变形随时间而随时间而徐徐增长徐徐增长 的现象。的现象。徐变的特点徐变的特点：开始增长较快，以后逐渐减慢，最后趋于稳定。：开始增长较快，以后逐渐减慢，最后趋于稳定。 混凝土的徐变混凝土的徐变 8 8 混凝土的徐变混凝土的徐变 徐变的原因徐变的原因： 水泥凝胶体的黏性流动，使骨料应力增大。水泥凝胶体的黏性流动，使骨料应力增大。 混凝土中内部微裂缝的发展。混凝土中内部微裂缝的发展。 影响徐变的因素影响徐变的因素： 应力的大小；应力的大小；混凝土的龄期；混凝土的龄期； 混凝土的制作、养护

18、环境；混凝土的制作、养护环境； 水灰比与水泥用量；水灰比与水泥用量；骨料用量及力学性能。骨料用量及力学性能。8 8 混凝土的徐变混凝土的徐变徐变对结构设计的影响：徐变对结构设计的影响： 使钢筋混凝土构件截面产生使钢筋混凝土构件截面产生内力重分布内力重分布； 使受弯构件和偏压构件的使受弯构件和偏压构件的变形加大变形加大 ； 使预应力混凝土构件产生使预应力混凝土构件产生预应力损失预应力损失 。1 1 粘结应力的粘结应力的定义定义钢筋与混凝土接触面上产生的沿钢筋纵向的剪应力钢筋与混凝土接触面上产生的沿钢筋纵向的剪应力 。粘结强度粘结强度：粘结失效时的最大（平均）粘结应力。：粘结失效时的最大（平均）粘

19、结应力。粘结强度的测试粘结强度的测试 1 1 粘结应力的粘结应力的定义定义拔出试验拔出试验dlF2 2 粘结应力的粘结应力的组成组成 钢筋与混凝土表面的钢筋与混凝土表面的化学胶着力化学胶着力； 钢筋与混凝土接触面的钢筋与混凝土接触面的摩擦力摩擦力 ； 钢筋与混凝土表面凹凸不平的钢筋与混凝土表面凹凸不平的机械咬合力机械咬合力 。3 3 粘结粘结破坏机理破坏机理 （1）光圆钢筋的粘结破坏：）光圆钢筋的粘结破坏： 粘结作用在钢筋与混凝土间出现粘结作用在钢筋与混凝土间出现相对滑移相对滑移前主要取决于前主要取决于化化学胶着力学胶着力，发生滑移后则由，发生滑移后则由摩擦力摩擦力和和机械咬合力机械咬合力提供

20、。提供。（2） 变形钢筋的粘结破坏变形钢筋的粘结破坏 粘结强度仍由粘结强度仍由胶着力胶着力、摩擦力摩擦力和和机械咬合力机械咬合力组成。但主要组成。但主要为为机械咬合力机械咬合力。 钢筋开始钢筋开始滑移滑移后，粘结力主要由钢筋后，粘结力主要由钢筋凸肋凸肋对混凝土的对混凝土的斜向斜向挤压力挤压力和界面上的和界面上的摩擦力摩擦力组成。组成。 若钢筋外围混凝土很薄且没有环向箍筋约束，形成纵向劈若钢筋外围混凝土很薄且没有环向箍筋约束，形成纵向劈裂裂缝，沿钢筋纵向产生裂裂缝，沿钢筋纵向产生劈裂破坏劈裂破坏。* *3 3 粘结粘结破坏机理破坏机理 若有环向箍筋约束混凝土的变形，纵向劈裂裂缝的发展受若有环向箍筋约束混凝土的变形，纵向劈裂裂缝的发展受到限制，最后钢筋沿肋外径的圆柱面出现到限制，最后钢筋沿肋外径的圆柱面出现整体滑移整体滑移，发生，发生刮犁式破坏刮犁式破坏（剪切破坏）。（剪切破坏）。（3）影响粘结强度的）影响粘结强度的因素因素 混凝土的强度；混凝土的强度； 横向配筋的数量；横向配筋的数量； 钢筋的外形；钢筋的外形； 混凝土的保护层厚度及钢筋间距；混凝土的保护层厚度及钢筋间距； 锚固区的横向压力锚固区的横