钢筋混凝土结构课件：第2章_钢筋混凝土材料的力学性能

1、第2章钢筋混凝土材料的力学性能Copyright浙江大学结构工程研究所钢筋混凝土结构2.1 钢筋一.钢筋的强度(Strength)和变形(Deformation)两类钢材：软钢(Mild steel)、硬钢(Hard steel)1.软钢受拉时的应力应变(Stress-Strain)曲线 弹性(Elastic)阶段(O-A):弹性极限 屈服(Yield)阶段(A-B):屈服强度(屈服上限、屈服下限)、流限、流幅、残余变形(残余应变) 强化(Strain-hardening)阶段(B-C):极限强度 破坏(Necking)阶段(C-D):颈缩、伸长率 2.1 钢筋一.钢筋的强度和变形2.硬钢受拉

2、时的应力应变曲线 没有明显的屈服台阶和屈服点 极限强度 条件屈服强度0.2：0.2残余应变对应的应力；规范取0.85极限强度 2.1 钢筋一.钢筋的强度和变形 3.钢材性能(Properties)对比软钢硬钢屈服台阶有无屈服强度低高塑性好差破坏延性脆性应用钢筋混凝土预应力2.1 钢筋二.钢筋的种类 1.按成分不同 1）碳素钢低碳钢（0.25）、中碳钢（0.250.6）、高碳钢（0.61.4）碳含量越高，强度越高、塑性和可焊性越低2）普通低合金钢碳素钢中加入少量合金元素显著提高钢筋强度，改善钢筋性能 2.按表面形状不同 1）光面钢筋(Plain bar)2）变形钢筋(Deformed bar)

3、：月牙纹钢筋 2.1 钢筋二.钢筋的种类 3.按用途不同 1）普通钢筋 热轧钢筋：HRB235/HRB335/HRB400/RRB400 2）预应力钢筋 钢绞线、消除应力钢丝、热处理钢筋 3）劲性钢筋（型钢）2.1 钢筋三.钢筋的冷加工(Cold Working) 1.冷拉(Cold-drawing) 将热轧钢筋拉至超过其屈服强度的某一应力值，然后卸载至0 2.冷拔(Cold-drawing) 将热轧关门钢筋用强力通过拔丝孔 3.不提倡采用冷加工钢筋用巨大的延性损失，换来较小的强度提高。不合理！2.1 钢筋四.钢筋应力应变关系的计算模式 双直线模型三折线模型双斜线模型理想弹塑性：适用于流幅长，

4、强度低的软钢 理想弹塑性加硬化：适用于流幅较短的软钢 弹塑性：适用于无明显屈服的硬钢 2.1 钢筋五.钢筋的性能要求 1.强度(Strength)屈服强度、极限强度、强屈比（1.25）2.塑性(Plastic)伸长率 冷弯性能：将直径为d的钢筋围绕直径为D的钢轴完成一定的角度而不产生裂缝、分层甚至断裂的情况 3.与混凝土的粘结 (Bond)影响混凝土构件的承载能力和使用性能 4.可焊性(Weldability)2.2 混凝土一.混凝土的抗压强度(Compressive strength) 1.影响因素 水泥和骨料的品种，配合比，养护条件和龄期，试件形状与大小，试件受压时的约束条件，加载速度等2

5、.立方体抗压强度 (Cubic compressive strength)1）边长为150mm立方体试块，在温度为203及相对适度在90以上的潮湿空气中养护28天，按标准试验方法测得的具有95保证率的抗压强度特征值。 2）表示方法：fcu,k，N/mm2，确定混凝土强度等级，C15C80 3）边长为100mm和200mm的立方体试块，将测得的抗压强度分别乘以尺寸效应系数0.95和1.05换算 统一的试验方法、标准立方体试块 2.2 混凝土一.混凝土的抗压强度 3.轴心抗压强度(Axial compressive strength) 试件为棱柱体， b一般为150mm200mm，h为34倍b更真

6、实反应混凝土实际受力情况反映混凝土抗压设计强度的重要指标 0.88：试件混凝土强度修正系数，考虑结构中混凝土强度与试件混凝土强度之间的差异 ：棱柱体强度与立方体强度之间的比值 ：脆性折减系数2.2 混凝土一.混凝土的抗压强度 4.破坏机理 弹性骨架（水泥石晶体、砂、石组成）混凝土微裂缝和水泥石凝胶体的黏性流动加载前的情况 塑性变形弹性变形2.2 混凝土一.混凝土的抗压强度 4.破坏机理 弹性骨架（水泥石晶体、砂、石组成）混凝土微裂缝和水泥石凝胶体的黏性流动1）试块破坏过程 第一阶段（0.3fc）：弹性变形 (Elastic deformation) 塑性变形弹性变形2.2 混凝土一.混凝土的抗

7、压强度 4.破坏机理 弹性骨架（水泥石晶体、砂、石组成）混凝土微裂缝和水泥石凝胶体的黏性流动1）试块破坏过程 第二阶段（0.3fc 0.8fc）：塑性变 形(Plastic deformation)，裂缝发展稳定 塑性变形弹性变形2.2 混凝土一.混凝土的抗压强度 4.破坏机理 弹性骨架（水泥石晶体、砂、石组成）混凝土微裂缝和水泥石凝胶体的黏性流动1）试块破坏过程 第二阶段（0.3fc0.8fc）：裂缝不稳定发展 塑性变形弹性变形2.2 混凝土一.混凝土的抗压强度 4.破坏机理 弹性骨架（水泥石晶体、砂、石组成）混凝土微裂缝和水泥石凝胶体的黏性流动2）破坏影响因素混凝土内部微裂缝 横向变形约束

8、：柱子箍筋内的混凝土抗压强度高 加载速度：长期荷载作用下的轴心抗压强度为0.8fc 塑性变形弹性变形为什么？2.2 混凝土二.混凝土的抗拉强度 1.轴心抗拉强度(Axial tensile strength) 一般只有抗压强度的1/81/16，比值随抗压强度增大而减小 混凝土构件抗裂度的重要指标2.测试方法 规范4.13条：0.210.10, 对应与C15C80直接测试法轴线拉伸试验 间接测试法劈裂试验2.2 混凝土三.混凝土复合受力(Composite forces)时的强度 1.双轴受力时混凝土的强度 第一象限双向受拉：互相影响不大；第三象限双向受压：一方向强度随另一方向压应力增大而提高，

9、当两应力比值为0.5或2时，强度可以提高27；第二、四象限一向受拉一向受压：混凝土的抗压强度随着另一方向的拉应力存在而降低，抗拉强度亦随着压应力存在而降低。 2.2 混凝土三.混凝土复合受力时的强度 2.三轴受压时混凝土的强度 三轴受压混凝土的强度和延性都有较大的增长 2.2 混凝土三.混凝土复合受力时的强度 3.正应力(Normal stress)与剪应力(Shear stress)共同作用时混凝土的强度 抗剪强度(Shear stress)随着拉应力的增大而减小；当压应力(0.50.7fc) 时，抗剪强度随压应力增大而减小。 2.2 混凝土课堂讨论下图为四个微元体，若混凝土的强度等级相同，

10、试排出1 ， 2 ， 3和4的大小顺序。2.3 混凝土的变形 一.混凝土单轴受压时的变形1.单轴加压时的应力应变关系 OA段：0.3fc，弹性工作阶段； AB段：0.3fc0.8fc，塑性变形更为显著，裂缝处于不稳定状态，C点应力为fc,对应的应变为0, (1.52.5)103； OABCDEF0cuCDEF段：应力随应变的增长而逐渐降低，D为反弯点，收敛点E的应变为极限压应变cu，（46）103，F对应残余应力，EF对于无测向约束的混凝土已经失去意义。 cr2.3 混凝土的变形 一.混凝土单轴受压时的变形1.单轴加压时的应力应变关系 OABCDEF0cu混凝土的变形能力：达到混凝土应力峰值后

11、，应力下降相同情况下变形的大小，变形大表明混凝土耐受变形能力强，延性好，对于结构抗震有重要意义。 2.3 混凝土的变形 一.混凝土单轴受压时的变形2.混凝土应力应变关系的影响因素1）混凝土强度等级(Strength degree)：抗压强度随混凝土强度等级提高而提高，但0变化不大； 2.3 混凝土的变形 一.混凝土单轴受压时的变形2.混凝土应力应变关系的影响因素2）加荷速度(Loading speed) ：加荷速度越慢，峰值应力越小，对应的0越大，下降段越平缓； 2.3 混凝土的变形 一.混凝土单轴受压时的变形2.混凝土应力应变关系的影响因素3）横向钢筋的约束(Constraint) ：随着箍

12、筋数量的增加和间距的减少，峰值应力提高，对应的0增大，下降段趋于平缓，且cu亦增大（延性增大）； 2.3 混凝土的变形 一.混凝土单轴受压时的变形3.混凝土应力应变关系的计算模式 二次抛物线加水平线二次抛物线加斜直线 0.0020.0033(我国规范采用)2.3 混凝土的变形 二.混凝土的变形模量(Deformation modulus)测试：用棱柱体试件，先加载至0.4fc，然后卸载至0，反复510次，使得应力应变曲线逐渐变成一条直线，该直线的正切值即为混凝土的弹性模量。 弹性模量(Elastic modulus)Ec过曲线原点所作切线的斜率，原点切线弹性模量 2.3 混凝土的变形 二.混凝

13、土的变形模量变形模量Ec曲线上任意一点与原点连线的斜率，亦称割线模量(Secant modulus) 为弹性特征系数：弹性变形占总变形比例，反映材料的弹性状态1， 0.3fc 1， 0.3fc0.8fc 2.3 混凝土的变形 二.混凝土的变形模量切线模量(Tangent modulus)Ec曲线上某一点切线的斜率 混凝土受拉曲线形状与受压时相似，但各特征值要小得多 2.3 混凝土的变形 三.混凝土在单轴重复荷载作用下的变形性能 1.一次加载卸载时的应力应变曲线 2.3 混凝土的变形 三.混凝土在单轴重复荷载作用下的变形性能 2.多次重复荷载作用时的应力应变特性 加载应力小于混凝土疲劳强度fc时

14、，应力应变曲线形成滞回环，循环次数增加 滞回环面积减小，闭合为一条直线。加载应力大于疲劳强度，开始仍有滞回环，循环次数增加 应力应变曲线反向弯曲 不能形成封闭的滞回环 曲线斜率不断降低 混凝土疲劳破坏。 f c混凝土疲劳强度小于混凝土轴心抗压强度，与混凝土等级、重复加载次数及最小与最大应力比值有关。 2.3 混凝土的变形 四.混凝土的徐变(Creep) 1.定义在荷载长期作用下，变形将随时间而增加的现象。徐变系数：徐变应变与瞬时弹性应变之比，24。2.原因0.5 fc，内部微裂缝的不断产生和发展而引起的塑性变形。 徐变应变弹性应变2.3 混凝土的变形 四.混凝土的徐变 3.影响因素混凝土组成成

15、分与配合比混凝土养护条件和使用环境 构件体表比应力大小：线性徐变、非线形徐变、非收敛性徐变4.对结构的影响 不利：导致变形增大，应力重分布和内力分布，预应力损失； 有利：受拉徐变能减小混凝土拉应力，延缓收缩裂缝的出现；减少支座不均匀沉降产生的应力。2.3 混凝土的变形 五.混凝土的收缩1.定义混凝土在空气时的体积缩小；收缩应变: (26)104或更大。 3.影响因素混凝土组成成分与配合比；混凝土养护条件和使用环境；构件体表比。2.原因水泥石水化、凝固和硬化过程中的体积变形,干燥失水; 碳化 。4.对结构的影响自由收缩，没有影响 ；受到约束的构件将产生收缩裂缝；引起预应力损失；增大梁挠度等。(S

16、hrinkage)2.4 钢筋与混凝土的粘结 粘结应力是钢筋混凝土构件共同工作的必要条件，是钢筋和混凝土接触面抵抗相对滑移而产生的剪应力。 通过粘结应力，钢筋将部分拉力传递给混凝土，使得两者共同受力，协调变形。一.粘结应力(Bond stress)种类及其作用机理1.锚固粘结应力1）概念：在一定钢筋埋置长度内，钢筋与混凝土界面上的剪应力。2）应力分析2.4 钢筋与混凝土的粘结 一.粘结应力种类及其作用机理2）应力分析锚固长度la：当钢筋应力达到fy时，所需的埋入长度。延伸长度ld ：3）作用通过长度上粘结应力的积累，保证充分利用钢筋fy。2.4 钢筋与混凝土的粘结 一.粘结应力种类及其作用机理

17、2.局部粘结应力 1）概念：裂缝附近的剪切粘结应力。2）应力分析钢筋、砼共同变形钢筋应力混凝土应力材料应变2.4 钢筋与混凝土的粘结 一.粘结应力种类及其作用机理2）应力分析3）作用：使裂缝之间的混凝土参与受拉。没有粘结应力，钢筋应力就不会沿其长度方向发生变化；相反，如果钢筋应力沿其长度没有变化，即钢筋两端没有压力差，也就不会产生粘结应力。2.4 钢筋与混凝土的粘结 二.粘结力的组成与粘结性能 1.粘结力的组成化学吸附(Chemical adsorption)作用： 也称化学胶着力。（很小，一旦钢筋/混凝土有相对滑移，便失去作用）摩擦(Friction)作用：混凝土收缩，界面产生挤压应力。（积

18、压力越大，接触面越粗糙，越大）机械咬合(Mechanical interlocker)作用：钢筋表面凸凹形成的相互咬合（光面钢筋）；钢筋表面的横肋与混凝土之间的咬合力（变形钢筋）。附加咬合(Additional)作用：钢筋端部设置弯钩，加焊短钢筋光面钢筋与混凝土之间的粘结力主要来自摩擦力；变形钢筋来自咬合力。 2.4 钢筋与混凝土的粘结 二.粘结力的组成与粘结性能2.钢筋与混凝土的粘结性能 劈裂型破坏变形钢筋轴向分力：使肋之间的混凝土犹如伸臂梁受弯、受剪=产生内部斜裂缝径向分力：使混凝土承受内压力的管壁，并进而产生环向拉应力=超过ft=内部径向裂缝=纵向裂缝2.4 钢筋与混凝土的粘结 二.粘结力的组成与粘结性能2.钢筋与混凝土的粘结性能 刮犁型破坏当混凝土保护层有足够厚或配有箍筋时，将不致发生劈裂破坏，而钢筋带横肋之间的混凝土沿横肋外径圆柱面发生剪切滑动直至被拔出，形成刮犁式破坏。钢筋拔出后肋与肋之间为混凝土粉末所填实。变形钢筋2.4 钢筋与混凝土的粘结 二.粘结