PPT混凝土结构设计原理之钢筋和混凝土的力学性能

第一章钢钢筋和混混凝土的的力学性性能第一节钢钢筋的性性能及要要求第二节混混凝土的的力学性性能第三节钢钢筋与混混凝土的的黏结第一节钢钢筋的性性能及要要求一、钢筋筋的分类类混凝土结结构用钢钢筋按化化学成分分可分为为碳素钢钢和普通通低合金金钢。根根据含碳碳量的不不同，碳碳素钢分分为低碳碳钢(碳质量分分数<0.25%)、中碳钢钢(碳质量分分数为0.25%~0.6%)、高碳钢钢(碳质量分分数>0.6%)。含碳量量越高，，强度越越高，但但塑性和和可焊性性下降。。工程中中常用低低碳钢。。普通低低合金钢钢是在碳碳素钢的的基础上上，再加加入微量量的合金金元素，，如硅、、锰、钒钒、钦、、锯等，，目的是是提高钢钢材的强强度，改改善钢材材的塑性性性能。。钢筋按生生产加工工工艺和和力学性性能的不不同分为为普通钢钢筋和预预应力钢钢筋。普普通钢筋筋为低碳碳钢，由由普通低低合金钢钢在高温温状态下下轧制而而成，预预应力钢钢筋可分分为热处处理钢筋筋和预应应力钢丝丝。钢筋按其其外形不不同，分分为光面面钢筋和和带肋钢钢筋。下一页返回第一节钢钢筋的性性能及要要求二、钢筋筋的强度度和变形形1.钢筋的应应力应变变曲线有明显屈屈服点的的钢筋的的典型应应力应变变曲线如如图1-2(a)所示。图图中在a点以前，，钢筋处处于弹性性阶段，，应力与与应变成成正比，，a点的钢筋筋应力称称为“比比例极限限”一钢钢筋的屈屈服强度度fy。直线Oa的斜率为为钢筋的的弹性模模量Es。过a点以后，，应变较较应力增增长为快快。到达达b点，钢筋筋开始屈屈服，其其强度与与加荷速速度、截截面形式式、试件件表面光光洁度等等多种因因素有关关，很不不稳定，，b点称为屈屈服上限限。超过过b点以后，，进人强强化阶段段，钢筋筋的应力力下降到到c点，在应应力基本本保持不不变的情情况下，，应变显显著增加加产生较较大的塑塑性变形形，但比比较稳定定，c点称为屈屈服下限限或屈服服点。与与c点所对应应的应力力称为屈屈服强度度，以σs表示，水水平cd段称为屈屈服台阶阶或流幅幅。过d点后，钢钢筋还能能继续承承载，应应力应变变继续加加大，到到达e点后钢筋筋产生颈颈缩现象象，下一页返回上一页第一节钢钢筋的性性能及要要求应力开始始下降，，但应变变仍能继继续增长长，至f点试件被被拉断。。e点对应的的应力称称为抗拉拉强度极极限σb，曲线的的de段称为强强化阶段段，ef段称为颈颈缩下降降阶段。。没有明显显屈服点点的钢筋筋的典型型应力应应变曲线线如图1-2(b)所示。由由图可见见，它没没有明显显的屈服服平台，，其强度度很高，，但延伸伸率大为为降低，，塑性性性能减弱弱。设计计上取相相应于残残余应变变为0.2%的应力为为名义屈屈服强度度σ0.2，大约为为国家标标准的抗抗拉强度度极限σb的85%。图1-2(c)为各级钢钢筋的应应力应变变曲线。。从图中中可以看看出，普普通钢筋筋应力应应变曲线线都有明明显的屈屈服点，，这种钢钢筋即为为低碳钢钢，亦称称软钢。。没有明明显屈服服点的热热处理钢钢筋和钢钢丝，称称为硬钢钢。下一页返回上一页第一节钢钢筋的性性能及要要求2.钢筋的塑塑性性能能反映钢筋筋的塑性性性能的的基本指指标是钢钢筋的伸伸长率、、冷弯性性能。钢钢筋试件件拉断后后的伸长长值与原原长的比比值称为为伸长率率。伸长长率愈大大，塑性性性能愈愈好。冷冷弯是将将直径为为d的钢筋绕绕直径为为D的钢辊进进行弯曲曲，如图1-3所示，弯弯成一定定的角度度而不发发生断裂裂，并且且无裂纹纹、鳞落落或断裂裂现象，，即认为为钢筋的的弯曲性性能符合合要求。。通常D值愈小，，a值愈大，，则其弯弯曲性能能、塑性性性能愈愈好。屈服强度度、极限限抗拉强强度、伸伸长率和和冷弯性性能是有有明显屈屈服点钢钢筋进行行质量检检验的四四项主要要指标。。表1-1列出了常常用钢筋筋的强度度、伸长长率、冷冷弯性能能和弹性性模量等等各项指指标。下一页返回上一页第一节钢筋的的性能及要求求3.钢筋的冷加工工冷拉是在常温温条件下，把把钢筋应力拉拉到超过其原原有的屈服点点，然后完全全放松，使钢钢材内部组织织结构发生变变化，而提高高其强度。冷冷拉只能提高高钢筋的抗拉拉屈服强度，，却不能提高高其抗压屈服服强度。故当当用冷拉钢筋筋作受压钢筋筋时，其屈服服强度与母材材相同。冷拔是将钢筋筋(盘条)用强力拔过比比它本身直径径还小的硬质质合金拔丝模模，这是钢筋筋同时受到纵纵向拉力和横横向压力的作作用以提高其其强度的一种种加工方法。。钢筋经多次次冷拔后，截截面变小而长长度增长，强强度比原来提提高很多，但但塑性降低，，硬度提高，，冷拔后钢丝丝的抗压强度度也得到提高高。下一页返回上一页第一节钢筋的的性能及要求求三、混凝土结结构对钢筋性性能的要求1.一般要求(1)有较高的强度度和适宜的屈屈强比。强度度是指钢筋的的屈服强度fy。屈服强度高高，可减少结结构的含钢量量，节约钢材材，提高经济济效益。屈强强比是指屈服服强度fy与极限抗拉强强度fu之比值，该值值反映结构的的可靠程度。。屈强比小，，结构可靠，，但钢材强度度的利用率低低，不经济;屈强比太大，，则结构不可可靠。(2)有较好的塑性性。(3)具有较好的焊焊接性能。(4)与混凝土之间间具有良好的的黏结。下一页返回上一页第一节钢筋的的性能及要求求2.抗震要求对于有抗震要要求的混凝土土结构用钢筋筋，除上述一一般要求外，，还有以下具具体要求:(1)抗震等级为一一、二级的框框架结构，其其纵向受力钢钢筋采用普通通钢筋时，应应满足:1)钢筋的抗拉强强度实测值与与屈服强度实实测值的比值值(强屈比)不应小于1.25，目的是为了了保证当构件件某个部位出出现塑性铰后后，塑性铰处处有足够的转转动能力与耗耗能能力。2)钢筋的屈服强强度实测值与与强度标准值值的比值不应应大于1.3,计中强柱弱梁梁、强剪弱弯弯的设计要求求。(2)普通钢筋宜优优先采用延性性、韧性和可可焊性较好的的钢筋。返回上一页第二节混凝土土的力学性能能一、混凝土的的强度混凝土的抗压压强度与水泥泥、骨料的品品种、级配、、配合比、硬硬化条件和龄龄期等有关，，主要包括立立方体抗压强强度、轴心抗抗压强度和轴轴心抗拉强度度等。影响混混凝土抗压强强度的主要因因素有:混凝土受压时时的横向变形形条件和加载载速度等。1.立方体抗压强强度立方体抗压强强度是衡量混混凝土强度高高低的基本指指标值，是确确定混凝土强强度等级的依依据。《混凝土结构设设计规范》(GB50010-2002)规定:按照标准方法法制作养护边边长为150mm的立方体试件件，在28天龄期用标准准试验方法测测得的具有95%保证率的抗压压强度作为混混凝土的立方方体抗压强度度标准值，用用fcu,k表示，单位为为N/mm2(MPa)。下一页返回第二节混凝土土的力学性能能2.轴心抗压强度度轴心抗压强度度标准值与立立方体抗压强强度标准值之之间的关系为为:fck=0.88αc1αc2fcu,kαc1--------棱柱强度与立立方强度之比比，对C50及以下取αc1=0.76，对C80取αc1=0.82,中间按直线内内插法取值;αc2--------考虑C40以上混凝土脆脆性的折减系系数，对C40取αc2=1.0，对C80取αc2=0.87，中间按直线线内插法取值值;0.88--------考虑到结构构构件与试件制制作及养护条条件的差异，，尺寸效应及及加荷速度影影响，参照以往的设设计经验所取取得的经验系系数。下一页返回上一页第二节混凝土土的力学性能能3.轴心抗拉强度度混凝土的抗拉拉强度很低，，与立方抗压压强度之间为为非线性关系系，一般只有有其立方体抗抗压强度的1/17~1/8。中国建筑科科学研究院等等单位对混凝凝土的抗拉强强度作了系统统的测定，用用直接测试法法或间接测试试法对试件进进行实验测得得的抗拉强度度称为轴心抗抗拉强度，经经修正后，轴轴心抗拉强度度标准值与立立方体抗压强强度标准值之之间的关系为为:式中δ-----混凝土立方体体强度变异系系数，对C60以上的混凝土土，取δ=0.1;系数0.395和系数0.55是根据实验数数据统计分析析所得的经验验系数。下一页返回上一页第二节混凝土土的力学性能能4.复合应力状态态下的混凝土土强度在实际混凝土土结构中，混混凝土处于单单向应力状态态的情况很少少，往往都处处于三向复合合压应力状态态。在复合应应力状态下，，混凝土的强强度和变形性性能与单轴应应力状态下有有明显的不同同。混凝土三向受受压时，混凝凝土一向的抗抗压强度随另另两向压应力力的增加而增增大，并且混混凝土的极限限压应变也大大大增加。这这是由于侧向向压力约束了了混凝土的横横向变形，抑抑制了混凝土土内部裂缝的的出现和发展展，使得混凝凝土的强度和和延性均有明明显提高。下一页返回上一页第二节混凝土土的力学性能能二、混凝土的的变形混凝土的变形形可分为两类类:一类是在荷载载作用下的受受力变形，如如单调短期加加荷、多次重重复加荷以及及荷载长期作作用下的变形形。另一类与与受力无关，，称为体积变变形，如混凝凝土收缩、膨膨胀以及由于于温度变化所所产生的变形形等。1.混凝土在一次次短期荷载下下的变形(1)混凝土在单调调短期加荷作作用下的应力力征是研究钢钢筋混凝土构构件的强度、、变形、延性性依据。应变变曲线是其最最基本的力学学性能，曲线线的特(承受变形的能能力)和受力全过程程分析的。图1-5所示为混凝土土棱柱体试件件在受压时的的应力应变曲曲线，曲线由由上升段Oc和下降段ce两部分组成。。下一页返回上一页第二节混凝土土的力学性能能(2)混凝土的横横向变形系系数。混凝凝土试件在在一次短期期加压时，，其纵向产产生压缩应应变εcv，而横向产产生膨胀应应变εch，则其比值值vc=εch/εcv称为横向变变形系数(又称泊松比比)，在混凝土土应力σc<0.5fc时，其值基基本为常数数，《混凝土结构构设计规范范》取vc=0.2，当σc>0.5fc时，横向变变形突然增增加，表明明混凝土内内部微裂缝缝开始迅速速发展。(3)混凝土的弹弹性模量、、变形模量量和剪变模模量。混凝凝土的应力力与其弹性性应变之比比称为混凝凝土的弹性性模量，用用符号Ec表示。根据据大量试验验统计结果果，《混凝土结构构设计规范范》采用的经验验公式计算算混凝土的的弹性模量量为:下一页返回上一页第二节混凝凝土的力学学性能混凝土的应应力与其弹弹塑性总应应变之比称称为混凝土土的变形模模量，用符符号Ec′表示。该值值小于混凝凝土的弹性性模量Ec。混凝土的弹弹性模量Ec与变形模量量Ec′的关系为:式中v-------混凝土弹性性特征系数数，当σc≤0.3fc时,v=1.0;σc=0.5fcv=0.8~0.9;σc=0.9fc，v=0.4~0.7。下一页返回上一页第二节混凝凝土的力学学性能2.混凝土在重重复荷载作作用下的变变形工程中的某某些构件，，例如工业业厂房中的的起重机梁梁，在其使使用期限内内要承受大大约200万次以上的的重复荷载载作用，在在多次重复复荷载作用用情况下，，混凝土的的强度和变变形性能都都会出现重重要变化。。在多次重重复加荷情情况下，混混凝土将产产生“疲劳劳”现象，，混凝土由由于荷载重重复作用而而引起的破破坏称为疲疲劳破坏。。疲劳破坏坏的产生取取决于加载载时应力是是否超过混混凝土疲劳劳强度fcf。试验表明明，混凝土土疲劳强度度fcf低于轴心抗抗压强度fc,大致在(0.4~0.5)fc，此值的大大小与荷载载重复作用用的次数、、应力变化化幅度及混混凝土强度度等级有关关。下一页返回上一页第二节混凝凝土的力学学性能3.混凝土在长长期荷载作作用下的变变形一徐变变混凝土在不不变荷载长长期作用下下，其应变变随时间而而继续增长长的现象称称为混凝土土的徐变。。混凝土徐变变对混凝土土结构和构构件的工作作性能有很很大的影响响。由于混混凝土的徐徐变，会使使受弯构件件的变形增增大，使结结构或构件件产生内力力重分布。。在预应力力混凝土结结构中还会会产生较大大的预应力力损失。影响徐变的的因素很多多，主要有有以下几方方面:(1)应力条件。。应力条件件指混凝土土初始加荷荷应力和加加载时混凝凝土的龄期期，这是影影响徐变的的最主要因因素。初始始加荷应力力越大，徐徐变越大;加载时混凝凝土的龄期期越短，徐徐变越大。。在实际工工程中，应应加强养护护，使混凝凝土尽早结结硬，减小小徐变。下一页返回上一页第二节混凝凝土的力学学性能(2)内在因素。。内在因素素指混凝土土的组成成成分和配比比。例如，，骨料越坚坚硬，徐变变越小;水灰比越大大，水泥用用量越多，，徐变越大大。(3)环境因素。。环境因素素指养护和和使用时的的温湿度。。受荷前养养护的温度度越高，湿湿度越大，，水泥水化化作用就越越充分，徐徐变就越小小;加荷期间温温度越高，，湿度越低低，徐变就就越大。下一页返回上一页第二节混凝凝土的力学学性能4.混凝土的收收缩和温度度变形混凝土在空空气中结硬硬时体积减减小的现象象称为收缩缩;当混凝土在在水中结硬硬时，其体体积会产生生膨胀。通通常收缩值值量值较大大，对结构构有明显的的不利影响响，因此要要特别注意意;而膨胀值的的量值很小小，对结构构有利，一一般可不予予考虑。混凝土的收收缩变形先先快后慢，，一个月可可完成约50%，三个月后后增长缓慢慢，一般两两年后趋于于稳定，最最终收缩值值约为(2~6)×10-4。混凝土的收收缩由凝缩缩和干缩两两部分组成成。凝缩是是由水泥水水化反应引引起的本身身体积的收收缩，它是是不可恢复复的;干缩则是由由于混凝土土内自由水水分蒸发而而引起的收收缩，当干干缩后的混混凝土再次次吸水时，，部分干缩缩变形可以以恢复。下一页返回上一页第二节混凝凝土的力学学性能影响混凝土土收缩的因因素有内在在因素和环环境影响:(1)内在因素。。水泥强度度高、用量量多、水灰灰比大，则则收缩量大大;，骨料粒径径大、级配配好、弹性性模量高，，则收缩量量小;混凝土越密密实，收缩缩量就越小小。(2)环境影响。。混凝土在在养护和使使用期间的的环境湿度度大，则收收缩量小;采用高温蒸蒸汽养护时时，收缩量量减小。返回上一页第三节钢筋筋与混凝土土的黏结一、钢筋与与混凝土共共同工作的的原理在钢筋混凝凝土结构中中，钢筋和和混凝土这这两种性质质不同的材材料之所以以能有效地地结合在一一起共同工工作，除了了二者之间间温度线膨膨胀系数相相近及混凝凝土包裹钢钢筋具有保保护作用以以外，主要要的原因是是两者在接接触面上具具有良好的的黏结作用用。该作用用可使其承承受黏结表表面上的剪剪应力，抵抵抗钢筋与与混凝土之之间的相对对滑动。试验验研研究究表表明明，，黏黏结结力力由由三三部部分分组组成成:①①因水水泥泥颗颗粒粒的的水水化化作作用用形形成成的的凝凝胶胶体体对对钢钢筋筋表表面面产产生生的的胶胶结结力力;②②因混混凝凝土土结结硬硬时时体体积积收收缩缩，，将将钢钢筋筋紧紧紧紧握握裹裹而而产产生生的的摩摩擦擦力力;③③由于于钢钢筋筋表表面面凹凹凸凸不不平平与与混混凝凝土土之之间间产产生生的的机机械械咬咬合合力力。。其其中中，，胶胶结结力力作作用用最最小小，，光光面面钢钢筋筋以以摩摩擦擦力力为为主主，，带带肋肋钢钢筋筋以以机机械械咬咬合合力力为为主主。。下一一页页返回回第三三节节钢钢筋筋与与混混凝凝土土的的黏黏结结二、、黏黏结结锚锚固固强强度度钢筋筋的的锚锚固固强强度度由由拉拉拔拔试试验验测测定定，，拉拉拔拔试试件件如如图1-6(a)所示示。。三、、影影响响黏黏结结锚锚固固强强度度的的因因素素(1)混凝凝土土强强度度的的影影响响。。混混凝凝土土强强度度越越高高，，则则伸伸人人钢钢筋筋横横肋肋间间的的混混凝凝土土咬咬合合齿齿越越强强，，握握裹裹层层混混凝凝土土的的劈劈裂裂就就越越不不容容易易发发生生，，故故黏黏结结锚锚固固作作用用越越强强。。(2)保护护层层的的厚厚度度。。混混凝凝土土的的保保护护层层越越厚厚，，则则对对锚锚固固钢钢筋筋的的约约束束越越大大;咬合合力力使使握握裹裹层层混混凝凝土土的的劈劈裂裂越越难难以以发发生生，，黏黏结结锚锚固固作作用用就就越越强强。。当当保保护护层层厚厚度度达达到到一一定定程程度度后后，，锚锚固固强强度度增增加加的的趋趋势势减减缓缓。。下一一页页返回回上一一页页第三三节节钢钢筋筋与与混混凝凝土土的的黏黏结结(3)锚筋筋的的外外形形。。钢钢筋筋的的外外形形决决定定了了混混凝凝土土咬咬合合齿齿的的形形状状，，因因而而对对锚锚固固强强度度影影响响很很大大。。主主要要的的外外形形参参数数为为相相对对肋肋高高和和肋肋面面积积比比，，横横肋肋的的对对称称性性及及连连续续性性。。光光面面钢钢筋筋及及刻刻痕痕钢钢丝丝的的锚锚固固性性能能最最差差;旋扭扭状状的的钢钢绞绞线线次次之之;间断断型型的的月月牙牙肋肋钢钢筋筋较较好好;而连连续续的的螺螺旋旋肋肋钢钢筋筋锚锚固固性性能能最最好好。。(4)锚固固区区域域的的配配箍箍。。锚锚固固长长度度范范围围内内的的配配箍箍对对锚锚固固强强度度影影响响很很大大。。不不配配箍箍的的锚锚筋筋在在握握裹裹层层混混凝凝土土劈劈裂裂后后即即丧丧失失锚锚固固力