T混凝土结构设计原理之钢筋和混凝土的力学性能

第一章钢筋和混凝土的力学性能

第一节钢筋的性能及要求

第二节混凝土的力学性能

第三节钢筋与混凝土的黏结第一节钢筋的性能及要求一、钢筋的分类混凝土结构用钢筋按化学成分可分为碳素钢和普通低合金钢。根据含碳量的不同，碳素钢分为低碳钢(碳质量分数<0.25%)、中碳钢(碳质量分数为0.25%~0.6%)、高碳钢(碳质量分数>0.6%)。含碳量越高，强度越高，但塑性和可焊性下降。工程中常用低碳钢。普通低合金钢是在碳素钢的基础上，再加入微量的合金元素，如硅、锰、钒、钦、锯等，目的是提高钢材的强度，改善钢材的塑性性能。钢筋按生产加工工艺和力学性能的不同分为普通钢筋和预应力钢筋。普通钢筋为低碳钢，由普通低合金钢在高温状态下轧制而成，预应力钢筋可分为热处理钢筋和预应力钢丝。钢筋按其外形不同，分为光面钢筋和带肋钢筋。下一页返回第一节钢筋的性能及要求二、钢筋的强度和变形1.钢筋的应力应变曲线有明显屈服点的钢筋的典型应力应变曲线如图1-2(a)所示。图中在a点以前，钢筋处于弹性阶段，应力与应变成正比，a点的钢筋应力称为“比例极限”一钢筋的屈服强度fy。直线Oa的斜率为钢筋的弹性模量Es。过a点以后，应变较应力增长为快。到达b点，钢筋开始屈服，其强度与加荷速度、截面形式、试件表面光洁度等多种因素有关，很不稳定，b点称为屈服上限。超过b点以后，进人强化阶段，钢筋的应力下降到c点，在应力基本保持不变的情况下，应变显著增加产生较大的塑性变形，但比较稳定，c点称为屈服下限或屈服点。与c点所对应的应力称为屈服强度，以σs表示，水平cd段称为屈服台阶或流幅。过d点后，钢筋还能继续承载，应力应变继续加大，到达e点后钢筋产生颈缩现象，下一页返回上一页第一节钢筋的性能及要求应力开始下降，但应变仍能继续增长，至f点试件被拉断。e点对应的应力称为抗拉强度极限σb，曲线的de段称为强化阶段，ef段称为颈缩下降阶段。没有明显屈服点的钢筋的典型应力应变曲线如图1-2(b)所示。由图可见，它没有明显的屈服平台，其强度很高，但延伸率大为降低，塑性性能减弱。设计上取相应于残余应变为0.2%的应力为名义屈服强度σ0.2，大约为国家标准的抗拉强度极限σb的85%。

图1-2(c)为各级钢筋的应力应变曲线。从图中可以看出，普通钢筋应力应变曲线都有明显的屈服点，这种钢筋即为低碳钢，亦称软钢。没有明显屈服点的热处理钢筋和钢丝，称为硬钢。下一页返回上一页第一节钢筋的性能及要求2.钢筋的塑性性能反映钢筋的塑性性能的基本指标是钢筋的伸长率、冷弯性能。钢筋试件拉断后的伸长值与原长的比值称为伸长率。伸长率愈大，塑性性能愈好。冷弯是将直径为d的钢筋绕直径为D的钢辊进行弯曲，如图1-3所示，弯成一定的角度而不发生断裂，并且无裂纹、鳞落或断裂现象，即认为钢筋的弯曲性能符合要求。通常D值愈小，a值愈大，则其弯曲性能、塑性性能愈好。屈服强度、极限抗拉强度、伸长率和冷弯性能是有明显屈服点钢筋进行质量检验的四项主要指标。表1-1列出了常用钢筋的强度、伸长率、冷弯性能和弹性模量等各项指标。下一页返回上一页第一节钢筋的性能及要求3.钢筋的冷加工冷拉是在常温条件下，把钢筋应力拉到超过其原有的屈服点，然后完全放松，使钢材内部组织结构发生变化，而提高其强度。冷拉只能提高钢筋的抗拉屈服强度，却不能提高其抗压屈服强度。故当用冷拉钢筋作受压钢筋时，其屈服强度与母材相同。冷拔是将钢筋(盘条)用强力拔过比它本身直径还小的硬质合金拔丝模，这是钢筋同时受到纵向拉力和横向压力的作用以提高其强度的一种加工方法。钢筋经多次冷拔后，截面变小而长度增长，强度比原来提高很多，但塑性降低，硬度提高，冷拔后钢丝的抗压强度也得到提高。下一页返回上一页第一节钢筋的性能及要求三、混凝土结构对钢筋性能的要求1.一般要求(1)有较高的强度和适宜的屈强比。强度是指钢筋的屈服强度fy。屈服强度高，可减少结构的含钢量，节约钢材，提高经济效益。屈强比是指屈服强度fy与极限抗拉强度fu之比值，该值反映结构的可靠程度。屈强比小，结构可靠，但钢材强度的利用率低，不经济;屈强比太大，则结构不可靠。(2)有较好的塑性。(3)具有较好的焊接性能。(4)与混凝土之间具有良好的黏结。下一页返回上一页第一节钢筋的性能及要求2.抗震要求对于有抗震要求的混凝土结构用钢筋，除上述一般要求外，还有以下具体要求:(1)抗震等级为一、二级的框架结构，其纵向受力钢筋采用普通钢筋时，应满足:1)钢筋的抗拉强度实测值与屈服强度实测值的比值(强屈比)不应小于1.25，目的是为了保证当构件某个部位出现塑性铰后，塑性铰处有足够的转动能力与耗能能力。2)钢筋的屈服强度实测值与强度标准值的比值不应大于1.3,计中强柱弱梁、强剪弱弯的设计要求。(2)普通钢筋宜优先采用延性、韧性和可焊性较好的钢筋。返回上一页第二节混凝土的力学性能

一、混凝土的强度混凝土的抗压强度与水泥、骨料的品种、级配、配合比、硬化条件和龄期等有关，主要包括立方体抗压强度、轴心抗压强度和轴心抗拉强度等。影响混凝土抗压强度的主要因素有:混凝土受压时的横向变形条件和加载速度等。1.立方体抗压强度立方体抗压强度是衡量混凝土强度高低的基本指标值，是确定混凝土强度等级的依据。《混凝土结构设计规范》(GB50010-2002)规定:按照标准方法制作养护边长为150mm的立方体试件，在28天龄期用标准试验方法测得的具有95%保证率的抗压强度作为混凝土的立方体抗压强度标准值，用fcu,k表示，单位为N/mm2(MPa)。下一页返回第二节混凝土的力学性能2.轴心抗压强度轴心抗压强度标准值与立方体抗压强度标准值之间的关系为:fck=0.88αc1αc2fcu,kαc1--------棱柱强度与立方强度之比，对C50及以下取αc1=0.76，对C80取αc1=0.82,中间按直线内插法取值;αc2--------考虑C40以上混凝土脆性的折减系数，对C40取αc2=1.0，对C80取αc2=0.87，中间按直线内插法取值;0.88--------考虑到结构构件与试件制作及养护条件的差异，尺寸效应及加荷速度影响，参照以往的设计经验所取得的经验系数。下一页返回上一页第二节混凝凝土的力学学性能3.轴心抗拉强强度混凝土的抗抗拉强度很很低，与立立方抗压强强度之间为为非线性关关系，一般般只有其立立方体抗压压强度的1/17~1/8。中国建筑筑科学研究究院等单位位对混凝土土的抗拉强强度作了系系统的测定定，用直接接测试法或或间接测试试法对试件件进行实验验测得的抗抗拉强度称称为轴心抗抗拉强度，，经修正后后，轴心抗抗拉强度标标准值与立立方体抗压压强度标准准值之间的的关系为:式中δ-----混凝土立方方体强度变变异系数，，对C60以上的混凝凝土，取δ=0.1;系数0.395和系数0.55是根据实验验数据统计计分析所得得的经验系系数。下一页返回上一页第二节混凝凝土的力学学性能4.复合应力状状态下的混混凝土强度度在实际际混凝凝土结结构中中，混混凝土土处于于单向向应力力状态态的情情况很很少，，往往往都处处于三三向复复合压压应力力状态态。在在复合合应力力状态态下，，混凝凝土的的强度度和变变形性性能与与单轴轴应力力状态态下有有明显显的不不同。。混凝土土三向向受压压时，，混凝凝土一一向的的抗压压强度度随另另两向向压应应力的的增加加而增增大，，并且且混凝凝土的的极限限压应应变也也大大大增加加。这这是由由于侧侧向压压力约约束了了混凝凝土的的横向向变形形，抑抑制了了混凝凝土内内部裂裂缝的的出现现和发发展，，使得得混凝凝土的的强度度和延延性均均有明明显提提高。。下一页页返回上一页页第二节节混凝凝土的的力学学性能能二、混混凝土土的变变形混凝土土的变变形可可分为为两类类:一类是是在荷荷载作作用下下的受受力变变形，，如单单调短短期加加荷、、多次次重复复加荷荷以及及荷载载长期期作用用下的的变形形。另另一类类与受受力无无关，，称为为体积积变形形，如如混凝凝土收收缩、、膨胀胀以及及由于于温度度变化化所产产生的的变形形等。。1.混凝土土在一一次短短期荷荷载下下的变变形(1)混凝土土在单单调短短期加加荷作作用下下的应应力征征是研研究钢钢筋混混凝土土构件件的强强度、、变形形、延延性依依据。。应变变曲线线是其其最基基本的的力学学性能能，曲曲线的的特(承受变变形的的能力力)和受力力全过过程分分析的的。图1-5所示为混凝凝土棱柱体体试件在受受压时的应应力应变曲曲线，曲线线由上升段段Oc和下降段ce两部分组成成。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，横向向变形突突然增加加，表明明混凝土土内部微微裂缝开开始迅速速发展。。(3)混凝土的的弹性模模量、变变形模量量和剪变变模量。。混凝土土的应力力与其弹弹性应变变之比称称为混凝凝土的弹弹性模量量，用符符号Ec表示。根根据大量量试验统统计结果果，《混凝土结结构设计计规范》采用的经经验公式式计算混混凝土的的弹性模模量为:下一页返回上一页第二节混混凝土的的力学性性能混凝土的的应力与与其弹塑塑性总应应变之比比称为混混凝土的的变形模模量，用用符号Ec′表示。该该值小于于混凝土土的弹性性模量Ec。混凝土的的弹性模模量Ec与变形模模量Ec′的关系为为:式中v-------混凝土弹弹性特征征系数，，当σc≤0.3fc时,v=1.0;σc=0.5fcv=0.8~0.9;σc=0.9fc，v=0.4~0.7。下一页页返回上一页页第二节节混凝凝土的的力学学性能能2.混凝土土在重重复荷荷载作作用下下的变变形工程中中的某某些构构件，，例如如工业业厂房房中的的起重重机梁梁，在在其使使用期期限内内要承承受大大约200万次以以上的的重复复荷载载作用用，在在多次次重复复荷载载作用用情况况下，，混凝凝土的的强度度和变变形性性能都都会出出现重重要变变化。。在多多次重重复加加荷情情况下下，混混凝土土将产产生““疲劳劳”现现象，，混凝凝土由由于荷荷载重重复作作用而而引起起的破破坏称称为疲疲劳破破坏。。疲劳劳破坏坏的产产生取取决于于加载载时应应力是是否超超过混混凝土土疲劳劳强度度fcf。试验验表明明，混混凝土土疲劳劳强度度fcf低于轴轴心抗抗压强强度fc,大致在在(0.4~0.5)fc，此值值的大大小与与荷载载重复复作用用的次次数、、应力力变化化幅度度及混混凝土土强度度等级级有关关。下一页页返回上一页页第二节节混凝凝土的的力学学性能能3.混凝土土在长长期荷荷载作作用下下的变变形一一徐变变混凝土土在不不变荷荷载长长期作作用下下，其其应变变随时时间而而继续续增长长的现现象称称为混混凝土土的徐徐变。。混凝土土徐变变对混混凝土土结构构和构构件的的工作作性能能有很很大的的影响响。由由于混混凝土土的徐徐变，，会使使受弯弯构件件的变变形增增大，，使结结构或或构件件产生生内力力重分分布。。在预预应力力混凝凝土结结构中中还会会产生生较大大的预预应力力损失失。影响徐徐变的的因素素很多多，主主要有有以下下几方方面:(1)应力条条件。。应力力条件件指混混凝土土初始始加荷荷应力力和加加载时时混凝凝土的的龄期期，这这是影影响徐徐变的的最主主要因因素。。初始始加荷荷应力力越大大，徐徐变越越大;加载时时混凝凝土的的龄期期越短短，徐徐变越越大。。在实实际工工程中中，应应加强强养护护，使使混凝凝土尽尽早结结硬，，减小小徐变变。下一页返回上一页第二节混凝土土的力学性能能(2)内在因素。内内在因素指混混凝土的组成成成分和配比比。例如，骨骨料越坚硬，，徐变越小;水灰比越大，，水泥用量越越多，徐变越越大。(3)环境因素。环环境因素指养养护和使用时时的温湿度。。受荷前养护护的温度越高高，湿度越大大，水泥水化化作用就越充充分，徐变就就越小;加荷期间温度度越高，湿度度越低，徐变变就越大。下一页返回上一页第二节混凝土土的力学性能能4.混凝土的收缩缩和温度变形形混凝土在空气气中结硬时体体积减小的现现象称为收缩缩;当混凝土在水水中结硬时，，其体积会产产生膨胀。通通常收缩值量量值较大，对对结构有明显显的不利影响响，因此要特特别注意;而膨胀值的量量值很小，对对结构有利，，一般可不予予考虑。混凝土的收缩缩变形先快后后慢，一个月月可完成约50%，三个月后增增长缓慢，一一般两年后趋趋于稳定，最最终收缩值约约为(2~6)×10-4。混凝土的收缩缩由凝缩和干干缩两部分组组成。凝缩是是由水泥水化化反应引起的的本身体积的的收缩，它是是不可恢复的的;干缩则是由于于混凝土内自自由水分蒸发发而引起的收收缩，当干缩缩后的混凝土土再次吸水时时，部分干缩缩变形可以恢恢复。下一页返回上一页第二节混凝土土的力学性能能影响混凝土收收缩的因素有有内在因素和和环境影响:(1)内在因素。水水泥强度高、、用量多、水水灰比大，则则收缩量大;，骨料粒径大大、级配好、、弹性模量高高，则收缩量量小;混凝土越密实实，收缩量就就越小。(2)环境影响。混混凝土在养护护和使用期间间的环境湿度度大，则收缩缩量小;采用高温蒸汽汽养护时，收收缩量减小。。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。试验研究表表明，黏结结力由三部部分组成:①因水泥颗粒粒的水化作作用形成的的凝胶体对对钢筋表面面产生的胶胶结力;②因混凝土结结硬时体积积收缩，将将钢筋紧紧紧握裹而产产生的摩擦擦力;③由于钢筋表表面凹凸不不平与混凝凝土之间产产生的机械械咬合力。。其中，胶胶结力作用用最小，光光面钢筋以以摩擦力为为主，带肋肋钢筋以机机械咬合力力为主。下一页返回第三节钢筋筋与混凝土土的黏结二、黏结锚锚固强度钢筋的锚固固强度由拉拉拔试验测测定，拉拔拔试件如图1-6(a)所示。三、影响黏黏结锚固强强度的因素素(1)混凝土强度度的影响。。混凝土强强度越高，，则伸人钢钢筋横肋间间的混凝土土咬合齿越越强，握裹裹层混凝土土的劈裂就就越不容易易发生，故故黏结锚固固作用越强强。(2)保护层的厚厚度。混凝凝土的保护护层越厚，，则对锚固固钢筋的约约束越大;咬合力使握握裹层混凝凝土的劈裂裂越难以发发生，黏结结锚固作用用就越强。。当保护层层厚度达到到一定程度度后，锚固固强度增加加的趋势减减缓。下一页返回上一页第三节钢筋筋与混凝土土的黏结(3)锚筋的外形形。钢筋的的外形决定定了混凝土土咬合齿的的形状，因因而对锚固固强度影响响很大。主主要的外形形参数为相相对肋高和和肋面积比比，横肋的的对称性及及连续性。。光面钢筋筋及刻痕钢钢丝的锚固固性能最差差;旋扭状的的钢绞线线次之;间断型的的月牙肋肋钢筋较较好;而连续的的螺旋肋肋钢筋锚锚固性能能最好。。(4)锚固区域域的配箍箍。锚固固长度范范围内的的配箍对对锚固强强度影响响很大。。不配箍箍的锚筋筋在握裹裹层混凝凝土劈裂裂后即丧丧失