2-材料的物理力学性能课件

其次章材料的物理力学性能2013级建筑工程工程管理本章重点第一节钢筋其次节混凝土第三节钢筋与混凝土的粘结第一节钢筋1钢筋的分类2钢筋的表达方法3钢筋的力学性能（1）按化学成分分类： 低碳钢钢筋、一般低合金钢钢筋（2）按力学性能分类： 有明显屈服点钢筋（软钢）、无明显屈服点钢筋（硬钢）（3）按钢筋表面形态分类： 光面钢筋、变形钢筋（4）按加工方法分类： 热轧钢筋、冷加工钢筋、热处理钢筋、钢丝、钢绞线等种类，其中应用量最大的是热轧钢筋。（5）按运用用途分类： 一般钢筋、预应力钢筋1钢筋的分类钢筋的力学性能主要取决于它的化学成分。其主要成分是铁元素，此外还含有少量的碳、锰、硅、硫等元素。碳：增加含碳量可提高钢材的强度，但塑性和可焊性降低。锰、硅元素可提高钢材强度，并保持确定塑性；磷、硫是有害元素，其含量超过确定限度时，钢材塑性明显降低，磷使钢材冷脆，硫使钢材热脆，且焊接质量也不易保证。其他合金元素除上述元素外，再加入少量合金元素，如锰、硅、钒、钛等即制成低合金钢。1钢筋的分类（1）按化学成分分类（1）按化学成分分类碳素钢（含碳量）低碳钢（含碳量<0.25%）中碳钢（含碳量0.25~0.6%）高碳钢（含碳量0.6~1.4%）一般低合金钢（合金元素）锰系硅钒系硅钛系硅锰系硅铬系1钢筋的分类软钢和硬钢 依据钢筋在单调受拉时所反映的应力-应变性质的不同，可以把钢筋分为有明显屈服点的和没有明显屈服点的两大类，也可称为有明显物理流限和无明显物理流限的钢筋。有明显屈服点和屈服平台的钢筋，称为软钢，没有明显屈服点和屈服平台的钢筋，称为硬钢。1钢筋的分类（2）按力学性能分类光圆钢筋变形钢筋1钢筋的分类（3）按表面形态分类光圆钢筋和变形钢筋 为使钢筋的强度能够充分利用，要求与混凝土粘结的强度越大。提高粘结强度的方法是将钢筋表面轧成有规律的凸出花纹，称为变形钢筋。 变形钢筋的表面形态，我国以往接受螺旋纹和人字纹两种。这两种形式的横肋较密，消耗于肋纹的钢材较多，纵肋和横肋相交，简洁造成应力集中，对钢筋的动力性能不利，后将变形钢筋的肋纹改为月牙纹。月牙纹钢筋的特点是横肋呈月牙形，与纵肋不相交，且横肋的间距比老式变形钢筋大，故可克服老式钢筋的缺点，而粘结强度降低不多。1钢筋的分类钢筋热轧钢筋：热轧带肋钢筋HRB335、HRB400，余热处理钢筋RRB400冷拉钢筋：由热轧钢筋在常温下用机械拉伸而成热处理钢筋：将HRB400、RRB400钢筋通过加热、淬火、回火而成钢丝碳素钢丝：高碳冷静钢通过多次冷拔、应力消退、矫正、回火处理而成刻痕钢丝：在钢丝表面刻痕，以增加其与混凝土间的粘结力钢绞线：若干根相同直径的钢丝成螺旋状铰绕在一起冷拔低碳钢丝：由低碳钢冷拔而成1钢筋的分类（4）按加工分类 热轧钢筋是钢厂用一般低碳钢(含碳量不大于0.25％)和一般低合金钢(合金元素不大于5％)制成。强度等级代号符号d/mmHPB2356~20HRB3356~50HRB4006~50RRB4008~40表1常用热轧钢筋HPB300为热轧光面钢筋，一般钢筋，“软钢”HRB335和HRB400是热轧变形钢筋，一般钢筋，“软钢”RRB400是余热处理钢筋1钢筋的分类HPB300（4）按加工分类热处理钢筋 热处理是对某些特定钢号的热轧钢筋进行淬火和回火处理。钢筋经淬火后，硬度大幅度提高，但塑性和韧性降低，通过回火又可以在不降低强度的前提下，消退由淬火产生的内应力，改善塑性和韧性，使这些钢筋成为预应力钢筋。 热处理钢筋没有明显的屈服点和屈服台阶。1钢筋的分类（4）按加工分类 冷加工钢筋是指在常温下接受某种工艺对热轧钢筋进行加工得到的钢筋。常用的加工工艺有冷拉、冷拔、冷轧和冷轧扭四种。其目的都是为了提高钢筋的强度，以节约钢材。但是，经冷加工后的钢筋在强度提高的同时，延长率显著降低，除冷拉钢筋仍具有明显的屈服点外，其余冷加工钢筋均无明显屈服点和屈服台阶。1钢筋的分类冷加工钢筋（4）按加工分类钢丝和钢铰线 我国预应力混凝土结构接受的钢丝都是消退应力钢丝，其中大部分为低松弛钢丝。消退应力钢丝是将钢筋拉拔后，经中温回火消退应力并进行稳定化处理的钢丝，按其表面形态可分为光圆、螺旋肋及刻痕三种。螺旋肋钢丝刻痕钢丝钢绞线1钢筋的分类（4）按加工分类钢筋的应用范围非预应力钢筋砼结构：HPB235，HRB335，HRB400，RRB400预应力钢筋砼结构：碳素钢丝，刻痕钢丝，钢绞线，热处理钢筋，冷拉钢筋1钢筋的分类示例：HPB335、HRB335、HRB400第一个字母H代表热轧（Hotrolled)，R代表余热处理（Remainedheattreatment)其次个字母表示表面形态，P代表光面（Plain)，R代表带肋（Ribbed)，第三个字母B表示钢筋（Bar)HPB—热轧光面钢筋；HRB—热轧带肋钢筋；RRB—余热处理钢。2钢筋的表达方法（1）基本分类（2）强度指标（3）变形指标（4）乏累性能（5）混凝土结构对钢筋性能的要求（6）钢筋的直径和选用3钢筋的力学性能AB’BCDE上屈服点不稳定下屈服点出现颈缩拉断BC段为屈服平台CD段为强化段0.2%0.2标距有明显流幅的钢筋无明显流幅的钢筋钢筋受压和受拉时的应力-应变曲线几乎相同3钢筋的力学性能（1）基本分类AB’BCDE0.2%0.2（2）强度指标明显流幅的钢筋：下屈服点对应的强度作为设计强度的依据，因为，钢筋屈服后会产生大的塑性变形，钢筋混凝土构件会产生不行复原的变形和不行闭合的裂缝，以至不能运用无明显流幅的钢筋：残余应变为0.2%时所对应的应力作为条件屈服强度,同时规定屈服强度σ0.2不得小于极限抗拉强度σb的85%（0.85σb）。因此，实际应用中可取极限抗拉强度σb的85%作为条件屈服点3钢筋的力学性能（3）变形指标伸长率：钢筋拉断后的伸长与原长的比值，钢筋拉断时应变，反映钢筋塑性性能的指标。伸长率大的钢筋，拉断前有足够预兆，延性较好。冷弯性能：将直径为d的钢筋绕直径为D的钢辊弯成确定的角度而不发生断裂，是反映钢筋塑性性能的另一指标3钢筋的力学性能杂质和气孔外表有斑痕和缺陷表面形状突变应力集中微裂纹微裂纹扩展，突然断裂乏累破坏:钢筋在承受重复、周期动荷载作用下,经过确定次数后,从塑性破坏的性质转变成脆性突然断裂的现象。乏累强度:在某一规定应力幅度内,经受某一规定次数循环加载后,才发生乏累破坏的最大应力值。影响因素:应力的幅度、最大应力值、钢筋外表面的几何形态、钢筋直径、钢筋等级和试验方法等。3钢筋的力学性能（4）乏累性能屈强比：反映钢筋的强度储备，fy/fu=0.6~0.7。有较好的经济效果，保证构件具有确定的强度储备。a.足够的强度和适当的屈强比b、足够的塑性避开发生脆性破坏。d、耐久性和耐火性c、可焊性要求钢筋具备良好的焊接性能。e、与混凝土具有良好的粘结通过混凝土疼惜层厚度满足对构件耐久性和耐火极限的要求。f、寒冷地区，防止钢筋低温冷脆导致破坏。3钢筋的力学性能（5）混凝土结构对钢筋性能的要求钢筋的直径常用：6mm，8mm，10mm，12mm，14mm，16mm，18mm，20mm，22mm，25mm，28mm，32mm，36mm，40mm，50mm。钢筋种类的选用一般钢筋：宜用HRB400、HRB500、HRBF400、HRBF500。可用HPB300、HRB335和RRB400钢筋。预应力筋：宜用预应力钢铰线、中高强钢丝和预应力螺纹钢筋。d=6~50mm3钢筋的力学性能（6）钢筋的直径和选用其次节混凝土1混凝土的组成2混凝土的抗压强度3混凝土的抗拉强度4复合受力状态下混凝土的强度5混凝土的变形性能6混凝土的其他性能主要材料：水泥、水、砂、石特点:1）固、液、气三相体；2）水化过程长，性能要很长时间才稳定；3）水泥石收缩可形成微裂缝；4）受制作、养护、运用条件影响大。混凝土的强度与水泥强度、水灰比、骨料品种、混凝土协作比、硬化条件和龄期有很大关系。其次节混凝土1混凝土的组成强度随机变量强度标准值依据统计资料，运用数理统计方法确定的具有确定保证率（95%）的统计特征值：强度标准值=强度平均值-1.645×均方差概率密度材料强度强度平均值强度标准值其次节混凝土2混凝土的抗压强度（1）强度指标的确定（2）立方体抗压强度fcu承压板试块摩擦力不涂润滑剂涂润滑剂强度大于压力试件裂缝发展扩张整个体系解体，丢失承载力另影响强度的因素还有：龄期、加载速率、试块尺寸等混凝土强度标准值：150mm立方体不涂油，20±3℃，不低于90%湿度养护28天，95%保证率其次节混凝土2混凝土的抗压强度标准试块：150×150×150非标准试块：100×100×100换算系数0.95200×200×200换算系数1.05立方体抗压强度是区分混凝土强度等级的指标，我国规范混凝土的强度等级有：C15，C20，C25，C30，C35，C40，C45，C50，C55，C60，C65，C70，C75，C80表示混凝土Concrete立方体抗压强度（2）立方体抗压强度fcu其次节混凝土2混凝土的抗压强度承压板试块标准试块：150×150×300非标准试块：100×100×300换算系数0.95200×200×400换算系数1.05考虑到承压板对试件的约束，立方体抗压强度大于棱柱体抗压强度，依据试验结果，有：fc=0.76fcu对国外（美国、日本、欧洲混凝土协会等）接受的圆柱体试件（d=150,h=300），有fc’=0.79fcu圆柱体抗压强度其次节混凝土2混凝土的抗压强度（3）棱柱体抗压强度fc结构混凝土强度与试块混凝土强度的修正系数脆性影响系数

棱柱体强度与立方体强度之比值混凝土强度等级≤C40C45C50C55C60C65C70C75C80

c10.760.760.760.770.780.790.800.810.82

c21.000.9840.9680.9510.9350.9190.9030.8870.87

c1

和c2值100100150150500试验结果：ft=0.395fcu0.55考虑到构件和试件的区分，尺寸效应，加荷速度等的影响，取ft=0.348fcu0.55其次节混凝土3混凝土的抗拉强度（1）干脆受拉试验ftddftsFFFF我国依据100mm立方体的劈裂与抗压试验结果有：fts=0.19fcu3/4其次节混凝土3混凝土的抗拉强度（2）劈裂试验ftsft，fc—混凝土单轴抗拉、抗压强度；f1，f2，f3—混凝土的多轴强度,f1≥f2≥f3此图说明：压-压：强度提高；拉-拉：强度不变；拉-压：抗拉和抗压强度都低。1.01.01.21.2-0.2-0.22/fc1/fc拉压双向正应力下的强度曲线其次节混凝土4复合受力状态下混凝土的强度（1）双向正应力下的强度曲线压-剪：当时，抗剪强度随压应力提高而增大；当时，内部裂缝增加，抗剪抗压强度均降低。

其次节混凝土4复合受力状态下混凝土的强度（2）法向应力和剪应力共同作用下拉-剪：抗拉、抗剪强度都降低；三向受压时，强度增加，最大增加5倍。实际工程混凝土三向受压的实例：螺旋箍筋柱和钢管混凝土柱中的混凝土为三向受压状态。

其次节混凝土4复合受力状态下混凝土的强度（3）三向受压时的混凝土强度112=3=fLfL----侧向约束压应力（加液压）圆柱体试验有侧向约束时的抗压强度无侧向约束时圆柱体的单轴抗压强度其次节混凝土4复合受力状态下混凝土的强度（3）三向受压时的混凝土强度(MPa)fco0(10-3)abcd225201510546810混凝土强度提高加载速度减慢作用是：峰值应力后，吸收试验机的变形能，测出下降段其次节混凝土5混凝土的变形性能（1）单轴受压时的应力-应变关系混凝土单轴受力时的应力-应变关系反映了混凝土受力全过程的重要力学特征。混凝土单轴受压应力-应变关系曲线，常接受棱柱体试件来测定。0→A:近似弹性

A→B:非线性

B→C:体积增大

C→F:破坏

其次节混凝土5混凝土的变形性能（1）单轴受压时的应力-应变关系

特征：A点以前，微裂缝没有明显发展，混凝土的变形主要弹性变形，应力-应变关系近似直线。A点应力随混凝土强度的提高而增加，约为0.3~0.6σ0时，OA段的应力应变关系可近似视为直线，及混凝土处于弹性阶段。

弹性阶段（1）单轴受压时的应力-应变关系A点以后，裂缝起先延长发展，产生部分塑性变形，应力-应变曲线偏离直线，混凝土横向变形增加。初期微裂缝的发展是稳定的。达到B点，内部一些微裂缝相互连通，裂缝发展不稳定，横向变形突然增大，混凝土表现出明显的非弹性性质。B点的应力值为应力应变曲线峰值的0.7~0.9倍。裂缝稳定扩展阶段（1）单轴受压时的应力-应变关系B点到峰值点C点间，内部微裂缝连通形成破坏面，应变增长速度明显加快。结构内部的整体性受到破坏，试件平均应力强度下降，曲线进入下降段。C点对应的应变称为峰值应变，记为ε0，一般为0.0015~0.0025，平均取0.002。裂缝不稳定扩展阶段（1）单轴受压时的应力-应变关系当到D后，试件表面出现第一条可见且平行于受力方向的纵向裂缝。与D点对应的应变值称为混凝土的极限压应变，一般在0.002~0.006之间变更，计算时，常取为0.003~0.004。随后出现多条不连续纵向裂缝，承载力明显下降，形成斜向破坏面。E点称为收敛点。E点之后试件的主裂缝已经很宽，彻底破坏。下降段（1）单轴受压时的应力-应变关系不同强度混凝土的应力-应变关系曲线

从下到上混凝土强度等级分别为C15、C25、C35、C45、C55、C65。强度等级越高，线弹性段越长，峰值应变也有所增大。但强度等级越高，下降段越陡，破坏时脆性越显著。缘由：高强混凝土，砂浆与骨料粘结强，密实性好，微裂缝少，最终破坏往往是骨料破坏。（1）单轴受压时的应力-应变关系cu约束混凝土非约束混凝土ccfccfcEsecEc

c02c0

sp

cco环箍断裂其次节混凝土5混凝土的变形性能（2）侧向受约束时混凝土的变形特点破坏重复荷载下的应力-应变曲线fcf321疲劳强度<fcfcf的确定原则：100×100×300或150×150×450的棱柱体试块承受200万次（或以上）循环荷载时发生破坏的最大压应力值其次节混凝土5混凝土的变形性能（3）乏累性能ccccep01原点切线模量（弹性模量）：拉压相同变形模量（割线模量、弹塑性模量）切线模量受压时，为0.4~1.0；受拉破坏时，为1.0其次节混凝土5混凝土的变形性能（4）混凝土的弹性模量混凝土的泊松比(也叫横向变形系数，是反映材料横向变形的弹性常数)，在压力较小时为0.15~0.18，接近破坏时可达0.5以上，一般可取0.2混凝土的剪切模量为其次节混凝土5混凝土的变形性能（5）混凝土的泊松比和剪切模量定义：在荷载保持不变的状况下，随时间接着增长的变形。特点：早期发展快，但可以持续数年。影响因素：加载时的混凝土龄期；持续压力大小；混凝土的组成材料及协作比；混凝土的制作养护条件。徐变对结构的变形和预应力混凝土中的钢筋应力都将产生重要的影响。由于混凝土的徐变，会使构件的变形增加，在钢筋混凝土截面中引起应力重分布，在预应力混凝土结构中会造成预应力的损失。其次节混凝土5混凝土的变形性能（6）混凝土的徐变其次节混凝土5混凝土的变形性能（6）混凝土的徐变定义：在荷载保持不变的状况下，随时间接着增长的变形。特点：早期发展快，但可以持续数年。随荷载作用时间的持续，变形不断增长，前4个月徐变增长较快，6个月可达最终徐变的（70~80）%，以后增长渐渐缓慢，2~3年后趋于稳定。在应力（≤0.5fc）作用瞬间，首先产生瞬时弹性应变εela。再经过一段时间后，还有一部分应变εela''可以复原，称为弹性后效或徐变复原，但仍有不行复原的残留永久应变εcr'如在时间t卸载，则会产生瞬时弹性复原应变eela'。由于混凝土弹性模量随时间增大，故弹性复原应变eela'小于加载时的瞬时弹性应变eela。影响因素应力：c<0.5fc，徐变变形与应力成正比----线性徐变

0.5fc<c<0.8fc，非线性徐变

c>0.8fc，造成混凝土破坏，不稳定加荷时混凝土的龄期，越早，徐变越大水泥用量越多，水灰比越大，徐变越大骨料越硬，徐变越小其次节混凝土5混凝土的变形性能（6）混凝土的徐变徐变对混凝土结构的影响PAsPAss1c1Ps2Ass2P撤去，钢筋受压，混凝土受拉，可能会引起混凝土开裂徐变：s，c其次节混凝土5混凝土的变形性能（6）混凝土的徐变定义：结硬过程中混凝土体积缩小的性质水泥品种：等级越高，收缩越大水泥用量：水泥用量越多，水灰比越大，收缩越大骨料：骨料越硬，收缩越小养护条件、制作方法、运用环境、体积与表面积的比值等其次节混凝土5混凝土的变形性能（7）混凝土的收缩收缩对混凝土结构的影响收缩：钢筋受压，混凝土受拉AssAssAs其次节混凝土5混凝土的变形性能（7）混凝土的收缩重力密度 钢筋混凝土，25kN/m3左右耐久性 在设计运用年限内，结构在正常运用和维护条件下，随时间变更而仍能满足预定功能要求的实力。 与环境条件、运用条件、结构形式和细部构造、结构表层疼惜措施、施工质量等因素有关。其次节混凝土6混凝土的其他性能钢筋与混凝土如何共同工作PPT两种粘结作用锚固粘结保证钢筋和混凝土共同工作缝间粘结改善钢筋混凝土的耗能性能第三节钢筋与混凝土的粘结粘结力

钢筋与混凝土之间的粘结是两种材料共同受力的基本前提。外力作用在混凝土上，依靠粘结力传力给钢筋。

当钢筋和混凝土之间产生相对变形（滑移），在钢筋和混凝土的交界面上产生沿钢筋轴线方向的相互作用力，此作用力称为粘结力。粘结应力钢筋与混凝土接触面上产生的沿钢筋纵向的剪应力。粘结强度粘结失效时的最大（平均）粘结应力。第三节钢筋与混凝土的粘结1基本概念光圆钢筋的破坏状态钢筋拔出第三节钢筋与混凝土的粘结2粘结破坏机理（1）光圆钢筋光圆钢筋粘附力摩擦力机械咬合力（钢筋表面不平、微锈时可显著提高咬合力）有滑移时粘附力即消逝钢筋受力较大时粘结力主要由此二部分组成第三节钢筋与混凝土的粘结2粘结破坏机理（1）光圆钢筋第三节钢筋与混凝土的粘结2粘结破坏机理（2）变形钢筋纵向分量径向分量混凝土撕裂混凝土局部挤碎刮出式破坏第三节钢筋与混凝土的粘结2粘结破坏机理（2）变形钢筋纵向分量径向分量构件纵向开裂第三节钢筋与混凝土的粘结2粘结破坏机理（2）变形钢筋变形钢筋粘附力摩擦力机械咬合力主要作用第三节钢筋与混凝土的粘结2粘结破坏机理（2）变形钢筋钢筋拉拔试验

一般用拔出试验测出钢筋与混凝土间的平均粘结强度第三节钢筋与混凝土的粘结3粘结强度lcTu钢筋周长埋置长度拔出拉力第三节钢筋与混凝土的粘结3粘结强度4影响粘结强度的因素（1）砼强度等级：随强度提高而提高。二者大致成正比关系。（2）砼疼惜层c和钢筋净距：疼惜层厚度和钢筋之间的净距越大，混凝土劈裂抗力越大，因而粘结强度越高，但当c/d＞5时，τu不再增长。（3）横向钢筋：限制纵向裂缝的发展，使粘结强度提高，在钢筋锚固区和搭接长度范围内，加强横向钢筋可提高混凝土的粘结强度。（4）钢筋端部的弯钩、弯折及附加锚固措施（如焊钢筋和焊钢板等）可以提高钢筋的锚固和粘牢固力。（5）侧向压力：对粘接强度也有提高作用。（6）钢筋位置：混凝土中不同位置的密实性不同。（7）钢筋的外形。第三节钢筋与混凝土的粘结4影响粘结强度的因素（1）限制疼惜层厚度最小限值（2）限制钢筋净距最小限值（3）优先接受小直径的变形钢筋（4）足够的锚固长度在支座处必需有足够的锚固长度。当锚固长度不能满足时，则需接受机械锚固，如弯折、焊短钢筋、焊短角钢等（5）光面钢筋应在末端设置弯钩（6）在钢筋的搭接区和锚固区设置附加的横向钢筋。（7）搭接长度：钢筋选用搭接连接时，搭接要有确定的长度才能传递粘结力。第三节钢筋与混凝土的粘结5保证牢靠粘结的措施（1）限制疼惜层厚度最小限值第三节钢筋与混凝土的粘结5保证牢靠粘结的措施（2）限制钢筋净距最小限值条文6.4.4：柱的纵向钢筋配置，尚应满足下列规定：

2截面尺寸大于400mm的柱，一、二、三级抗震设计时其纵向钢筋间距不宜大于200mm抗震等级为四级和非抗震设计时，柱纵向钢筋间距不宜大于300mm；柱纵向钢筋净距均不应小于50mm。条文8.2.1：梁的上部纵向钢筋的净距，不应小于30mm和1.5d（d为钢筋的最大直径）；下部纵向钢筋净距，不应小于25mm和d。梁的下部纵向钢筋配置多于两层时，钢筋水平方向的中距应比下面两层的中距增大一倍。第三节钢筋与混凝土的粘结5保证牢靠粘结的措施（3）优先接受小直径的变形钢筋直径越小，钢筋与混凝土接触面积越大，粘结力越大。（4）足够的锚固长度-条文8.3.1在支座处必需有足够的锚固长度。当锚固长度不能满足时，则需接受机械锚固，如弯折、焊短钢筋、焊短角钢等第三节钢筋与混凝土的粘结5保证牢靠粘结的措施（4）足够的锚固长度-条文8.3.1第三节钢筋与混凝土的粘结5保证牢靠粘结的措施8.3.2纵向受拉一般钢筋的锚固长度修正系数ζa应按下列规定取用：

1当带肋钢筋的公称直径大于25mm时取1.10；

2环氧树脂涂层带肋钢筋取1.25；

3施工过程中易受扰动的钢筋取1.10；

4当