钢筋和混凝土材料的力学性能-第二讲

2023/2/3CH2

MECHANICALPROPERTIESOFMATERIALS本章重点(Emphasis)熟悉土木工程用钢筋的品种、级别、性能及其选用原则（thevariety，level，performanceandselectionprincipleofsteelreinforcement）；

熟悉混凝土在各种受力状态下的强度与变形性能（strengthanddeformationofconcreteundervariousloads)及其选用原则；

了解钢筋与混凝土的粘结性能(bondbetweensteelbarandconcrete)。CH2.钢筋和混凝土材料的基本性能CH2.MechanicalPropertiesofMaterials钢筋的力学性能指标？为何以屈服强度作为钢筋强度设计值的依据，而不是极限抗拉强度？混凝土结构对钢筋性能的具体要求？小结

2.1PerformanceofSteelBarCH2.钢筋和混凝土材料的基本性能结合钢筋应力-应变曲线和钢筋混凝土梁受力特点说明“为何将屈服强度作为钢筋强度设计值的依据，而不是极限抗拉强度？”任务2.1PerformanceofSteelBarCH2.钢筋和混凝土材料的基本性能PPAB’BCDEUltimatestressfu

Yieldingstressfy

钢筋的力学性能指标Indexofmechanicalpropertiesfyfu--屈服强度---极限抗拉强度fy/fu---屈强比强度储备塑性指标（延伸率elongation）冷弯性能强度指标strengthIndexPlasticityindexcold-formedcapacityultimatetensilestrengthyieldingstrength均匀伸长率CH2.钢筋和混凝土材料的基本性能2.1PerformanceofSteelBar回顾强度要求：保证经济性。屈服强度和极限抗拉强度，还要求有适当的屈强比。塑性要求：保证结构延性，给人以破坏的预兆。伸长率和冷弯要求。可焊性：钢筋焊接后不产生裂纹及过大的变形，保证焊接后的接头性能良好。与混凝土的粘结性：保证钢筋和混凝土共同工作。4混凝土结构对钢筋性能的要求耐久性和耐火性：设置必要的混凝土保护层。CH2.钢筋和混凝土材料的基本性能2.1PerformanceofSteelBar可焊性刻痕钢丝混凝土＝水泥＋水＋骨料混凝土是多空隙、不均匀的物体，内部存在许多微裂纹水化过程长，性能需较长时间才能稳定Concrete＝cement＋water＋aggregatesCH2.钢筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcrete混凝土的组成特点CompositionfeatureofConcreteCubecompressivestrengthPrismcompressivestrengthTensilestrengthCompressivestrengthunderbi-axialortri-axialloadsCH2.钢筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcreteEmphasis

：thestrengthofconcreteEmphasis

：thedeformationofconcreteDeformationofconcreteunderaxialandtri-axialcompressiveloads

试验证明，结构混凝土在承受荷载或外应力之前，内部就已经存在少量、分散的微裂缝，宽(2~5)×10-3、最长(1~2mm)，其主要原因是在混凝土的凝固过程中，粗骨料和水泥砂浆的收缩差和不均匀温湿度场所产生的微观应力场。2.2.1.StrengthofConcreteCH2.钢筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcrete在逐渐受压过程中，混凝土试块的破坏是内部微裂缝逐渐发展(Extensionofmicro-cracks)的结果。粘结裂缝混凝土加载前的内部微裂缝s=0.85smaxs=0.65smax粘结裂缝s=smaxs=0

混凝土试块从开始受力直到极限荷载，混凝土内的微裂缝逐渐增多和扩展，可以分作三个阶段：CH2.钢筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcrete微裂缝不发展微裂缝扩展微裂缝非稳定发展混凝土破坏用X光观测的混凝土单轴受压的裂缝过程2.2.1.StrengthofConcretes=0.85smaxs=0.65smax粘结裂缝s=smaxs=0CH2.钢筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcrete微裂缝不发展微裂缝扩展微裂缝非稳定发展混凝土破坏结论：混凝土受压破坏是由于混凝土内裂缝的扩展所致。如果对混凝土的横向变形加以约束，限制裂缝的开展，则可以提高混凝土纵向抗压强度。2.2.1.StrengthofConcrete立方体抗压强度(CubeCompressiveStrength)

fcu1）单轴受力状态下的混凝土强度（underaxialloads）CH2.钢筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcrete2.2.1.StrengthofConcrete轴心抗压强度(AxialCompressiveStrength)

fc轴心抗拉强度(AxialTensileStrength)

ft承压板试块温度：20±3℃相对湿度：≥90％标准条件养护28d标准试验方法抗压强度边长为150mm的标准立方体试块加载速度：0.15～0.25MPa/s全截面受力，表面不涂润滑剂CH2.钢筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcreteCubecompressivestrengthfcu影响因素一：润滑剂(lubricant)摩擦力friction不涂润滑剂涂润滑剂套箍效应强度大于立方体抗压强度影响因素(Factorsthataffectthecubestrength)Thefrictionbetweentheheadsofthetestingmachineandthespecimenofferssomelateralconstrainttorestrictthelateralexpansionofthespecimenunderpressure,sothespecimencantakeahighercompressivestrength.承压板试块CH2.钢筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcrete影响因素二：尺寸(Size)尺寸效应标准试块150×150×150非标准试块100×100×100非标准试块200×200×2001.05:1:0.95尺寸越大,内部缺陷较多;尺寸越大，套箍作用越不明显。试块尺寸越大，实测破坏强度越低。Thesmallerthesizeofthespecimen,thehigherthecompressivestrength.CH2.钢筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcrete立方体抗压强度影响因素(Factorsthataffectthecubestrength)影响因素三：加载速度Theloadingspeed加载速度快，内部微裂纹来不及扩展实测强度提高

Theloadingspeedincreasesmorerapidlyduringthetest,thecompressivestrengthwillbehigher.CH2.钢筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcrete立方体抗压强度影响因素(Factorsthataffectthecubestrength)

另外，影响因素还有龄期、养护条件、材料组成、试件形状以及试验方法等。CH2.钢筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcrete

因此，在建立混凝土的强度时，需要规定一个统一的标准作为依据。温度：20±3℃相对湿度：≥90％边长为150mm的标准立方体试块标准条件养护28d标准试验方法加载速度：0.15～0.25MPa/s全截面受力，表面不涂润滑剂抗压强度Cubecompressivestrengthfcu具有95％保证率的立方体抗压强度标准值(N/mm2)14gradesC15

C20

C25

C30

C35

C40

C45C50

C55

C60

C65

C70

C75

C80高强混凝土代表Concrete立方体抗压强度标准值fcu,kCH2.钢筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcrete混凝土的强度等级strengthgradeofconcrete按立方体抗压强度标准值fcu,k确定概率密度材料强度强度平均值强度标准值承压板试块

抗压强度与试件形状有关，实际构件往往是棱柱体，棱柱体抗压强度比立方体试件能更好地反映混凝土的实际抗压能力。真实反映混凝土的实际工作状态CH2.钢筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcreteAxialcompressivestrengthfc

试件长度不宜过小或过大：①摆脱端部摩擦力的影响；②试件不致失稳或发生较大弯曲变形。Standardspecimen

:150×150×300(450)mmCH2.钢筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcrete

试验量测到fc值比fcu值小，并且棱柱体试件高宽比(即h/b)越大，它的强度越小。承压板试块Axialcompressivestrengthfc

中部横向变形不受端部摩擦力的约束，代表了混凝土处于单向全截面均匀受压的应力状态。真实反映混凝土的实际工作状态

通过大量比对试验，可建立fc值与fcu值之间的关系式。

fc与

fcu

的关系立方体抗压强度试验平均值脆性折减系数：C40以下：C80：考虑实际构件的工作条件与试件所处条件的差异引入的修正系数CH2.钢筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcretefc与

fcu的关系曲线Axialtensilestrengthft

由于混凝土构件内部的不均匀性，加之安装试件偏差的原因，通过直接受拉试验测量抗拉强度是很困难的，试验数据离散性很大。100100150150500

直接测试法

误差大难实现CH2.钢筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcrete混凝土的抗裂、抗剪、抗扭、抗冲切等与之有关。试验方法未统一。ddftsFFFF根据弹性力学知识试件中间垂直截面除加力点附近很小的范围外，有均匀分布的水平拉应力。当拉应力达到混凝土的抗拉强度时，试件被劈成两半。CH2.钢筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcreteAxialtensilestrengthft劈裂试验(splittingtest)CH2.钢筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcreteAxialtensilestrengthft抗折试验(bendingtest)Standardspecimen

:150×150×500~600mmfr=Mu/Wft与fcu之间的换算关系——混凝土的脆性系数，当混凝土的强度等级不大于C40时，=1.0；当混凝土的强度等级为C80时，=0.87；其间按线性插值。

0.88——考虑结构中的混凝土强度与试块混凝上强度之间的差异等因素的修正系数。为轴心抗拉强度与立方体抗压强度的折算关系。CH2.钢筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcreteft=0.395双轴应力下的强度underbi-axialload2）复合受力状态下混凝土的强度underbi-axialortri-axialloads①双向受拉，σ1与σ2的相互影响不大，双向受拉强度均接近于单向受拉强度。②一向受拉，另一向受压，混凝土强度均低于单向拉伸或压缩的强度，即双向异号应力使强度降低。③双向受压，一向强度随另一向应力的增加而增加。CH2.钢筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcrete三向受压时的强度undertri-axialload3=fcc’3=fcc’1=2=fLfL----侧向约束压应力（加液压）三轴受压试验StrengthwithlateralconstraintStrengthwithoutlateralconstraint混凝土一向抗压强度随另两向侧压力的增加而提高，同时轴向变形能力也明显提高试验系数，<C50为1.0；C80为0.85；其间线性内插。CH2.钢筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcrete2）复合受力状态下混凝土的强度underbi-axialortri-axialloads

对于纵向受压的混凝土，约束混凝土的侧向变形，可使混凝土的抗压强度和延性有较大提高。实际工程中常用钢管混凝土柱、螺旋钢箍柱。CH2.钢筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcreteCH2.钢筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcreteCH2.钢筋和混凝土材料的基本性能CH2.钢筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcrete2.2.2Deformationbehaviorofconcrete混凝土的变形

体积变形受力变形一次短期加载下的变形荷载长期作用下的变形多次重复荷载作用下的变形硬化过程中的收缩变形温湿度变化引起的变形CH2.钢筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcrete受压应力-应变关系Stress-strainrelationshipunderaxialcompressiveload作用是峰值应力后，吸收试验机的变形能，测出下降段。1）一次短期加载下的变形棱柱体试块骨料和水泥结晶体弹性变形内部微裂缝稳定扩展内部微裂缝非稳定扩展峰值应变(peakstrain)ε0取0.002裂缝迅速发展，内部整体性严重破坏极限压应变(ultimatestrain)εu取0.0033CH2.钢筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcrete百分表(MPa)fco0(10-3)abcd225201510546810混凝土强度提高加载速度减慢影响因素(Factors)GradeofconcreteLoadingspeedTheconditionoflateralconstraintCH2.钢筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcrete1）一次短期加载下的变形CH2.钢筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcrete受拉应力-应变关系Stress-strainrelationshipundertensionloadCH2.钢筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcrete1）一次短期加载下的变形极限拉应变(ultimatestrain)εt取1.5×10-4Stress-strainrelationshipunderrepeatedload破坏fcf321fcf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2）重复荷载下混凝土的变形性能

ThedeformationperformanceunderrepeatedloadCH2.钢筋和混凝土材料的基本性能