混凝土结构材料的物理力学性能三

2混凝土结构材料的物理力学性能

2.1钢筋

2.2混凝土

2.3钢筋与混凝土的相互作用粘结力本章目录及内容提要目录

2.1

2.2

2.3

Fe

C

Si、Mn

S、P

合金元素2.1

钢筋2.1.1钢筋的品种和级别1）钢筋的成分

目录

2.1

2.2

2.32）钢筋的品种

碳素钢

(C%)按化学成分

普通低合金钢<0.25%--低碳钢

0.25~0.6%--中碳钢

>0.6%(0.6~1.4%)--高碳钢目录

2.1

2.2

2.3软钢

有明显屈服台阶变形性能好

eg：热轧钢筋

硬钢

无明显屈服台阶

eg：高强钢丝、钢绞线、热处理钢筋、冷加工钢筋

按

s-e曲线

目录

2.1

2.2

2.3按钢筋的外形

光面钢筋eg：HPB300级变形钢筋（螺纹人字形月牙纹）；

钢绞线（7股）预应力螺纹钢筋（精轧螺纹钢筋）光面钢筋螺旋肋钢丝月牙纹钢筋目录

2.1

2.2

2.31热轧钢筋---------低碳钢、普通低合金钢或细晶粒钢在高温状态下轧制而成

HPB300级（）、

HRB335级（）、HRBF335级（）、

HRB400级（）、

HRBF400级（）、RRB400级（）

HRB500级（）和HRBF500级（）2中强度预应力钢丝：抗拉强度为800~1270MPa，外形有光面（）和螺旋肋（）两种

3消除应力钢丝：抗拉强度为1470~1860MPa，外形也有光面（）和螺旋肋（）两种

4钢绞线（）：是由多根高强钢丝扭结而成，常用的有1×7（7股）和1×3（3股）等，抗拉强度为1570~1960MPa5预应力螺纹钢筋（）：按生产工艺目录

2.1

2.2

2.3细晶粒钢筋冷加工钢筋冶金行业近年来研制开发出细粒的金相组织，达到与添加合金元素相同的效果，强度和延性完全满足混凝土结构对钢筋性能的要求。细晶粒钢筋，这种钢筋不需要添加或只需添加很少的合金元素，通过控制轧钢的温度形成细晶。《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）未列入冷加工钢筋，工程应用时可按相关的冷加工钢筋技术标准执行目录

2.1

2.2

2.32.1.2钢筋强度和变形钢筋的应力-应变曲线1）软钢拉伸时的典型应力-应变曲线目录

2.12.2

2.3四阶段：

cf---屈服阶段

df---强化阶段

de---颈缩阶段三变形：

d--断后伸长率(d

5或d

10,

d

100)

（d

只能反映钢筋残余变形的大小，忽略了钢筋的弹性变形，不能反映钢筋受力时的总体变形能力；人为误差大。）

dgt---均匀伸长率

ey----屈服应变0a—弹性阶段四阶段：

cf---屈服阶段

df---强化阶段

de---颈缩阶段目录

2.1

2.2

2.3

dgt的测定图2.4钢筋最大力下的总伸长率dgt既能反映钢筋的残余变形，又能反映钢筋的弹性变形，量测结果受原始标距L0的影响较小，也不产生人为误差。因此GB50010-2010采用dgt来统一评定钢筋的塑性性能。图2.5最大力下的总伸长率的量测方法

目录

2.1

2.2

2.3钢筋的强屈比（极限抗拉强强度与屈服强强度的比值））表示结构的的可靠性潜力力，在抗震结结构中考虑到到受拉钢筋可可能进入强化化阶段，要求求强屈比不小于于1.25。钢筋的强屈比目录2.12.22.32）硬钢拉伸s-e曲线图2.3无明显屈服点点钢筋的应力力应变曲线条件屈服强度度：《规范》规定对无明显显屈服点的钢钢筋，条件屈屈服强度取极极限抗拉强度度的0.85倍。目录2.12.22.33）钢筋受压s-e曲线软钢和硬钢受受压s-e曲线与其受拉拉时s-e曲线基本相同同，不同之处在于于：钢筋受压时由由于试件发生生明显的横向向塑性变形，，截面面积增增大，不会发发生材料破坏坏，难以得出出明显的极限限抗压强度。。目录2.12.22.3概念：钢筋的冷弯性性能是将直径径为d的钢筋绕直径径为D的弯芯进行弯弯折（图2.6），在达到规规定冷弯角度a时，钢筋不发发生裂纹、断断裂或起层现现象。意义：冷弯性能也是是评是钢筋塑塑性的指标，，是检验钢筋筋韧性、内部部质量和加工工可适性的有有效方法，弯弯芯的直径D越小，弯折角角a越大，说明钢钢筋的塑性越越好。钢筋的冷弯性性能目录2.12.22.3软钢------屈服强度、极极限抗拉强度度、伸长率和和冷弯性能四四项。硬钢-------极限抗拉强度度、伸长率和和冷弯性能三三项。对在混凝土结结构中应用的的热轧钢筋和和预应筋的具具体性能要求求见有关国家家标准，如《钢筋混凝土用用钢》GB1499、《预应力混凝土土用钢丝》GB/T5223等。检验指标目录2.12.22.3概念：钢筋的疲劳劳是指钢筋在在承受重复、、周期性的动荷载作用用下，经过一一定次数后，，从塑性破坏变成脆性突突然断裂的破破坏现象。eg吊车梁、桥面板、轨枕枕。钢筋的疲劳强强度是指在某一规规定的应力幅幅内，经受一一定次数（我我国规定为200万次）循环荷荷载后发生疲疲劳破坏的最最大应力值。。2.1.3钢筋的疲劳目录2.12.22.3由于钢筋内部部和外表面的的缺陷引起应应力集中，钢钢筋中晶粒发发生滑移，产产生疲劳裂纹纹，最后断裂裂。疲劳应力幅、、最小应力值值的大小，钢钢筋外表面几几何形状，钢钢筋直径，钢钢筋强度和试试验方法等。。我国《混凝土结构设设计规范》规定了不同等等级钢筋的疲疲劳应力幅度度限值，并规规定该值与截截面同一纤维维上钢筋最小小应力与最大大应力的比值值有关，rf称为疲劳应力力比。对预应力钢筋筋，当rf≥0.9时，可不进行行疲劳强度验验算。疲劳破坏的原原因影响钢筋疲劳劳强度的因素素目录2.12.22.32.1.4混凝土结构对对钢筋性能的的要求钢筋的强度----屈服强度及极极限抗拉强度度钢筋的塑性------伸长率和冷弯弯性能合格。。GB50010-2010和相关的国家家标准中对各各种钢筋的伸伸长率（dgt）和冷弯性能能均有明确规规定。钢筋的可焊性-----在一定的工艺艺条件下钢筋筋焊接后不产产生裂纹及过过大的变形，，保证焊接后后的接头性能能良好。钢筋与混凝土土的粘结力Back目录2.12.22.32.2混凝土2.2.1混凝土的组成成结构水泥+水+砂（细骨料））+石材（粗骨料料）+外加剂混凝土内微缝缝坏情况人工石材目录2.12.22.3按标准方法制作的边长为为150mm的立方体试件件，在标准条条件下养护，，用标准试验验方法测得的的具有95%保证率的抗压压强度值（以以N/mm2计）称为混凝凝土的立方体体抗压强度等等级。我国规规范采用立方方体抗压强度度作为评定混混凝土强度等等级的标准。。标准试验方法法：不涂润滑油油，加载速度度为：混凝土土强度低于C30时，取0.3~0.5N/mm2/sec；混凝土强度度不低于C30时，取0.5~0.8N/mm2/sec。标准养护条件件：温度20±3℃、相对湿度在在90%以上的潮湿空空气环境，规规定的试验龄龄期为28d。2.2.2混凝土的强度度1.立方体抗压强强度fcu目录2.12.22.3混凝土强度等等级有14级：分别为C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75和C80。符号“C”代表混凝土，后面的数字表示混凝凝土的立方体体抗压强度的标标准值（以N/mm2计），例如C60表示混凝土立方体抗压强强度标准值为为60N/mm2。图2.8混凝土立方体体试件破坏情情况涂润滑油无润滑油目录2.12.22.3用混凝土棱柱柱体试件测得得的抗压强度度称为混凝土土的轴心抗压压强度，也称称棱柱体抗压压强度。h/b，测得的强度度，但当当h/b达到一定值后后，这种影响响就不明显了了。试验表明，当当h/b由12时，抗压强度度降低很快；；我国规范以150mm××150mm×300mm的棱柱体为混混凝土轴心抗抗压强度试验验的标准试件件。2.轴心抗压强度度fc但当h/b由24时，其抗压强强度变化不大大。目录2.12.22.3图2.10混凝土棱柱体体抗压试验和和试件破坏情情况图2.11混凝土轴心抗抗压强度与立立方体抗压强强度的关系目录2.12.22.3《混凝土结构设设计规范》采用的混凝土土轴心抗压强度标准值fck与立方体抗压压强度标准值值fcu,k之间的换算关系为为：ac1—混凝土轴心心抗压强度度立方体抗抗压强度的的比值，当混凝土土强度等级级不大于C50时，ac1=0.76；当混凝土土强度等级级为C80时，ac1=0.82；当混凝土土强度等级级为中间值值时，按线线性变化插插值；ac2—混凝土的脆脆性系数，当混凝土土强度等级级不大于C40时，ac2=1.0；当混凝土土强度等级级为C80时，ac2=0.87；当混凝土土强度等级级为中间值值时，按线线性变化插插值；0.88—考虑结构中中的混凝土土强度与立立方体试件件混凝土强度差差异等因素素的修正系数。目录2.12.22.3轴心抗拉强强度ft直接拉伸试试验劈拉强度ft，sft<<fc，ft/fc=1/10~1/20，fcu,ft/fc3.混凝土的抗抗拉强度目录2.12.22.3我国规范采采用轴心抗抗拉强度ft作为混凝土土抗拉强度度的代表值值。据试验结果果，《规范》采用的ftk与fcu,k间的换算关关系为：目录2.12.22.3（图中第三象象限），一向的的抗压强度度随另一向向压应力的的增大（图中第一象象限），一个方方向的抗拉拉强度受另另一方向拉拉应力的影影响不明显显，其抗拉拉强度接近近于单向抗抗拉强度。。（图中第二、、四象限），抗压强强度随拉应应力的增大大而降低，，同样抗抗拉强度也也随压应力力的增大而而降低，其其抗压或抗抗拉强度均均不超过相相应的单轴轴强度。双向受压时时双向受拉时时一向受拉另另一向受压压时4.混凝土在复复合应力作作用下的强强度（1）混凝土的的双向受力力强度图2.14混凝土双向向应力强度度而增大目录2.12.22.3可以看出混混凝土的抗剪强度随随拉应力的的增大当压应力小于0.6fc时，当压应力大于0.6fc时，由于剪应力力的存在，，其抗压强强度和抗拉拉强度均低低于相应的的单轴强度度。图2.15混凝土在正正应力和剪剪应力共同同作用下的的强度曲线线（2）混凝土在在正应力和和剪应力共共同作用下下的强度抗剪强度随压应力的的增大抗剪强度随压应力的的增大而减小；而增大；而减小。目录2.12.22.3（3）混凝土的的三向受压压强度混凝土三向向受压时，，一向抗压压强度随另另两向压应应力的增加加而增大，并且混凝凝土受压的的极限变形形也大大增增加。由试验结果果得到的经经验公式为为：—在等侧向压压应力s2作用下混凝凝土圆柱体体抗压强度度；—无侧向压应应力时混凝凝土圆柱体体抗压强度度。k—为侧向压应应力系数，，根据试验验结果取k=4.5~7.0，平均值为为5.6，当侧向压压应力较低低时得到的的系数值较较高。目录2.12.22.3受力变形荷载长期作作用下的变变形多次重复荷荷载作用下下的变形非受力变形形收缩膨胀2.2.3混凝土的变变形一次短期加加荷的变形形温度变化产产生的变形形目录2.12.22.3图2.17混凝土棱柱柱体受压应应力应变曲曲线1.混凝土在一一次短期加加荷时的变变形性能（1）混凝土受受压s-e曲线上升段OC,s-e关系接近于于直线，A点为比例极极限（图2.18a）。，B点的应力可可作为混凝凝土长期受受压强度的的依据（图图2.18b）（图2.18c）；C点的应力即即为混凝土土的轴心抗抗压强度fc，相应的应应变称为峰峰值应变e0,对C50及以下的素素混凝土通通常取e0=0002。：凸曲线变为为凹曲线，，出现拐点点D，收敛点E；超过E点后，试件件的贯通主主裂缝已经经很宽，失失去结构意意义。OA段---准弹性阶段段AB段----裂缝稳定扩扩展阶段BC段----裂缝不稳定定扩展阶段段下降段CF目录2.12.22.3混凝土内微微裂缝发展展过程目录2.12.22.3随着混凝土土强度的提提高，上升升段曲线的的直线部分分增大，峰峰值应变e0也有所增大大；但混凝凝土强度越越高，曲线线下降段越越陡，延性性也越差。。不同强度混混凝土的应应力-应变曲线图2.19不同强度混混凝土的应应力应变曲曲线目录2.12.22.3随着加荷速速度的降低低，峰值应应力逐渐减减小，但与与峰值应力力对应的应应变却增大大了，下降降段也变得得平缓一些些。加载速度对对混凝土强强度的影响响图2.20不同应变速速度下混凝凝土的应力力应变曲线线目录2.12.22.3混凝土试件件在一次短短期加荷时时，产生的的横向应变与与纵向应变变的比值，称横向变变形系数nc，又称为泊泊松比。s<0.5fc时，nc为常数；s>0.5fc时，nc；混凝土处于于弹性阶段段时，取nc=0.2。当混凝土土应力较小小时，体积积随压应力力的增大而而减小，当当压应力超超过一定值值后，随压压应力的增增大，体积积又重新增增大，最后后竟然超过过了原来的的体积。(2)横向变形系系数nc图2.23混凝土横向向应变和纵纵向应变的的关系目录2.12.22.3(3)混凝土的变变形模量图2.25混凝土变形形模量的表表示方法弹性模量（（原点模量量）Ec割线模量（（变形模量量）切线模量Ec/，Ec//为变值，随随sc的增大而减减小。目录2.12.22.3图2.26Ec的测定方法法《规范》规定的Ec的测定方法法将棱柱体试试件加荷至至应力0.4fc，反复加荷荷5~10次后，应力力-应变曲线接接近于直线线，该直线线的斜率即即作为弹性性模量的取取值。目录2.12.22.3(4)混凝土的剪切模模量Gc我国规范近似取取Gc=0.4Ec。（5）混凝土轴向受受拉的s-e关系曲线形状与受压压时相似，有上上升和下降段，，曲线原点切线线斜率与受压时时基本一致，峰峰值应力和峰值值应变比受压时时小得多。图2.27不同强度混凝土土的受拉s-e曲线目录2.12.22.3图2.29混凝土多次重复加荷的s-e曲线图2.28混凝土一次加荷荷卸荷的s-e曲线2.混凝土在荷载重重复作用下的变变形性能（疲劳劳变形）目录2.12.22.3当加荷应力s1<fcf时，其一次加荷荷卸荷s-e曲线形成一个环环状，经过多次次重复后，环状状曲线逐渐密合合成一直线。当s3>fcf时，开始时混凝凝土的s-e曲线凸向应力轴轴，在重复加荷荷载过程中逐渐渐变化为凸向应应变轴，不能形形成封闭环；随随着荷载重复次次数的增加，s-e曲线的斜率不断断降低，最后混混凝土试件因严严重开裂或变形形太大而破坏，，这种因荷载重重复作用而引起起的混凝土破坏坏称为混凝土的的疲劳破坏。混凝土能承受荷荷载多次重复作作用而不发生疲疲劳破坏的最大大应力限值称为为混凝土的疲劳劳强度fcf。疲劳破坏目录2.12.22.3徐变：混凝土在在荷载的长期作作用下随时间而而增长的变形。。徐变与时间关系系图2.30混凝土的徐变ece------瞬时弹性应变；；ecr-----徐变；ece´---瞬时恢复应变；；ece"----弹性后效；ecr´---残余应变。3.混凝土在荷载长长期作用下的变变形性能—徐变目录2.12.22.31）内在因因素-----混凝土的组成与与配合比。水泥泥用量大，徐变越大。2）环境影影响-----混凝土的养护条条件以及使用条条件下的温湿度影响。养养护的温度越高高，湿度越大，，水泥水化作用越充分，，徐变就越小。。3）应力条件件的影响-----加荷时施加的初初应力水平和混混凝土的龄期。在在同样的应力水水平下，加荷龄龄期越早，混凝上硬化越不不充分，徐变就就越大；在同样样的加荷龄期条条件件下，施加的初初应力水平越大大，徐变就越大大。影响混凝土徐变变的因素目录2.12.22.3当sc/fc<0.5时，曲线接近等等间距分布，即即徐变值与应力力的大小成正比比，这种徐变称称为线性徐变。通常线性徐变变在两年后趋于于稳定，其渐近近线与时间轴平平行。当sc/fc=0.5~0.8之间时，徐变的的增长较应力增增长为快，这种种徐变称为非线性徐变；当sc>0.8fc以后．这种非线线性徐变住往是是不收敛的，最终将导致致混凝土的破坏坏，如图2.32所示。图2.31压应力与徐变的的关系图图2.32不同应力比值的的徐变时间曲线线徐变的分类目录2.12.22.3使构件的变形增增加；引起应力重分布布；引起预应力损失失。徐变对结构的影影响也有有利的的一面，在某些些情况下，徐变变可减少由于支座不均均匀沉降而产生生的应力，并可可延缓收缩裂缝缝的出现。徐变对工程的影影响收缩：混凝土在在空气中凝结硬硬化过程中体积积减小收缩对工程的影影响：产生收缩缩拉应力，从而而加速裂缝的出出现和开展；在在预应力混凝土土结构中，混凝凝土的收缩将导导致预应力的损损失；对跨度变变化比较敏感的的超静定结构(如拱等)，混凝土的收缩缩还将产生不利利于结构的内力力。膨胀：混凝土在在水中硬化时体体积增大。一般说来，收缩缩值要比膨胀值值大很多。混凝土的膨胀往往往是有利的，，一般可不予考考虑。4.混凝土的收缩、、膨胀和温度变变形Back目录2.12.22.32.3钢筋与混凝土的的相互作用—粘结粘结应力：是沿钢筋纵向存存在于钢筋和混混凝土接触面上上的剪应力。粘结力组成：化学胶结力，摩摩阻力，机械咬咬合力。作用：进行力和变形的的相互传递，保保证钢筋与混凝凝土共同受力、、共同变形的基基础；配筋构造造的基础。大小：粘结应力使钢筋筋应力沿其长度度发生变化，没没有粘结应力，，钢筋应力就不不会发生变化，，反之如果钢筋筋应力没有变化化，就说明不存存在粘结应力。2.3.1粘结的作用与性性质目录2.12.22.32.3.2粘结机理分析变形钢筋与混凝凝土的相互作用用光圆钢筋与混凝凝土的相互作用用目录2.12.22.3钢筋表面形状混凝土强度：tu=kft保护层厚度：c/d,tu钢筋浇注位置钢筋净间距横向钢筋和横向向压力等2.3.3影响粘结强度的的主要因素当钢筋的锚固区作用有侧侧向压应力时，，使粘结强度提提高。目录2.12.22.31.钢筋的锚固长度度式中la—受拉钢筋的锚固固长度；za—锚固长度修正系系数，按下面规规定取用，当多多于一项项时时，可以连乘计计算。经修正的的锚固长度不应应小于基本锚固固长度的0.6倍且不小于200mm。