钢筋和混凝土的材料力学性能.ppt

钢筋和混凝土的力学性能,3.1 混凝土的材料力学性能,3.2 钢筋的材料力学性能,3.3 钢筋和混凝土的粘结力,第 3 章,3.1 混凝土的材料力学性能,3.1.1 混凝土强度,1. 单向应力状态下的混凝土强度,（1）立方体抗压强度 （2）轴心抗压强度 （3）轴心抗拉强度 2. 混凝土的三轴受压强度,1. 单向应力状态下的混凝土强度,影响混凝土强度的因素： （）水泥强度等级、水灰比、骨料的性质 ； （）混凝土配合比、制作方法、养护条件及龄期； （）试件形状、尺寸、试验方法和加载时间。,1）立方体抗压强度 fcu 测定方法 混凝土试验方法规定: 以边长为150mm的立方体为标准试件，在(203)的温度和相对湿度90以上的潮湿空气中养护28d，按照标准试验方法测得的抗压强度作为混凝土的立方体抗压强度，单位为N/mm2。,(1) 立方体抗压强度和强度等级 我国把立方体抗压强度标准值 fcu,k 作为评定混凝土强度等级的标准。,2）立方体抗压强度标准值 fcu,k 混凝土结构设计规范 (GB50010-2002)规定: 用上述标准试验方法测得的具有95保证率的立方体抗压强度作为混凝土的立方体抗压强度标准值，用符号 fcu,k 表示。,3）强度等级的划分及有关规定 混凝土强度等级应按立方体抗压强度标准值 fcu,k 确定。 混凝土强度等级：C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75和C80，共14个等级。 例如，C30表示立方体抗压强度标准值为30N/mm2。其中，C50C80 属高强度混凝土范畴。 规范规定: 钢筋混凝土不应低于C15；当采用HRB335级钢筋时，混凝土不宜低于C20；当采用HRB400和RRB400级钢筋以及承受重复荷载的构件，混凝土强度等级不得低于C20。 预应力混凝土不应低于C30；当采用钢绞线、钢丝、热处理钢筋作预应力钢筋时，混凝土强度等级不宜低于C40。,4）试验方法对立方体抗压强度的影响,图3.1 砼立方体试块的破坏情况 a)不涂润滑剂 b)涂润滑剂,我国规定的标准试验方法：不涂润滑剂。,5）几点说明 按图纸规定的强度等级制作混凝土； 现场制作试块（标养试块、同条件养护试块）； 检验立方体抗压强度是否满足设计要求采用标养试块； 结构实体的环境条件与实验室养护条件不同，必须增加同条件养护试块予以判定结构实体的强度； 不同尺寸试件的“尺寸效应” : fcu，k(200)1.05 = fcu，k(150) =fcu，k(100)0.95,(2) 轴心抗压强度,1)测定方法 以150mm150mm300mm的棱柱体作为标准试件。试件上下表面不涂润滑剂。棱柱体试件的抗压强度都比立方体的强度值小，且棱柱体试件高宽比越大，强度越小。,图. 砼棱柱体抗压试验,2）轴心抗压强度标准值 fck 以 150mm150mm300mm 的棱柱体试件试验测得的具有95保证率的抗压强度为混凝土轴心抗压强度标准值，用符号 fck 表示。 3）轴心抗压强度标准值fck与立方体抗压强度标准值fcu,k的关系 fck0.8812fcu,k,（3） 轴心抗拉强度,1) 测定方法 常用 150mm150mm150mm立方体或圆柱体的劈裂试验来间接测定。,砼劈裂试验示意图,2) 轴拉强度 ftk 与立方体抗压强度 fcu,k 的关系 轴心抗拉强度约为立方体抗压强度的5%10%，混凝土强度等级愈高，这个比值愈小。 ftk0.880.395 fcu,k0.55(1-1.645) 0.45 2,混凝土轴心抗压强度标准值 fck、轴心抗拉强度标准值 ftk 按表.采用。,混凝土轴心抗压强度设计值 fc、轴心抗拉强度设计值 ft 按表 2.4 采用。,3.混凝土的三轴受压强度,混凝土在三轴受压情况下 ， 抗压强度fcc有较大程度的增长 。 常规三轴受压是在圆柱体周围加液压，在两侧向等压 (2=3= fL0) 情况下进行。试验得到的经验公式为： fcc fc+ (4.57.0)fL 式中 fcc 有侧向压力约束试件的轴心抗压强度； fc 无侧向压力约束试件的轴心抗压强度； fL 侧向约束压应力。,3.混凝土的三轴受压强度,常见工程范例： 螺旋箍筋柱、钢管混凝土柱 螺旋箍筋、钢管约束混凝土的侧向变形, 以提高混凝土的抗压强度和延性。,3.1.2 混凝土的变形,包括：受力变形和体积变形。 受力变形: 混凝土在一次短期加载、荷载长期作用、多次重复荷载作用下产生的变形。 体积变形: 混凝土由于硬化过程中的收缩以及温度和湿度变化所产生的变形。,1. 混凝土在一次短期加载下的变形,（1）采用棱柱体测定：混凝土受压应力应变全曲线。 这条曲线包括上升段和下降段两个部分：,1）上升段（OC），又可分为三段：,OA段 (0.3fc 0.4fc )：主要是弹性变形，应力一应变关系接近直线，A点为比例极限点； AB段 (0.3fc0.8fc )：裂缝稳定扩展，混凝土的变形为弹塑性变形，临界点B的应力可以作为长期抗压强度的依据； BC段 (0.8fcfc )：裂缝快速发展的不稳定状态直至峰点C，峰值应力max通常作为混凝土棱柱体的抗压强度fc，相应的应变称为峰值应变0，通常取0=0.002。,2）下降段（CE）：,在峰值应力以后，裂缝迅速发展，试件应力下降，应力一应变曲线向下弯曲，直到凹向发生改变，曲线出现“拐点（D）”，标志试件破坏。相应的应变称为极限应变CU，通常取CU=0.0033。 超过“拐点”，曲线开始凸向应变轴，此段曲线中曲率最大的一点E称为“收敛点”。从收敛点E开始以后的曲线称为收敛段，这时贯通的主裂缝已很宽，对无侧向约束的混凝土，收敛段EF已失去结构意义。,(2) 混凝土单轴向受压应力-应变曲线的数学模型,图中 fc 峰值应力（棱柱体极限抗压强度）； 0 峰值应变，取0 =0.002； cu 极限压应变，取cu =0.0033,2. 混凝土的变形模量,与弹性材料不同，混凝土受压应力-应变关系是一条曲线。混凝土的变形模量三种表示方法：,图3.7 混凝土变形模量的表示方法,（1) 混凝土的弹性模量（即原点模量）,在原点（图中的O点）作一切线，其斜率为混凝土的原点模量，称为弹性模量Ec。 Ectg 0 混凝土的弹性模量Ec取值见表.,(2) 混凝土的变形模量,连接O点至曲线任一点割线的斜率，称为割线模量或变形模量。包含弹性变形和塑性变形两部分，也称为弹塑性模量，变形模量是个变值。 E,ctg 1 Ec,(3) 混凝土的剪变模量 Gc 0.4 Ec,2. 混凝土在长期荷载作用下的变形(徐变),（1) 徐变的概念 荷载不变，变形随时间增长的现象称为徐变。徐变值约为1-4倍瞬时应变。混凝土的徐变主要与时间参数有关。,(2) 影响徐变的因素 1) 内在因素 混凝土组成成分 a) 水泥用量越多，徐变越大； b) 水灰比越大，徐变越大； c) 骨料越坚硬，徐变越小。,2) 环境因素 养护时的温度、湿度 养护时温度高、湿度大，徐变越小； 3) 应力条件 混凝土的应力大小 混凝土的应力越大，徐变也越大。,4. 混凝土的收缩,混凝土凝结硬化时，在空气中体积收缩。 蒸汽养护混凝土的收缩值要小于常温养护下的收缩值。,养护不好，混凝土构件表面或水泥地面会出现收缩裂缝。,影响混凝土收缩的因素：,(1) 水泥强度等级：强度等级越高，混凝土收缩越大； (2) 水泥的用量：水泥越多，收缩越大； (3) 水灰比：水灰比越大，收缩也越大； (3) 骨料：级配越好、弹性模量越大，收缩越小； (4) 养护条件：养护温度、湿度越高，收缩越小； (5) 混凝土制作方法：混凝土越密实，收缩越小； (6) 使用环境：温度越低、湿度越大，收缩越小； (7) 构件的体积与表面积比值：比值越大，收缩越小。,3.2 钢筋的材料力学性能,3.2.1 钢筋的形式、品种和级别 1. 钢筋按化学成分分类 (1) 碳素结构钢 碳素结构钢分为：低碳钢（含碳量0.25)、中碳钢 （含碳量0. 250.6）和高碳钢（含碳量0.61.4）。 含碳量越高，强度越高，但塑性和可焊性降低。 (2 )普通低合金钢 在碳素结构钢中，加入少量的硅、锰、钛、钒、铬等合 金元素，可有效提高钢材性能。,2. 钢筋的种类及选用,3. 我国常见钢筋外形,3.2.2 钢筋的材料力学性能,钢筋按力学性能的不同，分为有物理屈服点的钢筋和无物理屈服点的钢筋。 有物理屈服点的钢筋（软钢）： 热轧低碳钢筋HPB235级和热轧低合金钢筋HRB335级、HRB400级、RRB400级； 无物理屈服点的钢筋（硬钢）： 钢丝、钢绞线、热处理钢筋。,有物理屈服点的钢筋的强度和变形 （1） 应力一应变关系曲线,1) OA段 弹性阶段 2) AC段 屈服阶段 3) CD段 强化阶段 4) DE段 颈缩阶段,(2) 强度指标,1) 屈服强度 fy : 有物理屈服点的钢筋到达屈服点后，会产生很大的塑性变形，使构件出现很大的变形和过宽的裂缝，以致不能使用。在计算承载力时以屈服强度fy作为钢筋强度标准值； 2) 极限抗拉强度fu : 在抗震结构设计中，要求结构在罕遇地震下“裂而不倒”, 钢筋应力可考虑进入强化段, 要求极限抗拉强度 fu 1.25 fy 。,（3）塑性指标,1）伸长率：钢筋拉断后的伸长值与原长的比率。伸长率越大，塑性越好。伸长率最小值可参照国家标准。 2) 冷弯性能: 将直径为d 的钢筋绕直径为D的弯芯，弯曲到规定的角度后无裂纹、断裂及起层现象，则表示合格。 弯芯直径D越小，弯转角越大，说明钢筋的塑性越好。 相应的弯芯直径及弯转角可参照相应的国家标准。,2. 无物理屈服点的钢筋的强度和变形,(1) 应力-应变曲线(-曲线) 条件屈服点：在承载力设计时，取极限抗拉强度b的 85 作为 条件屈服点。 (2) 强度指标: 极限抗拉强度b (3) 塑性指标: 伸长率和冷弯性能。,热扎钢筋强度标准值见表3.3；预应力钢筋强度标准值见表3.4；钢筋弹性模量见表3.5。,3. 钢筋应力-应变曲线的数学模型,理想弹塑性材料的应力应变关系： 当sy时： s=Ess （3.9） 当ysstu时： s=fy （3.10） 式中 s钢筋应变为s时的钢筋应力； fy 钢筋的屈服强度； y 钢筋应力达到fy时对应的钢筋应变； stu纵向受拉钢筋的极限拉应变stu，取为0.01； Es 钢筋弹性模量。,一、钢筋混凝土概念,二、共同工作原理,3.3 钢筋和混凝土的粘结力,是钢筋和混凝土组成的建筑材料。,3. 砼保护钢筋（防锈、防火）,钢筋和砼线膨胀系数接近,钢筋和砼之间存在粘结力,素混凝土梁,钢筋混凝土梁：受拉区配220钢筋,F=13.4KN 截面开裂并破坏,Fcr=15 KN 截面开裂;,Fu=87KN 截面破坏。,梁的承载力大大提高，梁的受力性能改善。,示例,3.3.1 粘结力及其组成 钢筋混凝土受力后会沿钢筋和混凝土接触面上产生剪力，通常把这种剪力称为粘结力。由三部分组成： (1) 胶结力：钢筋与混凝土接触面上的化学吸附力； (2) 摩阻力：混凝土收缩握裹钢筋而产生摩阻力； (3) 机械咬合力：钢筋表面凹凸不平产生机械咬合力。,3.3.2 粘结强度的影响因素,主要影响因素有: 混凝土强度、钢筋表面形状、保护层厚度和钢筋净距、横向钢筋、横向压力、钢筋位置等。 (1) 混凝土强度 混凝土强度等级越高，粘结强度越大。,（2）钢筋表面形状 变形钢筋的粘结强度大于光圆钢筋。 (3) 保护层厚度和钢筋净间距 增大保护层厚度或钢筋净距，可以提高混凝土的劈裂抗力。 (4) 横向配筋 横向钢筋（如梁箍筋）可以约束混凝土微裂缝的发展。 (5) 横向压力 如支座梁端锚固区，横向压力使钢筋与混凝间摩阻力增大。 (6) 浇筑混疑土时钢筋所处的位置 浇筑混凝土深度过大时（超过300mm），梁上部钢筋底面的混凝土会沉淀收缩，出现疏松空隙层，粘结强度降低。,3.3.3 保证粘结的构造措施 规范规定：不进行粘结计算，用构造措施保证。 保证粘结的构造措施有如下几个方面： (1) 保证最小搭接长度和锚固长度； (2) 满足钢筋最小间距和保护层最小厚度要求； (3) 钢筋的搭接接头范围内应加密箍筋； (4) 钢筋端部应设置弯钩； (5) 浇注大深度混凝土时，应分层浇注或二次浇捣； (6) 一般除重锈钢筋外，可不必除锈。,说明1： 钢筋的强度设计值,钢筋的强度设计值,（1）热轧钢筋强度设计值：,（）预应力钢筋强度设计值：,见表2.5,见表2.6,说明2： 钢筋的截面面积,常规直径：d = 6，8，10，12，14，16，18，20，22， 25，28，32mm。,标准值 分项系数,The End,返回总目录,