钢筋混凝土材料的力学性能

第 二 章钢 筋 混 凝 土 材 料 的 力学 性 能 材料性能1 钢 筋 (1)熟 悉 钢 筋 的 品 种 和 级 别 。 (2)掌 握 钢 筋 的 应 力 一 应 变 全 曲 线 特 性 及 其 数 学 模 型 。 (3)了 解 钢 筋 的 冷 加 工 性 能 以 及 混 凝 土 结 构 对 钢 筋 性 能 的 要 求 。2 混 凝 土 (1)熟 悉 混 凝 土 的 立 方 体 强 度 、 轴 心 抗 压 强 度 、 轴 心 抗 拉 强 度 及 相 互 间 的 关 系 。 (2)掌 握 单 轴 向 受 压 下 混 凝 土 的 应 力 一 应 变 全 曲 线 及 其 数 学 模 型 。 (3)熟 悉 混 凝 土 弹 性 模 量 、 变 形 模 量 的 概 念 。 (4)了 解 重 复 荷 载 下 混 凝 土 的 疲 劳 性 能 以 及 复 合 应 力 状 态 下 混 凝 土 强 度 的 概 念 。 (5)熟 悉 混 凝 土 徐 变 、 收 缩 的 概 念 。 3 钢 筋 与 混 凝 土 的 粘 结 性 能 (1)掌 握 粘 结 的 定 义 、 粘 结 力 的 组 成 、 粘 结 应 力 的 分 布 、 粘 结 应 力 与 相 对 滑 移 的 关 系 等 概 念 。 (2)掌 握 基 本 锚 固 长 度 的 计 算 以 及 保 证 可 靠 粘 结 的 构 造 要 求 。主 要 内 容 及 要 求 材料性能第 二 章 钢 筋 混 凝 土 材 料 的 力 学 性 能l 1.1 钢 筋l 1.2 混 凝 土l 1.3 钢 筋 与 混 凝 土 之 间 的 粘 结l 1.4 保 证 可 靠 粘 结 的 具 体 构 造 措 施l 1.5 砼 对 钢 筋 的 保 护 作 用l 1.6 砼 结 构 的 环 境 类 别 材料性能1.1 钢 筋一 、 钢 筋 成 分 、 品 种 、 级 别二 、 钢 筋 的 强 度 和 变 形三 、 钢 筋 的 冷 加 工 和 热 处 理四 、 钢 筋 混 凝 土 构 件 对 钢 筋 的 性 能 要 求五 、 钢 筋 的 选 用 原 则 材料性能按 化 学 成 分 碳 素 结 构 钢（ 含 碳 量 在 0.8%以 下 ） 低 碳 钢 含 碳 量 0.25%中 碳 钢 含 碳 量 0.25%0.6%高 碳 钢 含 碳 量 0.65%1.4%普 通 低 合 金 钢 (合 金 元 素 总 含 量 0.5fc 徐 变 最 终 仍 收 敛 ， 但 徐 变 系 数 随ci的 增 大 而 增 大 。 徐 变 将 不 收 敛 当 c 0.8fc ， 徐 变 发 展 最 终 导 致 破 坏作 为 混 凝 土 的 长 期 抗 压 强 度 。 0.8fc定 义 徐 变 变 形 cr与 初 始 应 变 ci的 比 值为 徐 变 系 数 ， 即 徐 变 的 性 质 材料性能徐 变 对 结 构 的 影 响 ： 使 构 件 的 变 形 增 加 ； 在 截 面 中 引 起 应 力 重 分 布 ； 在 预 应 力 混 凝 土 结 构 中 引 起 预 应 力 损 失 。 材料性能（ 三 ） 混 凝 土 在 多 次 重 复 荷 载 下 的 应 力 应 变 关 系 如 果 我 们 将 混 凝 土 棱 柱 体 试 块 加 荷 使 其 压 应 力 达 到某 个 数 值 ， 然 后 卸 荷 至 零 ， 并 把 这 一 循 环 多 次 重复 下 去 ， 就 称 为 多 次 重 复 荷 载 。我 们 通 常 把 能 使 试 件 循 环 200万 次 或 次 数 稍 多 时 发 生 破 坏的 压 应 力 称 为 混 凝 土 的 疲 劳 抗 压 强 度 ， 用 符 号 表示 。 f fc 材料性能 材料性能多 次 重 复 荷 载 下 应 力 应 变 曲 线1. 混 凝 土 一 次 加 荷 卸 荷 时 ： 曲 线 与 横 坐 标 成 一 环状 2. 混 凝 土 在 多 次 重 复 荷 载 作 用 下 的 曲 线a. 加 荷 应 力 时 ， 每 次 卸 荷 时 ， 塑 性 变 形 （ 不 可恢 复 变 形 ） 逐 渐 减 小 ， 曲 线 越 来 越 闭 合 成 一 直 线 ；b. 加 荷 应 力 （ 某 一 应 力 ） 时 ， 曲 线 由 凸 向 应 力轴 逐 渐 转 为 凸 向 应 变 轴 ， 标 志 混 凝 土 内 部 微 裂 缝发 展 加 剧 趋 近 破 坏 。 （ 疲 劳 破 坏 ） fcf fcf由 上 述 a、 b可 以 得 出 ， 曲 线 不 同 的 变 化 过 程取 决 于 施 加 应 力 的 大 小 材料性能疲 劳 抗 压 强 度 f fc能 使 试 件 循 环 200万 次 或 次 数 稍 多 时 发 生破 坏 的 压 应 力影 响 疲 劳 抗 压 强 度 的 因 素1、 荷 载 重 复 次 数 和 砼 强 度 等 级2、 重 复 荷 载 应 力 变 化 幅 度 fsfsfs maxmin 在 相 同 的 重 复 次 数 下 ， 砼 的 疲 劳 强 度 随增 加 而 增 大 。 fs 材料性能混 凝 土 在 空 气 中 结 硬 体 积 减 小 的 现 象 。蒸 汽 养 护常 温 养 护 0 5 10 15 200.10.20.30.4收缩(103 ) 时 间 (月 )四 、 混 凝 土 的 非 受 力 变 形收 缩 材料性能混 凝 土 的 收 缩 随 时 间 发 展 的 规 律 混 凝 土 的 收 缩 随 时 间 而 增 长 两 周 可 完 成 全 部 收 缩 的 25%， 一 个 月 可 完 成 50% 整 个 收 缩 过 程 可 延 续 两 年 以 上 混 凝 土 开 裂 时 应 变 约 为 (0.52.7) 10-4， 而 收 缩 应变 终 极 值 约 为 (25) 10-4， 故 收 缩 应 变 如 受 到 约束 ， 极 易 导 致 开 裂 。 材料性能 混 凝 土 收 缩 的 影 响 因 素 环 境 的 温 度 湿 度 构 件 断 面 形 状 及 尺 寸 配 合 比 骨 料 性 质 、 水 泥 性 质 混 凝 土 浇 筑 质 量 、 养 护 条 件 收 缩 的 性 质 自 由 收 缩 ： 对 结 构 没 影 响约 束 收 缩 来 自 内 部 的 钢 筋 约 束来 自 支 座 的 外 部 约 束收 缩 对 结 构 的 影 响 a. 构 件 未 受 荷 之 前 产 生 裂 缝 ；b. 预 应 力 构 件 中 预 应 力 损 失（ 预 应 力 筋 与 混 凝 土 一 同 回 缩引 起 预 应 力 损 失 ） ；c. 超 静 定 结 构 产 生 内 力实 际 工 程 中 ， 一 般 采 用 设 置 施 工 缝 和 构 造 钢 筋 等 措 施 来减 小 收 缩 应 力 的 不 利 影 响 。 混 凝 土 的 膨 胀混 凝 土 在 水 中 硬 结 过 程 体 积 膨 胀 的 现 象 水 下 建 筑 物 材料性能1.3 钢 筋 与 混 凝 土 之 间 的 粘 结一 、 粘 结 的 意 义二 、 粘 结 的 概 念三 、 粘 结 的 分 类四 、 粘 结 的 机 理五 、 光 圆 钢 筋 与 变 形 钢 筋 的 粘 结 性 能六 、 保 证 粘 结 力 的 措 施 材料性能一 、 粘 结 的 意 义 若 梁 中 的 钢 筋 与 混 凝 土 没 有 粘 结 （ 图 (a)） ， 则 在 荷 载 作 用 下 ，钢 筋 不 受 力 ， 该 梁 如 同 素 混 凝 土 梁 。若 梁 中 的 钢 筋 仅 设 置 机 械 锚 固 （ 图 (b)） ， 则 钢 筋 应 力 沿 全 长 相 等 ， 其 受 力 犹 如 二 铰 拱 ， 不 是 梁 的 受 力 状 态 。结 论 ： 只 有 梁 中 的 钢 筋 沿 全 长 与 混 凝 土 有 可 靠 的 粘 结 ， 并 在 端部 有 可 靠 的 锚 固 ， 才 符 合 梁 的 受 力 特 点 钢 筋 与 混 凝 土 之 间 的 粘 结 性 能 是 钢 筋 混 凝 土 构 件 必不 可 少 的 第 三 个 材 料 性 能 ， 是 配 筋 构 造 的 基 础 。 材料性能二 、 粘 结 的 概 念 1、 轴 心 受 拉 构 件 端 部 的 受 力 分 析 （ 轴 向 拉 力 N施 加 在 端 部 的 钢 筋 上 ） 材料性能 端 部 截 面 钢 筋 应 力 s=N/As， 混 凝 土 应 力 c=0,二 者 存 在着 很 大 的 应 变 差 ， 变 形 协 调 关 系 s=c 不 成 立 ； 随 着 距 端 部 截 面 距 离 的 增 加 ， 拉 力 通 过 粘 结 作 用 逐 渐向 混 凝 土 传 递 ， 应 变 差 s-c逐 渐 减 小 经 过 一 定 距 离 lt的 粘 结 作 用 力 传 递 后 ， 应 变 差 s-c=0，变 形 协 调 关 系 成 立 ， 二 者 共 同 受 力 。 由 上 述 分 析 可 知 钢 筋 与 混 凝 土 之 间 具 有 足 够 的 粘 结 是 保 证 二者 共 同 受 力 、 变 形 协 调 的 前 提 。 材料性能2、 粘 结 应 力 的 概 念 和 表 达 式 粘 结 应 力 的 概 念 单 位 界 面 面 积 上 粘 结 作 用 力 沿 钢 筋 轴 线 方向 的 分 力 ， 即 钢 筋 与 混 凝 土 界 面 上 的 粘 结剪 应 力 粘 结 应 力 的 表 达 式 由 图 钢 筋 隔 离 体 的 平 衡 可 得 整 理 可 得 粘 结 应 力 dxdAdA sssss )(从 上 式 我 们 可 以 看 出 钢 筋 应 力 的 变 化 产 生 粘 结 应 力粘 结 应 力 的 大 小 取 决 于 二 者 的 相 对 变 形 （ 滑 移 ） 材料性能三 、 粘 结 的 分 类 1、 锚 固 粘 结 材料性能对 于 存 在 锚 固 粘 结 应 力 的 地 方 ， 必 须 保 证 足 够的 锚 固 长 度 ， 必 要 时 采 取 机 械 锚 固 措 施 ， 避 免产 生 脆 性 粘 结 破 坏 。 材料性能2、 裂 缝 间 粘 结 轴 心 受 拉 构 件 开 裂 前 ， 粘 结 应 力 仅 发 生 在 构 件 端 部 。 开 裂 后 （ 见 图 ） ， 粘 结 应 力 发 生 在 裂 缝 截 面 两 侧 粘 结 应 力 可 以 减 小 裂 缝 宽 度 、提 高 构 件 的 刚 度 材料性能四 、 粘 结 的 机 理 1、 粘 结 作 用 的 组 成 （ 1） 水 泥 胶 体 与 钢 筋 表 面 的 胶 结 力 砼 中 水 泥 砂 浆 的 胶 结 作 用 当 钢 筋 与 混 凝 土 产 生 相 对 滑 动 后 ， 胶 结 作 用 即 丧 失 （ 2） 混 凝 土 与 钢 筋 间 的 摩 擦 力 砼 收 缩 紧 紧 握 裹 而 产 生 的 摩 擦 力 取 决 于 握 裹 力 和 钢 筋 与 混 凝 土 表 面 的 摩 擦 系 数 （ 3） 机 械 咬 合 力 由 于 钢 筋 表 面 凸 凹 不 平 而 产 生 的 机 械 咬 合 力变 形 钢 筋 可 显 著 增 加 钢 筋 与 混 凝 土 的 机 械 咬 合 作 用 材料性能2、 机 械 咬 合 作 用 的 受 力 机 理 变 形 钢 筋 受 力 后 ， 其 凸 出 的 肋 对 混 凝 土 产 生 斜 向 挤 压 力 水 平 分 力 （ 轴 向 拉 力 和 剪 力 ） 使 产 生 内 部 斜 向 锥 形 裂 缝 ， 径 向 分 力 （ 环 向 拉 力 ） 使 产 生 内 部 径 向 裂 缝 。 材料性能3、 变 形 钢 筋 的 粘 结 破 坏 形 态 劈 裂 式 粘 结 破 坏当 混 凝 土 保 护 层 、 钢 筋 间 距 较 小时 ， 径 向 裂 缝 可 发 展 达 到 构 件 表面 ， 且 相 互 贯 通 ， 产 生 劈 裂 式 粘 结 破 坏 。剪 切 型 粘 结 破 坏当 混 凝 土 保 护 层 厚 度 较 大 或 者 配置 有 横 向 钢 筋 时 ， 径 向 裂 缝 的 发展 受 到 限 制 ， 肋 前 部 的 混 凝 土 在 水 平 分 力 和 剪 力 作 用 下 最 终 将 被挤 碎 ， 产 生 所 谓 “ 刮 犁 式 ” 的 剪 切 型 粘 结破 坏 材料性能1、 粘 结 强 度 的 试 验 测 定平 均 粘 结 应 力 ssssu lddlddlAdlF 424 五 、 粘 结 强 度 材料性能2、 影 响 粘 结 强 度 的 主 要 因 素1） 混 凝 土 强 度 ：2） 相 对 保 护 层 厚 度 ：3） 钢 筋 净 间 距 ：4） 横 向 配 筋 ：5） 钢 筋 表 面 特 征 和 外 形 特 征 ：6） 受 力 情 况 ： 混 凝 土 的 粘 结 强 度 与 混 凝 土 抗 拉 强 度 成正 比 ；相 对 保 护 层 c/d 大 ， 混 凝 土 的 侧向 约 束 作 用 增 大 ， 混 凝 土 抵 抗 劈 裂破 坏 的 能 力 也 越 大 ， 粘 结 强 度 越 高 。 横 向 钢 筋 的 存 在 限 制 了 径 向 裂 缝 的 发 展 ， 阻止 了 劈 裂 破 坏 的 发 生 ， 使 粘 结 强 度 得 到 提 高 。 光 面 钢 筋 表 面 凹 凸 较 小 ， 机 械 咬 合 作 用小 ， 粘 结 强 度 低 。 变 形 钢 筋 肋 的 相 对 受 力 面 积 （ 挤 压 混 凝土 的 面 积 与 钢 筋 截 面 积 的 比 值 ） 越 大 ， 其 粘 结 强 度 越 大 。 若 在 锚 固 范 围 内 存 在 侧 压 力 ， 则 可 增大 钢 筋 与 混 凝 土 界 面 的 摩 擦 力 ， 从 而 提高 粘 结 强 度 ； 若 在 锚 固 范 围 内 存 在 剪 力 ， 则 其 产 生的 斜 裂 缝 会 使 锚 固 钢 筋 受 到 销 栓 作 用 而降 低 粘 结 强 度 ； 受 反 复 荷 载 作 用 的 钢 筋 ， 肋 前 肋 后的 混 凝 土 会 被 挤 碎 ， 导 致 咬 合 作 用 降 低 ，从 而 降 低 粘 结 强 度 。 钢 筋 的 粘 结 破 坏 形 态 还 与 钢 筋净 距 s有 关 。 当 钢 筋 净 距 较 大 时 （ s2c） ，可 能 是 保 护 层 劈 裂 ； 当 钢 筋 净 距 较 小 时 （ s28mm， 受 压 钢 筋 直径 32mm， 不 宜 采 用 绑 扎搭 接 。 直 接 承 受 动 力 荷载 的 构 件 ， 宜 采 用 机 械连 接 材料性能控 制 同 一 连 接 区 段 纵 向 钢 筋 接 头 面 积 百 分 率机 械 或 焊 接 接 头 ：不 宜 大 于 50%绑 扎 接 头 ：对 梁 板 类 及 墙 类 构 件 宜 25%；对 柱 类 构 件 宜 50%。 同 一 连 接 区 段 内 有 搭 接 接头 的 纵 向 受 力 钢 筋 截 面 面积 与 全 部 纵 向 受 力 钢 筋 截面 面 积 的 比 值 。 材料性能mmll al 300 3、 绑 扎 搭 接 长 度 ll根 据 位 于 同 一 连 接 区 段 内 的 钢 筋 搭 接 接 头 面积 百 分 率 计 算纵 向 受 拉 钢筋 搭 按 长 度 纵 向 受 拉 钢筋 锚 固 长 度纵 向 受 拉 钢 筋 搭 接 长度 修 正 系 数 ， 见 下 表纵 向 受 拉 钢 筋纵 向 钢 筋 搭 接 接 头 面 积 百 分 率 （ %） 25 50 1001.2 1.4 1.6 材料性能纵 向 受 压 钢 筋 绑 扎 搭 接 长 度受 压 搭 接 长 度 0.7ll ，且 在 任 何 情 况 下 200mm。 材料性能1.5 、 砼 对 钢 筋 的 保 护 作 用使 得 钢 筋 的 耐 久 、 耐 火 性 均 得 到 极 大 提 高 材料性能1.6砼 结 构 的 环 境 类 别 表 1 5 砼 结 构 的 环 境 类 别 环 境 类 别 条 件 一 室 内 正 常 环 境 a 室 内 潮 湿 环 境 ； 非 严 寒 和 非 寒 冷 地 区 的 露 天 环 境 、 与 无侵 蚀 性 的 水 或 土 壤 直 接 接 触 的 环 境 二 b 严 寒 和 寒 冷 地 区 的 露 天 环 境 、 与 无 侵 蚀 性 的 水 或 土 壤 直接 接 触 的 环 境 三 使 用 除 冰 盐 的 环 境 ； 严 寒 和 寒 冷 地 区 冬 季 水 位 变 动 的 环 境 ； 滨 海 空 外 环 境 四 海 水 环 境 五 受 人 为 或 自 然 的 侵 蚀 性 物 质 影 响 的 环 境 混 凝 土 的 耐 久 性 根 据 环 境 类 别 和 设 计 使 用 年 限 决定 。 材料性能小 结1.钢 筋 ： 钢 筋 的 成 份 、 种 类 和 级 别 ， 钢 筋 的 应 力应 变 曲 线 ， 钢 筋 的 塑 性 性 能 ， 钢 筋 的 冷 加 工 。2.混 凝 土 ： 立 方 体 抗 压 强 度 ， 影 响 混 凝 土 强 度 的因 素 ， 轴 心 抗 压 强 度 ， 轴 心 抗 拉 强 度 。 混 凝 土的 变 形 ： 混 凝 土 在 一 次 短 期 加 载 时 的 应 力 应 变性 能 ， 混 凝 土 的 变 形 模 量 。 混 凝 土 的 徐 变 。 混凝 土 的 收 缩 。3.钢 筋 与 混 凝 土 之 间 的 粘 结 力 。