钢筋和混凝土材料的力学性能

,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第一章 钢筋和混凝土材料力学性能,深圳大学土木工程学院交通工程系,周海俊,土木学院C101,Tel:26535403,Email:,混凝土结构基本原理,一、混凝土的强度和变形,1.单轴受力状态下混凝土的抗压强度,立方体抗压强度,f,cu,承压板,试块,摩擦力,不涂润滑剂,涂润滑剂,强度大于,我国规范的方法：不涂润滑剂,压力,试件裂缝发展扩张整个体系解体，丧失承载力,另,影响强度的因素还有：龄期、加载速率、试块尺寸等,一、混凝土的强度和变形,1.单轴受力状态下混凝土的抗压强度,标准试块：150,150 150,非标准试块：100,100 100,换算系数 0.95,2,00,200 200,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：,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（单位MPa）,立方体抗压强度,f,cu,一、混凝土的强度和变形,1.单轴受力状态下混凝土的抗压强度,棱柱体抗压强度,f,c,承压板,试块,标准试块：150,150 450,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，且有：,f,ck,=,f,cu,k,为,0.76,（,C50,以下），,（,C55-C80,）,(,试验结果,),对,国外（美国、日本、欧洲混凝土协会等）采用的圆柱体试件（,d=150,h=300,），,有,f,ck,=0.79,f,cu,k,圆柱体抗压强度,一、混凝土的强度和变形,1.单轴受力状态下混凝土的抗压强度,承压板,试块,在实际工程中，考虑到构件混凝土与试件混凝土因制作工艺、受荷情况和环境条件的不同，按,公路工程结构可靠度统一设计标准,（,GB/T50283-1999,）条文建议说明，取用抗压强度平均换算系数为,0.88,；,并假定构件混凝土抗压强度的变异系数与立方体抗压强度的变异系数相同；,则构件混凝土柱体抗压强度标准值为（设计值*,1.45,）：,f,ck,=0.88*,*,*,f,cu,k,对,国外（美国、日本、欧洲混凝土协会等）采用的圆柱体试件（,d=150,h=300,），有,f,c,=0.79,f,cu,圆柱体抗压强度,脆性折减系数，C40-C80之间按线性插入（p419）,一、混凝土的强度和变形,2.单轴受力状态下混凝土的抗拉强度,直接受拉试验,f,t,100,100,150,150,500,试验结果：,f,t,=0.26,f,cu,2/3,考虑到构件和试件的区别，尺寸效应，加荷速度等的影响，取,f,t,=0.23,f,cu,2/3,一、混凝土的强度和变形,2.单轴受力状态下混凝土的抗拉强度,劈裂试验,f,ts,d,d,f,ts,F,F,F,F,我国根据,100mm,立方体的劈裂与抗压试验结果有：,f,ts,=0.19,f,cu,3/4,一、混凝土的强度和变形,2.复合受力状态下混凝土的抗拉强度,双轴应力下的强度,1.0,1.2,拉,1.0,1.2,-0.125,-0.125,2,/,f,c,1,/,f,c,压,/,f,c,/,f,c,0.2,0.1,-0.1,0.0,0.6,1.0,单轴抗拉强度,单轴抗压强度,双向正应力下的强度曲线,法向应力和剪应力下的强度曲线,一、混凝土的强度和变形,2.复合受力状态下混凝土的抗拉强度,三向受压时的混凝土强度,1,=,f,cc,1,=,f,cc,2,=,3,=,f,L,f,L,-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,一,、混凝土的强度和变形,3.混凝土的疲劳强度,破坏,重复荷载下的应力-应变曲线,f,c,f,3,2,1,疲劳强度,f,c,f,c,f,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,一,、混凝土的强度和变形,4.混凝土的变形性能,(MPa),f,c,o,0,(,10,-3,),a,b,c,d,2,25,20,15,10,5,4,6,8,10,加载速度提高，测得混凝土强度提高,加载速度减慢,单轴受压时的应力-应变关系,作用是：峰值应力后，吸收试验机的变形能，测出下降段,一,、混凝土的强度和变形,4.混凝土的变形性能,单轴受压时的应力-应变关系的数学模型,u,=,0.0038,0,=,0.002,o,c,f,c,c,0.15,f,c,u,=,0.0035,0,=,0.002,o,c,f,c,c,美国Hognestad模型,德国R,sch模型,一,、混凝土的强度和变形,4.混凝土的变形性能,单轴受压时的应力-应变关系的数学模型-中国规范,u,0,o,c,f,c,c,一,、混凝土的强度和变形,4.混凝土的变形性能,侧向受约束时混凝土的变形特点,cu,约束混凝土,非约束混凝土,c,c,f,cc,f,c,E,sec,E,c,c0,2,c0,sp,cc,o,环箍断裂,一,、混凝土的强度和变形,4.混凝土的变形性能,轴向受拉时混凝土的应力应变关系,t,t,o,t0,tu,f,t,t,(MPa),0,(mm),cr,=0.00012,试件：,76,19,305mm,f,c,=44MPa,4,3,2,1,0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06,标距,83mm,理论模型,！,一,、混凝土的强度和变形,4.混凝土的变形性能,重复荷载下混凝土的变形性能,p,e,包络线与一次性加载时的应力-应变曲线相似,一,、混凝土的强度和变形,4.混凝土的变形性能,混凝土的弹性模量,c,c,c,c,e,p,0,1,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0.41.0；,受拉破坏时，为1.0,一,、混凝土的强度和变形,4.混凝土的变形性能,混凝土的弹性模量的试验方法（,150,150,300标准试件,）,c,/,f,c,c,0.5,510次,此线和原点切线基本平行，取其斜率作为,E,c,(p420),一,、混凝土的强度和变形,4.混凝土的变形性能,混凝土的泊松比和剪切模量,混凝土的泊松比，在压力较小时为,0.150.18,，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,一,、混凝土的强度和变形(9月10日),4.混凝土的变形性能,长期荷载作用下混凝土的变形性能-徐变,0.5,1.0,1.5,2.0,2.5,0,5,10,15,20,25,30,35,(,10,-3,),(,月),c,0.5,f,c,，非线性徐变,cr,e,e,e,cr,P,原因之一，胶凝体的粘性流动,原因之二，混凝土内部微裂缝的不断发展,一,、混凝土的强度和变形,4.混凝土的变形性能,长期荷载作用下混凝土的变形性能-,影响徐变的因素,应力：,c,0.5f,c,，,徐变变形与应力成正比,-,线性徐变,0.5f,c,c,0.8f,c,，,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,一,、混凝土的强度和变形,4.混凝土的变形性能,混凝土的收缩-,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、使用环境、体积与表面积的比值等,一,、混凝土的强度和变形,4.混凝土的变形性能,徐变对混凝土结构的影响,P,A,s,P,A,s,s1,c1,P,s2,A,s,s2,P,拆去，钢筋受压混凝土受拉，可能会引起混凝土开裂,徐变：,s,，,c,一,、混凝土的强度和变形,4.混凝土的变形性能,收缩对混凝土结构的影响,A,s,s,A,s,s,收缩：,钢筋受压，混凝土受拉,A,s,课后思考1:,我国规范规定的混凝土立方体抗压强度的定义。(如何由立方体抗压强度到设计强度？)试阐明徐变的概念及其与收缩概念的不同。,二、钢筋的强度和变形,1.钢筋的成分、级别和品种,按化学成分,碳素钢（铁、碳、硅、锰、硫、磷等元素）,低碳钢（含碳量0.25%）,中碳钢（含碳量0.250.6%）,高碳钢（含碳量0.61.4%）,普通低合金钢（另加硅、锰、钛、钒、铬等）,硅系,硅钒系,硅钛系,硅锰系,硅铬系,二、钢筋的强度和变形,1.钢筋的成分、级别和品种,钢筋,热轧钢筋：热轧光面钢筋R235（HPB235），热轧带肋钢筋HRB335、HRB400，余热处理钢筋KL400（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、KL400钢筋通过加热、淬火、回火而成,按加工,第一个字母H代表热轧(Hot rolled)，R 代表余热处理（Remained heat treatment）；第二个字母表示表面形状，P代表光面（plain）、R代表带肋（Ribbed）；第三个字母B代表钢筋（Bar），尾部数字为强度等级,光圆钢筋强度等级代号,二、钢筋的强度和变形,1.钢筋的成分、级别和品种,月牙肋,二、钢筋的强度和变形,1.钢筋的成分、级别和品种,钢丝,碳素钢丝：高碳镇静钢通过多次冷拔、应力消除、矫正、回火处理而成,刻痕钢丝：在钢丝表面刻痕，以增强其与混凝土间的粘结力,钢绞线：七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,二、钢筋的强度和变形,1.钢筋的成分、级别和品种,按表面形状,光圆钢筋,变形钢筋,钢筋的应用范围,非预应力钢筋：R235，HRB335，HRB400，KL400,预应力钢筋：碳素钢丝，刻痕钢丝，钢绞线，热处理钢筋，冷拉钢筋,二、钢筋的强度和变形,2.钢筋的应力-应变曲线,A,B,B,C,D,E,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,二、钢筋的强度和变形,2.钢筋的应力-应变曲线,A,B,B,C,D,E,0.2%,0.2,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可恢复的变形和不可闭合的裂缝，以至不能使用,*,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,二、钢筋的强度和变形,7.钢筋应力-应变曲线的数学模型,s,s,s,=E,s,s,y,s,h,f,y,s,s,s,=E,s,s,y,s,h,f,y,f,s,u,s,u,s,u,s,s,s,=E,s,s,y,f,y,s,h,f,s,u,有明显流幅的钢筋,无明显流幅的钢筋,二、钢筋的强度和变形,2.钢筋的应力-应变曲线,强度指标的确定,强度,随机变量,强度标准值,根据统计资料，运用数理统计方法确定的具有一定保证率（钢筋为97.73%）的统计特征值：,强度标准值=强度平均值-2均方差,概率密度,材料强度,强度平均值,强度标准值,二、钢筋的强度和变形,2.钢筋的应力-应变曲线,A,B,B,C,D,E,0.2%,0.2,变形指标,*,伸长率：钢筋拉断后的伸长与原长的比值,*,冷弯要求：,将直径为d的钢筋绕直径为D的钢辊弯成一定的角度而不发生断裂,二、钢筋的强度和变形,3.钢筋的冷加工和热处理,冷拉,B,K,Z,Z,K,残余变形,冷拉伸长率,无时效,经时效,K点的选择：应力控制和应变控制,温度的影响：温度达700C时恢复到冷拉前的状态，先焊后拉,特性：只提高抗拉强度，不提高抗压强度，强度提高，塑性下降,二、钢筋的强度和变形,3.钢筋的冷加工和热处理,冷拔,经过冷拔后钢筋没有明显的屈服点和流幅,冷拔既能提高抗拉强度又能提高抗压强度,二、钢筋的强度和变形,3.钢筋的冷加工和热处理,热处理,对特定钢号的钢筋进行淬火和回火处理,