第3章 钢筋和混凝土的材料力学性能

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,*,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,*,*,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,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,f,cu,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/mm,2,。,(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,f,cu,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,f,cu,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,f,cu,k,表示。,f,f,f,k,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,f,cu,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/mm,2,。,其中，,C50,C80,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”,:,f,cu,，,k,(200)1.05=,f,cu,，,k,(150)=,f,cu,，,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,f,ck,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,f,ck,表示。,3,）轴心抗压强度标准值,f,ck,与立方体抗压强度标准值,f,cu,k,的关系,f,ck,0.88,1,2,f,cu,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,f,tk,与立方体抗压强度,f,cu,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。,f,tk,0.880.395 f,cu,k,0.55,(1-1.645,),0.45,2,混凝土轴心抗压强度标准值,f,ck,、轴心抗拉强度标准值,f,tk,按表,.,采用。,混凝土轴心抗压强度设计值,f,c,、轴心抗拉强度设计值,f,t,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,f,cc,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,=,f,L,0),情况下进行。试验得到的经验公式为：,f,cc,f,c,+(4.5,7.0)f,L,式中,f,cc,有侧向压力约束试件的轴心抗压强度；,f,c,无侧向压力约束试件的轴心抗压强度；,f,L,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,(0.3f,c,0.4f,c,),：,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,(,0.3f,c,0.8f,c,),：,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,(,0.8f,c,f,c,),：,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,f,c,，,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,f,c,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,E,c,。,E,c,tg,0,混凝土的弹性模量,E,c,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,c,tg,1,Ec,(3),混凝土的剪变模量,G,c,0.4,E,c,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,0.25,0.6,）和,高碳钢,（含碳量,0.6,1.4,）。,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,强度高，塑性低,强度高，,塑性低，,粘结好,强度高，,塑性低,预应力钢筋,钢筋,热轧钢筋,钢 丝,钢绞线,热处理钢筋,HPB235,HRB335,HRB400,RRB400,光圆钢筋,变形钢筋,变形钢筋,变形钢筋,非预应力钢筋,强度,塑性,低,高,高,低,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,f,y,:,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,f,y,作为钢筋强度标准值；,2),极限抗拉强度,f,u,:,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,f,u,1.25,f,y,。,（,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,s,y,时：,s,=,E,s,s,（,3.9,）,当,y,s,stu,时：,s,=,f,y,（,3.10,）,式中,s,钢筋应变为,s,时的钢筋应力；,f,y,钢筋的屈服强度；,y,钢筋应力达到,f,y,时对应的钢筋应变；,stu,纵向受拉钢筋的极限拉应变,stu