钢筋和混凝土材料的力学性能00001.pptx

,第,2,章,混凝土结构材料的 物理力学性能,主要内容,混凝土的物理力学性能,钢筋的物理力学性能,钢筋与混凝土的粘结,重点,钢筋的级别、强度和变形性能,混凝土的强度和变形性能,粘结破坏机理,本章主要内容及重点,第,2,章 混凝土结构材料的物理力学性能,第,2,章 混凝土结构材料的物理力学性能,2.1,混凝土的物理力学性能,1.,混凝土的组成结构,成分组成,：,水泥、砂、石子。,结构组成,：,水泥石结构、砂浆、粗骨料、孔隙和微裂缝。,水泥石结构,由晶体骨架（充分水化）、水泥凝胶（未充分水化）和未水化的水泥颗粒组成。,孔隙,是硬化过程中水分蒸发留下的。,微裂缝,则是由于浇筑混凝土时的泌水作用引起的沉缩、水化作用造成的化学收缩以及,干缩在混凝土内部不同界面上形成的。,在承受外力时，砂、石、晶体骨架起骨架作用，具有弹性材料的变形特点，而水泥凝胶、孔隙和微裂缝则具有塑性材料的变形特点。,因此，混凝土是一种非弹性材料。,2,.,1,混凝土的物理力学性能,第,2,章 混凝土结构材料的物理力学性能,由于水泥凝胶的硬化过程很长，因此，,混凝土的强度和变形随时间的增长而增长,。,2.,单轴应力状态下的混凝土强度,（,1,）混凝土的抗压强度,混凝土的立方体抗压强度,cu,和强度等级,混凝土的立方体抗压强度,cu,：以边长为,150mm,的立方体试件在温度为,203,，相对湿度,90%,以上的环境中养护,28d,，用标准试验方法测得的抗压强度，单位为,N/mm,2,（,MPa,）。,标准试验方法,：试件表面不涂润滑剂；,加载速度：,C30,以下，,0.30.5 N/mm,2,/s,C30,及以上,0.50.8 N/mm,2,/s,。,2,.,1,混凝土的物理力学性能,第,2,章 混凝土结构材料的物理力学性能,混凝土结构设计规范,规定按立方体抗压强度标准值,cu,k,（具有,95%,保证率的,cu,值）确定混凝土的强度等级。,规范规定的混凝土强度等级有,C15,、,C20,、,C25,、,C30,、,C35,、,C40,、,C45,、,C50,、,C55,、,C60,、,C65,、,C70,、,C75,、,C80,，共,14,个等级。,C50 C80,属高强混凝土范畴。,结构混凝土强度等级的最低要求为：任何情况下不应低于,C15,；当采用,HRB335,级钢筋时，混凝土强度等级不宜低于,C20,；,承压板,试块,摩擦力,涂润滑剂,不涂润滑剂,2,.,1,混凝土的物理力学性能,标准试验,第,2,章 混凝土结构材料的物理力学性能,当采用,HRB400,、,RRB400,级钢筋以及承受重复荷载的构件，混凝土强度等级不应低于,C25,。预应力混凝土结构的混凝土强度等级不应低于,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,。,混凝土的轴心抗压强度,c,标准试块：,150,150,300,考虑到承压板对试件的约束，棱柱体抗压强度小于立方体抗压强度，且有：,式中：,0.88,为实际构件与试件混凝土强度的差异所考虑的折减系数,;,c1,(,棱柱体强度与立方体强度比值,),对,C50,及以下取,0.76,，对,C80,取,0.82,，两者之间取线性内插；,承压板,试块,ck,=0.88,c1,c2,cu,k,2,.,1,混凝土的物理力学性能,第,2,章 混凝土结构材料的物理力学性能,c2,（脆性影响系数）,对,C40,及以下取,1.0,，对,C80,取,0.87,，两者之间取线性内插值；,对国外（美国、日本、欧洲混凝土协会等）采用的圆柱体试件（,d,=,152,h,=,305,），有：,（,2,）混凝土的轴心抗拉强度,t,试验方法：,直接受拉试验,采用这种方法试验时，拉力难以对中，离散性较大。,100,100,150,150,500,c,=0.79,cu,k,2,.,1,混凝土的物理力学性能,第,2,章 混凝土结构材料的物理力学性能,劈拉强度,可按下式计算：,圆柱体或立方体,劈裂试验,我国规范考虑了从普通强度混凝土到高强混凝土的变化规律，取：,式中，,为试验离散系数。,2,.,1,混凝土的物理力学性能,双向正应力下的强度曲线,第,2,章 混凝土结构材料的物理力学性能,3.,复合应力状态下的混凝土强度,（,1,）,双轴应力状态下的混凝土强度（拉压、受力状态）,1.0,1.0,1.2,1.2,-0.2,-0.2,拉,压,2,/,f,c,1,/,f,c,2,.,1,混凝土的物理力学性能,结果说明：,压,-,压：强度提高；,拉,-,压：抗拉和抗压强度都低。,拉,-,拉：强度低；影响不明显。,第,2,章 混凝土结构材料的物理力学性能,3.,复合应力状态下的混凝土强度,（,1,）,双轴应力状态下的混凝土强度（拉,-,剪、剪,-,压受力状态）,法向应力和剪应力下的强度曲线,2,.,1,混凝土的物理力学性能,拉,-,剪：抗拉、抗剪强度都降低；,压,-,剪：当 时，抗剪强度随压应力提高而增大；,当 时，内部裂缝增加，抗剪抗压强度,均降低。,第,2,章 混凝土结构材料的物理力学性能,（,2,）,三向受压时的混凝土强度,式中，,cc,为有侧向约束时的抗压强度；,c,为圆柱体的单轴抗压强度。,1,=,f,cc,1,=,f,cc,2,=,3,=,f,L,f,L,-,侧向约束压应力（加液压）,cc,=,c,+(4.57.0),L,2,.,1,混凝土的物理力学性能,三向受压时，混凝土抗压强度增加，最大增加,5,倍。,三向受压状态下混凝土的变形特点,三向受压状态下混凝土的强度和延性均较单向受压时有显著提高。工程上可以通过设置密排螺旋箍或箍筋来约束混凝土，改善钢筋混凝土结构的受力性能。,第,2,章 混凝土结构材料的物理力学性能,2,.,1,混凝土的物理力学性能,4.,混凝土的变形,（,1,）一次短期加载下混凝土的变形性能,混凝土受压时的,应力,-,应变关系,混凝土单轴受力时的应力,-,应变关系反映了砼受力全过程的重要力学特征，是分析混凝土构件应力、建立承载力和变形计算理论的必要依据。,普通试验机上采用,等应力速度,加载，达到轴心抗压强度,f,c,时，试验机集聚的弹性应变能大于试件所能吸收的应变能，导致试件产生突然脆性破坏，只能测得应力,-,应变曲线的,上升段,。,采用,等应变速度,加载，或在试件旁附设高弹性元件与试件一同受压，以吸收试验机内集聚的应变能，可以测得应力,-,应变曲线的,下降段,。,0A:,近似弹性,AB:,非线性,BC:,体积增大,CF:,破坏,第,2,章 混凝土结构材料的物理力学性能,2,.,1,混凝土的物理力学性能,(MPa),f,c,o,0,(,10,-3,),a,b,c,d,2,25,20,15,10,5,4,6,8,10,混凝土强度提高,加载速度减慢,o,强度越高：峰值应变越大，极限应变越小，下降段越陡峭,延性越差,强度越低：峰值应变越小，极限应变越大，下降段越平缓,延性越好,不同强度等级混凝土的应力,-,应变曲线,第,2,章 混凝土结构材料的物理力学性能,我国规范采用的模型：,其中,cu,0,0,c,f,c,c,0.001,0.002,0.003,0.004,0,=0.002+0.5,(,cu,k,50),10,-5,0.002,cu,=0.0033,(,cu,k,50),10,-5,0.0033,2,.,1,混凝土的物理力学性能,混凝土单轴受压时的应力,-,应变曲线的数学模型,美国,E.Hognestad,模型,德国,Rsch,模型,第,2,章 混凝土结构材料的物理力学性能,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,2,.,1,混凝土的物理力学性能,第,2,章 混凝土结构材料的物理力学性能,侧向受约束（加环箍）时混凝土的变形特点,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，在不同的应力阶段，应力与应变之比的变形模量为变数。混凝土的变形模量有如下三种表示方法。,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,2,.,1,混凝土的物理力学性能,第,2,章 混凝土结构材料的物理力学性能,混凝土的弹性模量（原点模量）,混凝土的变形模量（割线模量）,变形模量与弹性模量的关系为,式中，为混凝土受压时的弹性系数，即,总变形中弹性变形所占的比例,。,受压时为,0.4,1.0,；受拉破坏时为,0.5,。,2,.,1,混凝土的物理力学性能,混凝土的切线模量（任意点）,第,2,章 混凝土结构材料的物理力学性能,混凝土弹性模量的试验方法,（,150,150,300,标准试件,）,混凝土的,泊松比和剪切模量,混凝土的泊松比,c,是横向应变与纵向应变之比值，也叫横向变形系数，它是反映材料横向变形的弹性常数。,混凝土的泊松比,c,，在压力较小时为,0.15,0.18,，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：,c,/,f,c,此线和原点切线基本平行，取其斜率作为,E,c,c,0.5,510,次,2,.,1,混凝土的物理力学性能,理论模型,第,2,章 混凝土结构材料的物理力学性能,混凝土受拉时的应力,-,应变关系,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,混凝土受拉时的弹性模量与受压时基本相同。,当,c,=,t,时，,=0.5,，即,E,c,=0.5,E,c,。,t,t,o,t0,tu,f,t,2,.,1,混凝土的物理力学性能,第,2,章 混凝土结构材料的物理力学性能,（,2,）荷载长期作用下混凝土的变形性能,混凝土的徐变,定义,：在不变的外力作用下，混凝土的变形随时间增长的现象。,产生原因,：凝胶体的粘性流动和混凝土内部微裂缝的不断发展。,发展规律,：开始增长较快，一年后基本稳定，三年后终止。,影响因素,：应力大小，加荷时混凝土的龄期，水泥用量，水灰比，骨料性质，养护条件等。,徐变对结构的影响,：使构件的变形增加；引起截面内力重分布；在预应力混凝土结构中会造成预应力损失。,15,(,月,),0.5,1.0,1.5,2.0,2.5,0,5,10,20,25,30,35,(,10,-3,),cr,e,e,e,cr,2,.,1,混凝土的物理力学性能,第,2,章 混凝土结构材料的物理力学性能,（,3,）混凝土在荷载重复作用下的变形（疲劳变形）,混凝土的疲劳抗压强度,c,f,：,能够经受,200,万次重复作用而不至破坏的压应力值。,重复荷载下的应力,-,应变曲线,凸向应力轴而逐渐凸向应变轴，这标志着混凝土内部微裂缝的发展加剧趋近破坏。,混凝土的疲劳强度与疲劳应力比,有关,疲劳应力比 越小，疲劳强度越高。,2,.,1,混凝土的物理力学性能,f,c,f,3,2,1,0,试验表明，当重复作用应力值低于,c,f,时，应力应变曲线经多次重复后密合成一条直线，,当重复作用应力值高于,c,f,时，应力应变曲线由开始,第,2,章 混凝土结构材料的物理力学性能,（,4,）混凝土的收缩与膨胀,混凝土在空气中凝结硬化时，体积收缩；在水中凝结硬化时，体积膨胀。收缩值比膨胀值大很多，故一般只讨论收缩。,定义,：混凝土在空气中结硬时体积减小的现象。,产生原因,：混凝土中游离水分子的蒸发。,对结构的影响,：自由收缩时，钢筋中产生压应力，混凝土中产生拉应力。约束收缩时，钢筋的平均应力不变，混凝土中产生的拉应力导致构件开裂。,影响收缩的因素,：,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；,骨料性质,，骨料的弹性模量大，收缩小；,养护条件,，温湿度越大，收缩越小；,制作方法,，混凝土越密实，收缩越小；,使用环境,，温湿度大时，收缩小；,构件体积与表面积的比值,，比值大时，收缩小。,2,.,1,混凝土的物理力学性能,2.2,钢筋的物理力学性能,1.,钢筋的种类和级别,（,1,）按化学成分分为,第,2,章 混凝土结构材料的物理力学性能,碳素钢,低碳钢：含碳量,0.25%,中碳钢：含碳量,0.25%0.6%,高碳钢：含碳量,0.6%1.4%,2,.,2,钢筋的物理力学性能,含碳量越高，强度越高，变形能力越差。,普通低合金钢,：在碳素钢的成分中再加入少量的硅、锰、钒、钛、铬等合金元素。可提高强度并能改善塑性和可焊性。,第,2,章 混凝土结构材料的物理力学性能,（,2,）按加工工艺分为,热轧钢筋,：四个种类：,HPB300,(,级，）、,HRB335,(,级，）、,HRB400,(,级，）、,HRB500,(,级，）。,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,、,RRB400,钢筋通过加热、淬火、回火而成。,2,.,2,钢筋的物理力学性能,第,2,章 混凝土结构材料的物理力学性能,普通热轧钢筋,预应力钢筋,2,.,2,钢筋的物理力学性能,HRB,为热轧（,Hot-rolled,）、带肋（,Ribbed,）、钢筋（,Bar,）的英文缩写；,HPB,为热轧（,Hot-rolled,）、光圆（,Plain),、钢筋,(Bar),的英文缩写；,RRB,为余热处理带肋钢筋。是,Remained-heat-treatment Ribbed-steel Bar,的英文缩写。,HRBF,F,表示细晶粒热轧钢筋系列,“,细”为英文（,Fine,）首位字母。如：,HRBF335,、,HRBF400,、,HRBF500,。,第,2,章 混凝土结构材料的物理力学性能,（,3,）按外形分为,光圆钢筋,；,变形钢筋,；,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,：,六根相同直径的钢丝成螺旋状绞绕在一起。,冷拔低碳钢丝,：,由低碳钢冷拔而成。,劲性钢筋,：由各种型钢、钢轨或者用型钢和钢筋焊成的骨架。,2,.,2,钢筋的物理力学性能,第,2,章 混凝土结构材料的物理力学性能,2.,钢筋的强度和变形,（,1,）软钢的应力,应变曲线,a,比例极限,b,弹性极限,d,极限抗拉强度,e,极限应变,ob,弹性阶段,bc,屈服阶段,cd,强化阶段,de,破坏阶段,屈服点对应的强度作为设计强度的依据,2,.,2,钢筋的物理力学性能,s,e,a,a,c,d,e,f,u,f,y,f,b,条件屈服强度：,取残余应变为,0.2%,所对应的应力作为无明显流幅钢筋的强度限值，通常称为,条件屈服强度,。,第,2,章 混凝土结构材料的物理力学性能,（,2,）硬钢的应力,应变曲线,b,极限抗拉强度,c,极限应变,2,.,2,钢筋的物理力学性能,第,2,章 混凝土结构材料的物理力学性能,（,3,）衡量钢材材质的指标,伸长率,：,伸长率越大，钢筋的塑性和变形能力越好。,冷弯试验,：,弯心直径越小，弯过的角度越大，冷弯性能越好，钢筋的塑性性能越好。,强度,：屈服强度，极限强度，强屈比。,变形能力,：,伸长率，冷弯试验。,2,.,2,钢筋的物理力学性能,K,点的选择：,应力控制和应变控制。,特性：只提高抗拉强度，不提高抗压强度。,强度提高，塑性下降。,第,2,章 混凝土结构材料的物理力学性能,3.,钢筋的冷加工,冷拉,：,在常温下用,机械,方法将有明显流幅的钢筋拉到,超过,屈服强度的某一应力值，然后,卸载至零,。,钢筋在冷拉后，未经时效前，一般没有明显的屈服台阶；,经过停放后进一步提高了屈服强度并恢复了屈服台阶，这种现象称为冷拉,时效硬化,。,2,.,2,钢筋的物理力学性能,冷拔既能提高抗拉强度又能提高抗压强度。,经过冷拔后钢筋没有明显的屈服点和流幅。,第,2,章 混凝土结构材料的物理力学性能,冷拔,：将,HPB235,级热轧钢筋,强行,拔过小于其直径的硬质合金,拔丝模具,。,经过几次冷拔的钢丝，,抗拉、抗压强度,均大大提高，但,塑性,显著降低。,2,.,2,钢筋的物理力学性能,第,2,章 混凝土结构材料的物理力学性能,4.,钢筋应力,应变曲线的数学模型,（,1,）双直线模型（完全弹塑性模型）,当,时，,当,时，,（,2,）三折线模型（完全弹塑性加硬化）,当,时，,当,时，,当,时,式中：,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,2,.,2,钢筋的物理力学性能,第,2,章 混凝土结构材料的物理力学性能,s,s,s,=E,s,s,y,s,u,f,y,f,s,u,5.,钢筋的疲劳,钢筋的疲劳强度,：在规定的疲劳应力比值内满足循环次数为,200,万次条件下的钢筋最大应力值。,钢筋的疲劳强度与疲劳应力比值,有关,。,重复荷载作用下，钢筋的强度小于静载作用下的强度。,（,3,）双斜线模型,当,时，,当,时,式中：,2,.,2,钢筋的物理力学性能,第,2,章 混凝土结构材料的物理力学性能,6.,混凝土结构对钢筋性能的要求,（,1,）适当的屈强比,保证构件具有一定的,强度储备,。,（,2,）足够的塑性：避免发生,脆性,破坏。,（,3,）可焊性,：,要求钢筋具备良好的,焊接,性能。,（,4,）耐久性和耐火性,必要的混凝土保护层厚度以满足对构件,耐久、耐火,的要求。,（,5,）与混凝土具有良好的,粘结,（,6,）寒冷地区，防止钢筋,低温冷脆,导致破坏。,2,.,2,钢筋的物理力学性能,2.3,混凝土与钢筋的粘结,1.,粘结应力的定义,钢筋与混凝土接触面上产生的沿钢筋纵向的剪应力。,粘结强度：,粘结失效时的最大（平均）粘结应力。,第,2,章 混凝土结构材料的物理力学性能,粘结强度的测试,2,.,3,混凝土与钢筋的粘结,第,2,章 混凝土结构材料的物理力学性能,拔出试验,2.,粘结应力的组成,钢筋与混凝土表面的,化学胶着力,；,钢筋与混凝土接触面的,摩擦力,；,钢筋与混凝土表面凹凸不平的,机械咬合力,。,2,.,3,混凝土与钢筋的粘结,3.,粘结强度及其影响因素,（,1,）粘结强度,平均粘结应力：,第,2,章 混凝土结构材料的物理力学性能,2,.,3,混凝土与钢筋的粘结,（,2,）影响粘结强度的因素,粘结强度随,混凝土强度等级,的提高而提高；,变形钢筋,比光圆具有较高的粘结强度；,多根钢筋并列一排放置时的,间距,；,横向钢筋（箍筋）,可提高粘结强度；,支座处的,横向压力,可提高粘结强度；,浇筑混凝土时,钢筋所处的位置,。,第,2,章 混凝土结构材料的物理力学性能,4.,钢筋的锚固与连接,（,1,）,钢筋的锚固,通过,钢筋埋置段,或,机械措施,将钢筋所受的力传给混凝土。,受拉钢筋的,锚固长度,（基本锚固长度）：,式中，,为钢筋外形系数，对光圆钢筋为,0.16,对变形钢筋为,0.14,。,对,HRB335,、,HRB400,级钢筋当采用机械锚固时，锚固长度可取,0.7,l,a,。,机械锚固形式,2,.,3,混凝土与钢筋的粘结,钢筋锚固长度的影响因素：,混凝土强度等级、混凝土的受力状态、钢筋外侧混凝土尺寸；,钢筋强度等级、钢筋直径、钢筋的外表特征、钢筋受力特性；,第,2,章 混凝土结构材料的物理力学性能,第,2,章 混凝土结构材料的物理力学性能,（,2,）,钢筋的连接,通过连接，将一根钢筋所受的力传给另一根钢筋。,由于搭接区,钢筋净间距,的减小使得,劈裂裂缝,更早出现，粘结强度降低。因此,规范,取,搭接长度,为,锚固长度,乘与一个,大于,1,的系数。,钢筋的连接接头形式主要有,绑扎搭接,、,焊接,或,机械连接（螺栓套筒连接、挤压套筒连接）,。,l,l,=,l,a,2,.,3,混凝土与钢筋的粘结,受拉钢筋搭接,长度：,工程设计中必须保证钢筋的锚固长度和连接,接头,长度，光圆钢筋端头须设置弯钩，,在任何情况下，受拉钢筋搭接长度不应小于,300,mm,。,纵向,钢筋搭接接头面积百分率（,%,）,25,50,100,z,1.2,1.4,1.6,当充分利用受压钢筋长度时，锚固长度不应小于,0.7%,l,a,。,钢筋搭接接长影响因素：混凝土强度等级、混凝土受力状态、接头面积百分率；,绑扎搭接,侧焊搭接,挤压套筒搭接,螺纹套筒搭接,压力对焊搭接,