钢筋混凝土材料的性能.ppt

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1、第二章 钢筋混凝土材料的性能,第一节 钢筋 第二节混凝土的强度 第三节 混凝土的变形性能 第四节 钢筋与混凝土的粘结 第五节 钢筋混凝土的一般构造规定,第一节 钢筋,主要研究内容： 了解：钢筋的类型 掌握：钢筋的力学性能,引 言,钢筋的力学性能主要决定于其化学成分。,碳素钢：主要成份是铁元素，少量的碳、锰、硅、硫磷等元素。,低碳钢（含碳量少于0.25%） 中碳钢(0.25%-0.6%) 高碳钢(0.6%-1.4%)。,钢材的种类：按化学成份分，有碳素钢和普通低合金钢。,含碳量越高,强度越高，但塑性和可焊性 降低。,锰、硅元素可提高钢材的强度，并保持一定的塑性。,硫、磷为有害元素：含量超过一定限

2、度时，硫使钢筋热脆， 磷使钢筋冷脆。二者焊接质量不易保证,普通低合金钢：除碳素钢已有的成分外，再加入少量的合金元 素如硅、锰、钛、钒、铬等。,第一节 钢筋,一、钢筋的类型 二、钢筋的性能 三、钢筋的冷加工 四、钢筋的蠕变、松弛和疲劳,一、钢筋的类型（钢筋混凝土结构和预应力混凝土结构）,（一）钢筋按加工方法分 （二）钢筋在单调受拉时所反映的应力应变 性质的不同分 （三）柔性钢筋、劲性钢筋,（一）钢筋按加工方法分,1、热轧钢筋 2、冷加工钢筋 3、热处理钢筋 4、钢丝,1、热轧钢筋,为低碳钢，普通低合金钢在高温状态下轧制而成,HPB235、HRB335、HRB400 RRB400四级。 HPB23

3、5是低碳钢，外表光圆，称为光圆钢筋。 HRB335、HRB400 RRB400外表有肋纹， 称为变形钢筋。,2、冷加工钢筋,通过对某些等级的热轧钢筋进行冷加工处理。 分为：冷拉钢筋和冷拔钢筋；,3、热处理钢筋,对某些特定钢号的热轧钢筋进行热处理得到。,4、钢丝：,分为：碳素钢丝、消除应力钢丝和刻痕钢丝。 刻痕钢丝：用高碳钢光圆盘条钢筋经冷拔和矫直回火。,（二）按钢筋在单调受拉时的应力应变性质的不同分,有明显屈服点的钢筋 无明显屈服点的钢筋,（二）按钢筋在单调受拉时的应力应变性质的不同分,有明显屈服点的钢筋,（二）按钢筋在单调受拉时的应力应变性质的不同分,无明显屈服点的钢筋,（三）柔性钢筋、劲性

4、钢筋,柔性钢筋： 光圆（ 级）、变形钢筋（级、级） 绑扎或焊接成钢筋骨架或钢筋网，分别用于梁、柱或板、壳结构中 劲性钢筋： 由各种型钢、钢轨或用型钢与钢筋焊接成的骨架； 劲性钢筋刚度、强度较大,二、钢筋的性能,上图为有明显屈服点的钢筋试件在试验机上进行拉伸试验，绘制出应力应变图形,概念介绍：,比例极限,弹性极限、,屈服上限 屈服下限,极限强度,弹性阶段 屈服阶段 强化阶段 颈缩阶段,二、钢筋的性能,无明显屈服点的钢筋所对应的 应力-应变曲线,在左图中，找不到一个明显的屈服点，在达到极限抗拉强度后，由于颈缩现象，曲线具有一个下降段。,二、钢筋的性能,无明显屈服点的钢筋所对应的 应力-应变曲线,分

5、析：以有明显屈服点钢筋的思路，在钢筋塑性变形开始明显增长处找到一个相当的假想屈服点，以便在设计中把它作为这类钢筋可以利用的应力上限，,条件屈服强度：一般取残余 应变为0.2%的应力0,以残余应变0.2%所对应的 应力作为无明显屈服点的 钢筋的应力上限。,软钢 硬钢,钢筋表示形式： HPB235级：级，符号 HRB335级、级，符号 HRB400级：级，符号 RRB400级：余热处理级，符号,三、钢筋的冷加工,冷拔：将光圆钢筋通过比其直径稍小的硬质合金拔丝模。钢筋受纵向的拉力和横向挤压力共同工作。使钢筋截面变小、长度拔长。冷拔可提高钢筋的抗拉、抗压强度。 冷拉：通过介绍冷拉过程可了解冷拉的含义。

6、,三、钢筋的冷加工,冷拉：,四、钢筋的蠕变、松弛和疲劳,蠕变：钢筋在高应力状态下，随时间增长应变继续增加的现象。 松弛：钢筋受力后，若保持长度不变，则其应变随时间增长而降低的现象。 疲劳破坏：钢筋在承受重复、周期动荷载作用下，经过一定次数后，从塑性破坏的性质转变为脆断的现象。,钢筋在疲劳破坏时的强度低于在静荷载下的极限强度。,钢筋的疲劳强度：在某一规定的应力幅度内，经受某一规定 次数循环加载后，才发生疲劳破坏的最大应力值,补充:混凝土结构设计规范 规定：,普通钢筋宜用HRB400级和HRB335级钢筋，也可采用 HPB235级和RRB400级钢筋； 普通钢筋指钢筋混凝土结构中的钢筋和预应力混凝

7、土结构中的非预应力钢筋； HRB400级和HRB335级：现行国家标准钢筋混凝土用热轧带肋钢筋GB1499 中HRB400级和HRB335级的钢筋； HPB235级:现行国家标准 钢筋混凝土用热轧光圆钢筋GB13013 中Q235的 钢筋; RRB400级:现行国家标准钢筋混凝土用余热处理钢筋GB13014中的KL400钢筋; 参阅附录,主要内容： 混凝土的组成及强度等级 单向受力状态下混凝土的强度 了解： 混凝土的组成,第二节混凝土的强度,第二节混凝土的强度,一、混凝土的组成 二、单向受力状态下混凝土的强度 三、复合受力状态下混凝土的强度（自阅）,一、混凝土的组成,普通混凝土组成：由水泥、石

8、子、砂子三种材料及水按一定配合比拌合，经过凝固硬化后作成的人工石才。 是一种各组份具有不同性质的多相复合材料。 分类：微观结构、亚微观结构、宏观结构 回前文,单向应力状态下混凝土强度 是复合应力状态混凝土强度基础,单向应力状态下混凝土强度指标： 进行钢筋混凝土结构构件强度分析的重要依据 建立强度理论公式的重要依据,试验设备复杂,理论分析困难,单向受力的结构和构件极少一般处于复合应力状态,复合应力状态下混凝土强度如何确定,影响单向应力状态下 混凝土强度指标的因素较多,统一规定采用普通混凝土力学性能试验方法,二、单向受力状态下混凝土的强度,（一） 立方体抗压强度 （二）棱柱体抗压强度 （轴心抗压强

9、度） （三）混凝土轴心抗拉强度,（一） 立方体抗压强度,1、混凝土结构设计规范 规定 2、标准试验方法 3、混凝土强度指标的确定,（一） 立方体抗压强度,立方体抗压强度试验所需设备和试验方法都比较简单，试验结果的离散性相对较小，尤其适用于在施工过程中检验和控制混凝土的强度。 1、混凝土结构设计规范 规定： 边长150mm150mm 150mm 的立方体 在(20 3) 的温度、 相对湿度90%以上的潮湿空气养护28天 按照标准试验方法测得的抗压强度作为混凝土的立方体强度（MPa）,2、标准试验方法：,（1）试验方法 （2）试件尺寸大小： （3）试验时加载速度： （4）混凝土立方体抗压强度与成型

10、后的龄期：,2、标准试验方法：,（1）试验方法： 规范：不涂润滑油,（2）试件尺寸大小： 试件尺寸越小，抗压强度值越高 换算系数 200mm 200mm 200mm : 1.05 100mm 100mm 100mm : 0.95,2、标准试验方法：,（3）试验时加载速度： 加载速度越快，测得强度越高 混凝土强度等级低于C30时：0.30.5MPa/每秒 混凝土强度等级 等于/高于C30时：0.50.8MPa/每秒 （4）混凝土立方体抗压强度与成型后的龄期：,3、混凝土强度指标的确定,混凝土结构设计规范 规定： 混凝土强度指标应按立方体抗压强度标准值确定； 规范中共有14个等级： C15、C20

11、、C25、C30、35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75、C80 、,3、混凝土强度指标的确定,混凝土强度等级要求： 钢筋混凝土结构混凝土强度等级不应低于C15 采用HRB335级钢筋，混凝土强度等级不宜低于C20 采用HRB400、 RRB400级钢筋、承受重复荷载构件：不得低于C20 预应力混凝土结构的混凝土强度等级：不应低于C30 采用钢绞线、钢丝、热处理钢筋作预应力钢筋时：不宜低于C40 立方体抗压强度是混凝土的基本强度指标，混凝土结构设计中所使用的混凝土其它强度指标，都可以根据立方体强度值换算得出。,（二）棱柱体抗压强度 （轴心抗压强度）,规范规定150

12、mm150mm300mm试件作为轴心抗压强度.,（二）棱柱体抗压强度 （轴心抗压强度）,由图可看出： 和 的统计平均值大致成一条直线，,二者比值在0.70-0.92范围变化,立方体抗压强度 与棱柱 体抗压强度 之间的 关系为：,（二）棱柱体抗压强度（轴心抗压强度）,综合考虑各种因素，立方体抗压强度标准值 与棱柱体抗压强度标准值的关系：,式中： 0.88 -考虑实际构件与试件混凝土强度之间的差异取用的 折减系数;,-棱柱体强度与立方体强度之比；,-为高强度混凝土的脆性折减系数；,（三）混凝土轴心抗拉强度,抗拉强度是混凝土的基本力学指标之一，间接衡量混凝土的冲切强度。,（三）混凝土轴心抗拉强度,混

13、凝土的抗拉强度远小于其抗压强度，一般仅1/17-1/8。 在钢筋混凝土结构中，一般不采用混凝土承受拉力。,（三）混凝土轴心抗拉强度,在钢筋混凝土结构构件中，处于受拉状态下的混凝土，在未开裂之前，确实承受一部分拉力。 回前文,若计算混凝土构件在混凝土开裂之前的承载力， 或控制混凝土构件的开裂,需知道混凝土的抗拉强度,结构中混凝土 的轴心抗拉强度标准值 与立方体抗压 强度标准值 之间的关系，由试验结果得：,第三节 混凝土的变形性能,类型： 受力变形：混凝土在一次短期加载、荷载长期作用和多次重复作用下产生的变形； 体积变形：混凝土由于硬化过程中的收缩、温度和湿度的变化产生的变形。,第三节 混凝土的变

14、形性能,一、混凝土在一次短期加荷时的变形性能 二、混凝土在多次重复荷载作用下的应力应变关系 三、荷载长期作用下混凝土变形性能 四、混凝土收缩与膨胀（体积变形）,第三节 混凝土的变形性能,一、混凝土在一次短期加荷时的变形性能 1、混凝土受压时的应力应变关系 2、混凝土受压应力应变曲线数学模型 3、混凝土的变形模量 4、混凝土轴心受拉时应力应变关系,一、混凝土在一次短期加荷时的变形性能,1、混凝土受压时的应力应变关系：,图2-9,1、混凝土受压时的应力应变关系,上升段 第1 阶段（OA）： 第2阶段（A-B）： 第3阶段（B-C）： 下降段,1、混凝土受压时的应力应变关系,上升段： 第1 阶段（O

15、A）：应力较小，混凝土变形主要是骨料和水泥结晶体受力产生弹性变形，应力应变接近直线,A点：比例极限,1、混凝土受压时的应力应变关系,第3阶段（B-C）：裂缝快速发展的不稳定状态 ：混凝土棱柱体抗压强度 ， 对应应变为 （一般为0.002）,第1 阶段（OA）： A点：比例极限,第2阶段（A-B）： 稳定裂缝扩展阶段,上升段：,下降段：,混凝土到达峰值应力后裂缝继续 扩展、贯通，,内部结构的整体性受到愈严重 的破坏,荷载传递路线不断减少，试件 平均应力降低,应力应变曲线出现“拐点”,超过“拐点”，结构受力性质发生 本质的变化： 骨料间的咬合力、摩擦力与残余 承受压力部分共同承力,主裂缝贯通、较宽

16、，结构失效。,2、混凝土受压应力应变曲线数学模型：,1）美国E.Hognestad建议的模型：,曲线的上升段为二次抛物线，下降段为斜直线 -峰值应力； -峰值应力对应的应 变，取 -极限压应变，取,2、混凝土受压应力应变曲线数学模型：,2）西德Rsch 建议的模型：,曲线的上升段为二次抛物线，下降段为平直线 -峰值应力； -峰值应力 对 应的应变，取 -极限压应变，取 回,3、混凝土的变形模量,混凝土应力应变为一曲线 应力应变关系在不同应力阶段二者之比是一变量 描述混凝土在荷载作用下的变形问题 混凝土的变形模量,1）混凝土的弹性模量 2）混凝土的割线模量 3）混凝土的切线模量,3、混凝土的变形

17、模量,1）混凝土的弹性模量 混凝土处于弹性阶段时： -混凝土原点弹性模量 -混凝土曲线在原点处切线与横坐标夹角 -混凝土弹性应变 -混凝土弹性阶段应力,3、混凝土的变形模量,2）混凝土的割线模量 混凝土进入塑性阶段，曲线上任一点应力为 处割线的斜率,3、混凝土的变形模量,3）混凝土的切线模量 在混凝土应力应变曲线上某一应力处作一切线，应力增量与应变增量的比值为混凝土的切线模量 混凝土的切线模量为一变值随混凝土应力的增大而减小。 回,4、混凝土轴心受拉时应力应变关系,分析： 测试混凝土受拉时的应力应变曲线较困难。 回前文,二、混凝土在多次重复荷载作用下的应力应变关系,工程实例： 厂房中的吊车梁、

18、桥梁、气锤基础等构件，承受重复荷载,疲劳破坏：混凝土在荷载重复作用下引起的破坏。 混凝土疲劳抗压强度； 采用150mm150mm 300mm 或150mm150mm 450mm 的棱柱体，把能使棱柱体试件承受200万次或以上次循环荷载而发生破坏的压应力值称为混凝土疲劳抗压强度,二、混凝土在多次重复荷载作用下的应力应变关系,三、荷载长期作用下混凝土变形性能,1、徐变的概念 2、影响混凝土徐变的因素：,1、徐变的概念：,结构或材料承受的荷载或应力不变，而应变或变形随时间增长的现象称为徐变,2、影响混凝土徐变的因素：,与时间参数的关系： 混凝土的应力大小 加载时龄期：加载时混凝土的龄期越早，徐变越大

19、； 混凝土的组成成分： 混凝土养护条件 构件形状、尺寸等,2、影响混凝土徐变的因素：,与时间参数的关系：,2、影响混凝土徐变的因素,混凝土的应力大小,2、影响混凝土徐变的因素,加载时龄期：加载时混凝土的龄期越早，徐变越大；,2、影响混凝土徐变的因素：,混凝土的组成成分： 水泥用量越多，徐变越大； 水灰比越大，徐变越大； 骨料越坚硬，徐变越小；,2、影响混凝土徐变的因素：,与时间参数的关系： 混凝土的应力大小 加载时龄期：加载时混凝土的龄期越早，徐变越大； 混凝土的组成成分： 混凝土养护条件 构件形状、尺寸等,四、混凝土收缩与膨胀（体积变形）,1、概念： 混凝土在凝结硬化过程中，体积会发生变化。

20、 在水中结硬时，体积膨胀； 在空气中结硬时 ，体积收缩,2、影响因素：,水泥种类 水泥用量,骨料性质,混凝土制作方法,养护条件,使用环境,构件体积与表面积比值等,凝结：凝胶体本身的体积收缩；,干缩：混凝土因失水产生的体积收缩,2、影响因素举例分析： 养护条件,第三节 混凝土的变形性能,小节： 一、混凝土在一次短期加荷时的变形性能 1、混凝土受压时的应力应变关系： 2、混凝土受压应力应变曲线数学模型： 3、混凝土的变形模量 4、混凝土轴心受拉时应力应变关系 二、混凝土在多次重复荷载作用下的应力应变关系 三、荷载长期作用下混凝土变形性能 四、混凝土收缩与膨胀（体积变形）,第四节 钢筋与混凝土的粘结

21、,钢筋混凝土： 钢筋抗拉、抗压性能均好，混凝土的抗压性能强，但抗拉性能较弱。 二者结合一起共同工作，可充分利用材料的性能，其工作前提是： （1）二者温度线膨胀系数相接近；（2）二者之间产生良好的粘结力。（3）钢筋有良好的锚固,第四节 钢筋与混凝土的粘结,一、粘结的概念 二、钢筋与混凝土的粘结 三、粘结强度 四、影响粘结强度的因素,一、粘结的概念,举例：一混凝土梁（A）与钢筋混凝土梁（B）对比试验： 其中A梁设钢筋，但钢筋与混凝土之间无粘结， B梁设钢筋，钢筋与混凝土之间有粘结。,一、粘结的概念,破坏特征： A梁：受荷不久，梁底混凝土开裂，构件断裂。,一、粘结的概念,破坏 特征： B梁：受荷后，

22、钢筋与混凝土能共同工作。 由于钢筋与混凝土之间的粘结，使钢筋随底部混凝土的受拉而伸长，最后梁发生破坏， 此时钢筋发生明显的伸长。梁破坏之前可明显观测。,二、钢筋与混凝土的粘结,图228,二、钢筋与混凝土的粘结,二、钢筋与混凝土的粘结,粘结力作用效果： 由试验可知,粘结锚固能力可有四种途径得到: (1)胶结力:钢筋与混凝土接触面上化学吸附作用力 这种力一般很小,当接触面发生相对滑移时,该力即消失,仅在受力阶段的局部无滑移区域起作用. (2)摩擦力:混凝土收缩,将钢筋勒紧,握裹而产生. (3)机械咬合力:钢筋表面凹凸不平与混凝土之间产生的. 变形钢筋具有横肋会产生咬合力,是变形钢筋粘结力主要来源. (4)锚固:钢筋段部加弯钩,弯折或锚固区焊短钢筋,焊角钢等来提供能力.,除直径12mm以下的受压钢筋及焊接网或焊接骨架中的光面钢筋外，其余光面钢筋的末端均应设置弯钩,光面钢筋 的粘结性能较差,三、粘结强度,试验研究：钢筋从混凝土中拉拔试验,三、粘结强度,式中： -钢筋的拉力; -钢筋的直径; -粘结长度； ：,粘结应力与相对滑移的关系：,定义：钢筋和混凝土之间的平均粘结应力,由拔出试验，钢筋与混凝土之间 的平均粘结应力可表示为：,四、影响粘结强度的因素,混凝土强度、锚固长度. 保护层的相对厚度、锚筋的外形特征. 配箍情况、混凝土浇注状况. 锚筋受力情况等,