第二章混凝土结构材料的物理力学性能.ppt

*,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,*,第二章 混凝土结构材料的,物理力学性能,防灾科技学院土木工程教研室,内容提要,2.1,混凝土的物理力学性能,2.2,钢筋的物理力学性能,2.3,混凝土与钢筋的粘结,2.1,混凝土,2.1.1,混凝土的组成结构,混凝土材料是由水泥、砂、石子和水按一定比例组成，经凝结和硬化形成的，属于复合材料。,混凝土是由水泥结晶体、水泥凝胶体和内部微裂缝组成的,2.1,混凝土,一、混凝土的强度,定义：,立方体抗压强度是指按照标准方法制作养护的,边长为,150mm,的立方体试件,，在,28,天龄期，用,标准试验方法,测得的抗压强度。,砼强度等级,立方体抗压强度,150mm,150mm,150mm,2.1.2,单轴应力状态下的混凝土强度,b,.,尺寸影响,-,混凝土立方体试块尺寸愈大，实测破坏强度愈低，反之愈高，这种现象称为尺寸效应,e.,强度等级：,C15,C20,C25,C30,C35,C40,C45,C50C80,共,14,级,C,混凝土,15,立方体抗压强度的标准值为,15N/mm,2,c,、加载速度,-,加载速度过快，强度较高。反之，加载速度过慢，则强度有所降低。,d,、龄期,-,在一定的温度和湿度条件下，混凝土的强度开始增长较快，后来逐渐减慢。,定义,：,折算：,轴心抗压强度是指按照标准方法制作养护的截面为,150mm,150,mm,高,300mm,的棱柱体，在,28,天龄期，用标准试验方法测得的抗压强度。,轴心抗压强度,（棱柱体抗压强度）,轴心抗压强度与立方体抗压强度比值,高强混凝土脆性折减系数,0.88,经验折减系数,150mm,300mm,轴心抗拉强度,混凝土的抗拉强度比抗压强度低得多，一般只有抗压强度的,5%10%,2.1.3,复合受力状态下混凝土的强度,a.,混凝土的双向受力强度,双向受拉：抗拉强度接近单向受拉强度,双向受压：抗压强度和极限压应变均有所提高,一拉一压：抗拉抗压强度降低,b.,混凝土的三向受压强度,三向受压时，混凝土的抗压强度和极限变形都有较大提高,Steel tube,Concrete,Concrete filled tube column,构件受剪或受扭时常遇到剪应力,t,和正应力,s,共同作用下的复合受力情况。,混凝土的抗剪强度：随拉应力增大而减小，随压应力增大而增大 当压应力在,0.6,f,c,左右时，抗剪强度达到最大，压应力继续增大，则由于内裂缝发展明显，抗剪强度将随压应力的增大而减小。在有剪应力作用时，混凝土的抗压强度将低于单轴抗压强度,c.,混凝土在正应力和剪应力作用下的复合强度,混凝土的变形可分为两类：,一、,荷载作用,下的受力变形：短期加载、长期作用；,二、,体积变形,：混凝土收缩,2.1.4,混凝土的变形,1,、一次短期加载下混凝土的变形性能,2.1,混凝土的物理力学性能,（,1,）,OA,：,弹性阶段,0.3,f,c,（,2,）,AB,：弹塑性阶段,0.3,f,c,0.8,f,c,裂缝稳定,（,3,）,BC,：裂缝不稳定阶段,0.8,fc,1.0,fc,（,4,）,CE,：裂缝扩展贯通应力下降,（,5,）,EF,：主裂缝很宽无结构意义有残余应力,混凝土受压时的应力应变关系,不同强度混凝土的应力,-,应变关系曲线,峰值应变变化不大，混凝土强度越高，下降段越陡，延性越差,2.1,混凝土的物理力学性能,混凝土轴心受压时应力应变曲线的数学模型,Hognestad,建议的应力,-,应变曲线,2.1,混凝土的物理力学性能,西德,Rsch,建议的模型,我国规范,应力,-,应变关系,上升段：,下降段：,混凝土的变形模量,2.1,混凝土的物理力学性能,弹性模量的测定方法,混凝土轴心受拉时的应力应变关系,当拉应力,0.5 f,t,*,时，应力应变关系接近于直,线；当,约为,0.8 f,t,*,时，反映受拉时塑性变形的发展。受拉弹性模量与受压弹性模量基本相同。,2.1,混凝土的物理力学性能,2.1,混凝土的物理力学性能,2,、荷载长期作用下混凝土的变形性能,徐变,随荷载作用时间的延续，变形不断增长，前,4,个月徐变增长较快，,6,个月可达最终徐变的（,7080,）,%,，以后增长逐渐缓慢，,23,年后趋于稳定。,徐变会使结构（构件）的（挠度）变形增大，引起预应力损失，在长期,高应力作用下，甚至会导致破坏。,徐变与混凝土持续应力大小有密切关系，应力越大徐变也越大；,混凝土加载龄期越长，徐变越小；,水泥含量越大，徐变越大；,骨料弹性模量高、级配好，徐变就小；,干燥失水及高温环境，徐变大；,高强混凝土徐变小。,混凝土徐变的影响因素,产生徐变的主要原因是水泥凝胶体和内部微裂缝的扩展,混凝土的收缩是,随时间而增长的变形,，早期收缩变形发展较快，一个月可完成,50%,，以后变形发展逐渐减慢，整个收缩过程可延续两年以上。,混凝土收缩包括,凝缩,和,干缩,两部分，凝缩是由于水泥结晶体比原材料的体积小；干缩是混凝土内自由水分蒸发引起的。,混凝土在空气中硬化时体积会缩小，这种现象称为混凝土的收缩，收缩是混凝土在不受外力情况下体积变化产生的变形。,3,、混凝土的收缩,混凝土的收缩受结构周围的温度、湿度、构件断面形状及尺寸、配合比、,骨料性质、水泥性质、混凝土浇筑质量及养护条件等许多因素有关：,水泥用量多、水灰比越大，收缩越大；,骨料弹性模量高、级配好，收缩就小；,干燥失水及高温环境，收缩大；,小尺寸构件收缩大，大尺寸构件收缩小；,高强混凝土收缩大。,混凝土收缩的影响因素,当这种自发的变形受到外部（支座）或内部（钢筋）的约束时，将使混凝土中产生拉应力，甚至引起混凝土的开裂。混凝土收缩会使预应力混凝土构件产生预应力损失,。,影响收缩的因素多且复杂，要精确计算尚有一定的困难。在实际工程中，,要采取一定措施减小收缩应力的不利影响。,主要成分为,铁,元素，还含有少量的碳、硅、锰、硫、磷等,元素，力学性能主要与,碳,的含量有关：,含碳量越高，则钢筋的强度越高，质地硬，但塑性变差。,若含碳量低于,0.25,，则称为低碳钢，钢筋混凝土结构中,多应用的是低碳钢。,热轧钢筋的成分,2.2,钢 筋,2.2.1,、钢筋的种类及选用,强度高，塑性低,强度高，粘结性好,强度高,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,弱,强,高,低,不同钢筋应力应变关系的比较,热轧钢筋,HPB235,级、,HRB335,级、,HRB400,级、,RRB400,级,HPB,Hot rolled,Plain,Bar,HRB,Hot rolled,Ribbed,Bar,RRB,Remained,heat,Ribbed,Bar,屈服强度,f,yk,（,标准值,，,保证率,95%,）,HPB235,级：,f,yk,=,235 N/mm,2,HRB335,级：,f,yk,=,335 N/mm,2,HRB400,级、,RRB400,级：,f,yk,=,400 N/mm,2,2.2,钢 筋,HPB235,：,质量稳定，塑性好易成型，但屈服强度较低，不,宜用于结构中的受力钢筋；,HRB335,：,带肋钢筋，有利于与混凝土之间的粘结，强度和,塑性均较好，是,目前,主要应用的钢筋品种之一；,HRB400,：,带肋钢筋，有利于与混凝土之间的粘结，强度和,塑性均较好，用于大中型钢筋混凝土结构和高强混 凝土结构构件的受力钢筋。,今后,主要应用的钢筋品种之一；,RRB400,：,HRB335,钢筋热轧后快速冷却，利用钢筋内温,度自行回火而成，淬火钢筋强度提高，塑性降低，余热处理后塑性有所改善,用于预应力混凝土结构。,热轧钢筋的性能特点,我国常见钢筋外形,有明显屈服点（软钢）,0,d,a,b,c,e,oa,弹性阶段,bc,屈服阶段,cd,硬化阶段,de,颈缩阶段,d,0,条件屈服点,0.2,是残余应变为,0.2%,时的应力,c,条件屈服强度,0.2,=0.85 f,u,无明显屈服点（硬钢）,c,0.2,0.2%,a,比例极限,fp,c,屈服强度,fy,d,极限强度,fu,1.,强度相关,是钢筋强度的设计依据,屈强比,反映钢筋的强度储备，,f,y,/,f,u,=0.60.7,。,2.2.2,、钢筋的强度与变形,屈强比愈小,，,钢材在超过屈服点以后的强度储备能力愈大，安全性愈高；,屈强比大，钢材的利用率提高，但其安全可靠性降低,2.,塑性性能,伸长率：,钢材拉断后的塑性变形量较钢材原始尺度的变化率，是衡量钢材变形能力的重要指标。,冷弯指标：,是检验钢材冷加工性能的指标，对于钢筋与钢板，其冷弯指标是指在常温下被检验材料对于某一相对的半径（相对板材厚度与钢筋直径）的弯曲角度。,伸长率,:,d,0,越大,钢筋延性或塑性越好,3.,钢材的加工性能,常见的建筑工程钢材加工有冷加工、热加工两类：,冷加工：板材、线材的冷弯；线材的冷拉、冷拔；,热加工：焊接。,冷拉后的钢筋,没有明显的屈服阶段,冷拉卸载后经过一段时间的停滞，再对其张拉，会重新恢复屈服阶段而呈现出屈服强度提高的应力应变图形；这种现象被称为,冷做硬化,现象,；,冷拉,仅提高钢筋的抗拉强度，不提高其抗压强度；,冷拉工艺,不改变钢筋的强度级别,。,冷拉,冷拔是指将光圆钢筋以强力拉拽使其通过小直径的硬质合金模具，使其截面减小而长度增长；,冷拔后的,钢筋的强度会大大提高；,冷拔后钢筋的,塑性会降低,；,冷拔后的,钢筋与之前的钢筋不属于同一种钢筋。,0,冷拔,第二章 钢筋和混凝土的材料性能,2.1,钢筋,有明显屈服点钢筋的应力,-,应变关系一般可采用双线性的理想弹塑性关系,1,E,s,2.2.3,、钢筋的应力应变曲线的数学模型,混凝土结构对钢筋的要求,强度屈服强度,塑性延伸率和冷弯性能,具有较好的可焊性,有较好的粘结力带肋钢筋,2.3.1,粘结的意义,钢筋混凝土受力后，钢筋与混凝土之间出现变形差,(,相对滑移,),，会沿钢筋和混凝土接触面上存在剪应力，称为粘结应力。通过粘结力钢筋和混凝土传递二者之间的应力，使钢筋和混凝土变形协调、共同工作。,钢筋与混凝土之间粘结应力示意图,（,a,）,锚固粘结应力 （,b,）,裂缝间的局部粘结应力,2.3,混凝土与钢筋的粘结,1,锚固粘结应力,是指钢筋伸入支座或支座负弯,矩钢筋在跨间截断时，必须具有,足够的锚固长度，通过锚固长度,积累粘结力。,按钢筋所处部位和所起作用不,同受压、受拉、支座、节点及钢,筋截断时，锚固长度各异。,2,局部粘结应力,裂缝之间的局部粘结应力，是指相邻两个开裂截面之间产生的钢筋拉力，通过裂缝两侧的粘结应力部分地向混凝土传递，使未开裂的混凝土受拉。,2.3.2,粘结力的形成,光圆钢筋与变形钢筋具有不同的粘结机理，其粘结作用主要由三部分组成：,（）钢筋与混凝土接触面上的化学吸附作用力（,胶结力,）。一般很小，仅在受力阶段的局部无滑移区域起作用，当接触面发生相对滑移时，该力即消失。,（）混凝土收缩握裹钢筋而产生的,摩阻力,。,（）钢筋表面凹凸不平与混凝土之间产生的机械咬合作用力（,咬合力,）。对于光圆钢筋，这种咬合力来自于表面的粗糙不平。,变形钢筋与混凝土之间的机械咬合作用主要是由于变形钢筋肋间嵌入混凝土而产生的。,变形钢筋和混凝土的机械咬合作用,2.3.3,粘结强度,钢筋与砼粘结面上所能承受的平均剪应力的最大值。,式中,N,钢筋的拉力；,钢筋的直径；,粘结的长度,。,计算公式,2.3.4,影响粘结的因素,混凝土强度,：,光面钢筋和变形钢筋的粘结强度均随混凝土,强度的提高而增加，但并不与立方体强度,fcu,成正比，而与抗,拉强度,ft,成正比。,保护层厚度、钢筋净间距,：,对于变形钢筋，粘结强度主要,取决于劈裂破坏。相对保护层厚度,c/d,越大，混凝土抵抗劈,裂破坏的能力也越大，粘结强度越高。,横向配筋,：,横向钢筋的存在限制了径向裂缝的发展，使粘结,强度得到提高。,侧向压应力、浇筑混凝土时钢筋的位置,。,(1),对不同等级的混凝土和钢筋，要保证最小搭接长度和锚固长度；,(2),为了保证混凝土与钢筋之间有足够的粘结，必须满足钢筋最小间距和混凝土保护层最小厚度的要求；,(3),在钢筋的搭接接头内应加密箍筋；,(4),为了保证足够的粘结在钢筋端部应设置弯钩；,(5),对大深度混凝土构件应分层浇筑或二次浇捣；,(6),一般除重锈钢筋外，可不必除锈。,2.3.5,钢筋的锚固与搭接,保证粘结的构造措施,基本锚固长度,钢筋锚固长度 钢筋达到屈服强度而不发生粘结锚固破坏的最短长度。,受拉钢筋的最大拉力为,d2fy/4,，锚固长度,la,的平均粘结强度为,，锚固力,dla,，由平衡条件可得,钢筋的基本锚固长度取决于钢筋的强度及混凝土抗拉强度，并与钢筋的外形有关。,规范,规定纵向受拉钢筋的锚固长度作为钢筋的基本锚固长度，其计算公式为：,规范：,钢筋搭接的原则是：接头应设置在受力较小处，同一根钢筋上应尽量少设接头，机械连接接头能产生较牢固的连接力，应优先采用机械连接。,受拉钢筋绑扎搭接接头的搭接长度计算公式：,式中，,为受拉钢筋搭接长度修正系数，它与同一连接区内搭接钢筋的截面面积有关，详见,规范,。,钢筋的搭接,【,小结,】,1.,建筑用钢筋的种类、力学性能,2.,钢筋冷加工,3.,混凝土的力学性能,4.,混凝土的变形,5.,钢筋与混凝土的粘结锚固,