混凝土结构设计原理课件钢筋和混凝土材料的基本性能.pptx

p本本章章主主要要内内容容钢筋的材料性能钢筋的材料性能 混凝土的材料性能混凝土的材料性能 混凝土与钢筋的粘结混凝土与钢筋的粘结 本章提要材料性能（物理力学性能）钢筋钢筋的强度、变形性能的强度、变形性能 混凝土混凝土的强度、变形性能的强度、变形性能 钢筋与混凝土之间钢筋与混凝土之间的粘结的粘结-滑移性能滑移性能重点 混凝土混凝土的强度、变形性能的强度、变形性能本章在本课程中的本章在本课程中的作用作用 后续各章的后续各章的基础基础p 钢筋的成分、级别和种类钢筋的成分、级别和种类p 钢筋的强度和变形性能（钢筋的强度和变形性能（重点重点）p 钢筋的冷加工钢筋的冷加工p 混凝土结构对钢筋性能的要求混凝土结构对钢筋性能的要求主要成分主要成分：铁：铁其他成分其他成分：碳、锰、硅、磷、硫等：碳、锰、硅、磷、硫等碳素钢碳素钢：低碳钢：低碳钢（含碳量（含碳量0.25%）；）；中碳钢中碳钢（0.25%0.6%）高碳钢高碳钢（0.6%1.4%）。）。含碳量高，强度高，塑性和可焊性降低含碳量高，强度高，塑性和可焊性降低锰、硅锰、硅：可提高钢材强度，保持一定的塑性：可提高钢材强度，保持一定的塑性低合金钢低合金钢：在钢材中加入少量的合金元素（锰、硅、钒、钛、：在钢材中加入少量的合金元素（锰、硅、钒、钛、铬等），铬等），强度高、韧性好强度高、韧性好细晶粒热轧带肋钢筋细晶粒热轧带肋钢筋：不添加或添加很少的合金元素，通过控：不添加或添加很少的合金元素，通过控制轧钢的温度形成细晶粒的金相组织，达到与添加合金元素相制轧钢的温度形成细晶粒的金相组织，达到与添加合金元素相同的效果，其强度和变形能力满足要求。同的效果，其强度和变形能力满足要求。2.1.1钢筋的品种和级别2.1.1钢筋的品种和级别钢筋混凝土结构中的钢筋钢筋混凝土结构中的钢筋普通钢筋普通钢筋预应力筋预应力筋热轧钢筋热轧钢筋钢绞线钢绞线消除应力钢丝消除应力钢丝 预应力螺纹钢筋预应力螺纹钢筋低碳钢低碳钢普通低合金钢普通低合金钢或细晶粒钢或细晶粒钢n 混凝土结构中的钢筋混凝土结构中的钢筋HRB335HRB400RRB400HPB300HRB500HRBF335HRBF400HRBF500HPB300 HRB335HRB400RRB400n 热轧钢筋的符号说明热轧钢筋的符号说明hot rolled plain bar fyk=300 N/mm2hot rolled ribbed bar fyk=335 N/mm2hot rolled ribbed barfyk=400 N/mm2remained heat treatment ribbed bar fyk=400 N/mm22.1.1钢筋的品种和级别 钢筋混凝土中的纵向受力钢筋宜采用钢筋混凝土中的纵向受力钢筋宜采用400、500的热轧钢筋，也可用的热轧钢筋，也可用300、335的热轧钢筋；的热轧钢筋；RRB400钢筋的可焊性、机械连接性能和施工钢筋的可焊性、机械连接性能和施工适用性有所降低，可用于对延性和加工性能要求不高的构件中，不宜用作适用性有所降低，可用于对延性和加工性能要求不高的构件中，不宜用作重要部位的受力钢筋，不应用于直接承受疲劳荷载的构件。重要部位的受力钢筋，不应用于直接承受疲劳荷载的构件。2.1.1钢筋的品种和级别n 热轧钢筋的外形热轧钢筋的外形光圆钢筋光圆钢筋 螺纹钢筋螺纹钢筋 人字纹钢筋人字纹钢筋 月牙纹钢筋月牙纹钢筋 2.1.1钢筋的品种和级别2.1.1钢筋的品种和级别n预应力钢筋外形预应力钢筋外形普通钢筋一般为普通钢筋一般为软刚软刚；预应力筋一般为；预应力筋一般为硬钢。硬钢。从受力性能分从受力性能分：软钢；硬钢：软钢；硬钢2.1.1钢筋的品种和级别2.1.2 钢筋的强度和变形性能n 钢筋的应力应变曲线钢筋的应力应变曲线（有明显流幅的钢筋（有明显流幅的钢筋,软钢软钢）比例极限比例极限弹性极限弹性极限屈服上限屈服上限屈服下限屈服下限屈服平台屈服平台强化阶段强化阶段颈缩阶段颈缩阶段n 钢筋的两个强度指标钢筋的两个强度指标:屈服强度屈服强度和和极限强度极限强度n 屈服强度屈服强度作为钢筋设计强度取值作为钢筋设计强度取值依据依据n 钢筋的应力应变曲线钢筋的应力应变曲线（无明显流幅的钢筋（无明显流幅的钢筋,硬钢硬钢）比例极限比例极限 a极限强度极限强度b条件屈服强度条件屈服强度0.22.1.2 钢筋的强度和变形性能硬钢只有极限强度，硬钢只有极限强度，没有屈服强度没有屈服强度；条件屈服强度条件屈服强度：取残余应变为取残余应变为0.2%所对应的应力所对应的应力2.1.2 钢筋的强度和变形性能n 钢筋的弹性模量钢筋的弹性模量n 钢筋的钢筋的弹性模量弹性模量根据拉伸试验中弹性阶段的应力根据拉伸试验中弹性阶段的应力应变曲线应变曲线确定，由于钢筋在弹性阶段的受压和受拉性能相同，故取受拉确定，由于钢筋在弹性阶段的受压和受拉性能相同，故取受拉弹性模量等于受压弹性模量。弹性模量等于受压弹性模量。n 钢筋的塑性性能钢筋的塑性性能n 钢筋的两个塑性指标钢筋的两个塑性指标:延伸率延伸率(最大力下的总伸长率最大力下的总伸长率)和和冷弯性能冷弯性能l0=5,10dln 延延伸伸率率试试验验n 冷冷弯弯试试验验d2.1.2 钢筋的强度和变形性能nTotal elongation at maximum force 测量区是残余变形吗？测量区是残余变形吗？最大力下的总伸长率最大力下的总伸长率 普通钢筋及预应力筋在最大力下的总伸长率gt应不应小于下表规定的数值：n 钢筋的钢筋的冷弯性能冷弯性能n 冷冷弯弯试试验验d2.1.2 钢筋的强度和变形性能 为了使钢筋在使用时不会脆断，加工时不致断裂，钢筋应具有一定的冷弯性能。该性能由冷弯试验确定，要求弯曲后钢筋应无裂纹、鳞落或断裂现象。2.1.2 钢筋的强度和变形性能钢筋的强度和变形性能软钢与硬钢的区别软钢与硬钢的区别 软钢：有明显的屈服平台；屈服强度，极限强度 硬钢：无屈服平台，只有极限强度；规定“条件屈服强度”设计取值依据设计取值依据 屈服强度（软钢）；条件屈服强度（硬钢）钢筋的屈强比钢筋的屈强比 =屈服强度屈服强度/极限强度极限强度0.8钢筋的延性钢筋的延性（ductility）钢筋在强度无显著降低情况下抵抗变形的能力（屈服后钢筋在强度无显著降低情况下抵抗变形的能力（屈服后的变形能力）。软刚延性好，硬钢延性较差。的变形能力）。软刚延性好，硬钢延性较差。弹性模量弹性模量：弹性极限以下应力弹性极限以下应力-应变曲线的斜率应变曲线的斜率n 钢筋的疲劳性能钢筋的疲劳性能n 吊车梁、铁路或公路桥梁、枕轨、海洋石油平台等往往承受吊车梁、铁路或公路桥梁、枕轨、海洋石油平台等往往承受周期周期性的重复荷载作用性的重复荷载作用。往往引起疲劳破坏。往往引起疲劳破坏。2.1.2 钢筋的强度和变形性能n 原因：疲劳断裂是由于钢筋内部的缺陷造成的，这些缺陷一方面原因：疲劳断裂是由于钢筋内部的缺陷造成的，这些缺陷一方面引起局部应力集中，另一方面在重复荷载作用下，裂缝时而闭合时引起局部应力集中，另一方面在重复荷载作用下，裂缝时而闭合时而张开，使裂痕逐渐发展，最终导致断裂。而张开，使裂痕逐渐发展，最终导致断裂。n 疲劳破坏疲劳破坏：钢材在重复、周期动荷载作用下，经过一定次数后，：钢材在重复、周期动荷载作用下，经过一定次数后，钢材发生脆性的突然断裂破坏，而不是单调加载时的塑性破坏，这钢材发生脆性的突然断裂破坏，而不是单调加载时的塑性破坏，这种破坏称为疲劳破坏。种破坏称为疲劳破坏。n 疲劳强度疲劳强度：是指在某一规定应力变化范围内，经受一定次数的循：是指在某一规定应力变化范围内，经受一定次数的循环荷载以后，才发生破坏的最大应力值。用环荷载以后，才发生破坏的最大应力值。用 表示。表示。n 钢筋的疲劳性能钢筋的疲劳性能2.1.2 钢筋的强度和变形性能n 对疲劳性能的确定，新老规范有较大差异对疲劳性能的确定，新老规范有较大差异n 影响因素影响因素：应力变化幅值、最小应力、钢筋表面几何形状、钢筋：应力变化幅值、最小应力、钢筋表面几何形状、钢筋直径、钢筋种类、轧制工艺和试验方法，最主要的是应力变化幅值，直径、钢筋种类、轧制工艺和试验方法，最主要的是应力变化幅值，用用 表示表示 。n 钢筋的疲劳性能钢筋的疲劳性能2.1.2 钢筋的强度和变形性能n 老规范老规范GBJ10-89：在：在200200万次万次重复荷载条件下，根据疲劳应力重复荷载条件下，根据疲劳应力比值比值 ，确定钢筋的，确定钢筋的疲劳强度。疲劳强度。n 优点：直观，方便，易懂。优点：直观，方便，易懂。Pf小代表应力变化范围大。破坏显著！小代表应力变化范围大。破坏显著！n 钢筋的疲劳性能钢筋的疲劳性能2.1.2 钢筋的强度和变形性能n新规范新规范GB50010-2010：在：在200200万次重复荷载条件下，根万次重复荷载条件下，根据疲劳应力比值据疲劳应力比值 ，确定钢，确定钢筋的筋的疲劳应力幅限值疲劳应力幅限值 。n 变化：变化：1.1.用应力幅限值代替疲劳强度；用应力幅限值代替疲劳强度；2.2.应力幅限值根据原规范的疲应力幅限值根据原规范的疲劳强度设计值用校准法反算得出；劳强度设计值用校准法反算得出；3.3.不直观，不直观，不方便，不易懂。不方便，不易懂。2.1.3 钢筋的冷加工n 冷拉冷拉n 冷冷拉拉是是在在常常温温下下用用机机械械方方法法将将有有明明显显流流幅幅的的钢钢筋筋拉拉到到超超过过屈服强度即强化阶段中的某一应力值屈服强度即强化阶段中的某一应力值，然后卸载至零。，然后卸载至零。n冷冷拉拉强强化化：冷冷拉拉控控制制应应力力必必须须超超过过屈屈服服点点，进进入入强强化化阶阶段段。屈服强度提高，屈服平台消失，极限强度未提高，延性降低屈服强度提高，屈服平台消失，极限强度未提高，延性降低n冷冷拉拉时时效效：钢钢筋筋经经首首次次冷冷拉拉后后，在在自自然然条条件件下下一一段段时时间间后后进进行行第第二二次次张张拉拉，屈屈服服强强度度和和极极限限强强度度均均提提高高，且且恢恢复复屈屈服服台台阶。阶。n 只能提高抗拉强度，只能提高抗拉强度，抗压屈服强度将降低抗压屈服强度将降低。2.1.3 钢筋的冷加工n冷拔冷拔 冷拔一般是将冷拔一般是将 6的的HPB235热轧钢筋强行拔过小于其直径热轧钢筋强行拔过小于其直径的硬质合金拔丝模具。的硬质合金拔丝模具。可同时提高抗拉和抗压强度可同时提高抗拉和抗压强度。冷加工目的冷加工目的是节约钢材和扩大钢筋的应用范围。是节约钢材和扩大钢筋的应用范围。n混凝土结构设计规范混凝土结构设计规范不提倡冷拉钢筋，已取消冷拉钢筋不提倡冷拉钢筋，已取消冷拉钢筋.2.1.3 钢筋的冷加工2.1.4 混凝土结构对钢筋性能的要求n 适当的屈强比适当的屈强比0.8n 足够的塑性足够的塑性 最大力下的总伸长率最大力下的总伸长率 HPB300：不小于不小于10.0%；HRB400HRB500:不小于不小于7.5%RRB400：不小于：不小于5%；预应力筋：不小于；预应力筋：不小于3.5%n 可焊性可焊性n 耐久性与耐火性耐久性与耐火性n 与混凝土具有良好的粘结与混凝土具有良好的粘结n 抗低温性能抗低温性能p 混凝土的强度混凝土的强度p 混凝土的变形性能混凝土的变形性能简单受力状态下混凝土的强度简单受力状态下混凝土的强度 立方体抗压强度立方体抗压强度(uniaxial compressive cube strength)轴心抗压强度轴心抗压强度(uniaxial compressive strength)轴心抗拉强度轴心抗拉强度(uniaxial tensile strength)复杂受力状态下混凝土的强度复杂受力状态下混凝土的强度 双轴受力强度双轴受力强度 三轴受力强度三轴受力强度 剪压及剪拉强度剪压及剪拉强度2.2.1混凝土的强度n 简单受力状态下混凝土的简单受力状态下混凝土的强度强度 立方体抗压强度立方体抗压强度 n 混凝土受压破坏机理混凝土受压破坏机理骨料之间的微裂缝是骨料之间的微裂缝是内因内因纵向受压破坏是横向纵向受压破坏是横向拉裂造成的。拉裂造成的。骨料之间的微裂缝骨料之间的微裂缝2.2.1混凝土的强度n影响因素分析影响因素分析 材料组成：材料组成：最主要因素最主要因素，在材料组成一定时，还有下列因素，在材料组成一定时，还有下列因素n试件尺寸试件尺寸：尺寸大，内部缺陷相对较多，端部摩擦力影响相：尺寸大，内部缺陷相对较多，端部摩擦力影响相对较小，强度低对较小，强度低 这个理由不太好！这个理由不太好！n加载速度加载速度：加载速度快，微裂缝不能充分扩展，强度高：加载速度快，微裂缝不能充分扩展，强度高n试验条件试验条件：试件上、下表面不涂油，横向变形受到约束，强：试件上、下表面不涂油，横向变形受到约束，强度高度高n龄期龄期：龄期长，试件强度高：龄期长，试件强度高 2.2.1混凝土的强度n混凝土立方体抗压强度试验方法混凝土立方体抗压强度试验方法 边长为边长为150mm的标准立方体试块、在标准条件下养护的标准立方体试块、在标准条件下养护28d或或设计规定龄期设计规定龄期后，以标准试验方法测得的破坏时的后，以标准试验方法测得的破坏时的平均压应平均压应力力为混凝土的为混凝土的立方体抗压强度立方体抗压强度。注：对掺加粉煤灰等时，规定龄期为注：对掺加粉煤灰等时，规定龄期为60、90天等。天等。n立方体抗压强度标准值立方体抗压强度标准值 fcu,k 按上述规定所测得的具有按上述规定所测得的具有95%保证率的抗压强度称为混凝保证率的抗压强度称为混凝土的土的立方体抗压强度标准值立方体抗压强度标准值。n混凝土强度等级混凝土强度等级 混凝土规范混凝土规范规定：规定：混凝土强度等级混凝土强度等级按立方体抗压强度标按立方体抗压强度标准值确定准值确定2.2.1混凝土的强度n混凝土强度等级的分级混凝土强度等级的分级 按按 fcu,k 划分为划分为14级，即级，即 C15C80，级差，级差5MPa。符号符号 C35 C：立方体立方体(Cube)35：立方体抗压强度标准值，单位立方体抗压强度标准值，单位 N/mm2 当当C50时，时，普通混凝土普通混凝土（normal-strength concrete）当当C50时，时，高强混凝土高强混凝土（high-strength concrete）按按C50配置的混凝土，其实测立方体抗压强度与配置的混凝土，其实测立方体抗压强度与50MPa是是何关系？何关系？n fcu,k是混凝土各种强度指标的基本代表值2.2.1混凝土的强度n 简单受力状态下混凝土的简单受力状态下混凝土的强度强度 轴心抗压强度轴心抗压强度 n 轴心（棱柱体）抗压强度轴心（棱柱体）抗压强度 fc采用棱柱体试件，能够反映混凝土的实际工作状态。采用棱柱体试件，能够反映混凝土的实际工作状态。我国取我国取150150300mm为标准试件，按与立方体试验为标准试件，按与立方体试验相同的规定所得的平均应力值，为相同的规定所得的平均应力值，为 fc 。棱柱体高度取值的原因：棱柱体高度取值的原因：摆脱端部摩擦力的影响摆脱端部摩擦力的影响 试件不致失稳试件不致失稳n 立方体抗压强度与轴心抗压强度之间的关系立方体抗压强度与轴心抗压强度之间的关系棱柱体强度与立方体强度的比值棱柱体强度与立方体强度的比值混凝土考虑脆性的折减系数混凝土考虑脆性的折减系数结构中混凝土与试件混凝土的强度差异修正系数结构中混凝土与试件混凝土的强度差异修正系数2.2.1混凝土的强度n棱柱体试件尺寸棱柱体试件尺寸 试件强度不受试件强度不受端部摩擦力端部摩擦力和和附加偏心距附加偏心距的影响。的影响。中间处于中间处于均匀受压状态。均匀受压状态。解决问题的思路解决问题的思路 由已知求未知，由简单由已知求未知，由简单方法解决复杂问题方法解决复杂问题确定方法：确定方法：对比试验对比试验2.2.1混凝土的强度n轴心抗压强度 试验值试验值 修正值修正值 :棱柱体强度与立方体强度之比值，棱柱体强度与立方体强度之比值，C50及以下取及以下取 =0.76，对，对C80取取 =0.82，中间按线性规律变化取值；，中间按线性规律变化取值；为混凝土考虑脆性的折减系数，对为混凝土考虑脆性的折减系数，对C40取取 =1.00，对，对C80取取 =0.87，中间按线性规律变化取值；，中间按线性规律变化取值；0.88:考虑考虑结构中混凝土强度结构中混凝土强度与与试件混凝土强度试件混凝土强度之间的差异而之间的差异而采取的修正系数。采取的修正系数。2.2.1混凝土的强度n 简单受力状态下混凝土的简单受力状态下混凝土的强度强度 轴心抗拉强度轴心抗拉强度 n 轴心抗拉强度轴心抗拉强度 ft混凝土的抗拉强度远低于抗压强度混凝土的抗拉强度远低于抗压强度对于普通混凝土，抗拉强度约对于普通混凝土，抗拉强度约 1/17-1/8 的抗压强度的抗压强度 对于高强混凝土，抗拉强度约对于高强混凝土，抗拉强度约 1/24-1/20 的抗压强度的抗压强度n 轴心抗拉强度的试验方法轴心抗拉强度的试验方法直接受拉试验直接受拉试验劈裂试验劈裂试验 弯折试验弯折试验2.2.1 混凝土的强度n 简单受力状态下混凝土的简单受力状态下混凝土的强度强度 轴心抗拉强度轴心抗拉强度 n 直接受拉试验直接受拉试验150150500100100n 轴心抗拉强度与立方体抗压强度平均值之间的关系轴心抗拉强度与立方体抗压强度平均值之间的关系n 直接受拉试验的缺点直接受拉试验的缺点:容易引起偏拉破坏容易引起偏拉破坏2.2.1混凝土的强度n对比试验结果对比试验结果2.2.1混凝土的强度n 简单受力状态下混凝土的简单受力状态下混凝土的强度强度 轴心抗拉强度轴心抗拉强度 n 劈裂试验劈裂试验PPan 弯折试验弯折试验l/3500600150150P/2l/3l/3P/22.2.1混凝土的强度n圆柱体劈裂试验 不是太懂！2.2.1混凝土的强度n 复杂受力状态下混凝土的强度复杂受力状态下混凝土的强度 双轴应力状态双轴应力状态n 研究文献来源研究文献来源:H.Kupfer,H.K.Hilsdorf,H.Rusch,Behaviour of concrete under biaxial stresses,ACI J.66(1969)656-666.n 研究方法研究方法 方形板试件方形板试件施加法向应力施加法向应力 1施加法向应力施加法向应力 2板处于平面应力状态板处于平面应力状态2.2.1混凝土的强度n 复杂受力状态下混凝土的强度复杂受力状态下混凝土的强度 双轴应力状态双轴应力状态双等拉双等拉双等压双等压-1.2600.20.4-0.6-0.4-0.2-1.2-1.0-0.8-1.400.20.4-0.6-0.4-0.2-1.2-1.0-0.8-1.4Kupfer的的强强度度包包络络图图n 双双向向受受拉拉的的破破坏坏强强度度接接近近于于单单轴轴抗拉强度。抗拉强度。n 双双向向受受压压的的破破坏坏强强度度高高于于单单轴轴抗抗压强度。压强度。n 一一拉拉一一压压的的破破坏坏强强度度低低于于相相应应的的单轴受力强度。单轴受力强度。n 双双轴轴受受压压的的强强度度最最大大值值不不是是发发生生在在双双轴轴等等压压的的情情况况下下,而而 是是 发发 生生 在在1/20.5时。时。2.2.1混凝土的强度n 复杂受力状态下混凝土的强度复杂受力状态下混凝土的强度 三轴受压状态三轴受压状态n 侧向等压（常规三轴）的情况侧向等压（常规三轴）的情况通过液体静通过液体静压力对圆柱压力对圆柱体试件施压体试件施压n 当当侧侧向向压压力力较较较较高高低低时时,上上式式不不再再为为线线性性关关系系,可可采采用用蔡蔡绍绍怀怀经验公式经验公式n 当当侧侧向向压压力力较较低低时时,对对于于普普通通混凝土混凝土2.2.1混凝土的强度2.2.1混凝土的强度n 复杂受力状态下混凝土的强度复杂受力状态下混凝土的强度 剪压或剪拉复合应力状态剪压或剪拉复合应力状态n 试验结果试验结果岗岛达雄的试验结果岗岛达雄的试验结果n 试验结论试验结论 随着拉应力的增加，混凝土抗剪强度降低；随着拉应力的增加，混凝土抗剪强度降低；随着压应力的增加，抗剪强度先增大、后减小；随着压应力的增加，抗剪强度先增大、后减小；达到轴心抗压强度时，抗剪强度为零；达到轴心抗压强度时，抗剪强度为零；当拉应力约为当拉应力约为 0.1fc时，抗剪强度为零。时，抗剪强度为零。2.2.1混凝土的强度n混凝土的变形混凝土的变形受力变形受力变形 一次短期加载下的变形(重点)：轴压、轴拉、复合应力状态下 承载力计算；非线性分析 荷载长期作用下的变形（徐变）：变形和裂缝宽度计算；预应力损失 重复荷载作用下的变形（疲劳性能）：确定弹性模量；疲劳验算体积变形体积变形 收缩变形：收缩裂缝；预应力损失收缩变形：收缩裂缝；预应力损失 温度变形：温度应力温度变形：温度应力裂缝裂缝 防止温度、收缩裂缝的构造措施防止温度、收缩裂缝的构造措施2.2.2混凝土的变形性能2.2.2混凝土的变形性能1.单调短期加载下的变形性能单调短期加载下的变形性能 轴心受压的应力轴心受压的应力-应变关系应变关系 4 48 82 2 O Os s 0.3fca0.8fcbfcc6 6d a点点前前内内部部裂裂缝缝没没有有发发展展，应力应变近似直线。应力应变近似直线。b点点称称为为临临界界应应力力点点,内内部部裂裂缝有发展缝有发展,但处于稳定状态但处于稳定状态c点点的的应应变变称称为为峰峰值值应应变变,0约约为为0.002,内内部部裂裂缝缝延延伸伸到到表表面面，c点点后后出出现现应应变变软软化化d点点为为极极限限压压应应变变,对对普普通通混混凝土取凝土取0.0033。0fcsu0.3fcs0.8fcs曲线曲线ab段：段：水泥凝胶体的粘性流动和内部微裂缝的水泥凝胶体的粘性流动和内部微裂缝的扩展使混凝土表现出越来越明显的塑性，应力应变扩展使混凝土表现出越来越明显的塑性，应力应变关系偏离直线，应变的增长速度比应力增长快。内关系偏离直线，应变的增长速度比应力增长快。内部微裂缝有所发展，但处于稳定状态，故部微裂缝有所发展，但处于稳定状态，故b点称为点称为临界应力点，相应的应力相当于钢筋的条件屈服强临界应力点，相应的应力相当于钢筋的条件屈服强度。度。曲线曲线bc段：段：应变增长速度应变增长速度进一步加快，应力应变曲进一步加快，应力应变曲线的斜率急剧减小，混凝线的斜率急剧减小，混凝土内部微裂缝进入非稳定土内部微裂缝进入非稳定发展阶段发展阶段 0a段：段：应力应变关系接近于直线应力应变关系接近于直线a点点相当于混凝土的弹性极限。变形主相当于混凝土的弹性极限。变形主要取决于骨料和水泥石的弹性变形，要取决于骨料和水泥石的弹性变形，内部的初始微裂可能发展或闭合，内部的初始微裂可能发展或闭合，相对稳定相对稳定 曲线曲线cd段：段：下降段的存在表明受压破坏下降段的存在表明受压破坏后的混凝土仍保持一定的承载能力，它后的混凝土仍保持一定的承载能力，它主要是由滑移面上的摩擦咬合力和为裂主要是由滑移面上的摩擦咬合力和为裂缝所分割成的混凝土小柱体的残余强度缝所分割成的混凝土小柱体的残余强度所提供。所提供。混凝土轴心受压时的应力应变关系混凝土轴心受压时的应力应变关系 峰值应变峰值应变0 0随混凝土强度等级随混凝土强度等级不同约在不同约在0.00150.00150.00250.0025之间变之间变动，结构计算中一般取动，结构计算中一般取0 0=0.002=0.002 结构计算中一般取结构计算中一般取u u=0.003=0.0030.00350.0035，我国，我国混凝土结构设计混凝土结构设计规范规范(GB50010)(GB50010)取取u u=0.0033=0.0033。0n应力应力-应变曲线上应变曲线上三个特征点三个特征点 峰值应力峰值应力 ：材料的最大承载力：材料的最大承载力 峰值应变峰值应变 ：与峰值应力相应的应变：与峰值应力相应的应变 极限压应变极限压应变 ：试件破坏时的：试件破坏时的最大应变值最大应变值n混凝土材料的混凝土材料的延性延性 混凝土试件在强度没有显著降低情混凝土试件在强度没有显著降低情况下况下承受变形的能力承受变形的能力n混凝土强度越高混凝土强度越高，越大；越大；越小；越小；材料的脆性越明显材料的脆性越明显n问题问题：混凝土应力：混凝土应力-应变曲线如何表达？应变曲线如何表达？数学表达式2.2.2混凝土的变形性能n混凝土混凝土单轴受压应力单轴受压应力-应变关系模型（本构模型）应变关系模型（本构模型）应力应力-应变关系模型是应力应变关系模型是应力-应变曲线的应变曲线的数学表达式数学表达式，可，可根据某一应变值求出相应的应力值。根据某一应变值求出相应的应力值。应用应用：承载力计算；混凝土结构非线性分析：承载力计算；混凝土结构非线性分析n本节给出的两个应力本节给出的两个应力-应变关系模型，一般应变关系模型，一般用于结构的非线性用于结构的非线性分析分析。nHognestad模型（早期）模型（早期）上升段上升段下降段下降段2.2.2混凝土的变形性能n 混凝土规范混凝土规范规定的规定的单轴受压应力单轴受压应力-应变关系模型应变关系模型482e ec,x O Os se e e ecu 2.2.2 混凝土的变形性能n 混凝土混凝土轴心受拉的应力轴心受拉的应力-应变关系应变关系n 轴心受拉的应力轴心受拉的应力-应变关系应变关系n 混凝土规范混凝土规范建议的单轴建议的单轴受拉应力受拉应力-应变关系模型应变关系模型O Os se e 2e et,x 2.2.2 混凝土的变形性能n混凝土在混凝土在复合应力下复合应力下的应力的应力-应变关系应变关系 三轴受压三轴受压：随侧向压应力增加，纵向强度和变形能力均提高。侧向压力约束了混凝土横向变形，限制了横向膨胀和内部微裂缝的扩展。（约束混凝土）2.2.2混凝土的变形性能n螺旋箍筋螺旋箍筋圆柱体约束混凝土圆柱体约束混凝土 在接近混凝土单轴抗压强度之前，在接近混凝土单轴抗压强度之前，横向钢筋几乎不受力，混凝土基本不横向钢筋几乎不受力，混凝土基本不受约束。受约束。轴向压力大于单轴抗压强度时，轴向压力大于单轴抗压强度时，轴向强度和变形能力均提高，轴向强度和变形能力均提高，横向钢横向钢筋越密，提高幅值越大。筋越密，提高幅值越大。螺旋筋螺旋筋能使核心混凝土在侧向受能使核心混凝土在侧向受到均匀连续的约束力，其效果较普通到均匀连续的约束力，其效果较普通箍筋好，因而强度和延性的提高更为箍筋好，因而强度和延性的提高更为显著。显著。n普通箍筋普通箍筋约束混凝土柱约束混凝土柱2.2.2混凝土的变形性能2.混凝土在混凝土在重复荷载作用下重复荷载作用下的变形性能的变形性能 一次加载、卸载下的应力一次加载、卸载下的应力-应变曲线应变曲线 总应变总应变 =弹性应变弹性应变 +弹性后效弹性后效 +残余应变残余应变 加载、卸载形成环状，其面积为加载、卸载过程中加载、卸载形成环状，其面积为加载、卸载过程中消耗的能量消耗的能量 卸载曲线在卸载曲线在A A点的切线与加载曲线在原点的点的切线与加载曲线在原点的切线平行切线平行2.2.2混凝土的变形性能n多次重复荷载作用下多次重复荷载作用下的应力的应力-应变曲线应变曲线 当加载、卸载的最大压应力值不超过当加载、卸载的最大压应力值不超过某个限值某个限值时，每次加时，每次加载、卸载过程都将形成塑性变形。经多次重复后，塑性变形将载、卸载过程都将形成塑性变形。经多次重复后，塑性变形将不再增长，混凝土加、卸载的应力不再增长，混凝土加、卸载的应力-应变曲线呈直线变化，且应变曲线呈直线变化，且此直线大致与第一次加载时的原点切线平行。此直线大致与第一次加载时的原点切线平行。当应力值超过当应力值超过一特定值之后，出一特定值之后，出现直线后就产生反现直线后就产生反向弯曲。应变越来向弯曲。应变越来越大，就会发生破越大，就会发生破坏，即疲劳破坏。坏，即疲劳破坏。该特定值就是混凝该特定值就是混凝土的土的疲劳强度疲劳强度。2.2.2混凝土的变形性能2.2.2 混凝土的变形性能n混凝土的弹性模量、剪变模量和泊松比混凝土的弹性模量、剪变模量和泊松比混凝土的混凝土的变形模量变形模量 初始弹性模量初始弹性模量 ：过：过原点原点切线的斜率。切线的斜率。切线模量切线模量 ：过某一点：过某一点切线切线的斜率。的斜率。（增量理论）（增量理论）割线模量割线模量 ：某一点与原点：某一点与原点连线连线的斜率。（全量理论）的斜率。（全量理论）n混凝土弹性模量混凝土弹性模量 初始弹性模量不易准确测定；多次重复加载、卸载后，应力-应变曲线变为直线，且与原点切线平行。我国规范规定用下述方法测定混凝土弹性模量：将棱柱体试件加载至应力 ，重复加载、卸载各5次后，应力-应变曲线基本上趋于直线，将应力-应变曲线上与0.5N/mm2的应力差与相应的应变差的比值作为弹性模量。？2.2.2混凝土的变形性能n混凝土弹性模量与立方体抗压强度之间的关系混凝土弹性模量是试验结果的混凝土弹性模量是试验结果的试验平均值试验平均值，保证率，保证率50%;弹性模量随立方体强度标准值弹性模量随立方体强度标准值非线性增长非线性增长;混凝土混凝土受拉与受压弹性模量相同受拉与受压弹性模量相同.n混凝土的混凝土的泊松比泊松比 n混凝土的混凝土的剪变模量剪变模量2.2.2混凝土的变形性能3.混凝土在混凝土在荷载长期作用下荷载长期作用下的变形性能的变形性能n 徐徐变变 在在不不变变的的应应力力长长期期持持续续作作用用下下，混混凝凝土土的的变变形形随随时时间间徐徐徐增长徐增长的现象称为混凝土的徐变的现象称为混凝土的徐变。3000.51.01.52.0510152025压应变压应变10-3时间时间 /月月瞬时瞬时变形变形徐变变形徐变变形卸载时瞬卸载时瞬时恢复的时恢复的变形变形残余变形残余变形卸载后的卸载后的弹性后效弹性后效2.2.2 混凝土的变形性能n徐变的特点徐变的特点 先快后慢，最后趋于稳定先快后慢，最后趋于稳定 n徐变的原因徐变的原因 水泥凝胶体的黏性流动，使水泥凝胶体的黏性流动，使 骨料应力增大骨料应力增大 混凝土中内部微裂缝的发展混凝土中内部微裂缝的发展影响徐变的因素影响徐变的因素 应力的大小应力的大小 线性徐变，徐变与应力成正比线性徐变，徐变与应力成正比 非线性徐变，徐变增长速度比应力增长快非线性徐变，徐变增长速度比应力增长快 徐变与时间曲线发散。徐变与时间曲线发散。2.2.2 混凝土的变形性能n影响徐变的因素影响徐变的因素混凝土组成和配合比混凝土组成和配合比 骨料（不产生徐变）多，徐变小；骨料（不产生徐变）多，徐变小；水泥用量和水灰比大（混凝土中凝胶体比重大），徐变大。水泥用量和水灰比大（混凝土中凝胶体比重大），徐变大。环境条件环境条件 湿度大，温度高，徐变大（高温干燥下，砼水份逸失较多，湿度大，温度高，徐变大（高温干燥下，砼水份逸失较多，转化为水泥结晶体的水泥浆少，凝胶体较多）；转化为水泥结晶体的水泥浆少，凝胶体较多）；龄期短，徐变大。龄期短，徐变大。注注：徐变是受力变形，有应力存在就有徐变变形；：徐变是受力变形，有应力存在就有徐变变形；徐变方向与受力方向一致，有受拉、压徐变；徐变方向与受力方向一致，有受拉、压徐变；徐变随时间变化。徐变随时间变化。2.2.2混凝土的变形性能n徐变对结构的影响（研究徐变的意义）徐变对结构的影响（研究徐变的意义）1 1）使钢筋混凝土构件）使钢筋混凝土构件截面产生内力重分布截面产生内力重分布 ：混凝土应力减小：混凝土应力减小，钢筋应力增大。，钢筋应力增大。2 2）使受弯构件和偏压构件的）使受弯构件和偏压构件的变形加大变形加大：徐变使截面受压区变：徐变使截面受压区变形增大，引起受弯构件挠度增大，偏压构件偏心距增大。形增大，引起受弯构件挠度增大，偏压构件偏心距增大。3 3）使预应力混凝土构件产生）使预应力混凝土构件产生预应力损失预应力损失：预压力使混凝土产：预压力使混凝土产生徐变，构件缩短，引起预应力损失。生徐变，构件缩短，引起预应力损失。2.2.2混凝土的变形性能n 混凝土的收缩混凝土的收缩n混凝土在空气中结硬时其体积会缩小，这种现象称为混凝土混凝土在空气中结硬时其体积会缩小，这种现象称为混凝土的收缩。使结构的收缩。使结构产生收缩裂缝产生收缩裂缝，引起预应力损失引起预应力损失。？n 混凝土的膨胀混凝土的膨胀n 混凝土的温度变形混凝土的温度变形n温度变化会使混凝土热胀冷缩，在结构中产生温度变化会使混凝土热胀冷缩，在结构中产生温度应力温度应力，甚至会使构件甚至会使构件开裂以至于损坏开裂以至于损坏。2.2.2混凝土的变形性能n混凝土在水中结硬时体积会膨胀，称为混凝土的膨胀。混凝土在水中结硬时体积会膨胀，称为混凝土的膨胀。2.2.2混凝土的变形性能p 粘结应力的概念及特点粘结应力的概念及特点p 粘结破坏机理及影响因素粘结破坏机理及影响因素p 钢筋的锚固钢筋的锚固本节内容本节内容2.3.1 一般概念一般概念 粘结应力；粘结强度粘结应力；粘结强度2.3.2 粘结应力的特点粘结应力的特点 光面钢筋；变形钢筋光面钢筋；变形钢筋2.3.3 粘结破坏机理粘结破坏机理 光面钢筋；变形钢筋光面钢筋；变形钢筋2.3.4 影响粘结强度的因素影响粘结强度的因素2.3.5 钢筋的钢筋的锚固和连接锚固和连接 应用：应用：锚固长度，连接长度，延伸长度锚固长度，连接长度，延伸长度 混凝土结构非线性分析混凝土结构非线性分析2.3.1 一般概念n 粘结应力粘结应力(粘结力粘结力)效应效应n 钢筋与混凝土接触面上所产生的沿钢筋钢筋与混凝土接触面上所产生的沿钢筋纵向的剪应力纵向的剪应力。n 粘结强度粘结强度抗力抗力n 粘结失效（钢筋被拔出或混凝土被劈裂）时的粘结失效（钢筋被拔出或混凝土被劈裂）时的最大粘最大粘结应力结应力。n 粘结应力的分类粘结应力的分类n 锚固粘结应力锚固粘结应力n 裂缝附近的局部粘结应力裂缝附近的局部粘结应力n粘结应力分类粘结应力分类 锚固粘结应力锚固粘结应力：钢筋伸入支座，负弯矩钢筋在某处截断钢筋伸入支座，负弯矩钢筋在某处截断 -钢筋的钢筋的锚固长度锚固长度和和延伸长度延伸长度 局部粘结应力局部粘结应力：裂缝附近的局部粘结应力：裂缝附近的局部粘结应力 -裂缝宽度和变形计算裂缝宽度和变形计算2.3.1 一般概念弯矩图弯矩图lan 锚固粘结应力锚固粘结应力fyF=0悬臂梁的纵筋锚固悬臂梁的纵筋锚固锚固长度锚固长度n 裂缝附近的局部粘结应力裂缝附近的局部粘结应力开裂截面处的钢开裂截面处的钢筋应力通过粘结筋应力通过粘结应力向混凝土传应力向混凝土传递递2.3.1 一般概念2.3.2 粘结应力的特点n 粘结应力的特点粘结应力的特点n 粘结应力分布的中心拔出试粘结应力分布的中心拔出试验验10d10d300d205d5d塑料套管塑料套管立方体试件立方体试件GB50152-92规定的规定的立方体拔出试验立方体拔出试验试验装置试验装置百分表百分表试件试件承压垫板承压垫板穿孔球铰穿孔球铰试验机垫板试验机垫板2.0(N/mm2)加载端加载端150100500 00.51.01.50100200 300(mm)s(N/mm2)d=13mm光圆钢筋光圆钢筋n 粘结应力的特点粘结应力的特点n 钢筋应力及粘结应力的分布钢筋应力及粘结应力的分布5101517.5kN5101517.5kN5(N/mm2)加载端加载端3002001000 012140 0100200 300(mm)s(N/mm2)d=13mm变形钢筋变形钢筋3105152025kNn 变变形形钢钢筋筋粘粘结结性性能能比比光光面面钢钢筋筋好。好。n 光光圆圆钢钢筋筋应应力力峰峰值值靠靠近近加加载载端端，粘粘结结应应力力增增长长缓缓慢。慢。n 变变形形钢钢筋筋粘粘结结应应力力分分布布长长度度缓缓慢慢增增长长，粘粘结结应应力峰值显著增大。力峰值显著增大。2.3.2 粘结应力的特点2.3.3 粘结破坏机理n 光圆钢筋的粘结破坏光圆钢筋的粘结破坏n粘结力的组成粘结力的组成 化学胶着力化学胶着力：混凝土中水泥凝胶体与钢筋表面的化学胶着力；混凝土中水泥凝胶体与钢筋表面的化学胶着力；占的比例较小。占的比例较小。摩擦力摩