钢筋和混凝土材料的力学性能—选编.pptx

,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,#,2020/2/9,河南理工大学土木工程学院,2024/11/27 周三,CH2 MECHANICAL PROPERTIES OF MATERIALS,本章重点,(,Emphasis),熟悉土木工程用钢筋的品种、级别、性能及其选用原则（,the variety,，,level,，,performance and selection principle of steel reinforcement,）；,熟悉混凝土在各种受力状态下的,强度与变形,性能,（,strength and deformation of concrete under,various loads),及其选用原则；,了解钢筋与混凝土的粘结性能,(bond between steel,bar and concrete),。,CH2.,钢筋和混凝土材料的基本性能,CH2.Mechanical Properties of Materials,钢筋的力学性能指标？,为何以屈服强度作为钢筋强度设计值的依据，而不是极限抗拉强度？,混凝土结构对钢筋性能的具体要求？,小结,2.1 Performance of Steel Bar,CH2.,钢筋和混凝土材料的基本性能,结合钢筋应力,-,应变曲线和钢筋混凝土梁受力特点说明“为何将屈服强度作为钢筋强度设计值的依据，而不是极限抗拉强度？”,任务,2.1 Performance of Steel Bar,CH2.,钢筋和混凝土材料的基本性能,P,P,A,B,B,C,D,E,Ultimate stress,f,u,Yielding stress,f,y,钢筋的力学性能指标,Index of mechanical properties,f,y,f,u,-,屈服强度,-,极限抗拉强度,f,y,/f,u,-,屈强比,强度储备,塑性指标,（延伸率,elongation,）,冷弯性能,强度指标,strength Index,Plasticity index,c,old-,f,ormed,capacity,ultimate tensile strength,yielding strength,均匀伸长率,CH2.,钢筋和混凝土材料的基本性能,2.1 Performance of Steel Bar,回顾,强度要求,：保证经济性。,屈服强度,和,极限抗拉强度,，还要求有适当的,屈强比。,塑性要求,：保证结构延性，给人以破坏的预兆。,伸长率,和,冷弯,要求。,可焊性,：,钢筋,焊接后不产生裂纹及过大的变形,，保证焊接后的接头性能良好。,与混凝土的粘结性,：保证钢筋和混凝土,共同工作,。,4,混凝土,结构对钢筋性能的要求,耐久性和耐火性,：设置必要的混凝土,保护层,。,CH2.,钢筋和混凝土材料的基本性能,2.1 Performance of Steel Bar,可焊性,刻痕钢丝,混凝土水泥水骨料,混凝土是多空隙、不均匀的物体，内部存在许多微裂纹,水化过程长，性能需较长时间才能稳定,Concrete,cement,water,aggregates,CH2.,钢筋和混凝土材料的基本性能,2.2 Performance of Concrete,混凝土的组成特点,Composition feature of Concrete,Cube compressive strength,Prism compressive strength,Tensile strength,Compressive strength under bi-axial or tri-axial loads,CH2.,钢筋和混凝土材料的基本性能,2.2 Performance of Concrete,Em,phasis,：,the strength of concrete,Em,phasis,：,the deformation of concrete,Deformation of concrete under axial and tri-axial compressive loads,试验证明，结构混凝土在承受荷载或外应力之前，内部就已经,存在少量、分散的微裂缝,，宽,(25)10,-3,、最长,(12mm),，其,主要原因,是在混凝土的凝固过程中，,粗骨料和水泥砂浆的收缩差,和,不均匀温湿度场所产生的微观应力场,。,2.2.1.,Strength of Concrete,CH2.,钢筋和混凝土材料的基本性能,2.2 Performance of Concrete,在逐渐受压过程中，混凝土试块的破坏是,内部微裂缝逐渐发展,(,Extension,of micro-cracks,),的结果。,粘结裂缝,混凝土加载前的内部微裂缝,s,=0.85,s,max,s,=0.65,s,max,粘结裂缝,s=s,max,s,=0,混凝土试块从开始受力直到极限荷载，混凝土内的微裂缝逐渐增多和扩展，可以分作,三个阶段,：,CH2.,钢筋和混凝土材料的基本性能,2.2 Performance of Concrete,微裂缝不发展,微裂缝扩展,微裂缝非稳定发展,混凝土破坏,用,X,光观测的混凝土单轴受压的裂缝过程,2.2.1.,Strength of Concrete,s,=0.85,s,max,s,=0.65,s,max,粘结裂缝,s=s,max,s,=0,CH2.,钢筋和混凝土材料的基本性能,2.2 Performance of Concrete,微裂缝不发展,微裂缝扩展,微裂缝非稳定发展,混凝土破坏,结论：,混凝土受压破坏是由于混凝土,内裂缝的扩展所致,。如果对混凝土的,横向变形加以约束,，,限制裂缝的开展,，则可以,提高,混凝土纵向,抗压强度,。,2.2.1.,Strength of Concrete,立方体抗压强度,(,Cube Compressive Strength),f,cu,1,）单轴受力状态下的混凝土强度（,under axial loads,）,CH2.,钢筋和混凝土材料的基本性能,2.2 Performance of Concrete,2.2.1.,Strength of Concrete,轴心抗压强度,(,Axial Compressive Strength),f,c,轴心抗拉强度,(,Axial Tensile Strength),f,t,承压板,试块,温度：203,相对湿度：,90,标准,条件,养护,28d,标准,试验方法,抗压强度,边长为,150mm,的,标准,立方体,试块,加载速度：,0.15,0.25MPa/s,全截面受力，表面不涂润滑剂,CH2.,钢筋和混凝土材料的基本性能,2.2 Performance of Concrete,Cube compressive strength,f,cu,影响因素一：,润滑剂,(lubricant),摩擦力,friction,不涂润滑剂,涂润滑剂,套箍效应,强度大于,立方体抗压强度影响因素,(,Factors that affect the cube strength),The,friction,between the heads of the testing machine and the specimen offers some,lateral constraint,to restrict the,lateral expansion,of the specimen under pressure,so the specimen can take a higher compressive strength.,承压板,试块,CH2.,钢筋和混凝土材料的基本性能,2.2 Performance of Concrete,影响因素二：,尺寸,(Size),尺寸效应,标准试块,150150 150,非标准试块,100100 100,非标准试块,200200 200,1.05 :1 :0.95,尺寸越大,内部缺陷较多,;,尺寸越大，套箍作用越不明显。,试块尺寸越大，实测破坏强度越低。,The smaller the size of the specimen,the higher the compressive strength.,CH2.,钢筋和混凝土材料的基本性能,2.2 Performance of Concrete,立方体抗压强度影响因素,(,Factors that affect the cube strength),影响因素三：,加载速度,The loading speed,加载速度快，内部微裂纹来不及扩展,实测强度提高,The loading speed increases more rapidly during the test,the compressive strength will be higher.,CH2.,钢筋和混凝土材料的基本性能,2.2 Performance of Concrete,立方体抗压强度影响因素,(,Factors that affect the cube strength),另外，影响因素还有,龄期,、,养护,条件、,材料,组成、试件,形状,以及试验,方法,等。,CH2.,钢筋和混凝土材料的基本性能,2.2 Performance of Concrete,因此，在建立混凝土的强度时，需要规定一个,统一的标准,作为依据。,温度：203,相对湿度：,90,边长为,150mm,的,标准,立方体,试块,标准,条件,养护,28d,标准,试验方法,加载速度：,0.15,0.25MPa/s,全截面受力，表面不涂润滑剂,抗压强度,Cube compressive strength,f,cu,具有,95,保证率,的立方体抗压强度标准值,(N/mm,2,),14,grades,C15,C20,C25,C30,C35,C40,C45,C50,C55,C60,C65,C70,C75,C80,高强混凝土,代表,Concrete,立方体抗压强度标准值,f,cu,k,CH2.,钢筋和混凝土材料的基本性能,2.2 Performance of Concrete,混凝土的强度等级,strength grade of concrete,按立方体抗压强度标准值,f,cu,k,确定,概率密度,材料强度,强度平均值,强度标准值,承压板,试块,抗压强度与,试件形状,有关，实际构件往往是,棱柱体,，棱柱体抗压强度比立方体试件能更好地反映混凝土的,实际抗压能力,。,真实反映混凝土的实际工作状态,CH2.,钢筋和混凝土材料的基本性能,2.2 Performance of Concrete,Axial compressive strength,f,c,试件长度不宜过小或过大：摆脱端部,摩擦力,的影响；试件不致,失稳,或发生较大,弯曲变形,。,Standard specimen,:150150 300(450)mm,CH2.,钢筋和混凝土材料的基本性能,2.2 Performance of Concrete,试验量测到,f,c,值比,f,cu,值小,，并且棱柱体试件,高宽比,(,即,h,/,b,),越大,，它的,强度越小,。,承压板,试块,Axial compressive strength,f,c,中部横向变形,不受端部摩擦力的约束，代表了混凝土处于,单向全截面均匀受压的应力状态,。,真实反映混凝土的实际工作状态,通过大量比对试验，可建立,f,c,值与,f,cu,值之间的关系式。,f,c,与,f,cu,的关系,立方体抗压强度试验平均值,脆性折减系数：,C40,以下：,C80,：,考虑实际构件的工作条件与试件,所处条件的差异,引入的修正系数,CH2.,钢筋和混凝土材料的基本性能,2.2 Performance of Concrete,f,c,与,f,cu,的关系曲线,Axial tensile strength,f,t,由于混凝土构件,内部的不均匀性,，加之安装,试件偏差,的原因，通过直接受拉试验测量抗拉强度是很困难的，试验,数据离散性很大,。,100,100,150,150,500,直接测试法,误差大,难实现,CH2.,钢筋和混凝土材料的基本性能,2.2 Performance of Concrete,混凝土的抗裂、抗剪、抗扭、抗冲切等与之有关。试验方法未统一。,d,d,f,ts,F,F,F,F,根据弹性力学知识,试件中间垂直截面除加力点附近很小的范围外，有均匀分布的水平拉应力。当拉应力,达到,混凝土的,抗拉强度,时，,试件被劈成两半,。,CH2.,钢筋和混凝土材料的基本性能,2.2 Performance of Concrete,Axial tensile strength,f,t,劈裂试验,(splitting test),CH2.,钢筋和混凝土材料的基本性能,2.2 Performance of Concrete,Axial tensile strength,f,t,抗折试验,(bending test),Standard specimen,:150150 500600mm,f,r,=M,u,/W,f,t,与,f,cu,之间的换算关系,混凝土的脆性系数，当混凝土的强度等级不大于,C40,时，,=1.0,；当混凝土的强度等级为,C80,时，,=0.87,；其间按线性插值。,0.88,考虑结构中的混凝土强度与试块混凝上强度之间的差异等因素的修正系数。,为轴心抗拉强度与立方体抗压强度的折算关系。,CH2.,钢筋和混凝土材料的基本性能,2.2 Performance of Concrete,f,t,=0.395,双轴应力下的强度,under bi-axial load,2,）复合受力状态下混凝土的强度,under bi-axial or tri-axial loads,双向受拉,，,1,与,2,的相互影响不大，双向受拉强度均,接近,于,单向受拉强度,。,一向受拉，另一向受压，混凝土强度均低于单向拉伸或压缩的强度，即,双向异号应力使强度降低。,双向受压,，一向强度随另一向应力的增加而,增加,。,CH2.,钢筋和混凝土材料的基本性能,2.2 Performance of Concrete,三向受压时的强度,under tri-axial load,3,=,f,cc,3,=,f,cc,1,=,2,=,f,L,f,L,-,侧向约束压应力（加液压）,三轴受压试验,Strength with lateral constraint,Strength without lateral constraint,混凝土一向抗压强度随另两向侧压力的增加而提高，同时轴向变形能力也明显提高,试验系数，,C50,为,1.0,；,C80,为,0.85,；其间线性内插。,CH2.,钢筋和混凝土材料的基本性能,2.2 Performance of Concrete,2,）复合受力状态下混凝土的强度,under bi-axial or tri-axial loads,对于纵向受压的混凝土，,约束混凝土的侧向变形,，可使混凝土的,抗压强度,和,延性,有较大提高。实际工程中常用,钢管混凝土柱、螺旋钢箍柱,。,CH2.,钢筋和混凝土材料的基本性能,2.2 Performance of Concrete,CH2.,钢筋和混凝土材料的基本性能,2.2 Performance of Concrete,CH2.,钢筋和混凝土材料的基本性能,CH2.,钢筋和混凝土材料的基本性能,2.2 Performance of Concrete,2.2.2 Deformation behavior of concrete,混凝土的变形,体积变形,受力变形,一次短期加载下的变形,荷载长期作用下的变形,多次重复荷载作用下的变形,硬化过程中的收缩变形,温湿度变化引起的变形,CH2.,钢筋和混凝土材料的基本性能,2.2 Performance of Concrete,受压应力,-,应变关系,Stress-strain relationship under axial compressive load,作用是峰值应力后，吸收试验机的变形能，测出下降段。,1,）一次短期加载下的变形,棱柱体试块,骨料和水泥结晶体弹性变形,内部微裂缝稳定扩展,内部微裂缝非稳定扩展,峰值应变,(peak strain),0,取,0.002,裂缝迅速发展，内部整体性严重破坏,极限压应变,(ultimate strain),u,取,0.0033,CH2.,钢筋和混凝土材料的基本性能,2.2 Performance of Concrete,百分表,(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,影响因素,(Factors),Grade of concrete,Loading speed,The condition of lateral constraint,CH2.,钢筋和混凝土材料的基本性能,2.2 Performance of Concrete,1,）一次短期加载下的变形,CH2.,钢筋和混凝土材料的基本性能,2.2 Performance of Concrete,受拉应力,-,应变关系,Stress-strain relationship under tension load,CH2.,钢筋和混凝土材料的基本性能,2.2 Performance of Concrete,1,）一次短期加载下的变形,极限拉应变,(ultimate strain),t,取,1.5,10,-4,Stress-strain relationship under repeated load,破坏,f,c,f,3,2,1,f,c,f,的确定原则：,100,100 300,或,150,150 450,的棱柱体试块承受,200,万次（或以上）循环荷载时发生破坏的最大压应力值,2,）重复荷载下混凝土的变形性能,The deformation performance under repeated load,CH2.,钢筋和混凝土材料的基本性能,2.2 Performance of Concrete,1,3),混凝土的弹性模量,Elastic Modulus of Concrete,c,c,c,c,p,e,原点切线模量：,拉压相同,割线模量,secant modulus,切线模量,tangent modulus,是材料变形性能的主要指标，,在计算构件变形、截面应力和预应力构件的预应力损失等时用。,0,CH2.,钢筋和混凝土材料的基本性能,2.2 Performance of Concrete,弹性模量,elasticity modulus,变形模量,modulus of deformation,混凝土弹性模量试验方法,重复加载试验,(repeated loading test),c,/,f,c,c,0.5,510,次,此线和原点切线基本平行，取其斜率作为,E,c,标准试件,150mm150mm 300mm,取应力上限为,0.5,f,c,重复加载,5,10,次,。,试验结果回归,CH2.,钢筋和混凝土材料的基本性能,2.2 Performance of Concrete,混凝土的泊松比,(Poissons ratio),和剪切模量,(Shear modulus),Shear modulus of concrete,Poissons ratio of concrete,（,试件的,横向应变与纵向应变之比,），在压力较小时为,0.150.18,，接近破坏时可达,0.5,以上，规范取,0.2,。,根据弹性理论,CH2.,钢筋和混凝土材料的基本性能,2.2 Performance of Concrete,CH2.,钢筋和混凝土材料的基本性能,2.2 Performance of Concrete,小结,混凝土受压破坏的实质？如何提高抗压强度？,混凝土单轴受压应力,-,应变曲线反映了混凝土哪些力学性能？,混凝土强度的影响因素有哪些？,混凝土的弹性模量有哪些？在应力,-,应变图形上画出。,