钢筋和混凝土材料的力学性能解读.pptx

,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,一、混凝土的强度和变形,1.,单轴受力状态下混凝土的抗压强度,立方体抗压强度,f,cu,承压板,试块,摩擦力,不涂润滑剂,涂润滑剂,强度大于,我国规范的方法：不涂润滑剂,压力,试件裂缝发展扩张整个体系解体，丧失承载力,另影响强度的因素还有：龄期、加载速率、试块尺寸等,一、混凝土的强度和变形,1.,单轴受力状态下混凝土的抗压强度,标准试块：,150,150 150,非标准试块：,100,100 100,换算系数,0.95,2,00,200 200,换算系数,1.05,立方体抗压强度,f,cu,一、混凝土的强度和变形,1.,单轴受力状态下混凝土的抗压强度,立方体抗压强度标准值,f,cu,k,是区分混凝土强度等级的指标。,表示混凝土,Concrete,立方体抗压强度标准值,立方体抗压强度,f,cu,概率密度,材料强度,强度平均值,强度标准值,根据统计资料，运用数理统计方法确定的具有一定保证率,(,混凝土为,95%),的统计特征值：,强度标准值,=,强度平均值,-,1.645,标准差,混凝土结构设计规范,（,GB50010,）,混凝土的强度等级有：,C15,，,C20,，,C25,，,C30,，,C35,，,C40,，,C45,，,C50,，,C55,，,C60,，,C65,，,C70,，,C75,，,C80,立方体抗压强度,f,cu,是随机变量。,一、混凝土的强度和变形,1.,单轴受力状态下混凝土的抗压强度,棱柱体抗压强度（轴心抗压强度）,f,c,承压板,试块,标准试块：,150,150 300,非标准试块：,100,100 300,换算系数,0.95,2,00,200 400,换算系数,1.05,考虑到承压板对试件的约束，立方体抗压强度大于棱柱体抗压强度，且有：,f,c,=0.76,f,cu,(,试验结果,),考虑到构件和试件的区别，取,f,c,=0.67,f,cu,对国外（美国、日本、欧洲混凝土协会等）采用的圆柱体试件（,d,=150,h,=300,），有,f,c,=0.79,f,cu,圆柱体抗压强度,一、混凝土的强度和变形,1.,单轴受力状态下混凝土的抗压强度,棱柱体抗压强度（轴心抗压强度）,f,c,混凝土轴心抗压强度标准值（,GB50010,）,混凝土的脆性系数，不超过,C40,取,1.0,，,C80,取,0.87,，其间按线性插值。,混凝土轴心抗压强度与立方体抗压强度的比值，不超过,C50,取,0.76,，,C80,取,0.82,，其间按线性插值。,混凝土轴心抗压强度设计值（,GB50010,）,混凝土材料分项系数，取,1.4,一、混凝土的强度和变形,2.,单轴受力状态下混凝土的抗拉强度,直接受拉试验,100,100,150,150,500,试验结果,：,f,t,=0.26,f,cu,2/3,考虑到构件和试件的区别，尺寸效应，加荷速度等的影响，取,f,t,=0.23,f,cu,2/3,一、混凝土的强度和变形,2.,单轴受力状态下混凝土的抗拉强度,轴心抗拉强度,f,t,混凝土轴心抗拉强度标准值（,GB50010,）,混凝土轴心抗拉强度设计值（,GB50010,）,混凝土材料分项系数，取,1.4,混凝土强度值见附表,2-1,附表,2-4,一、混凝土的强度和变形,2.,单轴受力状态下混凝土的抗拉强度,劈裂试验,f,ts,d,d,f,ts,F,F,F,F,我国根据,100mm,立方体的劈裂与抗压试验结果有：,f,ts,=0.19,f,cu,3/4,一、混凝土的强度和变形,3.,复合受力状态下混凝土的强度,双轴应力下的强度,1.0,1.0,1.2,1.2,-0.2,-0.2,2,/,f,c,1,/,f,c,拉,压,/,f,c,/,f,c,0.2,0.1,-0.1,0.0,0.6,1.0,单轴抗拉强度,单轴抗压强度,双向正应力下的强度曲线,法向应力和剪应力下的强度曲线,一、混凝土的强度和变形,3.,复合受力状态下混凝土的强度,三向受压时的混凝土强度,1,=,f,cc,1,=,f,cc,2,=,3,=,f,L,f,L,-,侧向约束压应力（加液压）,圆柱体试验,有侧向约束时的抗压强度,无侧向约束时圆柱体的单轴抗压强度,一、混凝土的强度和变形,4.,混凝土的疲劳强度,破坏,重复荷载下的应力,-,应变曲线,f,c,f,3,2,1,疲劳强度,f,c,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,一、混凝土的强度和变形,5.,混凝土的变形性能,(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,单轴受压时的应力,-,应变关系,作用是：峰值应力后，吸收试验机的变形能，测出下降段,一、混凝土的强度和变形,5.,混凝土的变形性能,单轴受压时的应力,-,应变关系的数学模型,u,=,0.0038,0,=,0.002,o,c,f,c,c,0.15,f,c,美国,Hognestad,模型,u,=,0.0035,0,=,0.002,o,c,f,c,c,德国,R,sch,模型,一、混凝土的强度和变形,5.,混凝土的变形性能,单轴受压时的应力,-,应变关系的数学模型,-GB50010,u,0,o,c,f,c,c,用于分析有应变梯度的截面,对于轴心受压,一、混凝土的强度和变形,5.,混凝土的变形性能,侧向受约束时混凝土的变形特点,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,一、混凝土的强度和变形,5.,混凝土的变形性能,轴向受拉时混凝土的应力应变关系,t,t,o,t0,tu,f,t,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,理论模型,用于分析有应变梯度的截面,通常取,e,tu,=2,e,t0,一、混凝土的强度和变形,5.,混凝土的变形性能,重复荷载下混凝土的变形性能,p,e,包罗线与一次性加载时的应力,-,应变曲线相似,一、混凝土的强度和变形,5.,混凝土的变形性能,混凝土的弹性模量,c,c,c,c,e,p,0,1,原点切线模量（弹性模量）：拉压相同,变形模量（割线模量、弹塑性模量）,切线模量,受压时，为,0.41.0,；,受拉时，为,1.0,一、混凝土的强度和变形,5.,混凝土的变形性能,混凝土的弹性模量的试验方法（,150,150,300,标准试件,）,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,混凝土弹性模量见附表,2-5,一、混凝土的强度和变形,5.,混凝土的变形性能,混凝土的泊松比和剪切模量,混凝土的泊松比，在压力较小时为,0.150.18,，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,一、混凝土的强度和变形,5.,混凝土的变形性能,长期荷载作用下混凝土的变形性能,-,徐变,0.5,1.0,1.5,2.0,2.5,0,5,10,15,20,25,30,35,(10,-3,),(,月,),c,0.5,f,c,，线性徐变,c,0.8,f,c,，非线性徐变,cr,e,e,e,cr,P,原因之一，胶凝体的粘性流动,原因之二，混凝土内部微裂缝的不断发展,一、混凝土的强度和变形,5.,混凝土的变形性能,长期荷载作用下混凝土的变形性能,-,影响徐变的因素,应力：,c,0.5,f,c,，徐变变形与应力成正比,-,线性徐变,0.5,f,c,c,0.8,f,c,，造成混凝土破坏，不稳定,加荷时混凝土的龄期，越早，徐变越大,水泥用量越多，水灰比越大，徐变越大,骨料越硬，徐变越小,一、混凝土的强度和变形,5.,混凝土的变形性能,混凝土的收缩,-,结硬过程中混凝土体积缩小的性质,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：骨料越硬，收缩越小,养护条件、制作方法、使用环境、体积与表面积的比值等,一、混凝土的强度和变形,5.,混凝土的变形性能,徐变对混凝土结构的影响,P,A,s,P,A,s,s1,c1,徐变：,s,，,c,P,s2,A,s,s2,P,拆去,A,s,s1,c1,钢筋受压混凝土受拉，可能会引起混凝土开裂,一、混凝土的强度和变形,5.,混凝土的变形性能,收缩对混凝土结构的影响,A,s,s,A,s,s,收缩：钢筋受压，混凝土受拉,A,s,二、钢筋的强度和变形,1.,钢筋的应力,-,应变曲线,A,B,B,C,D,E,上屈服点不稳定,下屈服点,出现颈缩,拉断,BC,段为屈服平台,CD,段为强化段,0.2%,0.2,标距,有明显流幅的钢筋,无明显流幅的钢筋,钢筋受压和受拉时的应力,-,应变曲线几乎相同,二、钢筋的强度和变形,1.,钢筋的应力,-,应变曲线,A,B,B,C,D,E,0.2%,0.2,强度指标,*,明显流幅的钢筋：下屈服点对应的强度作为设计强度的依据，因为，钢筋屈服后会产生大的塑性变形，钢筋混凝土构件会产生不可恢复的变形和不可闭合的裂缝，以至不能使用。,*,无明显流幅的钢筋：残余应变为,0.2%,时所对应的应力作为条件屈服强度,，通常可取,s,0.2,=0.85,s,b,二、钢筋的强度和变形,1.,钢筋的应力,-,应变曲线,强度指标的确定,强度,随机变量,强度标准值,概率密度,材料强度,强度平均值,强度标准值,根据统计资料，运用数理统计方法确定的具有一定保证率（钢筋为,95%,）的统计特征值：,强度标准值,f,yk,=,强度平均值,-,1.645,标准差,强度设计值,钢筋材料分项系数，取,1.101.20,钢筋强度标准值、设计值见附表,2-9,附表,2-12,二、钢筋的强度和变形,1.,钢筋的应力,-,应变曲线,A,B,B,C,D,E,0.2%,0.2,变形指标,伸长率：钢筋拉断后的伸长与原长的比值,见附表,8,冷弯要求：,将直径为,d,的钢筋绕直径为,D,的钢辊,弯成一定的角度而不发生断裂,*,弹性模量,E,s,，见附表,2-14,二、钢筋的强度和变形,2.,钢筋的成分、级别和品种,按化学成分,碳素钢（铁、碳、硅、锰、硫、磷等元素）,低碳钢（含碳量,0.25%,）,中碳钢（含碳量,0.250.6%,）,高碳钢（含碳量,0.61.4%,）,普通低合金钢（另加硅、锰、钛、钒、铬等）,硅系,硅钒系,硅钛系,硅锰系,硅铬系,二、钢筋的强度和变形,2.,钢筋的成分、级别和品种,钢筋,热轧光面钢筋,HPB300,精轧螺纹钢筋,-,预应力螺纹钢筋,按加工,钢丝,中强度预应力钢丝：经冷加工或冷加工后热处理制成,消除应力钢丝：冷拔钢丝，经过退火来消除残余应力,钢绞线：多根相同直径的钢丝成螺旋状铰绕在一起,普通热轧带肋钢筋,HRB335,、,HRB400,、,HRB500,细晶粒热轧带肋钢筋,HRBF335,、,HRBF400,、,HRBF500,余热处理钢筋,RRB400,热轧钢,二、钢筋的强度和变形,2.,钢筋的成分、级别和品种,按表面形状,热轧光圆钢筋,热轧带肋钢筋,热轧光圆钢筋,热轧带肋钢筋,二、钢筋的强度和变形,2.,钢筋的成分、级别和品种,按表面形状,热轧光圆钢筋,热轧带肋钢筋,直条钢筋（,F,1,2 mm,）,盘条钢筋（,F,1,0mm,）,二、钢筋的强度和变形,2.,钢筋的成分、级别和品种,按表面形状,光面钢丝,光面钢丝,二、钢筋的强度和变形,2.,钢筋的成分、级别和品种,按表面形状,螺旋肋钢丝,螺旋肋钢丝,二、钢筋的强度和变形,2.,钢筋的成分、级别和品种,按表面形状,预应力钢绞线,预应力钢绞线,二、钢筋的强度和变形,2.,钢筋的成分、级别和品种,按表面形状,预应力钢绞线,预应力钢绞线,二、钢筋的强度和变形,2.,钢筋的成分、级别和品种,按表面形状,预应力钢绞线,无粘结钢绞线,二、钢筋的强度和变形,2.,钢筋的成分、级别和品种,按表面形状,预应力精轧螺纹钢筋,精轧螺纹钢筋,二、钢筋的强度和变形,2.,钢筋的成分、级别和品种,钢筋的应用范围,非预应力钢筋：,HPB300,HRB335,，,HRBF335,HRB400,，,HRB500,（主力钢筋）,HRBF400,，,HRBF500,，,RRB400,预应力钢筋：中强度预应力钢丝，消除应力钢丝，,钢绞线，预应力螺纹钢筋,二、钢筋的强度和变形,3.,钢筋的冷加工和热处理,冷拉,B,K,Z,Z,K,残余变形,冷拉伸长率,无时效,经时效,K,点的选择：应力控制和应变控制,温度的影响：温度达,700C,时恢复到冷拉前的状态，先焊后拉,特性：只提高抗拉强度，不提高抗压强度，强度提高，塑性下降,二、钢筋的强度和变形,3.,钢筋的冷加工和热处理,冷拔,经过冷拔后钢筋没有明显的屈服点和流幅,冷拔既能提高抗拉强度又能提高抗压强度,二、钢筋的强度和变形,3.,钢筋的冷加工和热处理,热处理,对特定钢号的钢筋进行淬火和回火处理,强度提高，塑性降低,不降低强度的前提下，消除由淬火产生的内力，改善塑性和韧性,钢筋经热轧后直接穿水，利用芯部余热进行回火处理的成品钢筋,余热处理,强度提高，塑性略有降低,二、钢筋的强度和变形,4.,钢筋的徐变和松弛,徐变,应力不变，随时间的增长应变继续增加,松弛,长度不变，随时间的增长应力降低,对结构，尤其是预应力结构，产生不利的影响，需采取必要的措施,二、钢筋的强度和变形,5.,钢筋的疲劳,重复荷载作用下，钢筋的强度,1.0,d,时，,l,a,的数值比上式的数值要小,令,c,=1.0,d,三、混凝土与钢筋的粘结,7.,实用锚固长度的计算公式,l,a,基本锚固长度（,GB50010,）：,(,基本锚固长度要求混凝土保护层厚度不小于直径,d),锚固钢筋的外形系数，见教材,P,32,表,2-1,受拉钢筋的锚固长度（,GB50010,）：,锚固长度修正系数，见教材,P,33,三、混凝土与钢筋的粘结,7.,实用锚固长度的计算公式,l,a,搭接长度（,GB50010,）：,受拉钢筋搭接长度修正系数，见教材,P,107,表,4-2,对上述锚固长度作修正可得搭接长度,l,l,四、轴心受压短柱及受压钢筋,1.,截面分析的基本方程,N,c,c,A,s,s,s,s,s,=E,s,s,y,s,h,f,y,平衡方程,变形协调方程,(,试验表明，平截面假定始终成立,),物理方程,(,以,f,cu,50 Mpa,为例,),0,=,0.002,o,c,f,c,c,用于分析有应变梯度的截面,对于轴心受压,e,=,e,s,=,e,c,四、轴心受压短柱及受压钢筋,2.,荷载,-,变形关系,N,c,c,A,s,s,第一阶段（受压钢筋屈服前,e,E,s,e,0,时，混凝土压碎前钢筋没有屈服,y,四、轴心受压短柱及受压钢筋,3.,受压钢筋强度,N,c,c,A,s,s,0,=,0.002,c,f,c,c,0,=,0.002,s,f,y,s,y,y,f,y,E,s,0,在钢筋混凝土构件中,当钢筋的强度超过,e,0,E,s,时，其抗压强度得不到充分发挥。,引入钢筋抗压强度设计值,HPB300,、,HRB335,及,HRB400,均能受压屈服,f,y,=,f,y,HRB500,f,y,=,e,0,E,s,=410 N/mm,2,(,见附表,2-11,、,2-12),于是，轴心受压短柱的极限承载力计算式,四、轴心受压短柱及受压钢筋,4.,长期荷载下徐变的影响,N,c,施加后的瞬时,N,c,A,s,l,N,c,A,s,s1,c1,l,i,非线性关系,引入割线模量,四、轴心受压短柱及受压钢筋,4.,长期荷载下徐变的影响,N,c,A,s,l,N,c,A,s,s1,c1,l,i,c2,A,s,s2,N,c,l,(,i,+,cr,),经历徐变后,四、轴心受压短柱及受压钢筋,4.,长期荷载下徐变的影响,N,c,撤去后,N,c,A,s,l,N,c,A,s,s1,c1,l,i,c2,A,s,s2,N,c,l,(,i,+,cr,),N,c,A,s,s3,c3,l,cr,通常要求柱全部配筋率不宜超过,5%,。,五、轴心受拉构件及受拉钢筋,1.,截面分析的基本方程,平衡方程,变形协调方程,(,试验表明，平截面假定始终成立,),物理方程,e,=,e,s,=,e,c,N,c,A,s,s,s,s,s,=E,s,s,y,s,h,f,y,c,c,c,=E,c,c,t0,tu,f,tk,用于分析有应变梯度的截面,对于轴心受压,五、轴心受拉构件及受拉钢筋,2.,荷载,-,变形关系,N,c,A,s,s,开裂前的应力（,e,e,t0,）,s,s,s,=E,s,s,y,s,h,f,y,令：,称为配筋率,于是：,s,c,e,c,f,t,e,t0,五、轴心受拉构件及受拉钢筋,2.,荷载,-,变形关系,N,c,A,s,s,开裂荷载及开裂后钢筋应力,s,s,s,=E,s,s,y,s,h,f,y,于是开裂荷载：,当,s,c,=,f,tk,时，构件即将开裂,。,开裂后瞬间，,s,c,=0,，,s,s,发生突变,s,s,=,N,cr,/,A,s,此时钢筋应力：,s,s,=,a,E,f,tk,1020 N/mm,2,开裂后全部荷载由钢筋承担，当,s,s,=,f,y,时，构件达到极限承载力：,s,c,e,c,f,t,e,t0,五、轴心受拉构件及受拉钢筋,3.,受拉钢筋的最小配筋率,N,e,(,D,),N,s,N,c,e,t0,N,cr,N,u,e,y,混凝土退出工作,当配筋太少时，会有：,N,u,N,cr,若令：,N,u,=,N,cr,以：,A,smin,=,r,min,A,代入,N,e,(,D,),N,s,N,c,N,cr,e,y,N,u,A,s,f,y,N,cr,f,tk,A(1+,a,E,r,),?,五、轴心受拉构件及受拉钢筋,3.,受拉钢筋的最小配筋率,取,f,tk,=1.4,f,t,，,a,E,f,tk,0.05,f,y,具体应用时，应根据不同情况，进行调整,GB50010,取：,A,smin,=,s,min,bh,见附表,4-5,全部纵向钢筋的最小配筋率,构件一侧受拉钢筋的最小配筋率,1.,简述钢筋抗压强度设计值,f,y,的物理意义及其取值。,2.,简述钢筋混凝土受拉构件最小配筋率的物理意义。,3.,试分析徐变对钢筋混凝土受压构件应力分布的影响及受,压构件最大配筋率的物理意义。,补充作业,:,人有了知识，就会具备各种分析能力，,明辨是非的能力。,所以我们要勤恳读书，广泛阅读，,古人说“书中自有黄金屋。,”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，,培养逻辑思维能力；,通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，,培养文学情趣；,通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。,有许多书籍还能培养我们的道德情操，,给我们巨大的精神力量，,鼓舞我们前进,。,