钢筋混凝土材料的力学性能PPT.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、钢筋的品种和力学性能,1.,钢筋的品种,热轧钢筋,HPB235,HRB335,、,HRB400,、,RRB400,热处理钢筋,冷加工钢筋,钢丝,冷拔钢筋,冷轧钢筋,冷拉钢筋,钢,筋,碳素钢丝、刻痕钢丝、钢绞线,A.,按加工工艺分类,B.,按化学成分分类,碳素钢,低合金钢（合金含量不超过,3.5%,）,钢,筋,由含碳量不同分为,高碳钢、中碳钢、低碳钢,低碳钢,：（含碳量,0.6%,）强度高、塑性差,低合金钢：,碳素钢基础上加入少量,合金元素,而成，,强度高、塑性好,C.,按表面形状不同分类,光面钢筋,:,光滑的外表面，多为小直径的,级钢筋。,变形钢筋,:,外表有凹凸不平的纵横肋，以增加与砼的粘结。,钢,筋,月牙肋,纹路与肋不相交，不易产生应力集中，粘结强度略低于等高肋钢筋。,等高肋,（螺旋纹、人字纹）,与钢筋砼粘结力好，纹路与肋相交，易产生应力集中。,钢筋混凝土结构材料的力学性能,常用钢筋形式,多股钢绞线,钢筋混凝土结构材料的力学性能,D.,热轧钢筋,HPB235,（,Q235,）,以符号“,”,表示,光圆钢筋，低碳钢，质量稳定，塑性及焊接性能很好，但强度稍低。多作为现浇楼板受力钢筋和箍筋。,HRB335,（,20Mnsi,）,以符号“”表示,，,HRB400,以符号“”表示,，,RRB400,以符号“”表示,。,HRB335,、,HRB400,、,RRB400,都属于,变形带肋,钢筋，,强度较,高，,塑性和可焊性能较好，与混凝土之间的粘结性能也较好，在工程中应用较广。,第一个字母是钢筋的加工工艺的英文缩写，,H,为,热轧,、,R,为,余热处理,；,第二个字母是钢筋的表面形状的英文缩写，,P,为,光圆,、,R,为,变形带肋,；,第三个字母是,钢筋（,Bar,）,的英文缩写缩写；,数字表示钢筋的,强度标准值,（单位：,N/mm,2,）。,符号及数字的含义：,2.,钢筋的力学性能,热轧钢筋的,曲线,oa,弹性阶段,b,屈服强度,f,y,（受拉强度限值）,bc,流幅,cd,强化阶段,de,颈缩,阶段,a,比例极限,d,抗拉强度,A,.,软钢的力学性能,软钢：,有明显屈服点的钢筋，如热轧,级钢筋。,屈服强度：,是钢筋强度的设计依据,，在混凝土中的钢筋，应力达到屈服强度，荷载不增加，应变继续增大，裂缝开展过宽，构件变形过大，结构不能正常使用。,伸 长 率：,钢筋拉断时应变，反映钢筋,塑性性能,的指标。伸长率大的钢筋，拉断前有足够预兆，延性较好。,弯曲试验：,钢筋围绕直径为,D,的钢辊弯转,角而不发生裂纹，是反映钢筋,塑性性能,的另一指标。,钢筋混凝土结构材料的力学性能,含碳量高，,屈服强度,和,抗拉强度,高，伸长率小，流幅缩短。,钢筋混凝土结构材料的力学性能,硬钢的,曲线,硬钢没有明确的屈服台阶（流幅），所以计算中以“,协定流限,”作为强度标准以,0.2,表示，一般,0.2,相当于抗拉极限强度,70%85%,。,B,.,硬钢的力学性能,如,热处理钢筋,及,高强钢丝,。,a,点：,比例极限,协定流限：,强度设计指标,，,指经加载及卸载后尚存有,0.2%,永久残余变形时的应力。,钢筋混凝土结构材料的力学性能,曲线形式：,有明显流幅的：分为,弹性、屈服、强化,和,破坏,等四个阶段。,无明显流幅的：没有明显的,屈服阶段,。,注：钢筋受压和受拉时的应力,-,应变曲线几乎相同,的,曲线简化：,屈服前：,完全弹性的,；屈服后：,完全塑性的,。,强度指标,A.,有明显流幅的钢筋：,以,下屈服点,对应的强度,作为设计强度的依据，因为，钢筋屈服后的塑性变形导致构件产生不可恢复的变形和不可闭合的裂缝，以至不能使用。,B.,无明显流幅的钢筋：,以,残余应变为,0.2%,时所对应的应力,值,作为,钢筋,条件屈服强度。,钢筋混凝土结构材料的力学性能,C.,冷加工钢筋的力学性能,钢筋混凝土结构材料的力学性能,冷拉钢筋,将钢筋拉伸,超过,其屈服强度，放松，经一段时间之后，钢筋会获得比原来屈服强度更,高,的屈服强度值。,冷拉加工的目的,改变钢材内部结构，,提高钢材强度，节约钢材,。,钢筋冷拉后的,曲线,冷拉后，,屈服强度提高,了，流幅缩短，伸长率降低（,塑性下降,），钢材性质变硬变脆。,冷拉后，,抗拉强度提高,但,抗压强度没有提高,，计算仍取用原来的抗压强度。,特性：,冷拔：,将钢筋强力拔过,硬合金模,（直径小于钢筋）。,温度的影响：,高温时恢复到原状态，先焊后拉。,特性：,冷拔钢筋,没有,屈服点和流幅；冷拔可同时,提高抗拉、压强度,（,强度提高，塑性降低,）,。,4.,钢筋的焊接性能,工程中常采用焊接方式接长钢筋；钢筋的焊接性能与钢筋的,化学成分,有关，不同品种的钢筋应采用不同的焊接方法。,常用的焊接方法有,:,电弧焊,、,闪光对焊,、,电渣压力焊,。,3.,钢筋的疲劳,重复荷载作用下，钢筋在低应力下产生的断裂称为,钢筋的疲劳,；在规定的应力幅度内，经规定次数的重复荷载后，发生,疲劳破坏,的,最大应力值,称为,疲劳强度,。,试验方法,：,钢筋埋入混凝土中重复受拉或受弯与,单,根钢筋的轴拉疲劳。,影响因素,：应力特征值 ，荷载重复次数，钢筋强度。,钢筋混凝土结构材料的力学性能,5.,混凝土结构对钢筋的要求,强度：,钢筋有足够的,强度,和适宜的,强屈比,(,极限强度与屈服强度的比值,),；,变形能力：,钢筋的,伸长率,和,冷弯性,能均应达到规范要求；,可焊性：,焊接处的强度、变形应能满足规范要求；,与混凝土的粘结性：,钢筋与混凝土之间应有足够的,粘结力,，以保证两者共同工作。,钢筋混凝土结构材料的力学性能,二、,混凝土的物理力学性能,混凝土是各向不均匀、内部存在,裂缝,和,空隙,的多相复合材料；压力主要由其中的骨料传递，水泥凝胶体起粘结和扩散压力的作用。,1.,单向受力状态下的混凝土强度,a.,立方体抗压强度,f,cu,在标准条件下养护,28,天的标准试件（,150150150mm,），在压力机按标准加载方式进行试验，所测得的具有,95%,保证率的承载强度为,立方体抗压强度,。,温度为,203,、相对湿度不小于,95%,涂润滑剂,试验情况,:,压力,试件,裂缝发展,扩张,丧失承载力,影响强度的因素,：龄期、加载速率、试块尺寸等涂 刷润滑剂来消除试件与压力机间的摩擦力，测得的抗压强度较低；我国规范的方法：,不涂润滑剂,。,承压板,试块,摩擦力,不涂润滑剂,强度大于,P,P,钢筋混凝土结构材料的力学性能,不同尺寸的试件，测得的立方体抗压强度是不同的，当采用非标准试件进行试验，其结果应按下述强度换算方法进行换算。,标准试块,：,150150 150mm,（强度换算系数为,1.00,）,非标试块,：,100100 100mm,（强度换算系数为,0.95,）,200200 200mm,（强度换算系数为,1.05,）,试件的立方体抗压强度与其龄期是有关系的，一般而言，龄期长，试件的立方体抗压强度就高；某些工程因建设周期长，混凝土浇注至其受载的时间远超过,28,天，此时可按混凝土的后期强度进行设计。,钢筋混凝土结构材料的力学性能,立方体抗压强度是区分混凝土强度等级的指标，我国规范混凝土的强度等级有：,C10,，,C15,，,C20,，,C25,，,C30,，,C35,，,C40,，,C50,，,C60,，,C70,，,C80,如果实测到的混凝土立方体抗压强度处于两等级之间，则混凝土的强度等级,按较低的一级采用,。,表示混凝土,Concrete,立方体抗压强度,钢筋混凝土结构材料的力学性能,水利水电工程用砼分,11,个强度等级,，即,C10,、,C15,、,C20,、,C25,、,C30,、,C35,、,C40,、,C45,、,C50,、,C55,、,C60,，,级差为,5N/mm,2,。,b.,棱柱体抗压强度,f,c,因构件长度远大于其截面尺寸，立方体强度不能很好地反映构件中混凝土的受力状态；规范采用高宽比,h,b,不同棱柱体试件的抗压强度来衡量。,h,b,过小,时，加荷板与混凝土表面间摩擦力会约束混凝土的变形，但,h,b,过大,则会在试件加载时由于产生较大的附加偏心而引起测量误差，而当棱柱体的,h,b,取,2,时可基本上消除上述两方面的影响。我国标准棱柱体尺寸为,150l50300,mm,。,标准试块：,150150300mm,（强度换算系数为,1.00,）,非标准试块：,100100300mm,（强度换算系数为,0.95,）,200200400mm,（强度换算系数为,1.05,）,钢筋混凝土结构材料的力学性能,由于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,=0.76f,cu,考虑到构件和试件的区别，取,f,c,=0.67f,cu,（水工规范）。,国外一般采用圆柱体试件（,d=150,h=300,），有,f,c,=0.79f,cu,圆柱体抗压强度,承压板,试块,P,P,钢筋混凝土结构材料的力学性能,棱柱体抗拉强度是混凝土的基本强度指标，它远小于混凝土的立方体抗压强度。一般条件下，其值相当于棱柱体抗压强度的,1,9,1,18,。,测量棱柱体抗拉强度：,(1),直接受拉法,；,(2),劈裂法,。,A.,直接受拉时的棱柱体抗拉强度：,c.,轴心抗拉强度,f,t,试验结果：,f,t,=0.26f,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,=0.225f,cu,2/3,。,钢筋混凝土结构材料的力学性能,B.,劈裂受拉时的抗拉强度：,轴心受拉试验,对中,困难，常采用立方体或圆柱体,劈裂试验,测定砼的抗拉强度。,我国根据,100mm,立方体的劈,裂与抗压试验结果对比有：,f,ts,=0.19f,cu,3/4,钢筋混凝土结构材料的力学性能,立方体试件通过垫条施加线载荷,P,，垂直截面上除垫条附近外，产生均匀拉应力，当,拉应力达到,f,t,时，试件对半劈裂。,实际结构中，砼很少处于单向受力状态。更多的是处于,双向,或,三向,受力状态。,2.,复合应力状态下的混凝土强度,双轴应力状态,双向,受压,强度,大,于单向受压强度，即,一向强度随另一向压应力的增加而增加,。,钢筋混凝土结构材料的力学性能,在,2,方向压应力为,55,60,的混凝土抗压强度时，混凝土,1,方向抗压强度可达到最大值，,约提高,30,。,最大强度发生在,1,2,约等于,2,或,0.5,时,在双向,受拉,区，其强度与单向受拉时,差别不大,，即,一向抗拉强度基本上与另一向拉应力的大小无关。,在一轴受,压,一轴受,拉,状态下，抗压强度或抗拉强度均随另一方向拉应力或压应力的增加而减小。,钢筋混凝土结构材料的力学性能,混凝土两向应力下的强度可按下列公式进行近似计算：,两向受压,两向受拉,一拉一压,a,双向压应力之比,工程应用：,约束混凝土,钢管砼,密配螺旋箍筋,目前研究混凝土三向受力状态下的强度，多集中于三向,受压状态,下混凝土的强度问题。混凝土一向抗压强度随另两向压应力的,增加而增加,。,三向受压时的混凝土强度,无侧向约束时的单轴抗压强度,有侧向约束时的抗压强度,混凝土在三向受压状态下的极限强度可用下式表示,1,=,f*,C,1,=,f,*,C,r,-,侧向约束压应力,r,r,混凝土在三向受压时，不仅其强度得到很大的提高，同时混凝土的变形能力也有较好的改善；,k,为侧压效应系数，通常取,4.0,。,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。,砼的抗剪强度：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，内裂缝发展明显，抗剪强度随压应力的增大而减小。,3.,混凝土的变形性能,混凝土的变形：,(1),受力变形,；,(2),环境条件变形,。,（一）混凝土的受力变形,混凝土的受力变形：,(1),一次短期加载下的变形；,(2),重复加载下的变形；,(3),长期加载下的变形。,A,混凝土在一次短期加载下的变形性能,混凝土完整的应力应变曲线大致可由三阶段组成。,近似直线段（近似弹性阶段）,上升曲线段（弹塑性裂缝扩展阶段）,下降曲线段（裂缝失稳扩展破坏阶段）,影响应力,应变曲线的因素有混凝土强度、加载速度等,。,应力小于,f,c,的,20%,30%,时（,a,点）,，应力应变关系接近,直线,。,当应力,，呈现,塑性,。应力增大到,f,c,的,80%,左右（,b,点），应变增长更快。,应力达到,f,c,（,c,点,）时，试件表面出现纵向裂缝，试件开始破坏。达到的最大应力,o,称为砼,棱柱体抗压强度,f,c,，相应的应变为,o,一般为,0.002,左右。,cu,最大压应变,(,MPa,),f,c,o,0,(,10,-3,),a,b,c,d,2,25,20,15,10,5,4,6,8,10,加载速度快,砼强度提高,加载速度慢,砼强度降低,作用是：加载至,峰值应力后，吸,收试验机的变形,能，测出下降段,P,P,影响应力,应变曲线形状因素,砼强度,低，曲线平坦；,强度高,，曲线陡，,cu,小；,加载速度,快，最大应力提高，曲线陡；加载速度慢，曲线平缓，,cu,增大。,图,1-9,不同强度的混凝土的,曲线,cu,越大，表示混凝土的塑性变形能力,越大,，也就是延性,(,指构件最终破坏之前经受非弹性变形的能力,),越好,。,混凝土的强度等级,越高,，上升段,长,，峰点越,高,，峰值应变也有所增,大,；下降段越,陡,。,cu,最大压应变,B.,混凝土在重复荷载下的变形性能,因混凝土是弹塑性材料，当进行加载后再卸载，其部分应变立即或经过一段时间后恢复,（弹性应变），,而另一部分应变则不能恢复,（残余应变），,一次加载、卸载循环中混凝土的应力应变曲线形成一闭合环。,在较高应力水平下对混凝土施加重复荷载，其应力,应变曲线环逐渐靠近，退化成一条直线，再经过数次的重复加载，应力,应变关系曲线由,“凸”,向应力轴变为,“凸”,向应变轴,且,不再形成闭合环,；最终混凝土试件因,裂缝过宽,或,变形过大,而破坏。,p,e,重复荷载下的应力,-,应变曲线,破坏,f,c,f,3,2,1,疲劳强度,f,c,因重复荷载作用引起的破坏称之为,疲劳破坏,混凝土的疲劳破坏强度与其上应力,最小值与最大值的比值,r,和,荷载的重复次数,有直接关系。,0,c,0.5,f,c,，非线性徐变。,P,弹变,徐回,t,0,t,1,t,弹变,e,徐变,cr,永久变形,总变形,最终徐变,C.,混凝土长期荷载作用下的变形性能,现象,：,荷载长时间持续作用下，尽管混凝土上的应力不变，其变形也会随时间的延长而增大（,徐变,）。,原因,：,1.,胶凝体的粘性流动,；,2.,混凝土内部,微裂缝的不断发展,。,影响因素,：,1.,应力,：,c,0.5f,c,，线性徐变；,0.5f,c,c,0.8f,c,，混凝土破坏；,2.,龄期,：加荷时混凝土的龄期越早，徐变越大；,3.,环境湿度,：湿度愈大，徐变愈小；,4.,水泥用量及水灰比,：,徐变与水泥用量及水灰比成正比；,部分徐变可恢复（弹性徐回）；大部分徐变不可恢复（残余变形）。,徐变对混凝土结构的影响,有利：,徐变造成结构内力的重新分布，降低高应力，提高,低应力，改善了结构的内力分布；,徐变改善钢筋与混凝土之间的应力分布，使结构最,终内力分布和材料的利用趋向合理。,不利：,徐变降低构件的刚度，加大构件的变形；,徐变增大预应力混凝土构件中预应力钢筋的应力损,失，降低预应力效果；,徐变对构件中的裂缝有增大作用。,P,A,s,P,A,s,s1,c1,P,s2,A,s,s2,P,拆去，钢筋受压，混凝土受拉,.,徐变：,s,，,c,在实际工程中，需要通过对结构构件的内力分析以及对混凝土徐变性质的认识，来利用或控制徐变对结构的影响。,（二）混凝土的温度变形和干缩变形,现象,：因外界温度变化及内部水化热等产生的温度变形；,因外界湿度变化及凝固结硬中失水等产生的变形。,原因,：,1.,固体材料的热胀冷缩,；,2.,水泥凝胶体失水后转换为水泥石的体积缩小,。,影响因素,：,1.,水泥品种：等级越高，收缩越大,2.,水泥用量：水泥用量与水灰比越大，收缩越大,3.,骨料：骨料越硬，收缩越小,4.,其他：养护条件、环境条件、体积与表面积比。,收缩对混凝土结构的影响,：,在结构中产生温度或干缩拉应力；,A,s,s,A,s,s,收缩：钢筋受压，混凝土受拉,A,s,导致混凝土开裂，影响结构承载能力和耐久性。,c,c,c,e,c,p,0,1,b.,变形模量,（,割线模量,）,应变系数，受压时，为,0.41.0,；,受拉破坏时，为,1.0,4.,混凝土的弹性模量、,泊松,比,、,剪切模量,1,）,.,混凝土的弹性模量,a.,原点切线模量,（,弹性模量,）：拉压相同,混凝土弹性模量的测试方法（,150,150,300,标准试件,）,c,/,f,c,c,0.5,加、卸,510,次载,P,P,低应力,高应力,2,）,混凝土的泊松比,混凝土拉、压应变的比值称为,其,泊松比,;,压力较小时泊松比为,0.12,0.18,，接近破坏时达,0.5,以上，一般可取,1/6,。,3,）,剪切模量,混凝土剪切模量是将混凝土视为弹性材料，按弹性理论求出,(,当,n,取为,1/6,时，混凝土剪切模量为,0.43E,c,),：,5.,混凝土的重力密度,混凝土的重力密度与所采用的骨料的重力密度及混凝土的密实度有关，可按下列数值采用：,骨料为一般重力密度岩石的混凝土，取,23kN,m,3,（人工振捣,）；,24kN,m,3,（机械振捣）。,骨料为大重力密度岩石的混凝土，在上述数值上再增加,1.0kN,m,3,。,钢筋混凝土的重力密度一般取为,25kN,m,3,。,三、钢筋与混凝土的粘结,1.,钢筋与混凝土之间的粘结力,光圆钢筋,粘附力,摩擦力,机械咬合力,有滑移时粘,附力即消失,钢筋受力较,大时粘结力,主要由此二,部分组成,变形钢筋,粘附力,摩擦力,机械咬合力,主要作用,作用：,保证力的相互传递，是两者共同工作的基础。,（钢筋表面不平、微锈,时可显著提高咬合力）,P,P,影响粘结力的主要因素,砼强度,：,粘结强度随砼强度的提高而增加，,但并不与立方体强度,f,cu,成正比,，而与抗拉强度,f,t,成正比。,保护层厚度,：,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，砼抵抗劈裂破坏的能力也越大，粘结强度越高。,受力情况,：,受压钢筋由于直径增大会增加对砼的挤压，从而使摩擦作用增加。,钢筋表面和外形特征,：,光面钢筋表面凹凸较小，机械咬合作用小，粘结强度低。,月牙肋和螺纹肋变形钢筋，机械咬合作用大，粘结强度高。,光面钢筋,b,峰值随,P,增加，由加荷端移至自由端，,b,图形长度（有效埋长）达到自由端。,变形钢筋,b,峰值始终在加荷端附近，有效埋长增加,缓慢，粘结力大于光面钢筋。,粘结力峰值,关于机械咬合力,光圆钢筋,咬合力来自表面的粗糙不平。,变形钢筋,变形钢筋的横肋对混凝土的挤压如同一个楔，会产生很大的机械咬合力，从而提高了变形钢筋的粘结能力,粘结破坏形式,变形钢筋的粘结破坏：,横肋挤压混凝土使钢筋周围混凝土开裂滑移变形加快，,肋间混凝土剪切强度不够，发生“刮梨式”拔出破坏。,图,钢筋横肋对混凝土的挤压力,1-,钢筋凸肋上的挤压力；,2-,内部裂缝,钢筋即将拔出时的,极限状态,对应的,平均粘结应力,，称为,粘结强度,。,光面钢筋的粘结破坏,：钢筋从混凝土中拔出时，表面有明显的纵向摩擦痕迹。,2,钢筋的锚固与接头,1),钢筋的锚固,锚固长度,l,a,，它可根据钢筋应力达到屈服强度时，钢筋才被拔动的条件确定，由钢筋的受力平衡条件得,f,y,A,s,=,l,a,b,u,l,a,=,f,y,A,s,/,（,b,u,）,=,f,y,d,/,（,4,b,）,可知，,钢筋强度越高，直径越粗，混凝土强度越低，则要求锚固长度越长。,对于受压钢筋，由于钢筋受压时会侧向鼓胀，对混凝土产生挤压，增加了粘结力，所以它的锚固长度可以短些。,钢筋弯钩的形式与尺寸,钢筋机械锚固的形式,机械锚固的形式可以提高钢筋的锚固力，减少锚固长度。,受力的,光面钢筋,末端必须做成半圆弯钩以保证光面钢筋,粘结锚固的可靠性,。,2),钢筋的连接,钢筋连接的原则,（,1,）接头应尽量设置在受力较小处，以降低接头对钢筋传力的影响程度。,（,2,）在同一钢筋上宜少设连接接头，以避免过多的削弱钢筋的传力性能。,（,3,）同一构件相邻纵向受力钢筋的接头宜相互错开。,（,4,）在钢筋连接区域应采取必要构造措施，如适当增加混凝土保护层厚度或调整钢筋间距等,钢筋的连接形式：有,绑扎搭接,、,机械连接,和,焊接,绑扎搭接,采用绑扎搭接接头时，钢筋间力的传递是靠钢筋与混凝土之间的粘结力，因此必须有足够的搭接长度。,应满足相应的构造要求，以保证力的传递。,钢筋绑扎搭接接头,图,1-17,钢筋焊接连接示意图（,a,）闪光对焊；（,b,）、（,c,）电弧焊搭接,焊接。,焊接有对焊和搭接焊接，质量有保证时，此法较可靠。,图,1-18,锥螺纹钢筋的连接示意图,机械连接,采用螺旋或挤压套筒连接,此法简单、可靠、节省。,套,筒,上钢筋,下钢筋,