钢筋和混凝土材料物理力学性能及其相互作用.pptx

材料的力学性能材料的力学性能钢钢 筋筋混混 凝凝 土土两者间的粘结两者间的粘结强强 度度变变 形形粘结破坏的粘结破坏的过程和机理过程和机理第1页/共52页钢筋种钢筋种类：热轧钢筋、热处理钢筋、冷加工钢筋、钢丝或钢绞线类：热轧钢筋、热处理钢筋、冷加工钢筋、钢丝或钢绞线一、钢筋的强度和变形1.钢筋的级别和品种第2页/共52页HPB235（Hot Rolled Plain Steel Bar）热轧光面钢筋热轧光面钢筋 Q235HRB335（Hot Rolled Ribbed Steel Bar）热轧带肋钢筋热轧带肋钢筋 20MnSiHRB400（Hot Rolled Ribbed Steel Bar）热轧带肋钢筋热轧带肋钢筋 20MnSiV,20MnSiNb,20MnTiRRB400（Remained heat treatment Ribbed Steel Bar）余热处理钢筋余热处理钢筋 常用热轧钢筋的分类常用热轧钢筋的分类第3页/共52页主要成分为主要成分为铁铁元素，还含有少量的碳、硅、锰、硫、磷等元素，还含有少量的碳、硅、锰、硫、磷等元素，力学性能主要与元素，力学性能主要与碳碳的含量有关：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。含碳量越高，则钢筋的强度越高，质地硬，但塑性变差。若含碳量低于若含碳量低于0.250.25，则称为低碳钢，钢筋混凝土结构中，则称为低碳钢，钢筋混凝土结构中多应用的是低碳钢。多应用的是低碳钢。20MnSi 20MnSi 前面的前面的2020指的是平均含碳量的万分数，其他化学指的是平均含碳量的万分数，其他化学元素的含量在元素的含量在1.5 1.5 以下。以下。热轧钢筋的成分热轧钢筋的成分第4页/共52页HPB235：质量稳定，塑性好易成型，但屈服强度较低，不质量稳定，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；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，是塑性均较好，是目前目前主要应用的钢筋品种之一；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，是塑性均较好，是今后今后主要应用的钢筋品种之一；主要应用的钢筋品种之一；RRB400：是是HRB335钢筋热轧后快速冷却，利用钢筋内温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，但塑性降度自行回火而成，淬火钢筋强度提高，但塑性降 低，余热处理后塑性有所改善。低，余热处理后塑性有所改善。热轧钢筋的性能特点热轧钢筋的性能特点第5页/共52页一、钢筋的强度和变形 2.钢筋的应力-应变曲线ABBCDE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钢筋受压和受拉时的应力-应变曲线几乎相同应变曲线几乎相同第6页/共52页一、钢筋的强度和变形 2.钢筋的应力-应变曲线ABBCDE0.2%0.2强度指标明显流幅的钢筋：明显流幅的钢筋：屈服强度屈服强度定义为屈服下限，它定义为屈服下限，它是钢筋混凝土构件计算的强度限值，这是因为钢是钢筋混凝土构件计算的强度限值，这是因为钢筋屈服后会产生大的塑性变形，钢筋混凝土构件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，以至会产生不可恢复的变形和不可闭合的裂缝，以至不能使用不能使用 强屈比强屈比为极限强度与屈服强度的比值，热轧钢筋为极限强度与屈服强度的比值，热轧钢筋通常在通常在 1.41.6之间。之间。*无明显流幅的钢筋：残余应变为无明显流幅的钢筋：残余应变为0.2%时所对应时所对应的应力作为条件屈服强度的应力作为条件屈服强度 第7页/共52页一、钢筋的强度和变形 2.钢筋的应力-应变曲线变形指标*伸长率：钢筋拉断后的伸长与原长的比值伸长率：钢筋拉断后的伸长与原长的比值*冷弯要求：冷弯要求：将直径为将直径为d的钢筋绕直径为的钢筋绕直径为D的钢辊的钢辊弯成一定的角度而不发生断裂弯成一定的角度而不发生断裂 第8页/共52页不同钢筋应力应变关系的比较不同钢筋应力应变关系的比较第9页/共52页一、钢筋的强度和变形 3.钢筋的冷加工和热处理冷拉BKZZK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特性：只提高抗拉强度，不提高抗压强度，强度提高，塑性下降第10页/共52页一、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第11页/共52页一、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，改善塑性和韧性第12页/共52页一、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，需采取必要的措施第13页/共52页一、钢筋的强度和变形 5.钢筋的疲劳重复荷载作用下，钢筋的强度静载作用下的强度规定的应力幅度内，经一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。对钢筋用疲劳应力幅来表示其疲劳强度。试验方法单根钢筋的轴拉疲劳钢筋埋入混凝土中重复受拉或受弯第14页/共52页一、钢筋的强度和变形 6.混凝土结构对钢筋的要求强度要求：屈服强度和极限强度，抗震设计时还要求有一定的屈强比强度要求：屈服强度和极限强度，抗震设计时还要求有一定的屈强比塑性要求：伸长率和冷弯要求塑性要求：伸长率和冷弯要求可焊性可焊性与混凝土的粘结性：与混凝土的粘结性：带肋钢筋带肋钢筋第15页/共52页混凝土材料混凝土材料混凝土材料是由水泥、砂、石子和水按一定比例组成，经凝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。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混凝土是由水泥结晶体、水泥凝胶体和内部微裂缝组成的二、混凝土的强度和变形第16页/共52页混凝土的强度混凝土的强度混凝土立方抗压强度混凝土立方抗压强度混凝土轴心抗压强度混凝土轴心抗压强度混凝土抗拉强度混凝土抗拉强度第17页/共52页混凝土的抗压强度混凝土的抗压强度混混凝凝土土结结构构中中，主主要要是是利利用用它它的的抗抗压压强强度度。因因此此抗抗压压强强度度是是混凝土力学性能中最主要和最基本的指标。混凝土力学性能中最主要和最基本的指标。混凝土的强度等级是用抗压强度来划分的。混凝土的强度等级是用抗压强度来划分的。混混凝凝土土强强度度等等级级：边边长长150mm150mm立立方方体体标标准准试试件件，在在标标准准条条件件下下（203203，90%90%湿湿度度）养养护护2828天天，用用标标准准试试验验方方法法（加加载载速速度度0.150.3N/mm0.150.3N/mm2 2/sec/sec，两两端端不不涂涂润润滑滑剂剂）测测得得的的具具有有95%95%保保证证 率率 的的 立立 方方 体体 抗抗 压压 强强 度度，用用 符符 号号 C C表表 示示，C30C30表表 示示 f fcu,kcu,k=30N/mm=30N/mm2 2 规规范范根根据据强强度度范范围围，从从C15C80C15C80共共划划分分1414个个强强度度等等级级，级差为级差为5N/mm5N/mm2 2。C50C50以上为高强混凝土。以上为高强混凝土。第18页/共52页混凝土强度标准值混凝土强度标准值规范规范规定材料强度的标准值规定材料强度的标准值 fk 应具有不小于应具有不小于95%的保证率的保证率混凝土强度等级混凝土强度等级f fcucu即为立方体强度标准值。即为立方体强度标准值。第19页/共52页二、混凝土的强度和变形l立方体抗压强度的试验立方体抗压强度的试验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：不涂润滑剂压力压力试件试件裂缝裂缝发展发展扩张扩张整个体整个体系解体，丧失承载力系解体，丧失承载力另影响强度的因素另影响强度的因素还有：龄期、加载速还有：龄期、加载速率、试块尺寸等率、试块尺寸等第20页/共52页二、混凝土的强度和变形标准试块：150150 150非标准试块：100100 100 换算系数 0.95 200200 200 换算系数 1.05立方体抗压强度的换算立方体抗压强度的换算立方体抗压试验不能代表混凝土在实际构件中的受力状立方体抗压试验不能代表混凝土在实际构件中的受力状态，只是用来在同一标准条件下比较混凝土强度水平和态，只是用来在同一标准条件下比较混凝土强度水平和品质的标准（制作、测试方便）品质的标准（制作、测试方便）第21页/共52页二、混凝土的强度和变形l轴心抗压强度：轴心抗压强度采用棱柱体试件测定，用符轴心抗压强度：轴心抗压强度采用棱柱体试件测定，用符号号fc表示，它比较接近实际构件中混凝土的受压情况。表示，它比较接近实际构件中混凝土的受压情况。承压板试块标准试块：150150 300非标准试块：100100 300 换算系数 0.95 200200 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：于棱柱体抗压强度，且有：fc=0.76fcu(试验结果)考虑到构件和试件的区别，取考虑到构件和试件的区别，取fc=0.67fcu 对国外（美国、日本、欧洲混凝土协会等）采用的圆柱体试件（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），有fc=0.79fcu 圆柱体抗压强度第22页/共52页二、混凝土的强度和变形 混凝土的抗拉强度抗拉强度也是混凝土的基本力学性能，用符号抗拉强度也是混凝土的基本力学性能，用符号 f ft t 表示。表示。混凝土构件开裂、裂缝、变形，以及受剪、受扭、受冲混凝土构件开裂、裂缝、变形，以及受剪、受扭、受冲切等的承载力均与抗拉强度有关。切等的承载力均与抗拉强度有关。第23页/共52页二、混凝土的强度和变形l直接受拉试验直接受拉试验ft100100150150500试验结果：试验结果：ft=0.395fcu 0.55第24页/共52页二、混凝土的强度和变形劈拉试验劈拉试验ftp：由于轴心受拉试验对中困难，也常常采用立：由于轴心受拉试验对中困难，也常常采用立方体或圆柱体劈拉试验测定混凝土的抗拉强度方体或圆柱体劈拉试验测定混凝土的抗拉强度daftpFFFF我国根据我国根据100mm立方体的立方体的劈裂与抗压试验结果有：劈裂与抗压试验结果有：ftp=0.19fcu 3/4第25页/共52页双向正应力下的强度曲线双向正应力下的强度曲线二、混凝土的强度和变形复合受力状态下混凝土的强度第26页/共52页剪应力剪应力t t 和正应力和正应力s s 共同作用下的受力情况共同作用下的受力情况混混凝凝土土的的抗抗剪剪强强度度：随随拉拉应应力力增增大大而而减减小小，随随压压应应力力增增大大而而增增大大 当当压压应应力力在在0.6fc左左右右时时，抗抗剪剪强强度度达达到到最最大大，压压应应力力继继续续增增大大，则则由由于内裂缝发展明显，抗剪强度将随压应力的增大而减小。于内裂缝发展明显，抗剪强度将随压应力的增大而减小。第27页/共52页二、混凝土的强度和变形复合受力状态下混凝土的强度三向受压时的混凝土强度三向受压时的混凝土强度：三轴应力状态有多种组合，实三轴应力状态有多种组合，实际工程遇到较多的螺旋箍筋柱和钢管混凝土柱中的混凝土为三际工程遇到较多的螺旋箍筋柱和钢管混凝土柱中的混凝土为三向受压状态。三向受压试验一般采用圆柱体在等侧压条件进行。向受压状态。三向受压试验一般采用圆柱体在等侧压条件进行。1=fcc1=fcc2=3=fLfL-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第28页/共52页二、混凝土的强度和变形混凝土的变形性能(MPa)fco0(10-3)abcd225201510546810混凝土强度提高加载速度减慢单轴受压时的应力单轴受压时的应力-应变关系应变关系作用是：峰值应力后，吸收试验机的变形能，测出下降段第29页/共52页二、混凝土的强度和变形混凝土的变形性能单轴受压时的应力单轴受压时的应力-应变关系的数学模型应变关系的数学模型-中国规范中国规范u0ocfcc第30页/共52页二、混凝土的强度和变形 混凝土的变形性能侧向受约束时混凝土的变形特点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ccfccfcEsecEc c0 2c0 sp cco环箍断裂第31页/共52页二、混凝土的强度和变形 混凝土的变形性能轴向受拉时混凝土的应力应变关系tto t0 tu ftt(MPa)0(mm)cr=0.00012试件：7619305mmfc=44MPa43210.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06标距83mm理论模型第32页/共52页二、混凝土的强度和变形 混凝土的变形性能重复荷载下混凝土的变形性能重复荷载下混凝土的变形性能pe包罗线与一次性加载时的应力-应变曲线相似第33页/共52页二、混凝土的强度和变形混凝土的变形性能混凝土的弹性模量ccccep01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；受拉破坏时，为1.0第34页/共52页二、混凝土的强度和变形混凝土的变形性能混凝土的弹性模量的试验方法（150150 300标准试件）c/fcc0.5510次此线和原点切线基本平行，取其斜率作为Ec第35页/共52页混凝土的收缩和徐变混凝土的收缩和徐变Shrinkage and Creep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，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。收缩是混凝土在不受外力情况下体积变化产生的变形。混凝土在长期不变荷载的作用下，其变形随时间而不断增长的现象混凝土在长期不变荷载的作用下，其变形随时间而不断增长的现象称为徐变。称为徐变。第36页/共52页混凝土的收缩是混凝土的收缩是随时间而增长的变形随时间而增长的变形，早期收缩变形发展较快，两周，早期收缩变形发展较快，两周可完成全部收缩的可完成全部收缩的25%，一个月可完成，一个月可完成50%，以后变形发展逐渐减慢，以后变形发展逐渐减慢，整个收缩过程可延续两年以上。通常，最终收缩应变值约为整个收缩过程可延续两年以上。通常，最终收缩应变值约为(25)10-4，而混凝土开裂应变为，而混凝土开裂应变为(0.52.7)10-4，说明收缩会导致开裂说明收缩会导致开裂。混凝土收缩包括混凝土收缩包括凝缩凝缩和和干缩干缩两部分，凝缩是由于水泥结晶体比原材料两部分，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。的体积小；干缩是混凝土内自由水分蒸发引起的。第37页/共52页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、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：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；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；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；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；小尺寸构件收缩大，大尺寸构件收缩小；高强混凝土收缩大。高强混凝土收缩大。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，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要采取一定措施减小收缩应力的不利影响。混凝土收缩的影响因素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。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。混凝土收缩会使预应力混凝土构件产生预应力损失。第38页/共52页随荷载作用时间的延续，变形不断增长，前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，个月徐变增长较快，6个月个月可达最终徐变的（可达最终徐变的（7080）%，以后增长逐渐缓慢，以后增长逐渐缓慢，23年后趋于稳定。年后趋于稳定。混凝土的徐变混凝土的徐变瞬时恢复瞬时恢复弹性后效弹性后效残余应变残余应变收缩应变收缩应变徐变应变徐变应变瞬时应变瞬时应变徐变会使结构（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。高应力作用下，甚至会导致破坏。第39页/共52页混凝土徐变的主要原因是在荷载长期作用下，混凝土徐变的主要原因是在荷载长期作用下，混凝土凝胶体中的水分逐渐压出，水泥石逐渐粘性混凝土凝胶体中的水分逐渐压出，水泥石逐渐粘性流动，微细空隙逐渐闭合，细晶体内部逐渐滑动，流动，微细空隙逐渐闭合，细晶体内部逐渐滑动，微细裂缝逐渐发生等各种因素的综合结果。微细裂缝逐渐发生等各种因素的综合结果。徐变的主要原因：第40页/共52页应力：应力：c0.5fc，徐变变形与应力成正比-线性徐变 0.5fcc0.8fc，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，徐变越大水泥用量越多，水灰比越大，徐变越大骨料越硬，徐变越小骨料越硬，徐变越小混凝土徐变的影响因素混凝土徐变的影响因素第41页/共52页徐变对结构的影响：使构件的变形增加；使构件的变形增加；在截面中引起应力重分布；在截面中引起应力重分布；在预应力混凝土结构中引起预应力损失。在预应力混凝土结构中引起预应力损失。第42页/共52页钢筋和混凝土这两种材料结合在一起，在荷钢筋和混凝土这两种材料结合在一起，在荷载、温度、收缩等外界因素作用下，能够共载、温度、收缩等外界因素作用下，能够共同工作，除了两者具有相近的线膨胀系数外，同工作，除了两者具有相近的线膨胀系数外，主要是由于混凝土硬化后，钢筋与混凝土之主要是由于混凝土硬化后，钢筋与混凝土之间产生了良好的粘结能力。间产生了良好的粘结能力。三、钢筋与混凝土的相互作用-粘结第43页/共52页 产生钢筋和混凝土粘结强度的主要原因：混凝土收缩将钢筋紧紧握固而产生的摩擦力；混凝土颗料的化学作用产生的混凝土与钢筋之间的胶合力；钢筋表面凹凸不平与混凝土之间产生的咬合力；钢筋端部加弯钩、弯折或在锚固区焊短钢筋、焊角钢等来提供锚固能力。第44页/共52页lPd粘结力的测定：粘结力的测定通常采用拔出试验方法。将钢筋的一端埋入混凝土内，在另一端施力将钢筋拔出（如图）。第45页/共52页粘结强度：粘结强度：粘结强度可由下式确定。粘结强度可由下式确定。式中：PP拔出力；拔出力；dd钢筋直径；钢筋直径；ll钢筋埋入长度。钢筋埋入长度。第46页/共52页 粘结应力的类型：粘结应力的类型：两相邻裂缝间钢筋应力不均匀引起的两相邻裂缝间钢筋应力不均匀引起的局部粘结应力；局部粘结应力；锚固粘结应力。锚固粘结应力。第47页/共52页 锚固设计的基本原则是必须保证足够的锚固锚固设计的基本原则是必须保证足够的锚固粘结强度以使钢筋强度得以充分利用，即粘结强度以使钢筋强度得以充分利用，即以锚固粘结应力为例：以锚固粘结应力为例：第48页/共52页 钢筋的粘结性能：钢筋的粘结性能：（1 1）光面钢筋的粘结性能）光面钢筋的粘结性能 光面钢筋的粘结能力来源于胶结和摩擦。由光面钢筋的粘结能力来源于胶结和摩擦。由中心拉拔试验可知，在加荷初期，胶结力承担了中心拉拔试验可知，在加荷初期，胶结力承担了全部拉拔力，随着拉力增大，首先在加载端出现全部拉拔力，随着拉力增大，首先在加载端出现滑移线，此时粘结力主要靠钢筋和混凝土之间的滑移线，此时粘结力主要靠钢筋和混凝土之间的摩擦力提供。摩擦力提供。第49页/共52页 钢筋的粘结性能：钢筋的粘结性能：（2 2）变形钢筋的粘结性能）变形钢筋的粘结性能 变形钢筋的粘结能力主要来源于摩擦力和机变形钢筋的粘结能力主要来源于摩擦力和机械咬合力。影响变形钢筋粘结力的主要因素有混械咬合力。影响变形钢筋粘结力的主要因素有混凝土强度、锚固长度、保护层相对厚度、锚筋外凝土强度、锚固长度、保护层相对厚度、锚筋外形特征、混凝土浇注状况以及锚筋受力情况等。形特征、混凝土浇注状况以及锚筋受力情况等。第50页/共52页 影响粘结强度的因素影响粘结强度的因素：（1 1）混凝土强度等级；混凝土强度等级；（2 2）钢筋外观特征；钢筋外观特征；（3 3）浇注位置；浇注位置；（4 4）钢筋净距及保护层厚度。钢筋净距及保护层厚度。第51页/共52页 保证粘结力的措施：（1 1）钢筋的锚固长度和搭接长度；钢筋的锚固长度和搭接长度；（2 2）钢筋周围的混凝土应有足够的厚度；钢筋周围的混凝土应有足够的厚度；（3 3）钢筋末端的弯钩；钢筋末端的弯钩；（4 4）混凝土的浇筑。混凝土的浇筑。第52页/共52页