鋼筋混凝土材料的主要力學性能.ppt

第1章 鋼筋混凝土材料的主要力學性能,混凝土結構材料,（主要力學性能）,混凝土,鋼筋,強度和變形,第一節(jié) 混凝土的主要力學性能,一混凝土的強度 荷載的性質和受力條件不同，使混凝土具有不同的強度 立方體抗壓強度 單向應力狀態(tài)下的強度 軸心抗壓強度 軸心抗拉強度 復合應力狀態(tài)下的強度 雙向受力強度 三向受壓強度,1混凝土的立方體抗壓強度和強度等級,標準試驗條件 標準方法制作邊長150mm立方體, (203) 濕度90%以上 28天齡期 用標準試驗方法測 立方體抗壓強度標準值： 95%保證率的立方體抗壓強度值。 用途：力學性能的基本代表值，混凝土強度等級劃分依據。 強度等級：按立方體抗壓強度標準值分為14級，“C+標準值”,常用等級：C15，C20，C25，C30，C35， C40，C45，C50，C55， C60，C65，C70，C75， C80,混凝土強度等級：,例如 C20, 表示,當邊長不是150mm時，可通過尺寸效應換算系數換算成標準試塊的強度。規(guī)范規(guī)定其換算關系為：,混凝土立方體抗壓強度試驗,混凝土抗壓強度試驗破壞照片,影響立方體抗壓強度的因素： （1）試驗方法： 分為涂潤滑劑和不涂潤滑劑。 通常試塊與試驗機墊板之間存在摩擦，這種摩擦對試塊有“套箍”作用引起抗壓強度提高。 如果涂潤滑劑，摩擦力大大減小，橫向不受約束，強度不提高。 注意：我國規(guī)定的標準試驗方法是不涂潤滑劑的。 （2）試件尺寸：尺寸越小，強度越高。 （3）加載速度：速度越快，強度越高。 （4）混凝土齡期：隨齡期的增長而提高。,2混凝土的軸心抗壓強度,用標準棱柱體試件（150mm 150mm 300 mm）采用標準試驗方法（與立方體相同）測定的混凝土抗壓強度軸心抗壓強度。 一般認為當 h / b = 24 時，可以消除摩擦力的影響，中間為純壓狀態(tài)，接近實際情況。,通過試驗分析， 規(guī)范給出軸心抗壓強度標準值與立方體抗壓強度標準值的關系按下式確定： 棱柱體強度與立方體強度的比值，C50以下取 0.76， C80取0.82。 高強混凝土的脆性折減系數，C40及以 下，取1.0，C80取0.87。 0.88考慮實際構件與試件混凝土之間的差異而取的折減系數。,小貼示：在以后計算受彎構件，軸心受壓構件和偏心受壓構件的正截面承載力時，都是以 作為強度計算指標的。,3混凝土的軸心抗拉強度,一般只為抗壓強度的 1/18 1/9。 軸心抗拉強度可由試驗直接測得 軸心受拉試驗（直接） 劈裂試驗 （間接）,通過試驗分析，規(guī)范給出軸心抗拉強度標準值與立方體抗壓強度標準值的關系 注意：混凝土強度越高， 與 的比值越小。,小貼示：在以后實際計算時， ， 不用上式計算，當混凝土強度等級一定時，直接查表，見附錄。,4、復合應力狀態(tài)下的混凝土的強度,實際上混凝土構件都處于復合應力狀態(tài)， 梁既受M又受V，柱同時受M、N、V，所以 需研究復合應力狀態(tài)下混凝土的強度。,（1）混凝土的雙向受力強度（正應力） 雙向受拉： 、 相互影響不大，雙向受拉 強度接近于單向受拉強度。 雙向受壓： 一向的強度隨另一向壓力的增加 而增加，雙向受壓強度比單向受壓 強度最多可提高27% 。 一向受壓、一向受拉： 雙向異號應力使單向 （受壓或受拉）強度降低。,（2）在法向應力和剪應力組合下的混凝土強度,“拉剪狀態(tài)” 壓應力低時，抗剪強度隨壓應力的增大而增大，當壓應力超過 時，抗剪強度隨壓應力的增大而減小。 也就是說：由于剪應力存在，混凝土的抗壓強度低于單向抗壓強度。 “壓剪狀態(tài)” 抗剪強度隨拉應力增大而減小。 也就是說：由于剪應力存在，混凝土的抗拉強度降低。,（3）混凝土的三向受壓強度,混凝土在三向受壓時，由于側向壓應力的約束作用，最大的主壓應力軸的抗壓強度大大增大。 試驗經驗公式： （實際工程中，配有螺旋鋼箍柱、鋼管混凝土柱等都是利用此性質，強度、延性大大提高） “套箍作用”,二. 混凝土的變形,混凝土的變形分為: 一次短期加載下的變形 1. 混凝土的受力變形 荷載長期作用下的變形 重復荷載作用下的變形 2. 混凝土的體積變形 收縮、膨脹、溫度變化,1. 一次短期加載下混凝土的變形性能,（1）混凝土受壓時的應力應變曲線 （通過應力應變曲線，可以了解混凝土各階段的強度和變形） 采用棱柱體試件測定混凝土受壓時應力應變 全曲線，包括：上升段和下降段,上升段（OC）: （a）加載到 ，接近直線，混凝土處于彈性階段； A點比例極限。 （b）加載 ，圖形逐漸彎曲，混凝土呈現出彈塑性性質，E不是常數； B點混凝土長期抗壓強度的取值依據。 （c）加載至峰點C，應變增大，圖形更彎曲。 C點混凝土棱柱體抗壓強度 ， 對應的應變 。 下降段（CE）: 緩慢卸荷，裂縫繼續(xù)擴展、貫 通，變形增大。 收斂點E應變,特點： 1）混凝土的應力應變圖形是一曲線，說明混凝土是一種彈塑性材料，只有壓應力很小時，才可視為彈性材料。 2）混凝土強度對應力應變曲線下降段有較大影響，混凝土強度高，應力下降快，延性越差；強度低，下降段越平緩，延性好。,（通過上述受壓應力應變曲線，獲得混凝土的變形性能指標） （2）混凝土的彈性模量、變形模量 是一曲線，非線性，E是變量不是常數。 （a）彈性模量：過 曲線上的原點作曲線的切線，該切線的斜率為彈性模量原點彈性模量 規(guī)范規(guī)定采用反復加荷的方法確定 對標準棱柱體試件 ，取 反復加荷、卸載5至10次，隨加載次數增加， 接近直線，該直線斜率即為彈性模量 。,據實驗值的統(tǒng)計分析，得出 與 的關系式： （kN/mm2） 實際設計時， 可以根據混凝土等級查表。 小貼士：只有在應力很小時，才能用 ，混凝土進入彈塑性狀態(tài)，要用變形模量或切線模量來表示應力應變關系。,（b）變形模量（割線模量）（彈塑性模量） 連接原點至曲線上任一點處割線的斜率為該點的變形模量 變量，各點不同 （c）切線模量 過某一應力 作曲線切線，其斜率為 規(guī)律： 隨荷載增大， 和 不斷減小。 （3）混凝土軸向受拉時的應力應變曲線 與受壓時相似上升段、下降段 但其應力、應變峰值小的多，,彈性模量,變形模量,切線模量,混凝土在長期荷載下，壓應力不變，應變隨時 間而增長的現象 徐變 徐變現象：在荷載長期作用下，變形將隨時間而增加； 徐變原因：凝膠體的粘性流動，內部微裂縫不斷產生和發(fā)展等 徐變影響：導致變形增大，應力重分布和內力分布等。,2. 荷載長期作用下混凝土的變形性能,徐變的特點： a）與時間有關：開始增加快，以后慢，六個月完成大部分，12年后穩(wěn)定.（徐變應變約為瞬時應變的14倍） b）與應力大小有關： 當應力較小 時，徐變大致與應力成正比線性徐變。 當應力較大時 ，徐變增長大于應力增長非線性徐變。 當應力過高 時，徐變急劇增大，不收斂，試件破壞 所以一般取 為混凝土的長期極限強度。,c）與混凝土的齡期有關： 加載時混凝土的齡期越早，徐變越大 d）與混凝土的組成成分有關： 水泥用量越多或水灰比越大，徐變越大。骨料質量好，徐變越小。 e）與混凝土養(yǎng)護條件有關： 養(yǎng)護溫度高，濕度大，徐變越??； 受力后環(huán)境溫度越高，濕度低，徐變就越大。 f）與構件形狀、尺寸有關： 體表比大，徐變小。 影響徐變的因素歸納為三個方面： 內在因素、環(huán)境因素、應力因素。,卸載時變形恢復: 瞬時彈性恢復、彈性后效，永久應變 減小徐變的措施： 1）選用優(yōu)質骨料、優(yōu)質水泥，減小水泥用量和水灰比。 2）加強養(yǎng)護，盡量搗實，保持溫度、濕度。 3）適當控制混凝土齡期。,3. 重復荷載作用下混凝土的變形,在荷載重復作用下，混凝土的強度和變形有很大 變化，混凝土在荷載重復作用下引起的破壞稱為 疲勞破壞。 容易出現疲勞破壞的構件： 吊車梁、鋼筋混凝土道橋、港口海岸的混凝土結構等。 疲勞抗壓強度：混凝土的疲勞強度用疲勞試驗測定。疲勞試驗采用100mm100mm300mm或150mm150mm450mm的棱柱體，把能使棱柱體試件承受200萬次或其以上循環(huán)荷載而發(fā)生破壞的壓應力值稱為混凝土的疲勞抗壓強度。,一次重復加載下 加載：隨應力增加應變增加 卸載：不重復加載軌跡，有彈性后效和殘余變形 多次重復加載下 峰值小于疲勞強度：每循環(huán)成環(huán)，面積逐漸減少，至直線； 峰值大于疲勞強度：開始與小應力的相似； 成直線后，凸凹方向改變，斜率降低，裂縫和變形嚴重 混凝土疲勞破壞：因荷載重復作用而引起的破壞 混凝土疲勞強度：疲勞破壞需要重復荷載的最小應力峰值,疲勞抗壓強度與應力變化幅度有關： 式中： ， 表示截面同一纖維上的混 凝土最小應力和最大應力。,4.混凝土的收縮和膨脹體積變形,混凝土在空氣中結硬時體積減小的現象 收縮 混凝土在水中結硬時體積增大的現象 膨脹 膨脹值遠小于收縮值，一般不考慮。 收縮與時間有關，半年完成 8090。 當這種自發(fā)的變形受到外部（支座）或內部（鋼筋）的約束時，將使混凝土中產生拉應力，甚至引起混凝土的開裂?；炷潦湛s會使預應力混凝土構件產生預應力損失。 混凝土收縮在鋼筋混凝土結構中會產生不利影響 開裂, 影響因素 混凝土的收縮受結構周圍的溫度、濕度、構件斷面形狀及尺寸、配合比、骨料性質、水泥性質、混凝土澆筑質量及養(yǎng)護條件等許多因素有關。- 歸納為：內在因素、環(huán)境因素 減小混凝土收縮的措施：同徐變 4）設置適當抗收縮鋼筋（構造鋼筋見相關構造要求） （ 溫度變化，也會引起混凝土開裂，一般影響不大，在重要結構、高層結構、特種結構中考慮設置伸縮縫）,第二節(jié) 鋼筋的主要力學性能,一、鋼筋的品種和級別 （一）鋼筋的品種（分類） 按化學成分分類： 低碳鋼 碳素鋼 中碳鋼 隨含碳量增加，鋼筋強度提高， 高碳鋼 塑性性能降低。 普通低合金鋼：除碳素鋼已有的成分外，再加入少量的 硅、錳、鈦、釩等合金元素。 強度顯著提高，塑性性能也好。,按外形分類 光面鋼筋表面光滑，與混凝土粘結力差。 變形鋼筋表面帶肋，螺旋紋、人字紋、 月牙紋， 與混凝土粘結力高。 熱軋鋼筋 （用于鋼筋混凝土結構） 按生產工藝分類 預應力鋼絲和鋼絞線、熱處理鋼筋 （用于預應力混凝土結構） 冷加工鋼筋 （用于預應力混凝土結構） 三種鋼筋的生產工藝不同，見P22,（二）鋼筋的級別 1、熱軋鋼筋：由普通（低碳）碳素鋼、低合金鋼軋制而成軟鋼 性能：隨著鋼筋級別的增加，強度提高，塑性降低。,（ 三）鋼筋的冷加工（對鋼筋進行冷加工，可以提高強度） 1.冷拉 對熱軋鋼筋進行張拉，張拉應力超過原屈服點，然后放松，再張拉，屈服強度提高了，但塑性降低。（伸長率降低） 2.冷拔 將 光面鋼筋通過強力拔過直徑小的鎢合金拔絲模孔，塑性變形后3，4mm鋼絲。 冷拉：提高抗拉強度（不宜作受壓鋼筋） 冷拔：同時提高抗拉、抗壓強度, 冷拉有屈服明顯的屈服臺階，冷拔則沒有。,（四）影響鋼材性能的一般因素 (1)化學成分 碳：提高強度；但塑性，可焊性、耐銹蝕性等劣化。 錳：提高強度，改善脆性,但對可焊性和耐銹力不利。 硅：提高強度，但含量過高，對塑性可焊性耐銹力不利。 硫：高溫時變脆，降低塑性韌性抗疲勞能力和耐銹能力。 磷：提高強度和耐銹力，低溫變脆，降低塑性可焊性等。 (2)鋼材缺陷 偏析:鋼中化學成分的不一致性和不均勻性 裂紋：先天的裂紋，或是微觀的或是宏觀的 分層：在厚度方向分成多層，各層相互連接，并不脫離 夾雜物：尤其是硫化物和氧化物等,(3)鋼材的硬化 時效硬化：現象：時間增加，強度提高，塑性下降。 特點：過程很長，反復荷載和高溫下易產生。 冷作硬化：常溫下產生塑性變形后屈服點提高，塑性降低。 應變時效：產生塑性變形后，特別是在高溫下，使已經產生冷作硬化的鋼材又發(fā)生時效硬化。,(4)溫度 在正常溫度下：基本不隨溫度變化 在高溫度下：溫度升高，強度、彈性模量均有下降趨勢 藍脆現象：250左右，抗拉強度反而提高， 塑性和韌性下降。 在低溫時：溫度降低，強度略提高， 塑性等下降，有脆性傾向。 冷脆現象：當溫度降低至某一溫度以下時， 材料變脆。,（五）結構對鋼材的要求 (1)結構對鋼材的要求 具有較高的屈服強度和極限強度； 具有良好的塑性和韌性 具有良好的工藝加工性能； 良好的耐銹蝕能力 與混凝土良好的粘結力 (2)鋼材的選擇： 結構或構件的類型及重要性； 作用的性質（靜力和動力作用）； 連接方式（焊接、鉚接或螺栓連接）； 工作環(huán)境（溫度和腐蝕等）。,二、鋼筋的強度和變形（通過拉伸試驗獲得的應力應變曲線來說明）,1、應力應變曲線分兩類： 有明顯的流幅：熱軋鋼筋（軟鋼） 無明顯的流幅：高碳鋼（硬鋼）（預應力鋼絲、鋼絞線、熱處理鋼筋） 設計強度取值依據： 有明顯流幅鋼筋，取其屈服點強度作為設計取值依據。 無明顯流幅鋼筋，取 （極限抗拉強度）作為條件屈服點。,屈服階段,彈性階段,強化階段,頸縮,簡單應力下鋼材的性能 (1)鋼材的應力-應變關系 曲線形式： 有明顯流幅的： 彈性、屈服、強化和頸縮階段 沒有明顯流幅的： 沒有明顯的屈服階段 曲線簡化： 屈服前：完全彈性的； 屈服后：完全塑性的。,(2)鋼材的強度指標 屈服強度：設計時鋼材允許達到的最大應力 有明顯流幅的鋼材：取屈服點的應力； 無有明顯流幅的鋼材：取條件屈服強度。 條件屈服強度：殘余應變?yōu)?.2%對應的應力；或取 （極限抗拉強度）作為條件屈服點。 極限強度：材料能承受的最大應力反映安全儲備 屈強比：屈服強度/極限強度 (3)鋼材的塑性指標 伸長率：拉斷后構件伸長率 截面收縮率：拉斷后面積縮小率 冷彎性能：以冷彎的角度來衡量,2、復雜應力下鋼材的性能 (1)復雜應力狀態(tài)下的屈服條件 判別方法：用能量理論建立屈服條件，用折算應力判別 當 時，鋼材沒有屈服 當 時，鋼材屈服。 折算應力 以主應力表示： 以應力分量表示,分析結果： 主應力同號時，不易屈服， 塑性下降，越接近越明顯。 主應力異號時，易屈服，破 壞呈塑性，差別越大越明顯。 (2)反復荷載下鋼材的疲勞 疲勞破壞：在低于強度的應力反復作用下，所發(fā)生破壞。 疲勞破壞特點： 包括裂紋形成，緩慢發(fā)展和迅速斷裂三個過程 沒有明顯的變形，脆性破壞,影響因素： 荷載的的性質：拉、壓、剪等 應力循環(huán)特征：(應力比 ) 靜載（=1） 同號循環(huán)（0） 脈沖循環(huán)(=0) 異號循環(huán)(0) 完全對稱循環(huán)（-1） 循環(huán)次數: 應力比一定時， 疲勞強度與荷載的循環(huán)次數有關。,疲勞極限：當最大應力小于某一數值， 反復荷載循環(huán)無窮次，材料也不會破壞。 疲勞曲線(試驗結果) 循環(huán)N次 包絡線ABCD 簡化疲勞曲線 ABCD的方程 BCD(拉為主) AB(壓為主),第三節(jié) 鋼筋和混凝土的粘結與錨固,一、粘結的作用和分類 鋼筋和混凝土之間的粘結，是保證兩者共同工作 的前提。 鋼筋混凝土結構受力后，若鋼筋和混凝土有相對變形（滑移）就會在其交界面上產生剪應力 ,這種剪應力 稱為鋼筋和混凝土之間的粘結力。 局部粘結應力 粘結應力分為： 錨固粘結應力,鋼筋與混凝土之間粘結應力示意圖 （a）錨固粘結應力 （b）裂縫間的局部粘結應力,沒有應力差的位置沒有粘結力,局部粘結應力： 發(fā)生在裂縫間。 作用：鋼筋應力發(fā)生變化，使相鄰兩個裂縫之間的 混凝土參與受拉。 其喪失，會開裂。 錨固粘結應力： 發(fā)生在鋼筋端部（支座內）。 作用：鋼筋需有一定錨固長度，以積累足夠的粘 結力，達到需要的拉力。否則，發(fā)生錨固 破壞。,鋼筋與混凝土的粘結 鋼筋與混凝土粘結的作用 作用：保證力的相互傳遞，是共同工作的基本條件 單元分析： 假設：一端力T，另端為T+dT 根據平衡條件： 分析結果 應力變化大，粘結力大，變化小，粘結小 當鋼筋應力沒有變化時，粘結應力等于零,有關的設計問題 鋼筋端部的錨固 裂縫間應力的傳遞 裂縫截面：拉力為零 離開一段距離：混凝土有拉力 兩條裂縫中間：混凝土拉力最大 鋼筋的基本錨固長度 鋼筋的基本錨固長度取決于鋼筋的強度及混凝土抗拉強度，并與鋼筋的外形有關。規(guī)范規(guī)定縱向受拉鋼筋的錨固長度作為鋼筋的基本錨固長度，其計算公式為：,二、粘結力的組成 （1）鋼筋和混凝土接觸面上的化學吸附作用力化學膠結力 （2）混凝土收縮握裹鋼筋而產生的摩阻力摩阻力 （3）鋼筋表面凹凸不平與混凝土之間產生的機械咬合作用力機械咬合力 光圓鋼筋粘結力主要來自膠結力和摩阻力。 變形鋼筋粘結力主要來自機械咬合力。,三、影響粘結強度的因素 平均粘結應力 式中：N為鋼筋的拉力，d為鋼筋的直徑，l為粘結長度。 影響粘結強度的主要因素： （1）混凝土強度等級：粘結強度與混凝土的抗拉強度 大致成比例。 （2）保護層厚度及鋼筋凈間距：越大，粘結強度越高。 （3）橫向鋼筋（箍筋）及側向壓應力：可以限制裂縫的發(fā)展、提高粘結強度。 （4）澆注位置。,四、保證鋼筋和混凝土粘結力的措施 （用構造措施保證） （1）對不同等級的混凝土和鋼筋，要保證基 本的錨固長度和最小搭接長度。 （2）滿足鋼筋最小間距和混凝土保護層最小 厚度。 （3）加密箍筋（接頭范圍內）。 （4）鋼筋端部設彎鉤（光面鋼筋）。,第四節(jié) 鋼筋和混凝土的選用,混凝土的選用原則： 建筑工程中 鋼筋混凝土構件的混凝土強度等級不應低于C15; 當采用HRB335級鋼筋時，混凝土強度等級不宜低于C20; 當采用HRB400和RRB400級鋼筋以及承受重復荷載的構件，混凝土強度等級不得低于C20; 預應力混凝土結構的混凝土強度等級不應低于C30; 當采用鋼絞線，鋼絲，熱處理鋼筋作預應力鋼筋時，混凝土強度等級不宜低于C40。,鋼筋混凝土構件的混凝土強度等級不應低于C20; 當采用HRB400級鋼筋時，混凝土強度等級不得低于C25。 預應力混凝土結構的混凝土強度等級不應低于C40.,公路橋涵中,鋼筋的選用原則： 鋼筋混凝土結構中的鋼筋和預應力混凝土結構中的非預應力鋼筋宜優(yōu)先采用HRB335和HRB400級鋼筋，以節(jié)省鋼筋用量，改善我國建筑結構的質量。除此以外，也可以采用HPB235 級和RRB400級熱軋鋼筋及強度級別較低的冷拔，冷軋鋼筋。 預應力鋼筋宜采用預應力鋼絞線，中高強鋼絲，也可以采用熱處理鋼筋。除此以外，還可以采用冷拉鋼筋和強度級別較高的冷拔低碳鋼絲和冷軋鋼筋。公路橋涵工程中還可以采用精制螺紋鋼筋。,思考題,1-1 混凝土的基本強度指標有哪些？它們之間的換算關系如何？ 1-4 混凝土的軸心受壓應力-應變曲線有何特點？影響該曲線形狀的主要因素有哪些？ 1-6 何謂混凝土的徐變？影響混凝土徐變的主要因素有哪些？徐變對混凝土構件有何影響？采取什么措施可以減少混凝土的徐變？ 1-9 鋼筋混凝土結構對鋼筋性能有何要求？ 1-13 在實際工程中，選用鋼筋和混凝土時一般應考慮哪些因素？,按混凝土試件的“尺寸效應”，相同的混凝土試塊 當邊長為200mm、150mm、100mm時，其實測立方 體強度相對比值為： 。 由混凝土應力應變曲線的下降段可知：混凝土強 度越高，殘余應力相對的 , 高強度混凝土變形能 力 。 混凝土的極限壓應變值包括 和 兩部 分，其中 變形越大，表明混凝土的延性越好。 采用約束混凝土不僅可以提高混凝土的 強 度，而且可以提高構件的耐受 的能力。,混凝土在荷載的 作用下， 隨 而增長 的變形稱為徐變。 在保持應力不變的情況下，混凝土加載時的齡期 越大，則徐變增長 ；水泥含量越少，則徐變 越 ；混凝土養(yǎng)護時，周圍的相對濕度越高，則 徐變越 。 1. 我國規(guī)范采用（ ）作為混凝土各種力學指標