第二章钢筋和混凝土材料的力学性能.ppt

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1、第二章 钢筋和混凝土材料力学性能同济大学土木工程学院建筑工程系顾祥林一、钢筋的强度和变形 1.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段为强化段标距有明显流幅的钢筋有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一、钢筋的强度和变形 1.钢筋的应力-应变曲线0.2%0.2标距无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一、钢筋的强度和变形 1.钢筋的应力-应变曲线ABBCDE0.2%0.2强度指标强度指标*明显流幅的钢筋：下屈服点对应的强

2、度作为设明显流幅的钢筋：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：残余应变为无明显流幅的钢筋：残余应变为0.2%0.2%时所时所对应对应的应力作为条件屈服强度的应力作为条件屈服强度,随着冶金系统采用国随着冶金系统采用国际标准及质量的提高，在相应的产品标准中明确际标准及质量的提高，在相应的产品标准中明确规定屈服强度规定屈服强度0.20.2不得小于极限抗拉强度不得小于极限

3、抗拉强度b b的的85%85%（0.850.85b b）。）。因此，实际应用中可取极限抗因此，实际应用中可取极限抗拉强度拉强度b b的的85%85%作为条件屈服点作为条件屈服点 一、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指标的确定强度强度随机变量随机变量强度标准值根据统计资料，运用根据统计资料，运用数理统计方法确定的数理统计方法确定的具有一定保证率（钢具有一定保证率（钢筋为筋为97.73%）的统计）的统计特征值：特征值：强度标准值强度标准值=强度平均值强度平均值-22均方差均方差概率密度材料强度强度平均值强度标准值一、钢筋的强度和变形 1.钢筋的应力-应变曲线ABBCDE

4、0.2%0.2变形指标变形指标*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的的钢筋绕直径为钢筋绕直径为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 一、钢筋的强度和变形 2.钢筋的成分、级别和品种按按化学成分化学成分碳素钢（铁、碳、硅、碳素钢（铁、碳、硅、锰、硫、磷等元素）锰、硫、磷等元素）低碳钢（含碳量低碳钢（含碳量0.25%）中碳钢（含碳量中碳钢（含碳量0.250.6%）高碳钢（含碳量高碳钢（含碳量0.61.4%）普通低合金钢（另加普通低合金钢（另加硅、锰、钛、钒、铬硅、锰、钛、钒、铬等）等）锰系锰

5、系硅钒系硅钒系硅钛系硅钛系硅锰系硅锰系硅铬系硅铬系一、钢筋的强度和变形 2.钢筋的成分、级别和品种钢筋钢筋热轧钢筋：热轧光圆钢筋热轧钢筋：热轧光圆钢筋HPB235，HPB300（Hot rolled Plain Bars），），热轧带肋钢筋热轧带肋钢筋HRB335，HRB400，HRB500(Hot rolled Ribbed Bars),细晶粒热轧钢筋细晶粒热轧钢筋HRBF335，HRBF400，HRBF500(Hot rolled Ribbed Bars of Fine grains),冷拉冷拉钢筋：由热轧钢筋在常温下用机械拉伸而成钢筋：由热轧钢筋在常温下用机械拉伸而成热处理钢筋：将热处理

6、钢筋：将HRB400，HRB500钢筋通过加热、淬火、回火而成钢筋通过加热、淬火、回火而成按加工钢丝钢丝碳素钢丝：高碳镇静钢通过多次冷拔、应力消除、矫正、回火处理而成碳素钢丝：高碳镇静钢通过多次冷拔、应力消除、矫正、回火处理而成刻痕钢丝：在钢丝表面刻痕，以增强其与混凝土间的粘结力刻痕钢丝：在钢丝表面刻痕，以增强其与混凝土间的粘结力钢绞线：若干根相同直径的钢丝成螺旋状绞绕在一起钢绞线：若干根相同直径的钢丝成螺旋状绞绕在一起冷拔低碳钢丝：由低碳钢冷拔而成冷拔低碳钢丝：由低碳钢冷拔而成一、钢筋的强度和变形 2.钢筋的成分、级别和品种按按表面形状表面形状光圆钢筋光圆钢筋带肋钢筋带肋钢筋钢筋的应用范围钢

7、筋的应用范围非预应力钢筋：非预应力钢筋：HPB235，HPB300,HRB335，HRB400，HRB500 HRBF335,HRBF400,HRBF500预应力钢筋：碳素钢丝，刻痕钢丝，钢绞线，热处理钢筋，冷拉预应力钢筋：碳素钢丝，刻痕钢丝，钢绞线，热处理钢筋，冷拉钢筋钢筋一、钢筋的强度和变形 3.钢筋的常用直径光圆钢筋：光圆钢筋：6,8,10,12,14,16,18,20,22带肋钢筋：带肋钢筋：6,8,10,12,14,16,18,20,22,25,28,32,36,40,50一、钢筋的强度和变形 4.钢筋的冷加工和热处理冷拉冷拉BKZZK残余变形冷拉伸长率无时效经时效K点的点的选择：应

8、力控制和应变控制选择：应力控制和应变控制温度的影响：温度达温度的影响：温度达700C时恢复时恢复到冷拉前的状态，先焊后拉到冷拉前的状态，先焊后拉特性：只提高抗拉强度，不提高抗特性：只提高抗拉强度，不提高抗压强度，强度提高，塑性下降压强度，强度提高，塑性下降一、钢筋的强度和变形 4.钢筋的冷加工和热处理冷拔冷拔经过冷拔后钢筋没有明显的屈服点经过冷拔后钢筋没有明显的屈服点和流幅和流幅冷拔既能提高抗拉强度又能提高抗冷拔既能提高抗拉强度又能提高抗压强度压强度一、钢筋的强度和变形 4.钢筋的冷加工和热处理热处理热处理对对特定钢号的钢筋进行淬火和回火处理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

9、降低强度的前提下，消除由淬火产生的内力，改善塑性和韧性一、钢筋的强度和变形 5.钢筋的徐变和松弛徐变徐变应力不变，随时间的增长应力不变，随时间的增长应变继续增加应变继续增加松弛松弛长度不变，随时间的增长长度不变，随时间的增长应力降低应力降低对对结构，尤结构，尤其是预应力其是预应力结构，产生结构，产生不利的影响，不利的影响，需采取必要需采取必要的措施的措施一、钢筋的强度和变形 6.钢筋的疲劳重复荷载作用下，钢筋的强度重复荷载作用下，钢筋的强度静载作用下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

10、试验方法单根钢筋的轴拉疲劳单根钢筋的轴拉疲劳钢筋埋入混凝土中重复受拉或受弯钢筋埋入混凝土中重复受拉或受弯一、钢筋的强度和变形 7.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与混凝土的粘结性混凝土的粘结性一、钢筋的强度和变形 8.钢筋应力-应变曲线的数学模型sss=Essy s,hfysss=Essys,hfyfs,us,us,usss=Essyfys,hfs,u有明显流幅的钢筋有明显流幅的钢筋无明显流幅的钢筋无明显流幅的钢筋二、混

11、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立方体抗压强度fcu承压板试块摩擦力不涂润滑剂不涂润滑剂涂润滑剂涂润滑剂强度大于强度大于我国规范的方法：不涂润滑剂我国规范的方法：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，丧失承载力另另影响强度的因素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、试块尺寸等二、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：标准试块：150150 150非标准试块：非标准试块：100100 100 换算系数换算系数 0.95 200200 200 换算系数换算系数

12、 1.05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：级有：C15，C20，C25，C30，C35，C40，C45，C50，C55，C60，C65，C70，C75，C80表示混凝表示混凝土土Concrete立方体抗立方体抗压强度压强度立方体抗压强度立方体抗压强度fcu二、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强度指标的确定强度指标的确定强度强度随机变量随机变量强度标准值根据统计资料，运用根据统计资料，运用数理统计方法确定的数理统计方法确定的具有一定保证率具有一定保证率（95%）的统计特征）

13、的统计特征值：值：强度标准值强度标准值=强度平均值强度平均值-1.6451.645均方差均方差概率密度材料强度强度平均值强度标准值二、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棱柱体抗压强度fc承压板试块标准试块：标准试块：150150 300非标准试块：非标准试块：100100 300 换算系数换算系数 0.95 200200 400 换算系数换算系数 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(试验结果试验结果)考虑到构件和试件的区别，取考虑到构件

14、和试件的区别，取fc=0.67fcu 对对国外（美国、日本、欧洲混凝土协会等）采用的圆柱体试件国外（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 圆柱体抗圆柱体抗压强度压强度二、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直接受拉试验ft100100150150500试验结果：试验结果：ft=0.395fcu 0.55考虑到构件和试件的区别，尺寸效应，加荷考虑到构件和试件的区别，尺寸效应，加荷速度等的影响，取速度等的影响，取ft=0.348fcu 0.55二、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

15、验劈裂试验ftsddftsFFFF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：fts=0.19fcu 3/4二、混凝土的强度和变形 3.复合受力状态下混凝土的抗拉强度双轴应力下的强度双轴应力下的强度1.01.01.21.2-0.2-0.22/fc1/fc拉压/fc/fc0.20.1-0.10.00.61.0单轴抗拉强度单轴抗压强度双向正应力下的强度曲线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法向应力和剪应力下的强度曲线二、混凝土的强度和变形 3.复合受力状态下混凝土的抗拉强度三向受压时的混凝土强度三向受压时的混凝土强度 1=fcc 1=fcc

16、 2=3=fLfL侧向约束压应力侧向约束压应力（加液压）（加液压）圆柱体试验圆柱体试验有侧向约有侧向约束时的抗束时的抗压强度压强度无侧向约无侧向约束时圆柱束时圆柱体的单轴体的单轴抗压强度抗压强度二、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重复荷载下的应力-应变曲线应变曲线fcf321疲劳强度fcfcf的的确定原则：确定原则：100100 300或或150150 450 的的棱柱体试块承受棱柱体试块承受200200万次万次（或以上）循环荷载时（或以上）循环荷载时发生破坏的最大压应力发生破坏的最大压应力值值二、混凝土的强度和变形 4.混凝土的变形性能(MPa)fco0(10-3

17、)abcd225201510546810混凝土强度提高加载速度减慢单轴受压时的单轴受压时的应力应力-应变关系应变关系作用是：峰值作用是：峰值应力后，吸收应力后，吸收试验机的变形试验机的变形能，测出下降能，测出下降段段二、混凝土的强度和变形 4.混凝土的变形性能单轴受压时的单轴受压时的应力应力-应变关系的数学模型应变关系的数学模型u=0.00380=0.002ocfcc0.15fcu=0.00350=0.002ocfcc美国美国Hognestad模模型型德国德国Rsch模型模型二、混凝土的强度和变形 4.混凝土的变形性能单轴受压时的单轴受压时的应力应力-应变关系的数学模型应变关系的数学模型中国规

18、中国规范范u0ocfcc二、混凝土的强度和变形 4.混凝土的变形性能侧向受侧向受约束时混凝土的变形特点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环箍断裂二、混凝土的强度和变形 4.混凝土的变形性能轴向受拉时混凝土的应力应变关系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！二、混凝土的强度和变形 4.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

19、形性能pe包络线与一次性加载时的应力-应变曲线相似二、混凝土的强度和变形 4.混凝土的变形性能混凝土的弹性模量混凝土的弹性模量ccccep01原点切线模量（弹性模量）：拉压相同原点切线模量（弹性模量）：拉压相同变形模量（割线模量、弹塑性模量）变形模量（割线模量、弹塑性模量）切线模量切线模量受压时，为0.41.0；受拉破坏时，为1.0二、混凝土的强度和变形 4.混凝土的变形性能混凝土的弹性模量的试验方法（混凝土的弹性模量的试验方法（150150 300标准试件标准试件）c/fcc0.5510次此线和原点切线基本平行，取其斜率作为Ec二、混凝土的强度和变形 4.混凝土的变形性能混凝土的泊松比和剪切

20、模量混凝土的泊松比和剪切模量混凝土的泊松比，在压力较小时为混凝土的泊松比，在压力较小时为0.150.18，接近破坏时可达，接近破坏时可达0.5以上，以上，一般可取一般可取0.2混凝土的剪切模量为混凝土的剪切模量为二、混凝土的强度和变形 4.混凝土的变形性能长期荷载作用下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徐变0.51.01.52.02.505101520253035(10-3)(月)c0.5fc，线性徐变c0.8fc，非线性徐变creeecrP原因之一，胶凝体原因之一，胶凝体的粘性流动的粘性流动原因之二，混凝土原因之二，混凝土内部微裂缝的不断发内部微裂缝的不断发展展二、混凝土的强

21、度和变形 4.混凝土的变形性能长期荷载作用下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影响徐变的因素应力：应力：c0.5fc，徐变变形与应力成正比徐变变形与应力成正比线性徐变线性徐变 0.5fc c0.8fc，造成混凝土破坏，不稳定造成混凝土破坏，不稳定加荷时加荷时混凝土的龄期，越早，徐变越大混凝土的龄期，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0.51.01.52.02.505101520253035(10-3)(月)c0.5fc，线性徐变c0.8fc，非线性徐变creeecr二、混凝土的强度和变

22、形 4.混凝土的变形性能混凝土的收缩混凝土的收缩结硬过程中混凝土体积缩小的性质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养护条件、制作方法、使用环境、体积与表面积的比值等二、混凝土的强度和变形 4.混凝土的变形性能徐变对混凝土结构的影响徐变对混凝土结构的影响PAsPAs s1c1Pc2As s2P拆去，钢筋受压混凝土受拉，可能会引起混凝土开裂徐变：徐变：s，c 二、混凝土的强度和变形 4.混凝土的变形性能收缩对混凝土结构的影响收缩对混凝土结构的影响AscAs s收缩：收缩：钢筋受压钢筋受压，混凝土受拉混凝土受拉As