混凝土结构设计原理课件第2章钢筋和混凝土材料的基本性能.

本章主要内容钢筋的材料性能混凝土的材料性能混凝土与钢筋的粘结本章提要★材料性能（物理力学性能）钢筋的强度、变形性能混凝土的强度、变形性能钢筋与混凝土之间的粘结-滑移性能★重点混凝土的强度、变形性能★本章在本课程中的作用后续各章的基础钢筋的成分、级别和种类钢筋的强度和变形性能（重点）钢筋的冷加工混凝土结构对钢筋性能的要求主要成分：铁其他成分：碳、锰、硅、磷、硫等碳素钢：低碳钢（含碳量＜0.25%）；中碳钢（0.25%~0.6%）高碳钢（0.6%~1.4%）。含碳量高，强度高，塑性和可焊性降低锰、硅：可提高钢材强度，保持一定的塑性低合金钢：在钢材中加入少量的合金元素（锰、硅、钒、钛、铬等），强度高、韧性好细晶粒热轧带肋钢筋：不添加或添加很少的合金元素，通过控制轧钢的温度形成细晶粒的金相组织，达到与添加合金元素相同的效果，其强度和变形能力满足要求。ykf2.1.1钢筋的品种和级别2.1.1钢筋的品种和级别钢筋混凝土结构中的钢筋普通钢筋预应力筋热轧钢筋钢绞线消除应力钢丝预应力螺纹钢筋低碳钢普通低合金钢或细晶粒钢混凝土结构中的钢筋HRB335HRB400RRB400HPB300HRB500HRBF335HRBF400HRBF500HPB300HRB335HRB400RRB400热轧钢筋的符号说明hotrolledplainbarfyk=300N/mm2hotrolledribbedbarfyk=335N/mm2hotrolledribbedbarfyk=400N/mm2remainedheattreatmentribbedbarfyk=400N/mm22.1.1钢筋的品种和级别钢筋混凝土中的纵向受力钢筋宜采用400、500的热轧钢筋，也可用300、335的热轧钢筋；RRB400钢筋的可焊性、机械连接性能和施工适用性有所降低，可用于对延性和加工性能要求不高的构件中，不宜用作重要部位的受力钢筋，不应用于直接承受疲劳荷载的构件。2.1.1钢筋的品种和级别热轧钢筋的外形光圆钢筋螺纹钢筋人字纹钢筋月牙纹钢筋2.1.1钢筋的品种和级别2.1.1钢筋的品种和级别预应力钢筋外形普通钢筋一般为软刚；预应力筋一般为硬钢。从受力性能分：软钢；硬钢2.1.1钢筋的品种和级别2.1.2钢筋的强度和变形性能钢筋的应力－应变曲线（有明显流幅的钢筋,软钢）Oufyf比例极限弹性极限屈服上限屈服下限屈服平台强化阶段颈缩阶段钢筋的两个强度指标:屈服强度和极限强度屈服强度作为钢筋设计强度取值依据0弹性模量钢筋的应力－应变曲线（无明显流幅的钢筋,硬钢）比例极限σaa极限强度σbbc条件屈服强度σ0.20.75ab0.20.85b0.2%Oσ2.1.2钢筋的强度和变形性能硬钢只有极限强度，没有屈服强度；条件屈服强度：取残余应变为0.2%所对应的应力2.1.2钢筋的强度和变形性能钢筋的弹性模量Oufyf钢筋的弹性模量根据拉伸试验中弹性阶段的应力—应变曲线确定，由于钢筋在弹性阶段的受压和受拉性能相同，故取受拉弹性模量等于受压弹性模量。00tanE钢筋的塑性性能钢筋的两个塑性指标:延伸率(最大力下的总伸长率)和冷弯性能dl0=5,10dl05,100100%lll延伸率试验冷弯试验Ｄoo90,1801,2,3ddDd2.1.2钢筋的强度和变形性能Totalelongationatmaximumforce测量区是残余变形吗？b0残余变形r弹性变形e最大力下总伸长率(%)0bgt0s()100%LLLEb0残余变形r弹性变形e最大力下总伸长率(%)最大力下的总伸长率最大力下的总伸长率普通钢筋及预应力筋在最大力下的总伸长率δgt应不应小于下表规定的数值：0bgt0s()100%LLLE钢筋的冷弯性能冷弯试验Ｄoo90,1801,2,3ddDd2.1.2钢筋的强度和变形性能为了使钢筋在使用时不会脆断，加工时不致断裂，钢筋应具有一定的冷弯性能。该性能由冷弯试验确定，要求弯曲后钢筋应无裂纹、鳞落或断裂现象。2.1.2钢筋的强度和变形性能★软钢与硬钢的区别软钢：有明显的屈服平台；屈服强度，极限强度硬钢：无屈服平台，只有极限强度；规定“条件屈服强度”★设计取值依据屈服强度（软钢）；条件屈服强度（硬钢）★钢筋的屈强比=屈服强度/极限强度≤0.8★钢筋的延性（ductility）钢筋在强度无显著降低情况下抵抗变形的能力（屈服后的变形能力）。软刚延性好，硬钢延性较差。★弹性模量：弹性极限以下应力-应变曲线的斜率钢筋的疲劳性能吊车梁、铁路或公路桥梁、枕轨、海洋石油平台等往往承受周期性的重复荷载作用。往往引起疲劳破坏。2.1.2钢筋的强度和变形性能原因：疲劳断裂是由于钢筋内部的缺陷造成的，这些缺陷一方面引起局部应力集中，另一方面在重复荷载作用下，裂缝时而闭合时而张开，使裂痕逐渐发展，最终导致断裂。疲劳破坏：钢材在重复、周期动荷载作用下，经过一定次数后，钢材发生脆性的突然断裂破坏，而不是单调加载时的塑性破坏，这种破坏称为疲劳破坏。疲劳强度：是指在某一规定应力变化范围内，经受一定次数的循环荷载以后，才发生破坏的最大应力值。用表示。fyf钢筋的疲劳性能2.1.2钢筋的强度和变形性能对疲劳性能的确定，新老规范有较大差异影响因素：应力变化幅值、最小应力、钢筋表面几何形状、钢筋直径、钢筋种类、轧制工艺和试验方法，最主要的是应力变化幅值，用表示。fyfmaxmin=fffyf钢筋的疲劳性能2.1.2钢筋的强度和变形性能疲劳应力比值ρffyfHRB3350≤ρf0.11750.1≤ρf0.21850.2≤ρf0.32000.3≤ρf0.42100.4≤ρf0.52250.5≤ρf0.62350.6≤ρf0.72500.7≤ρf0.82600.8≤ρf0.9275老规范GBJ10-89：在200万次重复荷载条件下，根据疲劳应力比值，确定钢筋的疲劳强度。minmax=/fff优点：直观，方便，易懂。Pf小代表应力变化范围大。破坏显著！钢筋的疲劳性能2.1.2钢筋的强度和变形性能疲劳应力比值ρffyfΔfyfHRB335HRB3350≤ρf0.11751750.1≤ρf0.21851620.2≤ρf0.32001540.3≤ρf0.42101440.4≤ρf0.52251310.5≤ρf0.62351150.6≤ρf0.7250970.7≤ρf0.8260770.8≤ρf0.927554新规范GB50010-2010：在200万次重复荷载条件下，根据疲劳应力比值，确定钢筋的疲劳应力幅限值。fyff变化：1.用应力幅限值代替疲劳强度；2.应力幅限值根据原规范的疲劳强度设计值用校准法反算得出；3.不直观，不方便，不易懂。minmax=/fff2.1.3钢筋的冷加工冷拉冷拉是在常温下用机械方法将有明显流幅的钢筋拉到超过屈服强度即强化阶段中的某一应力值，然后卸载至零。冷拉强化：冷拉控制应力必须超过屈服点，进入强化阶段。屈服强度提高，屈服平台消失，极限强度未提高，延性降低冷拉时效：钢筋经首次冷拉后，在自然条件下一段时间后进行第二次张拉，屈服强度和极限强度均提高，且恢复屈服台阶。只能提高抗拉强度，抗压屈服强度将降低。2.1.3钢筋的冷加工冷拔•冷拔一般是将6的HPB235热轧钢筋强行拔过小于其直径的硬质合金拔丝模具。•可同时提高抗拉和抗压强度。•冷加工目的是节约钢材和扩大钢筋的应用范围。《混凝土结构设计规范》不提倡冷拉钢筋，已取消冷拉钢筋.2.1.3钢筋的冷加工2.1.4混凝土结构对钢筋性能的要求适当的屈强比≤0.8足够的塑性最大力下的总伸长率HPB300：不小于10.0%；HRB400~HRB500:不小于7.5%RRB400：不小于5%；预应力筋：不小于3.5%可焊性耐久性与耐火性与混凝土具有良好的粘结抗低温性能混凝土的强度混凝土的变形性能★简单受力状态下混凝土的强度立方体抗压强度(uniaxialcompressivecubestrength)轴心抗压强度(uniaxialcompressivestrength)轴心抗拉强度(uniaxialtensilestrength)★复杂受力状态下混凝土的强度双轴受力强度三轴受力强度剪压及剪拉强度2.2.1混凝土的强度简单受力状态下混凝土的强度立方体抗压强度混凝土受压破坏机理•骨料之间的微裂缝是内因•纵向受压破坏是横向拉裂造成的。骨料之间的微裂缝2.2.1混凝土的强度影响因素分析材料组成：最主要因素，在材料组成一定时，还有下列因素试件尺寸：尺寸大，内部缺陷相对较多，端部摩擦力影响相对较小，强度低这个理由不太好！加载速度：加载速度快，微裂缝不能充分扩展，强度高试验条件：试件上、下表面不涂油，横向变形受到约束，强度高龄期：龄期长，试件强度高2.2.1混凝土的强度混凝土立方体抗压强度试验方法边长为150mm的标准立方体试块、在标准条件下养护28d或设计规定龄期后，以标准试验方法测得的破坏时的平均压应力为混凝土的立方体抗压强度。注：对掺加粉煤灰等时，规定龄期为60、90天等。立方体抗压强度标准值fcu,k按上述规定所测得的具有95%保证率的抗压强度称为混凝土的立方体抗压强度标准值。混凝土强度等级《混凝土规范》规定：混凝土强度等级按立方体抗压强度标准值确定cucucucucu,kffff1.64511.645f2.2.1混凝土的强度混凝土强度等级的分级按fcu,k划分为14级，即C15~C80，级差5MPa。符号C35C：立方体(Cube)35：立方体抗压强度标准值，单位N/mm2当≤C50时，普通混凝土（normal-strengthconcrete）当＞C50时，高强混凝土（high-strengthconcrete）按C50配置的混凝土，其实测立方体抗压强度与50MPa是何关系？fcu,k是混凝土各种强度指标的基本代表值2.2.1混凝土的强度简单受力状态下混凝土的强度轴心抗压强度轴心（棱柱体）抗压强度fc•采用棱柱体试件，能够反映混凝土的实际工作状态。•我国取150×150×300mm为标准试件，按与立方体试验相同的规定所得的平均应力值，为fc。•棱柱体高度取值的原因：•摆脱端部摩擦力的影响•试件不致失稳立方体抗压强度与轴心抗压强度之间的关系120.88ccucffc棱柱体强度与立方体强度的比值混凝土考虑脆性的折减系数结构中混凝土与试件混凝土的强度差异修正系数2.2.1混凝土的强度棱柱体试件尺寸试件强度不受端部摩擦力和附加偏心距的影响。中间处于均匀受压状态。•解决问题的思路由已知求未知，由简单方法解决复杂问题•确定方法：对比试验/0.76~0.82ccuff2.2.1混凝土的强度轴心抗压强度试验值修正值:棱柱体强度与立方体强度之比值，C50及以下取=0.76，对C80取=0.82，中间按线性规律变化取值；为混凝土考虑脆性的折减系数，对C40取=1.00，对C80取=0.87，中间按线性规律变化取值；0.88:考虑结构中混凝土强度与试件混凝土强度之间的差异而采取的修正系数。c1c20.88ccuffc1ccuff1c1c1c2c2c2c2.2.1混凝土的强度简单受力状态下混凝土的强度轴心抗拉强度轴心抗拉强度ft•混凝土的抗拉强度远低于抗压强度•对于普通混凝土，抗拉强度约1/17-1/8的抗压强度•对于高强混凝土，抗拉强度约1/24-1/20的抗压强度轴心抗拉强度的试验方法•直接受拉试验•劈裂试验•弯折试验2.2.1混凝土的强度简单受力状态下混凝土的强度轴心抗拉强度直接受拉试验150150500100100轴心抗拉强度与立方体抗压强度平均值之间的关系0.550.395tfcuf直接受拉试验得到的关