01材料力学性能

1第一章钢筋和混凝土的材料性能1.1钢筋1.1钢筋SteelReinforcement一、钢筋的应力-应变关系◆有明显屈服点的钢筋Steelbarwithyieldpointa’为比例极限proportionallimits=Esea为弹性极限elasticlimitb为屈服上限upperyieldstrengthc为屈服下限，即屈服强度fyloweryieldstrengthcd为屈服台阶yieldplateaude为强化段strainhardeningstagee为极限抗拉强度fuultimatetensilestrengthsea’acdefufyfb第一章钢筋和混凝土材料的力学性能2第一章钢筋和混凝土的材料性能1.1钢筋几个指标：屈服强度yieldstrength：是钢筋强度的设计依据，因为钢筋屈服后将很大的塑性变形，且卸载时这部分变形不可恢复，这会使钢筋混凝土构件产生很大的变形和不可闭合的裂缝。屈服上限与加载速度有关，不太稳定，一般取屈服下限作为屈服强度。延伸率elongationrate：钢筋拉断时的应变，是反映钢筋塑性性能的指标。延伸率大的钢筋，在拉断前有足够预兆，延性较好0010or5lllse残余变形er弹性变形ee均匀延伸率gt对应最大应力时应变，包括了残余应变和弹性应变，反映了钢筋真实的变形能力(≥2.5%)屈强比反映钢筋的强度储备，fy/fu=0.6~0.7。3第一章钢筋和混凝土的材料性能1.1钢筋有明显屈服点钢筋的应力-应变关系一般可采用双线性的理想弹塑性关系yyysfEeeseeesfyey1Es钢筋的弹性模量(N/mm2)种类EsHPB235级钢筋2.1×105HRB335级钢筋、HRB400级钢筋、RRB400级钢筋、热处理钢筋2.0×105消除应力钢丝、螺旋肋钢丝、刻痕钢丝2.05×105钢绞线1.95×1054第一章钢筋和混凝土的材料性能1.1钢筋◆无明显屈服点的钢筋Steelbarwithoutyieldpointa0.2%s0.2fua点：比例极限，约为0.65fua点前：应力-应变关系为线弹性a点后：应力-应变关系为非线性，有一定塑性变形，且没有明显的屈服点强度设计指标——条件屈服点残余应变为0.2%所对应的应力《规范》取s0.2=0.85fu5第一章钢筋和混凝土的材料性能1.1钢筋二、钢筋的品种成分碳素钢：除含铁元素外还有少量碳、硅、锰、硫、磷等元素低碳钢（含碳量〈0.25%）中碳钢（含碳量为0.25～0.6%）高碳钢（含碳量为0.6～1.4%）普通低合金钢：在碳素钢基础上加入少量合金元素(钛、钒等)砼结构对钢筋的要求强度、塑性、可焊性、与砼有足够粘结力、严寒地区有低温性能。钢筋的类型柔性钢筋钢筋：光面和带肋钢筋两种钢丝：直径在5mm以内劲性钢筋用于砼中的型钢6第一章钢筋和混凝土的材料性能1.1钢筋钢筋的品种热轧钢筋、中高强钢丝和钢绞线、热处理钢筋和冷加工钢筋常用钢筋形式D—公称直径A—3股钢绞线量测尺寸钢绞线刻痕钢丝螺旋肋钢丝7第一章钢筋和混凝土的材料性能1.1钢筋8第一章钢筋和混凝土的材料性能1.1钢筋热轧钢筋HotRolledSteelReinforcingBarHPB235级、HRB335级、HRB400级、RRB400级HPBHotrolledPlainBarHRBHotrolledRolledBarRRBRolledRibbedBar屈服强度fyk（标准值=钢材废品限值，保证率97.73%）HPB235级：fyk=235N/mm2HRB335级：fyk=335N/mm2HRB400级、RRB400级：fyk=400N/mm29第一章钢筋和混凝土的材料性能1.1钢筋HPB235级(Ⅰ级)钢筋多为光面钢筋（PlainBar），多作为现浇楼板的受力钢筋和箍筋HRB335级(Ⅱ级)和HRB400级(Ⅲ级)钢筋强度较高，多作为钢筋混凝土构件的受力钢筋，尺寸较大的构件，也有用Ⅱ级钢筋作箍筋的为增强与混凝土的粘结（Bond），外形制作成月牙肋或等高肋的变形钢筋（DeformedBar）。Ⅳ级钢筋强度太高，不适宜作为钢筋混凝土构件中的配筋，一般冷拉后作预应力筋延伸率d5=25、16、14、10%，直径8~40。10第一章钢筋和混凝土的材料性能1.1钢筋钢丝，中强钢丝的强度为800~1200MPa，高强钢丝、钢绞线的为1470~1860MPa；延伸率d10=6%，d100=3.5~4%；钢丝的直径3~9mm；外形有光面、刻痕和螺旋肋三种，另有二股、三股和七股钢绞线，外接圆直径9.5~15.2mm。中高强钢丝和钢绞线均用于预应力混凝土结构。热处理钢筋是将Ⅳ级钢筋通过加热、淬火和回火等调质工艺处理，使强度得到较大幅度的提高，而延伸率降低不多。用于预应力混凝土结构。冷加工钢筋是由热轧钢筋和盘条经冷拉、冷拔、冷轧、冷扭加工后而成。冷加工的目的是为了提高钢筋的强度，节约钢材。但经冷加工后，钢筋的延伸率降低。近年来，冷加工钢筋的品种很多，应根据专门规程使用。11第二章钢筋和混凝土的材料性能2.1钢筋冷拉:冷拉是将钢筋拉到超过钢筋屈服强度的某一应力值，以提高钢筋的抗拉强度，达到节约钢材的目的。冷拉只能提高钢筋的抗拉强度，塑性下降；应先焊接后冷拉；冷拉钢筋不宜用作为受压钢筋和承受冲击力或重复荷载及负温下的结构中。12第一章钢筋和混凝土的材料性能1.1钢筋冷拔：冷拔是将D6～D8的HPB235级钢筋，用强力从直径较小硬质合金拔丝模拔过，使它产生塑性变形，拔成较细直径的钢丝，以提高其强度的冷加工方法。冷拔可同时大幅提高抗拉和抗压强度，塑性也大幅降低，钢筋由软钢变为硬钢。13第一章钢筋和混凝土的材料性能1.1钢筋三、钢筋的强度标准值(CharacteristicorStandardStrength)按冶金钢材质量控制标准，钢筋的强度标准值是取其出厂时的废品限值，其数值相当于fy,m-3s，具有97.73%的保证率，满足《建筑结构设计统一标准》材料强度标准值保证率95%的要求。普通钢筋强度标准值（N/mm2）种类符号fykHPB235(Q235)235HRB335(20MnSi)335热轧钢筋HRB400(20MnSiV、20MnSiNb、20MnTi)RRB400(20MnSi)40014第一章钢筋和混凝土的材料性能1.1钢筋预应力钢筋强度标准值（N/mm2）种类fptk消除应力钢丝螺旋肋钢丝4~91470157016701770刻痕钢丝5、714701570二股d=10.0d=12.01720三股d=10.8d=12.91720钢绞线七股d=9.5d=11.1d=12.7d=15.21860186018601860，1820，1720热处理钢筋40Si2Mn(d=6)48Si2Mn(d=8.2)45Si2Cr(d=10)14701、钢绞线直径d系指钢绞线外接圆直径2、各种直径、钢丝、钢绞线的截面积见附录15第一章钢筋和混凝土的材料性能1.2混凝土1.2混凝土一、混凝土的强度1、立方体抗压强度混凝土结构中，主要是利用它的抗压强度。因此抗压强度是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立方体抗压强度来划分的混凝土强度等级：边长150mm立方体标准试件，在标准条件下（20±3℃，≥90%湿度）养护28天，用标准试验方法（加载速度0.15~0.3N/mm2/sec，两端不涂润滑剂）测得的具有95%保证率的立方体抗压强度。《规范》根据强度范围，从C15~C80共划分为14个强度等级，级差为5N/mm2。用符号C表示，C30表示fcu,k=30N/mm2不涂润滑剂16第一章钢筋和混凝土的材料性能1.2混凝土100mm立方体强度与标准立方体强度之间的换算关系100150cucuff小于C50的混凝土，修正系数=0.95。随混凝土强度的提高，修正系数值有所降低。当fcu100=100N/mm2时，换算系数约为0.9美国、日本、加拿大等国家，采用圆柱体（直径150mm，高300mm）标准试件测定的抗压强度来划分强度等级，符号记为fc'。圆柱体强度与我国标准立方体抗压强度的换算关系为，cucff)81.0~79.0(立方体和圆柱体抗压试验都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品质的标准（制作、测试方便）。17第一章钢筋和混凝土的材料性能1.2混凝土2、轴心抗压强度轴心抗压强度采用棱柱体试件测定，用符号fc表示，它比较接近实际构件中混凝土的受压情况。棱柱体试件高宽比一般为h/b=3~4，我国通常取150mm×150mm×450mm的棱柱体试件，也常用100×100×300试件。对于同一混凝土，棱柱体抗压强度小于立方体抗压强度。棱柱体抗压强度和立方体抗压强度的换算关系为，cucfkfcucucucffff76.0)002.066.0(《规范》对小于C50级的混凝土取k=0.76，对C80取k=0.82，其间按线性插值考虑结构中混凝土强度与混凝土试件强度的比值，还需乘以0.88；18第一章钢筋和混凝土的材料性能1.2混凝土3、轴心抗拉强度也是其基本力学性能，用符号ft表示。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。50015015010016轴心受拉试验0102030405060708090100123456ftfcuGBJ10-89规范轴心受拉强度与立方体强度间的换算关系55.0395.0cutff3/226.0cutff19第一章钢筋和混凝土的材料性能1.2混凝土劈拉试验PaP拉压压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22aPfsp4/319.0cuspff20第一章钢筋和混凝土的材料性能1.2混凝土4、混凝土强度的标准值《规范》规定材料强度的标准值fk应具有不小于95%的保证率)645.11(mkff立方体强度标准值即为混凝土强度等级fcu。《规范》在确定混凝土轴心抗压强度和轴心抗拉强度标准值时，假定它们的变异系数与立方体强度的变异系数相同，利用与立方体强度平均值的换算关系，便可按上式计算得到。同时，《规范》考虑到试件与实际结构的差异以及高强混凝土的脆性特征，对轴心抗压强度和轴心抗拉强度，还采用了以下两个折减系数：⑴结构中混凝土强度与混凝土试件强度的比值，取0.88；⑵脆性折减系数，对C40取1.0，对C80取0.87，中间按线性规律变化。21第一章钢筋和混凝土的材料性能1.2混凝土混凝土强度标准值（N/mm2）混凝土强度等级强度种类符号C15C20C25C30C35轴心抗压强度fck10.013.416.720.123.4轴心抗拉强度ftk1.271.541.782.012.20混凝土强度等级C40C45C50C55C60C65C70C75C8026.829.632.435.538.541.544.547.450.22.402.512.652.742.852.933.003.053.10[例]fcu=30MPa,=0.12,fcu,m=fcu/(1-1.645)fc,m=0.76fcu,mfc,k=fc,m(1-1.645)×0.88×1.0=0.76fcu×0.88×1.0=20.06MPa22第一章钢筋和混凝土的材料性能1.2混凝土混凝土破坏机理fcfcu?不涂润滑剂涂润滑剂≈23第一章钢筋和混凝土的材料性能1.2混凝土二、复杂应力下混凝土的受力性能◆双轴应力状态BiaxialStressState实际结构中，混凝土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。如剪力和扭矩作用下的构件、弯剪扭和压弯剪扭构件、混凝土拱坝、核电站安全壳等。双向受压强度大于单向受压强度，最大受压强度发生在两个压应力之比为0.3~0.6之间，约为(1.25~1.60)fc。双轴受压状态下混凝土的应力-应变关系与单轴受压曲线相似，但峰值应变均超过单轴受压时的峰值应变。24第一章钢筋和混凝土的材料性能1.2