第一章 混凝土结构用材料的性能

第一章混凝土结构用材料的性能湖南城市学院土木工程学院混凝土结构设计原理课程组混凝土结构用材料的性能教学内容：1、钢筋的主要力学性能2、混凝土的主要力学性能3、钢筋与混凝土的粘结教学重点：1、一次短期受压的混凝土的应力应变曲线及其说明2、软钢的应力应变曲线及其说明3、钢筋的强度和变形指标一、钢筋的强度和变形1.钢筋的成分、级别和品种按化学成分碳素钢（铁、碳、硅、锰、硫、磷等元素）低碳钢（含碳量0.25%）中碳钢（含碳量0.25~0.6%）高碳钢（含碳量0.6~1.4%）普通低合金钢（另加硅、锰、钛、钒、铬等）硅系；硅钒系硅钛系硅锰系硅铬系一、钢筋的强度和变形1.钢筋的成分、级别和品种按加工钢筋★热轧钢筋：热轧光面钢筋HPB235（R235），热轧带肋钢筋HRB335、HRB400，余热处理钢筋RRB400（KL400），新规范：HRB335、HRBF335、HRB400、HRB500、HRBF400、HRBF500、HPB300、RRB400冷拉钢筋：由热轧钢筋在常温下用机械拉伸而成热处理钢筋：将HRB400、RRB400钢筋通过加热、淬火、回火而成一、钢筋的强度和变形1.钢筋的成分、级别和品种钢丝碳素钢丝：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：六根相同直径的钢丝成螺旋状铰绕在一起冷拔低碳钢丝：由低碳钢冷拔而成按加工一、钢筋的强度和变形1.钢筋的成分、级别和品种按表面形状:光圆钢筋变形钢筋钢筋的应用范围●非预应力钢筋：HPB235，HRB335，HRB400，RRB400●预应力钢筋：碳素钢丝，刻痕钢丝，钢绞线，热处理钢筋，冷拉钢筋图1-1钢筋的形式一、钢筋的强度和变形★2.钢筋的应力-应变曲线AB’BCDE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标距硬钢：有明显流幅的钢筋软钢：无明显流幅的钢筋钢筋受压和受拉时的应力-应变曲线几乎相同一、钢筋的强度和变形2.钢筋的应力-应变曲线★强度指标*硬钢：屈服强度、极限强度*软钢：极限强度、条件屈服强度或名义屈服强度•残余应变为0.2%时所对应的应力作为条件屈服强度图1-2（a）软钢的应力应变图一、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*冷弯要求：将直径为d的钢筋绕直径为D（弯心直径）的钢辊弯成一定的角度（冷弯角度）而不发生断裂或钢筋表面无起层、裂纹。%100lll国内对应变量测标距规定取，相应的伸长率为ddl105和105和图1-4钢筋冷拔示意一、钢筋的强度和变形3.钢筋的冷加工和热处理冷拉BKZZ’K’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温度的影响：温度达700ºC时恢复到冷拉前的状态，先焊后拉★特性：只提高抗拉强度，不提高抗压强度，强度提高，塑性下降一、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•塑性要求：伸长率和冷弯要求•可焊性•与混凝土的粘结性二、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立方体抗压强度fcu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：150×150×150非标准试块：100×100×100换算系数0.95200×200×200换算系数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级有：•C15，C20，C25，C30，C35，C40，C45，C50，C55，C60，C65，C70，C75，C80Concrete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棱柱体抗压强度fc承压板试块标准试块：150×150×300非标准试块：100×100×300换算系数0.95200×200×400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（d=150,h=300），有fc’=0.79fcu圆柱体抗压强度二、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ft100100150150500•试验结果：ft=0.26fcu2/3•考虑到构件和试件的区别，尺寸效应，加荷速度等的影响，取ft=0.23fcu2/3二、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验ftsdlFfts2ddftsFFFF•我国根据100mm立方体的劈裂与抗压试验结果有：•fts=0.19fcu3/4二、混凝土的强度和变形2.复合受力状态下混凝土的抗拉强度双轴应力下的强度1.01.01.21.2-0.2-0.22/fc1/fc拉压/fc/fc0.20.1-0.10.00.61.0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.混凝土的疲劳强度破坏重复荷载下的应力-应变曲线fcf321疲劳强度fc•fcf的确定原则：100×100×300或150×150×450的棱柱体试块承受200万次（或以上）循环荷载时发生破坏的最大压应力值二、混凝土的强度和变形4.混凝土的变形性能(MPa)fco0(10-3)abcd225201510546810混凝土强度提高加载速度减慢单轴受压时的应力-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应力-应变关系的数学模型----中国规范u0ocfccncccf01122),50(6012nnfncu时，取当5010505.0002.0cuf510500033.0cuuf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ccccep01原点切线模量（弹性模量）：拉压相同ecctgE/0变形模量（割线模量、弹塑性模量）ccctgE/'1切线模量cccddtgE''cccecEEE'受压时，为0.4~1.0；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（150×150×300标准试件）c/fcc0.55~10次此线和原点切线基本平行，取其斜率作为Ec)/(74.342.21025mmNfEcuc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模量•混凝土的泊松比，在压力较小时为0.15~0.18，接近破坏时可达0.5以上，一般可取0.2•混凝土的剪切模量为)1(2cccEG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----徐变0.51.01.52.02.505101520253035(×10-3)(月)c0.5fc，线性徐变c0.8fc，非线性徐变cree’e’’cr’P•原因之一，胶凝体的粘性流动•原因之二，混凝土内部微裂缝的不断发展二、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----影响徐变的因素•应力：c0.5fc，徐变变形与应力成正比----线性徐变0.5fcc0.8fc，非线性徐变c0.8fc，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•水泥用量越多，水灰比越大，徐变越大•骨料越硬，徐变越小二、混凝土的强度和变形4.混凝土的变形性能★混凝土的收缩----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•养护条件、制作方法、使用环境、体积与表面积的比值等三、粘结作用与粘结机理★1.粘结机理变形钢筋粘附力摩擦力机械咬合力主要作用三、粘结作用与粘结机理2.粘结破坏形态光圆钢筋钢筋拔出三、粘结作用与粘结机理4.粘结破坏形态变形钢筋纵向分量径向分量构件纵向开裂三、粘结作用与粘结机理4.粘结破坏形态变形钢筋纵向分量径向分量混凝土撕裂混凝土局部挤碎刮出式破坏三、钢筋与混凝土间粘结强度lTu一般用拔出试验测出钢筋与混凝土间的平均粘结强度lTsuu钢筋周长埋置长度拔出拉力影响因素混凝土强度浇注位置（水平浇注、竖向浇注）钢筋的外形特征保护层厚度和钢筋的净距四、锚固、搭接长度dffltyala基本锚固长度（GB50010）：锚固钢筋的外形系数，见教材表9-1对不同的情况还要作修正对上式作修正可得搭接长度dlll作业一、单选题1．与素混凝土梁相比，钢筋混凝上梁承载能力（）。A.相同；B.提高许多；C.有所提高；2．与素混凝土梁相比，钢筋混凝土梁抵抗开裂的能力（）。A.提高不多；B.提高许多；C.完全相同；3．与素混凝土梁相比，适量配筋的钢混凝土梁的承载力和抵抗开裂的能力（）。A.均提高很多；B.承载力提高很多，抗裂提高不多；C.抗裂提高很多，承载力提高不多；D.均提高不多；4．钢筋混凝土梁在正常使用荷载下（）。A．通常是带裂缝工作的；B．一旦出现裂缝，裂缝贯通全截面；C．一旦出现裂缝，沿全长混凝土与钢筋间的粘结力丧尽；5．钢筋与混凝土能共同工作的主要原因是（）。A.防火、防锈；B.混凝土对钢筋的握裹及保护；C.混凝土对钢筋的握裹，两者线膨胀系数接近；作业一、单选题6．混凝土若处于三向应力作用下，当（D）。A.横向受拉，纵向受压，可提高抗压强度；B.横向受压，纵向受拉，可提高抗压强度；C.三向受压会降低抗压强度；D.三向受压能提高抗压强度；7．混凝土的弹性模量是指（A）。A.原点弹性模量；B.切线模量；C.割线模量；D.变形模量；8．规范规定的受拉钢筋锚固长度为（C）。A．随混凝土强度等级的提高而增大；B．随钢筋等级提高而降低；C．随混凝土等级提高而减少，随钢筋等级提高而增大；D．随混凝土及钢筋等级提高而减小；9．属于有明显屈服点的钢筋有（A）。A．冷拉钢筋；B．钢丝；C．热处理钢筋；D．钢绞线；10．钢材的含碳量越低，则（B）。A．屈服台阶越短，伸长率也越短，塑性越差；B．屈服台阶越长，伸长率越大，塑性越好；C．强度越高，塑性越好；D．强度越低，塑性越差；作业一、单选题11．钢筋的屈服强度是指（）。A.比例极限；B.弹性极限；C.屈服上限；D.屈服下限；12．能同时提高钢筋的抗拉和抗压强度的冷加工方法是（）。A.冷拉；B.冷拔；C.冷拉、冷拔均可13．规范确定所用试块的边长是（）。A．150mm；B．200mm；C．100mm；D．250mm；14．边长为100mm的非标准立方体试块的强度换算成标准试块的强度，则需乘以换算系数（）。A．1.05；B．1.0；C．0.95；D．0.90；15．指的是混凝土的（）。弹性模量；割线模量；切线模量；原点切线模量；16.混凝土强度等级是由（）确定的。A.B.C.17.混凝土强度等级由150mm立方体抗压试验，按（）确定。A.B.C.D.kcuf,ckftkffcu645.1fcu2fcufcu作业二、判断题1．混凝土立方体试块的尺寸越大，强度越高。（）2．混凝土在三向压力作用下的强度可以提高。（）3．钢筋受压时的屈服强度与受拉时基本相同。（）4．钢筋经冷拉后，强度和塑性均可提高。（）5．冷拉钢筋不宜用作受压钢