第二章 钢筋混凝土材料的力学性能

钢筋和混凝土的力学性能第二章混凝土结构设计原理DesignofReinforcedConcreteStructures重庆科创学院钢筋和混凝土的力学性能第二章第二章钢筋混凝土材料的力学性能钢筋和混凝土的力学性能第二章1.钢筋的力学性质。2.立方体抗压强度是怎样确定的。3.影响混凝土抗压强度的因素有那些。4.混凝土收缩与徐变有什么区别和联系。本章重点钢筋和混凝土的力学性能第二章§2.1钢筋SteelReinforcement2.1.1钢筋的品种与性能热轧钢筋、中高强钢丝和钢绞线、热处理钢筋和冷加工钢筋钢筋和混凝土的力学性能第二章D—公称直径A—3股钢绞线量测尺寸钢绞线图2-1常用钢筋形式刻痕钢丝螺旋肋钢丝钢筋和混凝土的力学性能第二章热轧钢筋的分类HPB235级、HRB335级、HRB400级、RRB400级屈服强度fyk（即具有不小于95%保证率）HPB235级：fyk=235N/mm2HRB335级：fyk=335N/mm2HRB400级、RRB400级：fyk=400N/mm2钢筋和混凝土的力学性能第二章HPB235级(Ⅰ级)钢筋多为光面钢筋，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级钢筋作箍筋以增强与混凝土的粘结，外形制作成月牙肋或等高肋的变形钢筋。RRB400级(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。钢筋和混凝土的力学性能第二章钢丝，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。钢筋和混凝土的力学性能第二章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。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。钢筋和混凝土的力学性能第二章•Ose2.1.2钢筋的强度与变形◆有明显屈服点的钢筋a’abcdefua´为比例极限oa为弹性阶段de为强化阶段b为屈服上限c为屈服下限，即屈服强度fybd为屈服台阶e为极限抗拉强度fufyfef为颈缩阶段钢筋和混凝土的力学性能第二章几个指标：屈服强度：是钢筋强度的设计依据，因为钢筋屈服后将发生很大的塑性变形，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：钢筋拉断后的伸长值与原长的比率，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屈强比：反映钢筋的强度储备，fy/fu=0.6~0.7。se残余变形er弹性变形ee钢筋和混凝土的力学性能第二章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1.95×105钢筋和混凝土的力学性能第二章◆无明显屈服点的钢筋a0.2%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=0.85fu钢筋和混凝土的力学性能第二章冷弯性能：弯心直径冷弯角度2.2冷弯是将直径为d的钢筋绕直径为D的钢辊，弯成一定的角度而不发生断裂，就表示合格。钢筋和混凝土的力学性能第二章2.3钢筋的接头形式钢筋和混凝土的力学性能第二章A.热处理钢筋热处理钢筋是由强度大致相当于IV级的某种特定钢号钢筋经淬火和回火处理后制成。3.热处理钢筋和冷加工钢筋钢筋和混凝土的力学性能第二章B.冷加工钢筋•冷加工的方法：冷拉、冷拔、冷轧。•冷加工的目的：改变钢材内部结构，提高钢材强度，节约钢筋。•冷加工对钢材性能的影响。钢筋和混凝土的力学性能第二章冷拉是指把有明显屈服点的钢筋用卷扬机或其他拉伸装置逐根拉到到其应力超过原有的屈服强度，使之进入应力-应变的强化段，然后卸掉全部拉力，使钢筋应力重新恢复到零，并停留一段时间。冷拉只能提高钢筋的抗拉强度。a.冷拉钢筋和混凝土的力学性能第二章o冷拉控制应力s(N/mm2)e冷拉率残余变形o'abcc'd'd冷拉无时效冷拉经时效钢筋和混凝土的力学性能第二章可采用控制应力和和控制冷拉率两种方法。冷拉后可提高钢材的抗拉强度，但其屈服台阶变短。冷拉时应力值必须超过钢筋的屈服强度。时效硬化。钢筋和混凝土的力学性能第二章冷拔是用强力把光圆钢筋通过比其本身直径稍小的、硬质合金模上的锥形拔丝孔，使钢筋产生变形，横截面减小，长度增大。冷拔可以同时提高钢筋的抗拉强度和抗压强度b.冷拔钢筋和混凝土的力学性能第二章冷拔可同时提高钢材的抗拉和抗压强度。塑性降低很多。d1d2Pd2d1钢筋和混凝土的力学性能第二章1）强度：要求钢筋有足够的强度和适宜的强屈比(极限强度与屈服强度的比值)。例如，对抗震等级为一、二级的框架结构，其纵向受力钢筋的实际强屈比不应小于1.25。2）塑性：要求钢筋应有足够的变形能力。3）可焊性：要求钢筋焊接后不产生裂缝和过大的变形，焊接接头性能良好。4）与混凝土的粘结力：要求钢筋与混凝土之间有足够的粘结力，以保证两者共同工作。2.1.3混凝土结构对钢筋性能的要求钢筋和混凝土的力学性能第二章（1）钢材的常用直径：钢丝：4、5(mm)钢筋：6,8,10,12,14,16,18,20,22,25,28,30,322.1.4钢筋的选用原则钢筋和混凝土的力学性能第二章（2）钢筋混凝土结构及预应力混凝土结构的钢筋选用原则：1.宜优先选用HRB400级和HRB335级钢筋，以节省钢筋用量.2.预应力混凝土宜采用预应力钢绞丝，中高强钢丝，也可采用热处理钢筋。钢筋和混凝土的力学性能第二章一、蠕变钢筋在高应力作用下，随时间增长其应变继续增加的现象。二、松弛钢筋受力后，若保持长度不变，则其应变随时间增长而降低的现象。三、钢筋的疲劳钢筋在承受重复、周期动荷载作用下，经过一定次数后，从塑性破坏的性质转变成脆性破坏突然断裂的现象。钢筋在疲劳破坏时的强度低于钢筋在静荷载下的极限强度。1.1.4钢筋的蠕变、松弛和疲劳钢筋和混凝土的力学性能第二章2.2.1混凝土的组成结构普通砼是由水泥、石、砂、水按一定的配合比拌制，经过凝固硬化后做成的人工石材。§2.2混凝土钢筋和混凝土的力学性能第二章通常把混凝土的结构分为三种类型：Ａ.微观结构：也即水泥石结构，包括水泥凝胶、晶体骨架、未化完的水泥颗粒和凝胶孔组。Ｂ.亚微观结构：即混凝土中的水泥砂浆结构。Ｃ.宏观结构：即砂浆和粗骨料两组分体系。注意：1.骨料的分布及骨料与基相之间在界面的结合强度是影响混凝土强度的重要因素；2.在荷载的作用下，微裂缝的扩展对混凝土的力学性能有着极为重要的影响。钢筋和混凝土的力学性能第二章2.1.2单轴应力状态下的混凝土强度混凝土结构中，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抗压强度来划分的（1）单向受力状态下混凝土的强度1）立方体抗压强度：边长为150mm的混凝土立方体试件，在标准条件下（温度为20±3℃，湿度≥90%）养护28天，用标准试验方法（加载速度0.15~0.3N/mm2/s，两端不涂润滑剂）测得的具有95%保证率的抗压强度，用符号表示。单位CUf2/mmN钢筋和混凝土的力学性能第二章)645.1.ffkcufs之间关系为：与平均值fkcuf.常用等级：C15,C20,C25,C30,C35,C40,C45,C50,C55,C60，C65,C70,C75,C80.《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。钢筋和混凝土的力学性能第二章影响立方体强度的因素：试件尺寸、温度、湿度、试验方法。由于尺寸效应的影响：fcu(150)=0.95fcu(100)fcu(150)=1.05fcu(200)fcu,k立方体强度标准值即为混凝土强度等级fcu。钢筋和混凝土的力学性能第二章2、轴心抗压强度fck轴心抗压强度由棱柱体试件测得的抗压强度确定。按标准方法制作的150mm×l50mm×300mm的棱柱体试件，在温度为20土3℃和相对湿度为90％以上的条件下养护28d，用标准试验方法测得的具有95％保证率的抗压强度。对于同一混凝土，棱柱体抗压强度小于立方体抗压强度。钢筋和混凝土的力学性能第二章考虑到实际结构构件制作、养护和受力情况，实际构件强度与试件强度之间存在差异，《规范》基于安全取偏低值，规定轴心抗压强度标准值和立方体抗压强度标准值的换算关系为：kcuckfkkf,2188.0式中：k１为棱柱体强度与立方体强度之比，对不大于C50级的混凝土取0.76，对C80取0.82，其间按线性插值。k2为高强混凝土的脆性折减系数，对C40取1.0，对C80取0.87，中间按直线规律变化取值。0.88为考虑实际构件与试件混凝土强度之间的差异而取用的折减系数。钢筋和混凝土的力学性能第二章混凝土的抗拉强度比抗压强度小得多，为抗压强度。18191～混凝土的抗拉强度和抗压强度一样，都是混凝土的基本强度指标。2.2.2.混凝土的轴心抗拉强度ft钢筋和混凝土的力学性能第二章直接测试方法间接测试方法(弯折，劈裂)测定混凝土抗拉强度的方法劈拉试验FaF拉压压22aFfsp钢筋和混凝土的力学性能第二章混凝土轴心抗拉强度与立方体抗压强度的关系钢筋和混凝土的力学性能第二章45.055.0.2.)645.11(395.088.0kcutkkcutkffff之间的折算关系为：值与立方体强度的标准抗拉强度标准值立方体抗压强度变异系数钢筋和混凝土的力学性能第二章在混凝土结构中，混凝土很少处于理想的单向应力状态，而往往处于复合应力状态，如双向应力状态或三向应力状态。由于混凝土的特点，在复合应力状态下的强度，目前，仍只是借助有限的试验资料，推荐一些近似方法作为计算的依据。3复合应力状态下混凝土强度钢筋和混凝土的力学性能第二章•在平面应力状态下，当两方向应力均为压应力时，抗压强度相互提高，最大可增加27％，而当一方向为压应力，另一方向为拉应力时，强度相互降低。•当压应力不太高时，其存在可提高混凝土的抗剪强度，拉应力的存在会降低混凝土的抗剪强度。剪应力的存在降低混凝土的抗压和抗拉强度。•钢筋和混凝土的力学性能第二章（1）双向正应力作用(如图)s1,s2(压－压)强度增加s1,s2(拉－压)强度降低s1,s2(拉－拉)强度基本不变钢筋和混凝土的力学性能第二章6.04.02.00.12.18.04.02.06.08.00.12.12s1s1s2sc2/fsc1/fsc227.1fs1c22ssc1c25.12fssc127.1maxfsc15.0fs01.0钢筋和混凝土的力学性能第二章（2）正应力和剪应力作用（如图）抗剪强度一般随拉应力的增加而减小，随压应力的增加而增大，但当压应力大于（0.5~0.7）fc时，抗剪强度反而随压应力的增加而减小。0.61.00-0.10.2σ/fcτ/fc钢筋和混凝土的力学性能第二章（3）三轴受压：(如图)2cc1.4:sffc抗压强度提高工程应用：约束混凝土钢管砼密配螺旋箍筋200