钢筋和混凝土的物理力学性能

第2章钢筋和混凝土的物理力学性能2.2钢筋的物理力学性能2.3混凝土与钢筋的粘结2.1混凝土的物理力学性能§2.1混凝土的力学性能混凝土是由水泥、砂、石子和水等搅拌而成的人造石材，不是匀质弹性材料。一、混凝土的强度（单轴向）在钢筋混凝土结构中，混凝土主要用于抗压。1、混凝土的抗压强度(Gompression)（1)混凝土立方体抗压强度，和强度等级采用边长为150mm立方体试块，在温度20±3℃，湿度90%以上的潮湿空气中养护28天，依据标准试验方法对试件进行加压，测得的强度为立方体抗压强度具有95%保证率的抗压强度为混凝土的立方体抗压强度标准值，作为划分混凝土强度等级的依据。立方体抗立方体抗压强度fcu压强度fc立方体抗压强度fcuukcuf,cufkcuf,cuf《混凝土结构设计规范》根据混凝土立方体抗压强度将混凝土划分为14个强度等级：C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75、C80C15CCONCRETE15立方体抗压强度标准值为15N/mm2。若无边长为150mm的立方体试件，也可用边长为100mm或200mm的试件代替，但测得的强度应乘以相应的换算系数：100mm200mm×0.95×1.05立方体抗压强度fcu轴心抗压强度fc采用边长为150mm×150mm×300mm的棱柱体试件作为混凝土轴心抗压强度的标准试件，制作养护方法与立方体试件的方法相同。(2)、轴心抗压强度fcfcfcu棱柱体抗压强度平均值与立方体抗压强度平均值之间存在线性关系，比值大概在0.7~0.92之间。规范规定：轴心抗压强度标准值fck与立方体抗压强度标准值fcu,k之间的关系如下式：kcuccckff,2188.01c棱柱体强度与立方体强度之比，C50以下取0.76，C80取0.82,中间按线性插值。2c高强混凝土的脆性折减系数，C40以下取1.00，C80取0.87，中间线性插值。88.0考虑实际构件与试件混凝土之间的差异等，引入的修正系数。轴心抗拉强度ftTension轴心抗拉强度ft远远小于轴心抗压强度fc，一般只有5%~10%，且强度等级越高，这个比值越小。测定方法：轴心受拉试验500150150150150100100直径16-20mm压拉dlP2PPPPPdd劈裂试验2、d：立方体边长或圆柱体直径l：立方体边长或圆柱体长度P根据试验结果统计分析，取混凝土轴心抗拉强度试验平均值ft与立方体抗压强度试验平均值fcu的关系为：轴心抗拉强度ft55.0395.0cutff规范规定轴心抗拉强度标准值ftk与立方体抗压强度标准值fcu,k的关系为：245.055.0,)645.11(395.088.0ckcutkff2c高强混凝土的脆性折减系数，C40以下取1.00，C80取0.87，中间线性插值。88.0考虑实际构件与试件混凝土之间的差异等，引入的修正系数。混凝土强度变异系数。复合应力状态下的混凝土强度二、在钢筋混凝土结构中，混凝土一般处于复合应力状态。双向应力状态：σ1σ1σ2σ2当双向受压时，一向的抗压强度随另一向应力的增加而增加。当双向受拉时，一向的抗拉强度基本上与另一向拉应力大小无关。当一向受拉、一向受压时，混凝土的抗压强度随另一向拉应力的增加而降低。双向应力状态：σ2σ2ττ混凝土的抗压强度由于剪应力的存在而降低。混凝土的抗剪强度随着拉应力的增大而减小。混凝土的抗剪强度随着压应力的增大先增大后减小三向受压状态：三向受压时，混凝土一向抗压强度随另二向压应力的增加而增加，且混凝土的极限压应变也大大增加。三、混凝土的变形变形荷载作用下的变形非荷载作用下的变形短期一次荷载作用下的变形长期荷载作用下的变形热胀冷缩、湿胀干缩结硬时的收缩与膨胀1、混凝土在短期一次加载时的变形混凝土短期一次加载是指荷载从零开始单调增加至试件破坏，通常采用棱柱体试件来测定，其应力-应变关系是混凝土最基本的力学性能之一。从开始加载到A点（约为0.3fc）时，砼基本处于弹性状态，应力应变关系接近直线。随着应力的增大，砼出现塑性，应力在0.3fc~0.8fc(AB段)时，应变增长速度较应力快。超过B点，应变增长速度更快，试件中部出现平行于压力方向的裂缝，应力很快达到了砼的抗压强度fc（C点）。应力达到fc后，试件承载能力下降，裂缝迅速发展。应力应变曲线向下弯曲。直到凹向发生弯曲，出现“拐点”（D）点。超过“拐点”，曲线开始凸向应变轴，此段曲线中曲率最大的一点E称为“收敛点”。E后的曲线为收敛段。上升段下降段（1）受压砼的应力—应变曲线拐点收敛点fcfc：最大应力值，轴心抗压强度。ε0：最大应力值相应的应变，大致为0.002。ε0εcuεcu：混凝土破坏前的最大应变，极限压应变。混凝土本构关系曲线（2）强度对砼的应力—应变曲线的影响下降段：混凝土强度越高，曲线下降段越陡；强度越低，下降段越平坦，曲线越长。上升段：混凝土强度影响较小，强度越大，曲线越陡，与应力峰值点相应的应变ε0大致为0.002。混凝土强度越高，曲线越陡，εcu越小，延性越差。（3）加载速度对砼应力—应变曲线的影响加载速度较快时，fc有所提高，曲线比较陡。加载速度缓慢时，fc略有降低，曲线（尤其是下降段）平缓，ε0和εcu增大。（4）砼的弹性模量和变形模量匀质弹性材料tgE混凝土?Eσεσεα0σε0变形模量Ec’混凝土应力应变曲线上任一点对应的应力和应变之比，也称“割线模量”''0tgEccc随着应力增加而减小'0弹性模量Ec混凝土应力与相应的弹性应变之比，也称“原点切线模量”0tgEcecc常量'ccEEccecccececcccEE'0.1根据试验分析，影响混凝土弹性模量的诸多因素中，最主要的是混凝土的抗压强度。因此，根据试验结果统计分析，得出了混凝土弹性模量和其立方体抗压强度的关系为：kcucfE,57.342.210（6）砼的泊松比c0.15~0.2之间，一般取0.2或1/6A（5）砼受拉应力—应变曲线与混凝土受压时的应力—应变曲线类似。2、混凝土在荷载长期作用下的变形在长期不变荷载作用下，混凝土变形随时间增长的现象称为徐变。（1）徐变特点：1、徐变速度：先快后慢，开始增长较快，以后逐渐减慢，经过较长一段时间后趋于稳定。2、徐变大小：徐变是瞬时应变的1-4倍。3、徐变可部分恢复。（2）徐变原因：混凝土中的未晶体化的水泥凝胶体，在持续的外荷载作用下产生黏性流动，压应力逐渐转移给骨料。卸载后，水泥凝胶体又恢复原状，骨料又将应力转回给凝胶体。此外，混凝土内部的裂缝不断发展也使变形增加。（3）影响徐变的因素：1、材料（砼的组成成分）：水泥用量越多，水灰比越大，徐变越大；骨料越坚硬，弹性模量越高，徐变越小。2、环境（养护、使用时的温湿度）：养护时温度高，湿度大，水泥水化作用就充分，徐变就小。使用时处于高温、干燥条件下，徐变将增大。3、应力：持续作用的应力值越大，徐变越大。（3）影响徐变的因素：4、加载龄期：5、其他：如构件的形状、尺寸等。如大试件内部失水受到限制，徐变减小。加载时混凝土龄期越长，硬结程度就越好，产生的徐变就越小，反之徐变越大。（4）徐变对结构的影响：徐变将对结构产生不利或有利的影响qq不利：由于压区混凝土的徐变，可能使构件的长期挠度显著增加，降低构件的承载力，预应力混凝土结构中引起预应力损失。等等。有利：引起构件截面应力重分布或内力重分布。等等。徐变使截面中混凝土的应力逐渐减小，纵向钢筋的应力逐渐增大，使两种材料的强度得到充分利用。3、混凝土在非荷载作用下的变形（1）结硬时的收缩与膨胀混凝土在空气中结硬时，体积缩小（收缩），混凝土在水中或处于饱和湿度中结硬时，体积增大（膨胀）。混凝土的组成和养护的条件但与收缩量相比，混凝土的膨胀值要小得多，对结构影响甚微，一般忽略。水泥水化引起的体积收缩、水分蒸发引起的干缩等等。收缩与膨胀引起收缩的原因影响收缩的因素危害及防止收缩引起收缩裂缝。防止盲目提高水泥用量和水灰比；加强对砼的振捣和养护以减小其收缩；设置伸缩缝、配置适当钢筋等等。（2）温度和湿度引起的变形热胀冷缩、湿胀干缩当温（湿）度引起的变形受到约束时，在结构内部就会产生温度应力，特别是在大体积混凝土中。如果不采取措施可能导致结构开裂或破坏。防止措施：设置伸缩缝；适当配置钢筋等。四、规范中混凝土的选择原则在钢筋砼结构中，砼强度等级不应低于C15；当采用HRB335级钢筋时，砼强度等级不宜低于C20；当采用HRB400和RRB400级钢筋以及对承受重复荷载的构件，砼强度等级不得低于C20。预应力砼结构的强度等级不应低于C30；当采用钢丝、钢铰线、热处理钢筋作预应力钢筋时，砼强度等级不宜低于C40。当采用山砂砼及高炉炉渣砼时，尚应符合专门规程的规定。§2.2钢筋的力学性能一、钢筋的化学成分铁Fe、碳C和其他合金元素等。制作钢筋的钢材按照化学成分分可以分为：碳素钢低合金钢低碳钢（含碳量0.25%）中碳钢（含碳量0.25%~0.6%）高碳钢（含碳量0.6%）含碳量越高，强度越高，塑性、可焊性越低在碳素钢的基础上，冶炼时加入少量合金元素（如硅、锰等）而成。强度高、塑性好二、钢筋的表面形状光面钢筋变形钢筋表面光滑表面肋纹螺旋纹人字纹月牙纹光面圆钢筋螺旋纹钢筋人字纹钢筋月牙纹钢筋提高与混凝土的粘结锚固能力三、常用钢筋的品种热轧钢筋、钢丝、钢绞线、热处理钢筋等。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热轧钢筋钢丝钢绞线用低碳钢、普通低合金钢在高温下轧制而成。直径较小，有冷拉钢丝、消除应力钢丝等，外形有光面、刻痕和螺旋肋三种，一般用于预应力砼结构。由多根高强钢丝在绞丝机上绞合，再经过低温回火制成。通常有二股、三股和七股钢绞线，用于预应力砼结构热轧钢筋热轧钢筋是用低碳钢、普通低合金钢等在高温下轧制而成。根据力学指标（强度）的高低，可以分为4级：强度等级代号级别符号表面形状强度塑性HPB235Ⅰ光面钢筋HRB335Ⅱ变形钢筋HRB400Ⅲ变形钢筋RRB400Ⅳ变形钢筋（1）级别热轧钢筋是用低碳钢、普通低合金钢等在高温下轧制而成。根据力学指标（强度）的高低，可以分为4级：强度等级代号级别符号特点用途HPB235ⅠHRB335ⅡHRB400ⅢRRB400Ⅳ（1）级别一般用于楼板的受力钢筋和梁、柱的箍筋一般用于钢筋混凝土梁、柱的受力钢筋应用受到一定限制，用于预应力钢筋砼结构光面低碳钢筋，强度低、塑性好低合金钢，强度较高强度高、保留一定的塑性（2）力学性能单向拉伸应力—应变曲线A：比例极限B’：屈服上限BC：屈服台阶D：极限抗拉强度σb设计时取屈服强度fy还是极限抗拉强度σb作为设计的依据？为什么？屈服阶段强化阶段破坏阶段B：屈服强度fyfyσb弹性阶段颈缩设计时取屈服强度σb作为钢筋强度设计值的依据钢筋达到屈服强度后，塑性变形急剧增加，构件出现很大的变形和过宽的裂缝，以致构件不能正常使用。但因为钢筋屈服完成后，还有一强化阶段，还能继续承受更大的荷载，此时构件并未破坏。极限抗拉强度类似于钢筋的“强度储备”。因此，钢筋的极限抗拉强度值不能与屈服强度太接近，应与屈服强度有足够大的差值。屈强比fy/σb：反映钢筋的强度储备，fy/σb=0.6~0.7。fyσb不同级别热轧钢筋的应力应变曲线热轧钢筋级别越高，强度越，屈服平台越，塑性越。高差短塑性性能伸长率冷弯性能%100'lll伸长率越高，塑性性能越好。冷弯直径越小，角度越大，塑性越好。ll’把钢筋在常温下围绕直径为D的辊轴弯转α角而要求不发生裂纹。冷拉kk’软钢常温下张拉应力超过屈服强度k立即重新张拉o’bεσocded’e’卸载o’o’kde放置相当一段时间后重新张拉o’k