混凝土结构设计第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钢筋的成分、级别和种类钢筋的强度和变形性能混凝土结构对钢筋性能的要求2.1.1钢筋的品种和级别钢筋混凝土结构中的钢筋非预应力钢筋预应力钢筋热轧钢筋钢绞线消除应力钢丝热处理钢筋低碳钢普通低合金钢HRB335HRB400RRB400RHPB235混凝土结构中的钢筋HPB235HRB335HRB400RRB400R热轧钢筋的符号说明hotrolledplainbarfyk=235N/mm2hotrolledribbedbarfyk=335N/mm2hotrolledribbedbarfyk=400N/mm2remainedheattreatmentribbedbarfyk=400N/mm22.1.1钢筋的品种和级别热轧钢筋的外形光面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2.1.2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屈服强度作为钢筋的强度限值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钢筋的塑性性能钢筋的两个塑性指标:延伸率和极冷弯性能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。只能提高抗拉强度，抗压屈服强度将降低。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。冷加工的目的是节约钢材和扩大钢筋的应用范围。《混凝土规范》不提倡冷拉钢筋。2.1.4混凝土结构对钢筋性能的要求适当的屈强比足够的塑性冷可焊性耐久性耐火性与混凝土具有良好的粘结抗低温性能混凝土的强度指标混凝土的变形性能混凝土的应力应变关系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立方体抗压强度fcu边长为150mm的标准立方体试块在标准条件下养护28d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。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。《混凝土规范》对混凝土的强度分级按fcu,k划分为14级，即C15-C80。C15混凝土立方体抗压强度标准值，单位N/mm2当≤C50时，普通混凝土；当＞C50时，高强混凝土。fcu,k是混凝土各种强度指标的基本代表值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。影响方抗压强度的因素•尺寸效应•加载速度•端部约束，环箍效应•混凝土的龄期骨料之间的微裂缝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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系式,0.5520.880.395tfcufc规范建议的关系式,轴直接受拉试验的缺点:容易引起偏拉破坏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劈裂试验PP222ttPfaPfdl对立方体试件对圆柱体试件a12弯折试验l/3500~600150150P/2l/3l/3P/2utMfW假定截面应力为直线分布2.2.1混凝土的强度复杂受力状态下混凝土的强度双轴应力状态研究文献来源:H.Kupfer,H.K.Hilsdorf,H.Rusch,Behaviourofconcreteunderbiaxialstresses,ACIJ.66(1969)656-666.研究方法方形板试件施加法向应力σ1施加法向应力σ2板处于平面应力状态2.2.1混凝土的强度复杂受力状态下混凝土的强度双轴应力状态双等拉双等压-1.2600.20.4-0.6-0.4-0.2-1.2-1.0-0.8-1.400.20.4-0.6-0.4-0.2-1.2-1.0-0.8-1.42cfKupfer的强度包络图双向受拉的破坏强度接近于单轴抗拉强度。双向受压的破坏强度高于单轴抗压强度。一拉一压的破坏强度低于相应的单轴受力强度。双轴受压的强度最大值不是发生在双轴等压的情况下,而是发生在σ1/σ2≈0.5时。2.2.1混凝土的强度复杂受力状态下混凝土的强度三轴受压状态侧向等压（常规三轴）的情况23r11通过液体静压力对圆柱体试件施压'14ccrff111.52rrccccffff当侧向压力较较高低时,上式不再为线性关系,可采用蔡绍怀经验公式当侧向压力较低时,对于普通混凝土2.2.1混凝土的强度0/复杂受力状态下混凝土的强度剪压或剪拉复合应力状态试验结果岗岛达雄的试验结果2000/0.009810.112/0.122/试验结论•随着拉应力的增加，混凝土抗剪强度降低；•随着压应力的增加，抗剪强度先增大、后减小；•达到轴心抗压强度时，抗剪强度为零；•当拉应力约为0.1fc时，抗剪强度为零。2.2.1混凝土的强度2.2.2混凝土的变形性能单调短期加载下的变形性能轴心受压的应力应变关系482e0se≈0.3fca≈0.8fcbfcc6decua点前内部裂缝没有发展，应力应变近似直线。b点称为临界应力点,内部裂缝有发展,但处于稳定状态c点的应变称为峰值应变,e0约为0.002,内部裂缝延伸到表面，c点后出现应变软化d点为极限压应变,对普通混凝土取0.0033。《混凝土规范》规定的单轴受压应力应变关系模型4820scfcusc05.f23saaac000322fs0c2d001f公式根据清华大学1979年的受压全曲线所得。2.2.2混凝土的变形性能混凝土轴心受拉的应力应变关系轴心受拉的应力应变关系与轴心受压类似《混凝土规范》建议的单轴受拉应力应变关系模型6s1.20.2tttfst1.71ttttf公式来源：过镇海，张秀琴.混凝土受拉应力应变全曲线的试验研究.建筑结构学报，1988(4).45-532tstf2.2.2混凝土的变形性能混凝土在长期荷载作用下的变形性能徐变在不变的应力长期持续作用下，混凝土的变形随时间徐徐增长的现象称为混凝土的徐变。3000.51.01.52.0510152025压应变×10-3时间/月瞬时变形徐变变形卸载时瞬时恢复的变形残余变形卸载后的弹性后效2.2.2混凝土的变形性能徐变的原因水泥凝胶体的黏性流动，使骨料应力增大混凝土中内部微裂缝的发展影响徐变的因素应力的大小混凝土的龄期混凝土的制作、养护环境水灰比与水泥用量骨料用量及力学性能徐变对结构设计的影响使钢筋混凝土构件截面产生内力重分布使受弯构件和偏压构件的变形加大使预应力混凝土构件产生预应力损失2.2.2混凝土的变形性能混凝土的收缩混凝土在空气中结硬时其体积会缩小，这种现象称为混凝土的收缩。混凝土的膨胀混凝土的温度变形温度变化会使混凝土热胀冷缩，在结构中产生温度应力，甚至会使构件开裂以至于损坏。2.2.2混凝土的变形性能混凝土在水中结硬时体积会膨胀，称为混凝土的膨胀。粘结应力的特点粘结破坏机理及影响因素钢筋的锚固2.3.1一般概念粘结应力(粘结力)钢筋与混凝土接触面上所产生的沿钢筋纵向的剪应力。粘结强度粘结失效（钢筋被拔出或混凝土被劈裂）时的最大粘结应力。粘结应力的分类锚固粘结应力裂缝附近的局部粘结应力弯矩图la锚固粘结应力fyF=0悬臂梁的纵筋锚固锚固长度裂缝附近的局部粘结应力开裂截面处的钢筋应力通过粘结应力向混凝土固传递2.3.1一般概念2.3.2粘结应力的特点粘结应力的特点粘结应力分布的中心拔出试验10d10d300d205d5d塑料套管立方体试件GB50152-92规定的立方体拔出试验试验装置百分表试件承压垫板穿孔球铰试验机垫板2.0τ(N/mm2)加载端1501005000.51.01.50100200300(mm)σs(N/mm2)d=13mm光面钢筋粘结应力的特点钢筋应力及粘结应力的分布5101517.5kN5101517.5kN5τ(N/mm2)加载端300200100012140100200300(mm)σs(N/mm2)d=13mm变形钢筋3105152025kN变形钢筋粘结性能比光面钢筋好。光面钢筋应力峰值靠近加载端，粘结应力增长缓慢。变形钢筋粘结应力分布长度缓慢增长，粘结应力峰值显著增大。2.3.2粘结应力的特点2.3.3粘结破坏机理光面钢筋的粘结破坏粘结力的组成化学胶着力摩擦力机械咬合力光面钢筋的粘结作用，在出现相对滑移前主要取决于化学胶着力，发生滑称后则由摩擦力和机械咬合力提供。光面钢筋拔出试验的破坏形态，为钢筋从混凝土中被拔出的剪切破坏，其破坏面就是钢筋与混凝土的接触面。变形钢筋的粘结破坏粘结力的组成仍为化学胶着力、摩擦力、机械咬合力，但主要为机械咬合力。变形钢筋的τ-s曲线0.10.20.30.40.510203040τ(N/mm2)s(mm)肋处混凝土局部挤压变形出现内裂缝径向裂缝到达试件表面形成新滑移面劈裂裂缝刮犁式破坏劈裂式破坏2.3.3粘结破坏机理变形钢筋的粘结破坏劈裂式破坏的条件:钢筋外围砼薄而且没有环向箍筋刮犁式破坏的条件:钢筋外围砼厚或有环向箍筋约束刮犁式破坏模式内部斜裂缝斜向挤压力径向分力环向挤压力径向裂缝变形钢筋处的挤压力和内部裂缝2.3.3粘结破坏机理2.3.4影响粘结强度的因素影响粘结强度的因素混凝土强度混凝土保护层厚度和钢筋净间距钢筋的外形横向配筋侧向压应力受力状态2.3.5钢筋的锚固和连接钢筋的锚固和连接的实质是粘结问题锚固是钢筋如何将力传给混凝土的问题直钢筋的锚固带弯钩、弯折钢筋的锚固机械锚固钢筋的连接是两根钢筋之间如何传力的问题绑扎搭接机械连接焊接锚固设计原理强度极限状态主要适用于直钢筋的锚固问题刚度极限状态主要适用于带弯钩和弯折钢筋的锚固问题su强度极限状态su刚度极限状态最大粘接应力点滑移速率变化点2.3.5钢筋的锚固和连接受拉钢筋的锚固长度临界锚固长度lacrdcral24cryaudfdl4ycraufldF钢筋的外形系数