第三章 结构材料的力学性能及选用

第三章结构材料的力学性能及选用第一节建筑钢材第二节混凝土第三节钢筋与混凝土的相互作用－－粘结力第一节建筑钢材标距有明显屈服点的钢材一、钢材的力学性能1、应力-应变曲线及强度指标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段为强化段屈服强度：σB，是钢筋关键性的强度指标。对于有明显屈服点的钢材，由于钢材的屈服将产生明显的、不可恢复的塑性变形，从而导致构件可能在钢材尚未进入强化阶段就产生过大的变形和裂缝，因此在正常使用情况下，构件中的钢材应力应小于其屈服强度。抗拉强度：σD屈强比：屈服强度与抗拉强度的比值。不大于0.8，以保证强度储备和变形能力。无明显屈服点的钢材0.2%0.2在钢材屈服前，其受压和受拉的应力-应变曲线几乎相同。热处理钢筋、钢丝、钢绞线等条件屈服强度f0.2：残余应变为0.2%时所对应的应力。实际取抗拉强度fsu的0.85倍。抗拉强度fsu：主要强度指标。钢筋应力-应变曲线的数学模型sss=Essys,hfysss=Essys,hfyfs,us,us,usss=Essyfys,hfs,u有明显屈服点的钢筋无明显屈服点的钢筋强度指标的确定强度随机变量强度标准值根据统计资料，运用数理统计方法确定的具有一定保证率（钢筋为97.73%）的统计特征值：概率密度材料强度强度平均值强度标准值强度标准值=强度平均值-2×均方差2、塑性指标05100,lll伸长率：反映钢材塑性性能的指标。冷弯性能：反映钢材在常温下的塑性加工性能的指标。用弯心直径和弯曲角度来表示。伸长率越大，则钢材的塑性越好。二、钢材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合理选择K点：既提高强度，又保持一定的塑性。温度的影响：温度达700ºC时恢复到冷拉前的状态，先焊后拉。特点：只能提高抗拉强度，不能提高抗压强度；强度提高，塑性下降。冷拔经过冷拔后，钢筋强度提高，塑性显著降低，没有明显的屈服点。冷拔既能提高抗拉强度，又能提高抗压强度。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。三、建筑钢材的品种按化学成分分类：碳素结构钢（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钢筋热轧钢筋：光面钢筋HPB235，带肋钢筋HRB335、HRB400、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。按加工工艺和力学性能分类：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，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。钢结构用型材——热轧型钢品种规格用途普通工字钢高×宽×腹板厚，10#～63#建筑结构桥梁，作横向受弯H型钢和剖分T型钢翼缘平行，宽W中M窄N桩PT型由H型对半剖分，高层普通槽钢高×宽×腹板厚，5#～40#，钢结构车辆，轴力弯曲L型钢高×宽×腹厚×面厚，25#～50#等边、不等边角钢等2#～20#，不等2.5#～20#轴力、支撑、连接件冷弯薄壁型钢结构用冷弯闭口型钢方型F2.5～16#，矩形J5～20#壁厚1.2～8mm通用冷弯开口型钢等边不等边角钢，槽钢，Z字钢，内外卷边共8种四、混凝土结构对钢筋性能的要求1、强度要求：屈服强度、极限强度、屈强比；2、塑性要求：伸长率和冷弯性能要求；3、可焊性4、与混凝土的粘结性钢筋的选用原则：普通钢筋：HRB400，HRB335，HPB235，RRB400HPB235（φ）级——荷载较小的板或小型构件的受力主筋、构造钢筋、箍筋。预应力钢筋：钢绞线，钢丝，热处理钢筋第二节混凝土立方体抗压强度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压力试件裂缝发展扩张整个体系解体，丧失承载力。影响强度的因素还有：龄期、加载速率、试块尺寸等1.单轴受力状态下混凝土的抗压强度一、混凝土的强度立方体抗压强度标准值fcuk标准试块：150×150×150mm非标准试块：100×100×100，换算系数：0.95200×200×200，换算系数：1.05立方体抗压强度标准值是确定混凝土强度等级的标准。我国规范的混凝土强度等级有：C15，C20，C25，C30，C35，C40，C45，C50，C55，C60，C65，C70，C75，C80。表示混凝土Concrete立方体抗压强度标准值fcukC××轴心（棱柱体）抗压强度标准值fck承压板试块标准试块：150×150×300mmc1：轴心抗压强度与立方体抗压强度的比值。≤C50，c1=0.76；C80，c1=0.82；中间按线性规律变化。c2：混凝土脆性折减系数。≤C40，c1=1.0；C80，c1=0.87；中间按线性规律变化。GB50010-2002：cuk2c1cck88.0ff2.单轴受力状态下混凝土的抗拉强度轴心抗拉强度标准值ftk：2c45.055.0cuktk645.11395.088.0ff其中为变异系数，由统计调查分析确定。3.复合受力状态下混凝土的强度双轴应力下的强度1.01.01.21.2-0.2-0.22/fc1/fc拉压双向正应力下的强度曲线三向受压时的混凝土强度1=fcc’1=fcc’2=3=fLfL----侧向约束压应力（加液压）圆柱体试验Lcccfff1.4''有侧向约束时的抗压强度无侧向约束时圆柱体的单轴抗压强度二、混凝土的变形(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：峰值应力后，吸收试验机的变形能，测出下降段。单轴受压时应力-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侧向受约束时混凝土的变形特点cu约束混凝土非约束混凝土ccfccfcEsecEcc02c0spcco环箍断裂轴向受拉时混凝土的应力应变关系ttot0tuftt(MPa)0(mm)cr=0.00012试件：7619305mmfc=44MPa43210.010.020.030.040.050.06标距＝83mm理论模型！！！重复荷载下混凝土的变形性能pe包络线与一次性加载时的应力-应变曲线相似混凝土的弹性模量ccccep01原点切线模量（弹性模量）：拉压相同0tancceE变形模量（割线模量、弹塑性模量）1'tancccE切线模量''dtandcccE'eccccEEE受压时，为0.4~1.0；受拉破坏时，为1.0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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。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；•养护条件越好，周围环境越潮湿，徐变越小；•骨料越硬，级配越好，徐变越小。PAsPAss1c1Ps2Ass2P撤去，钢筋回弹，混凝土受拉，可能会引起混凝土开裂徐变：s，c徐变对混凝土结构的影响混凝土的收缩硬化过程中混凝土体积缩小的性质•水泥品种：强度等级越高，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，级配越好，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收缩对混凝土结构的影响AssAss收缩：钢筋受压，混凝土受拉As第三节钢筋与混凝土的粘结裂缝出现前的粘结作用：使钢筋和混凝土互相传递应力、共同受力、共同变形。1.粘结的意义钢筋与混凝土共同工作的基础：（1）二者具有相近的温度线膨胀系数；（2）二者间具有良好的粘结力。PP裂缝出现后的粘结作用T两种粘结作用锚固粘结保证钢筋和混凝土共同工作缝间粘结改善钢筋混凝土的耗能性能2.粘结机理光圆钢筋粘附力摩擦力机械咬合力（钢筋表面不平、微锈时可显著提高咬合力）有滑移时粘附力即消失钢筋受力较大时粘结力主要由此二部分组成粘结机理变形钢筋粘附力摩擦力机械咬合力主要作用3.粘结试验拔出试验搭接长度延伸长度半梁试验搭接长度试验延伸长度试验4.粘结破坏形态光圆钢筋钢筋拔出变形钢筋纵向分量径向分量构件纵向开裂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5.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；横向箍筋、压应力以及砼浇注方向等。钢筋的外形特征、直径、埋入长度；保护层厚度和钢筋的净距；6.锚固、搭接长度原则钢筋屈服时正好发生锚固破坏对象以直径为2c的混凝土试件内配直径为d的变形钢筋为例假定纵裂发生在刮出式破坏以前（1）锚固长度的理论分析（2）实用锚固长度的计算公式dffltyala基本锚固长度（GB50010）：锚固钢筋的外形系数对不同的情况还要作修正对上式作修正可得搭接长度lall