第三章 工程结构材料的力学性能

第三章材料的力学性能第3章材料的物理力学性能主要内容：钢筋的物理力学性能混凝土的物理力学性能钢筋与混凝土的粘结钢筋的锚固和连接重点：钢筋的级别、强度和变形性能混凝土的强度和变形性能粘结破坏机理第3章材料的物理力学性能3.1钢材3.1.1钢筋的种类及符号说明钢筋的外形热轧钢筋第3章材料的物理力学性能3.1钢材3.1.1钢筋的种类及符号说明预应力钢筋第3章材料的物理力学性能3.1钢材3.1.1钢筋的种类及符号说明热轧钢筋的符号说明HPB235生产工艺：hotrolled表面形状：plain钢筋：bar屈服强度第3章材料的物理力学性能3.1钢材3.1.1钢筋的种类及符号解释热轧钢筋的符号说明HRB335hotrolledribbedbarRRB400remainedheattreatmentribbedbar第3章材料的物理力学性能3.1钢材3.1.1钢筋的种类及符号说明热轧钢筋的屈服强度种类符号fyf'y热轧钢筋HPB235(Q235)210210HRB335(20MnSi)300300HRB400(20MnSiV、20MnSiNb、20MnTi)360360RRB400(K20MnSi)R360360第3章材料的物理力学性能3.1钢材3.1.1钢筋的种类及符号说明预应力钢筋的符号说明S钢绞线S——StrandP光面钢丝P——PlainI刻痕钢丝I——IndentedH螺旋肋钢丝H——HelixHT热处理钢筋HT——Heat-treated第3章材料的物理力学性能3.1钢筋的物理力学性能3.1.1钢筋的种类及符号说明预应力钢筋的屈服强度种类符号fptkfpyf'py钢绞线1×3φS1860132039017201220157011101×71860132039017201220消除应力钢丝光面螺旋肋φPφH177012504101670118015701110刻痕φI15701110410热处理钢筋40Si2MnφHT1470104040048Si2Mn45Si2Cr第3章材料的物理力学性能3.2钢材的力学性能2软钢的应力—应变曲线a——比例极限b——弹性极限ob——弹性阶段d——极限抗拉强度bc——屈服阶段cd——强化阶段de——破坏阶段e——极限应变第3章材料的物理力学性能3.2钢材的力学性能3硬钢的应力—应变曲线d——极限抗拉强度e——极限应变条件屈服强度：取残余应变为0.2%所对应的应力作为无明显流幅钢筋的强度限值，通常称为条件屈服强度。第3章材料的物理力学性能3.2钢材的力学性能4钢筋的应力—应变简化模型（1）理想弹塑性模型（2）三段线性模型第3章材料的物理力学性能3.2钢材的力学性能5钢筋的塑性性能（1）延伸率：（2）冷弯性能：延伸率越大，钢筋的塑性和变形能力越好。100%lll弯心直径越小，弯过的角度越大，冷弯性能越好，钢筋的塑性性能越好。第3章材料的物理力学性能3.2钢材的力学性能6钢筋的冷加工冷拉：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的某一应力值，然后卸载至零。第3章材料的物理力学性能3.2钢材的力学性能6钢筋的冷加工钢筋在冷拉后，未经时效前，一般没有明显的屈服台阶；经过停放或加热后进一步提高了屈服强度并恢复了屈服台阶，这种现象称为冷拉时效硬化。第3章材料的物理力学性能3.2钢材的力学性能6钢筋的冷加工冷拔：将HPB235级热轧钢筋强行拔过小于其直径的硬质合金拔丝模具。经过几次冷拔的钢丝，抗拉、抗压强度均大大提高，但塑性降低。第3章材料的物理力学性能3.2钢材的力学性能7混凝土结构对钢筋性能的要求保证构件具有一定的强度储备。（1）适当的屈强比（2）足够的塑性避免发生脆性破坏。（4）耐久性和耐火性（3）可焊性要求钢筋具备良好的焊接性能。（5）与混凝土具有良好的粘结必要的混凝土保护层厚度以满足对构件耐火极限的要求。（6）寒冷地区，防止钢筋低温冷脆导致破坏。第3章材料的物理力学性能3.3混凝土1立方体抗压强度用边长为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。影响因素：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。cu,kf尺寸效应：尺寸越大，内部缺陷较多，强度较低。加载速度：加载速度越快，强度越低。端部约束：涂润滑油，强度降低。第3章材料的物理力学性能3.3混凝土1立方体抗压强度混凝土强度等级按立方体抗压强度标准值确定，按的大小划分为14级。C15、C20、C25、C30~C80。cu,kf混凝土强度等级的选用采用HRB335、HRB400、RRB400级钢筋时，不得低于C20；预应力混凝土结构，不应低于C30；采用高强钢丝作预应力钢筋时，不宜低于C40。承受重复荷载构件的混凝土，不得低于C20；第3章材料的物理力学性能3.3混凝土2轴心抗压强度120.88ccufccf棱柱体高度的取值：①摆脱端部摩擦力的影响；②试件不致失稳。与的关系：试验目的：采用棱柱体试件，反映混凝土的实际工作状态。试件尺寸：我国取mm为标准试件。150150300scfscuf第3章材料的物理力学性能3.3混凝土3轴心抗拉强度tcu0.550.395ff与的关系：直接受拉试验tsfscuf劈裂试验st22Pfa第3章材料的物理力学性能3.3混凝土4复杂受力状态下混凝土的强度双轴应力状态①双向受拉，接近单轴抗拉强度；②双向受压，混凝土的侧向变形受到约束，强度提高；③一拉一压，加速了混凝土内部微裂缝的发展，抗拉、抗压强度均降低。混凝土的三轴抗压强度第3章材料的物理力学性能3.3混凝土4复杂受力状态下混凝土的强度cccrff三轴应力状态试件侧向变形受到限制，其内部微裂缝的产生和发展受到阻碍，当侧压力增大时，轴向抗压强度也相应增大。混凝土的三轴抗压强度第3章材料的物理力学性能3.3混凝土4复杂受力状态下混凝土的强度剪压或剪拉复合应力状态①随着拉应力的增大，混凝土的抗剪强度降低。②随着压应力的增大，混凝土的抗剪强度逐渐增大；当压应力超过某一数值后，抗剪强度随压应力增大而减小。混凝土的剪压复合强度第3章材料的物理力学性能3.3混凝土5一次短期加载下混凝土受压的应力—应变曲线①当σ≤0.3时，关系接近于直线；②当σ=(0.3～0.8)时，关系偏离直线；③当σ=(0.8～1.0)时，内部微裂缝进入非稳定发展阶段。cu0——峰值应变——极限压应变混凝土的应力—应变曲线第3章材料的物理力学性能3.3混凝土6三向受压时混凝土的应力—应变曲线试件纵向受压时，混凝土的横向膨胀受到约束，使核心混凝土处于三向受压状态，内部微裂缝的发展受到抑制，从而提高了试件的纵向强度和延性，特别是延性大为提高。混凝土圆柱体三向受压时轴向应力—应变曲线第3章材料的物理力学性能3.3混凝土6三向受压时混凝土的应力—应变曲线螺旋箍筋圆柱体约束混凝土的应力—应变曲线第3章材料的物理力学性能3.3混凝土7混凝土的变形模量初始弹性模量：过原点切线的斜率。切线模量：过某一点切线的斜率。割线模量：某一点与原点连线的斜率。混凝土的变形模量第3章材料的物理力学性能3.3混凝土7混凝土的变形模量混凝土弹性模量与立方体抗压强度之间的关系：52ccu,k10(N/mm)34.72.2Ef第3章材料的物理力学性能3.3混凝土8混凝土的徐变定义：在荷载长期作用下，混凝土的变形随时间而徐徐增长的现象。徐变的特点：开始增长较快，以后逐渐减慢，最后趋于稳定。混凝土的徐变第3章材料的物理力学性能3.3混凝土8混凝土的徐变徐变的原因：①水泥凝胶体的黏性流动，使骨料应力增大。②混凝土中内部微裂缝的发展。影响徐变的因素：①应力的大小；②混凝土的龄期；③混凝土的制作、养护环境；④水灰比与水泥用量；⑤骨料用量及力学性能。第3章材料的物理力学性能3.3混凝土8混凝土的徐变徐变对结构设计的影响：①使钢筋混凝土构件截面产生内力重分布；②使受弯构件和偏压构件的变形加大；③使预应力混凝土构件产生预应力损失。第3章材料的物理力学性能3.4钢筋与混凝土的粘结与锚固1粘结应力的定义钢筋与混凝土接触面上产生的沿钢筋纵向的剪应力。粘结强度：粘结失效时的最大（平均）粘结应力。粘结强度的测试第3章材料的物理力学性能3.4钢筋与混凝土的粘结与锚固1粘结应力的定义拔出试验第3章材料的物理力学性能3.4钢筋与混凝土的粘结与锚固2粘结应力的组成钢筋与混凝土表面的化学胶着力；钢筋与混凝土接触面的摩擦力；钢筋与混凝土表面凹凸不平的机械咬合力。第3章材料的物理力学性能3.4钢筋与混凝土的粘结与锚固3粘结破坏机理（1）光圆钢筋的粘结破坏：粘结作用在钢筋与混凝土间出现相对滑移前主要取决于化学胶着力，发生滑移后则由摩擦力和机械咬合力提供。（2）变形钢筋的粘结破坏粘结强度仍由胶着力、摩擦力和机械咬合力组成。但主要为机械咬合力。钢筋开始滑移后，粘结力主要由钢筋凸肋对混凝土的斜向挤压力和界面上的摩擦力组成。若钢筋外围混凝土很薄且没有环向箍筋约束，形成纵向劈裂裂缝，沿钢筋纵向产生劈裂破坏。第3章材料的物理力学性能3.4钢筋与混凝土的粘结与锚固3粘结破坏机理若有环向箍筋约束混凝土的变形，纵向劈裂裂缝的发展受到限制，最后钢筋沿肋外径的圆柱面出现整体滑移，发生刮犁式破坏（剪切破坏）。（3）影响粘结强度的因素①混凝土的强度；②横向配筋的数量；③钢筋的外形；④混凝土的保护层厚度及钢筋间距；⑤锚固区的横向压力；⑥受力状态。第3章材料的物理力学性能3.4钢筋与混凝土的粘结与锚固4钢筋的锚固、连接与延伸锚固：通过钢筋埋置段或机械措施将钢筋所受的力传给混凝土。受拉钢筋锚固长度：yatfldf锚固长度的修正：①直径大于25mm的带肋钢筋，取。②钢筋表面有环氧树脂涂层，取。③锚固区混凝土保护层厚度大于钢筋直径的3倍，且配有箍筋时，取。④施工中易受扰动的钢筋（滑模施工），取。a1.1la1.25la0.8la1.1l第3章材料的物理力学性能3.4钢筋与混凝土的粘结与锚固4钢筋的锚固、连接与延伸修正后的锚固长度：aaa()0.7()250lll修正修正机械锚固的形式依靠钢筋自身的性能无法满足锚固要求，采用机械锚固措施。第3章材料的物理力学性能3.4钢筋与混凝土的粘结与锚固4钢筋的锚固、粘结与延伸通过绑扎搭接、焊接或机械连接，将一根钢筋所受的力传给另一根钢筋。钢筋搭接接头的错开要求连接第3章材料的物理力学性能3.4钢筋与混凝土的粘结与锚固4钢筋的锚固、粘结与延伸将钢筋从按计算不需要的位置延伸一定长度，以保证钢筋发挥正常受力性能，称为延伸。延伸钢筋的截断