混凝土结构设计原理(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本章提要★材料性能（物理力学性能）钢筋的强度、变形性能混凝土的强度、变形性能钢筋与混凝土之间的粘结-滑移性能★重点混凝土的强度、变形性能★本章在本课程中的作用后续各章的基础钢筋的成分、级别和种类钢筋的强度和变形性能（重点）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普通钢筋预应力筋热轧钢筋钢绞线预应力钢丝预应力螺纹钢筋低碳钢普通低合金钢混凝土结构中的钢筋HRB335HRB400RRB400HPB300HRB500HRBF335HRBF400HRBF500HPB300HRB335HRB400RRB400R热轧钢筋的符号说明hotrolledplainbarfyk=300N/mm2hotrolledribbedbarfyk=335N/mm2hotrolledribbedbarfyk=400N/mm2remainedheattreatmentribbedbarfyk=400N/mm22.1.1钢筋的品种和级别2.1.1钢筋的品种和级别普通钢筋强度标准值（N/mm2）HPB300d=8~20fyk=300HRB335,HRBF335d=6~50fyk=335HRB400,HRBF400,RRB400d=6~50fyk=400HRB500，HRBF500d=8~40fyk=500主要成分：铁其他成分：碳、锰、硅、磷、硫等碳素钢：低碳钢（含碳量＜0.25%）；中碳钢（0.25%~0.6%）高碳钢（0.6%~1.4%）。含碳量高，强度高，延性差锰、硅：可提高钢材强度，保持一定的塑性ykf热轧钢筋的外形光圆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2.1.1钢筋的品种和级别预应力钢筋外形普通钢筋一般为软刚；预应力筋一般为硬钢。从受力性能分：软钢；硬钢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屈服强度作为钢筋设计强度取值依据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条件屈服强度：取残余应变为0.2%所对应的应力钢筋的塑性性能钢筋的两个塑性指标:延伸率和冷弯性能d05,100100%lll延伸率试验冷弯试验oo90,1801,2,3ddDd2.1.2钢筋的强度和变形性能最大力下的总伸长率普通钢筋及预应力筋在最大力下的总伸长率δgt应不小于附表5的规定的数值。0bgt0s()100%LLLE0bgt0s()100%LLLE2.1.2钢筋的强度和变形性能★软钢与硬钢的区别软钢：有明显的屈服平台、屈服强度，极限强度硬钢：只有极限强度，人为规定“条件屈服强度”★设计取值依据屈服强度（软钢）、条件屈服强度（硬钢）★钢筋的屈强比=屈服强度/极限强度≤0.8★钢筋的延性（ductility）钢筋在强度无显著降低情况下抵抗变形的能力（屈服后的变形能力）.软刚延性好，硬钢延性较差。★弹性模量：弹性极限以下应力-应变曲线的斜率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。冷拉强化：冷拉控制应力必须超过屈服点，进入强化阶段。屈服强度提高，屈服平台消失，极限强度未提高，延性降低冷拉时效：钢筋经首次冷拉后，在自然条件下一段时间后进行第二次张拉，屈服强度和极限强度均提高，且恢复屈服台阶。只能提高抗拉强度，抗压屈服强度将降低。2.1.3钢筋的冷加工2.1.3钢筋的冷加工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，已取消冷拉钢筋.2.1.4混凝土结构对钢筋性能的要求适当的屈强比≤0.8足够的塑性HPB300：不小于10.0%；HRB400~HRB500:不小于7.5%预应力筋：不小于3.5%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混凝土的变形性能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(uniaxialcompressivecubestrength)轴心抗压强度(uniaxialcompressivestrength)轴心抗拉强度(uniaxialtensilestrength)★复杂受力状态下混凝土的强度双轴受力强度三轴受力强度剪压及剪拉强度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。影响立方体抗压强度的因素•养护质量和环境条件•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2.2.1混凝土的强度影响因素分析材料组成：最主要因素，在材料组成一定时，还有下列因素养护质量和环境条件：温度、湿度加载速度：加载速度快，微裂缝不能充分扩展，强度高试验条件：试件上、下表面不涂油，横向变形受到约束，强度高试件尺寸：尺寸大，内部缺陷相对较多，端部摩擦力影响相对较大，强度低龄期：龄期长，试件强度高2.2.1混凝土的强度混凝土立方体抗压强度试验方法边长为150mm的标准立方体试块、在标准条件下养护28d或设计规定龄期后，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。（平均值符号：fcu,m)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。混凝土强度等级《混凝土规范》规定：混凝土强度等级按立方体抗压强度标准值确定cucucucucu,kffff1.64511.645f2.2.1混凝土的强度混凝土强度等级的分级按fcu,k划分为14级，即C15~C80，级差5MPa。符号C35C：立方体(Cube)35：立方体抗压强度标准值，单位N/mm2当≤C50时，普通混凝土（normal-strengthconcrete）当＞C50时，高强混凝土（high-strengthconcrete）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2.2.1混凝土的强度棱柱体试件尺寸试件强度不受端部摩擦力和附加偏心距的影响。中间处于均匀受压状态。•解决问题的思路由已知求未知，由简单方法解决复杂问题•确定方法：对比试验/0.76~0.82ccuff2.2.1混凝土的强度轴心抗压强度试验值修正值:棱柱体强度与立方体强度之比值，C50及以下取=0.76，对C80取=0.82，中间按线性规律变化取值；为混凝土考虑脆性的折减系数，对C40取=1.00，对C80取=0.87，中间按线性规律变化取值；0.88:考虑结构中混凝土强度与试件混凝土强度之间的差异而采取的修正系数。c1c20.88ccuffc1ccuff1c1c1c2c2c2c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2.2.1混凝土的强度对比试验结果0.550.395tcuff0.55c20.880.395tcuff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当侧向压力较低时,对于普通混凝土2.2.1混凝土的强度1'4ccrff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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；2.2.1混凝土的强度2.2.2混凝土的变形性能混凝土的变形★受力变形一次短期加载下的变形(重点)：主要用于各种承载力计算荷载长期作用下的变形（徐变）：主要用于变形和裂缝宽度计算；预应力损失计算等重复荷载作用下的变形（疲劳性能）：主要用于确定弹性模量；疲劳验算等★体积变形收缩变形：收缩裂缝；预应力损失温度变形：温度应力→裂缝防止温度、收缩裂缝的构造措施2.2.2混凝土的变形性能1.单调短期加载下的变形性能轴心受压的应力-应变关系482s≈0.3fca≈0.8fcbfcc6da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,约为0.002,内部裂缝延伸到表面d点为极限压应变,对普通混凝土取0.0033。0cu02.2.2混凝土的变形性能应力-应变曲线特点oa段：即应力比≤0.3时，应力-应变关系接近于直线，故a点相当于混凝土的弹性极限。ab段：当应力比约为（0.3～0.8）时，应力-应变关系偏离直线，应变的增长速度比应力增长快，故b点称为临界应力点。bc段：当应力比约为（0.8～1.0）时，应变增长速度进一步加快，应力-应变曲线的斜率急剧减小，混凝土内部微裂缝进入非稳定发展阶段。当应力到达c点时，混凝土发挥出受压时的最大承载能力，即轴心抗压强度（极限强度），相应的应变值称为峰值应变。cd段：下降段，由滑移面上的摩擦咬合力和混凝土柱体的残余强度提供2.2.2混凝土的变形性能应力-应变曲线上三个特征点峰值应力：材料的最大承载力峰值应变：与峰值应力相应的应变极限压应变：试件破坏时的最大应变值混凝土材料的延性混凝土试件在强度没有显著降低情况下承受变形的能力混凝土强度越高，越大；越小；材料的脆性越明显问题：混凝土应力-应变曲线如何表达？→数学表达式00cucu02.2.2混凝土