第3章 鋼筋和混凝土的材料力學(xué)性能

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1、單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級(jí),第三級(jí),第四級(jí),第五級(jí),*,單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級(jí),第三級(jí),第四級(jí),第五級(jí),*,*,單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級(jí),第三級(jí),第四級(jí),第五級(jí),鋼筋和混凝土的力學(xué)性能,3.1,混凝土的材料力學(xué)性能,3.2,鋼筋的材料力學(xué)性能,3.3,鋼筋和混凝土的粘結(jié)力,第,3,章,3.1,混凝土的材料力學(xué)性能,3.1.1,混凝土強(qiáng)度,1.,單向應(yīng)力狀態(tài)下的混凝土強(qiáng)度,（,1,）,立方體抗壓強(qiáng)度,（,2,）軸心抗壓強(qiáng)度,（,3,）軸心抗拉強(qiáng)度,2.,混凝土的三軸受壓強(qiáng)度,1.,單向應(yīng)力狀態(tài)下

2、的混凝土強(qiáng)度,影響混凝土強(qiáng)度的因素：,（）,水泥強(qiáng)度等級(jí)、水灰比、骨料的性質(zhì)；,（）混凝土配合比、制作方法、養(yǎng)護(hù)條件及齡期；,（）試件形狀、尺寸、試驗(yàn)方法和加載時(shí)間。,1,）立方體抗壓強(qiáng)度,f,cu,測(cè)定方法,混凝土試驗(yàn)方法,規(guī)定,:,以邊長(zhǎng)為,150mm,的立方體,為標(biāo)準(zhǔn)試件，在,(203),的溫度和相對(duì),濕度,90,以上的潮濕空氣中養(yǎng)護(hù),28d,，,按照標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法測(cè)得的抗壓強(qiáng)度作為混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度，單位為,N/mm,2,。,(1),立方體抗壓強(qiáng)度和強(qiáng)度等級(jí),我國(guó)把,立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值,f,cu,k,作為評(píng)定混凝土強(qiáng)度等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)。,2,）,立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值,f,cu,k,混凝土

3、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范,(GB50010-2002),規(guī)定,:,用上述標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法測(cè)得的具有,95,保證率,的立方體抗壓強(qiáng)度作為混凝土的,立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，,用符號(hào),f,cu,k,表示。,f,f,f,k,3,）強(qiáng)度等級(jí)的劃分及有關(guān)規(guī)定,混凝土強(qiáng)度等級(jí)應(yīng)按立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值,f,cu,k,確定。,混凝土強(qiáng)度等級(jí)：,C15,、,C20,、,C25,、,C30,、,C35,、,C40,、,C45,、,C50,、,C55,、,C60,、,C65,、,C70,、,C75,和,C80,，,共,14,個(gè)等級(jí)。,例如，,C30,表示立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為,30N/mm,2,。,其中，,C50,C80,屬高強(qiáng)度混凝

4、土范疇。,規(guī)范,規(guī)定,:,鋼筋混凝土,不應(yīng)低于,C15,；,當(dāng)采用,HRB335,級(jí)鋼筋時(shí)，混凝土,不宜低于,C20,；,當(dāng)采用,HRB400,和,RRB400,級(jí)鋼筋以及承受重復(fù)荷載的構(gòu)件，混凝土強(qiáng)度等級(jí),不得低于,C20,。,預(yù)應(yīng)力混凝土,不應(yīng)低于,C30,；,當(dāng)采用鋼絞線、鋼絲、熱處理鋼筋作預(yù)應(yīng)力鋼筋時(shí)，混凝土強(qiáng)度等級(jí),不宜低于,C40,。,4,）試驗(yàn)方法對(duì)立方體抗壓強(qiáng)度的影響,圖,3.1,砼立方體試塊的破壞情況,a),不涂潤(rùn)滑劑,b),涂潤(rùn)滑劑,我國(guó)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法：不涂潤(rùn)滑劑。,5,）幾點(diǎn)說明,按圖紙規(guī)定的強(qiáng)度等級(jí),制作混凝土；,現(xiàn)場(chǎng)制作,試塊（標(biāo)養(yǎng)試塊、同條件養(yǎng)護(hù)試塊）；,檢驗(yàn)立

5、方體抗壓強(qiáng)度是否滿足設(shè)計(jì)要求采用,標(biāo)養(yǎng)試塊；,結(jié)構(gòu)實(shí)體的環(huán)境條件與實(shí)驗(yàn)室養(yǎng)護(hù)條件不同，必須增加,同條件養(yǎng)護(hù)試塊,予以判定結(jié)構(gòu)實(shí)體的強(qiáng)度；,不同尺寸試件的,“尺寸效應(yīng)”,:,f,cu,，,k,(200)1.05=,f,cu,，,k,(150)=,f,cu,，,k,(100)0.95,(2),軸心抗壓強(qiáng)度,1),測(cè)定方法,以,150mm150mm300mm,的棱柱體,作為標(biāo)準(zhǔn)試件。試件上下表面不涂潤(rùn)滑劑。棱柱體試件的抗壓強(qiáng)度都比立方體的強(qiáng)度值小，且棱柱體試件高寬比越大，強(qiáng)度越小,。,圖,.,砼棱柱體抗壓試驗(yàn),2,）軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值,f,ck,以,150mm150mm300mm,的棱柱體試件試驗(yàn)測(cè)

6、得的具有,95,保證率的抗壓強(qiáng)度為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，用符號(hào),f,ck,表示。,3,）軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值,f,ck,與立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值,f,cu,k,的關(guān)系,f,ck,0.88,1,2,f,cu,k,（,3,）,軸心抗拉強(qiáng)度,1),測(cè)定方法,常用,150mm150mm150mm,立方體或圓柱體,的劈裂試驗(yàn)來間接測(cè)定。,砼劈裂試驗(yàn)示意圖,2),軸拉強(qiáng)度,f,tk,與立方體抗壓強(qiáng)度,f,cu,k,的關(guān)系,軸心抗拉強(qiáng)度約為立方體抗壓強(qiáng)度的,5%,10%,，,混凝土強(qiáng)度等級(jí)愈高，這個(gè)比值愈小。,f,tk,0.880.395 f,cu,k,0.55,(1-1.645,),0.45,2,混凝土軸

7、心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值,f,ck,、軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值,f,tk,按表,.,采用。,混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,f,c,、軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,f,t,按表,2.4,采用。,3.,混凝土的三軸受壓強(qiáng)度,混凝土在三軸受壓情況下，,抗壓強(qiáng)度,f,cc,有較大程度的增長(zhǎng)。,常規(guī)三軸受壓是在圓柱體周圍加液壓，在兩側(cè)向等壓,(,2,=,3,=,f,L,0),情況下進(jìn)行。試驗(yàn)得到的經(jīng)驗(yàn)公式為：,f,cc,f,c,+(4.5,7.0)f,L,式中,f,cc,有側(cè)向壓力約束試件的軸心抗壓強(qiáng)度；,f,c,無側(cè)向壓力約束試件的軸心抗壓強(qiáng)度；,f,L,側(cè)向約束壓應(yīng)力。,3.,混凝土的三軸受壓強(qiáng)度,常見工程范例：,螺旋箍筋柱、

8、鋼管混凝土柱,螺旋箍筋、鋼管約束混凝土的,側(cè)向變形,以提高混凝土的,抗壓強(qiáng)度和延性。,3.1.2,混凝土的變形,包括：受力變形和體積變形。,受力變形,:,混凝土在,一次短期加載、荷載長(zhǎng)期作用、多次重復(fù)荷載作用下,產(chǎn)生的變形。,體積變形,:,混凝土由于硬化過程中的,收縮,以及,溫度和濕度變化,所產(chǎn)生的變形。,1.,混凝土在一次短期加載下的變形,（,1,）采用棱柱體測(cè)定：,混凝土受壓應(yīng)力,應(yīng)變?nèi)€。,這條曲線包括,上升段,和,下降段,兩個(gè)部分：,1,）上升,段（,OC,），,又可分為三段：,OA,段,(0.3f,c,0.4f,c,),：,主要是,彈性變形,，應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系接近直線，,A,點(diǎn)為,比

9、例極限點(diǎn)；,AB,段,(,0.3f,c,0.8f,c,),：,裂縫穩(wěn)定擴(kuò)展，混凝土的變形為,彈塑性變形，,臨界點(diǎn),B,的應(yīng)力可以作為,長(zhǎng)期抗壓強(qiáng)度,的依據(jù)；,BC,段,(,0.8f,c,f,c,),：,裂縫快速發(fā)展的不穩(wěn)定狀態(tài)直至峰點(diǎn),C,，,峰值應(yīng)力,max,通常作為混凝土棱柱體的抗壓強(qiáng)度,f,c,，,相應(yīng)的應(yīng)變稱為峰值應(yīng)變,0,，通常取,0,=0.002,。,2,）下降段（,CE,）：,在峰值應(yīng)力以后，裂縫迅速發(fā)展，試件應(yīng)力下降，應(yīng)力一應(yīng)變曲線向下彎曲，直到凹向發(fā)生改變，曲線出現(xiàn),“拐點(diǎn)（,D,）”，標(biāo)志試件破壞。,相應(yīng)的應(yīng)變稱為極限應(yīng)變,CU,，通常取,CU,=0.0033,。,超過“拐

10、點(diǎn)”，曲線開始凸向應(yīng)變軸，此段曲線中曲率最大的一點(diǎn),E,稱為“收斂點(diǎn)”,。,從收斂點(diǎn),E,開始以后的曲線稱為收斂段，這時(shí)貫通的主裂縫已很寬，對(duì)無側(cè)向約束的混凝土，收斂段,EF,已失去結(jié)構(gòu)意義。,(2),混凝土單軸向受壓應(yīng)力,-,應(yīng)變曲線的數(shù)學(xué)模型,圖中,f,c,峰值應(yīng)力（棱柱體極限抗壓強(qiáng)度）；,0,峰值應(yīng)變，取,0,=0.002,；,cu,極限壓應(yīng)變，取,cu,=0.0033,2.,混凝土的變形模量,與彈性材料不同，混凝土受壓應(yīng)力,-,應(yīng)變關(guān)系是一條曲線?；炷恋淖冃文Ａ?三種表示方法：,圖,3.7,混凝土變形模量的表示方法,（,1),混凝土的彈性模量（即原點(diǎn)模量）,在原點(diǎn)（圖中的,O,點(diǎn)）作

11、一切線，其斜率為混凝土的原點(diǎn)模量，稱為彈性模量,E,c,。,E,c,tg,0,混凝土的彈性模量,E,c,取值,見表,.,(2),混凝土的變形模量,連接,O,點(diǎn)至曲線任一點(diǎn)割線的斜率，稱為割線模量或變形模量。包含彈性變形和塑性變形兩部分，也稱為,彈塑性模量，,變形模量是個(gè)變值。,E,c,tg,1,Ec,(3),混凝土的剪變模量,G,c,0.4,E,c,2.,混凝土在長(zhǎng)期荷載作用下的變形,(,徐變,),（,1),徐變的概念,荷載不變，變形隨時(shí)間增長(zhǎng),的現(xiàn)象稱為徐變。徐變值約為,1-4,倍,瞬時(shí)應(yīng)變。,混凝土的徐變主要與時(shí)間參數(shù)有關(guān)。,(2),影響徐變的因素,1),內(nèi)在因素,混凝土組成成分,a),水

12、泥用量越多，徐變?cè)酱螅?b),水灰比越大，徐變?cè)酱螅?c),骨料越堅(jiān)硬，徐變?cè)叫　?2),環(huán)境因素,養(yǎng)護(hù)時(shí)的溫度、濕度,養(yǎng)護(hù)時(shí)溫度高、濕度大，徐變?cè)叫。?3),應(yīng)力條件,混凝土的應(yīng)力大小,混凝土的應(yīng)力越大，徐變也越大。,4.,混凝土的收縮,混凝土凝結(jié)硬化時(shí)，在空氣中體積收縮。,蒸汽養(yǎng)護(hù)混凝土的收縮值要小于常溫養(yǎng)護(hù)下的收縮值。,養(yǎng)護(hù)不好，混凝土構(gòu)件表面或水泥地面會(huì)出現(xiàn),收縮裂縫。,影響混凝土收縮的因素,：,(1),水泥強(qiáng)度等級(jí)：,強(qiáng)度等級(jí)越高，混凝土收縮越大；,(2),水泥的用量：,水泥越多，收縮越大；,(3),水灰比：,水灰比越大，收縮也越大；,(3),骨料：,級(jí)配越好、彈性模量越大，收縮越小

13、；,(4),養(yǎng)護(hù)條件：,養(yǎng)護(hù)溫度、濕度越高，收縮越小；,(5),混凝土制作方法：,混凝土越密實(shí)，收縮越?。?(6),使用環(huán)境：,溫度越低、濕度越大，收縮越小；,(7),構(gòu)件的體積與表面積比值：,比值越大，收縮越小。,3.2,鋼筋的材料力學(xué)性能,3,.2.1,鋼筋的形式、品種和級(jí)別,1.,鋼筋按化學(xué)成分分類,(1),碳素結(jié)構(gòu)鋼,碳素結(jié)構(gòu)鋼分為：,低碳鋼,（含碳量,0.25,),、,中碳鋼,（含碳量,0.25,0.6,）和,高碳鋼,（含碳量,0.6,1.4,）。,含碳量越高，強(qiáng)度越高，但塑性和可焊性降低。,(2),普通低合金鋼,在碳素結(jié)構(gòu)鋼中，加入少量的硅、錳、鈦、釩、鉻等合,金元素，可有效提高鋼

14、材性能。,2.,鋼筋的種類及選用,強(qiáng)度高，塑性低,強(qiáng)度高，,塑性低，,粘結(jié)好,強(qiáng)度高，,塑性低,預(yù)應(yīng)力鋼筋,鋼筋,熱軋鋼筋,鋼 絲,鋼絞線,熱處理鋼筋,HPB235,HRB335,HRB400,RRB400,光圓鋼筋,變形鋼筋,變形鋼筋,變形鋼筋,非預(yù)應(yīng)力鋼筋,強(qiáng)度,塑性,低,高,高,低,3.,我國(guó)常見鋼筋外形,3.2.2,鋼筋的材料力學(xué)性能,鋼筋按力學(xué)性能的不同，分為,有物理屈服點(diǎn),的鋼筋和,無物理屈服點(diǎn),的鋼筋。,有物理屈服點(diǎn)的鋼筋,（軟鋼）,：,熱軋低碳鋼筋,HPB235,級(jí),和熱軋低合金鋼筋,HRB335,級(jí)、,HRB400,級(jí)、,RRB400,級(jí)；,無物理屈服點(diǎn)的鋼筋,（硬鋼）,：,

15、鋼絲、鋼絞線、熱處理鋼筋。,有物理屈服點(diǎn)的鋼筋,的強(qiáng)度和變形,（,1,）應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系曲線,1)OA,段,彈性階段,2)AC,段,屈服階段,3)CD,段,強(qiáng)化階段,4)DE,段,頸縮階段,(2),強(qiáng)度指標(biāo),1),屈服強(qiáng)度,f,y,:,有物理屈服點(diǎn)的鋼筋到達(dá)屈服點(diǎn)后，會(huì)產(chǎn)生很大的塑性變形，使構(gòu)件出現(xiàn)很大的變形和過寬的裂縫，以致不能使用。,在計(jì)算承載力時(shí)以屈服強(qiáng)度,f,y,作為鋼筋強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；,2),極限抗拉強(qiáng)度,f,u,:,在抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，要求結(jié)構(gòu)在罕遇地震下,“裂而不倒”,鋼筋應(yīng)力可考慮進(jìn)入強(qiáng)化段,要求極限抗拉強(qiáng)度,f,u,1.25,f,y,。,（,3,）塑性指標(biāo),1,）伸長(zhǎng)率：,鋼筋拉斷后

16、的伸長(zhǎng)值與原長(zhǎng)的比率。,伸長(zhǎng)率越大，塑性越好。,伸長(zhǎng)率最小值可參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。,2),冷彎性能,:,將直徑為,d,的鋼筋,繞直徑為,D,的彎芯，,彎曲到規(guī)定的角度后,無裂紋、斷裂及起層現(xiàn)象，,則表示合格。,彎芯直徑,D,越小，彎轉(zhuǎn)角越大，說明鋼筋的塑性越好。,相應(yīng)的彎芯直徑及彎轉(zhuǎn)角可參照相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。,2.,無物理屈服點(diǎn)的鋼筋,的強(qiáng)度和變形,(1),應(yīng)力,-,應(yīng)變曲線,(-,曲線,),條件屈服點(diǎn)：,在承載力設(shè)計(jì)時(shí)，取極限抗拉強(qiáng)度,b,的,85,作為,條件屈服點(diǎn)。,(2),強(qiáng)度指標(biāo),:,極限抗拉強(qiáng)度,b,(3),塑性指標(biāo),:,伸長(zhǎng)率和冷彎性能。,熱扎鋼筋強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值見,表,3.3,；,預(yù)應(yīng)力鋼筋強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值見,表,3.4,；,鋼筋彈性模量見,表,3.5,。,3.,鋼筋應(yīng)力,-,應(yīng)變曲線的數(shù)學(xué)模型,理想彈塑性材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系：,當(dāng),s,y,時(shí)：,s,=,E,s,s,（,3.9,）,當(dāng),y,s,stu,時(shí)：,s,=,f,y,（,3.10,）,式中,s,鋼筋應(yīng)變?yōu)?s,時(shí)的鋼筋應(yīng)力；,f,y,鋼筋的屈服強(qiáng)度；,y,鋼筋應(yīng)力達(dá)到,f,y,時(shí)對(duì)應(yīng)的鋼筋應(yīng)變；,stu,縱向受拉鋼筋的極限拉應(yīng)變,stu