第3章 鋼筋和混凝土的材料力學性能

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

2、的混凝土強度,影響混凝土強度的因素：,（）,水泥強度等級、水灰比、骨料的性質(zhì)；,（）混凝土配合比、制作方法、養(yǎng)護條件及齡期；,（）試件形狀、尺寸、試驗方法和加載時間。,1,）立方體抗壓強度,f,cu,測定方法,混凝土試驗方法,規(guī)定,:,以邊長為,150mm,的立方體,為標準試件，在,(203),的溫度和相對,濕度,90,以上的潮濕空氣中養(yǎng)護,28d,，,按照標準試驗方法測得的抗壓強度作為混凝土的立方體抗壓強度，單位為,N/mm,2,。,(1),立方體抗壓強度和強度等級,我國把,立方體抗壓強度標準值,f,cu,k,作為評定混凝土強度等級的標準。,2,）,立方體抗壓強度標準值,f,cu,k,混凝土

3、結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范,(GB50010-2002),規(guī)定,:,用上述標準試驗方法測得的具有,95,保證率,的立方體抗壓強度作為混凝土的,立方體抗壓強度標準值，,用符號,f,cu,k,表示。,f,f,f,k,3,）強度等級的劃分及有關(guān)規(guī)定,混凝土強度等級應按立方體抗壓強度標準值,f,cu,k,確定。,混凝土強度等級：,C15,、,C20,、,C25,、,C30,、,C35,、,C40,、,C45,、,C50,、,C55,、,C60,、,C65,、,C70,、,C75,和,C80,，,共,14,個等級。,例如，,C30,表示立方體抗壓強度標準值為,30N/mm,2,。,其中，,C50,C80,屬高強度混凝

4、土范疇。,規(guī)范,規(guī)定,:,鋼筋混凝土,不應低于,C15,；,當采用,HRB335,級鋼筋時，混凝土,不宜低于,C20,；,當采用,HRB400,和,RRB400,級鋼筋以及承受重復荷載的構(gòu)件，混凝土強度等級,不得低于,C20,。,預應力混凝土,不應低于,C30,；,當采用鋼絞線、鋼絲、熱處理鋼筋作預應力鋼筋時，混凝土強度等級,不宜低于,C40,。,4,）試驗方法對立方體抗壓強度的影響,圖,3.1,砼立方體試塊的破壞情況,a),不涂潤滑劑,b),涂潤滑劑,我國規(guī)定的標準試驗方法：不涂潤滑劑。,5,）幾點說明,按圖紙規(guī)定的強度等級,制作混凝土；,現(xiàn)場制作,試塊（標養(yǎng)試塊、同條件養(yǎng)護試塊）；,檢驗立

5、方體抗壓強度是否滿足設(shè)計要求采用,標養(yǎng)試塊；,結(jié)構(gòu)實體的環(huán)境條件與實驗室養(yǎng)護條件不同，必須增加,同條件養(yǎng)護試塊,予以判定結(jié)構(gòu)實體的強度；,不同尺寸試件的,“尺寸效應”,:,f,cu,，,k,(200)1.05=,f,cu,，,k,(150)=,f,cu,，,k,(100)0.95,(2),軸心抗壓強度,1),測定方法,以,150mm150mm300mm,的棱柱體,作為標準試件。試件上下表面不涂潤滑劑。棱柱體試件的抗壓強度都比立方體的強度值小，且棱柱體試件高寬比越大，強度越小,。,圖,.,砼棱柱體抗壓試驗,2,）軸心抗壓強度標準值,f,ck,以,150mm150mm300mm,的棱柱體試件試驗測

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

7、心抗壓強度標準值,f,ck,、軸心抗拉強度標準值,f,tk,按表,.,采用。,混凝土軸心抗壓強度設(shè)計值,f,c,、軸心抗拉強度設(shè)計值,f,t,按表,2.4,采用。,3.,混凝土的三軸受壓強度,混凝土在三軸受壓情況下，,抗壓強度,f,cc,有較大程度的增長。,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),情況下進行。試驗得到的經(jīng)驗公式為：,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度；,f,c,無側(cè)向壓力約束試件的軸心抗壓強度；,f,L,側(cè)向約束壓應力。,3.,混凝土的三軸受壓強度,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、荷載長期作用、多次重復荷載作用下,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,）采用棱柱體測定：,混凝土受壓應力,應變?nèi)€。,這條曲線包括,上升段,和,下降段,兩個部分：,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,，應力一應變關(guān)系接近直線，,A,點為,比

9、例極限點；,AB,段,(,0.3f,c,0.8f,c,),：,裂縫穩(wěn)定擴展，混凝土的變形為,彈塑性變形，,臨界點,B,的應力可以作為,長期抗壓強度,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,C,，,峰值應力,max,通常作為混凝土棱柱體的抗壓強度,f,c,，,相應的應變稱為峰值應變,0,，通常取,0,=0.002,。,2,）下降段（,CE,）：,在峰值應力以后，裂縫迅速發(fā)展，試件應力下降，應力一應變曲線向下彎曲，直到凹向發(fā)生改變，曲線出現(xiàn),“拐點（,D,）”，標志試件破壞。,相應的應變稱為極限應變,CU,，通常取,CU,=0.0033,。,超過“拐

10、點”，曲線開始凸向應變軸，此段曲線中曲率最大的一點,E,稱為“收斂點”,。,從收斂點,E,開始以后的曲線稱為收斂段，這時貫通的主裂縫已很寬，對無側(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力,-,應變曲線的數(shù)學模型,圖中,f,c,峰值應力（棱柱體極限抗壓強度）；,0,峰值應變，取,0,=0.002,；,cu,極限壓應變，取,cu,=0.0033,2.,混凝土的變形模量,與彈性材料不同，混凝土受壓應力,-,應變關(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（即原點模量）,在原點（圖中的,O,點）作

11、一切線，其斜率為混凝土的原點模量，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,點至曲線任一點割線的斜率，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，變形隨時間增長,的現(xiàn)象稱為徐變。徐變值約為,1-4,倍,瞬時應變。,混凝土的徐變主要與時間參數(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，徐變越大；,b),水灰比越大，徐變越大；,c),骨料越堅硬，徐變越小。,2),環(huán)境因素,養(yǎng)護時的溫度、濕度,養(yǎng)護時溫度高、濕度大，徐變越??；,3),應力條件,混凝土的應力大小,混凝土的應力越大，徐變也越大。,4.,混凝土的收縮,混凝土凝結(jié)硬化時，在空氣中體積收縮。,蒸汽養(yǎng)護混凝土的收縮值要小于常溫養(yǎng)護下的收縮值。,養(yǎng)護不好，混凝土構(gòu)件表面或水泥地面會出現(xiàn),收縮裂縫。,影響混凝土收縮的因素,：,(1),水泥強度等級：,強度等級越高，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：,級配越好、彈性模量越大，收縮越小

13、；,(4),養(yǎng)護條件：,養(yǎng)護溫度、濕度越高，收縮越??；,(5),混凝土制作方法：,混凝土越密實，收縮越??；,(6),使用環(huán)境：,溫度越低、濕度越大，收縮越??；,(7),構(gòu)件的體積與表面積比值：,比值越大，收縮越小。,3.2,鋼筋的材料力學性能,3,.2.1,鋼筋的形式、品種和級別,1.,鋼筋按化學成分分類,(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,強度高，塑性低,強度高，,塑性低，,粘結(jié)好,強度高，,塑性低,預應力鋼筋,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,非預應力鋼筋,強度,塑性,低,高,高,低,3.,我國常見鋼筋外形,3.2.2,鋼筋的材料力學性能,鋼筋按力學性能的不同，分為,有物理屈服點,的鋼筋和,無物理屈服點,的鋼筋。,有物理屈服點的鋼筋,（軟鋼）,：,熱軋低碳鋼筋,HPB235,級,和熱軋低合金鋼筋,HRB335,級、,HRB400,級、,RRB400,級；,無物理屈服點的鋼筋,（硬鋼）,：,

15、鋼絲、鋼絞線、熱處理鋼筋。,有物理屈服點的鋼筋,的強度和變形,（,1,）應力一應變關(guān)系曲線,1)OA,段,彈性階段,2)AC,段,屈服階段,3)CD,段,強化階段,4)DE,段,頸縮階段,(2),強度指標,1),屈服強度,f,y,:,有物理屈服點的鋼筋到達屈服點后，會產(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。,在計算承載力時以屈服強度,f,y,作為鋼筋強度標準值；,2),極限抗拉強度,f,u,:,在抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計中，要求結(jié)構(gòu)在罕遇地震下,“裂而不倒”,鋼筋應力可考慮進入強化段,要求極限抗拉強度,f,u,1.25,f,y,。,（,3,）塑性指標,1,）伸長率：,鋼筋拉斷后

16、的伸長值與原長的比率。,伸長率越大，塑性越好。,伸長率最小值可參照國家標準。,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。,相應的彎芯直徑及彎轉(zhuǎn)角可參照相應的國家標準。,2.,無物理屈服點的鋼筋,的強度和變形,(1),應力,-,應變曲線,(-,曲線,),條件屈服點：,在承載力設(shè)計時，取極限抗拉強度,b,的,85,作為,條件屈服點。,(2),強度指標,:,極限抗拉強度,b,(3),塑性指標,:,伸長率和冷彎性能。,熱扎鋼筋強度標準值見,表,3.3,；,預應力鋼筋強度標準值見,表,3.4,；,鋼筋彈性模量見,表,3.5,。,3.,鋼筋應力,-,應變曲線的數(shù)學模型,理想彈塑性材料的應力應變關(guān)系：,當,s,y,時：,s,=,E,s,s,（,3.9,）,當,y,s,stu,時：,s,=,f,y,（,3.10,）,式中,s,鋼筋應變?yōu)?s,時的鋼筋應力；,f,y,鋼筋的屈服強度；,y,鋼筋應力達到,f,y,時對應的鋼筋應變；,stu,縱向受拉鋼筋的極限拉應變,stu