第2章钢筋与混凝土材料的基本性能ppt课件.ppt

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1、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 钢筋的基本性能,2.1.1钢筋的品种和级别,混凝土结构中的钢筋,热轧钢筋的符号说明,2.1.1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）HPB300 d=820 fyk=235HRB335,H

2、RBF335 d=650 f yk=335HRB400,HRBF400,RRB400 d=650 f yk=400HRB500，HRBF500 d=840 f yk=435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,热轧钢筋的外形,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

3、）,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,钢筋的应力应变曲线（无明显流幅的钢筋,硬钢）,2.1.2 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,延伸率试验,冷弯试验,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gt应不小于附表5的规定的数值。,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）

4、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

5、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%；HRB400HRB500: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 混凝土的基本性能,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(uniaxial

6、 compressive cube strength)轴心抗压强度(uniaxial compressive strength)轴心抗拉强度(uniaxial tensile strength)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,材料组成 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

7、列因素加载速度：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。注：对掺加粉煤灰等时，规定龄期为60、90天等。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

8、级按立方体抗压强度标准值确定,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 C15C80，级差5MPa。符号 C35 C：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-strength concrete）当C50时，高强混凝土（high-strength concrete）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150150300mm为标准试件，按与立方体试验相同的规定所得的平均

9、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,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,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

10、与试件混凝土强度之间的差异而采取的修正系数。,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,轴心抗拉强度与立方体抗压强度平均值之间的关系,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,简单受力状态下混凝土的强度 轴心抗拉强度 劈裂试验,弯折试

11、验,2.2.1混凝土的强度,2.2.1混凝土的强度,圆柱体劈裂试验,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,Behaviour of concrete under biaxial stresses,ACI J.66(1969)656-666.,研究方法,方形板试件,施加法向应力 1,施加法向应力 2,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,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。

12、,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1/20.5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,通过液体静压力对圆柱体试件施压,当侧向压力较较高低时,上式不再为线性关系,可采用蔡绍怀经验公式,当侧向压力较低时,对于普通混凝土,2.2.1混凝土的强度,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；达到轴心抗压强度时，抗剪强度为零；当拉应力约为 0.1fc时，抗剪强度为零。,2.2.1混凝土的强度,2.2.2 混凝土的

13、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)：轴压、轴拉、复合应力状态下 承载力计算；非线性分析 荷载长期作用下的变形（徐变）：变形和裂缝宽度计算；预应力损失 重复荷载作用下的变形（疲劳性能）：确定弹性模量；疲劳验算体积变形 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,4,8,2.2.2 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（0.30.8）时，应力-应

14、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（0.81.0）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

15、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,2.2.2 混凝土的变形性能,混凝土单轴受压应力-应变关系模型（本构模型）应力-应变关系模型是应力-应变曲线的数学表达式，可根据某一应变值求出相应的应力值。应用：承载力计算；混凝土结构非线性分析本节给出的两个应力-应变关系模型，一般用于结构的非线性分析。Hognestad模型（早期）上升段下降段,混凝土规范规定的单轴受压应力-应变关系模型,4,8,2.2.2 混凝土的变形性能,混凝土轴心受拉的应力-应变关系,轴心受拉的应力-应变关系,混凝土规范建议的单轴受拉应力-应变关系模型,公式来源：过镇海，张秀琴.混凝土受拉应

16、力应变全曲线的试验研究.建筑结构学报，1988(4).45-53,2.2.2 混凝土的变形性能,2.2.2 混凝土的变形性能,混凝土在复合应力下的应力-应变关系 三轴受压：随侧向压应力增加，纵向强度和变形能力均提高。侧向压力约束了混凝土横向变形，限制了横向膨胀和内部微裂缝的扩展。（约束混凝土）,2.2.2 混凝土的变形性能,螺旋箍筋圆柱体约束混凝土 在接近混凝土单轴抗压强度之前，横向钢筋几乎不受力，混凝土基本不受约束。轴向压力大于单轴抗压强度时，轴向强度和变形能力均提高，横向钢筋越密，提高幅值越大。螺旋筋能使核心混凝土在侧向受到均匀连续的约束力，其效果较普通箍筋好，因而强度和延性的提高更为显著

17、。普通箍筋约束混凝土柱,2.2.2 混凝土的变形性能,2.混凝土在重复荷载作用下的变形性能 一次加载、卸载下的应力-应变曲线 总应变=弹性应变+弹性后效+残余应变 加载、卸载形成环状，其面积为加载、卸载过程中消耗的能量 卸载曲线在A点的切线与加载曲线在原点的切线平行,2.2.2 混凝土的变形性能,多次重复荷载作用下的应力-应变曲线 当加载、卸载的最大压应力值不超过某个限值时，每次加载、卸载过程都将形成塑性变形。经多次重复后，塑性变形将不再增长，混凝土加、卸载的应力-应变曲线呈直线变化，且此直线大致与第一次加载时的原点切线平行。当应力值超过一特定值之后，出现直线后就产生反向弯曲。应变越来越大，就

18、会发生破坏，即疲劳破坏。该特定值就是混凝土的疲劳强度。,2.2.2 混凝土的变形性能,混凝土的弹性模量、剪变模量和泊松比混凝土的变形模量 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。（增量理论）割线模量：某一点与原点连线的斜率。（全量理论）,2.2.2 混凝土的变形性能,混凝土弹性模量 初始弹性模量不易准确测定；多次重复加载、卸载后，应力-应变曲线变为直线，且与原点切线平行。我国规范规定用下述方法测定混凝土弹性模量：将棱柱体试件加载至应力，重复加载、卸载各5次后，应力-应变曲线基本上趋于直线，将应力-应变曲线上与0.5N/mm2的应力差与相应的应变差的比值作为弹性模量。,2.

19、2.2 混凝土的变形性能,混凝土弹性模量与立方体抗压强度之间的关系混凝土弹性模量是试验结果的试验平均值，保证率50%;弹性模量随立方体强度标准值非线性增长;混凝土受拉与受压弹性模量相同.混凝土的泊松比 混凝土的剪变模量,3.混凝土在荷载长期作用下的变形性能,徐变 在不变的应力长期持续作用下，混凝土的变形随时间徐徐增长的现象称为混凝土的徐变。,2.2.2 混凝土的变形性能,徐变的特点 先快后慢，最后趋于稳定 徐变的原因 水泥凝胶体的黏性流动，使 骨料应力增大 混凝土中内部微裂缝的发展影响徐变的因素 应力的大小 线性徐变，徐变与应力成正比 非线性徐变，徐变增长速度比应力增长快 徐变与时间曲线发散。

20、,2.2.2 混凝土的变形性能,2.2.2混凝土的变形性能,影响徐变的因素混凝土组成和配合比 骨料（不产生徐变）多，徐变小；水泥用量和水灰比大（混凝土中凝胶体比重大），徐变大。环境条件 湿度低，温度高，徐变大（高温干燥下，砼水份逸失较多，转化为水泥结晶体的水泥浆少，凝胶体较多）；龄期短，徐变大。注：徐变是受力变形，有应力存在就有徐变变形；徐变方向与受力方向一致，有受拉、压徐变；徐变随时间变化。,2.2.2 混凝土的变形性能,徐变对结构的影响（研究徐变的意义）1）使钢筋混凝土构件截面产生内力重分布：混凝土应力减小，钢筋应力增大。2）使受弯构件和偏压构件的变形加大：徐变使截面受压区变形增大，引起受

21、弯构件挠度增大，偏压构件偏心距增大。3）使预应力混凝土构件产生预应力损失：预压力使混凝土产生徐变，构件缩短，引起预应力损失。,混凝土的收缩,混凝土在空气中结硬时其体积会缩小，这种现象称为混凝土的收缩。使结构产生收缩裂缝，引起预应力损失。,混凝土的膨胀,混凝土的温度变形,温度变化会使混凝土热胀冷缩，在结构中产生温度应力，甚至会使构件开裂以至于损坏。,2.2.2混凝土的变形性能,混凝土在水中结硬时体积会膨胀，称为混凝土的膨胀。,粘结应力的概念及特点 粘结破坏机理及影响因素 钢筋的锚固,2.3 钢筋与混凝土的粘结,本节内容2.3.1 一般概念 粘结应力；粘结强度2.3.2 粘结应力的特点 光面钢筋；

22、变形钢筋2.3.3 粘结破坏机理 光面钢筋；变形钢筋2.3.4 影响粘结强度的因素2.3.5 钢筋的锚固和连接 应用：锚固长度，连接长度，延伸长度 混凝土结构非线性分析,2.3.1 一般概念,粘结应力(粘结力)效应,钢筋与混凝土接触面上所产生的沿钢筋纵向的剪应力。,粘结强度抗力,粘结失效（钢筋被拔出或混凝土被劈裂）时的最大粘结应力。,粘结应力的分类,锚固粘结应力 裂缝附近的局部粘结应力,2.3.1 一般概念,粘结应力分类 锚固粘结应力：钢筋伸入支座，负弯矩钢筋在某处截断-钢筋的锚固长度和延伸长度 局部粘结应力：裂缝附近的局部粘结应力-裂缝宽度和变形计算,锚固粘结应力,fy,悬臂梁的纵筋锚固,裂

23、缝附近的局部粘结应力,2.3.1 一般概念,2.3.2 粘结应力的特点,粘结应力的特点,粘结应力分布的中心拔出试验,粘结应力的特点,钢筋应力及粘结应力的分布,变形钢筋粘结性能比光面钢筋好。光圆钢筋应力峰值靠近加载端，粘结应力增长缓慢。变形钢筋粘结应力分布长度缓慢增长，粘结应力峰值显著增大。,2.3.2 粘结应力的特点,2.3.3 粘结破坏机理,光圆钢筋的粘结破坏,粘结力的组成 化学胶着力：混凝土中水泥凝胶体与钢筋表面的化学胶着力；占的比例较小。摩擦力：钢筋与混凝土接触面间的摩擦力 机械咬合力：钢筋表面粗糙不平的机械咬合力,2.3.3 粘结破坏机理,光面圆钢筋的粘结破坏破坏过程 加载端滑移（oa

24、）中间部分滑移（ab）自由端滑移（b）拔出前整体滑移（bc）光圆钢筋的粘结作用，在出现相对滑移前主要取决于化学胶着力，发生滑称后则由摩擦力和机械咬合力提供。光圆钢筋拔出试验的破坏形态，为钢筋从混凝土中被拔出的剪切破坏，其破坏面就是钢筋与混凝土的接触面。,变形钢筋的粘结破坏,粘结力的组成仍为化学胶着力、摩擦力、机械咬合力，但主要为 机械咬合力。变形钢筋的-s曲线,2.3.3 粘结破坏机理,变形钢筋的粘结破坏,劈裂式破坏的条件:钢筋外围砼薄而且没有环向箍筋 刮犁式破坏的条件:钢筋外围砼厚或有环向箍筋约束 刮犁式破坏模式,变形钢筋处的挤压力和内部裂缝,2.3.3 粘结破坏机理,2.3.4 影响粘结强

25、度的因素,影响粘结强度的因素,混凝土强度:粘结强度大致与混凝土抗拉强度成线性关系 保护层厚度和钢筋净间距：二者越大，粘结强度越高 钢筋的外形：变形钢筋粘结强度高 横向配筋：提供侧向约束，延缓或阻止劈裂裂缝发展 侧向压应力：使摩擦力的机械咬合力增大 受力状态：重复荷载或反复荷载使粘结强度退化,2.3.5 钢筋的锚固和连接,钢筋的锚固设计 锚固长度，搭接长度，延伸长度钢筋的锚固和连接的实质是粘结问题钢筋锚固：通过混凝土中钢筋埋置段或机械措施，将钢筋所受力传递给混凝土，使钢筋埋置于混凝土而不被拔出。锚固是钢筋如何将力传给混凝土的问题直钢筋的锚固带弯钩、弯折钢筋的锚固机械锚固,（a）90弯钩（b）13

26、5弯钩（c）一侧贴焊锚筋,（d）两侧贴焊锚筋（e）穿孔塞焊锚板（f）螺栓锚头,锚固设计原理强度极限状态主要适用于直钢筋的锚固问题刚度极限状态主要适用于带弯钩和弯折钢筋的锚固问题,2.3.5 钢筋的锚固和连接,受拉钢筋的基本锚固长度 临界锚固长度lacr,受拉钢筋的 基本锚固长度lab,受压钢筋的锚固长度可取受拉钢筋锚固长度的0.7倍,2.3.5 钢筋的锚固和连接,受拉钢筋的锚固长度,2.3.5 钢筋的锚固和连接,锚固长度的修正系数a 对带肋钢筋，当直径大于25mm时，应取1.10，当钢筋表面有环氧树脂涂层时，应取1.25；当锚固区的混凝土保护层大于钢筋直径的3倍且配有箍筋时，可取0.80。当钢

27、筋在施工过程中易受扰动（如滑模施工）时，应取1.10；当纵向受力钢筋的实际配筋面积大于其设计计算面积时，如有充分依据和可靠措施，其锚固长度可乘以设计计算面积与实际配筋面积的比值。,2.3.5 钢筋的锚固和连接,连接机理 一根钢筋的力通过粘结力传给混凝土 通过粘结力传给另一根钢筋 两根钢筋之间斜向挤压力，径向分量使外围混凝土产生横向拉应力，纵向分量使混凝土产生剪切作用，剪切滑移破坏。钢筋的连接是两根钢筋之间如何传力的问题绑扎搭接；机械连接；焊接,钢筋的连接（绑扎搭接）,搭接长度ll=z la任何情况下,ll不应小于300mm搭接接头连接区段的长度为1.3ll凡搭接接头中点位于该连接区段内的搭接接

28、头均属于同一连接区段.,绑扎搭接传力机理是钢筋与混凝土之间的粘结锚固作用。受拉钢筋搭接接头处的粘结强度低于钢筋锚固状态的粘结强度，其搭接长度应大于锚固长度。受压搭接的搭接长度小于受拉搭接长度。,2.3.5 钢筋的锚固和连接,2.3.5 钢筋的锚固和连接,钢筋绑扎搭接接头连接区段的长度为1.3，凡搭接接头中点位于该连接区段长度内的搭接接头均属于同一连接区段。,2.3.5 钢筋的锚固和连接,受拉钢筋搭接接头处的粘结强度低于钢筋锚固状态的粘结强度，其搭接长度应大于锚固长度。受压搭接的搭接长度小于受拉搭接长度。任何情况下,ll不应小于300mm。受压钢筋的搭接长度不应小于受拉钢筋搭接长度的0.7倍，且不应小于200mm。,2.3.5 钢筋的锚固和连接,小结钢筋的强度和变形 屈服强度（条件屈服强度），极限强度，延伸率，冷弯性能混凝土的强度和变形 单轴受力强度：立方体抗压强度，轴心抗压强度，轴心抗拉 强度 复杂受力强度：三轴强度，二轴受力强度，剪压和剪拉强度 受力变形：一次短期加载变形；徐变变形；重复加载变形 体积变形：收缩变形；温度变形钢筋与混凝土的粘结 锚固长度，搭接长度，延伸长度,