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1、第二章 钢筋和混凝土材料力学性能,绍兴文理学院土木工程学科梁超锋,混凝土结构基本原理,一、混凝土的强度和变形 1.单轴受力状态下混凝土的抗压强度,立方体抗压强度标准值fcu,k,我国规范的方法：不涂润滑剂,压力试件裂缝发展扩张整个体系解体，丧失承载力,另影响强度的因素还有：龄期、加载速率、试块尺寸等,立方体抗压试验,一、混凝土的强度和变形 1.单轴受力状态下混凝土的抗压强度,标准试块：150150 150,非标准试块：100100 100 换算系数 0.95 200200 200 换算系数 1.05,立方体抗压强度是区分混凝土强度等级的指标，我国规范混凝土的强度等级有：C15，C20，C25，
2、C30，C35，C40，C45，C50，C55，C60，C65，C70，C75，C80,表示混凝土Concrete,立方体抗压强度标准值,立方体抗压强度标准值fcu,k,一、混凝土的强度和变形 1.单轴受力状态下混凝土的抗压强度,棱柱体抗压强度标准值fck,标准试块：150150 300,非标准试块：100100 300 换算系数 0.95 200200 400 换算系数 1.05,考虑到承压板对试件的约束，立方体抗压强度大于棱柱体抗压强度，且有：fck=0.76fcu,k(试验结果)考虑到构件和试件的区别，取fck=0.67fcu,k,对国外（美国、日本、欧洲混凝土协会等）采用的圆柱体试件（
3、d=150,h=300），有fc=0.79fcu,圆柱体抗压强度,一、混凝土的强度和变形 1.单轴受力状态下混凝土的抗拉强度,直接轴心受拉试验ftk,试验结果：ft=0.26fcu 2/3考虑到构件和试件的区别，尺寸效应，加荷速度等的影响，取ft=0.23fcu 2/3,一、混凝土的强度和变形 1.单轴受力状态下混凝土的抗拉强度,劈裂试验fts,我国根据100mm立方体的劈裂与抗压试验结果有：fts=0.19fcu 3/4,一、混凝土的强度和变形 1.单轴受力状态下混凝土的抗拉强度,三种混凝土强度标准值作用,-评定混凝土强度等级标准,-更好反应混凝土实际抗压能力（确定混凝土轴心抗压强度设计值）
4、,-反应混凝土实际抗拉能力,三种混凝土强度标准值大小关系,一、混凝土的强度和变形 1.单轴受力状态下混凝土的抗拉强度,混凝土强度标准值与设计值,混凝土强度标准值与设计值大小关系,具体数值见教材附表2-1，2-2,一、混凝土的强度和变形 2.复合受力状态下混凝土的抗拉强度,双轴应力下的强度,双向正应力下的强度曲线,法向应力和剪应力下的强度曲线,一、混凝土的强度和变形 2.复合受力状态下混凝土的抗拉强度,三向受压时的混凝土强度,圆柱体试验,有侧向约束时的抗压强度,无侧向约束时圆柱体的单轴抗压强度,一、混凝土的强度和变形 3.混凝土的疲劳强度,重复荷载下的应力-应变曲线,fcf的确定原则：10010
5、0 300或150150 450 的棱柱体试块承受200万次（或以上）循环荷载时发生破坏的最大压应力值,fcf与重复作用应力变化幅值有关。,一、混凝土的强度和变形 4.混凝土的变形性能,单轴受压时的应力-应变关系,一、混凝土的强度和变形 4.混凝土的变形性能,单轴受压时的应力-应变关系的数学模型,美国Hognestad模型,德国Rsch模型,一、混凝土的强度和变形 4.混凝土的变形性能,单轴受压时的应力-应变关系的数学模型-中国规范,一、混凝土的强度和变形 4.混凝土的变形性能,侧向受约束时混凝土的变形特点,实际工程侧向约束密排螺旋筋或箍筋钢管,一、混凝土的强度和变形 4.混凝土的变形性能,轴
6、向受拉时混凝土的应力应变关系,理论模型,一、混凝土的强度和变形 4.混凝土的变形性能,重复荷载下混凝土的变形性能,一、混凝土的强度和变形 4.混凝土的变形性能,混凝土的弹性模量,原点切线模量（弹性模量）：拉压相同,变形模量（割线模量、弹塑性模量）,切线模量,受压时，为0.41.0；受拉破坏时，为1.0,一、混凝土的强度和变形 4.混凝土的变形性能,混凝土的弹性模量的试验方法（150150 300标准试件）,510次,一、混凝土的强度和变形 4.混凝土的变形性能,混凝土的泊松比和剪切模量,混凝土的泊松比，在压力较小时为0.150.18，接近破坏时可达0.5以上，一般可取0.2,混凝土的剪切模量为
7、,一、混凝土的强度和变形 4.混凝土的变形性能,长期荷载作用下混凝土的变形性能-徐变,c0.5fc，线性徐变,c0.8fc，非线性徐变,原因之一，胶凝体的粘性流动,原因之二，混凝土内部微裂缝的不断发展,一、混凝土的强度和变形 4.混凝土的变形性能,长期荷载作用下混凝土的变形性能-影响徐变的因素,应力：c0.8fc，造成混凝土破坏，不稳定,加荷时混凝土的龄期，越早，徐变越大,水泥用量越多，水灰比越大，徐变越大,骨料越硬，徐变越小,养护温度、湿度,一、混凝土的强度和变形 4.混凝土的变形性能,混凝土的收缩-结硬过程中混凝土体积缩小的性质,水泥品种：等级越高，收缩越大,水泥用量：水泥用量越多，水灰比
8、越大，收缩越大,骨料：骨料越硬，收缩越小,养护条件、制作方法、使用环境、体积与表面积的比值等,一、混凝土的强度和变形 4.混凝土的变形性能,徐变对混凝土结构的影响,P拆去，钢筋受压混凝土受拉，可能会引起混凝土开裂,徐变：s，c,一、混凝土的强度和变形 4.混凝土的变形性能,收缩对混凝土结构的影响,收缩：钢筋受压，混凝土受拉,二、钢筋的强度和变形 1.钢筋的成分、级别和品种,按化学成分,碳素钢（铁、碳、硅、锰、硫、磷等元素）,低碳钢（含碳量0.25%）,中碳钢（含碳量0.250.6%）,高碳钢（含碳量0.61.4%）,普通低合金钢（另加硅、锰、钛、钒、铬等）,硅系硅钒系硅钛系硅锰系硅铬系,二、钢
9、筋的强度和变形 1.钢筋的成分、级别和品种,钢筋,热轧钢筋：热轧光面钢筋HPB300，热轧带肋钢筋HRB335、HRB400，余热处理钢筋RRB400、HRB500,冷拉钢筋：由热轧钢筋在常温下用机械拉伸而成,热处理钢筋：将HRB400、RRB400钢筋通过加热、淬火、回火而成,按加工,钢丝,碳素钢丝：高碳镇静钢通过多次冷拔、应力消除、矫正、回火处理而成,刻痕钢丝：在钢丝表面刻痕，以增强其与混凝土间的粘结力,钢绞线：六根相同直径的钢丝成螺旋状铰绕在一起,冷拔低碳钢丝：由低碳钢冷拔而成,注意钢筋级别符号,二、钢筋的强度和变形 1.钢筋的成分、级别和品种,按表面形状（图2-20）,光圆钢筋,变形钢
10、筋,钢筋的应用范围,非预应力钢筋：HRB300，HRB335，HRB400，RRB400、HRB500,预应力钢筋：碳素钢丝，刻痕钢丝，钢绞线，热处理钢筋，冷拉钢筋,二、钢筋的强度和变形 2.钢筋的冷加工和热处理,冷拉,无时效,经时效,K点的选择：应力控制和应变控制,温度的影响：温度达700C时恢复到冷拉前的状态，先焊后拉,特性：只提高抗拉强度，不提高抗压强度，强度提高，塑性下降,二、钢筋的强度和变形 2.钢筋的冷加工和热处理,冷拔,经过冷拔后钢筋没有明显的屈服点和流幅,冷拔既能提高抗拉强度又能提高抗压强度,二、钢筋的强度和变形 2.钢筋的冷加工和热处理,热处理,对特定钢号的钢筋进行淬火和回火
11、处理,强度提高，塑性降低,不降低强度的前提下，消除由淬火产生的内力，改善塑性和韧性,二、钢筋的强度和变形 3.钢筋的应力-应变曲线,上屈服点不稳定,下屈服点,出现颈缩,拉断,BC段为屈服平台CD段为强化段,有明显流幅的钢筋(热轧钢筋),无明显流幅的钢筋（热处理钢筋）,钢筋受压和受拉时的应力-应变曲线几乎相同,二、钢筋的强度和变形 3.钢筋的应力-应变曲线,强度指标,*明显流幅的钢筋：下屈服点对应的强度作为设计强度的依据，因为，钢筋屈服后会产生大的塑性变形，钢筋混凝土构件会产生不可恢复的变形和不可闭合的裂缝，以至不能使用,*无明显流幅的钢筋：残余应变为0.2%时所对应的应力作为条件屈服强度,各类
12、钢筋的标准值与设计值见附表2-6至2-9,二、钢筋的强度和变形 3.钢筋的应力-应变曲线,强度指标的确定,强度,随机变量,根据统计资料，运用数理统计方法确定的具有一定保证率（钢筋为97.73%）的统计特征值：强度标准值=强度平均值-2标准差,混凝土强度（保证率为95%）强度标准值=强度平均值-1.645标准差,二、钢筋的强度和变形 3.钢筋的应力-应变曲线,变形指标,*伸长率：钢筋拉断后的伸长与原长的比值,*冷弯要求：将直径为d的钢筋绕直径为D的钢辊弯成一定的角度而不发生断裂,二、钢筋的强度和变形 4.钢筋的徐变和松弛,徐变,应力不变，随时间的增长应变继续增加,松弛,长度不变，随时间的增长应力
13、降低,对结构，尤其是预应力结构，产生不利的影响，需采取必要的措施,二、钢筋的强度和变形 5.钢筋的疲劳,重复荷载作用下，钢筋的强度静载作用下的强度,规定的应力幅度内，经一定次数的重复荷载后，发生疲劳破坏的最大应力值称为疲劳强度。对钢筋用疲劳应力幅来表示其疲劳强度。,试验方法,单根钢筋的轴拉疲劳,钢筋埋入混凝土中重复受拉或受弯,二、钢筋的强度和变形 6.混凝土结构对钢筋的要求,强度要求：屈服强度和极限强度，抗震设计时还要求有一定的屈强比,塑性要求：伸长率和冷弯要求,可焊性,与混凝土的粘结性,二、钢筋的强度和变形 7.钢筋应力-应变曲线的数学模型,有明显流幅的钢筋,无明显流幅的钢筋,三、粘结作用与
14、粘结机理 1.粘结作用,裂缝出现前的粘结作用,梁中粘结应力的分布与V的分布规律相同；实际上由于微裂缝的存在分布规律还要变化,钢筋的周长,三、粘结作用与粘结机理 1.粘结作用,裂缝出现后的粘结作用,锚固粘结,保证钢筋和混凝土共同工作,缝间粘结,改善钢筋混凝土的耗能性能,三、粘结作用与粘结机理 2.粘结机理,光圆钢筋,胶结力,摩擦力,机械咬合力（钢筋表面不平、微锈时可显著提高咬合力）,有滑移时粘附力即消失,钢筋受力较大时粘结力主要由此二部分组成,三、粘结作用与粘结机理 2.粘结机理,变形钢筋,胶结力,摩擦力,机械咬合力,主要作用,三、粘结作用与粘结机理 3.粘结试验,拔出试验,半梁试验,搭接长度试
15、验,延伸长度试验,三、粘结作用与粘结机理 4.粘结破坏形态,光圆钢筋,钢筋拔出,三、粘结作用与粘结机理 4.粘结破坏形态,变形钢筋,三、粘结作用与粘结机理 4.粘结破坏形态,变形钢筋,混凝土撕裂,混凝土局部挤碎,刮出式破坏,四、钢筋与混凝土间粘结强度,一般用拔出试验测出钢筋与混凝土间的平均粘结强度,钢筋周长,埋置长度,拔出拉力,影响因素,混凝土强度,浇注位置（水平浇注、竖向浇注）,钢筋的外形特征,保护层厚度和钢筋的净距,五、锚固、搭接长度 1.实用锚固长度的计算公式,基本锚固长度（GB50010）：,对不同的情况还要作修正,带肋钢筋，d25mm，取1.1la,钢筋表面有环氧树脂涂层，取1.25la,钢筋施工过程中易受扰动，取1.1la,钢筋末端机械锚固（形式见图2-28），取0.6la,受压钢筋锚固长度不小于0.7la,五、锚固、搭接长度 2.实用搭接长度的计算公式,基本锚固长度（GB50010）：,五、锚固、搭接长度 2.实用搭接长度的计算公式,同一连接区段,搭接接头面积百分率,绑扎搭接适用情况,机械连接或焊接,搭接接头宜互相错开，且设置在受力较小位置,
