结构材料的力学性能.ppt

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1、第三章 结构材料的力学性能,苏州科技学院 土木工程学院唐兴荣 博 士 教 授二O一二年元月,主要内容,第二节 混凝土,第一节 建筑钢材,第三节 钢筋与混凝土的相互作用粘结力,混凝土的强度 混凝土立方体抗压强度 混凝土棱柱体抗压强度（混凝土轴心抗压强度）混凝土轴心抗拉强度 混凝土的变形 混凝土短期加载下的变形性能 混凝土在荷载长期作用下的变形性能 混凝土收缩 混凝土强度等级的选用原则,钢材的力学性能 钢材的冷加工 建筑钢材的品种 钢材的选用,粘结力的概念 保证钢筋和混凝土之间粘结力的措施,第一节 建筑钢材,一、钢材的力学性能 钢材通常只作拉伸试验。软钢 钢筋的应力应变曲线中有明显的流幅（热轧低碳

2、钢和普通热轧低合金钢所制成的钢筋）硬钢 钢筋的应力应变曲线中无明显的流幅（钢丝、钢绞线、热处理钢筋等预应力钢筋）,软钢的应力-应变曲线,弹性阶段（oa段）,屈服阶段（abcd段）,应力（s）与应变（e）按正比例增加，如果卸载则试件的变形可全部恢复,软钢的应力-应变曲线,屈服强度是软钢设计强度的依据（构件中钢筋的应力到达屈服强度后，将产生很大的塑性变形，这时钢筋混凝土构件将出现很大的变形和不可闭合的裂缝，以致不能使用）,强化阶段（de段）,颈缩阶段（ef段）,含碳量越高，钢筋的屈服强度、极限强度越高，但屈服台阶缩短，伸长率下降,在强化阶段卸载，应力-应变曲线平行于Oa,硬钢规定以条件屈服点作为设

3、计强度的指标。,硬钢 钢筋的应力应变曲线中没有明显的流幅,二、钢材的冷加工（冷拉、冷拔）,提高热轧钢筋的强度,图3-4 钢筋冷拉原理图,必须注意 焊接时产生的高温会使钢筋软化（强度降低，塑性增加），因此需要焊接的钢筋应先焊好再进行冷拉；冷拉只能提高钢筋的抗拉强度而不能提高钢筋的抗压强度。,经冷拔后钢筋没有明显的屈服点和流幅。,钢筋进行冷拔处理可同时提高钢筋的抗拉强度和抗压强度。,冷拔 是将直径为610mm的HPB235（Q235）级钢筋用强力拔过比本身直径还小0.51.0mm的硬质合金拔丝模。钢筋在通过拔丝钢模时，同时受到纵向拉力和横向挤压的作用而产生塑性变形，迫使钢筋内部结构组织发生变化，从

4、而使钢筋的强度比原来有很大的提高，但塑性降低很多。,三、建筑钢材的品种,含碳量越高钢筋的强度越高，但其塑性和可焊性降低，反之钢筋的强度降低，其塑性和可焊性好。,硫(S)和磷(P)是钢材中的有害元素。,磷(P)元素使钢材塑性降低，并使钢在低温下易于脆断，磷的危害性随含碳量增多而增加，但在低碳钢中磷的影响较小。,硫(S)元素使钢材的可焊性降低，同时在高温下使钢材产生热脆。,这两种元素在钢材中的含量均有限制，不得超过0.045%0.05%。,锰元素 可以提高钢材的强度和硬度并可改善钢材的焊接性能,钛元素 可改善钢材的塑性、韧性和可焊性,钒元素 可改善钢材的塑性和可焊性,钢筋混凝土结构中大量应用普通低

5、合金钢,热轧钢筋（低碳钢、普通低合金钢热轧）,HPB300 热轧光面钢筋 Hot-rolled Plain steel Bar,HRB335、HRB400、HRB500热轧带肋钢筋 Hot-rolled Ribbed-steel Bar,RRB400 余热处理钢筋 heat treatment Ribbed steel Bar,HRBF335、HRBF400、HRBF500细晶粒带肋钢筋 Hot-rolled Ribbed-steel Bar Fine,根据钢筋产品标准的修改，不再限制钢筋材料的化学成分和制作工艺，而按性能确定钢筋的牌号和强度级别，并以相应的符号表达。增加强度为500Mpa的热

6、轧带肋钢筋；推广400Mpa、500Mpa级高强热轧带肋钢筋作为纵向受力的主导钢筋；限制并准备逐步淘汰335Mpa级热轧带肋钢筋的应用；用300Mpa级光圆钢筋替代235级光圆钢筋。推广具有较好的延性、可焊性、机械连接性能及施工适应性的HRB系列普通热轧带肋钢筋。列入采用控温轧制工艺生产的HRBF系列细晶粒带肋钢筋。RRB系列余热处理钢筋由轧制钢筋经高温水，余热处理后提高强度，其延性、可焊性、机械连接性能及施工适应性降低，一般可用于对变形性能及加工性能要求不高的构件（如基础、大体积混凝土、楼板、墙体以及次要的中小结构构件）中。箍筋用于抗剪、抗扭及抗冲切设计时，其抗拉强度设计值受到限制，不宜采用

7、强度高于400Mpa级的钢筋。当用于约束混凝土的间接配筋时，其强度可以得到充分发挥，采用500Mpa级钢筋具有一定的经济效益。,热处理钢筋（级热轧钢筋经加热、淬火调质）预应力钢筋,冷拉钢筋（热轧钢筋冷拉）冷拉级只用于普通钢筋混凝土 冷拉级 冷拉级 预应力钢筋 冷拉级,冷拔钢筋（热轧钢筋冷拔）预应力钢筋 钢丝（消除应力钢丝、低松弛钢丝、中等强度钢丝）钢绞线 精轧螺纹钢筋,增加预应力筋的品种：增补高强、大直径的钢绞线；列入大直径预应力螺纹钢筋（精制螺纹钢筋）；列入中强度预应力钢丝以补充中等强度预应力筋的空缺，用于中、小跨度的预应力构件；淘汰锚固性能很差的刻痕钢丝。近年来，我国强度高、性能好的预应力

8、钢筋（钢丝、钢绞线）已充分供应，故冷加工钢筋不再列入。预应力筋强度标准值和设计值.doc,变形钢筋（螺纹钢筋、人字纹钢筋、月牙纹钢筋）,实际工程大多数采用,四、钢材的选用 1、钢材的质量要求 强度指标：屈服强度、极限强度 塑性指标：伸长率、冷弯性能,对不同品种的钢筋有不同钢锟直径及弯曲角度的要求。钢锟的直径D越小，弯转角越大，说明钢筋的塑性越好。,2、混凝土结构对钢筋性能的要求 强度 强度是指钢筋的屈服强度和极限强度。钢筋的屈服强度是混凝土结构构件计算的主要依据之一（对无明显屈服点的钢筋取条件屈服点）。采用较高强度的钢筋可以节省钢材，获得较好的经济效益。塑性 要求钢筋在断裂前有足够的变形，使混

9、凝土结构构件将要破坏时能给人们以破坏的预兆。另外，还要保证钢筋的冷弯试验的要求。可焊性 在一定的工艺条件下要求钢筋焊接后不产生裂纹及过大的变形，保证焊接后的接头性能良好。耐火性 结构设计时应注意混凝土保护层厚度满足耐火极限的要求。与混凝土的粘结力 为了保证钢筋与混凝土共同工作，两者之间应有足够大粘结力；钢筋表面的形状对粘结力有重要的影响。在寒冷地区，为了防止钢筋发生脆性破坏，对钢筋的低温性能也有一定的要求。,3、钢筋的选用原则规范（GB50010-2010）规定：纵向受力普通钢筋宜采用HRB400、HRB500、HRBF400、HRBF500钢筋，也可采用HPB300、HRB335、HRBF3

10、35、RRB400钢筋 梁、柱中受力普通钢筋应采用HRB400、HRB500、HRBF400、HRBF500钢筋 推广400Mpa、500Mpa级高强热轧带肋钢筋作为纵向受力的主导钢筋；限制并准备逐步淘汰335Mpa级热轧带肋钢筋的应用；用300Mpa级光圆钢筋替代235级光圆钢筋 RRB系列余热处理钢筋由轧制钢筋经高温水，余热处理后提高强度，其延性、可焊性、机械连接性能及施工适应性降低，一般可用于对变形性能及加工性能要求不高的构件（如基础、大体积混凝土、楼板、墙体以及次要的中小结构构件）中。箍筋宜采用HRB400、HRBF400、HPB300、HRB500、HRBF500钢筋，也可采用HRB

11、335、HRBF335钢筋 箍筋用于抗剪、抗扭及抗冲切设计时，其抗拉强度设计值受到限制，不宜采用强度高于400Mpa级的钢筋。当用于约束混凝土的间接配筋时，其强度可以得到充分发挥，采用500Mpa级钢筋具有一定的经济效益。预应力筋宜采用预应力钢丝、钢绞线和预应力螺纹钢筋,4、钢筋强度取值 钢筋强度标准值 符合规定质量的钢筋强度总分布的0.05分位值，即具有不小于95%的保证率,钢筋的强度设计值与其强度标准值之间的关系,第二节 混凝土,混凝土的组成结构,宏观结构,砂浆、粗骨料两组分体（基相：水泥砂浆;分散相：粗骨料）,亚微观结构,混凝土中的水泥石结构（基相：水泥石;分散相：细骨料）,微观结构,水

12、泥石结构,混凝土=粗、细骨料+水泥+水,水化反应（水泥凝胶体+水泥结晶体）,粘结骨料,骨料与水泥石界面,粘结裂缝（Bond Cracking）,水泥石内部,微裂缝（Microcracking）,粗、细骨料、水泥结晶体、未水化水泥颗粒混凝土产生弹性变形,水泥凝胶、孔隙、微裂缝、粘结裂缝 混凝土产生塑性变形,1、混凝土的立方体抗压强度“混凝土强度等级”定义 规范以边长为150mm的立方体，在（203）0C的温度和相对湿度在90%以上的潮湿空气中养护28天，依据标准试验方法（试件表面不涂润滑剂、全截面受压、加荷速度0.150.25N/(mm2.s)）测得的具有95%保证率的抗压强度（以N/mm2计）

13、作为混凝土的强度等级，并用符号f cu,k表示。规范混凝土强度等级（14级）C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75、C80,一、混凝土强度,影响混凝土抗压强度的因素 混凝土的组成成分（水泥等级及用量、水灰比、骨料级配、制作方法等）养护条件（龄期、温湿度）试验条件（加载方法试件上、下表面是否涂润滑剂（加载速度C30，每分钟0.30.5N/mm2 C30，每分钟0.50.8N/mm2）试件尺寸、形状（fcuk,10=1.05fcuk,15；fcuk,20=0.95fcuk,15）,2、混凝土的轴心抗压强度（棱柱体抗压强度）实际结构中混

14、凝土结构受压构件是棱柱体 混凝土棱柱体抗压强度 棱柱体试件 试件高宽比h/b=23，基本上试件中间区段形成纯压状态,“混凝土轴心抗压强度”定义 规范采用150150450mm或100100300mm的棱柱体，在标准条件下养护28天，依据标准试验方法测得的具有95%保证率的抗压强度（以N/mm2计）。并用符号fck表示。,根据我国近年来所做的棱柱体与立方体抗压强度对比试验，并考虑到结构中混凝土的强度与试件混凝土强度之间的差异，规范混凝土抗压强度标准值与混凝土立方体强度等级之间的关系：,(3-3)P40,3、混凝土轴心抗拉强度 轴心抗拉强度是混凝土的基本力学性能，也可用其间接地衡量混凝土的其他力学

15、性能，如混凝土的冲切强度等。,测定方法（1）直接拉伸试验（规范）存在问题：试件安装有较小的歪斜和偏心；混凝土内部构造不均匀，其几何中心与物理中心不重合（2）间接拉伸试验（劈裂试验）,（2）间接拉伸试验（劈裂试验）,试验表明：劈裂抗拉强度略大于直接受拉强度,式中，dl试件劈裂面面积,混凝土材料标准值系指符合规定质量的混凝土强度总分布的0.05分位值，即具有不小于95%的保证率。,混凝土强度设计值与其标准值之间的关系为,二、混凝土的变形,1、混凝土短期加荷时的应力-应变关系,各阶段特征,骨料和水泥石的受压弹性变形和水泥胶凝体的粘性流动,测试技术和试验条件（等应力加载只能测得上升段；等应变加载测得上

16、升、下降段）,（试验机刚度对下降段影响较大）,（应变量测标距越大，曲线坡度越陡）,混凝土的变形模量,P41,混凝土的弹性模量Ec以其强度等级按下式计算,附表4,正截面承载力计算时混凝土压应力与应变关系曲线（GB50010-2010）,2、混凝土在荷载长期作用下的变形徐变“混凝土徐变”定义 混凝土在荷载长期作用下，应变随时间的增长的现象,混凝土徐变产生原因 混凝土结硬后，骨料间水泥浆，一部分转变为结晶体，另一部分尚未转化为结晶体的水泥凝胶向水泥结晶体应力重分布;混凝土内部微裂缝在荷载作用下不断发展和增加，从而导致应变增加。应力不大时，徐变以第原因为主 应力较大时，徐变以第原因为主 徐变的有利及不

17、利作用 不利：高应力下会导致构件出现徐变破坏现象；受弯构件由于受压区混凝土徐变，使长期挠度增长；偏心受压构件，由于受压区混凝土徐变引起侧向挠度增长；预应力混凝土构件中，徐变引起预应力损失。有利：徐变引起构件截面内力重分布；对水工结构，徐变可降低温（湿）度引起的内力和缓和应力集中现象,影响混凝土徐变的因素 内在条件混凝土的组成和配比(水泥用量越多,徐变越大；水灰比越大,徐变越大；骨料越坚硬,弹性模量越高,徐变越小)环境因素养护条件；使用环境温（湿）度(养护时温度高,湿度大,水泥水化作用充分,徐变越小)(受荷载后所处的环境温度越高,湿度越低,徐变越大)应力条件混凝土龄期；施加初应力；钢筋存在及应力

18、符号(加载时的混凝土龄期越早,徐变越大)(施加初始应力越大,徐变越大)体表比(体表比越大,徐变越小),3、混凝土的收缩和膨胀“混凝土收缩、膨胀”定义 混凝土在空气中结硬时，体积减小现象混凝土收缩 混凝土在水中结硬时，体积膨胀现象 混凝土膨胀 引起混凝土收缩的原因 干燥失水 物理收缩 水泥和水拌和后，水泥颗粒吸收水分后凝结形成水泥胶体，胶体中水泥颗粒与水不断发生水化作用，形成一种新的晶体化合物，这种较原材料体积小，因而引起体积不断收缩 化学收缩 一般硬化初期以为主，后期则以为主 收缩的有利和不利作用 收缩受限制使混凝土内产生拉应力，甚至使混凝土开裂；收缩影响结构的效能、外表；在预应力混凝土构件中

19、引起预应力损失,影响混凝土收缩的因素 混凝土的组成成分（水泥等级、水泥用量、水灰比、骨料等）（水泥强度等级高、水泥用量多、水灰比大、骨料弹性模量小，收缩大）养护条件（温（湿）度）（养护周围温度、湿度越大，收缩越小）混凝土制作方法（人工、机制）（混凝土越密实，收缩越小）使用环境（使用环境温度、湿度越大，收缩越小）体表比（体表比大，收缩小）钢筋存在及应力符号,三、混凝土强度等级选择 混凝土结构设计规范（GB50010-2010）规定：素混凝土结构 混凝土强度等级不应低于C15 钢筋混凝土结构 钢筋混凝土结构中的混凝土强度等级不应低于C20 采用强度等级400Mpa及以上的钢筋时，混凝土强度等级不应

20、低于C25 承受重复荷载的钢筋混凝土构件，混凝土强度等级不应低于C30 预应力混凝土结构 预应力混凝土结构的混凝土强度等级不宜低于C40，且不应低于C30,小知识点:规范用词说明 表示很严格，非这样做不可的用词 正面词：必须 反面词：严禁 表示严格，在正常情况下均应这样做的用词 正面词：应 反面词：不应或不得 表示允许稍有选择，在条件许可时首先应这样做的用词 正面词：宜 反面词：不宜 表示有选择，在一定条件下可以这样做的 用词：可,第三节 钢筋与混凝土的相互作用粘结力,1、钢筋与混凝土共同工作的基本条件 混凝土硬化后钢筋与混凝土之间产生了良好的粘结应力，使两者可靠地结合在一起 主要条件 钢筋与

21、混凝土两种材料的温度线膨胀系数的数值几乎相等（钢材为1.210-5；混凝土为1.0 10-5 1.5 10-5）材料本身 混凝土能很好地保护钢筋免于锈蚀 保证耐久性2、钢筋与混凝土之间的粘结力,粘结力的测定采用拔出试验或压入试验的方法,特点：粘结应力沿钢筋埋入长度按曲线分布，最大粘结应力在离端头某一距离处，且随拔出力的大小而变化,粘结机理 粘结应力由以下三部分组成 钢筋与混凝土接触面上的化学吸附作用力，也称胶结力 混凝土硬结时体积收缩将钢筋紧紧握固而产生的摩擦力 钢筋表面凹凸不平与混凝土之间产生的机械咬合力，也称咬合力,光面钢筋的粘结力主要来源于胶结力与摩擦力,变形钢筋的粘结力主要来源于摩擦力

22、和机械咬合力,影响钢筋与混凝土之间粘结力的因素,混凝土强度等级,浇注混凝土时钢筋位置,顶部水平钢筋粘结强度比竖向钢筋和底部钢筋的粘结强度低,混凝土的保护层厚度C和钢筋净距,横向钢筋存在延缓了内部微裂缝的发展，提高劈裂粘结应力及粘结强度,侧压力,横向压力约束混凝土的横向变形，使钢筋与混凝土间摩擦力增大，提高粘结强度。若侧压力过大将导致提前出现裂缝，降低粘结强度。,锚固区范围内剪力,在锚固区范围内有剪力时，使平均粘结强度降低,钢筋的外形特征,变形钢筋较光面钢筋的粘结强度高；月牙形钢筋的粘结强度较螺纹钢筋的粘结强度低。,钢筋直径,机械锚固,弯钩、弯折、焊横钢筋（角钢）等附加锚固可增大钢筋与混凝土间粘

23、结力,规范（GB50010-2010）规定：钢筋混凝土结构绑扎骨架和绑扎网中的光面钢筋，除轴心受压钢筋和其它构件中12mm以下的受压钢筋外，都必须在端头设弯钩，以增强锚固能力,锚固长度修正系数，对普通钢筋按下列规定取用，当多于一项时，可按连乘就是那，但不应小于0.6,当带肋钢筋的公称直径大于25mm时，取1.10,环氧树脂涂层带肋钢筋取1.25,施工过程中易受扰动的钢筋取1.10,纵向受力钢筋的实际配筋面积大于其计算面积时，修正系数取设计计算面积与实际计算面积的比值（但对于抗震设防要求及直接受动力荷载的结构构件，不应考虑此项修正）,锚固钢筋的保护层厚度为3d（d为锚固钢筋的直径）时修正系数可取

24、0.80，保护层厚度为5d时修正系数可取0.70，中间按内插取值,当纵向受拉普通钢筋末端采用弯钩或机械锚固措施时，包括弯钩或锚固端头在内的锚固长度（投影长度）可取为基本锚固长度lab的60%。,钢筋弯钩和机械锚固的形式和技术要求,弯钩和机械锚固的形式和技术要求,当计算中充分利用钢筋的受压强度时，受压锚固长度不应小于相应受拉钢筋锚固长度的70%,受压钢筋不应采用末端弯钩的锚固措施,钢筋的接头宜采用机械连接接头，也可采用焊接接头和搭接接头 机械连接接头和焊接接头的类型及质量应符合有关标准、规范的规定,受拉钢筋的搭接长度,搭接接头是依靠粘结来传力的，即在搭接接头处，一根钢筋将其承担的拉力逐步传给混凝

25、土，再由混凝土经粘结力逐步传给另一根与之搭接的钢筋,受压钢筋搭接长度,搭接接头的使用范围 轴心受拉及小偏心受拉构件的受力钢筋不得采用搭接接头 双面配置受力钢筋的焊接骨架不得采用搭接接头 需进行疲劳验算的构件，其纵向受力钢筋不得采用搭接接头，也不宜采用焊接接头 当受拉钢筋直径大于25mm及受压钢筋的直径大于28mm时，不宜采用搭接接头,构件中的纵向受压钢筋当采用搭接连接时，其受压搭接长度不应小于相应纵向受拉钢筋搭接长度的70%，且不应小于200mm,1、软钢和硬钢的应力应变曲线有何不同？二者的强度取值有何不同？2、钢筋冷加工的方法有哪几种？冷拉和冷拔后钢筋的力学性能有何变化？3、钢筋混凝土结构对

26、钢筋的性能有哪些要求？4、钢筋的强度等级是根据什么确定的？规范（GB50011-2010）对钢筋强度等级选择有何要求？,思考题(二),思考题(三),2、混凝土的强度等级是根据什么确定的？规范（GB50011-2010）对混凝土强度等级选择有何要求？,3、单向受力状态下，混凝土的强度与哪些因素有关？,5、什么是混凝土的徐变？混凝土徐变产生原因是什么？影响混凝土徐变的主要因素有哪些？如何减少徐变？,6、什么是混凝土的 收缩？混凝土收缩产生原因是什么？影响混凝土徐变的主要因素有哪些？如何减少收缩？,7、什么是钢筋和混凝土之间的粘结力？影响钢筋和混凝土粘结强度的主要因素有哪些？为保证钢筋和混凝土之间有足够的粘结力要采取哪些措施？,