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1、混凝土结构设计原理,沈蒲生 主编 梁兴文 副主编,高等教育出版社 2010年9月,第 1 章 混凝土结构用材料的性能,第1章 材料的物理力学性能,主要内容：,钢筋的物理力学性能混凝土的物理力学性能钢筋与混凝土的粘结钢筋的锚固和连接,重点：,钢筋的级别、强度和变形性能混凝土的强度和变形性能粘结破坏机理,第1章 材料的物理力学性能,1.1 钢筋的物理力学性能,1 钢筋的种类及符号说明,预应力钢筋,第1章 材料的物理力学性能,1.1 钢筋的物理力学性能,1 钢筋的种类及符号说明,热轧钢筋的符号说明,HPB235,生产工艺：hot rolled,表面形状：plain,钢筋：bar,屈服强度,第1章 材
2、料的物理力学性能,1.1 钢筋的物理力学性能,1 钢筋的种类及符号解释,热轧钢筋的符号说明,HRB335,hot rolled,ribbed,bar,RRB400,remained heat treatment,ribbed,bar,第1章 材料的物理力学性能,1.1 钢筋的物理力学性能,1 钢筋的种类及符号说明,热轧钢筋的屈服强度,第1章 材料的物理力学性能,1.1 钢筋的物理力学性能,1 钢筋的种类及符号说明,预应力钢筋的符号说明,钢绞线 S Strand,光面钢丝 P Plain,刻痕钢丝 I Indented,螺旋肋钢丝 H Helix,热处理钢筋 HT Heat-treated,第1
3、章 材料的物理力学性能,1.1 钢筋的物理力学性能,1 钢筋的种类及符号说明,预应力钢筋的屈服强度,第1章 材料的物理力学性能,1.1 钢筋的物理力学性能,2 软钢的应力应变曲线,a 比例极限,b 弹性极限,ob 弹性阶段,d 极限抗拉强度,bc 屈服阶段,cd 强化阶段,de 破坏阶段,e 极限应变,第1章 材料的物理力学性能,1.1 钢筋的物理力学性能,3 硬钢的应力应变曲线,d 极限抗拉强度,e 极限应变,条件屈服强度：,取残余应变为0.2%所对应的应力作为无明显流幅钢筋的强度限值，通常称为条件屈服强度。,第1章 材料的物理力学性能,1.1 钢筋的物理力学性能,4 钢筋的应力应变简化模型
4、,（1）理想弹塑性模型,（2）三段线性模型,第1章 材料的物理力学性能,1.1 钢筋的物理力学性能,5 钢筋的塑性性能,（1）延伸率：,（2）冷弯性能：,延伸率越大，钢筋的塑性和变形能力越好。,弯心直径越小，弯过的角度越大，冷弯性能越好，钢筋的塑性性能越好。,第1章 材料的物理力学性能,1.1 钢筋的物理力学性能,6 钢筋的冷加工,冷拉：,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的某一应力值，然后卸载至零。,钢筋在冷拉后，未经时效前，一般没有明显的屈服台阶；经过停放或加热后进一步提高了屈服强度并恢复了屈服台阶，这种现象称为冷拉时效硬化。,第1章 材料的物理力学性能,1.1 钢筋的物
5、理力学性能,6 钢筋的冷加工,冷拔：,将HPB235级热轧钢筋强行拔过小于其直径的硬质合金拔丝模具。,经过几次冷拔的钢丝，抗拉、抗压强度均大大提高，但塑性降低。,第1章 材料的物理力学性能,1.1 钢筋的物理力学性能,7 混凝土结构对钢筋性能的要求,保证构件具有一定的强度储备。,（1）适当的屈强比,（2）足够的塑性 避免发生脆性破坏。,（4）耐久性和耐火性,（3）可焊性 要求钢筋具备良好的焊接性能。,（5）与混凝土具有良好的粘结,必要的混凝土保护层厚度以满足对构件耐火极限的要求。,（6）寒冷地区，防止钢筋低温冷脆导致破坏。,第1章 材料的物理力学性能,1.2 混凝土的物理力学性能,1 立方体抗
6、压强度,用边长为150mm的标准立方体试块在标准条件下养护28d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。,影响因素：,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。,尺寸效应：尺寸越大，内部缺陷较多，强度较低。,加载速度：加载速度越快，强度越低。,端部约束：涂润滑油，强度降低。,第1章 材料的物理力学性能,1.2 混凝土的物理力学性能,1 立方体抗压强度,混凝土强度等级,按立方体抗压强度标准值确定，按 的大小划分为14级。C15、C20、C25、C30 C80。,混凝土强度等级的选用,采用HRB335、HRB400、RRB400级钢筋
7、时，不得低于C20；,预应力混凝土结构，不应低于C30；,采用高强钢丝作预应力钢筋时，不宜低于C40。,承受重复荷载构件的混凝土，不得低于C20；,第1章 材料的物理力学性能,1.2 混凝土的物理力学性能,2 轴心抗压强度,棱柱体高度的取值：,摆脱端部摩擦力的影响；试件不致失稳。,与 的关系：,试验目的：采用棱柱体试件，反映混凝土的实际工作状态。,试件尺寸：我国取 mm为标准试件。,第1章 材料的物理力学性能,1.2 混凝土的物理力学性能,3 轴心抗拉强度,与 的关系：,直接受拉试验,劈裂试验,第1章 材料的物理力学性能,1.2 混凝土的物理力学性能,4 复杂受力状态下混凝土的强度,双轴应力状
8、态,双向受拉，接近单轴抗拉强度；双向受压，混凝土的侧向变形受到约束，强度提高；一拉一压，加速了混凝土内部微裂缝的发展，抗拉、抗压强度均降低。,混凝土的三轴抗压强度,第1章 材料的物理力学性能,1.2 混凝土的物理力学性能,4 复杂受力状态下混凝土的强度,三轴应力状态,试件侧向变形受到限制，其内部微裂缝的产生和发展受到阻碍，当侧压力增大时，轴向抗压强度也相应增大。,混凝土的三轴抗压强度,第1章 材料的物理力学性能,1.2 混凝土的物理力学性能,4 复杂受力状态下混凝土的强度,剪压或剪拉复合应力状态,随着拉应力的增大，混凝土的抗剪强度降低。随着压应力的增大，混凝土的抗剪强度逐渐增大；当压应力超过某
9、一数值后，抗剪强度随压应力增大而减小。,混凝土的剪压复合强度,第1章 材料的物理力学性能,1.2 混凝土的物理力学性能,5 一次短期加载下混凝土受压的应力应变曲线,当0.3时，关系接近于直线；当=(0.30.8)时，关系偏离直线；当=(0.81.0)时，内部微裂缝进入非稳定发展阶段。,峰值应变,极限压应变,混凝土的应力应变曲线,第1章 材料的物理力学性能,1.2 混凝土的物理力学性能,6 三向受压时混凝土的应力应变曲线,试件纵向受压时，混凝土的横向膨胀受到约束，使核心混凝土处于三向受压状态，内部微裂缝的发展受到抑制，从而提高了试件的纵向强度和延性，特别是延性大为提高。,混凝土圆柱体三向受压时轴
10、向应力应变曲线,第1章 材料的物理力学性能,1.2 混凝土的物理力学性能,6 三向受压时混凝土的应力应变曲线,螺旋箍筋圆柱体约束混凝土的应力应变曲线,第1章 材料的物理力学性能,1.2 混凝土的物理力学性能,7 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。,割线模量：某一点与原点连线的斜率。,混凝土的变形模量,第1章 材料的物理力学性能,1.2 混凝土的物理力学性能,7 混凝土的变形模量,混凝土弹性模量与立方体抗压强度之间的关系：,第1章 材料的物理力学性能,1.2 混凝土的物理力学性能,8 混凝土的徐变,定义：在荷载长期作用下，混凝土的变形随时间而徐徐增
11、长 的现象。,徐变的特点：开始增长较快，以后逐渐减慢，最后趋于稳定。,混凝土的徐变,第1章 材料的物理力学性能,1.2 混凝土的物理力学性能,8 混凝土的徐变,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；混凝土的龄期；混凝土的制作、养护环境；水灰比与水泥用量；骨料用量及力学性能。,第1章 材料的物理力学性能,1.2 混凝土的物理力学性能,8 混凝土的徐变,徐变对结构设计的影响：使钢筋混凝土构件截面产生内力重分布；使受弯构件和偏压构件的变形加大；使预应力混凝土构件产生预应力损失。,9 混凝土的收缩,2.3 钢筋与混凝土的粘结,粘结的意
12、义钢筋与混凝土之间的粘结性能是钢筋混凝土构件必不可少的第三个材料性能，是配筋构造的基础无粘结梁若梁中的钢筋与混凝土没有粘结（图2-24a），则在荷载作用下，钢筋不受力，该梁如同素混凝土梁。端部有锚固的无粘结梁若梁中的钢筋仅设置机械锚固（图2-24b），则钢筋应力沿全长相等，其受力犹如二铰拱，不是梁的受力状态。因此我们可以得出结论只有梁中的钢筋沿全长与混凝土有可靠的粘结，并在端部有可靠的锚固，才符合梁的受力特点,图2-24 钢筋与混凝土的粘结,第1章 材料的物理力学性能,1.3 钢筋与混凝土的粘结与锚固,1 粘结应力的定义,钢筋与混凝土接触面上产生的沿钢筋纵向的剪应力。,粘结强度：粘结失效时的最
13、大（平均）粘结应力。,粘结强度的测试,第1章 材料的物理力学性能,1.3 钢筋与混凝土的粘结与锚固,1 粘结应力的定义,拔出试验,第1章 材料的物理力学性能,1.3 钢筋与混凝土的粘结与锚固,2 粘结应力的组成,钢筋与混凝土表面的化学胶着力；钢筋与混凝土接触面的摩擦力；钢筋与混凝土表面凹凸不平的机械咬合力。,第1章 材料的物理力学性能,1.3 钢筋与混凝土的粘结与锚固,3 粘结破坏机理,（1）光圆钢筋的粘结破坏：粘结作用在钢筋与混凝土间出现相对滑移前主要取决于化学胶着力，发生滑移后则由摩擦力和机械咬合力提供。（2）变形钢筋的粘结破坏 粘结强度仍由胶着力、摩擦力和机械咬合力组成。但主要为机械咬合
14、力。钢筋开始滑移后，粘结力主要由钢筋凸肋对混凝土的斜向挤压力和界面上的摩擦力组成。若钢筋外围混凝土很薄且没有环向箍筋约束，形成纵向劈裂裂缝，沿钢筋纵向产生劈裂破坏。,第1章 材料的物理力学性能,1.3 钢筋与混凝土的粘结与锚固,3 粘结破坏机理,若有环向箍筋约束混凝土的变形，纵向劈裂裂缝的发展受到限制，最后钢筋沿肋外径的圆柱面出现整体滑移，发生刮犁式破坏（剪切破坏）。,（3）影响粘结强度的因素 混凝土的强度；横向配筋的数量；钢筋的外形；混凝土的保护层厚度及钢筋间距；锚固区的横向压力；受力状态。,第1章 材料的物理力学性能,1.3 钢筋与混凝土的粘结与锚固,4 钢筋的锚固、连接与延伸,锚固：通过
15、钢筋埋置段或机械措施将钢筋所受的力传给混凝土。受拉钢筋锚固长度：,锚固长度的修正：直径大于25mm的带肋钢筋，取。钢筋表面有环氧树脂涂层，取。锚固区混凝土保护层厚度大于钢筋直径的3 倍，且配有箍筋时，取。施工中易受扰动的钢筋（滑模施工），取。,第1章 材料的物理力学性能,1.3 钢筋与混凝土的粘结与锚固,4 钢筋的锚固、连接与延伸,修正后的锚固长度：,机械锚固的形式,依靠钢筋自身的性能无法满足锚固要求，采用机械锚固措施。,第1章 材料的物理力学性能,1.3 钢筋与混凝土的粘结与锚固,4 钢筋的锚固、粘结与延伸,通过绑扎搭接、焊接或机械连接，将一根钢筋所受的力传给另一根钢筋。,钢筋搭接接头的错开
16、要求,连接,第1章 材料的物理力学性能,1.3 钢筋与混凝土的粘结与锚固,4 钢筋的锚固、粘结与延伸,将钢筋从按计算不需要的位置延伸一定长度，以保证钢筋发挥正常受力性能，称为延伸。,延伸,钢筋的截断,2.3 钢筋与混凝土的粘结,粘结的意义钢筋与混凝土之间的粘结性能是钢筋混凝土构件必不可少的第三个材料性能，是配筋构造的基础无粘结梁若梁中的钢筋与混凝土没有粘结（图2-24a），则在荷载作用下，钢筋不受力，该梁如同素混凝土梁。端部有锚固的无粘结梁若梁中的钢筋仅设置机械锚固（图2-24b），则钢筋应力沿全长相等，其受力犹如二铰拱，不是梁的受力状态。因此我们可以得出结论只有梁中的钢筋沿全长与混凝土有可靠的粘结，并在端部有可靠的锚固，才符合梁的受力特点,图2-24 钢筋与混凝土的粘结,
