混凝土结构设计原理(新规范)第2章-钢筋和混凝土材料的基本性能

ft
2P
a2
ft
2P
dl
a
P
2 1
弯折试验
P
P/2
P/2
150
l/3
l/3
l/3
500~600
150
假定截面应力
为直线分布
ft
Mu W
2.2.1混凝土的强度
圆柱体劈裂试验
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
研究文献来源: H. Kupfer, H.K. Hilsdorf, H. Rusch, Behaviour
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%；HRB400~HRB500: 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
2.2.1 混凝土的强度
的
强
度
包
络
-1.26
图
0 0.2 0.4
Kupfer
2.2.1混凝土的强度
复杂受力状态下混凝土的强度
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。
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 σ1/σ2≈0.5时。
预应力钢筋外形
普通钢筋一般为软钢；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）
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
屈服上限
fu
屈服下限
颈缩阶段
fy
强化阶段
屈服平台
弹性极限
比例极限
( L L0 L0
b
Es
) 100%
b
0
残余变形 r
弹性变形 e
最大力下总伸长率(%)
gt
( L L0 L0
b
Es
) 100%
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） ★钢筋的屈强比 = 屈服强度/极限强度≤0.8 ★钢筋的延性（ductility）
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
100
150
150
100
500
轴心抗拉强度与立方体抗压强度平均值之间的关系
直接受拉试验得到的关系式,
Βιβλιοθήκη Baidut
0.3950.55 fcu
规范建议的关系式,
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
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（“套箍”效应你） 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
of concrete under biaxial stresses, ACI J. 66 (1969) 656-666.
研究方法
施加法向应力 σ2
方形板试件
板处于平面应力状态
施加法向应力 σ1
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 向 受 拉 的 破 0.4
坏强度接近于单轴
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）.软钢延性好，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
2.1.2 钢筋的强度和变形性能
钢筋的疲劳性能 钢筋的疲劳是钢筋在承受重复、周期性的动荷
载作用下，经过一定次数后突然脆性断裂的现象。钢 筋疲劳断裂的主要原因是应力集中。
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150×150×300mm为标准试件，按与立方体试 验相同的规定所得的平均应力值，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
钢筋的材料性能 本
混凝土的材料性能
章 主
混凝土与钢筋的粘结 要
内
容
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
ft
0.88
0.395c
2
0.55
fcu
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 对比试验结果
ft 0.395 fcu 0.55
ft 0.880.395c2 fcu 0.55
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
劈裂试验
对立方体试件 对圆柱体试件
只能提高抗拉强度，抗压屈服强度将降低。
2.1.3 钢筋的冷加工
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.
钢筋的疲劳强度是指在一定规定应力幅度内， 经受一定次数的循环荷载后发生疲劳破坏的最大应力 值。与应力变化的幅值、最小应力值、钢筋外表面几 何尺寸及形状等因素有关。
钢筋疲劳断裂试验有两种方法：一种是直接进 行单根原状钢筋拉试验；一种是将钢筋埋入混凝土中 使其重复受拉或受弯试验。
2.1.3 钢筋的冷加工
立方体抗压强度与轴心抗压强度之间的关系 fc,m 0.88 c1 c2 fcu,m
混凝土考虑脆性的折减系数
棱柱体强度与立方体强度的比值
结构中混凝土与试件混凝土的强度差异修正系数
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
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
2.1.1钢筋的品种和级别
热轧钢筋的外形
光圆钢筋 螺纹钢筋 人字纹钢筋 月牙纹钢筋
2.1.1钢筋的品种和级别
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
2.2.1混凝土的强度
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。
方法解决复杂问题 •确定方法：对比试验
fc,m fcu,m 0.76 ~ 0.82
2.2.1混凝土的强度
轴心抗压强度
试验值
fc,m c1 fcu,m
修正值
fc,m 0.88 c1 c2 fcu,m
c1 :棱柱体强度与立方体强度之比值，C50及以下取c1=0.76
，对C80取 c1 =0.82，中间按线性规律变化取值；
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。 fcu,k fcu 1.645 fcu fcu 11.645fcu
混凝土强度等级
《混凝土规范》规定：混凝土强度等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 C15~C80，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
★简单受力状态下混凝土的强度
立方体抗压强度(uniaxial 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
c2 为混凝土考虑脆性的折减系数，对C40取c2 =1.00，对 C80取 c2 =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与试件混凝土强度之间的差异 而采取的修正系数。
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
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
fyk 2.1.1 钢筋的品种和级别
普通钢筋强度标准值（N/mm2）
HPB300 d = 8~20
fyk=300
HRB335 , HRBF335
d = 6~50 f yk = 335
HRB400, HRBF400, RRB400 d = 6~50 f yk = 400 HRB500， HRBF500 d = 8~40 f yk = 500
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
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
0 弹性模量
O
2.1.2 钢筋的强度和变形性能
钢筋的应力－应变曲线（无明显流幅的钢筋,硬钢）
σ
极限强度
σb
条件屈服强度σ0.2
b c
比例极限 σa
a
0.2 0.85 b
a 0.75b
条件屈服强度：
取残余应变为0.2%
所对应的应力
O 0.2%
2.1.2 钢筋的强度和变形性能
钢筋的塑性性能
HPB300 Ф
hot rolled plain bar fyk=300 N/mm2
HRB335
hot rolled ribbed bar fyk=335 N/mm2
HRB400
hot rolled ribbed bar fyk=400 N/mm2
RRB400
remained heat treatment ribbed bar fyk=400 N/mm2
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。
2.1.1钢筋的品种和级别
混凝土结构中的钢筋
混凝土结构中的钢筋
普通钢筋 预应力筋
热轧钢筋 钢绞线
低碳钢
普通低合金钢
消除应力钢丝
预应力螺纹钢筋
HPB300 HRB335 HRBF335 HRB400 HRBF400 RRB400 HRB500 HRBF500
2.1.1钢筋的品种和级别
热轧钢筋的符号说明
钢筋的两个塑性指标:延伸率和冷弯性能
l0= 5,10d l
延
伸
率
试
验
d
5,10
l
l0 l0
100%
冷
弯 试
Ｄ
验
D 1d,2d,3d 90o,180o
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δgt应不小于附表5 的规定的数值。
gt
(L
L0 L0
b Es
) 100%
gt
抗拉强度。
0.2
双向受压的破 0
坏强度高于单轴抗
压强度。
-0.2
双等拉
2 fc
一拉一压的破 坏强度低于相应的 单轴受力强度。
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 σ1/σ2≈0.5时。
-0.4
-0.6
-0.8
-1.0
-1.2
双等压
-1.4 -1.4 -1.2 -1.0 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2
双轴应力状态
2.2.1混凝土的强度
复杂受力状态下混凝土的强度
侧向等压（常规三轴）的情况
当侧向压力较低时,对于普通 混凝土
三轴受压状态
1
fc1
f
' c
4 r
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
fc1 fc1 1.5