钢筋混凝土材料的性能

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第二章
第一节
钢筋混凝土材料的性能
钢筋
第二节 混凝土的强度 第三节 混凝土的变形性能 第四节 钢筋与混凝土的粘结 第五节 钢筋混凝土的一般构造规定
第一节
主要研究内容: 了解:钢筋的类型 掌握:钢筋的力学性能
钢筋
引 言
钢筋的力学性能主要决定于其化学成分. 钢材的种类:按化学成份分,有碳素钢和普通低合金钢. 碳素钢:主要成份是铁元素,少量的碳,锰,硅,硫磷等元素. 低碳钢(含碳量少于0.25%) 中碳钢(0.25%0.6%) 高碳钢(0.6%1.4%). 含碳量越高,强度越高,但塑性和可焊性 降低. 锰,硅元素可提高钢材的强度,并保持一定的塑性. 硫,磷为有害元素:含量超过一定限度时,硫使钢筋热脆 磷使钢筋冷脆.二者焊接质量不易保证 普通低合金钢:除碳素钢已有的成分外,再加入少量的合金元 素如硅,锰,钛,钒,铬等.
第一节
一,钢筋的类型 二,钢筋的性能 三,钢筋的冷加工
钢筋
四,钢筋的蠕变,松弛和疲劳 钢筋的蠕变,
一,钢筋的类型(钢筋混凝土结构和预应力混凝土结构) 钢筋的类型(钢筋混凝土结构和预应力混凝土结构)
(一)钢筋按加工方法分 (二)钢筋在单调受拉时所反映的应力—应变 性质的不同分 (三)柔性钢筋,劲性钢筋
(一)钢筋按加工方法分 1,热轧钢筋 , 2,冷加工钢筋 , 3,热处理钢筋 , 4,钢丝 ,
1,热轧钢筋 , 为低碳钢,普通低合金钢在高温状态下轧制而成
HPB235,HRB335,HRB400 RRB400四级. HPB235是低碳钢,外表光圆,称为光圆钢筋. HRB335,HRB400 RRB400外表有肋纹, 称为变形钢筋.
2,冷加工钢筋 ,
通过对某些等级的热轧钢筋进行冷加工处理. 分为:冷拉钢筋和冷拔钢筋;
3,热处理钢筋 ,
对某些特定钢号的热轧钢筋进行热处理得到.
4,钢丝: ,钢丝
分为:碳素钢丝,消除应力钢丝和刻痕钢丝. 刻痕钢丝:用高碳钢光圆盘条钢筋经冷拔和矫 直回火.
(二)按钢筋在单调受拉时的应力—应变性质的不同分 有明显屈服点的钢筋 无明显屈服点的钢筋
(二)按钢筋在单调受拉时的应力—应变性质的不同分 有明显屈服点的钢筋
(二)按钢筋在单调受拉时的应力—应变性质的不同分 无明显屈服点的钢筋
(三)柔性钢筋,劲性钢筋 柔性钢筋:
光圆( Ⅰ级),变形钢筋(Ⅱ级,Ⅲ级) 绑扎或焊接成钢筋骨架或钢筋网,分别用于梁,柱
或板,壳结构中
劲性钢筋:
由各种型钢,钢轨或用型钢与钢筋焊接成的骨架; 劲性钢筋刚度,强度较大
二,钢筋的性能
屈服上限 屈服下限
极限强度
概念介绍:
弹性阶段 屈服阶段 强化阶

段 颈缩阶段
弹性极限,
比例极限
上图为有明显屈服点的钢筋试 件在试验机上进行拉伸试验, 绘制出应力—应变图形
二,钢筋的性能
在左图中,找不到一个 明显的屈服点,在达到 极限抗拉强度后,由于 颈缩现象,曲线具有一 个下降段.
无明显屈服点的钢筋所对 应的 应力应变曲线
二,钢筋的性能
分析: 以有明显屈服点钢筋的思路, 在钢筋塑性变形开始明显增 长处找到一个相当的假想屈 服点,以便在设计中把它作 为这类钢筋可以利用的应力 上限, 条件屈服强度:一般取残余 应变为0.2%的应力σ0
以残余应变0.2%所对应的
无明显屈服点的钢筋所对 应的 应力应变曲线
应力作为无明显屈服点的 钢筋的应力上限.
软钢
钢筋表示形式: HPB235级:Ⅰ级,符号 HRB335级,Ⅱ级,符号 HRB400级:Ⅲ级,符号 RRB400级:余热处理Ⅲ级,符号
硬钢
三,钢筋的冷加工 冷拔:将光圆钢筋通过比其直径稍小的硬质合 金拔丝模.钢筋受纵向的拉力和横向挤压力共 同工作.使钢筋截面变小,长度拔长.冷拔可 提高钢筋的抗拉,抗压强度. 冷拉:通过介绍冷拉过程可了解冷拉的含义.
三,钢筋的冷加工
冷拉:
四,钢筋的蠕变,松弛和疲劳 钢筋的蠕变, 蠕变:钢筋在高应力状态下,随时间增长应变 继续增加的现象. 松弛:钢筋受力后,若保持长度不变,则其应 变随时间增长而降低的现象. 疲劳破坏:钢筋在承受重复,周期动荷载作用 下,经过一定次数后,从塑性破坏的性质转变 为脆断的现象.
钢筋在疲劳破坏时的强度低于在静荷载下的极限强度.
钢筋的疲劳强度:在某一规定的应力幅度内,经受某一规定 次数循环加载后,才发生疲劳破坏的最大应力值
补充:《混凝土结构设计规范 》规定:
普通钢筋宜用HRB400级和HRB335级钢筋,也可采用 HPB235级和RRB400级钢筋; 普通钢筋指钢筋混凝土结构中的钢筋和预应力混凝土 结构中的非预应力钢筋; HRB400级和HRB335级:现行国家标准《钢筋混凝土 用热轧带肋钢筋》GB1499 中HRB400级和HRB335级 的钢筋; HPB235级:现行国家标准 《钢筋混凝土用热轧光圆钢 筋》GB13013 中Q235的 钢筋; RRB400级:现行国家标准《钢筋混凝土用余热处理钢 筋》GB13014中的KL400钢筋; 参阅附录
第二节 混凝土的强度
主要内容: 混凝土的组成及强度等级 单向受力状态下混凝土的强度 了解: 了解: 混凝土的组成
第二节 混凝土的强度
一,混凝土的组成 二,单向受力状态下混凝土的强度 复合受力状态下混凝土的强度(自阅) 三,复合受力状态下混凝土的强度(自阅)
一,混凝土的组成
普通混凝土组成:由水泥,石子,砂子三种材 料及水按一定配合比拌合,经

过凝固硬化后作 成的人工石才. 是一种各组份具有不同性质的多相复合材料. 分类:微观结构,亚微观结构,宏观结构
fffcu,k, k fcu cu
回前文
单向受力的结构和构件极少 一般处于复合应力状态
复合应力状态下混凝土强度如何确定
试验设备复杂 单向应力状态下混凝土强度 是复合应力状态混凝土强度基础
理论分析困难
单向应力状态下混凝土强度指标: 进行钢筋混凝土结构构件强度分析的重要依据 建立强度理论公式的重要依据
影响单向应力状态下 混凝土强度指标的因素较多
统一规定采用《普通混凝土力学性能试验方法》
二,单向受力状态下混凝土的强度
(一) 立方体抗压强度 轴心抗压强度) (二)棱柱体抗压强度 (轴心抗压强度) (三)混凝土轴心抗拉强度
(一) 立方体抗压强度 f
cu , k
1,《混凝土结构设计规范 》规定 2,标准试验方法 , 3,混凝土强度指标的确定 ,
(一) 立方体抗压强度
f cu ,k
立方体抗压强度试验所需设备和试验方法都比 较简单,试验结果的离散性相对较小,尤其适 用于在施工过程中检验和控制混凝土的强度. 1,《混凝土结构设计规范 》规定:
边长150mm×150mm ×150mm 的立方体 在(20 ±3) ℃ 的温度, 相对湿度90%以上的潮湿空
气养护28天 按照标准试验方法测得的抗压强度作为混凝土的立 方体强度(MPa)
2,标准试验方法: ,标准试验方法:
(1)试验方法 (2)试件尺寸大小: (3)试验时加载速度: (4)混凝土立方体抗压强度与成型后的龄期:
2,标准试验方法: ,标准试验方法: (1)试验方法:
《规范》:不涂润滑油
(2)试件尺寸大小:
试件尺寸越小,抗压强度值越高 换算系数 200mm ×200mm ×200mm : 1.05 100mm ×100mm ×100mm : 0.95
2,标准试验方法: 试验方法: 试验方法 (3)试验时加载速度:
加载速度越快,测得强度越高 混凝土强度等级低于C30时:0.3—0.5MPa/每秒 混凝土强度等级 等于/高于C30时:0.5—0.8MPa/每秒
(4)混凝土立方体抗压强度与成型后的龄期:
3,混凝土强度指标的确定 , 规定: 《混凝土结构设计规范 》规定: 混凝土强度指标应按立方体抗压强度 标准值确定; 标准值确定;
规范中共有14个等级: C15,C20,C25,C30,35,C40,C45,C50, C55,C60,C65,C70,C75,C80
,
3,混凝土强度指标的确定 ,
混凝土强度等级要求:
钢筋混凝土结构混凝土强度等级不应低于C15 采用HRB335级钢筋,混凝土强度等级不宜低于C20 采用HRB400, RRB400级钢筋,承受重复荷载构件:
不得低于C20 预应力混凝土结构的混凝土强度等级:不应低于 C30 采用钢绞线,钢丝,热处理钢筋作预应力钢筋时: 不宜低于C40
立方体抗压强度是混凝土的基

本强度指标,混 凝土结构设计中所使用的混凝土其它强度指标, 都可以根据立方体强度值换算得出.
(二)棱柱体抗压强度
fc
(轴心抗压强度) 轴心抗压强度)
《规范》规定150mm3150mm3300mm试件作为轴心抗压强度.
f cu
轴心抗压强度) (二)棱柱体抗压强度 f (轴心抗压强度)
cu
由图可看出:
f cu ,k
和 的统计平均值 大致成一条直线, 二者比值在0.700.92范围变化
f c ,k
f ck = α 1 f cu ,k
立方体抗压强度 f cu ,k 与棱柱 体抗压强度 f c ,k 之间的 关系为:
f ck = α 1 f cu ,k
(二)棱柱体抗压强度(轴心抗压强度) 棱柱体抗压强度(轴心抗压强度)
综合考虑各种因素,立方体抗压强度标准值 与棱柱体抗压强度标准值的关系: f ck = 0.88α 1α 2 f cu ,k 式中: 0.88 考虑实际构件与试件混凝土强度之间的差异取用的 折减系数; α1 棱柱体强度与立方体强度之比;
α1 = 0.76
α 2 为高强度混凝土的脆性折减系数;
≤ C 50 α1 = 0.76 ≤ C 40 = C 80 α1 = 0.82 = C 80
α 2 = 1.00 中间 α 2 = 0.87
插值
(三)混凝土轴心抗拉强度
抗拉强度是混凝土的基本力学指标之一,间接衡 量混凝土的冲切强度.
(三)混凝土轴心抗拉强度
混凝土的抗拉强度远小于其抗压强度,一般仅1/17--1/8. 在钢筋混凝土结构中,一般不采用混凝土承受拉力.
(三)混凝土轴心抗拉强度
在钢筋混凝土结构构件中,处于受拉状态下的混凝土,在未开 裂之前,确实承受一部分拉力. 若计算混凝土构件在混凝土开裂之前的承载力, 若计算混凝土构件在混凝土开裂之前的承载力, 或控制混凝土构件的开裂
需知道混凝土的抗拉强度
结构中混凝土 的轴心抗拉强度标准值 f t ,k 与立方体抗压 强度标准值 f cu ,k 之间的关系,由试验结果得:
f t,k = 0.88 × 0.395f
0.55 cu,k
(1 0.645δ )
0.45
×α 2
回前文
第三节
混凝土的变形性能
类型: 受力变形:混凝土在一次短期加载,荷载长期 作用和多次重复作用下产生的变形; 体积变形:混凝土由于硬化过程中的收缩,温 度和湿度的变化产生的变形.
第三节
混凝土的变形性能
一,混凝土在一次短期加荷时的变形性能
二,混凝土在多次重复荷载作用下的应力—应变关系 三,荷载长期作用下混凝土变形性能 四,混凝土收缩与膨胀(体积变形)
第三节
混凝土的变形性能
一,混凝土在一次短期加荷时的变形性能
1,混凝土受压时的应力—应变关系 2,混凝土受压应力—应变曲线数学模型 3,混凝土的变形模量 4,混凝土轴心受拉时应力—应变关系
一,混凝土在一次短期加荷时的变形性能 1,混凝土受压时的应力—应

变关系:
图2--9
1,混凝土受压时的应力—应变关系
上升段
第1 阶段(O—A): 第2阶段(A--B): 第3阶段(B--C):
下降段
1,混凝土受压时的应力—应变关系
上升段:
第1 阶段(O—A):应力
较小,混凝土变形主要是 骨料和水泥结晶体受力产 生弹性变形,应力—应变 接近直线
A点:比例极限 点
1,混凝土受压时的应力—应变关系
上升段:
第1 阶段(O—A):
A点:比例极限
第2阶段(A--B):
稳定裂缝扩展阶段
第3阶段(B--C):裂缝
快速发展的不稳定状态 :混凝土棱柱 体抗压强度 f c , 对应应变为 ε 0 (一般为0.002)
σ
max
下降段:
混凝土到达峰值应力后裂缝继续 扩展,贯通, 内部结构的整体性受到愈严重 的破坏 荷载传递路线不断减少,试件 平均应力降低 应力—应变曲线出现"拐点" 超过"拐点",结构受力性质发生 本质的变化: 骨料间的咬合力,摩擦力与残余 承受压力部分共同承力 主裂缝贯通,较宽,结构失效.
2,混凝土受压应力—应变曲线数学模型:
1)美国E.Hognestad建议 的模型: 曲线的上升段为二次抛 物线,下降段为斜直线
ε ≤ε
ε ε 2 0 σ = f c 2 ε0 ε0
ε 0≤ ε ≤ ε u σ = f
ε ε0 c 1 0.15 εu ε0
f峰值应力; c ε峰值应力对应的应 0 ε0 变,取= 0.002 ε u 极限压应变, 取 ε = 0.0038
u
2,混凝土受压应力—应变曲线数学模型:
2)西德Rüsch 建议的模型: 曲线的上升段为二次抛 物线,下降段为平直线
ε ≤ε
ε ε 2 0 σ = f c 2 ε0 ε0
ε 0≤ ε ≤ ε u
σ = fc
f c 峰值应力; ε 0 峰值应力 f c 对
应的应变,取
ε u 极限压应变,取 ε u = 0.0035
ε 0 = 0.002
回
3,混凝土的变形模量
混凝土应力—应变为一曲线 应力—应变关系在不同应力阶 段二者之比是一变量 描述混凝土在荷载作用下的 变形问题 混凝土的变形模量
1)混凝土的弹性模量 2)混凝土的割线模量 3)混凝土的切线模量
3,混凝土的变形模量
1)混凝土的弹性模量 混凝土处于弹性阶段时:σc E c = tg α 0 = εe
E c 混凝土原点弹性模量
α 0 混凝土曲线在原点处 切线与横坐标夹角 ε e 混凝土弹性应变 σ c 混凝土弹性阶段应 力
3,混凝土的变形模量
2)混凝土的割线模量 混凝土进入塑性阶段,曲线上任一点应力为 σ c 处割线的斜 σ ′ 率 E c = tg α 1 = c
εc
3,混凝土的变形模量
3)混凝土的切线模量 在混凝土应力—应变曲线上 某一应力处作一切线,应 力增量与应变增量的比值 为混凝土的切线模量
′ E c′ = tgα
混凝土的切线模量为一变值 随混凝土应力的增大而减 小.
回
4,混凝土轴心受拉时应力—应

变关系
分析: 测试混凝土受拉时的应 力—应变曲线较困难.
回前文
二,混凝土在多次重复荷载作用下的应力—应变关系 工程实例:
厂房中的吊车梁,桥梁,气锤 基础等构件,承受重复荷载
疲劳破坏:混凝土在荷载重
复作用下引起的破坏.
混凝土疲劳抗压强度;
采用150mm×150mm ×300mm 或150mm×150mm ×450mm 的棱柱体,把能使 棱柱体试件承受200万次或以 上次循环荷载而发生破坏的 压应力值称为混凝土疲劳抗 压强度
二,混凝土在多次重复荷载作用下的应力—应变关系
三,荷载长期作用下混凝土变形性能
1,徐变的概念 2,影响混凝土徐变的因素:
1,徐变的概念:
结构或材料承受的荷载或应力不变,而应变或变 形随时间增长的现象称为徐变
2,影响混凝土徐变的因素:
与时间参数的关系: 混凝土的应力大小 加载时龄期:加载时混凝土的龄期越早,徐变 越大; 混凝土的组成成分: 混凝土养护条件 构件形状,尺寸等
2,影响混凝土徐变的因素:
与时间参数的关系:
2,影响混凝土徐变的因素
混凝土的应力大小
2,影响混凝土徐变的因素
加载时龄期:加载时混凝土的龄期越早,徐变 越大;
2,影响混凝土徐变的因素:
混凝土的组成成分:
水泥用量越多,徐变越
大; 水灰比越大,徐变越大; 骨料越坚硬,徐变越小;
2,影响混凝土徐变的因素:
与时间参数的关系: 混凝土的应力大小 加载时龄期:加载时混凝土的龄期越早,徐变 越大; 混凝土的组成成分: 混凝土养护条件 构件形状,尺寸等
四,混凝土收缩与膨胀(体积变形)
1,概念: 2,影响因素: 水泥种类 混凝土在凝结硬化过 水泥用量 程中,体积会发生变化.
在水中结硬时,体积膨胀; 在空气中结硬时 ,体积收
缩
骨料性质
养护条件
混凝土制作方法
凝结:凝胶体本身的体积收缩; 凝结:凝胶体本身的体积收缩; 干缩: 干缩:混凝土因失水产生的体积收缩
使用环境 构件体积与表面积比值等
2,影响因素举例分析: 养护条件
第三节
混凝土的变形性能
小节: 一,混凝土在一次短期加荷时的变形性能
1,混凝土受压时的应力—应变关系: 2,混凝土受压应力—应变曲线数学模型: 3,混凝土的变形模量 4,混凝土轴心受拉时应力—应变关系
二,混凝土在多次重复荷载作用下的应力—应变关系 三,荷载长期作用下混凝土变形性能 四,混凝土收缩与膨胀(体积变形)
第四节 钢筋与混凝土的粘结
钢筋混凝土: 钢筋抗拉,抗压性能均好,混凝土的抗压性能 强,但抗拉性能较弱. 二者结合一起共同工作,可充分利用材料的性 能,其工作前提是: (1)二者

温度线膨胀系数相接近; (2)二者之间产生良好的粘结力. (3)钢筋有良好的锚固
第四节 钢筋与混凝土的粘结
一,粘结的概念 钢筋与混凝土 凝土的粘结 二,钢筋与混凝土的粘结 三,粘结强度 四,影响粘结强度的因素
一,粘结的概念
举例:一混凝土梁(A)与钢筋混凝土梁(B)对比试验: 其中A梁设钢筋,但钢筋与混凝土之间无粘结, B梁设钢筋,钢筋与混凝土之间有粘结.
一,粘结的概念
破坏特征:
A梁:受荷不久,梁底混凝土开裂,构件断裂.
一,粘结的概念
破坏 特征:
B梁:受荷后,钢筋与混凝土能共同工作. 由于钢筋与混凝土之间的粘结,使钢筋随底部混凝土 的受拉而伸长,最后梁发生破坏, 此时钢筋发生明显的伸长.梁破坏之前可明显观测.
二,钢筋与混凝土的粘结
图2—28
二,钢筋与混凝土的粘结
二,钢筋与混凝土的粘结
粘结力作用效果: 由试验可知,粘结锚固能力可有四种途径得到: (1)胶结力:钢筋与混凝土接触面上化学吸附作用力
这种力一般很小,当接触面发生相对滑移时,该力即消失,仅在 受力阶段的局部无滑移区域起作用.
(2)摩擦力:混凝土收缩,将钢筋勒紧,握裹而产生. (3)机械咬合力:钢筋表面凹凸不平与混凝土之间产生的.
变形钢筋具有横肋会产生咬合力,是变形钢筋粘结力主要来 源.
(4)锚固:钢筋段部加弯钩,弯折或锚固区焊短钢筋,焊角钢 等来提供能力.
光面钢筋 的粘结性能较差 除直径12mm以下的受压钢筋及焊接网或 焊接骨架中的光面钢筋外,其余光面钢筋的末 端均应设置弯钩
三,粘结强度
试验研究:钢筋从混凝土中拉拔试验
τ=
N dl
三,粘结强度
由拔出试验, 由拔出试验,钢筋与混凝土之间 的平均粘结应力可表示为: 的平均粘结应力可表示为: 粘结应力与相对滑移的关系:
τ
=
N π dl
式中: N
钢筋的拉力; 钢筋的直径; 粘结长度;
d
l
: :钢筋和混凝土之间的平均粘结应力 定义: 定义
四,影响粘结强度的因素
①混凝土强度,锚固长度. ②保护层的相对厚度,锚筋的外形特征. ③配箍情况,混凝土浇注状况. ④锚筋受力情况等

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