《混凝土結構與砌體結構》課件模塊2

1、混凝土結構與砌體結構模塊2 鋼筋和混凝土的力學性能2.3鋼筋與混凝土的黏結2.1鋼筋的性能及要求2.2混凝土的力學性能 （1）了解鋼筋的品種、級別及性能。 （2）掌握混凝土的力學性能并進行混凝土的強度計算。 （3）熟悉混凝土與鋼筋的選用原則。 （4）掌握鋼筋與混凝土的共同工作原理。 學習目標模塊2 鋼筋和混凝土的力學性能2.1 鋼筋的性能及要求 鋼筋的分類2.1.1 混凝土結構用鋼筋按化學成分的不同可分為碳素鋼和普通低合金鋼。根據含碳量的不同，碳素鋼又可分為低碳鋼（碳質量分數小于0.25%）、中碳鋼（碳質量分數為0.25%0.6%）、高碳鋼（碳質量分數大于0.6%）。鋼筋按生產加工工藝和力學性

2、能的不同分為普通鋼筋和預應力鋼筋。鋼筋按其外形的不同，分為光面鋼筋和帶肋鋼筋。帶肋鋼筋有螺紋鋼筋、人字紋鋼筋和月牙紋鋼筋。目前常用的是月牙紋鋼筋，如圖2-1所示。通常帶肋鋼筋直徑不小于10 mm，光面鋼筋直徑不小于6 mm。2.1 鋼筋的性能及要求圖2-1 月牙紋鋼筋2.1 鋼筋的性能及要求 鋼筋的強度和變形性能2.1.2 鋼筋按其力學性能的不同，分為有物理屈服點的鋼筋和無物理屈服點的鋼筋。有物理屈服點的鋼筋稱為軟鋼，如熱軋鋼筋；無物理屈服點的鋼筋稱為硬鋼，如鋼絞線、鋼絲和預應力螺紋鋼筋。鋼筋的強度和變形一般通過常溫靜載下的單向拉伸曲線應力應變（-）關系曲線（見圖2-2）來說明。1）鋼筋的強度

3、2.1 鋼筋的性能及要求圖2-2 鋼筋的-曲線（a）有物理屈服點的鋼筋的-曲線；( b）無物理屈服點的鋼筋的-曲線2.1 鋼筋的性能及要求 屈服強度 fy、極限抗拉強度ft反映了鋼筋的強度，fy值越大，鋼筋的承載力越高。鋼筋強度設計時，有物理屈服點的鋼筋取鋼筋的屈服強度作為鋼筋強度的設計依據。這是由于鋼筋應力達到屈服強度后，構件將繼續(xù)產生很大的塑性變形，卸荷后塑性變形無法恢復，使構件產生很大的變形和過寬的裂縫，以至于鋼筋不能再被使用。 極限抗拉強度 ft是檢驗鋼筋質量的另一強度指標，可度量鋼筋的強度儲備。提 示2.1 鋼筋的性能及要求2）鋼筋的變形性能 （1）鋼筋的伸長率。鋼筋試件被拉斷后，其

4、彈性變形消失，塑性變形則殘留下來，如圖2-3所示。伸長率反映了鋼筋拉斷前的變形能力，其值越大，鋼筋拉斷前吸收的應變能越多，鋼筋的塑性越好。伸長率 可用式（2-1）表示。 （2-1） 式中，l0為鋼筋拉伸試驗試件的初始量測標距； l1為試件經拉斷并重新拼合后量測斷口兩側的標距。 2.1 鋼筋的性能及要求圖2-3 拉斷前后的鋼筋試件2.1 鋼筋的性能及要求 在一般試驗條件下，可以按圖2-4量測試驗后非頸縮端口區(qū)域標距 L0內的殘余應變r=( L1- L0)/ L0（L1為殘余長度），加上已回復的彈性應變 e= Fb/ As E s（ As為試樣的原始橫截面積， Es為鋼筋的彈性模量， Fb為最大作

5、用力）而得的總伸長率，即 （2-2）總伸長率 gt比斷口附近伸長率 更真實地反映了鋼筋在拉斷前的平均（非局部區(qū)域）伸長率，可客觀地反映鋼筋的變形能力，是比較科學的塑性指標。2.1 鋼筋的性能及要求圖2-4 鋼筋總伸長率的測定2.1 鋼筋的性能及要求 （2）鋼筋的冷彎性能。鋼筋的冷彎性能通過冷彎試驗來反映，如圖2-5所示。圖2-5 鋼筋的冷彎試驗表2.1 鋼筋的性能及要求2-1 常用鋼筋的力學性能指標2.1 鋼筋的性能及要求 （3）鋼筋的冷加工。為了節(jié)約鋼材，在常溫下對有明顯屈服點的鋼筋（軟鋼）進行機械冷加工，可以使鋼材內部組織結構發(fā)生變化，從而提高鋼材的強度，但其塑性會有所降低。冷拉是在常溫條

6、件下，把鋼筋應力拉到超過其原有的屈服點，然后完全放松，使鋼材內部組織結構發(fā)生變化，而提高其強度。冷拔是將鋼筋（盤條）用強力拔過比它本身直徑還小的硬質合金拔絲模，這是鋼筋同時受到縱向拉力和橫向壓力的作用以提高其強度的一種加工方法。2.1 鋼筋的性能及要求 經過冷拉和冷拔的鋼筋（鋼絲）加熱后其力學性能將發(fā)生變化。鋼材硬化的消失和原有性能的恢復，都需要有一定的高溫延續(xù)時間。因此，在焊接時如果采用適當的焊接方法，嚴格控制高溫持續(xù)時間，則在焊接后可有效避免鋼筋屈服強度或極限強度值的過分降低。提 示2.1 鋼筋的性能及要求 混凝土結構對鋼筋性能的要求2.1.3 1）一般要求（4）鋼筋與混凝土之間應具有良好

7、的黏結力。（3）鋼筋應具有較好的焊接性能。（2）鋼筋應有較好的塑性。（1）鋼筋應有較高的強度和適宜的屈強比。2.1 鋼筋的性能及要求 2）抗震要求 （1）抗震等級為一、二級的框架結構，其縱向受力鋼筋采用普通鋼筋時，應滿足以下要求： 鋼筋的抗拉強度實測值與屈服強度實測值的比值(強屈比)不應小于1.25，其目的是為了保證當構件某個部位出現塑性鉸后，塑性鉸處有足夠的轉動能力與耗能能力。 鋼筋的屈服強度實測值與強度標準值的比值不應大于1.3，其目的是滿足結構設計中強柱弱梁、強剪弱彎的設計要求。 （2）普通鋼筋宜優(yōu)先采用延性、韌性和可焊性較好的鋼筋。2.2 混凝土的力學性能 混凝土的強度2.2.1 （1

8、）立方體抗壓強度?；炷两Y構設計規(guī)范（GB 500102010）規(guī)定，混凝土強度等級應按立方體抗壓強度標準值確定。 （2）軸心抗壓強度。 （3）軸心抗拉強度。 1）混凝土在單向應力作用下的強度 由于粉煤灰等礦物摻合料在水泥及混凝土中的大量應用以及現代混凝土工程的發(fā)展，確定混凝土立方體抗壓強度標準值的試驗齡期不僅限于28天，可根據具體情況適當延長?；炷翉姸鹊燃売煞朇和混凝土立方體抗壓強度標準值表示。例如，C35表示立方體抗壓強度標準值為35 N/mm2的混凝土。提 示2.2 混凝土的力學性能2.2 混凝土的力學性能 如圖2-6所示，劈裂抗拉試驗在立方體或圓柱體試件上通過鋼制弧形墊塊施加均勻線

9、荷載。除墊條附近很小的范圍以外，在中間垂直截面上產生與該面垂直且均勻分布的拉應力。當拉應力達到混凝土的抗拉強度時，試件沿中間垂直截面被劈裂為兩部分而破壞。根據彈性理論，劈裂抗拉強度 t可按式（2-4）計算。(2-4) 式中，P為破壞荷載；d為圓柱體試件直徑或立方體試件邊長；l為圓柱體試件高度或立方體試件邊長。2.2 混凝土的力學性能圖2-6 混凝土的劈裂抗拉試驗2.2 混凝土的力學性能表2-2 混凝土強度標準值 混凝土結構設計規(guī)范（GB 500102010）給出的混凝土抗壓、抗拉強度標準值，可參見表2-2。2.2 混凝土的力學性能2）在復合應力狀態(tài)下的混凝土強度 在實際的混凝土結構中，混凝土處

10、于單向應力狀態(tài)的情況很少，往往都處于三向復合壓應力的狀態(tài)。在復合應力狀態(tài)下，混凝土的強度和變形性能與單向應力狀態(tài)下有明顯的不同。 混凝土三向受壓時，混凝土一向的抗壓強度隨另兩向壓應力的增加而增大，并且混凝土的極限壓應變也大大增加。這是由于側向壓力約束了混凝土的橫向變形，抑制了混凝土內部裂縫的出現和發(fā)展，使得混凝土的強度和延性均有明顯提高。 利用三向受壓可使混凝土抗壓強度得以提高這一特性，在實際工程中可將受壓構件做成“約束混凝土”，以提高混凝土的抗壓強度和延性，常用的做法有配置密排側向箍筋、螺旋箍筋柱及鋼管混凝土柱等。提 示2.2 混凝土的力學性能2.2 混凝土的力學性能 混凝土的變形2.2.2

11、 （1）混凝土在單調短期加荷作用下的應力應變曲線反映的是其最基本的力學性能，曲線的特征是研究鋼筋混凝土構件的強度、變形、延性（承受變形的能力）和受力全過程的依據。圖2-7所示為混凝土棱柱體試件在受壓時的應力應變曲線，曲線由上升段 Oc 和下降段 ce 兩部分組成。1）混凝土在一次短期荷載作用下的變形圖2-7 混凝土受壓時的應力-應變曲線2.2 混凝土的力學性能 （2）混凝土的橫向變形系數。 （3）混凝土的彈性模量、變形模量和剪變模量?；炷恋膽εc其彈性應變之比稱為混凝土的彈性模量，用符號Ec表示。根據大量試驗統計結果，混凝土結構設計規(guī)范采用的計算混凝土的彈性模量的經驗公式為 （2-6）2.2

12、 混凝土的力學性能2）混凝土在重復荷載作用下的變形 工程中的某些構件，例如，工業(yè)廠房中的吊車梁，在其使用期限內要承受大約200萬次以上的重復荷載作用，在多次重復荷載作用的情況下，混凝土的強度和變形性能都會出現重要變化，混凝土將產生“疲勞”現象?；炷劣捎诤奢d重復作用而引起的破壞稱為疲勞破壞。疲勞破壞的產生取決于加荷時應力是否超過混凝土的疲勞強度 。試驗表明， 混凝土疲勞強度 低于軸心抗壓強度 fc ，大致為（0.40.5）fc，此值的大小與荷載重復作用的次數、應力變化幅度及混凝土強度等級有關。2.2 混凝土的力學性能3）混凝土在長期荷載作用下的變形 混凝土結構或材料承受的荷載或應力不變，而變形

13、或應變隨時間增大的現象稱為徐變?；炷恋男熳兣c時間參數有關。圖2-8所示為混凝土棱柱體試件加荷至 =0.5f c時測得的應變與時間的關系曲線。2.2 混凝土的力學性能圖2-8 混凝土棱柱體試件加荷至=0.5fc時測得的應變與時間的關系曲線 2.2 混凝土的力學性能 影響混凝土徐變的因素是多方面的，主要可歸結為以下三個方面： （1）內在因素。 （2）環(huán)境因素。 （3）應力因素。2.3 鋼筋與混凝土的黏結 鋼筋與混凝土共同工作的原理2.3.1（1）因水泥顆粒的水化作用形成的凝膠體對鋼筋表面產生的膠結力。（2）因混凝土硬結時體積收縮，將鋼筋緊緊握裹而產生的摩擦力。（3）由于鋼筋表面凹凸不平與混凝土之

14、間產生的機械咬合力。2.3 鋼筋與混凝土的黏結 黏結作用可以用圖2-9所示的鋼筋與混凝土之間的黏結應力示意圖來說明。根據受力性質的不同，鋼筋與混凝土之間的黏結應力可分為裂縫間的局部黏結應力和鋼筋端部的錨固黏結應力兩種。 裂縫間的局部黏結應力是在兩個相鄰開裂截面之間產生的，鋼筋應力的變化會受黏結應力的影響，黏結應力使兩個相鄰裂縫之間的混凝土參與受拉。 鋼筋伸進支座或在連續(xù)梁中承擔負彎矩的上部鋼筋在跨中截斷時，需要延伸一段長度，即錨固長度。2.2 混凝土的力學性能圖2-9 鋼筋與混凝土之間的黏結應力（a）裂縫間的局部黏結應力 （b）鋼筋端部的錨固黏結應力2.3 鋼筋與混凝土的黏結 黏結錨固強度2.

15、3.2 鋼筋與混凝土的黏結錨固強度通常采用拉拔試驗來測定，如圖2-10所示。黏結錨固應力由拉拔力F除以錨固面積dla而得，d為鋼筋直徑， la為錨固長度。由拉拔試驗可得 （2-8） 黏結錨固應力與滑移（-s）關系曲線表達了鋼筋與混凝土之間的黏結錨固性能。曲線的斜率表示錨固剛度（抵抗滑移的能力）；曲線的峰值 u為錨固強度；曲線下降段為錨固延性（大滑移時的錨固能力）。2.2 混凝土的力學性能圖2-10 鋼筋與混凝土的黏結錨固應力與滑移（-s）關系曲線（a）拉拔試件；（b）-s曲線2.3 鋼筋與混凝土的黏結 影響?zhàn)そY錨固強度的因素2.3.3 （1）光圓鋼筋及變形鋼筋的黏結錨固強度都隨混凝土強度等級的提高而提高。 （2）當黏結發(fā)生破壞時，鋼筋周圍的混凝土容易產生劈裂裂縫，從而對結構的耐久性產生不利影響。 （3）混凝土構件截面上有多根鋼筋并列在一排時，鋼筋凈間距對黏結錨固強度有重要的影響。2.3 鋼筋與混凝土的黏結 （4）橫向鋼筋（如梁中的箍筋）可以限制混凝土內部裂縫的發(fā)展和到達構件表面的裂縫寬度，從而提高黏結錨固強度。 （5）在直接支承的支座處，如梁的簡支端，鋼筋的錨固區(qū)會受到來自支座的橫向壓應力的作用，橫向壓應力約束了混凝土的橫向變形，使鋼筋與混凝土間抵抗滑動的摩阻力增大，