鋼筋混凝土材料的力學性能課件

第二章

鋼筋混凝土材料的力學性能

1．鋼筋

(1)熟悉鋼筋的品種和級別。

(2)掌握鋼筋的應力一應變?nèi)€特性及其數(shù)學模型。

(3)了解鋼筋的冷加工性能以及混凝土結構對鋼筋性能的要求。

2．混凝土

(1)熟悉混凝土的立方體強度、軸心抗壓強度、軸心抗拉強度及相互間的關系。

(2)掌握單軸向受壓下混凝土的應力一應變?nèi)€及其數(shù)學模型。

(3)熟悉混凝土彈性模量、變形模量的概念。

(4)了解重復荷載下混凝土的疲勞性能以及復合應力狀態(tài)下混凝土強度的概念。

(5)熟悉混凝土徐變、收縮的概念。

3．鋼筋與混凝土的粘結性能

(1)掌握粘結的定義、粘結力的組成、粘結應力的分布、粘結應力與相對滑移的關系等概念。

(2)掌握基本錨固長度的計算以及保證可靠粘結的構造要求。

主要內(nèi)容及要求第二章鋼筋混凝土材料的力學性能 1.1鋼筋1.2混凝土1.3鋼筋與混凝土之間的粘結1.4保證可靠粘結的具體構造措施1.5砼對鋼筋的保護作用1.6砼結構的環(huán)境類別按化學成分碳素結構鋼（含碳量在0.8%以下）低碳鋼含碳量≤0.25%中碳鋼含碳量0.25%~0.6%高碳鋼含碳量0.65%~1.4%普通低合金鋼(合金元素總含量<5%）隨著含碳量的增加，鋼筋的強度提高，塑性降低。在低碳鋼中，加入少Mn、Si，鈮、鈦、釩、鉻等合金元素，便成為普通低合金鋼，提高鋼材的強度和保持一定的延性。改善鋼材的性能一、鋼筋成分、品種、級別按加工工藝和力學性能熱軋鋼筋中、高強鋼絲和鋼絞線熱處理鋼筋冷加工鋼筋

按表面形狀光面鋼筋變形鋼筋光面鋼筋螺紋鋼筋月牙紋鋼筋人字紋鋼筋鋼筋表面形狀取決于鋼筋的強度注意：1、等級代號2、等級表示符號3、直徑范圍及常用直徑4、外形

冷加工鋼筋

常溫下采用某種工藝對某些等級的熱軋鋼筋進行加工而成。熱處理鋼筋是對某些特定型號的熱軋鋼筋進行加熱、淬火和回火等工藝處理，使鋼筋其強度大幅度提高，但塑性降低率不多得到的鋼筋中、高強鋼絲和鋼絞線是由熱軋鋼筋經(jīng)冷拔而成，根據(jù)原材料不同又分為冷拔低碳鋼絲和碳素鋼絲，鋼絲可刻痕(刻痕鋼絲)和鉸成鋼絞線，故鋼絲有：冷拉低碳鋼絲φb

碳素鋼絲φs

刻痕鋼絲φk

鋼絞線φj

二、鋼筋的強度和變形鋼筋力學性能四項指標：屈服強度；極限強度；伸長率；冷彎性能。（一）、熱軋鋼筋（HPB235、HRB335、HRB400、RRB400）1、受拉－曲線比例極限屈服強度極限強度o(N/mm2)fyfted流幅abcoa－彈性階段a－比例極限b－屈服強度cd－強化階段d－極限強度de－頸縮階段bc－屈服階段鋼筋的受壓性能在到達屈服強度之前與受拉時的應力應變規(guī)律相同，其屈服強度也與受拉時基本一樣。在達到屈服強度之后，由于試件發(fā)生明顯的塑性壓縮，截面積增大，因而難以給出明確的抗壓極限強度。受壓－曲線伸長率：冷彎性能：彎心直徑冷彎角度反映衡量鋼筋塑性性能的一個指標，伸長率越大，塑性越好是檢驗鋼筋塑性的另一種方法，可反映鋼材脆化的傾向。將直徑為d的鋼筋澆過直徑為D的鋼輥彎成一定角度，而不發(fā)生斷裂、裂縫或起層。

αd熱軋鋼筋的力學及工藝性能4、熱軋鋼筋－曲線的數(shù)學模型

A模型采用了兩點簡化1、應力小于屈服點應力時－為直線關系2、不利用應力強化階段。超過屈服應力點后處于流幅內(nèi)。規(guī)范模型εsu=0.01伸長率：δ100=3.5%~4%，很小0.2=0.85b強度標準值取值依據(jù)：取條件屈服強度0.2作為強度設計依據(jù)。2、設計強度取值3、伸長率、冷彎性能要求規(guī)范取值對彎曲半徑和彎曲次數(shù)有要求。屈服強度、極限強度、伸長率和冷彎性能是對軟鋼進行質(zhì)量檢驗的四項主要指標，而對無明顯屈服點的鋼筋，則只測后三項。應滿足《鋼筋混凝土用熱軋帶肋鋼筋》GB1499、《預應力混凝土用鋼絞線》GB/T5224等要求。4、硬鋼－曲線的數(shù)學模型

冷加工的方法：在常溫下對熱軋鋼筋冷拉、冷拔、冷軋和冷軋扭等加工。冷加工的目的：改變鋼材內(nèi)部結構，提高

鋼材強度，節(jié)約鋼筋。冷加工對鋼材性能的影響:強度提高，塑性降低。?熱處理是對某些特定型號的熱軋鋼進行淬火和回火處理。

三、鋼筋的冷加工和熱處理(a)為冷拉，可采用冷拉控制應力和冷拉率控制。冷拉后可提高鋼材的抗拉強度，但其屈服臺階變短。(b)為冷拔，可同時提高鋼材的抗拉和抗壓強度。塑性降低很多。冷軋后，鋼筋表面軋成帶肋，強度與冷拔低碳

絲接近，塑性要好一些。采用冷加工鋼筋，應符合專門的規(guī)程1.強度高：鋼筋的屈服強度和極限強度，鋼筋強屈比適宜（有足夠安全儲備）2.塑性好：伸長率、冷彎性能3.可焊性好：保證焊接后接頭性能良好，不產(chǎn)生裂紋或過大變形4.與混凝土間有足夠的粘結力：鋼筋的外形、錨固措施和錨固長度。另外在低溫地區(qū)：防止發(fā)生脆性破壞四、鋼筋混凝土構件對鋼筋的性能要求一、混凝土的組成：骨料水泥結晶體水泥凝膠體彈性變形的基礎塑性變形的基礎砼的強度及變形隨時間、隨環(huán)境的變化而變化。1.2混凝土1、立方體的抗壓強度fcu和混凝土強度等級（一）、混凝土抗壓強度二、混凝土的強度砼在結構中主要承壓，抗壓強度指標是最重要的指標。規(guī)范規(guī)定用邊長為150mm的標準立方體試塊，在標準養(yǎng)護室（溫度20±3℃，相對濕度不小于90%）養(yǎng)護28天后，以大約每秒0.5~0.25N/mm2的速度在試驗機上加壓至破壞，所測得的具有95%保證率的單軸抗壓強度，用符號fcu,k表示。砼的立方體抗壓強度標準值：是混凝土各種力學指標的代表值按砼立方體抗壓強度標準值劃分的強度級別，采用符號C與立方體抗壓強度標準值（以N/mm2）表示。14個等級：C15,C20,C25,C30,C35,C40,C45,C50,C55,C60,C65,C70,C75,C80.混凝土強度等級：C40表示？影響立方體強度的因素：試件尺寸：試件的尺寸越小，其抗壓強度值越高；溫度：溫度越高，砼的早期強度越高；水灰比：水灰比愈大，砼的強度愈低；濕度：試驗方法：加載速度、表面是否涂潤滑劑。尺寸效應的影響：

fcu(150)=0.95fcu(100)

fcu(150)=1.05fcu(200)RC構件對混凝土強度等級的要求：HPB235鋼筋：

混凝土等級不低于C15HRB335鋼筋：

混凝土等級不低于C20HRB400、RRB400鋼筋：混凝土等級不低于C20預應力構件鋼筋：混凝土等級不低于C30采用鋼絲、熱處理筋作預應筋：混凝土等級不低于

C40

2.軸心抗壓強度fc（棱柱體抗壓強度）以150×150×300mm（450）棱柱體試塊測得的抗壓強度。是混凝土最重要的強度指標。為消除端部約束的影響實際受壓構件混凝土抗壓強度的取值依據(jù)與立方體強度的關系：0.88——鑒于實際構件與試件制作和養(yǎng)護的差異

——棱柱體強度與立方體強度之比≤C50=0.76（普通混凝土）

┋

線性內(nèi)插C80=0.82 ——考慮混凝土脆性的修正系數(shù)，混凝土強度越高，脆性越明顯）≤C40=1.0（C40以下混凝土）┋線性內(nèi)插C80=0.87

混凝土的抗拉強度比抗壓強度小得多，為抗壓強度。直接測試方法間接測試方法(彎折，劈裂)試驗方法（二）、軸心抗拉強度ft軸心抗拉強度標準值ftk與立方體強度fcu，k的關系為

：對C40以上混凝土的強度折減系數(shù)δ：混凝土立方體強度的變異系數(shù)

=1、雙向正應力作用2、正應力和剪應力作用3、三軸受壓三、復合應力狀態(tài)下混凝土強度1,2(壓－壓)強度增加1,2(拉－壓)強度降低1,2(拉－拉)強度基本不變1、雙向正應力作用2、正應力和剪應力作用①

壓應力影響：壓應力小于0.6時，隨壓應力的增大，抗剪強度增長；壓應力大于0.6，隨壓應力的增大，抗剪強度減小。②

拉應力影響：隨拉應力的增長，抗剪強度減小混凝土抗拉和抗壓強度剪應力存在，抗拉和抗壓強度降低?？辜魪姸圈摇印摇印S壓軸拉純剪剪壓拉壓3、三軸受壓：工程應用：約束混凝土鋼管砼密配螺旋箍筋fcc’——有側向約束時試件的軸向抗壓強度fc——單向受壓試件的軸向抗壓強度σr——側向約束力局部受壓混凝土σ3↑2003=35N/mm225N/mm213310N/mm21501005005101520251(N/mm2)1(‰)0N/mm2σ1↑ε1↑三、荷載作用下混凝土的變形性能混凝土的變形混凝土的受力變形

混凝土的非受力變形

混凝土一次短期加荷的變形

混凝土長期作用的變形

多次重復荷載作用下的變形

收縮變形

溫度引起的變形

峰點C臨界點B拐點D收斂點Efc00???比例極限Acu???F0.3~0.5fc0.75~0.9fc標準棱柱體短時加載試驗應力－應變關系曲線分析（一） 一次短期荷載作用下混凝土的變形性能混凝土的應力－應變關系：不穩(wěn)定裂縫擴展階段上升段：下降段：裂縫迅速發(fā)展，試件表面出現(xiàn)與加壓方向平行的縱向裂縫，承載能力下降。至D點，試件從宏觀上已充分破碎，此時砼達到極限壓應變εcu。D點應變?yōu)闃O限應變：彈性階段OA穩(wěn)定裂縫擴展階段AB，應變增長＞應力增加。B點應力為長期受壓控制應力：彈塑性階段AB塑形變形顯著增加。裂縫迅速擴展。峰值應力為軸心抗壓強度。特征點：0

–––對應于峰值點應變cu

–––混凝土極限壓應變fc–––軸心抗壓強度

影響應力——應變曲線的因素混凝土的強度應變速率橫向鋼筋約束配箍率增加，間距加密→σ0↑，εcu↑速率↑σmax↑εcu↓強度↑延性↓①Hognestad公式σ-ε關系的數(shù)學模型（本構關系）②R?sh公式③《砼結構設計規(guī)范》采用的模型kcc0cecp0h

混凝土的彈性模量表示應力與應變的比值1、原點彈性模量：表示測定方法1）取應力上限0.5fc重復加載卸載后的σ-ε圖形斜率，得2）采用σc=0.3fc時的割線模量建筑和公路規(guī)范采用鐵路規(guī)范采用2、割線模量：3、切線模量：

–––彈性系數(shù)0～1.0c=ce

+cp注：只有在應力較低時，才有表示任意點應力大，彈性系數(shù)小表示應力增量與應變增量的比值有三種模量的大小關系？2、混凝土剪切模量：G=0.4Ec1、泊松比νc混凝土橫向應變與縱向應變的比值。隨應力增大而增大。當規(guī)范取由彈性理論求出：把代入得G=0.417Ec規(guī)范取混凝土的泊松比與剪切模量

受拉變形模量E’ct、彈性模量Ect彈性模量取與受壓時相同的。受拉時的彈性系數(shù)νt當即混凝土在受到荷載作用后，在荷載(應力)不變的情況下，變形(應變)隨時間而不斷增長的現(xiàn)象。161284369121518212427?Acecr徐變ce彈性變形ch收縮ceaeerBCD(10–4)t(月)0徐變：徐變的時間：6個月完成大部分；一年趨于穩(wěn)定，三年完成。（建筑物維修期一年）

（二）混凝土的徐變（長期荷載下的變形）a.應力不大時，水泥凝膠體向水泥結晶體應力垂分布的結果；b.應力較大時，內(nèi)部微裂縫長期積累的結果。

徐變的原因徐變的影響因素：內(nèi)在因素

——混凝土的組成和配比。骨料的剛度越大，體積比越大，徐變就越?。凰冶仍叫?，徐變也越小。

環(huán)境影響

——養(yǎng)護條件和使用條件。受荷前養(yǎng)護的溫濕度越高，徐變就越??；受荷后構件所處的環(huán)境溫度越高，相對濕度越小，徐變就越大

應力條件

——初應力水平σci/fc

和加荷時混凝土的齡期t0，它們是影響徐變的主要因素。線性徐變初應力c0.5fc徐變與初應力呈正比,徐變系數(shù)ψ成常數(shù)。非線性徐變初應力c>0.5fc徐變最終仍收斂，但徐變系數(shù)ψ隨σci的增大而增大。

徐變將不收斂當c>0.8fc，徐變發(fā)展最終導致破壞作為混凝土的長期抗壓強度。0.8fc定義徐變變形εcr與初始應變εci的比值為徐變系數(shù)ψ，即

徐變的性質(zhì)徐變對結構的影響：使構件的變形增加；在截面中引起應力重分布；在預應力混凝土結構中引起預應力損失。（三）混凝土在多次重復荷載下的應力－應變關系?如果我們將混凝土棱柱體試塊加荷使其壓應力達到某個數(shù)值σ，然后卸荷至零，并把這一循環(huán)多次重復下去，就稱為多次重復荷載。?我們通常把能使試件循環(huán)200萬次或次數(shù)稍多時發(fā)生破壞的壓應力稱為混凝土的疲勞抗壓強度，用符號表示。多次重復荷載下應力應變曲線

1.混凝土一次加荷卸荷時：曲線與橫坐標成一環(huán)狀2.混凝土在多次重復荷載作用下的曲線a.加荷應力時，每次卸荷時，塑性變形（不可恢復變形）逐漸減小，曲線越來越閉合成一直線；b.加荷應力（某一應力）時，曲線由凸向應力軸逐漸轉為凸向應變軸，標志混凝土內(nèi)部微裂縫發(fā)展加劇趨近破壞。（疲勞破壞）

由上述a、b可以得出，曲線不同的變化過程取決于施加應力的大小

疲勞抗壓強度能使試件循環(huán)200萬次或次數(shù)稍多時發(fā)生破壞的壓應力影響疲勞抗壓強度的因素1、荷載重復次數(shù)和砼強度等級2、重復荷載應力變化幅度在相同的重復次數(shù)下，砼的疲勞強度隨增加而增大?；炷猎诳諝庵薪Y硬體積減小的現(xiàn)象。蒸汽養(yǎng)護常溫養(yǎng)護051015200.10.20.30.4收縮(10–3)時間(月)四、混凝土的非受力變形收縮混凝土的收縮隨時間發(fā)展的規(guī)律

※混凝土的收縮隨時間而增長

※兩周可完成全部收縮的25%，一個月可完成50%

※整個收縮過程可延續(xù)兩年以上

混凝土開裂時應變約為(0.5~2.7)×10-4，而收縮應變終極值約為(2~5)×10-4，故收縮應變?nèi)缡艿郊s束，極易導致開裂。

◆

混凝土收縮的影響因素

※環(huán)境的溫度濕度

※構件斷面形狀及尺寸

※配合比

※骨料性質(zhì)、水泥性質(zhì)

※混凝土澆筑質(zhì)量、養(yǎng)護條件

收縮的性質(zhì)自由收縮：對結構沒影響約束收縮來自內(nèi)部的鋼筋約束來自支座的外部約束收縮對結構的影響a.構件未受荷之前產(chǎn)生裂縫；b.預應力構件中預應力損失（預應力筋與混凝土一同回縮引起預應力損失）；c.超靜定結構產(chǎn)生內(nèi)力實際工程中，一般采用設置施工縫和構造鋼筋等措施來減小收縮應力的不利影響。

混凝土的膨脹混凝土在水中硬結過程體積膨脹的現(xiàn)象

水下建筑物

1.3鋼筋與混凝土之間的粘結一、粘結的意義二、粘結的概念三、粘結的分類四、粘結的機理五、光圓鋼筋與變形鋼筋的粘結性能六、保證粘結力的措施一、粘結的意義

若梁中的鋼筋與混凝土沒有粘結（圖(a)），則在荷載作用下，鋼筋不受力，該梁如同素混凝土梁。若梁中的鋼筋僅設置機械錨固（圖(b)），則鋼筋應力沿全長相等，其受力猶如二鉸拱，不是梁的受力狀態(tài)。結論：只有梁中的鋼筋沿全長與混凝土有可靠的粘結，并在端部有可靠的錨固，才符合梁的受力特點

鋼筋與混凝土之間的粘結性能是鋼筋混凝土構件必不可少的第三個材料性能，是配筋構造的基礎。

二、粘結的概念1、軸心受拉構件端部的受力分析

（軸向拉力N施加在端部的鋼筋上）

※端部截面鋼筋應力σs=N/As，混凝土應力σc=0,二者存在著很大的應變差，變形協(xié)調(diào)關系εs=εc不成立；

※隨著距端部截面距離的增加，拉力通過粘結作用逐漸向混凝土傳遞，應變差εs-εc逐漸減小※經(jīng)過一定距離lt的粘結作用力傳遞后，應變差εs-εc=0，變形協(xié)調(diào)關系成立，二者共同受力。

由上述分析可知

——鋼筋與混凝土之間具有足夠的粘結是保證二者共同受力、變形協(xié)調(diào)的前提。

2、粘結應力的概念和表達式

※粘結應力τ的概念

單位界面面積上粘結作用力沿鋼筋軸線方向的分力，即鋼筋與混凝土界面上的粘結剪應力

※粘結應力τ的表達式

由圖鋼筋隔離體的平衡可得

整理可得粘結應力

從上式我們可以看出

鋼筋應力的變化產(chǎn)生粘結應力粘結應力的大小取決于二者的相對變形（滑移）

三、粘結的分類

1、錨固粘結

對于存在錨固粘結應力的地方，必須保證足夠的錨固長度，必要時采取機械錨固措施，避免產(chǎn)生脆性粘結破壞。

2、裂縫間粘結

軸心受拉構件開裂前，粘結應力僅發(fā)生在構件端部。開裂后（見圖），粘結應力發(fā)生在裂縫截面兩側粘結應力可以減小裂縫寬度、提高構件的剛度

四、粘結的機理1、粘結作用的組成

（1）

水泥膠體與鋼筋表面的膠結力

砼中水泥砂漿的膠結作用——當鋼筋與混凝土產(chǎn)生相對滑動后，膠結作用即喪失

（2）

混凝土與鋼筋間的摩擦力

砼收縮緊緊握裹而產(chǎn)生的摩擦力

——取決于握裹力和鋼筋與混凝土表面的摩擦系數(shù)

（3）

機械咬合力

由于鋼筋表面凸凹不平而產(chǎn)生的機械咬合力——變形鋼筋可顯著增加鋼筋與混凝土的機械咬合作用

2、機械咬合作用的受力機理

※變形鋼筋受力后，其凸出的肋對混凝土產(chǎn)生斜向擠壓力※水平分力（軸向拉力和剪力）使產(chǎn)生內(nèi)部斜向錐形裂縫，徑向分力（環(huán)向拉力）使產(chǎn)生內(nèi)部徑向裂縫。

3、變形鋼筋的粘結破壞形態(tài)

劈裂式粘結破壞當混凝土保護層、鋼筋間距較小時，徑向裂縫可發(fā)展達到構件表面，且相互貫通，產(chǎn)生劈裂式粘結破壞。剪切型粘結破壞當混凝土保護層厚度較大或者配置有橫向鋼筋時，徑向裂縫的發(fā)展受到限制，肋前部的混凝土在水平分力和剪力作用下最終將被擠碎，產(chǎn)生所謂“刮犁式”的剪切型粘結破壞1、粘結強度的試驗測定平均粘結應力五、粘結強度2、影響粘結強度的主要因素1）混凝土強度：2）相對保護層厚度：3）鋼筋凈間距

：4）橫向配筋

：5）鋼筋表面特征和外形特征

：6）受力情況

：混凝土的粘結強度與混凝土抗拉強度成正比；相對保護層c/d→大，混凝土的側向約束作用增大，混凝土抵抗劈裂破壞的能力也越大，粘結強度越高。橫向鋼筋的存在限制了徑向裂縫的發(fā)展，阻止了劈裂破壞的發(fā)生，使粘結強度得到提高?！饷驿摻畋砻姘纪馆^小，機械咬合作用小，粘結強度低?！冃武摻罾叩南鄬κ芰γ娣e（擠壓混凝土的面積與鋼筋截面積的比值）越大，其粘結強度越大。※若在錨固范圍內(nèi)存在側壓力，則可增大鋼筋與混凝土界面的摩擦力，從而提高粘結強度；※若在錨固范圍內(nèi)存在剪力，則其產(chǎn)生的斜裂縫會使錨固鋼筋受到銷栓作用而降低粘結強度；

※受反復荷載作用的鋼筋，肋前肋后的混凝土會被擠碎，導致咬合作用降低，從而降低粘結強度。鋼筋的粘結破壞形態(tài)還與鋼筋凈距s有關?！斾摻顑艟噍^大時（s>2c），可能是保護層劈裂；※當鋼筋凈距較小時（s<2c），可能沿鋼筋連線劈裂，導致粘結強度降低。六、光圓鋼筋與變形鋼筋的粘結性能1、光圓鋼筋粘結力：主要是膠結力和摩擦力。破壞過程：沒有產(chǎn)生滑移前，只有化學吸附作用，一旦混凝土和鋼筋產(chǎn)生滑移有摩擦力，但粘結強度較小，易拔出。措施：端部做彎鉤和足夠的錨固長度（受壓時，可不做彎鉤）

粘結力：膠結力、摩擦力、機械咬合力

破壞過程：先有膠結力，滑移產(chǎn)生之后，有摩擦力、機械咬合力。當混凝土較薄時，肋間擠壓力引起的環(huán)向拉應力或斜向拉應力大于混凝土抗拉強度，混凝土破壞，產(chǎn)生劈裂破壞。當混凝土較厚時，或布置箍筋時，產(chǎn)生刮犁式破壞，鋼筋被撥出。措施：變形鋼筋端部可不做彎響，應有足夠的錨固長度。2、變形鋼筋七、保證粘結力的措施：

保證錨固長度和搭接長度；保證鋼筋周圍的混凝土有足夠的厚度；(保護層厚度及鋼筋凈距)

光圓筋在端部做成彎鉤?；炷翉姸鹊燃壊灰颂褪芰^大鋼筋采用變形鋼筋接頭部位、錨固區(qū)箍筋加密1.4保證可靠粘結的具體構造措施一、鋼筋的混凝土保護層二、鋼筋的錨固三、鋼筋的連接1.4保證可靠粘結的具體構造措施一、鋼筋的混凝土保護層：

不能太小ccC≮鋼筋直徑d

板：C≮15mm梁：C≮25mm柱：C≮25mm