同濟大學《混凝土》第二章 鋼筋和混凝土材料的力學性能

1、第二章 鋼筋和混凝土材料力學性能,同濟大學土木工程學院建筑工程系顧祥林,混凝土結構基本原理,同濟大學電子音像出版社,一、鋼筋的強度和變形 1. 鋼筋的形式和成型,一、鋼筋的強度和變形 1. 鋼筋的形式和成型,一、鋼筋的強度和變形 1. 鋼筋的應力-應變曲線,上屈服點不穩(wěn)定,下屈服點,出現(xiàn)頸縮,拉斷,BC段為屈服平臺 CD段為強化段,有明顯流幅的鋼筋,無明顯流幅的鋼筋,鋼筋受壓和受拉時的應力-應變曲線幾乎相同,一、鋼筋的強度和變形 1. 鋼筋的應力-應變曲線,強度指標,* 明顯流幅的鋼筋：下屈服點對應的強度作為設計強度的依據，因為，鋼筋屈服后會產生大的塑性變形，鋼筋混凝土構件會產生不可恢復的變形

2、和不可閉合的裂縫，以至不能使用,* 無明顯流幅的鋼筋：殘余應變?yōu)?.2%時所對應的應力作為條件屈服強度,隨著冶金系統(tǒng)采用國際標準及質量的提高，在相應的產品標準中明確規(guī)定屈服強度0.2不得小于極限抗拉強度b的85%（0.85b）。因此，實際應用中可取極限抗拉強度b的85%作為條件屈服點,一、鋼筋的強度和變形 1. 鋼筋的應力-應變曲線,強度指標的確定,強度,隨機變量,根據統(tǒng)計資料，運用數(shù)理統(tǒng)計方法確定的具有一定保證率（鋼筋為95 %）的統(tǒng)計特征值： 強度標準值=強度平均值-1.645均方差,一、鋼筋的強度和變形 1. 鋼筋的應力-應變曲線,變形指標,* 伸長率：鋼筋拉斷后的伸長與原長的比值,*

3、冷彎要求：將直徑為d的鋼筋繞直徑為D的鋼輥彎成一定的角度而不發(fā)生斷裂,一、鋼筋的強度和變形 2. 鋼筋的成分、級別和品種,按化學成分,碳素鋼（鐵、碳、硅、錳、硫、磷等元素）,低碳鋼（含碳量0.25%）,中碳鋼（含碳量0.250.6%）,高碳鋼（含碳量0.61.4%）,普通低合金鋼（另加硅、錳、鈦、釩、鉻等）,錳系 硅釩系 硅鈦系 硅錳系 硅鉻系,一、鋼筋的強度和變形 2. 鋼筋的成分、級別和品種,鋼筋,熱軋鋼筋：熱軋光面鋼筋HPB235，熱軋帶肋鋼筋HRB335、HRB400，余熱處理鋼筋RRB400,冷拉鋼筋：由熱軋鋼筋在常溫下用機械拉伸而成,熱處理鋼筋：將HRB400、RRB400鋼筋通過

4、加熱、淬火、回火而成,按加工,鋼絲,碳素鋼絲：高碳鎮(zhèn)靜鋼通過多次冷拔、應力消除、矯正、回火處理而成,刻痕鋼絲：在鋼絲表面刻痕，以增強其與混凝土間的粘結力,鋼絞線：若干根相同直徑的鋼絲成螺旋狀鉸繞在一起,冷拔低碳鋼絲：由低碳鋼冷拔而成,一、鋼筋的強度和變形 2. 鋼筋的成分、級別和品種,按表面形狀,光圓鋼筋,變形鋼筋,鋼筋的應用范圍,非預應力鋼筋：HRB235，HRB335，HRB400，RRB400,預應力鋼筋：碳素鋼絲、刻痕鋼絲、鋼絞線、熱處理鋼筋、冷拉鋼筋。,一、鋼筋的強度和變形 3. 鋼筋的冷加工和熱處理,冷拉,無時效,經時效,K點的選擇：應力控制和應變控制,溫度的影響：溫度達700C時

5、恢復到冷拉前的狀態(tài)，先焊后拉,特性：只提高抗拉強度，不提高抗壓強度，強度提高，塑性下降,一、鋼筋的強度和變形 3. 鋼筋的冷加工和熱處理,冷拔,經過冷拔后鋼筋沒有明顯的屈服點和流幅,冷拔既能提高抗拉強度又能提高抗壓強度,一、鋼筋的強度和變形 3. 鋼筋的冷加工和熱處理,熱處理,對特定鋼號的鋼筋進行淬火和回火處理,強度提高，塑性降低,不降低強度的前提下，消除由淬火產生的內力，改善塑性和韌性,一、鋼筋的強度和變形 4. 鋼筋的徐變和松弛,徐變,應力不變，隨時間的增長應變繼續(xù)增加,松弛,長度不變，隨時間的增長應力降低,對結構，尤其是預應力結構，產生不利的影響，需采取必要的措施,一、鋼筋的強度和變形

6、5. 鋼筋的疲勞,重復荷載作用下，鋼筋的強度靜載作用下的強度,規(guī)定的應力幅度內，經一定次數(shù)的重復荷載后，發(fā)生疲勞破壞的最大應力值稱為疲勞強度。對鋼筋用疲勞應力幅來表示其疲勞強度。,試驗方法,單根鋼筋的軸拉疲勞,鋼筋埋入混凝土中重復受拉或受彎,一、鋼筋的強度和變形 6. 混凝土結構對鋼筋的要求,強度要求：屈服強度和極限強度，抗震設計時還要求有一定的屈強比,塑性要求：伸長率和冷彎要求,可焊性,與混凝土的粘結性,一、鋼筋的強度和變形 7. 鋼筋應力-應變曲線的數(shù)學模型,有明顯流幅的鋼筋,無明顯流幅的鋼筋,二、混凝土的強度和變形 1. 單軸受力狀態(tài)下混凝土的抗壓強度,立方體抗壓強度fcu,我國規(guī)范的方

7、法：不涂潤滑劑,壓力試件裂縫發(fā)展擴張整個體系解體，喪失承載力,另影響強度的因素還有：齡期、加載速率、試塊尺寸等,二、混凝土的強度和變形 1. 單軸受力狀態(tài)下混凝土的抗壓強度,標準試塊：150150 150,非標準試塊：100100 100 換算系數(shù) 0.95 200200 200 換算系數(shù) 1.05,立方體抗壓強度是區(qū)分混凝土強度等級的指標，我國規(guī)范混凝土的強度等級有： C15，C20，C25，C30，C35，C40，C45，C50，C55，C60，C65，C70，C75，C80,表示混凝土Concrete,立方體抗壓強度,立方體抗壓強度fcu,二、混凝土的強度和變形 1. 單軸受力狀態(tài)下混凝

8、土的抗壓強度,強度指標的確定,強度,隨機變量,根據統(tǒng)計資料，運用數(shù)理統(tǒng)計方法確定的具有一定保證率（95%）的統(tǒng)計特征值： 強度標準值=強度平均值-1.645均方差,二、混凝土的強度和變形 1. 單軸受力狀態(tài)下混凝土的抗壓強度,棱柱體抗壓強度fc,標準試塊：150150 450,非標準試塊：100100 300 換算系數(shù) 0.95 200200 400 換算系數(shù) 1.05,考慮到承壓板對試件的約束，立方體抗壓強度大于棱柱體抗壓強度，且有：fc=0.76fcu (試驗結果) 考慮到構件和試件的區(qū)別，取fc=0.67fcu,對國外（美國、日本、歐洲混凝土協(xié)會等）采用的圓柱體試件（d=150, h=3

9、00），有fc=0.79fcu (C60以下),圓柱體抗壓強度,二、混凝土的強度和變形 2. 單軸受力狀態(tài)下混凝土的抗拉強度,直接受拉試驗ft,試驗結果：ft=0.395fcu 0.55,二、混凝土的強度和變形 2. 單軸受力狀態(tài)下混凝土的抗拉強度,劈裂試驗fts,我國根據100mm立方體的劈裂與抗壓試驗結果有： fts=0.19fcu 3/4,二、混凝土的強度和變形 3. 復合受力狀態(tài)下混凝土的抗拉強度,雙軸應力下的強度,雙向正應力下的強度曲線,法向應力和剪應力下的強度曲線,二、混凝土的強度和變形 3. 復合受力狀態(tài)下混凝土的抗拉強度,三向受壓時的混凝土強度,圓柱體試驗,有側向約束時的抗壓強

10、度,無側向約束時圓柱體的單軸抗壓強度,二、混凝土的強度和變形 4. 混凝土的疲勞強度,重復荷載下的應力-應變曲線,fcf的確定原則：100100 300或150150 450 的棱柱體試塊承受200萬次（或以上）循環(huán)荷載時發(fā)生破壞的最大壓應力值,二、混凝土的強度和變形 4. 混凝土的變形性能,單軸受壓時的應力-應變關系,二、混凝土的強度和變形 4. 混凝土的變形性能,單軸受壓時的應力-應變關系的數(shù)學模型,美國Hognestad模型,德國Rsch模型,二、混凝土的強度和變形 4. 混凝土的變形性能,單軸受壓時的應力-應變關系的數(shù)學模型中國規(guī)范,二、混凝土的強度和變形 4. 混凝土的變形性能,側向

11、受約束時混凝土的變形特點,二、混凝土的強度和變形 4. 混凝土的變形性能,軸向受拉時混凝土的應力應變關系,理論模型,二、混凝土的強度和變形 4. 混凝土的變形性能,重復荷載下混凝土的變形性能,二、混凝土的強度和變形 4. 混凝土的變形性能,混凝土的彈性模量,原點切線模量（彈性模量）：拉壓相同,變形模量（割線模量、彈塑性模量）,切線模量,受壓時，為0.41.0； 受拉破壞時，為1.0,二、混凝土的強度和變形 4. 混凝土的變形性能,混凝土的彈性模量的試驗方法（150150 450標準試件）,510次,二、混凝土的強度和變形 4. 混凝土的變形性能,混凝土的泊松比和剪切模量,混凝土的泊松比，在壓力

12、較小時為0.150.18，接近破壞時可達0.5以上，一般可取0.2,混凝土的剪切模量為,二、混凝土的強度和變形 4. 混凝土的變形性能,長期荷載作用下混凝土的變形性能徐變,c0.5fc，線性徐變,c0.8fc，非線性徐變,原因之一，膠凝體的粘性流動,原因之二，混凝土內部微裂縫的不斷發(fā)展,二、混凝土的強度和變形 4. 混凝土的變形性能,長期荷載作用下混凝土的變形性能影響徐變的因素,應力： c0.8fc，造成混凝土破壞，不穩(wěn)定,加荷時混凝土的齡期，越早，徐變越大,水泥用量越多，水灰比越大，徐變越大,骨料越硬，徐變越小,二、混凝土的強度和變形 4. 混凝土的變形性能,混凝土的收縮結硬過程中混凝土體積縮小的性質,水泥品種：等級越高