1-钢筋混凝土材料的主要力学性能

第1章钢筋混凝土材料的主要力学性能 混凝土结构材料（主要力学性能）混凝土钢筋强度和变形 第一节混凝土的主要力学性能一．混凝土的强度荷载的性质和受力条件不同，使混凝土具有不同的强度立方体抗压强度单向应力状态下的强度轴心抗压强度轴心抗拉强度复合应力状态下的强度双向受力强度三向受压强度 1．混凝土的立方体抗压强度和强度等级 标准试验条件标准方法制作边长150mm立方体,(20±3)º湿度90%以上28天龄期用标准试验方法测立方体抗压强度标准值：95%保证率的立方体抗压强度值。用途：力学性能的基本代表值，混凝土强度等级划分依据。强度等级：按立方体抗压强度标准值分为14级，“C+标准值” 常用等级：C15，C20，C25，C30，C35，C40，C45，C50，C55，C60，C65，C70，C75，C80混凝土强度等级：例如C20,表示 当边长不是150mm时，可通过尺寸效应换算系数换算成标准试块的强度。规范规定其换算关系为： 混凝土立方体抗压强度试验混凝土抗压强度试验破坏照片 影响立方体抗压强度的因素：（1）试验方法：分为涂润滑剂和不涂润滑剂。通常试块与试验机垫板之间存在摩擦，这种摩擦对试块有“套箍”作用――引起抗压强度提高。如果涂润滑剂，摩擦力大大减小，横向不受约束，强度不提高。注意：我国规定的标准试验方法是不涂润滑剂的。（2）试件尺寸：尺寸越小，强度越高。（3）加载速度：速度越快，强度越高。（4）混凝土龄期：随龄期的增长而提高。 2．混凝土的轴心抗压强度用标准棱柱体试件（150mm×150mm×300mm）采用标准试验方法（与立方体相同）测定的混凝土抗压强度――轴心抗压强度。一般认为当h/b=2~4时，可以消除摩擦力的影响，中间为纯压状态，接近实际情况。 通过试验分析，《规范》给出轴心抗压强度标准值与立方体抗压强度标准值的关系按下式确定：――棱柱体强度与立方体强度的比值，C50以下取0.76，C80取0.82。――高强混凝土的脆性折减系数，C40及以下，取1.0，C80取0.87。0.88――考虑实际构件与试件混凝土之间的差异而取的折减系数。 小贴示：在以后计算受弯构件，轴心受压构件和偏心受压构件的正截面承载力时，都是以作为强度计算指标的。 3．混凝土的轴心抗拉强度一般只为抗压强度的1/18~1/9。轴心抗拉强度可由试验直接测得轴心受拉试验（直接）劈裂试验（间接） 通过试验分析，《规范》给出轴心抗拉强度标准值与立方体抗压强度标准值的关系注意：混凝土强度越高，与的比值越小。 小贴示：在以后实际计算时，，不用上式计算，当混凝土强度等级一定时，直接查表，见附录。 4、复合应力状态下的混凝土的强度实际上混凝土构件都处于复合应力状态，梁既受M又受V，柱同时受M、N、V，所以需研究复合应力状态下混凝土的强度。 （1）混凝土的双向受力强度（正应力）双向受拉：、相互影响不大，双向受拉强度接近于单向受拉强度。双向受压：一向的强度随另一向压力的增加而增加，双向受压强度比单向受压强度最多可提高27%。一向受压、一向受拉：双向异号应力使单向（受压或受拉）强度降低。 （2）在法向应力和剪应力组合下的混凝土强度“拉剪状态”压应力低时，抗剪强度随压应力的增大而增大，当压应力超过时，抗剪强度随压应力的增大而减小。也就是说：由于剪应力存在，混凝土的抗压强度低于单向抗压强度。“压剪状态”抗剪强度随拉应力增大而减小。也就是说：由于剪应力存在，混凝土的抗拉强度降低。 （3）混凝土的三向受压强度混凝土在三向受压时，由于侧向压应力的约束作用，最大的主压应力轴的抗压强度大大增大。试验经验公式：（实际工程中，配有螺旋钢箍柱、钢管混凝土柱等都是利用此性质，强度、延性大大提高）“套箍作用” 二.混凝土的变形混凝土的变形分为:一次短期加载下的变形1.混凝土的受力变形荷载长期作用下的变形重复荷载作用下的变形2.混凝土的体积变形收缩、膨胀、温度变化 1.一次短期加载下混凝土的变形性能（1）混凝土受压时的应力——应变曲线（通过应力——应变曲线，可以了解混凝土各阶段的强度和变形）采用棱柱体试件测定混凝土受压时应力——应变全曲线，包括：上升段和下降段 上升段（OC）:（a）加载到，接近直线，混凝土处于弹性阶段；A点——比例极限。（b）加载，图形逐渐弯曲，混凝土呈现出弹塑性性质，E不是常数；B点——混凝土长期抗压强度的取值依据。（c）加载至峰点C，应变增大，图形更弯曲。C点——混凝土棱柱体抗压强度，对应的应变。下降段（CE）:缓慢卸荷，裂缝继续扩展、贯通，变形增大。收敛点E——应变 特点：1）混凝土的应力应变图形是一曲线，说明混凝土是一种弹塑性材料，只有压应力很小时，才可视为弹性材料。2）混凝土强度对应力应变曲线下降段有较大影响，混凝土强度高，应力下降快，延性越差；强度低，下降段越平缓，延性好。 （通过上述受压应力应变曲线，获得混凝土的变形性能指标）（2）混凝土的弹性模量、变形模量是一曲线，非线性，E是变量不是常数。（a）弹性模量：过曲线上的原点作曲线的切线，该切线的斜率为弹性模量——原点弹性模量《规范》规定采用反复加荷的方法确定对标准棱柱体试件，取反复加荷、卸载5至10次，随加载次数增加，接近直线，该直线斜率即为弹性模量。 据实验值的统计分析，得出与的关系式：（kN/mm2）实际设计时，可以根据混凝土等级查表。小贴士：只有在应力很小时，才能用，混凝土进入弹塑性状态，要用变形模量或切线模量来表示应力——应变关系。 （b）变形模量（割线模量）（弹塑性模量）连接原点至曲线上任一点处割线的斜率为该点的变形模量——变量，各点不同（c）切线模量过某一应力作曲线切线，其斜率为规律：随荷载增大，和不断减小。（3）混凝土轴向受拉时的应力应变曲线与受压时相似——上升段、下降段但其应力、应变峰值小的多， 弹性模量变形模量切线模量 混凝土在长期荷载下，压应力不变，应变随时间而增长的现象——徐变徐变现象：在荷载长期作用下，变形将随时间而增加；徐变原因：凝胶体的粘性流动，内部微裂缝不断产生和发展等徐变影响：导致变形增大，应力重分布和内力分布等。2.荷载长期作用下混凝土的变形性能 徐变的特点：a）与时间有关：开始增加快，以后慢，六个月完成大部分，1～2年后稳定.（徐变应变约为瞬时应变的1～4倍）b）与应力大小有关：当应力较小时，徐变大致与应力成正比——线性徐变。当应力较大时，徐变增长大于应力增长——非线性徐变。当应力过高时，徐变急剧增大，不收敛，试件破坏所以一般取为混凝土的长期极限强度。 c）与混凝土的龄期有关：加载时混凝土的龄期越早，徐变越大d）与混凝土的组成成分有关：水泥用量越多或水灰比越大，徐变越大。骨料质量好，徐变越小。e）与混凝土养护条件有关：养护温度高，湿度大，徐变越小；受力后环境温度越高，湿度低，徐变就越大。f）与构件形状、尺寸有关：体表比大，徐变小。影响徐变的因素归纳为三个方面：内在因素、环境因素、应力因素。 卸载时变形恢复:瞬时弹性恢复、弹性后效，永久应变减小徐变的措施：1）选用优质骨料、优质水泥，减小水泥用量和水灰比。2）加强养护，尽量捣实，保持温度、湿度。3）适当控制混凝土龄期。 3.重复荷载作用下混凝土的变形在荷载重复作用下，混凝土的强度和变形有很大变化，混凝土在荷载重复作用下引起的破坏称为－疲劳破坏。容易出现疲劳破坏的构件：吊车梁、钢筋混凝土道桥、港口海岸的混凝土结构等。疲劳抗压强度：混凝土的疲劳强度用疲劳试验测定。疲劳试验采用100mm×100mm×300mm或150mm×150mm×450mm的棱柱体，把能使棱柱体试件承受200万次或其以上循环荷载而发生破坏的压应力值称为混凝土的疲劳抗压强度。 一次重复加载下加载：随应力增加应变增加卸载：不重复加载轨迹，有弹性后效和残余变形多次重复加载下峰值小于疲劳强度：每循环成环，面积逐渐减少，至直线；峰值大于疲劳强度：开始与小应力的相似；成直线后，凸凹方向改变，斜率降低，裂缝和变形严重混凝土疲劳破坏：因荷载重复作用而引起的破坏混凝土疲劳强度：疲劳破坏需要重复荷载的最小应力峰值 疲劳抗压强度与应力变化幅度有关：式中：，表示截面同一纤维上的混凝土最小应力和最大应力。 4.混凝土的收缩和膨胀－－体积变形混凝土在空气中结硬时体积减小的现象——收缩混凝土在水中结硬时体积增大的现象——膨胀膨胀值远小于收缩值，一般不考虑。收缩与时间有关，半年完成80～90％。当这种自发的变形受到外部（支座）或内部（钢筋）的约束时，将使混凝土中产生拉应力，甚至引起混凝土的开裂。混凝土收缩会使预应力混凝土构件产生预应力损失。混凝土收缩在钢筋混凝土结构中会产生不利影响——开裂 ◆影响因素混凝土的收缩受结构周围的温度、湿度、构件断面形状及尺寸、配合比、骨料性质、水泥性质、混凝土浇筑质量及养护条件等许多因素有关。-------归纳为：内在因素、环境因素减小混凝土收缩的措施：同徐变4）设置适当抗收缩钢筋（构造钢筋—见相关构造要求）（温度变化，也会引起混凝土开裂，一般影响不大，在重要结构、高层结构、特种结构中考虑——设置伸缩缝） 第二节钢筋的主要力学性能一、钢筋的品种和级别（一）钢筋的品种（分类）按化学成分分类：低碳钢碳素钢中碳钢随含碳量增加，钢筋强度提高，高碳钢塑性性能降低。普通低合金钢：除碳素钢已有的成分外，再加入少量的硅、锰、钛、钒等合金元素。强度显著提高，塑性性能也好。 按外形分类光面钢筋——表面光滑，与混凝土粘结力差。变形钢筋——表面带肋，螺旋纹、人字纹、月牙纹，与混凝土粘结力高。热轧钢筋（用于钢筋混凝土结构）按生产工艺分类预应力钢丝和钢绞线、热处理钢筋（用于预应力混凝土结构）冷加工钢筋（用于预应力混凝土结构）三种钢筋的生产工艺不同，见P22 （二）钢筋的级别1、热轧钢筋：由普通（低碳）碳素钢、低合金钢轧制而成——软钢性能：随着钢筋级别的增加，强度提高，塑性降低。 （三）钢筋的冷加工（对钢筋进行冷加工，可以提高强度）1.冷拉对热轧钢筋进行张拉，张拉应力超过原屈服点，然后放松，再张拉，屈服强度提高了，但塑性降低。（伸长率降低）2.冷拔将光面钢筋通过强力拔过直径小的钨合金拔丝模孔，塑性变形后——3，4mm钢丝。冷拉：提高抗拉强度（不宜作受压钢筋）冷拔：同时提高抗拉、抗压强度,冷拉有屈服明显的屈服台阶，冷拔则没有。 （四）影响钢材性能的一般因素(1)化学成分碳：提高强度；但塑性，可焊性、耐锈蚀性等劣化。锰：提高强度，改善脆性,但对可焊性和耐锈力不利。硅：提高强度，但含量过高，对塑性可焊性耐锈力不利。硫：高温时变脆，降低塑性韧性抗疲劳能力和耐锈能力。磷：提高强度和耐锈力，低温变脆，降低塑性可焊性等。(2)钢材缺陷偏析:钢中化学成分的不一致性和不均匀性裂纹：先天的裂纹，或是微观的或是宏观的分层：在厚度方向分成多层，各层相互连接，并不脱离夹杂物：尤其是硫化物和氧化物等 (3)钢材的硬化时效硬化：现象：时间增加，强度提高，塑性下降。特点：过程很长，反复荷载和高温下易产生。冷作硬化：常温下产生塑性变形后屈服点提高，塑性降低。应变时效：产生塑性变形后，特别是在高温下，使已经产生冷作硬化的钢材又发生时效硬化。 (4)温度在正常温度下：基本不随温度变化在高温度下：温度升高，强度、弹性模量均有下降趋势蓝脆现象：250℃左右，抗拉强度反而提高，塑性和韧性下降。在低温时：温度降低，强度略提高，塑性等下降，有脆性倾向。冷脆现象：当温度降低至某一温度以下时，材料变脆。 （五）结构对钢材的要求(1)结构对钢材的要求具有较高的屈服强度和极限强度；具有良好的塑性和韧性具有良好的工艺加工性能；良好的耐锈蚀能力与混凝土良好的粘结力(2)钢材的选择：结构或构件的类型及重要性；作用的性质（静力和动力作用）；连接方式（焊接、铆接或螺栓连接）；工作环境（温度和腐蚀等）。 二、钢筋的强度和变形（通过拉伸试验获得的应力应变曲线来说明）1、应力——应变曲线分两类：有明显的流幅：热轧钢筋（软钢）无明显的流幅：高碳钢（硬钢）（预应力钢丝、钢绞线、热处理钢筋）设计强度取值依据：有明显流幅钢筋，取其屈服点强度作为设计取值依据。无明显流幅钢筋，取（极限抗拉强度）作为条件屈服点。 屈服阶段弹性阶段强化阶段颈缩 简单应力下钢材的性能(1)钢材的应力-应变关系曲线形式：有明显流幅的：弹性、屈服、强化和颈缩阶段没有明显流幅的：没有明显的屈服阶段曲线简化：屈服前：完全弹性的；屈服后：完全塑性的。 (2)钢材的强度指标屈服强度：设计时钢材允许达到的最大应力有明显流幅的钢材：取屈服点的应力；无有明显流幅的钢材：取条件屈服强度。条件屈服强度：残余应变为0.2%对应的应力；或取（极限抗拉强度）作为条件屈服点。极限强度：材料能承受的最大应力反映安全储备屈强比：屈服强度/极限强度(3)钢材的塑性指标伸长率：拉断后构件伸长率截面收缩率：拉断后面积缩小率冷弯性能：以冷弯的角度来衡量 2、复杂应力下钢材的性能(1)复杂应力状态下的屈服条件判别方法：用能量理论建立屈服条件，用折算应力判别当时，钢材没有屈服当时，钢材屈服。折算应力以主应力表示：以应力分量表示 分析结果：主应力同号时，不易屈服，塑性下降，越接近越明显。主应力异号时，易屈服，破坏呈塑性，差别越大越明显。(2)反复荷载下钢材的疲劳疲劳破坏：在低于强度的应力反复作用下，所发生破坏。疲劳破坏特点：包括裂纹形成，缓慢发展和迅速断裂三个过程没有明显的变形，脆性破坏 影响因素：荷载的的性质：拉、压、剪等应力循环特征：(应力比)静载（=1）同号循环（>0）脉冲循环(=0)异号循环(<0)完全对称循环（-1）循环次数:应力比一定时，疲劳强度与荷载的循环次数有关。 疲劳极限：当最大应力小于某一数值，反复荷载循环无穷次，材料也不会破坏。疲劳曲线(试验结果)循环N次包络线ABCD简化疲劳曲线ABCD的方程BCD(拉为主)AB(压为主) 第三节钢筋和混凝土的粘结与锚固一、粘结的作用和分类钢筋和混凝土之间的粘结，是保证两者共同工作的前提。钢筋混凝土结构受力后，若钢筋和混凝土有相对变形（滑移）就会在其交界面上产生剪应力,这种剪应力称为钢筋和混凝土之间的粘结力。局部粘结应力粘结应力分为：锚固粘结应力 钢筋与混凝土之间粘结应力示意图（a）锚固粘结应力（b）裂缝间的局部粘结应力没有应力差的位置没有粘结力 局部粘结应力：发生在裂缝间。作用：钢筋应力发生变化，使相邻两个裂缝之间的混凝土参与受拉。其丧失，会开裂。锚固粘结应力：发生在钢筋端部（支座内）。作用：钢筋需有一定锚固长度，以积累足够的粘结力，达到需要的拉力。否则，发生锚固破坏。 钢筋与混凝土的粘结钢筋与混凝土粘结的作用作用：保证力的相互传递，是共同工作的基本条件单元分析：假设：一端力T，另端为T+dT根据平衡条件：分析结果应力变化大，粘结力大，变化小，粘结小当钢筋应力没有变化时，粘结应力等于零 有关的设计问题钢筋端部的锚固裂缝间应力的传递裂缝截面：拉力为零离开一段距离：混凝土有拉力两条裂缝中间：混凝土拉力最大◆钢筋的基本锚固长度钢筋的基本锚固长度取决于钢筋的强度及混凝土抗拉强度，并与钢筋的外形有关。《规范》规定纵向受拉钢筋的锚固长度作为钢筋的基本锚固长度，其计算公式为： 二、粘结力的组成（1）钢筋和混凝土接触面上的化学吸附作用力——化学胶结力（2）混凝土收缩握裹钢筋而产生的摩阻力——摩阻力（3）钢筋表面凹凸不平与混凝土之间产生的机械咬合作用力——机械咬合力光圆钢筋粘结力主要来自胶结力和摩阻力。变形钢筋粘结力主要来自机械咬合力。 三、影响粘结强度的因素平均粘结应力式中：N为钢筋的拉力，d为钢筋的直径，l为粘结长度。影响粘结强度的主要因素：（1）混凝土强度等级：粘结强度与混凝土的抗拉强度大致成比例。（2）保护层厚度及钢筋净间距：越大，粘结强度越高。（3）横向钢筋（箍筋）及侧向压应力：可以限制裂缝的发展、提高粘结强度。（4）浇注位置。 四、保证钢筋和混凝土粘结力的措施（用构造措施保证）（1）对不同等级的混凝土和钢筋，要保证基本的锚固长度和最小搭接长度。（2）满足钢筋最小间距和混凝土保护层最小厚度。（3）加密箍筋（接头范围内）。（4）钢筋端部设弯钩（光面钢筋）。 第四节钢筋和混凝土的选用混凝土的选用原则：建筑工程中钢筋混凝土构件的混凝土强度等级不应低于C15;当采用HRB335级钢筋时，混凝土强度等级不宜低于C20;当采用HRB400和RRB400级钢筋以及承受重复荷载的构件，混凝土强度等级不得低于C20;预应力混凝土结构的混凝土强度等级不应低于C30;当采用钢绞线，钢丝，热处理钢筋作预应力钢筋时，混凝土强度等级不宜低于C40。 钢筋混凝土构件的混凝土强度等级不应低于C20;当采用HRB400级钢筋时，混凝土强度等级不得低于C25。预应力混凝土结构的混凝土强度等级不应低于C40.公路桥涵中 钢筋的选用原则：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宜优先采用HRB335和HRB400级钢筋，以节省钢筋用量，改善我国建筑结构的质量。除此以外，也可以采用HPB235级和RRB400级热轧钢筋及强度级别较低的冷拔，冷轧钢筋。预应力钢筋宜采用预应力钢绞线，中高强钢丝，也可以采用热处理钢筋。除此以外，还可以采用冷拉钢筋和强度级别较高的冷拔低碳钢丝和冷轧钢筋。公路桥涵工程中还可以采用精制螺纹钢筋。 思考题1-1混凝土的基本强度指标有哪些？它们之间的换算关系如何？1-4混凝土的轴心受压应力-应变曲线有何特点？影响该曲线形状的主要因素有哪些？1-6何谓混凝土的徐变？影响混凝土徐变的主要因素有哪些？徐变对混凝土构件有何影响？采取什么措施可以减少混凝土的徐变？1-9钢筋混凝土结构对钢筋性能有何要求？1-13在实际工程中，选用钢筋和混凝土时一般应考虑哪些因素？ 按混凝土试件的“尺寸效应”，相同的混凝土试块当边长为200mm、150mm、100mm时，其实测立方体强度相对比值为：。由混凝土应力应变曲线的下降段可知：混凝土强度越高，残余应力相对的,高强度混凝土变形能力。混凝土的极限压应变值包括和两部分，其中变形越大，表明混凝土的延性越好。采用约束混凝土不仅可以提高混凝土的强度，而且可以提高构件的耐受的能力。 混凝土在荷载的作用下，随而增长的变形称为徐变。在保持应力不变的情况下，混凝土加载时的龄期越大，则徐变增长；水泥含量越少，则徐变越；混凝土养护时，周围的相对湿度越高，则徐变越。1.我国规范采用（）作为混凝土各种力学指标的基本代表值。A.立方体抗压强度标准值B.轴心抗压强度标准值C.轴心抗拉强度标准值D.劈拉强度 同一强度等级的混凝土，它的各种力学指标之间的大小关系是（）A.B.C.D.混凝土在复杂应力状态下，下列（）状态下的强度降低。A.三向受压B.两向受压C.双向受拉D.一拉一压 不同强度等级的混凝土试块，在相同的条件下进行受压实验所测得的应力-应变曲线可以看出（）。A.曲线的峰值较高，下降段坡度越陡，延性越好。B.曲线的峰值越低，下降段坡度越缓，延性越好。C.曲线的峰值越高，混凝土的极限压应变越大。下列（）说法正确，收缩将使混凝土结构：（1）变形增加；（2）产生裂缝；（3）预应力钢筋应力损失；（4）强度降低。A.（2），（4）B.（1），（3），（4）C.（1），（2），（3）D.（3），（4） 钢筋力学性能与含碳量有关，含碳量越高，强度越，质地，但塑性。衡量钢筋塑性性能的指标有和，；通常越大，钢筋的塑性性能越好，破坏时有明显的拉断预兆。光面钢筋与混凝土的粘结力主要有由、/和三部分组成。钢筋的强度设计指标是根据（）确定的。A.比例极限B.极限强度C.屈服强度D.极限拉应变 下列钢筋中，（）是有明显屈服点钢筋。A.冷拉钢筋B.热处理钢筋C.碳素钢丝D.钢绞线对于无明显屈服点的钢筋，其强度标准值取值的依据是（）。A.最大应变对应的应力B.极限抗拉强度C.0.9倍极限强度D.条件屈服强度钢筋冷拉和冷拔的共同点是（）。A.塑性能力提高B.均能提高钢筋的抗拉强度C.同时提高钢筋的抗拉和抗压强度D.经过冷拉和冷拔后，钢筋还有明显的屈服点 影响混凝土强度的主要因素有哪些？钢筋混凝土结构对钢筋的性能有哪些要求?保证钢筋与混凝土之间粘结力的构造措施有哪些?什么是徐变？徐变对结构有何影响？影响徐变的因素有哪些？减小徐变的措施有哪些？钢筋和混凝土之间的粘结力由哪几部分组成？