2第二章钢筋混凝土材料的力学性能课件.ppt

1、主讲教师：盛明强主讲教师：盛明强课件制作：盛明强课件制作：盛明强混凝土的力学性能混凝土的力学性能钢筋的力学性能钢筋的力学性能钢筋与混凝土的粘结钢筋与混凝土的粘结混凝土的强度和变形性能混凝土的强度和变形性能钢筋的种类和力学性能钢筋的种类和力学性能粘结破坏机理粘结破坏机理普通混凝土：由水泥、砂、石和水按一定配合比拌和，普通混凝土：由水泥、砂、石和水按一定配合比拌和，经凝固硬化后做成的人工石材。经凝固硬化后做成的人工石材。一、混凝土的强度一、混凝土的强度1、混凝土立方体抗压强度、混凝土立方体抗压强度“套箍作用套箍作用”影响因素：影响因素：尺寸效应：尺寸效应：尺寸越大，内部缺陷较多，尺寸越大，内部缺陷

2、较多，强度较低。强度较低。加载速度：加载速度：加载速度越快，强度越低。加载速度越快，强度越低。2 2 轴心抗压强度轴心抗压强度 120.88ccufccf 棱柱体高度的取值：棱柱体高度的取值：h/b=24 摆脱端部摩擦力的影响；摆脱端部摩擦力的影响；试件不致失稳。试件不致失稳。与与 的关系：的关系：试验目的：采用棱柱体试件，反映混凝土的实际工作状态。试验目的：采用棱柱体试件，反映混凝土的实际工作状态。试件尺寸：我国取试件尺寸：我国取 mm为标准试件。为标准试件。150 150 300scfscuf3 3 轴心抗拉强度轴心抗拉强度 tcu0.550.395ff 与与 的关系：的关系：直接受拉试验

3、直接受拉试验 tsfscuf 劈裂试验劈裂试验 (间接测试混凝土的轴心抗拉强度）间接测试混凝土的轴心抗拉强度）st22Pfa4 4 复杂应力状态下混凝土的强度复杂应力状态下混凝土的强度 双向受力状态双向受力状态 双向受拉，接近单轴抗拉强度；双向受拉，接近单轴抗拉强度；双向受压，混凝土的侧向变形受到约束，强度双向受压，混凝土的侧向变形受到约束，强度提高提高；一拉一压，一拉一压，加速了混凝土内部微裂缝的发展加速了混凝土内部微裂缝的发展，抗拉、抗压强，抗拉、抗压强度均度均降低降低。压剪或拉剪复合应力状态压剪或拉剪复合应力状态 随着随着拉应力拉应力的增大的增大，混凝土的抗剪强度混凝土的抗剪强度降低降低

4、。随着随着压应力压应力的增大的增大，混凝土的抗剪强度混凝土的抗剪强度逐渐增大逐渐增大；当压应；当压应力力超过超过某一数值后，抗剪强度随压应力增大而某一数值后，抗剪强度随压应力增大而减小减小。混凝土的压剪复合强度混凝土的压剪复合强度 cccrff 三轴应力状态三轴应力状态 试件侧向变形受到限制，试件侧向变形受到限制，其内部微裂缝的产生和发展受其内部微裂缝的产生和发展受到阻碍，当侧压力增大时，轴到阻碍，当侧压力增大时，轴向抗压强度也相应增大。向抗压强度也相应增大。混凝土的三轴抗压强度混凝土的三轴抗压强度 三轴试验得到的三轴试验得到的侧向压应力侧向压应力系数为系数为4.1，但，但经验公式的经验公式的

5、侧向压应力系数取侧向压应力系数取4.57.0，平均值为平均值为5.6。试件纵向受压时，混凝土的横向膨胀受到约束，使核试件纵向受压时，混凝土的横向膨胀受到约束，使核心混凝土处于心混凝土处于三向受压三向受压状态，内部状态，内部微裂缝微裂缝的发展受到抑制，的发展受到抑制，从而提高了试件的纵向强度和从而提高了试件的纵向强度和延性延性，特别是延性大为提高。，特别是延性大为提高。混凝土圆柱体三向受压时轴向应力混凝土圆柱体三向受压时轴向应力应变曲线应变曲线 正因为三向受压时混正因为三向受压时混凝土的轴心抗压强度大幅凝土的轴心抗压强度大幅提高，故实际工作中常采提高，故实际工作中常采用用横向钢筋横向钢筋约束混凝

6、土的约束混凝土的方法来提高混凝土的抗压方法来提高混凝土的抗压强度。强度。由多轴强度破坏理由多轴强度破坏理论也可知，三向受压时混论也可知，三向受压时混凝土可以承受很大的压应凝土可以承受很大的压应力，理论上承受三向均压力，理论上承受三向均压时其极限承载力为无穷大。时其极限承载力为无穷大。螺旋箍筋圆柱体约束混凝土的应力螺旋箍筋圆柱体约束混凝土的应力应变曲线应变曲线 1.1.一次短期加载下一次短期加载下混凝土受压的应力混凝土受压的应力应变曲线应变曲线 （1）混凝土的应力应变曲线混凝土的应力应变曲线oa段，当段，当0.3时，时，关系接近于关系接近于直线直线；ab段，当段，当=(0.30.8)时，时，关系

7、关系偏离直线偏离直线；bc段，当段，当=(0.81.0)时，内部微裂缝进入时，内部微裂缝进入非稳定发展阶段非稳定发展阶段。cd段，段，c点以后，承载力下降，应变继续增大，留下点以后，承载力下降，应变继续增大，留下残余应力残余应力。cu0峰值应变峰值应变 极限压应变极限压应变 混凝土的应力混凝土的应力应变曲线应变曲线 n由上述混凝土破由上述混凝土破坏机理可知，微坏机理可知，微裂缝的发展导致裂缝的发展导致试件最终破坏。试件最终破坏。混凝土受拉时的混凝土受拉时的应力应变关系应力应变关系曲线与受压时相曲线与受压时相似，但其峰值时似，但其峰值时的应力和应变都的应力和应变都较受压时小得多。较受压时小得多。

8、（2 2）混凝土的弹性模量、变形模量混凝土的弹性模量、变形模量 弹性模量弹性模量：过：过原点原点切线的斜率。切线的斜率。切线模量切线模量：过某一点：过某一点切线切线的斜率。的斜率。变形模量（割线模量）变形模量（割线模量）：某一点与原点：某一点与原点连线连线的斜率。的斜率。混凝土的变形模量混凝土的变形模量 n规范规范规定：混规定：混凝土弹性模量采用凝土弹性模量采用棱柱体反复加荷的棱柱体反复加荷的方法确定。随着加方法确定。随着加荷次数的增加，应荷次数的增加，应力应变曲线基本力应变曲线基本上接近于直线，该上接近于直线，该直线的斜率即为混直线的斜率即为混凝土的弹性模量。凝土的弹性模量。混凝土混凝土弹性

9、模量弹性模量与与立方体抗压强度立方体抗压强度之间的关系：之间的关系：52ccu,k10(N/mm)34.72.2Ef2 2 混凝土在长期荷载作用下的变形性能混凝土在长期荷载作用下的变形性能 定义：定义：在荷载在荷载长期长期作用下，混凝土的作用下，混凝土的变形变形随时间而随时间而徐徐增长徐徐增长 的现象。的现象。徐变的特点：徐变的特点：开始增长较快，以后逐渐减慢，最后趋于稳定。开始增长较快，以后逐渐减慢，最后趋于稳定。混凝土的徐变混凝土的徐变 徐变的原因：徐变的原因：水泥凝胶体的黏性流动，使骨料应力增大。水泥凝胶体的黏性流动，使骨料应力增大。混凝土中内部微裂缝的发展。混凝土中内部微裂缝的发展。影

10、响徐变的因素：影响徐变的因素：混凝土的龄期；混凝土的龄期；应力的大小；应力的大小；水灰比与水泥用量；水灰比与水泥用量；骨料用量及力学性能；骨料用量及力学性能；混凝土的制作、养护环境。混凝土的制作、养护环境。徐变对结构设计的影响：徐变对结构设计的影响：使钢筋混凝土构件截面产生使钢筋混凝土构件截面产生内力重分布内力重分布；使受弯构件和偏压构件的使受弯构件和偏压构件的变形加大变形加大；使预应力混凝土构件产生使预应力混凝土构件产生预应力损失预应力损失；长细比大构件，偏心受压时会长细比大构件，偏心受压时会增大偏心距增大偏心距，降低承载力降低承载力。3 3 混凝土的收缩混凝土的收缩定义定义：混凝土在空气中

11、硬化结硬时体积减小的现象。：混凝土在空气中硬化结硬时体积减小的现象。收缩的主要原因收缩的主要原因：混凝土硬化过程中化学反应产生：混凝土硬化过程中化学反应产生的凝缩和混凝土内的自由水蒸发产生的干缩。的凝缩和混凝土内的自由水蒸发产生的干缩。试验表明试验表明：水泥用量越多、水灰比越大，混凝土收：水泥用量越多、水灰比越大，混凝土收缩越大；集料的弹性模量越大、级配越好，混凝土缩越大；集料的弹性模量越大、级配越好，混凝土浇捣越密实，则收缩越小。浇捣越密实，则收缩越小。混凝土混凝土强度等级强度等级的选用的选用 采用采用HRB335、HRB400、RRB400级钢筋时，级钢筋时，不得低于不得低于C20；预应力

12、混凝土结构，预应力混凝土结构，不应低于不应低于C30；采用高强钢丝作预应力钢筋时，采用高强钢丝作预应力钢筋时，不宜低于不宜低于C40。承受重复荷载构件的混凝土，承受重复荷载构件的混凝土，不得低于不得低于C20；钢筋混凝土结构的强度等级，钢筋混凝土结构的强度等级，不应低于不应低于C15；当采用当采用HRB335时，时，不宜低于不宜低于C20；一般一般来说，受弯的梁板不超过来说，受弯的梁板不超过C30，受压的柱、墙不低于，受压的柱、墙不低于C30。按生产和加工工艺的不同可分为热轧钢筋、钢丝、钢绞线和按生产和加工工艺的不同可分为热轧钢筋、钢丝、钢绞线和热处理钢筋。热处理钢筋。热轧钢筋热轧钢筋是低碳钢

13、、普通低合金钢在高温状态下轧制而成。是低碳钢、普通低合金钢在高温状态下轧制而成。热轧钢筋的外形热轧钢筋的外形n光面钢筋：光面钢筋：HPB235；n变形钢筋：变形钢筋：HRB335、HRB400和和RRB400。消除应力钢丝消除应力钢丝分为：光面钢丝、刻痕钢丝和螺旋肋钢丝。分为：光面钢丝、刻痕钢丝和螺旋肋钢丝。热处理钢筋热处理钢筋为将特定强度的热轧钢筋通过加热、淬火和回为将特定强度的热轧钢筋通过加热、淬火和回火等调质工艺处理的钢筋。火等调质工艺处理的钢筋。预应力钢筋预应力钢筋热轧钢筋的热轧钢筋的符号说符号说明明HPB235 生产工艺：生产工艺：hot rolled 表面形状：表面形状：plain

14、 钢筋：钢筋：bar 屈服强度屈服强度热轧钢筋的热轧钢筋的符号说明符号说明HRB335 hot rolledribbed bar RRB400 remained heat treatmentribbed bar 热轧钢筋的热轧钢筋的屈服强度屈服强度种类种类符号符号fyf y热轧钢筋HPB 235(Q235)210210HRB 335(20MnSi)300300HRB 400(20MnSiV、20MnSiNb、20MnTi)360360RRB 400(K20MnSi)R360360预应力钢筋的预应力钢筋的屈服强度屈服强度种类种类符号符号fptkfpyfpy钢绞线13S18601320390172

15、012201570111017186013203901720 1220消除应力钢丝光面螺旋肋PH177012504101670118015701110刻痕I15701110410热处理钢筋40Si2MnHT1470104040048Si2Mn45Si2Cr1 1、有明显屈服点（软钢）的、有明显屈服点（软钢）的应力应力应变应变曲线曲线 a 比例极限比例极限b 弹性极限弹性极限ob 弹性阶段弹性阶段d 极限抗拉强度极限抗拉强度bc 屈服阶段屈服阶段cd 强化阶段强化阶段de 破坏阶段破坏阶段e 极限应变极限应变d 极限抗拉强度极限抗拉强度e 极限应变极限应变 条件屈服强度：条件屈服强度：取残余应变

16、为取残余应变为0.2%所对应的应力作为无明显流幅钢筋所对应的应力作为无明显流幅钢筋的强度限值，通常称为的强度限值，通常称为条件屈服强度条件屈服强度。2 2、无明显屈服点（硬钢）的、无明显屈服点（硬钢）的应力应力应变曲线应变曲线 n条件屈服强度相当于条件屈服强度相当于0.85倍极限抗拉强度。倍极限抗拉强度。拓展知识：拓展知识：钢筋的应力钢筋的应力应变应变简化模型简化模型 （1 1）理想弹塑性模型理想弹塑性模型（2 2）三段线性模型三段线性模型钢筋的钢筋的塑性性能塑性性能 （1）伸长率：）伸长率：（2）冷弯性能：）冷弯性能：伸长率越大，钢筋的伸长率越大，钢筋的塑性塑性和和变形能力变形能力越好。越好

17、。100%lll 弯心弯心直径直径越小，弯过的越小，弯过的角度角度越大，冷弯性能越好，钢筋的越大，冷弯性能越好，钢筋的塑塑性性能性性能越好。越好。规范规范规定：规定：普通钢筋宜采用普通钢筋宜采用HRB335级和级和HRB400级钢筋，也可采用级钢筋，也可采用HPB235级和级和RRB400级钢筋；级钢筋；预应力钢筋宜采用预应力钢绞线、钢丝，也可采用热处理预应力钢筋宜采用预应力钢绞线、钢丝，也可采用热处理钢筋。钢筋。HPB235HPB235级级钢筋多作为现浇楼板的受力钢筋、箍筋和钢筋多作为现浇楼板的受力钢筋、箍筋和构造钢筋；构造钢筋；HRB335HRB335级级、HRB400HRB400级级和和

18、HRB400HRB400级级多作为多作为受力钢筋，尺寸较大构件也可采用受力钢筋，尺寸较大构件也可采用HRB335HRB335级级作为箍作为箍筋。筋。粘结强度粘结强度：粘结失效时的最大（平均）粘结应力。：粘结失效时的最大（平均）粘结应力。粘结强度的测试粘结强度的测试 粘结应力的粘结应力的定义定义：钢筋与混凝土接触面上沿钢筋纵向的：钢筋与混凝土接触面上沿钢筋纵向的 剪应力。剪应力。拔出试验拔出试验粘结作用产生的粘结作用产生的原因原因钢筋与混凝土表面的钢筋与混凝土表面的化学吸附作用力化学吸附作用力，也称，也称胶结力胶结力；钢筋与混凝土接触面的钢筋与混凝土接触面的摩擦力摩擦力；钢筋与混凝土表面凹凸不平

19、的钢筋与混凝土表面凹凸不平的机械咬合力机械咬合力。粘结破坏机理粘结破坏机理 （1）光圆钢筋的粘结破坏：）光圆钢筋的粘结破坏：粘结作用在钢筋与混凝土间出现粘结作用在钢筋与混凝土间出现相对滑移相对滑移前主要取决于前主要取决于化学胶化学胶结力结力，发生滑移后则由，发生滑移后则由摩擦力摩擦力和和机械咬合力机械咬合力提供。提供。（2）变形钢筋的粘结破坏变形钢筋的粘结破坏 粘结强度仍由粘结强度仍由胶结力胶结力、摩擦力摩擦力和和机械咬合力机械咬合力组成。但主要为组成。但主要为机机械咬合力械咬合力。钢筋开始钢筋开始滑移滑移后，粘结力主要由钢筋后，粘结力主要由钢筋凸肋凸肋对混凝土的对混凝土的斜向挤压斜向挤压力力

20、和界面上的和界面上的摩擦力摩擦力组成。组成。若钢筋外围混凝土很薄且没有环向箍筋约束，形成纵向劈裂裂若钢筋外围混凝土很薄且没有环向箍筋约束，形成纵向劈裂裂缝，沿钢筋纵向产生缝，沿钢筋纵向产生劈裂破坏劈裂破坏。若有环向箍筋约束混凝土的变形，纵向劈裂裂缝的发展受到限若有环向箍筋约束混凝土的变形，纵向劈裂裂缝的发展受到限制，最后钢筋沿肋外径的圆柱面出现制，最后钢筋沿肋外径的圆柱面出现整体滑移整体滑移，发生，发生刮犁式破刮犁式破坏坏（剪切破坏）。（剪切破坏）。n粘结破坏机理示意图粘结破坏机理示意图 混凝土的强度；混凝土的强度；钢筋的外形；钢筋的外形；浇筑位置；浇筑位置；混凝土的保护层厚度及钢筋间距；混凝土的保护层厚度及钢筋间距；横向钢筋的数量；横向钢筋的数量；锚固区的侧向压应力，即受力状态。锚固区的侧向压应力，即受力状态。钢筋保护层厚度；钢筋保护层厚度；钢筋搭接长度；钢筋搭接长度；钢筋锚固长度；钢筋锚固长度；钢筋净距；钢筋净距；受力光面钢筋端部做成弯钩。受力光面钢筋端部做成弯钩。