第2章-钢筋和混凝土材料的物理力学性能课件.ppt

1、混凝土结构设计原理混凝土结构设计原理2.钢筋和混凝土材料的物理力学性钢筋和混凝土材料的物理力学性能能钢筋的物理力学性能钢筋的物理力学性能混凝土的物理力学性能混凝土的物理力学性能钢筋与混凝土的粘结钢筋与混凝土的粘结钢筋的锚固和连接钢筋的锚固和连接钢筋的级别、强度和变形性能钢筋的级别、强度和变形性能混凝土的强度和变形性能混凝土的强度和变形性能粘结破坏机理粘结破坏机理第第2章章 钢筋和混凝土材料钢筋和混凝土材料的物理力学性能的物理力学性能混凝土结构设计原理混凝土结构设计原理2.钢筋和混凝土材料的物理力学性钢筋和混凝土材料的物理力学性能能1 1 钢筋的钢筋的种类种类及及符号符号说明说明 钢筋的外形钢筋

2、的外形 热轧钢筋热轧钢筋混凝土结构设计原理混凝土结构设计原理2.钢筋和混凝土材料的物理力学性钢筋和混凝土材料的物理力学性能能1 1 钢筋的钢筋的种类种类及及符号符号说明说明 预应力钢筋预应力钢筋混凝土结构设计原理混凝土结构设计原理2.钢筋和混凝土材料的物理力学性钢筋和混凝土材料的物理力学性能能1 1 钢筋的钢筋的种类种类及及符号符号说明说明热轧钢筋的热轧钢筋的符号说明符号说明HPB235 生产工艺：生产工艺：hot rolled 表面形状：表面形状：plain 钢筋：钢筋：bar 屈服强度屈服强度混凝土结构设计原理混凝土结构设计原理2.钢筋和混凝土材料的物理力学性钢筋和混凝土材料的物理力学性能

3、能1 1 钢筋的钢筋的种类种类及及符号符号解释解释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 混凝土结构设计原理混凝土结构设计原理2.钢筋和混凝土材料的物理力学性钢筋和混凝土材料的物理力学性能能1 1 钢筋的钢筋的种类种类及及符号符号说明说明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)360360R

4、RB 400(K20MnSi)R360360混凝土结构设计原理混凝土结构设计原理2.钢筋和混凝土材料的物理力学性钢筋和混凝土材料的物理力学性能能1 1 钢筋的钢筋的种类种类及及符号符号说明说明预应力钢筋的预应力钢筋的符号说明符号说明S钢绞线钢绞线 S Strand P光面钢丝光面钢丝 P Plain I刻痕钢丝刻痕钢丝 I Indented H螺旋肋钢丝螺旋肋钢丝 H Helix HT热处理钢筋热处理钢筋 HT Heat-treated 混凝土结构设计原理混凝土结构设计原理2.钢筋和混凝土材料的物理力学性钢筋和混凝土材料的物理力学性能能1 1 钢筋的钢筋的种类种类及及符号符号说明说明预应力钢筋

5、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13S18601320390172012201570111017186013203901720 1220消除应力钢丝光面螺旋肋PH177012504101670118015701110刻痕I15701110410热处理钢筋40Si2MnHT1470104040048Si2Mn45Si2Cr混凝土结构设计原理混凝土结构设计原理2.钢筋和混凝土材料的物理力学性钢筋和混凝土材料的物理力学性能能2 2 软钢的软钢的应力应力应变曲线应变曲线 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b

6、c 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 极限应变极限应变混凝土结构设计原理混凝土结构设计原理2.钢筋和混凝土材料的物理力学性钢筋和混凝土材料的物理力学性能能3 3 硬钢的硬钢的应力应力应变曲线应变曲线 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。混凝土结构设计原理混凝土结构设计原理2.钢筋和混凝土材料的物理力学性钢筋和混凝土材料的物理力学性能能4 4 钢筋的应力钢筋的应力应变应

7、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混凝土结构设计原理混凝土结构设计原理2.钢筋和混凝土材料的物理力学性钢筋和混凝土材料的物理力学性能能5 5 钢筋的钢筋的塑性性能塑性性能 （1）延伸率：）延伸率：（2）冷弯性能：）冷弯性能：延伸率越大，钢筋的延伸率越大，钢筋的塑性塑性和和变形能力变形能力越好。越好。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。混凝土结构设计原理混凝土结构设计原理2.钢筋和混凝土材料的物理力学性钢筋和混凝土材料的物理力学性能

8、能6 6 钢筋的钢筋的冷加工冷加工冷拉：冷拉：在常温下用在常温下用机械机械方法将有明显流幅的钢筋拉到方法将有明显流幅的钢筋拉到超过超过屈服强度的某一应力值，然后屈服强度的某一应力值，然后卸载至零卸载至零。混凝土结构设计原理混凝土结构设计原理2.钢筋和混凝土材料的物理力学性钢筋和混凝土材料的物理力学性能能6 6 钢筋的冷加工 钢筋在冷拉后，未经时效前，一般没有明显的屈服台阶；钢筋在冷拉后，未经时效前，一般没有明显的屈服台阶；经过停放或加热后进一步提高了屈服强度并恢复了屈服台经过停放或加热后进一步提高了屈服强度并恢复了屈服台阶，这种现象称为冷拉阶，这种现象称为冷拉时效硬化时效硬化。混凝土结构设计原

9、理混凝土结构设计原理2.钢筋和混凝土材料的物理力学性钢筋和混凝土材料的物理力学性能能6 6 钢筋的钢筋的冷加工冷加工 冷拔：冷拔：将将HPB235级热轧钢筋级热轧钢筋强行强行拔过小于其直径的硬质合金拔过小于其直径的硬质合金拔拔丝模具丝模具。经过几次冷拔的钢丝，抗拉、抗压经过几次冷拔的钢丝，抗拉、抗压强度均强度均大大提高，但大大提高，但塑性塑性降低。降低。混凝土结构设计原理混凝土结构设计原理2.钢筋和混凝土材料的物理力学性钢筋和混凝土材料的物理力学性能能7 7 混凝土结构对钢筋性能的混凝土结构对钢筋性能的要求要求 保证构件具有一定的保证构件具有一定的强度储备强度储备。（1）适当的屈强比）适当的屈

10、强比（2）足够的塑性）足够的塑性 避免发生避免发生脆性脆性破坏。破坏。（4）耐久性和耐火性）耐久性和耐火性（3）可焊性）可焊性 要求钢筋具备良好的要求钢筋具备良好的焊接焊接性能。性能。（5）与混凝土具有良好的）与混凝土具有良好的粘结粘结 必要的混凝土保护层厚度以满足对构件必要的混凝土保护层厚度以满足对构件耐火极限耐火极限的要求。的要求。（6）寒冷地区，防止钢筋）寒冷地区，防止钢筋低温冷脆低温冷脆导致破坏。导致破坏。混凝土结构设计原理混凝土结构设计原理2.钢筋和混凝土材料的物理力学性钢筋和混凝土材料的物理力学性能能1 1 立方体抗压强度立方体抗压强度 用边长为用边长为150mm的的标准标准立方体

11、试块在立方体试块在标准标准条件下养护条件下养护28d后，以后，以标准标准试验方法测得的破坏时的试验方法测得的破坏时的平均平均压应力为混凝土的压应力为混凝土的立方体抗压强度立方体抗压强度。影响因素影响因素：按上述规定所测得的具有按上述规定所测得的具有95%保证率保证率的抗压强度称为混的抗压强度称为混凝土的凝土的立方体抗压强度标准值立方体抗压强度标准值 。cu,kf 尺寸效应：尺寸越大，内部缺陷较多，尺寸效应：尺寸越大，内部缺陷较多，强度较低。强度较低。加载速度：加载速度越快，强度越低。加载速度：加载速度越快，强度越低。端部约束：涂润滑油端部约束：涂润滑油，强度降低。，强度降低。混凝土结构设计原理

12、混凝土结构设计原理2.钢筋和混凝土材料的物理力学性钢筋和混凝土材料的物理力学性能能1 1 立方体抗压强度立方体抗压强度 混凝土混凝土强度等级强度等级 按立方体抗压强度标准值确定，按按立方体抗压强度标准值确定，按 的大小划分为的大小划分为14级。级。C15、C20、C25、C30 C80。cu,kf 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，不得不得低于低于C20；预应力混凝土结构，预应力混凝土结构，不应不应低于低于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，不宜不宜低于低于C40。承受重复荷载构件的混凝土，

13、承受重复荷载构件的混凝土，不得不得低于低于C20；混凝土结构设计原理混凝土结构设计原理2.钢筋和混凝土材料的物理力学性钢筋和混凝土材料的物理力学性能能2 2 轴心抗压强度轴心抗压强度 120.88ccufccf 棱柱体棱柱体高度高度的取值：的取值：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 300scfscuf混凝土结构设计原理混凝土结构设计原理2.钢筋和混凝土材料

14、的物理力学性钢筋和混凝土材料的物理力学性能能3 3 轴心抗拉强度轴心抗拉强度 tcu0.550.395ff 与与 的关系：的关系：直接受拉试验直接受拉试验 tsfscuf 劈裂试验劈裂试验st22Pfa混凝土结构设计原理混凝土结构设计原理2.钢筋和混凝土材料的物理力学性钢筋和混凝土材料的物理力学性能能4 4 复杂受力状态下混凝土的强度复杂受力状态下混凝土的强度 双轴应力状态双轴应力状态 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

15、微裂缝的发展，抗拉、抗压强，抗拉、抗压强度均度均降低降低。混凝土的三轴抗压强度混凝土的三轴抗压强度 混凝土结构设计原理混凝土结构设计原理2.钢筋和混凝土材料的物理力学性钢筋和混凝土材料的物理力学性能能4 4 复杂受力状态下混凝土的强度复杂受力状态下混凝土的强度 cccrff 三轴应力状态三轴应力状态 试件侧向变形受到限制，其内试件侧向变形受到限制，其内部微裂缝的产生和发展受到阻碍，部微裂缝的产生和发展受到阻碍，当侧压力增大时，轴向抗压强度也当侧压力增大时，轴向抗压强度也相应增大。相应增大。混凝土的三轴抗压强度混凝土的三轴抗压强度 混凝土结构设计原理混凝土结构设计原理2.钢筋和混凝土材料的物理力

16、学性钢筋和混凝土材料的物理力学性能能4 复杂受力状态下混凝土的强度复杂受力状态下混凝土的强度 剪压或剪拉复合应力状态剪压或剪拉复合应力状态 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。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。混凝土的剪压复合强度混凝土的剪压复合强度 混凝土结构设计原理混凝土结构设计原理2.钢筋和混凝土材料的物理力学性钢筋和混凝土材料的物理力学性能能5 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

17、受压的应力应变曲线应变曲线 当当0.3时，时，关系接近于关系接近于直线直线；当当=(0.30.8)时，时，关系关系偏离直线偏离直线；当当=(0.81.0)时，内部微裂缝进入时，内部微裂缝进入非稳定发展非稳定发展阶段。阶段。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 混凝土结构设计原理混凝土结构设计原理2.钢筋和混凝土材料的物理力学性钢筋和混凝土材料的物理力学性能能6 三向三向受压时混凝土的应力受压时混凝土的应力应变曲线应变曲线 试件纵向受压时，混凝土的横向膨胀受到约束，使核心混凝试件纵向受压时，混凝土的横向膨胀受到约束，使核心混凝土处于土处于三向受压

18、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，从而提高了的发展受到抑制，从而提高了试件的纵向强度和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 混凝土结构设计原理混凝土结构设计原理2.钢筋和混凝土材料的物理力学性钢筋和混凝土材料的物理力学性能能6 三向三向受压时混凝土的应力受压时混凝土的应力应变曲线应变曲线 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 混凝土结构设计原理混凝土结构设计原理2.钢筋和混凝土材料的物理力学性钢筋和混凝土材料的物理力学性能能7

19、 7 混凝土的变形模量混凝土的变形模量 初始弹性模量初始弹性模量：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。割线模量割线模量：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 混凝土结构设计原理混凝土结构设计原理2.钢筋和混凝土材料的物理力学性钢筋和混凝土材料的物理力学性能能7 7 混凝土的变形模量混凝土的变形模量 混凝土混凝土弹性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)34.72.2Ef混凝土结构设计原理混凝土结构设计原理2.钢筋和混凝土材料的物

20、理力学性钢筋和混凝土材料的物理力学性能能8 8 混凝土的徐变混凝土的徐变 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 混凝土结构设计原理混凝土结构设计原理2.钢筋和混凝土材料的物理力学性钢筋和混凝土材料的物理力学性能能8 8 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

21、微裂缝的发展。影响徐变的因素影响徐变的因素：应力的大小；应力的大小；混凝土的龄期；混凝土的龄期；混凝土的制作、养护环境；混凝土的制作、养护环境；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。混凝土结构设计原理混凝土结构设计原理2.钢筋和混凝土材料的物理力学性钢筋和混凝土材料的物理力学性能能8 8 混凝土的徐变混凝土的徐变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。混凝土

22、结构设计原理混凝土结构设计原理2.钢筋和混凝土材料的物理力学性钢筋和混凝土材料的物理力学性能能1 1 粘结应力的粘结应力的定义定义钢筋与混凝土接触面上产生的沿钢筋纵向的剪应力钢筋与混凝土接触面上产生的沿钢筋纵向的剪应力。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 混凝土结构设计原理混凝土结构设计原理2.钢筋和混凝土材料的物理力学性钢筋和混凝土材料的物理力学性能能1 1 粘结应力的粘结应力的定义定义拔出试验拔出试验混凝土结构设计原理混凝土结构设计原理2.钢筋和混凝土材料的物理力学性钢筋和混凝土材料的物理力学性能能2 2 粘

23、结应力的粘结应力的组成组成 钢筋与混凝土表面的钢筋与混凝土表面的化学胶着力化学胶着力；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的钢筋与混凝土表面凹凸不平的机械咬合力机械咬合力。混凝土结构设计原理混凝土结构设计原理2.钢筋和混凝土材料的物理力学性钢筋和混凝土材料的物理力学性能能3 3 粘结粘结破坏机理破坏机理 （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化学胶着力学胶着力，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

24、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着力胶着力、摩擦力摩擦力和和机械咬合力机械咬合力组成。但主要组成。但主要为为机械咬合力机械咬合力。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斜向挤压力挤压力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，沿钢筋纵向产生裂裂缝，沿钢筋纵向产生劈裂破坏劈裂破坏。混凝土结构设计原理混凝土结构设计原理2.钢筋和混凝土材料的物理力学性钢筋和混凝土材料的物理力学性能能3 3 粘结粘结破坏机

25、理破坏机理 若有环向箍筋约束混凝土的变形，纵向劈裂裂缝的发展受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到限制，最后钢筋沿肋外径的圆柱面出现整体滑移整体滑移，发生，发生刮犁式破坏刮犁式破坏（剪切破坏）。（剪切破坏）。（3）影响粘结强度的影响粘结强度的因素因素 混凝土的强度；混凝土的强度；横向配筋的数量；横向配筋的数量；钢筋的外形；钢筋的外形；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；锚固区的横向压力锚固区的横向压力；受力状态。受力状态。混凝土结构设计原理混凝土结构设计原理2.钢筋和混凝土材料的物理力学性钢筋和混凝土材料的物理力学性能

26、能4 4 钢筋的钢筋的锚固锚固、连接连接与与延伸延伸 锚固：锚固：通过通过钢筋埋置段钢筋埋置段或或机械措施机械措施将钢筋所受的力传给混凝土。将钢筋所受的力传给混凝土。受拉钢筋受拉钢筋锚固长度：锚固长度：yatfldf 锚固长度的修正：锚固长度的修正：直径大于直径大于25mm的的带肋带肋钢筋，取钢筋，取 。钢筋表面有钢筋表面有环氧树脂环氧树脂涂层，取涂层，取 。锚固区混凝土锚固区混凝土保护层保护层厚度大于钢筋直径的厚度大于钢筋直径的3 倍，且配有倍，且配有箍箍筋筋时，取时，取 。施工中易受扰动的钢筋（滑模施工），取施工中易受扰动的钢筋（滑模施工），取 。a1.1la1.25la0.8la1.1l

27、混凝土结构设计原理混凝土结构设计原理2.钢筋和混凝土材料的物理力学性钢筋和混凝土材料的物理力学性能能4 4 钢筋的钢筋的锚固锚固、连接连接与与延伸延伸 修正后的锚固长度：修正后的锚固长度：aaa()0.7()250lll修正修正机械锚固的形式机械锚固的形式 依靠钢筋自身的性能无法满足锚固要求，采用依靠钢筋自身的性能无法满足锚固要求，采用机械锚固机械锚固措施。措施。混凝土结构设计原理混凝土结构设计原理2.钢筋和混凝土材料的物理力学性钢筋和混凝土材料的物理力学性能能4 4 钢筋的钢筋的锚固锚固、粘结粘结与与延伸延伸 通过通过绑扎搭接绑扎搭接、焊接焊接或或机械连接机械连接，将一根钢筋所受的，将一根钢筋所受的力传给另一根钢筋。力传给另一根钢筋。钢筋搭接接头的错开要求钢筋搭接接头的错开要求连接连接 混凝土结构设计原理混凝土结构设计原理2.钢筋和混凝土材料的物理力学性钢筋和混凝土材料的物理力学性能能4 4 钢筋的钢筋的锚固锚固、粘结粘结与与延伸延伸 将钢筋从按将钢筋从按计算不需要计算不需要的位置延伸一定长度，以保证的位置延伸一定长度，以保证钢筋发挥正常受力性能，称为钢筋发挥正常受力性能，称为延伸延伸。延伸延伸 钢筋的截断钢筋的截断