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1、本章主要内容 钢筋的材料性能 混凝土的材料性能 混凝土与钢筋的粘结 第2章混凝土结构材料的物理力学性能 1 本章提要 材料性能 物理力学性能 钢筋的强度 变形性能混凝土的强度 变形性能钢筋与混凝土之间的粘结 滑移性能 重点混凝土的强度 变形性能 本章在本课程中的作用后续各章的基础 2 钢筋的成分 级别和种类钢筋的强度和变形性能 重点 混凝土结构对钢筋性能的要求 2 1钢筋的基本性能 3 2 1 1钢筋的品种和级别 混凝土结构中的钢筋 4 热轧钢筋的符号说明 hotrolledplainbarfyk 300N mm2 hotrolledribbedbarfyk 335N mm2 hotrolle
2、dribbedbarfyk 400N mm2 remainedheattreatmentribbedbarfyk 400N mm2 2 1 1钢筋的品种和级别 5 2 1 1钢筋的品种和级别 普通钢筋强度标准值 N mm2 HPB300d 8 20fyk 235HRB335 HRBF335d 6 50fyk 335HRB400 HRBF400 RRB400d 6 50fyk 400HRB500 HRBF500d 8 40fyk 435主要成分 铁其他成分 碳 锰 硅 磷 硫等碳素钢 低碳钢 含碳量 0 25 中碳钢 0 25 0 6 高碳钢 0 6 1 4 含碳量高 强度高 延性差锰 硅 可提
3、高钢材强度 保持一定的塑性 6 热轧钢筋的外形 2 1 1钢筋的品种和级别 7 2 1 1钢筋的品种和级别 预应力钢筋外形 普通钢筋一般为软刚 预应力筋一般为硬钢 从受力性能分 软钢 硬钢 8 2 1 2钢筋的强度和变形性能 钢筋的应力 应变曲线 有明显流幅的钢筋 软钢 比例极限 弹性极限 屈服上限 屈服下限 屈服平台 强化阶段 颈缩阶段 钢筋的两个强度指标 屈服强度和极限强度屈服强度作为钢筋设计强度取值依据 9 钢筋的应力 应变曲线 无明显流幅的钢筋 硬钢 2 1 2钢筋的强度和变形性能 条件屈服强度 取残余应变为0 2 所对应的应力 10 钢筋的塑性性能 钢筋的两个塑性指标 延伸率和冷弯性
4、能 延伸率试验 冷弯试验 2 1 2钢筋的强度和变形性能 11 最大力下的总伸长率 普通钢筋及预应力筋在最大力下的总伸长率 gt应不小于附表5的规定的数值 12 13 2 1 2钢筋的强度和变形性能 软钢与硬钢的区别软钢 有明显的屈服平台 屈服强度 极限强度硬钢 只有极限强度 人为规定 条件屈服强度 设计取值依据屈服强度 软钢 条件屈服强度 硬钢 钢筋的屈强比 屈服强度 极限强度 0 8 钢筋的延性 ductility 钢筋在强度无显著降低情况下抵抗变形的能力 屈服后的变形能力 软刚延性好 硬钢延性较差 弹性模量 弹性极限以下应力 应变曲线的斜率 14 2 1 3钢筋的冷加工 冷拉冷拉是在常温
5、下用机械方法将有明显流幅的钢筋拉到超过屈服强度即强化阶段中的某一应力值 然后卸载至零 冷拉强化 冷拉控制应力必须超过屈服点 进入强化阶段 屈服强度提高 屈服平台消失 极限强度未提高 延性降低冷拉时效 钢筋经首次冷拉后 在自然条件下一段时间后进行第二次张拉 屈服强度和极限强度均提高 且恢复屈服台阶 只能提高抗拉强度 抗压屈服强度将降低 15 2 1 3钢筋的冷加工 16 2 1 3钢筋的冷加工 冷拔冷拔一般是将 6的HPB235热轧钢筋强行拔过小于其直径的硬质合金拔丝模具 可同时提高抗拉和抗压强度 冷加工目的是节约钢材和扩大钢筋的应用范围 混凝土规范 不提倡冷拉钢筋 已取消冷拉钢筋 17 2 1
6、 4混凝土结构对钢筋性能的要求 适当的屈强比 0 8足够的塑性HPB300 不小于10 0 HRB400 HRB500 不小于7 5 预应力筋 不小于3 5 可焊性耐久性耐火性与混凝土具有良好的粘结抗低温性能 18 混凝土的强度混凝土的变形性能 2 2混凝土的基本性能 19 2 2 1混凝土的强度 简单受力状态下混凝土的强度立方体抗压强度 uniaxialcompressivecubestrength 轴心抗压强度 uniaxialcompressivestrength 轴心抗拉强度 uniaxialtensilestrength 复杂受力状态下混凝土的强度双轴受力强度三轴受力强度剪压及剪拉强
7、度 20 简单受力状态下混凝土的强度立方体抗压强度混凝土受压破坏机理 骨料之间的微裂缝是内因纵向受压破坏是横向拉裂造成的 影响立方体抗压强度的因素 材料组成尺寸效应加载速度端部约束 环箍效应混凝土的龄期 骨料之间的微裂缝 2 2 1混凝土的强度 21 2 2 1混凝土的强度 影响因素分析材料组成 最主要因素 在材料组成一定时 还有下列因素加载速度 加载速度快 微裂缝不能充分扩展 强度高试验条件 试件上 下表面不涂油 横向变形受到约束 强度高试件尺寸 尺寸大 内部缺陷相对较多 端部摩擦力影响相对较大 强度低龄期 龄期长 试件强度高 22 2 2 1混凝土的强度 混凝土立方体抗压强度试验方法边长为
8、150mm的标准立方体试块 在标准条件下养护28d或设计规定龄期后 以标准试验方法测得的破坏时的平均压应力为混凝土的立方体抗压强度 注 对掺加粉煤灰等时 规定龄期为60 90天等 立方体抗压强度标准值fcu k按上述规定所测得的具有95 保证率的抗压强度称为混凝土的立方体抗压强度标准值 混凝土强度等级 混凝土规范 规定 混凝土强度等级按立方体抗压强度标准值确定 23 2 2 1混凝土的强度 混凝土强度等级的分级按fcu k划分为14级 即C15 C80 级差5MPa 符号C35C 立方体 Cube 35 立方体抗压强度标准值 单位N mm2当 C50时 普通混凝土 normal strengt
9、hconcrete 当 C50时 高强混凝土 high strengthconcrete fcu k是混凝土各种强度指标的基本代表值 24 简单受力状态下混凝土的强度轴心抗压强度轴心 棱柱体 抗压强度fc 采用棱柱体试件 能够反映混凝土的实际工作状态 我国取150 150 300mm为标准试件 按与立方体试验相同的规定所得的平均应力值 为fc 棱柱体高度取值的原因 摆脱端部摩擦力的影响试件不致失稳 立方体抗压强度与轴心抗压强度之间的关系 棱柱体强度与立方体强度的比值 混凝土考虑脆性的折减系数 结构中混凝土与试件混凝土的强度差异修正系数 2 2 1混凝土的强度 25 2 2 1混凝土的强度 棱柱
10、体试件尺寸 试件强度不受端部摩擦力和附加偏心距的影响 中间处于均匀受压状态 解决问题的思路由已知求未知 由简单方法解决复杂问题确定方法 对比试验 26 2 2 1混凝土的强度 轴心抗压强度试验值修正值 棱柱体强度与立方体强度之比值 C50及以下取 0 76 对C80取 0 82 中间按线性规律变化取值 为混凝土考虑脆性的折减系数 对C40取 1 00 对C80取 0 87 中间按线性规律变化取值 0 88 考虑结构中混凝土强度与试件混凝土强度之间的差异而采取的修正系数 27 简单受力状态下混凝土的强度轴心抗拉强度轴心抗拉强度ft 混凝土的抗拉强度远低于抗压强度对于普通混凝土 抗拉强度约1 17
11、 1 8的抗压强度对于高强混凝土 抗拉强度约1 24 1 20的抗压强度 轴心抗拉强度的试验方法 直接受拉试验劈裂试验弯折试验 2 2 1混凝土的强度 28 简单受力状态下混凝土的强度轴心抗拉强度直接受拉试验 轴心抗拉强度与立方体抗压强度平均值之间的关系 轴直接受拉试验的缺点 容易引起偏拉破坏 2 2 1混凝土的强度 29 2 2 1混凝土的强度 对比试验结果 30 简单受力状态下混凝土的强度轴心抗拉强度劈裂试验 弯折试验 2 2 1混凝土的强度 31 2 2 1混凝土的强度 圆柱体劈裂试验 32 复杂受力状态下混凝土的强度双轴应力状态 研究文献来源 H Kupfer H K Hilsdorf
12、 H Rusch Behaviourofconcreteunderbiaxialstresses ACIJ 66 1969 656 666 研究方法 方形板试件 施加法向应力 1 施加法向应力 2 板处于平面应力状态 2 2 1混凝土的强度 33 复杂受力状态下混凝土的强度双轴应力状态 双等拉 双等压 1 26 双向受拉的破坏强度接近于单轴抗拉强度 双向受压的破坏强度高于单轴抗压强度 一拉一压的破坏强度低于相应的单轴受力强度 双轴受压的强度最大值不是发生在双轴等压的情况下 而是发生在 1 2 0 5时 2 2 1混凝土的强度 34 复杂受力状态下混凝土的强度三轴受压状态 侧向等压 常规三轴 的
13、情况 通过液体静压力对圆柱体试件施压 当侧向压力较较高低时 上式不再为线性关系 可采用蔡绍怀经验公式 当侧向压力较低时 对于普通混凝土 2 2 1混凝土的强度 35 复杂受力状态下混凝土的强度剪压或剪拉复合应力状态 试验结果 岗岛达雄的试验结果 试验结论随着拉应力的增加 混凝土抗剪强度降低 随着压应力的增加 抗剪强度先增大 后减小 达到轴心抗压强度时 抗剪强度为零 当拉应力约为0 1fc时 抗剪强度为零 2 2 1混凝土的强度 36 2 2 2混凝土的变形性能 混凝土的变形 受力变形一次短期加载下的变形 重点 轴压 轴拉 复合应力状态下承载力计算 非线性分析荷载长期作用下的变形 徐变 变形和裂
14、缝宽度计算 预应力损失重复荷载作用下的变形 疲劳性能 确定弹性模量 疲劳验算 体积变形收缩变形 收缩裂缝 预应力损失温度变形 温度应力 裂缝防止温度 收缩裂缝的构造措施 37 2 2 2混凝土的变形性能 1 单调短期加载下的变形性能轴心受压的应力 应变关系 4 8 a点前内部裂缝没有发展 应力应变近似直线 b点称为临界应力点 内部裂缝有发展 但处于稳定状态 c点的应变称为峰值应变 约为0 002 内部裂缝延伸到表面 c点后出现应变软化 d点为极限压应变 对普通混凝土取0 0033 38 2 2 2混凝土的变形性能 应力 应变曲线特点oa段 即应力比 0 3时 应力 应变关系接近于直线 故a点相
15、当于混凝土的弹性极限 ab段 当应力比约为 0 3 0 8 时 应力 应变关系偏离直线 应变的增长速度比应力增长快 故b点称为临界应力点 bc段 当应力比约为 0 8 1 0 时 应变增长速度进一步加快 应力 应变曲线的斜率急剧减小 混凝土内部微裂缝进入非稳定发展阶段 当应力到达c点时 混凝土发挥出受压时的最大承载能力 即轴心抗压强度 极限强度 相应的应变值称为峰值应变 cd段 下降段 由滑移面上的摩擦咬合力和混凝土柱体的残余强度提供 39 2 2 2混凝土的变形性能 应力 应变曲线上三个特征点峰值应力 材料的最大承载力峰值应变 与峰值应力相应的应变极限压应变 试件破坏时的最大应变值混凝土材料
16、的延性混凝土试件在强度没有显著降低情况下承受变形的能力混凝土强度越高 越大 越小 材料的脆性越明显问题 混凝土应力 应变曲线如何表达 数学表达式 40 2 2 2混凝土的变形性能 混凝土单轴受压应力 应变关系模型 本构模型 应力 应变关系模型是应力 应变曲线的数学表达式 可根据某一应变值求出相应的应力值 应用 承载力计算 混凝土结构非线性分析本节给出的两个应力 应变关系模型 一般用于结构的非线性分析 Hognestad模型 早期 上升段下降段 41 混凝土规范 规定的单轴受压应力 应变关系模型 4 8 2 2 2混凝土的变形性能 42 混凝土轴心受拉的应力 应变关系 轴心受拉的应力 应变关系 混凝土规范 建议的单轴受拉应力 应变关系模型 公式来源 过镇海 张秀琴 混凝土受拉应力应变全曲线的试验研究 建筑结构学报 1988 4 45 53 2 2 2混凝土的变形性能 43 2 2 2混凝土的变形性能 混凝土在复合应力下的应力 应变关系三轴受压 随侧向压应力增加 纵向强度和变形能力均提高 侧向压力约束了混凝土横向变形 限制了横向膨胀和内部微裂缝的扩展 约束混凝土 44 2 2 2混凝土的变
