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1、混凝土结构,第 2章 钢筋混凝土材料的力学性能,主讲教师：盛明强 课件制作：盛明强,主要内容：,混凝土的力学性能 钢筋的力学性能 钢筋与混凝土的粘结,重点：,混凝土的强度和变形性能 钢筋的种类和力学性能 粘结破坏机理,2.1.1 混凝土的强度,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。,一、混凝土的强度 1、混凝土立方体抗压强度 以边长为150mm的立方体在203C的温度和相对湿度在90%以上的潮湿空气中养护28天，依照标准试验方法测得的具有95%保证率的抗压强度（以N/mm2计）作为混凝土的强度等级，并用符号表示混凝土的强度等级一般可划分为： C15 C20
2、 C25 C30 C35 C40 C45 C50 C55 C60 C65 C70 C75 C80 。,2.1 混凝土,“套箍作用”,影响因素：,尺寸效应： 尺寸越大，内部缺陷较多， 强度较低。,加载速度： 加载速度越快，强度越低。,2 轴心抗压强度,棱柱体高度的取值：h/b=24,摆脱端部摩擦力的影响； 试件不致失稳。,与 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。,试件尺寸：我国取 mm为标准试件。,3 轴心抗拉强度,与 的关系：,直接受拉试验,劈裂试验 (间接测试混凝土的轴心抗拉强度）,4 复杂应力状态下混凝土的强度,双向受力状态,双向受拉，接近单轴抗拉强度； 双向受压
3、，混凝土的侧向变形受到约束，强度提高 ； 一拉一压，加速了混凝土内部微裂缝的发展 ，抗拉、抗压强度均降低。,压剪或拉剪复合应力状态,随着拉应力的增大 ， 混凝土的抗剪强度降低。 随着压应力的增大 ， 混凝土的抗剪强度逐渐增大；当压应力超过某一数值后，抗剪强度随压应力增大而减小。,混凝土的压剪复合强度,三轴应力状态,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，当侧压力增大时，轴向抗压强度也相应增大。,混凝土的三轴抗压强度,三轴试验得到的侧向压应力系数为4.1，但经验公式的侧向压应力系数取4.57.0，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，使核心混凝土处于三向受压
4、状态，内部微裂缝的发展受到抑制，从而提高了试件的纵向强度和延性，特别是延性大为提高。,混凝土圆柱体三向受压时轴向应力应变曲线,正因为三向受压时混凝土的轴心抗压强度大幅提高，故实际工作中常采用横向钢筋约束混凝土的方法来提高混凝土的抗压强度。 由多轴强度破坏理论也可知，三向受压时混凝土可以承受很大的压应力，理论上承受三向均压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应变曲线,1.一次短期加载下混凝土受压的应力应变曲线 （1） 混凝土的应力应变曲线,oa段，当0.3时， 关系接近于直线； ab段，当=(0.30.8)时， 关系偏离直线； bc段，当=(0.81.0)时，内部微裂缝进入非
5、稳定发展阶段。 cd段， c点以后，承载力下降，应变继续增大，留下残余应力。,峰值应变,极限压应变,混凝土的应力应变曲线,2.1.2 混凝土的变形,由上述混凝土破坏机理可知，微裂缝的发展导致试件最终破坏。混凝土受拉时的应力应变关系曲线与受压时相似，但其峰值时的应力和应变都较受压时小得多。,（2）混凝土的弹性模量、变形模量,弹性模量 ：过原点切线的斜率。,切线模量 ：过某一点切线的斜率。,变形模量（割线模量） ：某一点与原点连线的斜率。,混凝土的变形模量,规范规定：混凝土弹性模量采用棱柱体反复加荷的方法确定。随着加荷次数的增加，应力应变曲线基本上接近于直线，该直线的斜率即为混凝土的弹性模量。,混
6、凝土弹性模量与立方体抗压强度之间的关系：,2 混凝土在长期荷载作用下的变形性能,定义：在荷载长期作用下，混凝土的变形随时间而徐徐增长 的现象。,徐变的特点：开始增长较快，以后逐渐减慢，最后趋于稳定。,混凝土的徐变,徐变的原因： 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。,影响徐变的因素： 混凝土的龄期； 应力的大小； 水灰比与水泥用量； 骨料用量及力学性能； 混凝土的制作、养护环境。,徐变对结构设计的影响： 使钢筋混凝土构件截面产生内力重分布； 使受弯构件和偏压构件的变形加大 ； 使预应力混凝土构件产生预应力损失 ； 长细比大构件，偏心受压时会增大偏心距，降低承载力。,
7、3 混凝土的收缩,定义：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：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。,试验表明：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，混凝土浇捣越密实，则收缩越小。,2.1.3 混凝土的选用,混凝土强度等级的选用,采用HRB335、 HRB400、 RRB400级钢筋时， 不得低于C20；,预应力混凝土结构， 不应低于C30；,采用高强钢丝作预应力钢筋时，不宜低于C40。,承受重复荷载构件的混凝土， 不得低于C20；,钢筋混凝土结构的强度等级， 不应低于C15；,当采用HRB335时， 不宜低于
8、C20；,一般来说，受弯的梁板不超过C30，受压的柱、墙不低于C30。,2.2.1 钢筋的种类,2.2 钢筋,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。 热轧钢筋是低碳钢、普通低合金钢在高温状态下轧制而成。,热轧钢筋的外形,光面钢筋：HPB235； 变形钢筋：HRB335、HRB400和RRB400。,消除应力钢丝分为：光面钢丝、刻痕钢丝和螺旋肋钢丝。 热处理钢筋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。,预应力钢筋,热轧钢筋的符号说明,HPB235,生产工艺： hot rolled,表面形状：plain,钢筋：bar,屈服强度,热轧钢筋的符号说明,
9、HRB335,hot rolled,ribbed,bar,RRB400,remained heat treatment,ribbed,bar,热轧钢筋的屈服强度,预应力钢筋的屈服强度,1、有明显屈服点（软钢）的应力应变曲线,a 比例极限,b 弹性极限,ob 弹性阶段,d 极限抗拉强度,bc 屈服阶段,cd 强化阶段,de 破坏阶段,e 极限应变,2.2.2 钢筋的力学性能,d 极限抗拉强度,e 极限应变,条件屈服强度：,取残余应变为0.2%所对应的应力作为无明显流幅钢筋的强度限值，通常称为条件屈服强度。,2、无明显屈服点（硬钢）的应力应变曲线,条件屈服强度相当于0.85倍极限抗拉强度。,拓展知
10、识：钢筋的应力应变简化模型,（1）理想弹塑性模型,（2）三段线性模型,钢筋的塑性性能,（1）伸长率：,（2）冷弯性能：,伸长率越大，钢筋的塑性和变形能力越好。,弯心直径越小，弯过的角度越大，冷弯性能越好，钢筋的塑性性能越好。,2.2.3 钢筋的选用,规范规定： 普通钢筋宜采用HRB335级和HRB400级钢筋，也可采用HPB235级和RRB400级钢筋； 预应力钢筋宜采用预应力钢绞线、钢丝，也可采用热处理钢筋。,HPB235级钢筋多作为现浇楼板的受力钢筋、箍筋和构造钢筋；HRB335级、HRB400级和HRB400级多作为受力钢筋，尺寸较大构件也可采用HRB335级作为箍筋。,粘结强度：粘结失
11、效时的最大（平均）粘结应力。,粘结强度的测试,2.3.1 粘结的作用及产生的原因,2.3 钢筋与混凝土的粘结,粘结应力的定义：钢筋与混凝土接触面上沿钢筋纵向的 剪应力。,拔出试验,粘结作用产生的原因,钢筋与混凝土表面的化学吸附作用力，也称胶结力； 钢筋与混凝土接触面的摩擦力 ； 钢筋与混凝土表面凹凸不平的机械咬合力 。,粘结破坏机理,（1）光圆钢筋的粘结破坏： 粘结作用在钢筋与混凝土间出现相对滑移前主要取决于化学胶结力，发生滑移后则由摩擦力和机械咬合力提供。 （2） 变形钢筋的粘结破坏 粘结强度仍由胶结力、摩擦力和机械咬合力组成。但主要为机械咬合力。 钢筋开始滑移后，粘结力主要由钢筋凸肋对混凝土的斜向挤压力和界面上的摩擦力组成。 若钢筋外围混凝土很薄且没有环向箍筋约束，形成纵向劈裂裂缝，沿钢筋纵向产生劈裂破坏。 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制，最后钢筋沿肋外径的圆柱面出现整体滑移，发生刮犁式破坏（剪切破坏）。,粘结破坏机理示意图, 混凝土的强度； 钢筋的外形； 浇筑位置； 混凝土的保护层厚度及钢筋间距； 横向钢筋的数量； 锚固区的侧向压应力，即受力状态。,2.3.2 粘结强度的影响因素, 钢筋保护层厚度； 钢筋搭接长度； 钢筋锚固长度； 钢筋净距； 受力光面钢筋端部做成弯钩。,保证钢筋与混凝土粘结强度的构造措施,
