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1、1,第二章 混凝土结构材料的物理力学性能,混凝土的物理力学性能 钢筋的物理力学性能 混凝土与钢筋的粘接,2,2.1 混凝土的物理力学性能 通常把混凝土的结构分为三种类型： .微观结构：也即水泥石结构，包括水泥凝胶、晶体 骨架、未化完的水泥颗粒和凝胶孔。 .亚微观结构：即混凝土中的水泥砂浆结构。 .宏观结构：即砂浆和粗骨料两组分体系。,注意：1.骨料的分布及骨料与基相之间在界面的结合 强度是影响混凝土强度的重要因素； 2.在荷载的作用下，微裂缝的扩展对混凝土的 力学性能有着极为重要的影响。,3,2.1.1单轴应力状态下的混凝土强度 混凝土结构中，主要是利用它的抗压强度。因此抗压强度是混凝土力学性
2、能中最主要和最基本的指标。 混凝土的强度等级是用抗压强度来划分的,1.单向受力状态下混凝土的强度,1）立方体抗压强度fcu (N/mm2) ：采用标准试块（规范规定边长为150mm的混凝土立方体），在标准条件下(温度为 203，相对湿度在90%以上)养护28天，按规定的标准试验方法(中心加载，平均速度为0.30.8MPa/s，试件上下表面不涂润滑剂)测得的抗压强度称为混凝土立方体抗压强度。,4,立方体抗压强度fcu,我国规范的方法：不涂润滑剂,压力试件裂缝发展扩张整个体系解体，丧失承载力,另影响强度的因素还有：龄期、加载速率、试块尺寸等,标准试块：150150 150,非标准试块：100100
3、 100 换算系数 0.95 200200 200 换算系数 1.05,5,我国规范混凝土的强度等级从C15C80共划分为14个强度等级，级差为5N/mm2。 C15，C20，C25，C30，C35，C40，C45，C50，C55，C60，C65，C70，C75，C80,2）混凝土强度等级 混凝土强度等级应按立方体抗压强度标准值确定。立方体抗压强度标准值系指按标准方法制作、养护的边长为150mm的立方体试件，在28d或设计规定龄期以标准试验方法测得的具有95保证率的抗压强度值。 fcu,k(N/mm2),6,3）混凝土选用 素混凝土结构的混凝土强度等级不应低于C15； 钢筋混凝土结构的混凝土强
4、度等级不应低于C20；采用强度等级400MPa及以上的钢筋时，混凝土强度等级不应低于C25。 预应力混凝土结构的混凝土强度等级不宜低于C40，且不应低于C30。承受重复荷载的钢筋混凝土构件，混凝土强度等级不应低于C30。 注意：受压构件可高些，受弯构件不宜太高。,7,2.轴心抗压强度,轴心抗压强度由棱柱体试件测得的抗压强度确定。 按标准方法制作的150mml50mm300mm的棱柱体试件。 棱柱体抗压强度小于立方体抗压强度。套箍作用，尺寸效应 考虑到实际结构构件制作、养护和受力情况，实际构件强度与试件强度之间存在差异，规范基于安全取偏低值，规定轴心抗压强度标准值和立方体抗压强度标准值的换算关系
5、为：,脆性折减系数,强度比,8,式中： 为棱柱体强度与立方体强度之比，对不大于C50级的混凝土取0.76，对C80取0.82，其间按线性插值。 为高强混凝土的脆性折减系数，对C40及以下取1.0，对C80取0.87，中间按直线规律变化取值。0.88为考虑实际构件与试件混凝土强度之间的差异而取用的折减系数。,9,棱柱体抗压强度fck,标准试块：150150 300,非标准试块：100100 300 换算系数 0.95 200200 400 换算系数 1.05,对国外（美国、日本、欧洲混凝土协会等）采用的圆柱体试件（d=150, h=300），有fc=0.79fcu (C60以下),圆柱体抗压强度
6、,10,3.轴心抗拉强度,混凝土的轴心抗拉强度可以采用直接轴心受拉的试验方法来测定，但由于试验比较困难，目前国内外主要采用圆柱体或立方体的劈裂试验来间接测试混凝土的轴心抗拉强度。,11,混凝土结构设计规范规定轴心抗拉强度标准值与立方体抗压强度标准值的换算关系为：,混凝土轴心抗拉强度与立方体抗压强度的关系,结果：轴心抗拉强度只有立方体抗压强度的1/171/8；混凝土强度等级越高比值越小。一般认为1/10。,12,双轴应力状态,实际结构中，混凝土很少处于单向受力状态。更多的是处于双向或三向受力状态。,双向受压强度大于单向受压强度，最大受压强度发生在两个压应力之比为0.3 0.6之间，约(1.251
7、.60 )fc。双轴受压状态下混凝土的应力-应变关系与单轴受压曲线相似，但峰值应变均超过单轴受压时的峰值应变。,压,拉压,拉,拉压,3.复合受力状态下混凝土的强度,13,在平面应力状态下，当两方向应力均为压应力时，抗压强度相互提高，最大可增加27，而当一方向为压应力，另一方向为拉应力时，强度相互降低。 当压应力不太高时，其存在可提高混凝土的抗剪强度，拉应力的存在会降低混凝土的抗剪强度。剪应力的存在降低混凝土的抗压和抗拉强度。,14,构件受剪或受扭时常遇到剪应力t 和正应力s 共同作用下的复合受力情况。,混凝土的抗剪强度：随拉应力增大而减小 随压应力增大而增大 当压应力在0.6fc左右时，抗剪强
8、度达到最大， 压应力继续增大，则由于内裂缝发展明显，抗剪强度将随压应力的增大而减小。,15,三轴应力状态,三轴应力状态有多种组合，实际工程遇到较多的螺旋箍筋柱和钢管混凝土柱中的混凝土为三向受压状态。三向受压试验一般采用圆柱体在等侧压条件进行。,由试验得到的经验公式为: 式中 被约束混凝土的轴心抗压强度； 非约束混凝土的轴心抗压强度； 侧向约束压应力。 侧向压应力的存在还可提高混凝土的延性。,16,2.1.4混凝土的变形,混凝土的变形可分为两类： （1）荷载作用下的受力变形，如单调短期加载的变形、荷载长期作用下的变形以及多次重复加载的变形。 （2）与受力无关，称为体积变形，如混凝土收缩以及温度变
9、化引起的变形。,17,A:比例极限点 B:临界点 C:峰值点 D:拐点 E:收敛点,18,不同强度混凝土的应力-应变关系曲线,19,Hognestad建议的应力-应变曲线,20,德国Rsch模型,21,弹性模量,变形模量,切线模量,22,23,混凝土在受到荷载作用后，在荷载(应力) 不变的情况下，变形(应变)随时间而不断增长的现象。,徐变：,图1-9,24,影响因素 内在因素是混凝土的组成和配比。骨料的刚度（弹性模量）越大，体积比越大，徐变就越小。水灰比越小，徐变也越小。 环境影响包括养护和使用条件。受荷前养护的温湿度越高，水泥水化作用月充分，徐变就越小。采用蒸汽养护可使徐变减少（2035）%
10、。受荷后构件所处的环境温度越高，相对湿度越小，徐变就越大。体表比大徐变小,25,混凝土在荷载重复作用下的应力-应变关系,26, 疲劳强度 混凝土的疲劳强度由疲劳试验测定。采用100mm100mm300mm 或着150mm150mm450mm的棱柱体，把棱柱体试件承受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。 影响因素 施加荷载时的应力大小是影响应力-应变曲线不同的发展和变化的关键因素，即混凝土的疲劳强度与重复作用时应力变化的幅度有关。在相同的重复次数下，疲劳强度随着疲劳应力比值的增大而增大。,27,疲劳应力比值应按下列公式计算：,混凝土轴心抗压疲劳强度设计值、轴心
11、抗拉疲劳强度设计值应分别按强度设计值乘疲劳强度修正系数确定。混凝土受压或受拉疲劳强度修正系数应根据疲劳应力比值 查表；当混凝土承受拉-压疲劳应力作用时，疲劳强度修正系数取0.60。,28,2.2 钢筋的物理力学性能,钢筋及预应力筋的强度按现行国家标准钢筋混凝土用钢GB 1499、钢筋混凝土用余热处理钢筋GB 13014、中强度预应力混凝土用钢丝YBT156、 预应力混凝土用螺纹钢筋GBT 20065、预应力混凝土用钢丝GBT 5223、预应力混凝土用钢绞线GBT 5224等的规定给出，其应具有不小于95的保证率。 建筑工程应用主要有： 普通钢筋： 热轧钢筋、余热处理钢筋。 预应力钢筋：钢丝、钢
12、绞线、螺纹钢筋。,29,一、钢筋的品种和级别,1、热轧钢筋 热轧光圆钢筋 hot rolled plain bars经热轧成型并自然冷却，横截面通常为圆形，表面光滑的成品光圆钢筋。 HPB300（低碳钢） 热轧带肋钢筋（低合金钢） HRB335 HRBF335 HRB400 HRBF400 HRB500 HRBF500 HRB400E HRB500E,30,普通bars热轧钢筋 hot rolled ：按热轧状态交货的钢筋。其金相组织主要是铁素体加珠光体，不得有影响使用性能的其他组织存在。 细晶粒热轧钢筋 hot rolled bars of fine grains：在热轧过程中，通过控轧和控
13、冷工艺形成的细晶粒钢筋。其金相组织主要是铁素体加珠光体，不得有影响使用性能的其他组织存在，晶粒度不粗于9级。 带肋钢筋 ribbed bars：横截面通常为圆形，且表面带肋的混凝土结构用钢材。 纵肋 longitudinal rib：平行于钢筋轴线的均匀连续肋。 横肋 transverse rib：与钢筋轴线不平行的其他肋。 月牙肋钢筋 crescent ribbed bars：横肋的纵截面呈月牙形，且与纵肋不相交的钢筋。,31,32,33,34,余热处理钢筋：RRB400,钢筋标准中牌号为KL400,其延性、可焊性、机械连接性能及施工适应性降低，一般可用于对变形性能及加工性能要求不高的构件中
14、，如基础、大体积混凝土、楼板、墙体以及次要的中小结构构件等 。,35,36,37,中强度预应力钢丝：,消除应力钢丝（高碳钢丝）：,预应力钢丝,38,39,预应力混凝土用钢绞线：由光圆钢丝捻制成的钢绞线。 公称直径：钢绞线外接圆直径的名誉尺寸,40,预应力混凝土用螺纹钢筋： 热轧成带有不连续的外螺纹的直条钢筋，该钢筋在任意截面处，均可用带有匹配形状的内螺纹的连接器或锚具进行连接或锚固。,41,二、钢筋的强度与变形 两类： 有明显屈服点的钢筋；无明显屈服点的钢筋。,DE为颈缩阶段,1.有明显屈服点的钢筋,42,2.无明显屈服点的钢筋,a点：比例极限，约为0.65b a点前：应力-应变关系为线弹性
15、a点后：应力-应变关系为非线性，有一定塑性变形，且没有明显的屈服点 强度设计值依据条件屈服点： 残余应变为0.2%所对应的应力 规范取s0.2 =0.85 b,b,43,三、检验钢筋的力学性能指标,屈服强度 极限强度 伸长率 最大力下总伸长率（均匀伸长率） 冷弯性能。,伸长率,44,45,抗震等级为一、二、三级的框架和斜撑构件(含梯段)，其纵向受力钢筋采用普通钢筋时，钢筋的抗拉强度实测值与屈服强度实测值的比值不应小于1.25；钢筋的屈服强度实测值与屈服强度标准值的比值不应大于1.3，且钢筋在最大拉力下的总伸长率实测值不应小于9。,46,o,冷拉控制应力,(N/mm2),冷拉率,o,a,b,c,
16、c,d,d,冷拉无时效,冷拉经时效,四、钢筋的冷加工 1.冷拉,(1)冷拉后仍是软钢，有屈服点。塑性降低. (2)冷拉后只提高钢筋的抗拉强度，不提高钢筋的抗压强度。,(3)钢筋设计仍采用冷拉前的截面。 (4)经时效提高的强度在设计中不利用；高温会使冷拉强化消失，因此，需焊接的钢筋，应先焊接，后冷拉。,47,2.冷拔 冷拔是将光面钢筋数次用强力拔过比自身直径小的质合金模具。在冷拔过程中，钢筋同时受纵向拉力和横向挤压的作用，产生较大的塑性变形，内部金属晶粒发生形变和位移，强度明显提高，塑性下降也较多。 （1）冷拔后材性改变，由软钢变为硬钢，应力-应变曲线中无明显流幅； （2）冷拔后，钢筋的抗拉、抗压强度均有提高。 冷拔低碳钢丝应用技术规程JGJ 19-2010,48,五、钢筋选用,1 .纵向受力普通钢筋宜采用HRB400、HRB500、 HRBF400、HRBF500钢筋，也可采用HPB
