2材料性能

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1、第二章 钢筋和混凝土的材料性能,2.1 钢筋,2.1 钢 筋 Steel Reinforcement一、钢筋的品种(Reinforcement types) 热轧钢筋、中高强钢丝和钢绞线、热处理钢筋和冷加工钢筋,分类1.按加工方法分： 热轧钢筋、热处理钢筋、中高强钢丝、钢绞线、冷加工钢筋2.按使用用途分：普通钢筋、预应力钢筋3.按化学成分分：低碳钢钢筋、普通低合金钢钢筋4.按力学性能分：有明显屈服点钢筋（“软钢”）、无明显屈服点钢筋（“硬钢”）5.按钢筋表明形状分：光面钢筋、变形钢筋,第二章 钢筋和混凝土的材料性能,2.1 钢 筋,热轧钢筋 Hot Rolled Steel Reinforci

2、ng BarHPB235级、HRB335级、HRB400级、RRB400级,HPB,HRB,RRB,屈服强度 fyk（标准值=钢材废品限值，保证率97.73%）HPB235级： fyk = 235 N/mm2HRB335级： fyk = 335 N/mm2HRB400级、RRB400级： fyk = 400 N/mm2,第二章 钢筋和混凝土的材料性能,2.1 钢 筋,HPB235级(级)钢筋多为光面钢筋（Plain Bar），多作为现浇楼板的受力钢筋和箍筋HRB335级(级)和 HRB400级(级)钢筋强度较高，多作为钢筋混凝土构件的受力钢筋，尺寸较大的构件，也有用级钢筋作箍筋的为增强与混凝土

3、的粘结（Bond），外形制作成月牙肋或等高肋的变形钢筋（Deformed Bar）。级钢筋强度太高，不适宜作为钢筋混凝土构件中的配筋，一般冷拉后作预应力筋延伸率（Percentage of elongation）：d5=25、16、14、10%，直径840。,第二章 钢筋和混凝土的材料性能,2.1 钢筋,钢丝 Wire：中强钢丝的强度为8001200MPa，高强钢丝、钢绞线(Strand or Tendon)的为 1470 1860MPa；延伸率d10=6%，d100=3.54%；钢丝的直径39mm；外形有光面、刻痕和螺旋肋三种，另有二股、三股和七股钢绞线，外接圆直径9.515.2 mm。中高

4、强钢丝和钢绞线均用于预应力混凝土结构。冷加工钢筋 Cold working rebar：是由热轧钢筋和盘条经冷拉、冷拔、冷轧、冷扭加工后而成。冷加工的目的是为了提高钢筋的强度，节约钢材。但经冷加工后，钢筋的延伸率降低。热处理钢筋 Heat treatment ：是将级钢筋通过加热、淬火和回火等调质工艺处理，使强度得到较大幅度的提高，而延伸率降低不多。用于预应力混凝土结构。,第二章 钢筋和混凝土的材料性能,2.1 钢筋,二、钢筋的应力-应变关系 Stress-Strain Relation 有明显屈服点的钢筋 Rebar with yield point,a为比例极限proportional l

5、imit s =Ese,a为弹性极限elastic limit,de为强化段strain hardening stage,b为屈服上限upper yield strength,c为屈服下限，即屈服强度 fylower yield strength,cd为屈服台阶yield plateau,e为极限抗拉强度 fu ultimate tensile strength,第二章 钢筋和混凝土的材料性能,2.1 钢筋,几个指标(Index)：屈服强度yield strength：是钢筋强度的设计依据，因为钢筋屈服后将很大的塑性变形，且卸载时这部分变形不可恢复，这会使钢筋混凝土构件产生很大的变形和不可闭合

6、的裂缝。屈服上限与加载速度有关，不太稳定，一般取屈服下限作为屈服强度。延 伸 率elongation strain：钢筋拉断时的应变，是反映钢筋塑性性能的指标。延伸率大的钢筋，在拉断前有足够预兆，延性较好,屈 强 比反映钢筋的强度储备，fy/fu=0.60.7。,均匀延伸率dgt对应最大应力时应变，包括了残余应变和弹性应变，反映了钢筋真实的变形能力(2.5%),第二章 钢筋和混凝土的材料性能,2.1 钢筋,有明显屈服点钢筋的应力-应变关系一般可采用双线性的理想弹塑性关系 Bilinear elasto-plastic relation,第二章 钢筋和混凝土的材料性能,2.1 钢筋,无明显屈服点

7、的钢筋 Rebar without yield point,a点：比例极限，约为0.65fua点前：应力-应变关系为线弹性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指标条件屈服点(Equivalent yield point)残余应变为0.2%所对应的应力规范取s0.2 =0.85 fu,第二章 钢筋和混凝土的材料性能,2.1 钢筋,三、钢筋的强度标准值( Characteristic or Unfactored Strength) 按冶金钢材质量控制标准，钢筋的强度标准值是取其出厂时的废品限值，其数值相当于fy,m-3s，具有97.73%的保证率，满足建筑结构

8、设计统一标准材料强度标准值保证率95%的要求。,第二章 钢筋和混凝土的材料性能,2.1 钢筋,2.2 混凝土,2.2.1 混凝土的强度 混凝土的抗压强度 立方体抗压强度 轴心抗压强度 混凝土的抗拉强度 混凝土在复合应力作用下的强度,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 C25 C30 C35 C40 C45 C50 C55 C60 C65 C70 C75 C80,混凝土立方体

9、的破坏情况,“箍套”作用,试件尺寸对混凝土fcu,k也有影响。实验结果证明，立方体尺寸愈小则试验测出的抗压强度愈高，这个现象称为尺寸效应。 混凝士抗压试验时加载速度对立方体抗压强度也有影响，加载速度越快，测得的强度越高。 随着试验时混凝土的龄期增长，混凝土的极限抗压强度逐渐增大，开始时强度增长速度较快，然后逐渐减缓，这个强度增长的过程往往要延续几年，在潮湿环境中延续的增长时间更长。,(2)轴心抗压强度fck由于实际结构和构件往往不是立方体，而是棱柱体，所以用棱柱体试件比立方体试件能更好地反映混凝土的实际抗压能力。 试验证明，轴心抗压钢筋混凝土短柱中的混凝土抗压强度基本上和棱柱体抗压强度相同。可

10、以用棱柱体测得的抗压强度作为轴心抗压强度，又称为棱柱体抗压强度，用fck表示。棱柱体试件是在与立方体试件相同的条件下制作的，试件承压面不涂润滑剂且高度比立方体试件高，因而受压时试件中部横向变形不受端部摩擦力的约束，代表了混凝土处于单向全截面均匀受压的应力状态。试验量测到fck值比fcu,k值小，并且棱柱体试件高宽比(即h/b)越大，它的强度越小。我国采用150mm150 mm300mm棱柱体作为轴心抗压强度的标准试件。,轴心抗压强度(棱柱体强度)标准值fcu,k与立方体抗压强度标准值fcu,k之间存在以下折算关系,式中,1棱柱体强度与立方体强度的比值，当混凝土的强 度等级不大于C50时，1=0

11、.76；当混凝土的强度 等级为C80时，1=0.82；当混凝土的强度等级为中间值时，在0.76和0.82之间插人；2混凝土的脆性系数，当混凝土的强度等级不大于 C40时，2=1.0；当混凝土的强度等级为 C80时，2=0.87；当混凝土的强度等级为中间值时，在 1.0和 0.87之间插入；0.88考虑结构中的混凝土强度与试块混凝上强度之间的差异等因素的修正系数。,混凝土抗拉强度,混凝土的抗拉强 度比抗压强度低 得多，一般只有 抗压强度的 5%10%,抗拉强度标准值ftk与立方体抗压强度标准值fcu,k之间的折算关系为,式中，系数0.88和2的意义同式(1-5)。为轴心抗拉强度与立方体抗压强度的

12、折算关系，而(1-1.645)0.45则反映了试验离散程度对标准值保证率的影响。 混凝土抗压强度设计值fc和抗拉强度设计值ft与其对应的标准值的关系为,式中c混凝土的材料分项系数，建筑工程取c=1.40，公路桥涵工程取c=1.45。,混凝土在复合应力作用下的强度,混凝土的双向 受力强度,双向受拉：强度接近单向 受拉强度,双向受压：抗压强度和极 限压应变均有 所提高,一拉一压：强度降低,混凝土在正应力和剪应力作用下的复合强度,在有剪应力作用时，混凝土的抗压强度将低于单轴抗压强度,混凝土的三向受压强度,三向受压时，混凝土的抗压强度和极限变形都有较大提高,混凝土在三向受压的情况下其最大主压应力方向的

13、抗压强度取决于侧向压应力的约束程度。 图1-20所示为圆柱体三轴受压(侧向压应力均为1的试验 随着侧向压应力的增加、微裂缝的发展受到了极大的限制 ，大大地提高了混凝土纵向抗压强度，此时混凝土的变形性能接近理想的弹塑性体。 我国规范规定在三轴受压应力状态下，混凝土的抗压强度(f3)可根据应力比2/3，按图1-21插值确定，其最高强度值不宜超过单轴抗压强度的5倍。,2.2.2 混凝土的变形,混凝土的变形分为两类： 混凝土的受力变形 混凝土的非受力变形,混凝土的受力变形,受压混凝土一次短期加荷的应力应变曲线,混凝土的变形模量,混凝土的弹性模量测定,混凝土的徐变在荷载保持不变的情况下随时间而增长的变形

14、,影响徐变因素及减小徐变措施,产生徐变的原因：a.水泥石由结晶体荷凝胶体组成，在外力长期持续作用下，凝胶体具有粘性流动的特性，产生持续变形；b.混凝土内部的微裂缝在外力的作用下不断扩展，导致应变的增加。影响徐变的因素：a.混凝土应力条件是影响徐变的非常重要因素b.加荷时混凝土的龄期c.混凝土的组成和配合比d.骨料e.构件形状及尺寸f.养护及使用条件下的温湿度,徐变对混凝土结构的影响： a.使钢筋与混凝土产生应力重分布，引起超静定结构产生应力松弛（因为超静定结构的变形受到约束，混凝土的应力随时间的增长而降低，即产生应力松弛）可缓解应力集中、调节温度应力、调节由支座不均匀沉降产生的附加应力。b.造

15、成结构应力变大对结构不利c.引起预应力混凝土结构中预应力损失对于预应力结构建立有效预应力不利减小徐变的措施： 加强养护、减小水泥用量及水灰比、增加混凝土的密实度等,混凝土的非受力变形,混凝土的收缩与膨胀 混凝土在水中或处于饱和湿度情况下硬结时体积增大的现象称为膨胀 混凝土在空气中结硬时体积减小的现象称为收缩,(1)混凝土的收缩与膨胀收缩混凝土在空气中结硬时，体积减小的现象，易造成混凝土表面开裂。 膨胀混凝土在水中或处于饱和湿度情况下结硬时体积增大的现象。 一般情况下混凝土的收缩值比膨胀值大很多，所以分析研究收缩和膨胀的现象以收缩为主。收缩的特点：由收缩试验结果如图1-30可以看出：混凝土的收缩是随时间而增长的变形，结硬初期收缩较快1个月大约可完成1/2的收缩，3个月后增长缓慢，一般2年后趋于稳定，最终收缩应变大约为(25)10-4，一般取收缩应变值为：310-4。,引起收缩的主要原因：干燥失水是引起收缩的重要因素。使用环境的温度越高、湿度超低，收缩越大.蒸汽养护的收缩值要小于常温养护的收缩值，这是因为高温高温可加快水化作用减少混凝士的自由水分加速了凝结与硬化的时间。通过试验还表明，水泥用量越多、水灰比越大，收缩越大；骨料的级配好、弹性模量大，收缩越小；构件的体积与表面积比值大时，收缩小。,