混凝土结构材料的力学性能

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1、第一章 钢筋混凝土结构的基本概念及材料的物理力学性能 本章的主要内容l 混凝土在各种受力状态下的强度与变形性能l 钢筋的品种、级别及其力学性能l 钢筋和混凝土的粘结一、钢筋的品种 普通钢筋可选取R235（HPB235）、HRB335、 HRB400、KL400（RRB400）热轧钢筋注：括号内蓝色字体的表示方法适用于混凝土结构设计规范，以下同 预应力钢筋应选用钢绞线和钢丝，中小型构件或竖、横向钢筋也可选用精轧螺纹钢筋预应力筋1.1 钢 筋外形种类强度 级别强度等级代号 ftk屈服强度 (MPa)工程符号直径 范围d/mm光圆钢筋低碳 钢IHPB3003008-20带肋钢筋低合 金钢IIHRB3

2、353356-50IIIHRB4004006-50余热 处理KL400(RRB)4408-40常用热轧钢筋R表面形状：plain 屈服强度 HPB235 生产工艺： hot rolled 钢筋：bar HRB335 hot rolledribbed bar RRB400 Remained heat treatmentribbed bar HPB300：质量稳定，塑性好易成型，但屈服强度较低，不宜用于结构中的受力钢筋；HRB335：带肋钢筋，有利于与混凝土之间的粘结，强度和塑性均较好，是目前主要应用的钢筋品种之一；HRB400：带肋钢筋，有利于与混凝土之间的粘结，强度和塑性均较好，是今后主要应用

3、的钢筋品种之一；RRB400：是HRB335钢筋热轧后快速冷却，利用钢筋内温度自行回火而成，淬火钢筋强度提高，但塑性降低，余热处理后塑性有所改善。一般冷拉后作预应力筋20MnSi2V含碳万分数含碳万分数含锰、硅、钒的百分数含锰、硅、钒的百分数碳素钢普通低合金钢低碳钢（含碳量少于0.25%）中碳钢（含碳量0.25%0.6%）高碳钢（含碳量大于0.6%)1.按化学成份分注：由于冷加工钢筋延性较差，目前较少使用，若在工程中采用时，应遵守专门规程的规定。l热轧钢筋光圆钢筋（R235（HPB235）带肋钢筋(HRB335,HRB400,KL400（ RRB400）)2、按钢筋的加工方法冷拉钢筋冷轧带肋钢

4、筋冷轧扭钢筋l热处理钢筋l 冷加工钢筋3、热轧钢筋按外型特征分类光面钢筋螺纹钢筋月牙纹钢筋人字纹钢筋 光圆钢筋（R235（HPB235） 带肋钢筋(HRB335,HRB400,KL400（RRB400）)4、按供应方式盘圆或盘条钢筋：直径为6-10mm的钢筋卷成圆盘直条或碾条钢筋：直径大于12mm的钢筋轧成6-12m长一根软钢：有明显屈服台阶的钢筋(热轧钢筋、冷拉钢筋)硬钢：无明显屈服台阶的钢筋(高强碳素钢丝、钢绞线)5、按力学性能不同可分为主要物理力学指标：对于有明显屈服台阶的软钢取屈服强度 fsk 作为强度设计依据。对于无明显屈服台阶的硬钢取条件屈服强度 0.2作为强度设计依据。屈服强度、

5、抗拉极限强度、伸长率、冷弯性能1 1、软钢、软钢-有明显流服钢筋的应力应变曲线有明显流服钢筋的应力应变曲线二、钢筋的强度和变形 oa弹性阶段a比例极限fd强化阶段d极限强度de 颈缩阶段比例极限屈服强度极限强度o(N/mm2)fyfted流幅ab cfcf屈服台阶c屈服强度极限压应变四个受力阶段四个特征值两个强度指标：两个强度指标： （1）c点的屈服强度是钢筋混凝土结构设计计算中强度取值的主要依据，因为钢筋应力达到屈服极限后，荷载不增加，应变继续增大，使得钢筋混泥土裂缝开尺过宽，变形过大，结构不能正常使用。 （2）d点的极限强度材料的实际破坏强度，衡量钢筋经大变形后的抗拉能力，不能作为计算依据

6、。屈强比：表示结构的可靠性潜力，屈强比小则结构的可靠性高，但太小钢材利用率太低。但为了保证钢筋的综合强度性能，在检验钢筋的质量时，仍要保证它的极限抗拉强度并满足检验标准的要求，特别在抗震结构中，由于构件要进入大变形工作，考虑到钢筋可能受拉进入强化阶段。 两个塑性指标：两个塑性指标： （1）伸长率又称延伸率，e点所对应的横坐标，用（指标注为10倍或5倍钢筋直径即）表示， 2 冷弯性能为使钢筋在加工、使用时不开裂、弯断或脆断，对钢筋试件所作的冷弯试验。检查试件表面是否有裂纹 或分层断裂来反映塑性。2 2无明显流幅钢筋的应力无明显流幅钢筋的应力应变关系曲线应变关系曲线 主要针对强度高，塑性差，脆性大

7、的钢筋。 条件流限（或条件屈服强度）经加载、卸载后尚存有0.2%的残余变形时的应力，用 0.2表示。一般取极限强度的85%。 0.2% 0.2(N/mm2)o 0.2条件屈服强度3 3钢筋应力钢筋应力应变曲线数学模型应变曲线数学模型（3）双斜线模型（2）三折线模型 （完全弹塑性加硬化模型）（1）双直线模型（完全弹塑性模型） 其中：式中：； 时，表达式同（1）（2）影响因素：初始应力、温度、钢筋品种 （3） 分类：分普通松弛和低松弛（低松弛约为普通松弛值的1/3）两类4 4钢筋的松弛（徐舒）钢筋的松弛（徐舒） （1）定义：钢筋受力长度保持不变的情况下，应力随时间增长而降低的现象。 焊接接头机械连

8、接接头绑扎接头套筒挤压 接头镦粗直螺纹接头 1、钢筋的接头 对焊 电弧搭接焊 绑扎接头的钢筋直径：一般不宜大于28mm受压构件中的受压钢筋可不大于32mm四、钢筋的接头、弯钩和弯折四、钢筋的接头、弯钩和弯折 钢筋的搭接长度可见电子教材相关内容 有绑扎接头的受力钢筋的截面积：受拉 区不超过25%；受压区不超过50%普通钢筋的焊接接头 a)闪光接触 b)夹杆式电弧焊 c)搭叠式电弧焊钢筋的绑扎搭接接头（1）受拉的光面钢筋需在端头设半圆弯钩（2）带肋钢筋设直角形弯钩（3）弯折处钢筋内侧弯曲直径D不得小于20d2、钢筋的弯钩和弯折 钢筋的弯钩与弯折示意图 （尺寸单位：mm） a)钢筋135弯钩 b)钢

9、筋的弯折五、混凝土结构对钢筋的要求1. 钢筋的强度 屈强比小则结构的可靠性高，但太小钢材利用率太低。2. 钢筋的塑性 为了使钢筋在断裂前有足够的变形需要求钢材有一定的塑性。钢筋的伸长率和冷弯性能是施工单位验收钢筋是否合格的主要指标。3. 钢筋的可焊性 可焊性是评定钢筋焊接后的接头性能的指标。可焊性好，即要求在一定的工艺条件下钢筋焊接后不产生裂纹及过大的变形。4. 钢筋的耐火性热轧钢筋的耐火性能最好，冷轧钢筋其次，预应力钢筋最差。结构设计时应注意混凝土保护层厚度满足对构件耐火极限的要求。5. 钢筋与混凝土的粘结力为了保证钢筋与混凝土共同工作，要求钢筋与混凝土之间必须有足够的粘结力。钢筋表面的形状

10、是影响粘结力的重要因素。钢 筋 选 用普通钢筋宜采用I、II、III级热轧钢筋和乙级冷拔低碳钢丝。预应力钢筋宜采用碳素钢丝、刻痕钢丝、钢绞线和热处理钢筋，也可采用冷拉、级钢筋。 对中小型构件中的预应力钢筋，采用甲级冷拔低碳钢丝。六、 钢筋的选用1.2 混凝土混凝土是用水泥、砂子和石子三种材料，经水拌和凝固硬化后制成的人工石材。 混凝土的要求： 和易性好 强度要高(重点) 耐久性要好 经济上要节省 评定混凝土品质的主要指标 一、混凝土的强度 l l 三个强度指标三个强度指标： l 影响因素：材料的性质、混凝土配合比、养护环境、施工方法、 试件的形状与尺寸，试验方法，加载条件和试件的受力性质。 （

11、1）定义：按照标准方法制作养护（温度203、相对湿度不小于90%的潮湿空气中养护28d）的边长150mm的立方体试件，在28d龄期用标准试验方法（试件表面不涂润滑剂，全截面受压，加载速度0.150.25MPa/sec）测得的具有95%保证率的抗压强度。1. 混凝土的立方体抗压强度 -基本强度指标(一) 砼的立方体抗压强度fcu1 测定方法150 试块摩擦力压力机垫板标 准 试 块抗 压 试 验破 坏标准条件：温度203湿度90%，养护28 天 加载速度：0.150.25N/mm2s 试块全截面受力且不涂润滑剂标准试验方法：所测得极限压应力 立方体抗压强度标准值fcu,k （2） 影响因素 试件

12、尺寸(尺寸效应) 直接受压(标准试验方法)间接受压(试块与承压板之间涂有油脂或填以塑料薄片)试验方法 加载速度越快,强度越高 （3） 对混凝土强度等级的要求 混凝土强度从C20C80共分为14个等级，中间以5MPa进级。C50以下为普通强度混凝土， C50及以上为高强度混凝土公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范规定：l 钢筋混凝土构件不应低于C20，当采用HRB400、KL400级钢筋配筋时，不应低于C25l 预应力混凝土构件不应低于C40。混凝土结构设计规范规定：l 钢筋混凝土构件不应低于C15，当采用HRB335级钢筋配筋时，混凝土强度等级不宜低于C20；当采用HRB400、RRB级钢

13、筋以及重复荷载的构件，混凝土强度等级不得低于C20l 预应力混凝土构件，混凝土强度等级不应低于C30；当采用钢绞线、钢丝、热处理钢筋作预应力钢筋时，混凝土强度等级不宜低于C40例：“桃都逸园”本工程共36层，124m高材料如下: 墙，柱砼等级- 4-2 层 C50 3-7 层 C45 8-12层 C4013-17层 C3518-顶层 C30梁，板砼等级1-2层 C50其余各层 C30例如，美国、日本和欧洲混凝土协会、(CEB)采用直径6英寸(152mm)、高12英寸(305mm)的圆柱体标准试件的抗压强度作为轴心抗压强度的指标，记作 。对C60以下的混凝土，圆柱体抗压强度和立方体抗压强度标准值

14、fcu,k之间的关系可按下式折算：l 国外常采用混凝土圆柱体试件确定混凝土轴心抗压强度当fcu,k超过60N/mm2后随着抗压强度提高，与fcu,k的比值(即公式中的系数)要提高。CEB-FIPMC-90给出：对C60的混凝土，比值为0.833；对C70的混凝土，比值为0.857；对C80的混凝土，比值为0.875。2. 棱柱体强度（轴心抗压强度) （1）定义：真实反映以受压为主的混凝土结构构件的抗压强度，用150mm150mm300mm棱柱体为标准试件测得的抗压强度。注：试件制作、养护和加载试验方法同立方体试件（2） 轴心抗压强度标准值 与立方体抗压强度标准值 的换算:注：C50及以下混凝土

15、， =0.76 ；C55C80混凝土， =0.760.82考虑C40以上混凝土具有脆性，还需取折减系数C40C80为1.00.87，中间按直线插入。1 测定方法150 棱柱体 压力面垫板 棱柱体 试件轴心抗 压试验破 坏标准条件 标准方法 所测得极限压应力 轴心抗压强度标准值 fck3. 轴心抗拉强度( )是钢筋混凝土构件设计中确定混凝土抗裂度的重要指标 边长为150mm立方体试件抗压强度的变异系数表达式：式中：标 准 试件轴心抗 拉试验轴心抗拉强度标准值ftk 破 坏所测得极限拉应力 两端预埋d=20mm将拉力机的夹具夹紧试件两端钢筋，均匀受拉的变形钢筋1 测定方法(1) 直接测试法(2) 间接测试法P-破坏荷载d-圆柱体直径或立方体边长l-圆柱体长度或立方体边长三个强度指标三个强度指标如何使用如何使用l l 混凝土的强度指标是混凝土的强度指标是l 立方体强度是各种力学指标的基本代表值 4. 复合应力状态下混凝土强度 1, 2 (压压) 混凝土强度增加（第三象限） 1, 2 (拉压) 混凝土强度降低（第二、四象限） 1, 2 (拉拉) 混凝土强度基本不变（第一象限）0（1）双向正应力作用(如下图)（2）正应力和剪应力作用（混凝土的抗压强度由于剪应力的存在而降低）l当/fc（0.50.7)时,抗剪强度随压