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1、第三章 混凝土结构材料的物理力学性能,学习要求,了解钢筋的品种、级别和使用范围。了解有明显屈服点钢筋与没有明显屈服点钢筋的应力-应变曲线的特点以及钢筋强度设计值的取值。了解钢筋混凝土结构对钢筋性能的要求。 了解混凝土的立方体抗压强度、轴心抗拉强度的标准试验方法，理解混凝土单轴受压时的应力应变曲线，了解混凝土的受拉变形，弹性模量、变形模量及混凝土徐变和收缩。 理解钢筋与混凝土的粘结性能及保证可靠粘结与锚固的构造措施。,第三章 混凝土结构材料的物理力学性能,第三章 混凝土结构材料的物理力学性能,3.1 钢筋,3.1 钢 筋 Steel Reinforcement 一、钢筋的品种热轧钢筋、中高强钢丝
2、和钢绞线、热处理钢筋和冷加工钢筋,常用钢筋形式,3.1 钢 筋,热轧钢筋 Hot Rolled Steel Reinforcing Bar HPB235级、HRB335级、HRB400级、RRB400级,HPB,HRB,RRB,屈服强度 fyk HPB235级： fyk = 235 N/mm2 HRB335级： fyk = 335 N/mm2 HRB400级、RRB400级： fyk = 400 N/mm2,第三章 混凝土结构材料的物理力学性能,3.1 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
3、)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的粘结（Bond），外形制作成月牙肋或等高肋的变形钢筋（Deformed Bar）。RRB400钢筋强度较高，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。,第三章 混凝土结构材料的物理力学性能,3.1 钢 筋,钢丝，中强钢丝的强度为8001200MPa，高强钢丝、钢绞线的为 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。中高强钢丝和钢绞线均用于预应力混凝土
4、结构。 冷加工钢筋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。近年来，冷加工钢筋的品种很多，应根据专门规程使用。 热处理钢筋是将热轧带肋钢筋通过加热、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。,第三章 混凝土结构材料的物理力学性能,3.1 钢 筋,二、钢筋的应力-应变关系 有明显屈服点的钢筋 Steel bar with yield point,a为比例极限proportional limits =Ese,oa为线弹性阶段,de为强化段strain harde
5、ning stage,b为屈服上限upper yield strength,c为屈服下限，即屈服强度 fy lower yield strength,cd为屈服台阶yield plateau “流幅”,e为极限抗拉强度 fu ultimate tensile strength,第三章 混凝土结构材料的物理力学性能,ef为颈缩阶段,3.1 钢 筋,几个指标： 屈服强度yield strength:是有明显屈服点钢筋的主要强度指标。在混凝土中的钢筋，当应力达到屈服强度后，应力不增加，应变继续增大，使得混凝土裂缝开展过宽、构件变形过大，结构不能正常使用。所以有明显屈服点的钢筋，它的受拉强度限值应以屈
6、服强度为准，而不是以拉断时的极限抗拉强度为准。 延 伸 率elongation rate：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%),第三章 混凝土结构材料的物理力学性能,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,第三章 混凝土结构材料的物理力学性能,3.1 钢 筋,3.1 钢 筋,无明显屈服点的钢筋Steel bar without yield point,a点：
7、比例极限，约为0.65fu a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 残余应变为0.2%所对应的应力 规范取s0.2 =0.85 fu钢筋受压时的屈服强度与受拉时的基本相同，钢筋的受拉弹性模量与受压弹性模量也是相同的，由钢筋在线弹性阶段的应力与应变的比值确定。,第三章 混凝土结构材料的物理力学性能,3.1 钢 筋,三、钢筋的强度标准值 ( Characteristic or Standard Strength) 钢筋的强度标准值满足建筑结构设计统一标准材料强度标准值保证率95%的要求。,第三章 混凝土结构材料的物
8、理力学性能,3.1 钢 筋,第三章 混凝土结构材料的物理力学性能,主要有强度、塑性、可焊性和与混凝土的粘结等四个性能的要求。 1）强度：包括屈服强度和极限强度。采用屈服强度高、强屈比（极限强度与屈服强度的比值）不能太小的钢筋。 2）塑性：要求钢筋在断裂前应有足够的变形能力，主要指标是伸长率和冷弯。,混凝土结构对钢筋性能的要求,3.1 钢 筋,第三章 混凝土结构材料的物理力学性能,冷弯是检验钢筋局部变形能力的指标。钢筋塑性愈好，构件破坏前预兆愈明显。,3）可焊性：在一定的工艺条件下要求钢筋焊接后不产生裂纹及过大的变形。4）与混凝土的粘结：为保证钢筋与混凝土共同工作，两者之间必须有足够的粘结力，为
9、此对钢筋表面的形状、锚固长度、弯钩以及接头等都有一定的要求。此外，在寒冷地区，为了防止钢筋发生脆断，对钢筋的低温性能也有一定的要求。,3.1 钢 筋,第三章 混凝土结构材料的物理力学性能,第三章 钢筋和混凝土的材料性能,3.2 混凝土,3.2 混凝土 一、混凝土的强度 1、立方体抗压强度混凝土强度等级确定依据混凝土的基本强度指标有立方体抗压强度fcu,k、轴心抗压强度fc、轴心抗拉强度ft三种。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 混凝土强度等级：边长150mmx150mmx150mm的立方体试件作为标
10、准试件，在温度为（203），相对湿度在90%以上的潮湿空气中养护28天，按照标准试验方法（加载速度0.150.3N/mm2/sec，两端不涂润滑剂）加压到破坏，所测得的具有95%保证率的抗压强度，定为立方体抗压强度标准值，用fcu,k表示，以N/mm2计，并以此作为确定混凝土的强度等级的依据。用符号C表示，C30表示fcu,k=30N/mm2 。混凝土立方体强度只有标准值，没有设计值。规范根据强度范围，从C15C80共划分为14个强度等级，级差为5N/mm2。,第三章 钢筋和混凝土的材料性能,3.2 混凝土,100mm立方体强度与标准立方体强度之间的换算关系,小于C50的混凝土，修正系数m =
11、0.95。随混凝土强度的提高，修正系数m 值有所降低。当fcu100=100N/mm2时，换算系数m 约为0.9,美国、日本、加拿大等国家，采用圆柱体（直径150mm，高300 mm）标准试件测定的抗压强度来划分强度等级，符号记为 fc。 圆柱体强度与我国标准立方体抗压强度的换算关系为，,立方体和圆柱体抗压试验都不能代表混凝土在实际构件中的受力状态，只是用来在同一标准条件下比较混凝土强度水平和品质的标准（制作、测试方便）。,第三章 钢筋和混凝土的材料性能,3.2 混凝土,2、轴心抗压强度,轴心抗压强度就是棱柱体抗压强度，它是由150mm150mm300mm的棱柱体标准试件经标准养护后用标准试验
12、方法测得的。用符号fc表示，它比较接近实际构件中混凝土的受压情况。 对于同一混凝土，棱柱体抗压强度小于立方体抗压强度。轴心抗压强度标准值fck和立方体抗压强度标准值fcu,k的换算关系为，,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；1为棱柱体抗压强度与立方体抗压强度之比，小于C50级的混凝土取1 =0.76，对C80取1 =0.82，其间按线性插值； 2为高强混凝土的脆性折减系数， C40一下取2=1.0，对C80取2=0.87，中间按直线规律变化取值。所以对于C40及以下的混凝土,第二章小结,结构上的作用的定义和分类结构上的作用是指施加在结构上的集中力或分布力，以及引
13、起结构外加变形或约束变形的原因，分为直接作用和间接作用。作用按时间的变异分为永久作用、可变作用、偶然作用，其含义。 结构的可靠性结构在设计使用年限内，在规定的条件下，完成预定功能的能力。 建筑结构的功能、设计使用年限以及安全等级建筑结构必须满足四项功能要求，它们归结为三性：安全性、适用性、耐久性。我国规定的结构物的设计使用年限为50年。安全等级分三级。 两类极限状态含义和表达式承载能力极限状态和正常使用极限状态。 荷载分项系数、材料分项系数、结构重要性系数的定义和取值,第三章 钢筋和混凝土的材料性能,3.2 混凝土,3、轴心抗拉强度,也是其基本力学性能，用符号 ft 表示。混凝土构件开裂、裂缝
14、、变形，以及受剪、受扭、受冲切等的承载力均与抗拉强度有关。,混凝土轴心抗拉强度远低于抗压立方体强度fcu,k,仅相当fcu,k的1/81/17，fcu,k越大，这个比值越低。,我国采用直接拉伸法测定轴心抗拉强度。试件是用钢模浇筑的100mmx100mmx500mm的棱柱体，两端对中设有直径16mm的等高肋钢筋，埋深150mm。试验机夹紧两端钢筋，使试件受拉，破坏时试件中部产生裂缝。,第三章 钢筋和混凝土的材料性能,3.2 混凝土,由于轴心受拉试验对中困难，也常常采用立方体或圆柱体劈裂试验测定混凝土的抗拉强度。,第三章 钢筋和混凝土的材料性能,3.2 混凝土,1）三向受压,轴心抗压强度与轴向受压
15、变形能力都得到提高。,工程应用：约束混凝土,钢管砼,密配螺旋箍筋,有侧向约束混凝土轴心抗压强度经验公式,3.2 混凝土,第三章 钢筋和混凝土的材料性能,4.复合应力下混凝土强度的概念,4.复杂受力状态下砼的强度,I.双向受压: 抗压强度提高 II.一向受压，另一向受拉：抗拉和抗压强度均降低。 III.双向受拉：与单向抗拉强度相同。 IV.剪压状态：,当(0.50.7)c,抗剪强度 随压应力 增大而提高; 当 0.7c, 减小.,V.剪拉状态： 随拉应力而降低.,第三章 钢筋和混凝土的材料性能,3.2 混凝土,2).双向应力,第三章 钢筋和混凝土的材料性能,3.2 混凝土,三、混凝土的变形 1、
16、单轴（单调）受压应力-应变关系Stress- strain Relationship,混凝土单轴受力时的应力-应变关系反映了混凝土受力全过程的重要力学特征是分析混凝土构件应力、建立承载力和变形计算理论的必要依据，也是利用计算机进行非线性分析的基础。,混凝土单轴受压应力-应变关系曲线，常采用棱柱体试件来测定。 在普通试验机上采用等应力速度加载，达到轴心抗压强度fc时，试验机中集聚的弹性应变能大于试件所能吸收的应变能，会导致试件产生突然脆性破坏，只能测得应力-应变曲线的上升段。采用等应变速度加载，或在试件旁附设高弹性元件与试件一同受压，以吸收试验机内集聚的应变能，可以测得应力-应变曲线的下降段。,第三章 钢筋和混凝土的材料性能,3.2 混凝土,第三章 钢筋和混凝土的材料性能,3.2 混凝土,A点以前，微裂缝没有明显发展，混凝土的变形主要弹性变形，应力-应变关系近似直线。A点应力随混凝土强度的提高而增加，对普通强度混凝土sA约为 (0.30.4)fc ，对高强混凝土sA可达(0.50.7)fc。,
