第二章节材料力学性能幻灯片

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1、第二章 材料的力学性能,钢 筋,混 凝 土,两者间的粘结,强 度,变 形,粘结破坏的 过程和机理,钢筋的种类,热轧钢筋、热处理钢筋、冷加工钢筋、钢丝或钢绞线,HPB300（Hot Rolled Plain Steel Bar）热轧光面钢筋 Q235 HRB335 （Hot Rolled Ribbed Steel Bar ） 热轧带肋钢筋 20MnSi HRB400 （ Hot Rolled Ribbed Steel Bar ）热轧带肋钢筋 20MnSiV, 20MnSiNb, 20MnTi RRB400 （Remained heat treatment Ribbed Steel Bar ） 余

2、热处理钢筋,常用热轧钢筋的分类,主要成分为铁元素，还含有少量的碳、硅、锰、硫、磷等 元素，力学性能主要与碳的含量有关： 含碳量越高，则钢筋的强度越高，质地硬，但塑性变差。 若含碳量低于0.25，则称为低碳钢，钢筋混凝土结构中 多应用的是低碳钢。 20MnSi 前面的20指的是平均含碳量的万分数，其他化学 元素的含量在1.5 以下。,热轧钢筋的成分,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

3、较好，是目前主要应用的钢筋品种之一； 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。,热轧钢筋的性能特点,钢筋的强度和变形,有明显屈服点的钢筋,无明显屈服点的钢筋,有明显屈服点钢筋的应力应变关系,cd段为屈服台阶 df段为强化段,反映钢筋力学性能的基本指标：屈服强度、延伸率和强屈比,对于有明显屈服点钢筋，其屈服强度定义为屈服下限。 强屈比为极限强度与屈服强度的比值，热轧钢筋通常在 1.41.6之间。 钢筋在拉断时的应变称为延伸率，定义为：,为试件的标距,冷弯性能是反映钢筋变形能力的另一个指标,钢筋的双线性理

4、想弹塑性本构模型,无明显屈服点钢筋的应力应变关系,条件屈服点为残余变形为0.2时对应的应力,不同钢筋应力应变关系的比较,钢筋的冷拉性能,冷拉、冷拔和冷轧,混凝土结构对钢筋的要求,强度屈服强度,塑性延伸率和冷弯性能,具有较好的可焊性,有较好的粘结力带肋钢筋,混凝土材料,混凝土材料是由水泥、砂、石子和水按一定比例组成，经凝结和硬化形成的，属于复合材料。,混凝土是由水泥结晶体、水泥凝胶体和内部微裂缝组成的,混凝土的破坏机理,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

5、可达(0.50.7)fc,到达B点以后，混凝土产生部分塑性变形，应力应变逐渐偏离直线。B点时的裂缝发展已不稳定，试件的横向变形突然增大，常取sB作为混凝土的长期抗压强度 ；普通强度混凝土sB约为0.8 fc ，高强混凝土sB可达0.95 fc,到达C点时，内部微裂缝连通形成破坏面，试件承载力开始减小而进入下降段。C点时的应力称为峰值应力，即为混凝土棱柱体抗压强度；相应的纵向压应变称为峰值应变，约为0.002。继续发展至D点时，破坏面初步形成。,E点以后，纵向裂缝形成一个斜向的破坏面，此破坏面在正应力和剪应力的作用下形成破坏带。此时试件的强度由破坏面上骨料间的摩阻力提供。随着应变进一步发展，摩阻

6、力不断下降，试件的残余强度约为0.10.4 fc,约束混凝土可以提高混凝土的强度，但更值得注意的是可以提高混凝土的变形能力，这一点对于抗震结构非常重要。,混凝土的强度 1、混凝土强度等级 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150mm立方体标准试件，在标准条件下（203，90%湿度）养护28天，用标准试验方法（加载速度0.150.3N/mm2/sec，两端不涂润滑剂）测得的具有95%保证率的立方体抗压强度，用符号C表示，C30表示 fcu,k=30N/mm2 规范根据强度范围，从

7、C15C80共划分为14个强度等级，级差为5N/mm2。与原规范GBJ10-89相比，混凝土强度等级范围由C60提高到C80，C50以上为高强混凝土。,混凝土的强度,混凝土立方抗压强度,混凝土轴心抗压强度,混凝土抗拉强度,立方体抗压强度的试验,尺寸效应及摩擦力的影响,美国、日本、加拿大等国家，采用圆柱体（直径100mm，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,立方体抗压强度的换算关系,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

8、）,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 =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,轴心抗压强度,轴心抗压强度采用棱柱体试件测定，用符号fc表示，它比较接近实际构件中混凝土的受压情况。棱柱体试件高宽比一般为h/b=34，我国通常取150mm150mm450mm的棱柱体试件，也常用100100300试件。,立方抗压与轴心抗压强度的关系,规范对小于C50级的混凝土取k=0.76，对C80取k=0.82，其间按线性插值。,对于同一混凝土，棱柱体抗压强度小于立方体抗压强度。,轴心抗拉强

9、度,也是混凝土的基本力学性能，用符号 ft 表示。 混凝土构件开裂、裂缝、变形，以及受剪、受扭、受冲切等的承载力均与抗拉强度有关。,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拉试验测定混凝土的抗拉强度。,轴心抗拉与立方抗压强度的关系,混凝土强度标准值,规范规定材料强度的标准值 fk 应具有不小于95%的保证率,立方体强度标准值即为混凝土强度等级fcu。规范在确定混凝土轴心抗压强度和轴心抗拉强度标准值时，假定它们的变异系数与立方体强度的变异系数相同，利用与立方体强度平均值的换算关系，便可按上式计算得到。,同时，规范考虑到试件与实际结构的差异以及高强混凝土的脆性特征，对轴心抗压强度和轴心

10、抗拉强度，还采用了以下两个折减系数： 结构中混凝土强度与混凝土试件强度的比值，取0.88； 脆性折减系数，对C40取1.0，对C80取0.87，中间按线性规律变化,混凝土的变形,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

11、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。, 清华大学过镇海提出的应力-应变全曲线表达式,a=Ec/E0， Ec为初始弹性模量； E0为峰值点时的割线模量， 为满足条件和，一般应有1.5a3；ac 为下降段参数,混凝土应力-应变关系的数学描述,美国Hognestad建议的应力-应变曲线,箍筋约束混凝土受压的应力-应变关系 Confinement with Transverse Reinforcement,螺旋箍筋,螺旋箍筋约束对强度和变形能力均有很大提高 矩

12、形箍筋约束对强度的提高不是很显著，但对变形能力有显著改善,当应力较小时，横向变形很小，箍筋的约束作用不明显；当应力超过B点的应力时，由于混凝土的横向变形开始显著增大，侧向膨胀使螺旋箍筋产生环向拉应力，其反作用力使混凝土的横向变形受到约束，从而使混凝土的强度和变形能力都得到提高。,不同强度混凝土应力应变关系的比较,强度等级越高，线弹性段越长，峰值应变也有所增大。但高强混凝土中，砂浆与骨料的粘结很强，密实性好，微裂缝很少，最后的破坏往往是骨料破坏，破坏时脆性越显著，下降段越陡。,复杂应力状态下混凝土的力学性能,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。如剪力和扭矩作用

13、下的构件、弯剪扭和压弯剪扭构件、混凝土拱坝、核电站安全壳等。,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，约为(1.251.60 )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。,双轴应力状态（Biaxial Stress State）,混凝土的收缩和徐变 Shrinkage and Creep,混凝土在空气中硬化时体积会缩小，这种现象称为混凝土的收缩， 收缩是混凝土在不受外力情况下体积变化产生的变形。,混凝土在长期不变荷载的作用下，其变形随时间而不断增长的现象称为徐变。,混凝土的收缩是随时间而增长的

14、变形，早期收缩变形发展较快，两周可完成全部收缩的25%，一个月可完成50%，以后变形发展逐渐减慢，整个收缩过程可延续两年以上。通常，最终收缩应变值约为(25)10-4 ，而混凝土开裂应变为(0.52.7)10-4，说明收缩会导致开裂。,混凝土收缩包括凝缩和干缩两部分，凝缩是由于水泥结晶体比原材料的体积小；干缩是混凝土内自由水分蒸发引起的。,混凝土的收缩受结构周围的温度、湿度、构件断面形状及尺寸、配合比、 骨料性质、水泥性质、混凝土浇筑质量及养护条件等许多因素有关： 水泥用量多、水灰比越大，收缩越大； 骨料弹性模量高、级配好，收缩就小； 干燥失水及高温环境，收缩大； 小尺寸构件收缩大，大尺寸构件

15、收缩小； 高强混凝土收缩大。 影响收缩的因素多且复杂，要精确计算尚有一定的困难。在实际工程中， 要采取一定措施减小收缩应力的不利影响。,当这种自发的变形受到外部（支座）或内部（钢筋）的约束时，将使混凝土中产生拉应力，甚至引起混凝土的开裂。混凝土收缩会使预应力混凝土构件产生预应力损失。,混凝土收缩的影响因素,随荷载作用时间的延续，变形不断增长，前4个月徐变增长较快，6个月可达最终徐变的（7080）%，以后增长逐渐缓慢，23年后趋于稳定。,混凝土的徐变,瞬时恢复,弹性后效,残余应变,收缩应变,徐变应变,瞬时应变,徐变会使结构（构件）的（挠度）变形增大，引起预应力损失，在长期 高应力作用下，甚至会导

16、致破坏。,徐变有利于结构构件产生内（应）力重分布，降低结构的受力（如支座不均匀沉降），减小大体积混凝土内的温度应力，受拉徐变可延缓收缩裂缝的出现。,与混凝土的收缩一样，徐变也与时间有关。因此，在测定混凝土的徐变时，应同批浇筑同样尺寸不受荷的试件，在同样环境下同时量测混凝土的收缩变形，从徐变试件的变形中扣除对比的收缩试件的变形，才可得到徐变变形。,徐变系数 （Creep Coefficient ）,徐变与混凝土持续应力大小有密切关系，应力越大徐变也越大； 混凝土加载龄期越长，徐变越小； 水泥含量越大，徐变越大； 骨料弹性模量高、级配好，徐变就小； 干燥失水及高温环境，徐变大； 高强混凝土徐变小。,混凝土徐变的影响因素,产生徐变的主要原因是水泥凝胶体和内部微裂缝的扩展,钢筋与混凝土的粘结力,钢筋与混凝土的粘结力实质是接触面上的剪应力，按其作用性质可以分为两大类：弯曲粘结应力和局部粘结应力。,弯曲粘结应力,弯曲粘结应力的分布形式与弯距有关,局部粘结应力,局部粘结应