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1、第2章 钢筋和混凝土材料的基本性能,本章主要内容,钢筋的材料性能 混凝土的材料性能 混凝土与钢筋的粘结 ,本章提要,材料性能（物理力学性能） 钢筋的强度、变形性能 混凝土的强度、变形性能 钢筋与混凝土之间的粘结-滑移性能 重点 混凝土的强度、变形性能 本章在本课程中的作用 后续各章的基础,钢筋的成分、级别和种类 钢筋的强度和变形性能（重点） 混凝土结构对钢筋性能的要求,2.1 钢筋的基本性能,2.1.1钢筋的品种和级别,混凝土结构中的钢筋,热轧钢筋的符号说明,hot rolled plain bar fyk=300 N/mm2,hot rolled ribbed bar fyk=335 N/m
2、m2,hot rolled ribbed bar fyk=400 N/mm2,remained heat treatment ribbed bar fyk=400 N/mm2,2.1.1钢筋的品种和级别,2.1.1 钢筋的品种和级别,普通钢筋强度标准值（N/mm2） HPB300 d = 820 fyk=300 HRB335 , HRBF335 d = 650 f yk = 335 HRB400, HRBF400, RRB400 d = 650 f yk = 400 HRB500， HRBF500 d = 840 f yk = 500 主要成分：铁 其他成分：碳、锰、硅、磷、硫等 碳素钢：低碳
3、钢 （含碳量0.25%）；中碳钢（0.25%0.6%） 高碳钢（0.6%1.4%）。含碳量高，强度高，延性差 锰、硅：可提高钢材强度，保持一定的塑性,热轧钢筋的外形,2.1.1钢筋的品种和级别,2.1.1钢筋的品种和级别,预应力钢筋外形,普通钢筋一般为软钢；预应力筋一般为硬钢。从受力性能分：软钢；硬钢,2.1.2 钢筋的强度和变形性能,钢筋的应力应变曲线（有明显流幅的钢筋,软钢）,比例极限,弹性极限,屈服上限,屈服下限,屈服平台,强化阶段,颈缩阶段,钢筋的两个强度指标: 屈服强度和极限强度 屈服强度作为钢筋设计强度取值依据,钢筋的应力应变曲线（无明显流幅的钢筋,硬钢）,2.1.2 钢筋的强度和
4、变形性能,条件屈服强度： 取残余应变为0.2% 所对应的应力,钢筋的塑性性能,钢筋的两个塑性指标:延伸率和冷弯性能,延伸率试验,冷弯试验,2.1.2 钢筋的强度和变形性能,最大力下的总伸长率,普通钢筋及预应力筋在最大力下的总伸长率gt应不小于附表5 的规定的数值。,2.1.2 钢筋的强度和变形性能,软钢与硬钢的区别 软钢：有明显的屈服平台、屈服强度，极限强度 硬钢：只有极限强度，人为规定 “条件屈服强度” 设计取值依据 屈服强度（软钢）、条件屈服强度（硬钢） 钢筋的屈强比 = 屈服强度/极限强度0.8 钢筋的延性（ductility） 钢筋在强度无显著降低情况下抵抗变形的能力（屈服后的变形能力
5、）.软钢延性好，硬钢延性较差。 弹性模量：弹性极限以下应力-应变曲线的斜率,2.1.2 钢筋的强度和变形性能,钢筋的疲劳性能 钢筋的疲劳是钢筋在承受重复、周期性的动荷载作用下，经过一定次数后突然脆性断裂的现象。钢筋疲劳断裂的主要原因是应力集中。 钢筋的疲劳强度是指在一定规定应力幅度内，经受一定次数的循环荷载后发生疲劳破坏的最大应力值。与应力变化的幅值、最小应力值、钢筋外表面几何尺寸及形状等因素有关。 钢筋疲劳断裂试验有两种方法：一种是直接进行单根原状钢筋拉试验；一种是将钢筋埋入混凝土中使其重复受拉或受弯试验。,2.1.3 钢筋的冷加工,冷拉 冷拉是在常温下用机械方法将有明显流幅的钢筋拉到超过屈
6、服强度即强化阶段中的某一应力值，然后卸载至零。 冷拉强化：冷拉控制应力必须超过屈服点，进入强化阶段。屈服强度提高，屈服平台消失，极限强度未提高，延性降低 冷拉时效：钢筋经首次冷拉后，在自然条件下一段时间后进行第二次张拉，屈服强度和极限强度均提高，且恢复屈服台阶。 只能提高抗拉强度，抗压屈服强度将降低。,2.1.3 钢筋的冷加工,2.1.3 钢筋的冷加工,冷拔 冷拔一般是将6的HPB235热轧钢筋强行拔过小于其直径的硬质合金拔丝模具。 可同时提高抗拉和抗压强度。 冷加工目的是节约钢材和扩大钢筋的应用范围。 混凝土规范不提倡冷拉钢筋，已取消冷拉钢筋.,2.1.4 混凝土结构对钢筋性能的要求,适当的
7、屈强比0.8 足够的塑性 HPB300：不小于10.0%；HRB400HRB500: 不小于7.5% 预应力筋：不小于3.5% 可焊性 耐久性 耐火性 与混凝土具有良好的粘结 抗低温性能,混凝土的强度 混凝土的变形性能,2.2 混凝土的基本性能,2.2.1 混凝土的强度,简单受力状态下混凝土的强度 立方体抗压强度(uniaxial compressive cube strength) 轴心抗压强度(uniaxial compressive strength) 轴心抗拉强度(uniaxial tensile strength) 复杂受力状态下混凝土的强度 双轴受力强度 三轴受力强度 剪压及剪拉强
8、度,2.2.1混凝土的强度,简单受力状态下混凝土的强度 立方体抗压强度 混凝土立方体抗压强度试验方法 边长为150mm的标准立方体试块、在标准条件下养护28d或设计规定龄期后，以标准试验方法测得的破坏时的平均压应力为混凝土的立方体抗压强度。 注：对掺加粉煤灰等时，规定龄期为60、90天等。 立方体抗压强度标准值 fcu,k 按上述规定所测得的具有95%保证率的抗压强度称为混凝土的立方体抗压强度标准值。 混凝土强度等级 混凝土规范规定：混凝土强度等级按立方体抗压强度标准值确定,2.2.1混凝土的强度,混凝土强度等级的分级 按 fcu,k 划分为14级，即 C15C80，级差5MPa。 符号 C3
9、5 C： 立方体(Cube) 35：立方体抗压强度标准值，单位 N/mm2 当C50时，普通混凝土（normal-strength concrete） 当C50时，高强混凝土（high-strength concrete） fcu,k是混凝土各种强度指标的基本代表值,混凝土受压破坏机理,骨料之间的微裂缝是内因 纵向受压破坏是横向拉裂造成的。,影响立方体抗压强度的因素,材料组成 尺寸效应 加载速度 端部约束，环箍效应 混凝土的龄期,骨料之间的微裂缝,2.2.1混凝土的强度,2.2.1混凝土的强度,影响因素分析 材料组成：最主要因素，在材料组成一定时，还有下列因素 加载速度：加载速度快，微裂缝不能
10、充分扩展，强度高 试验条件：试件上、下表面不涂油，横向变形受到约束，强度高（“套箍”效应你） 试件尺寸：尺寸大，内部缺陷相对较多，端部摩擦力影响相对较大，强度低 龄期：龄期长，试件强度高,简单受力状态下混凝土的强度 轴心抗压强度 轴心（棱柱体）抗压强度 fc,采用棱柱体试件，能够反映混凝土的实际工作状态。 我国取150150300mm为标准试件，按与立方体试验相同的规定所得的平均应力值，为 fc 。 棱柱体高度取值的原因： 摆脱端部摩擦力的影响 试件不致失稳,立方体抗压强度与轴心抗压强度之间的关系,棱柱体强度与立方体强度的比值,混凝土考虑脆性的折减系数,结构中混凝土与试件混凝土的强度差异修正系
11、数,2.2.1混凝土的强度,2.2.1混凝土的强度,棱柱体试件尺寸,试件强度不受端部摩擦力和附加偏心距的影响。 中间处于均匀受压状态。,解决问题的思路 由已知求未知，由简单方法解决复杂问题 确定方法：对比试验,2.2.1混凝土的强度,轴心抗压强度 试验值 修正值 :棱柱体强度与立方体强度之比值，C50及以下取 =0.76，对C80取 =0.82，中间按线性规律变化取值； 为混凝土考虑脆性的折减系数，对C40取 =1.00，对C80取 =0.87，中间按线性规律变化取值； 0.88: 考虑结构中混凝土强度与试件混凝土强度之间的差异而采取的修正系数。,简单受力状态下混凝土的强度 轴心抗拉强度 轴心
12、抗拉强度 ft,混凝土的抗拉强度远低于抗压强度 对于普通混凝土，抗拉强度约 1/17-1/8 的抗压强度 对于高强混凝土，抗拉强度约 1/24-1/20 的抗压强度,轴心抗拉强度的试验方法,直接受拉试验 劈裂试验 弯折试验,2.2.1 混凝土的强度,简单受力状态下混凝土的强度 轴心抗拉强度 直接受拉试验,轴心抗拉强度与立方体抗压强度平均值之间的关系,轴直接受拉试验的缺点:容易引起偏拉破坏,2.2.1混凝土的强度,2.2.1混凝土的强度,对比试验结果,简单受力状态下混凝土的强度 轴心抗拉强度 劈裂试验,弯折试验,2.2.1混凝土的强度,2.2.1混凝土的强度,圆柱体劈裂试验,复杂受力状态下混凝土
13、的强度 双轴应力状态,研究文献来源: H. Kupfer, H.K. Hilsdorf, H. Rusch, Behaviour of concrete under biaxial stresses, ACI J. 66 (1969) 656-666.,研究方法,方形板试件,施加法向应力 1,施加法向应力 2,板处于平面应力状态,2.2.1混凝土的强度,复杂受力状态下混凝土的强度 双轴应力状态,双等拉,双等压,-1.26,双向受拉的破坏强度接近于单轴抗拉强度。,双向受压的破坏强度高于单轴抗压强度。,一拉一压的破坏强度低于相应的单轴受力强度。,双轴受压的强度最大值不是发生在双轴等压的情况下,而是
14、发生在1/20.5时。,2.2.1混凝土的强度,复杂受力状态下混凝土的强度 双轴应力状态,双向受拉的破坏强度接近于单轴抗拉强度。,双向受压的破坏强度高于单轴抗压强度。,一拉一压的破坏强度低于相应的单轴受力强度。,双轴受压的强度最大值不是发生在双轴等压的情况下,而是发生在1/20.5时。,2.2.1混凝土的强度,复杂受力状态下混凝土的强度 三轴受压状态,侧向等压（常规三轴）的情况,通过液体静压力对圆柱体试件施压,当侧向压力较较高低时,上式不再为线性关系,可采用蔡绍怀经验公式,当侧向压力较低时,对于普通混凝土,2.2.1混凝土的强度,复杂受力状态下混凝土的强度 剪压或剪拉复合应力状态,试验结果,岗
15、岛达雄的试验结果,试验结论 随着拉应力的增加，混凝土抗剪强度降低； 随着压应力的增加，抗剪强度先增大、后减小； 达到轴心抗压强度时，抗剪强度为零； 当拉应力约为 0.1fc时，抗剪强度为零。,2.2.1混凝土的强度,2.2.2 混凝土的变形性能,混凝土的变形 受力变形 一次短期加载下的变形(重点)：轴压、轴拉、复合应力状态下 承载力计算；非线性分析 荷载长期作用下的变形（徐变）： 变形和裂缝宽度计算；预应力损失 重复荷载作用下的变形（疲劳性能）： 确定弹性模量；疲劳验算 体积变形 收缩变形：收缩裂缝；预应力损失 温度变形：温度应力裂缝 防止温度、收缩裂缝的构造措施,A点以前，微裂缝没有明显发展
16、，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。,A点以后，由于微裂缝处的应力集中，裂缝开始有所延伸发展，产生部分塑性变形，应变增长开始加快，应力-应变曲线逐渐偏离直线。微裂缝的发展导致混凝土的横向变形增加。但该阶段微裂缝的发展是稳定的。,混凝土在结硬过程中，由于水泥石的收缩、骨料下沉以及温度变化等原因，在骨料和水泥石的界面上形成很多微裂缝，成为混凝土中的薄弱部位。混凝土的最终破坏就是由于这些微裂缝的发展造成的。,达到B点，内部一些微裂缝相互连通，裂缝发展已不稳定，横向变形突然增大，体积应变开始由压缩转为增加。在此应力的长期作用下，裂缝会持续发展最终导致破坏。取B点的应力作为混凝土的长期抗压强度
