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1、第一章第一章 材料的力学性能材料的力学性能材料的力学性能钢钢 筋筋混混 凝凝 土土两者间的粘结两者间的粘结变变 形形粘结破坏的粘结破坏的过程和机理过程和机理第一章第一章 材料的力学性能钢筋的种类钢筋的种类第一章第一章 材料的力学性能常用热轧钢筋的分类常用热轧钢筋的分类第一章第一章 材料的力学性能常用热轧钢筋的分类常用热轧钢筋的分类第一章第一章 材料的力学性能热轧钢筋的成分热轧钢筋的成分第一章第一章 材料的力学性能热轧钢筋的性能特点热轧钢筋的性能特点第一章第一章 材料的力学性能光面钢筋光面钢筋第一章第一章 材料的力学性能变形钢筋变形钢筋第一章第一章 材料的力学性能钢筋钢筋第一章第一章 材料的力学
2、性能钢筋的强度和变形钢筋的强度和变形有有明显屈服点的钢筋明显屈服点的钢筋无无明显屈服点的钢筋明显屈服点的钢筋第一章第一章 材料的力学性能cdcd段为屈服台阶段为屈服台阶dfdf段为强化段段为强化段第一章第一章 材料的力学性能反映钢筋力学性能的基本指标：反映钢筋力学性能的基本指标：屈服强度屈服强度屈服强度屈服强度、延伸率延伸率延伸率延伸率和和强屈比强屈比强屈比强屈比第一章第一章 材料的力学性能目前多采用目前多采用均匀延伸率均匀延伸率来反映钢筋的变形能力来反映钢筋的变形能力第一章第一章 材料的力学性能第一章第一章 材料的力学性能冷弯性能是冷弯性能是反映钢筋变形能力的另一个指标反映钢筋变形能力的另一
3、个指标第一章第一章 材料的力学性能钢筋的双线性理想弹塑性本构模型钢筋的双线性理想弹塑性本构模型第一章第一章 材料的力学性能条件屈服点为残余变形条件屈服点为残余变形为为0.20.2时对应的应力时对应的应力第一章第一章 材料的力学性能不同钢筋应力应变关系的比较不同钢筋应力应变关系的比较第一章第一章 材料的力学性能钢筋的冷加工钢筋的冷加工冷拉、冷拔和冷轧第一章第一章 材料的力学性能第一章第一章 材料的力学性能钢筋的机械连接第一章第一章 材料的力学性能混凝土结构对钢筋的要求混凝土结构对钢筋的要求强度屈服强度强度屈服强度塑性延伸率和冷弯性能塑性延伸率和冷弯性能具有较好的可焊性具有较好的可焊性有较好的粘结
4、力带肋钢筋有较好的粘结力带肋钢筋第一章第一章 材料的力学性能混凝土材料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。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是由水泥结晶体、水泥凝胶体和内部微裂缝组成的第一章第一章 材料的力学性能混凝土的强度混凝土的强度1 1、混凝土强度等级、混凝土强度等级 混混凝凝土土结结构构中中，主主要要是是利利用用它它的的抗抗压压强强度度。因因此此抗抗压压强强度度是是混混凝凝土力学性能中最主要和最基本的指标。土力学性能中最主要和最
5、基本的指标。 混凝土的强度等级是用抗压强度来划分的。混凝土的强度等级是用抗压强度来划分的。 混混凝凝土土强强度度等等级级：边边长长150mm150mm立立方方体体标标准准试试件件，在在标标准准条条件件下下（203203，90%90%湿湿度度）养养护护2828天天，用用标标准准试试验验方方法法（加加载载速速度度0.150.3N/mm0.150.3N/mm2 2/sec/sec，两两端端不不涂涂润润滑滑剂剂）测测得得的的具具有有95%95%保保证证率率的的立立方方体体抗压强度，用符号抗压强度，用符号C C表示，表示，C30C30表示表示 f fcu,kcu,k=30N/mm=30N/mm2 2 规
6、规范范根根据据强强度度范范围围，从从C15C80C15C80共共划划分分为为1414个个强强度度等等级级，级级差差为为5N/mm5N/mm2 2。第一章第一章 材料的力学性能混凝土的强度混凝土的强度混凝土立方抗压强度混凝土立方抗压强度混凝土轴心抗压强度混凝土轴心抗压强度混凝土抗拉强度混凝土抗拉强度第一章第一章 材料的力学性能立方体抗压强度的试验立方体抗压强度的试验尺寸效应尺寸效应及及摩擦力摩擦力的影响的影响美国、日本、加拿大等国家，采用圆柱体（直径美国、日本、加拿大等国家，采用圆柱体（直径150mm，高，高300 mm）标准试件测定的抗压强度来划分强度等级，符号）标准试件测定的抗压强度来划分强
7、度等级，符号记为记为 fc。 圆柱体强度与我国标准立方体抗压强度的换算关圆柱体强度与我国标准立方体抗压强度的换算关系为系为第一章第一章 材料的力学性能立方体抗压强度的换算关系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）强度水平和品质的标准（制作、测试方便）100mm立方体强度与标准立方体强度之间的换算关系小于立方体强度与标准立方体强度之间的换算关系小于C50的混的混凝土，修正系数凝土，修
8、正系数m m =0.95。随混凝土强度的提高，修正系数。随混凝土强度的提高，修正系数m m 值有所值有所降低。当降低。当fcu100=100N/mm2时，换算系数时，换算系数m m 约为约为0.9第一章第一章 材料的力学性能轴心抗压强度轴心抗压强度轴心抗压强度采用棱柱体试件测定，用符号轴心抗压强度采用棱柱体试件测定，用符号fc表示，它比较表示，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般为h/b=34，我国通常取，我国通常取150mm150mm450mm的棱柱的棱柱体试件，也常用体试件，也常用100100300试件。试件。 第
9、一章第一章 材料的力学性能棱柱体抗压强度的试验方法棱柱体抗压强度的试验方法第一章第一章 材料的力学性能立方抗压与轴心抗压强度的关系立方抗压与轴心抗压强度的关系对于同一混凝土，对于同一混凝土，棱柱体抗压强度小于立方体抗压强度棱柱体抗压强度小于立方体抗压强度。 第一章第一章 材料的力学性能轴心抗拉强度轴心抗拉强度也是混凝土的基本力学性能，用符也是混凝土的基本力学性能，用符号号 f ft t 表示。表示。混凝土构件开裂、裂缝、变形，以混凝土构件开裂、裂缝、变形，以及受剪、受扭、受冲切等的承载力及受剪、受扭、受冲切等的承载力均与抗拉强度有关。均与抗拉强度有关。第一章第一章 材料的力学性能拉压压劈拉试验
10、aPP由于轴心受拉试验对中困难，也常常采用立方体或圆柱体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劈拉试验测定混凝土的抗拉强度。第一章第一章 材料的力学性能轴心抗拉与立方抗压强度的关系轴心抗拉与立方抗压强度的关系第一章第一章 材料的力学性能混凝土强度标准值混凝土强度标准值规范规定材料强度的标准值规范规定材料强度的标准值 fk 应具有不小于应具有不小于95%的保证率的保证率立方体强度标准值即为混凝土强度等级立方体强度标准值即为混凝土强度等级f fcucu。规范在确。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，假定它定混凝土轴心抗压强度和轴心抗拉强度标准
11、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。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，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抗拉强度，还采用了以下两个折减系数：对轴心抗压强度和轴心抗拉强度，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，取结构中混凝土强度与混凝土试件强度的比值，取0.880.88； 脆性折减系数，对脆性折减系数，对C40C40取取1.01
12、.0，对，对C80C80取取0.870.87，中间按线性规律变化，中间按线性规律变化第一章第一章 材料的力学性能例例 fcu=30MPa, d d =0.12, fcu,m=fcu/(1-1.645d d) fc,m=0.76fcu,m fc,k=fc,m(1-1.645d d)0.881.0 =0.76fcu0.88 1.0 =20.06MPa第一章第一章 材料的力学性能混凝土的变形混凝土的变形第一章第一章 材料的力学性能混凝土的破坏机理混凝土的破坏机理A点以前，微裂缝没有明点以前，微裂缝没有明显发展，混凝土的变形主显发展，混凝土的变形主要弹性变形，应力应变要弹性变形，应力应变关系近似直线。
13、关系近似直线。A点应力点应力随混凝土强度的提高而增随混凝土强度的提高而增加，对普通强度混凝土加，对普通强度混凝土s sA A约为约为 (0.30.4)fc ，对高，对高强混凝土强混凝土s sA A可达可达(0.50.7)fc 到达到达B点以后，混凝土产点以后，混凝土产生部分塑性变形，应力生部分塑性变形，应力应变逐渐偏离直线。应变逐渐偏离直线。B点点时的裂缝发展已不稳定，时的裂缝发展已不稳定，试件的横向变形突然增大，试件的横向变形突然增大，常取常取s sB B作为混凝土的长期作为混凝土的长期抗压强度抗压强度 ；普通强度混凝；普通强度混凝土土s sB B约为约为0.8 fc ，高强混，高强混凝土凝
14、土s sB B可达可达0.95 fc 到达到达C点时，内部微裂缝点时，内部微裂缝连通形成破坏面，试件承连通形成破坏面，试件承载力开始减小而进入下降载力开始减小而进入下降段。段。B点时的应力称为点时的应力称为峰峰值应力值应力，即为混凝土棱柱，即为混凝土棱柱体抗压强度；相应的纵向体抗压强度；相应的纵向压应变称为压应变称为峰值应变，峰值应变，约约为为0.002。继续发展至。继续发展至D点点时，破坏面初步形成。时，破坏面初步形成。第一章第一章 材料的力学性能由上述混凝土的破坏机理可知，微裂缝的发展导致横向变形的增由上述混凝土的破坏机理可知，微裂缝的发展导致横向变形的增大。大。对横向变形加以约束对横向变
15、形加以约束，就可以限制微裂缝的发展，从而可提，就可以限制微裂缝的发展，从而可提高混凝土的抗压强度。高混凝土的抗压强度。约束混凝土可以提高混凝土的强度，约束混凝土可以提高混凝土的强度，但更值得注意的但更值得注意的是可以提高混凝土的变形能力是可以提高混凝土的变形能力，这一点对于抗震结构，这一点对于抗震结构非常重要。非常重要。第一章第一章 材料的力学性能若采用无量纲坐标若采用无量纲坐标x=e e/e e0，y=s s/fc，则混凝土应力则混凝土应力-应变全曲线的几何特应变全曲线的几何特征必须满足征必须满足:第一章第一章 材料的力学性能 清华大学清华大学清华大学清华大学过镇海过镇海提出的应力提出的应力
16、-应变全曲线表达式应变全曲线表达式 a=Ec/E0， Ec为初始弹性模量；为初始弹性模量； E0为峰值点时的割线模量，为峰值点时的割线模量， 为为满满足足条条件件和和，一一般般应应有有1.5a3；a ac 为下降段参数为下降段参数混凝土应力混凝土应力- -应变关系的数学描述应变关系的数学描述第一章第一章 材料的力学性能美国美国HognestadHognestad建议的应力建议的应力- -应变曲线应变曲线第一章第一章 材料的力学性能上升段：上升段：下降段：下降段：规范提出的混凝土应力规范提出的混凝土应力- -应变曲线表达式应变曲线表达式第一章第一章 材料的力学性能规范中混凝土应力应变曲线参数的确
17、定规范中混凝土应力应变曲线参数的确定注意：注意：注意：注意：该曲线仅适用于正截面承载力计算该曲线仅适用于正截面承载力计算该曲线仅适用于正截面承载力计算该曲线仅适用于正截面承载力计算第一章第一章 材料的力学性能箍筋约束混凝土受压的应力箍筋约束混凝土受压的应力- -应变关系应变关系Confinement with Transverse Reinforcement (a) 螺旋箍筋压应变箍筋d=4.76mm，s=38.1mm，箍筋d=4.76mm s=63.5mm无箍筋矩形箍筋矩形箍筋螺旋箍筋约束对强度和变形能力均有很大提高螺旋箍筋约束对强度和变形能力均有很大提高 矩形箍筋约束对强度的提高不是很显著
18、，但对变形能力有显著改善矩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。的强度和变形能力都得到提高。螺旋箍筋约束混凝土螺旋箍筋约束混凝土第一章第一章 材料的力学性能第一章第一章 材
19、料的力学性能混凝土受拉应力混凝土受拉应力- -应变关系应变关系The Tension Constitutive Relationship of Concrete弹性系数约为弹性系数约为0.5第一章第一章 材料的力学性能不同强度混凝土应力应变关系的比较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，往是骨料破坏，破坏时脆性越显著，下降段越陡。下
20、降段越陡。第一章第一章 材料的力学性能混凝土的弹性模量混凝土的弹性模量（Elastic Modulus）第一章第一章 材料的力学性能弹性模量的测定方法弹性模量的测定方法第一章第一章 材料的力学性能复杂应力状态下混凝土的力学性能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。更多的实际结构中，混凝土很少处于单向受力状态。更多的是处于是处于双向双向或或三向三向受力状态。如剪力和扭矩作用下的受力状态。如剪力和扭矩作用下的构件、弯剪扭和压弯剪扭构件、混凝土拱坝、核电站构件、弯剪扭和压弯剪扭构件、混凝土拱坝、核电站安全壳等。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
21、两个压应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力之比为0.3 0.6之间，约为之间，约为(1.251.60 )fc。双轴受压状态下混。双轴受压状态下混凝土的应力凝土的应力-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。单轴受压时的峰值应变。第一章第一章 材料的力学性能双轴应力状态双轴应力状态（Biaxial Stress State）第一章第一章 材料的力学性能构件受剪或受扭时常遇到剪应力构件受剪或受扭时常遇到剪应力t t 和正应力和正应力s s 共同作用共同作用下的复合受力情况。下的复合受力情况。混混凝
22、凝土土的的抗抗剪剪强强度度：随随拉拉应应力力增增大大而而减减小小，随随压压应应力力增增大大而而增增大大 当当压压应应力力在在0.6fc左左右右时时，抗抗剪剪强强度度达达到到最最大大， 压压应应力力继继续续增增大大，则则由由于内裂缝发展明显，抗剪强度将随压应力的增大而减小。于内裂缝发展明显，抗剪强度将随压应力的增大而减小。第一章第一章 材料的力学性能三轴应力状态三轴应力状态（ Triaxial Stress State）三三轴轴应应力力状状态态有有多多种种组组合合，实实际际工工程程遇遇到到较较多多的的螺螺旋旋箍箍筋筋柱柱和和钢钢管管混混凝凝土土柱柱中中的的混混凝凝土土为为三三向向受受压压状状态态
23、。三三向向受受压压试试验验一一般般采采用用圆圆柱柱体体在在等侧压条件进行。等侧压条件进行。第一章第一章 材料的力学性能混凝土的收缩和徐变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，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。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。称为徐变。第一章第一章 材料的力学性能混凝土的收缩是混凝土的收缩是
24、随时间而增长的变形随时间而增长的变形，早期收缩变形发展较快，两周，早期收缩变形发展较快，两周可完成全部收缩的可完成全部收缩的25%，一个月可完成，一个月可完成50%，以后变形发展逐渐减慢，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，而混凝土开裂应变为(0.52.7)10-4，说明收缩会导说明收缩会导致开裂致开裂。混凝土收缩包括混凝土收缩包括凝缩凝缩和和干缩干缩两部分，凝缩是由于水泥结晶体比原材料两部分，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。
25、的体积小；干缩是混凝土内自由水分蒸发引起的。第一章第一章 材料的力学性能混凝土收缩的影响因素混凝土收缩的影响因素当这种自发的变形受到外部（支座）或内部（钢筋）的约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。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。混凝土收缩会使预应力混凝土构件产生预应力损失。 第一章第一章 材料的力学性能随荷载作用时间的延续，变形不断增长，前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，个月徐变增长较快，6个月个月可达最终徐变的（可达最终徐变的（708
26、0）%，以后增长逐渐缓慢，以后增长逐渐缓慢，23年后趋于稳定。年后趋于稳定。混凝土的徐变混凝土的徐变瞬时恢复瞬时恢复弹性后效弹性后效残余应变残余应变收缩应变收缩应变徐变应变徐变应变瞬时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，甚至会导致破坏。高应力作用下，甚至会导致破坏。第一章第一章 材料的力学性能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不均匀
27、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。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。到徐变变形。徐变系数徐变系数 （Creep Coefficient ）第一章第一章 材料的力学性能混凝土徐变的影响因素混凝土徐变的影响因
28、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产生徐变的主要原因是水泥凝胶体和内部微裂缝的扩展 第一章第一章 材料的力学性能线性徐变线性徐变第一章第一章 材料的力学性能第一章第一章 材料的力学性能钢筋与混凝土的粘结力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钢筋与混凝土的粘结力实质是接触面上的剪应力剪应力，按其作用性质可以，按其作用性质可以分为两大类：分为两大类：弯曲粘结应力弯曲粘结应力和和局部粘结应力局部粘结应力。弯曲粘结应力弯曲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的分布形式与弯距有关第一章第一章 材料的力学性能局部粘结应力局部粘结应力局部粘结应力局部粘结应
29、力的分布形式不均匀的分布形式不均匀第一章第一章 材料的力学性能粘结应力的拔出试验与粘结强度平均值粘结应力的拔出试验与粘结强度平均值钢筋锚固长度钢筋锚固长度 钢筋达到屈服强度而不发生粘结锚固破坏的最短长度。钢筋达到屈服强度而不发生粘结锚固破坏的最短长度。第一章第一章 材料的力学性能粘结破坏的机理粘结破坏的机理胶结力胶结力摩擦力摩擦力机械咬合力机械咬合力第一章第一章 材料的力学性能粘结力的主要影响因素粘结力的主要影响因素混凝土强度：混凝土强度：混凝土强度越高，钢筋与混凝土的粘结力也越高；混凝土强度越高，钢筋与混凝土的粘结力也越高；保护层厚度：保护层厚度：混凝土保护层较薄时，其粘结力降低，并在保护层
30、最薄弱混凝土保护层较薄时，其粘结力降低，并在保护层最薄弱 位置容易出现劈裂裂缝，促使粘结力提早破坏；位置容易出现劈裂裂缝，促使粘结力提早破坏；钢筋表面形状：钢筋表面形状：带肋钢筋表面凹凸不平，与混凝土之间的机械咬合力较带肋钢筋表面凹凸不平，与混凝土之间的机械咬合力较 好，破坏时粘结强度大；光面钢筋的粘结强度则较小，所好，破坏时粘结强度大；光面钢筋的粘结强度则较小，所 以要在钢筋端部做成弯钩，可以增加其拔出力；以要在钢筋端部做成弯钩，可以增加其拔出力；横向压应力：横向压应力：如支座处的反力作用在钢筋锚固端，增大了摩阻力，有利如支座处的反力作用在钢筋锚固端，增大了摩阻力，有利 于粘结锚固。于粘结锚固。
