zj钢筋和混凝土材料的力学性能

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第 2 章 钢筋混凝土材料的性能 §2.1 混凝土 2.1.1 组成及特点 主要材料： 水泥、水、砂、石 特点 : 1 ）以固相为主，包含固体、液体、气体的三相体； 2 ）水化过程长，性能要很长时间才稳定； 3 ）水泥石收缩可形成微裂缝； 4 ）受制作、养护、使用条件影 响大。 2.1.2 混凝土强度 1. 立方体抗压强度 [ 符号 : f cu ] (1) 立方体抗压强度 [ 单位 : N/mm 2 ] a. 确定方法 规范规定 : 用边长为 150mm 的标准立方体试件，钢模成型，经浇注、振捣密实后静置一昼夜，拆模后在标准养护条件下 ( 温度 20±3C ，相对湿度不小于 90%) 养护 28d 后，擦干表面水，在试验机上沿浇注的垂直方向试压。试压时，试块表面不涂润滑剂，全截面受力 , 加荷速度约为 0.3—0.5N/mm 2 .s 。试块加压至破坏时所测得的极限平均压应力 , 作为混凝土的立方体抗压强度。 试验录像 b. 影响因素 (a) 温度 (b) 湿度 (c) 龄期 (d) 试块尺寸 [ 尺寸效应 ] 立方体尺寸越小，测得的混凝土抗压强度越大。 非标准试块强度换算系数： 200mm×200mm×200mm: 1.05 ； 100mm×100mm×100mm: 0.95 。 （ 2 ）混凝土强度等级 a. 确定依据：立方体强度的标准值 f cu,k [ 具有 95% 的超值保证率 ] b. 符号 : C c. 分级 共 14 级 :C15 、 C20 、 C25 、 C30 、 C35 、 C40 、 C45 、 C50 、 C55 、 C60 、 C65 、 C70 、 C75 、 C80 ( 高强混凝土） 。 C— C oncrete, 单位： N/mm 2 或 MPa 。 2. 轴心抗压强度 [ 棱柱体抗压强度 ] [ 符号 :f c ] 实际构件的混凝土强度与试 块混凝土强度的 修正系数 脆性影响系数 棱柱体强度与立方体强度之比值 混凝土强度 等级 ≤ C40 C45 C50 C55 C60 C65 C70 C75 C80  c1 0.76 0.76 0.76 0.77 0.78 0.79 0.80 0.81 0.82  c2 1.00 0.984 0.968 0.951 0.935 0.919 0.903 0.887 0.87  c1 和  c2 值 应用 : 轴心受压构件 [ 轴心受压柱、桁架受压腹杆等。 ] 3. 轴心抗拉强度 [ 符号： f t ] 3. 轴心抗拉强度 [ 符号： f t ] 轴心抗拉强度与立方体抗压强度的折算系数 试验离散性的影响系数 试验离散性系数 注 : 不同强度等级的混凝土轴心抗压 ( 拉 ) 强度标准 ( 设计 ) 值，参见附录 7 [P467] 。 直接测试法 间接测试法 --- 劈拉试验 混凝土的轴心抗拉强度可以采用直接轴心受拉的试验方法来测定，但由于试验比较困难，目前国内外主要采用圆柱体或立方体的劈裂试验来间接测试混凝土的轴心抗拉强度。 劈拉试验 F a F 拉 压 压 4. 复杂应力下的强度 双向受力 图中： f t * ， f c *— 混凝土单轴抗 拉、 抗压强度； f 1 ， f 2 ， f 3 — 混凝土的多轴强度 , f 1 ≥ f 2 ≥ f 3 上图说明： 压 - 压：强度提高； 拉 - 拉：强度不变； 拉 - 压：抗拉和抗压强度都低。 三向受力： 影响混凝土强度的主要因素 1. 原材料的品质 2. 水灰比及水泥用量 3. 龄期 三向受压时，强 度增加，最大增 加 5 倍。 三轴应力状态有多种组合，实际工程遇到较多的螺旋箍筋柱和钢管混凝土柱中的混凝土为三向受压状态。 三向受压试验一般采用圆柱体在等侧压条件进行。 ` 2.1.3 混凝土的变形 (1) 一次短期加载时 ( Stress- strain Relationship) 0→A: 近似弹性 A→B: 非线性 B→C: 体积增大 C→F: 破坏 1. 受力变形 2.1 混凝土 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 f c 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 。 2.1 混凝土 0 2 4 6 8 10 20 30 s (MPa) e × 10 -3 B A C E D 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 s A 约为 (0.3~0.4) f c ，对高强混凝土 s A 可达 (0.5~0.7) f c 。 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。普通强度混凝土 s B 约为 0.8 f c ，高强强度混凝土 s B 可达 0.95 f c 以上 。 达到 C 点 f c ，内部微裂缝连通形成破坏面，应变增长速度明显加快， C 点的纵向应变值称为峰值应变 e 0 ，约为 0.002 。 纵向应变发展达到 D 点，内部裂缝在试件表面出现第一条可见平行于受力方向的纵向裂缝。 随应变增长，试件上相继出现多条不连续的纵向裂缝，横向变形急剧发展，承载力明显下降，混凝土骨料与砂浆的粘结不断遭到破，裂缝连通形成斜向破坏面。 E 点的应变 e = (2~3) e 0 ，应力 s = (0.4~0.6) f c 。 2.1 混凝土 不同强度混凝土的应力 - 应变关系曲线 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。 曲线的利用 ---- 求混凝土模量 ( 初始 ) 弹性模量 变形模量 ( 割线模量 ) 切线模量 2.1 混凝土 棱柱体试件。 受压： 受拉： E c ′ =0.5 E c 剪切模量： G c =0.4 E c 泊松比 = 横向应变 / 纵向 应变 = 0.2 ◆ 弹性模量测定方法 2.1 混凝土 (2) 多次加载时 [ 疲劳 ] ◆ 疲劳强度 　 混凝土的疲劳强度由疲劳试验测定。采用 100mm×100mm×300mm 或 150mm×150mm×450mm 的棱柱体，把棱柱体试件承受 200 万次或其以上循环荷载而发生破坏的压应力值称为 混凝土的疲劳抗压强度 。 ◆ 影响因素 　 施加荷载时的应力大小是影响应力 - 应变曲线不同的发展和变化的关键因素，即混凝土的疲劳强度与重复作用时应力变化的幅度有关。 在相同的重复次数下，疲劳强度随着疲劳应力比值的增大而增大 。 (3) 徐变 [ 在长期荷载作用下 ] ( Creep) 定义： 在荷载保持不变的情况下，变形随时间推移 继续增大的现象。 特点： 早期发展快，但可以延续数年。 2.1 混凝土 在应力（≤ 0.5 f c ）作用瞬间，首先产生瞬时 弹性应变 e el （ = s i / E c ( t 0 ) ， t 0 加荷时的龄期）。 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（ 70~80 ） % ，以后增长逐渐缓慢， 2~3 年后趋于稳定。 2.1 混凝土 记 ( t - t 0 ) 时间后的总应变为 e c ( t , t 0 ) ，此时混凝土的收缩应变为 e sh ( t ， t 0 ) ，则徐变为， e cr ( t , t 0 ) = e c ( t , t 0 ) - e c ( t 0 ) - e sh ( t , t 0 )= e c ( t , t 0 ) - e el - e sh ( t , t 0 ) 2.1 混凝土 如在时间 t 卸载，则会产生 瞬时弹性恢复应变 e el ' 。由于混凝土弹性模量随时间增大，故弹性恢复应变 e el ' 小于加载时的瞬时弹性应变 e el 。再经过一段时间后，还有一部分应变 e el '' 可以恢复，称为 弹性后效 或徐变恢复，但仍有不可恢复的残留永久应变 e cr ' 影响因素： 加载时的混凝土龄期； 持续压力大小； 混凝土的组成材料及配合比； 混凝土的制作养护条件。 ◆ 具体 影响 : 内在因素 是混凝土的组成和配比。骨料 (aggregate) 的刚度（弹性模量）越大，体积比越大，徐变就越小。水灰比越小，徐变也越小。 环境影响 包括养护和使用条件。受荷前养护 (curing) 的温湿度越高，水泥水化作用月充分，徐变就越小。采用蒸汽养护可使徐变减少（ 20~35 ） % 。受荷后构件所处的环境温度越高，相对湿度越小，徐变就越大。 徐变对结构的影响： 使构件变形增大； 在轴压构件中，使钢筋应力增加， 混凝土应力减小； 在预应力构件中，使预应力发生损失； 在超静定结构中，使内力发生重分布。 2. 非受力变形 [ 体积变形 ] (1) 收缩 ( Shrinkage) 定义： 混凝土在空气中结硬时体积减小的现象。 收缩率： 3×10 -4 。收缩 = 凝缩 + 干缩 特点： 早期快，可延续 1 ～ 2 年。 收缩是混凝土在不受外力情况下体积变化产生的变形。 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。 某些 对跨度比较敏感的超静定结构 （如拱结构），收缩也会引起不利的内力。 2.2.1 钢筋的型式 §2.2 钢筋 1. 钢筋的型式 （ 1 ） 劲性钢筋 （ 2 ） 柔性钢筋 2. 劲性钢筋 3. 柔性钢筋 Steel Reinforcement 2.2.2 钢筋的品种和级别 1. 钢筋的品种 （ 1 ） 按钢筋的化学成分分 a. 碳素钢 b. 普通低合金钢 低 碳： C <0.25% 中 碳： C =0.25~0.6% 高 碳 ： C >0.6% M n —— 锰， S i —— 硅， V —— 钒， N b —— 铌， T i —— 钛， C —— 碳 2.2.2 钢筋的品种和级别 （ 2 ） 按钢筋的轧制外形分 a. 光圆钢筋 b. 变形钢筋 （ 3 ） 按钢筋的直径大小分 a. 钢丝： [3 ， 5] b. 细钢筋： [6 ， 10] c. 中粗钢筋： [12 ， 20] d. 粗钢筋： [22 ， 50] 2.2.2 钢筋的品种和级别 1. 钢筋的品种 （ 4 ） 按钢筋的生产工艺分 a. 热轧钢筋 b. 冷拉钢筋 c. 冷拔钢筋 d. 热处理钢筋：经淬火处理得， f ptk=1470MPa ，无明显屈服点 e. 刻痕钢丝 f. 钢绞线 g. 冷轧扭钢筋 h. 冷轧带肋钢筋 i. 双钢筋 2.2.2 钢筋的品种和级别 1. 钢筋的品种 （ 5 ） 按钢筋的供应形式分 a. 盘圆钢筋 ：直径≤ 10mm b. 直条钢筋 ： 直径 > 10mm （ 6 ）按钢筋的单调受拉的应力与应变性质分 a. 有明显屈服点 的钢筋 ：热轧钢筋、冷拉钢筋 b. 无明显屈服点的钢筋 ：钢丝、热处理钢筋 2.2.2 钢筋的品种和级别 2. 钢筋的级别 热轧钢筋 400 8~40 RRB400(K20MnSi) 400 6~50 HRB400(20MnSiV, 20MnSiNb,20MnTi) 335 6~50 HRB335(20MnSi) 235 8~20 HPB235(Q235) f yk /(N/mm 2 ) d/ (mm) 符号 种 类 HPB — 热轧光面钢筋，桥梁规范用 R 表示； HRB — 热轧带肋钢筋； RRB — 余热处理钢筋，桥梁规范用 KL 表示。 M n —— 锰， S i —— 硅， V —— 钒， N b —— 铌， T i —— 钛， C —— 碳 低 碳： C <0.25% 中 碳： C =0.25~0.6% 高 碳 ： C >0.6% 20M n S i V 含碳 万分数 含锰、硅、钒的 百分数 ，取整。 中、高强钢丝、钢绞线 做预应力筋用。 中强： 800~1370MPa 高强： 1470~1860MPa 热处理钢筋 经淬火处理得， f ptk =1470MPa ，无明显屈服点。 冷加工钢筋 冷加工工艺： 冷拉、冷拔、冷轧、冷轧扭。 目的： 提高强度，节约钢材。但塑性减小。 冷拉钢筋仍有屈服台阶。 小结 : 钢筋的分类 按化学成分 碳素钢 普通低合金钢 锰系 硅矾系 低碳钢 中碳钢 高碳钢 硅钛系 硅锰系 硅铬系 C<0.25% C=0.25%~0.6% C=0.6%~1.4% 有无物理屈服点 有 无 钢 绞 线 钢 筋 钢 丝 热轧钢筋 软钢 软钢 冷加工钢筋 小结 : 钢筋的分类 轧制和加工工艺 热轧钢筋 热处理钢筋 HPB235 HRB335 HRB400 RRB400 宜用于预应力混凝土结构 40Si2Mn 48Si2Mn 45Si2Cr 《 规范 》 未列入，执行相应的行业技术规程。 冷拉钢筋 冷拨钢丝 冷轧带肋钢筋 冷轧扭钢筋 弹性阶段 a 点以前应力应变呈直线关系，故 a 点对应的应力称为 比例极限 。 钢筋的 弹性模量 是根据拉伸实验中测得弹性阶段的应力应变关系确定的。弹性模量是弹性段应力应变的比值。 钢筋的受压弹性模量与受拉时 相同 。 屈服阶段 进入屈服阶段 bcd 段，应力应变不再成正比例关系，屈服阶段 bcd 段呈锯齿形，应力在一个很小范围内波动，应变却自动增长，犹如停止了对外力的抵抗，或者说屈服于外力，所以叫做屈服阶段。 bcd 段称为流幅或屈服平台。 钢筋到达屈服阶段时，虽尚未断裂，但一般已不能满足结构的设计要求，所以设计时是以这一阶段的应力值为依据，为了安全起见，取其下限值 c ，屈服下限也叫 屈服强度或屈服点 σ y 。 强化阶段 在应力超过 d 点后，钢筋进入强化阶段，钢筋的应力重新开始增长，应力应变曲线的斜率变得远比弹性阶段小，而且随着应力的增长越来越小，这种塑性变形可一直延续到最高点 e ，称为强化阶段 de 。 对应的最高点 e 的应力为 抗拉强度 σ b 。 破坏阶段 当试件强度达到 e 点后，在试件内部某个薄弱部位的截面将突然急剧缩小，发生局部 颈缩现象 。 出现颈缩现象后，应力是逐渐降低的，至 f 点试件在颈缩处被拉断， f 点对应的应变称为钢筋的 极限应变 。 有物理屈服点的钢筋有两个强度指标 一是 c 点的 屈服强度 ，这是钢筋混凝土构件设计时钢筋强度取值的依据，因为钢筋屈服后产生了较大的塑性变形，这将使构件变形和裂缝宽度大大增加以致无法使用，所以在设计中采用屈服强度作为钢筋的强度极限。 另一个强度指标是 e 点的钢筋 极限强度 ，一般用作钢筋的实际破坏强度。 热轧钢筋 钢丝、钢绞线、 各种冷加工钢筋 (2) 应力 — 应变曲线的利用 a. 钢筋强度设计值的确定 屈服强度 yield strength ： 是钢筋强度的设计依据 ，因为钢筋屈服后将很大的塑性变形，且卸载时这部分变形 不可恢复 ，这会使钢筋混凝土构件产生很大的变形和不可闭合的裂缝。屈服上限与加载速度有关，不太稳定，一般取屈服下限作为屈服强度。 b. 塑性好坏的确定 用伸长 率和冷弯性能衡量。 伸长率 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。 同一根钢筋 上述伸长率只反映断口附近残留变形大小， 不反映钢筋总伸长率情况。 ： ： : : : 均匀延伸率 d gt: 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%) 均匀伸长率 钢筋弹 性模量 实测钢筋 拉断强度 残余 伸长 已回复弹性应变 + = 钢筋均匀伸长率的测定： = 90°,180 °, 反复弯曲 要 求：冷弯过程中无裂缝、鳞 落或断裂。 D 愈小，要求愈高。 反复次数愈高，要求愈高。 冷弯 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。 热轧钢筋 钢丝、钢绞线 2.2.4 钢筋的冷加工 冷加工工艺： 冷拉、冷拔、冷轧、冷轧扭。 目的： 提高强度，节约钢材。但塑性减小。 冷拉钢筋仍有屈服台阶。 2.2.5 钢筋的蠕变、松弛与疲劳 1. 钢筋的 蠕变 即钢筋在高应力作用下其应变随时间的增加而增加的现象。 2. 钢筋的 松弛 即钢筋在受力后长度保持不变的情况下，其应变随时间的增加而增加的现象。 3. 钢筋的 疲劳 即钢筋在重复、周期动荷载作用下，经过一定次数后从塑性破坏转变为脆性破坏的现象。 §2.3 钢筋与混凝土之间的粘结 2.3.1 粘结的作用及产生原因 1. 粘结的作用 钢筋和混凝土之间的粘结是钢筋和混凝土这两种 力学性质不同的材料在结构构件中能够形成整体、共 同工作的基础。 2. 粘结产生的原因 (1) 试验研究 通过对受弯构件的试验研究分析表明 : 粘结力的存 在，才使钢筋的应力沿其长度方向会发生变化。 没有钢筋应力的变化，就不存在粘结应力。 §2.3 钢筋与混凝土共同工作 粘结锚固长度 平均粘结应力 光面钢筋 带肋钢筋 由 和钢筋强度可推算出锚固长度 (2) 粘结强度 钢筋单位表面面积上所能承受的最大纵向剪应力称为粘结强度。 钢筋与混凝土之间粘结应力示意图 （ a ）锚固粘结应力 （ b ）裂缝间的局部粘结应力 2.3.2 粘结的分类 钢筋和混凝土之间的粘结按其在构件中作用的性质可分为 : 1. 锚固粘结或延伸粘结 2. 裂缝附近处的局部粘结 2.3.3 粘结的机理 1. 粘结机理 钢筋和混凝土之间的粘结力，主要由三部分组成 : (1) 胶着力 : 钢筋和混凝土之间接触表面由于化学作用而产生。 (2) 摩擦力 : 钢筋表面的粗糙不平 , 使钢筋和混凝土之间的相对滑动趋势，在接触面上产生的摩擦阻力。 (3) 咬合力 a. 光圆钢筋 : 由钢筋表面粗糙不平而产生。 b. 变形钢筋 : 由变形钢筋肋间嵌入的混凝土而形成的机械咬合作用而产生。 2. 光圆钢筋和变形钢筋粘结机理的 主要差别 (1) 光圆钢筋 : 钢筋和混凝土之间的粘结力主要来自胶着力和摩阻力。 (2) 变形钢筋 : 钢筋和混凝土之间的粘结力主要来自机械咬合力。 变形钢筋和混凝土的机械咬合作用 2.3.4 影响粘结强度的因素 1. 混凝土的强度 粘接强度随混凝土的强度的提高而提高 , 但不成正比 . 2. 钢筋的表面形状 变形钢筋的粘结强度比光圆钢筋的粘结强度大 . 3. 浇注位置 4. 保护层厚度 5. 钢筋间距 6. 横向钢筋 2.3.5 保证钢筋和混凝土之间的粘结强度的措施 1. 钢筋的最小搭接长度和锚固长度 2. 钢筋的最小间距 3. 混凝土的最小保护层厚度 4. 受力的光圆钢筋端部要做弯钩 5. 对高度较大的梁，混凝土应分层浇筑或二次浇捣。 普通钢筋锚固长度 按下列公式计算： 钢筋抗拉强度设计值 钢筋外形系数 钢筋直径 混凝土轴心抗拉强度设计值 0.14 0.16 带肋钢筋 光面钢筋 钢筋类型 增加粘结锚固的措施 光面钢筋端部做弯钩： 手工 弯钩： 机械弯钩： 钢筋表面带肋； 纵向钢筋端部焊横向钢筋； 纵向钢筋端部加箍筋； 采用高强混凝土； 弯起钢筋端部加水平锚固段； 在纵向钢筋端部焊锚板； 将钢筋焊在预埋件上。 §2.4 钢筋和混凝土的选用 2.4.1 选用的原则 1. 考虑结构或构件的荷载大小及性质。 2. 施工技术条件。 3. 经济效益。 2.4.2 钢筋的选用 1. 钢筋混凝土结构对钢筋性能的要求 (1) 强度高 要求钢筋有足够的强度和适宜的强屈比 ( 极限强度与屈服强度的比值 ) 。例如，对抗震等级为一、二级的框架结构，其纵向受力钢筋的实际强屈比不应小于 1.25 。 (2) 塑性好 要求钢筋应有足够的变形能力。 (3) 可焊性好 要求钢筋焊接后不产生裂缝和过大的变形，焊接接头性能良好。 (4) 与混凝土的粘结力好 要求钢筋与混凝土之间有足够的粘结力，以保证两者共同工作。 2. 钢筋的直径 常用： 6mm ， 6.5mm ， 8mm ， 8.2mm ， 10mm ， 12mm ， 14mm ， 16mm ， 18mm ， 20mm ， 22mm ， 25mm ， 28mm ， 32mm ， 36mm ， 40mm ， 50mm 。其中， 8.2mm 仅适用有纵肋的热处理钢筋。 3. 钢筋的选用 普通钢筋： 宜用 HRB400 和 HRB335 钢筋 可用 HPB235 、 RRB400 和冷加工钢筋 预应力筋： 宜用 钢铰线、钢丝 可用 热处理钢筋和强度较高的冷加工钢筋 d= 6~50mm 2.4.3 混凝土的选用 1. 依据 结构或构件在荷载的作用下产生的 内力大小来选用。 一般地，内力不大时应选用强度等级较低 的混凝土。反之，应选用强度等级较高的混凝 土。 通常，作为钢筋混凝土构件的混凝土强度 等级不宜低于 C15 。 2. 满足规范的有关规定 (1) 当采用 HRB335 钢筋时 : ≥ C20 (2) 当采用 HRB400 或 RRB400 钢筋时 : ≥ C20 (3) 当采用碳素钢丝、钢绞线、热处理钢筋时 : ≥ C40 (4) 承受重复荷载的构件 : ≥ C20 (5) 预应力混凝土的构件 : ≥ C30 (6) 满足抗震设防对混凝土的强度等级的最低要求。 3. 满足耐久性的有关规定 （ 1 ）设计年限为 50 年的一类环境时： ≥ C20 （ 2 ）设计年限为 100 年的一类环境时： a. 钢筋混凝土结构：≥ C30 b. 预应力混凝土结构：≥ C40