钢筋和混凝土的力学性能.

第2章钢筋和混凝土的物理力学性能2.1混凝土的物理力学性能2.3钢筋和混凝土的粘结2.2钢筋的物理力学性能§2.2钢筋的力学性能一、钢筋的化学成分铁Fe、碳C和其他合金元素等。制作钢筋的钢材按照化学成分分可以分为：碳素钢低合金钢低碳钢（含碳量0.25%）中碳钢（含碳量0.25%~0.6%）高碳钢（含碳量0.6%）含碳量越高，强度越高，塑性、可焊性越低在碳素钢的基础上，冶炼时加入少量合金元素（如硅、锰等）而成。强度高、塑性好二、钢筋的表面形状光面钢筋变形钢筋表面光滑表面肋纹螺旋纹人字纹月牙纹光面圆钢筋螺旋纹钢筋人字纹钢筋月牙纹钢筋提高与混凝土的粘结锚固能力三、常用钢筋的品种热轧钢筋、钢丝、钢绞线、热处理钢筋等。D—公称直径A—3股钢绞线量测尺寸钢绞线图2-1常用钢筋形式刻痕钢丝螺旋肋钢丝D—公称直径A—3股钢绞线量测尺寸钢绞线图2-1常用钢筋形式刻痕钢丝螺旋肋钢丝D—公称直径A—3股钢绞线量测尺寸钢绞线图2-1常用钢筋形式刻痕钢丝螺旋肋钢丝热轧钢筋钢丝钢绞线用低碳钢、普通低合金钢在高温下轧制而成。直径较小，有冷拉钢丝、消除应力钢丝等，外形有光面、刻痕和螺旋肋三种，一般用于预应力砼结构。由多根高强钢丝在绞丝机上绞合，再经过低温回火制成。通常有二股、三股和七股钢绞线，用于预应力砼结构热轧钢筋热轧钢筋是用低碳钢、普通低合金钢等在高温下轧制而成。根据力学指标（强度）的高低，可以分为4级：强度等级代号级别符号表面形状强度塑性HPB300Ⅰ光面钢筋HRB335Ⅱ变形钢筋HRB400Ⅲ变形钢筋HRB500Ⅳ变形钢筋（1）级别热轧钢筋是用低碳钢、普通低合金钢等在高温下轧制而成。根据力学指标（强度）的高低，可以分为4级：强度等级代号级别符号特点用途HPB300ⅠHRB335ⅡHRB400ⅢHRB500Ⅳ（1）级别一般用于楼板的受力钢筋和梁、柱的箍筋一般用于钢筋混凝土梁、柱的受力钢筋应用受到一定限制，用于预应力钢筋砼结构光面低碳钢筋，强度低、塑性好低合金钢，强度较高强度高、保留一定的塑性★新规范：钢筋的品种，钢筋直径常见范围：d=6,8,10,12,14,16,18,20,22,25,28,32,36,40施工现场堆放钢筋及加工区施工现场堆放钢筋及加工区施工现场堆放钢筋及加工区（2）力学性能单向拉伸应力—应变曲线A：比例极限B’：屈服上限BC：屈服台阶D：极限抗拉强度σb设计时取屈服强度fy还是极限抗拉强度σb作为设计的依据？为什么？屈服阶段强化阶段破坏阶段B：屈服强度fyfyσb弹性阶段颈缩设计时取屈服强度fy作为钢筋强度设计值的依据钢筋达到屈服强度后，塑性变形急剧增加，构件出现很大的变形和过宽的裂缝，以致构件不能正常使用。但因为钢筋屈服完成后，还有一强化阶段，还能继续承受更大的荷载，此时构件并未破坏。极限抗拉强度类似于钢筋的“强度储备”。因此，钢筋的极限抗拉强度值不能与屈服强度太接近，应与屈服强度有足够大的差值。屈强比fy/σb：反映钢筋的强度储备，fy/σb=0.6~0.7。fyσb不同级别热轧钢筋的应力应变曲线热轧钢筋级别越高，强度越，屈服平台越，塑性越。高差短塑性性能伸长率冷弯性能%100'lll伸长率越高，塑性性能越好。冷弯直径越小，角度越大，塑性越好。ll’把钢筋在常温下围绕直径为D的辊轴弯转α角而要求不发生裂纹。冷拉kk’软钢常温下张拉应力超过屈服强度k立即重新张拉o’bεσocded’e’卸载o’o’kde放置相当一段时间后重新张拉o’k’d’e’高温下短时间后重新张拉o’k’d’e’冷拉可提高钢筋的屈服强度，但塑性降低时效硬化1、冷拉仅能提高钢筋的抗拉屈服强度，不能提高其抗压屈服强度。2、人工加热时温度不可过高，否则将失去冷拉效果。（3）钢筋的冷拉和冷拔冷拔在拔丝机上用强力将钢筋拉过硬质合金钢模上比钢筋直径稍小的拔丝孔，迫使钢筋截面缩小，长度增大。在拉拔过程中，钢筋同时受到纵向拉力及横向压力的作用后，强度比原来有很大提高，但塑性降低很多。冷拔可同时提高钢筋的抗拉和抗压强度。中高强钢丝、钢绞线、热处理钢筋中高强钢丝和钢绞线强度较高，均无明显的屈服点和屈服台阶，主要用于预应力混凝土结构。热处理钢筋，将强度大致相当于Ⅳ级热轧钢筋的某些特定品种热轧钢筋通过加热、淬火和回火等调质工艺处理，使强度得到较大幅度的提高，但无明显的屈服点和屈服台阶。主要用于预应力混凝土结构。εσ00.2%σ0.2没有明显屈服点的钢筋有明显屈服点的钢筋硬钢软钢对于硬钢，通常以卸载后残余应变为0.2%时对应的应力值σ0.2作为屈服极限，称为“条件屈服极限”，并取σ0.2=0.85σb。硬钢的应力应变曲线1600N/mm26%钢筋的弹性模量（×105N/mm2）种类EsHPB3002.1热处理钢筋2.0消除应力钢丝（光面钢丝、螺旋肋钢丝、刻痕钢丝）2.05钢绞线1.92注：必要时钢铰线可采用实测的弹性模量四、钢筋的连接接头的承载能力、变形性能不能比被连接的钢筋差，接头的存在不应对钢筋与混凝土的共同工作产生不利影响，还应便于施工等。常用的连接方式：绑扎搭接、焊接和机械连接搭接一定的长度并用细钢丝捆绑成型通过和混凝土的粘结力来传递内力，因此对绑扎搭接的长度有一定的要求构造简单、施工方便、应用广泛绑扎搭接焊接工艺、方法很多：闪光对焊、电弧焊等优点：性能良好、传力直接、节省钢材、成本低缺点：影响焊接质量的因素多，焊接质量难以控制焊接机械连接上钢筋下钢筋套筒（内有凹螺纹）连接形式有锥螺纹套筒连接、挤压套筒连接等锥螺纹连接示意图套筒挤压套筒连接示意图质量稳定可靠、操作简单、施工速度快、适用范围广五、钢筋砼结构对钢筋性能的要求1、强度高及一定的屈强比屈强比：反映钢筋的强度储备。2、塑性好（伸长率大、冷弯性能好）3、具有良好的可焊性4、与混凝土的粘结锚固性能良好5、耐火性好、抗疲劳性能、质量的稳定性等六、钢筋的选用原则（规范条文）§2.1混凝土的力学性能混凝土是由水泥、砂、石子和水等搅拌而成的人造石材，不是匀质弹性材料。一、混凝土的强度在钢筋混凝土结构中，混凝土主要用于抗压。1、影响混凝土强度的因素影响混凝土强度的因素很多，可以总结为以下几点：材料方面水泥用量、水泥强度、水灰比、骨料品种、配合比等浇筑、养护方面捣制方法、养护温度、湿度等试验方法方面试件形状、尺寸、加载速度等混凝土强度等级（StrengthGrade）是用抗压强度(CompressiveStrength)来划分的抗压强度是混凝土力学性能中最基本的指标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cufcftf混凝土强度一、混凝土的强度试验方法方面试件形状、尺寸、加载速度等（1）试件形状150×150×150150×150×450450×450×450承压面150×150ABCA、B、C三个试块，材料、养护条件等均相同，三者强度的大小关系？CAB，为什么？试验方法方面试件形状、尺寸、加载速度等（1）试件形状压力试件产生横向变形加载板与试件间产生摩擦阻力，对试块的横向变形产生约束，且约束的大小随着离接触面的垂直距离的增大而减小。产生摩擦阻力产生摩擦阻力产生摩擦阻力产生摩擦阻力对试件中部的约束CAB，所以，抗压强度CAB。加强对混凝土横向变形的约束，可以提高其抗压强度。试验方法方面试件形状、尺寸、加载速度等（2）试块尺寸ABC100×100×100150×150×150200×200×200A、B、C三个试块，材料、养护条件等均相同，三者强度的大小关系？ABC，为什么？试验方法方面试件形状、尺寸、加载速度等（3）润滑剂A150×150×150B150×150×150涂润滑剂涂润滑剂A、B两个试块，材料、养护条件等均相同，二者强度的大小关系？（AB）破坏机理试验方法方面试件形状、尺寸、加载速度等（4）加载速度（5）加载龄期加载速度越快，测得的强度越高。加载龄期越长，测得的强度越高。影响混凝土强度的因素，尤其是试验方法对强度的影响因素众多，因此，如何区分不同级别的混凝土？规范规定：混凝土的强度等级用“立方体抗压强度”来划分。立方体抗压强度fcu,k用标准试块按照标准方法测得的强度采用边长为150mm的立方体试件，在温度20±3℃，湿度90%以上的潮湿空气中养护28天，依据标准试验方法对试件进行加压，测得的具有95%保证率的抗压强度为混凝土的立方体抗压强度标准值fcu,k，作为划分混凝土强度等级的依据。2、《混凝土结构设计规范》根据混凝土立方体抗压强度将混凝土划分为14个强度等级：C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75、C80C15CCONCRETE15立方体抗压强度标准值为15N/mm2。若无边长为150mm的立方体试件，也可用边长为100mm或200mm的试件代替，但测得的强度应乘以相应的换算系数：100mm200mm×0.95×1.05立方体抗压强度fcu,k轴心抗压强度fc采用边长为150mm×150mm×300mm的棱柱体试件作为混凝土轴心抗压强度的标准试件，制作养护方法与立方体试件的方法相同。3、轴心抗压强度fcfcfcu棱柱体抗压强度平均值与立方体抗压强度平均值之间存在线性关系，比值大概在0.7~0.92之间。规范规定：轴心抗压强度标准值fck与立方体抗压强度标准值fcu,k之间的关系如下式：kcuccckff,2188.01c棱柱体强度与立方体强度之比，C50以下取0.76，C80取0.82,中间按线性插值。2c高强混凝土的脆性折减系数，C40以下取1.00，C80取0.87，中间线性插值。88.0考虑实际构件与试件混凝土之间的差异等，引入的修正系数。轴心抗拉强度ft轴心抗拉强度ft远远小于轴心抗压强度fc，一般只有5%~10%，且强度等级越高，这个比值越小。测定方法：轴心受拉试验500150150150150100100直径16-20mm压拉dlP2PPPPPdd劈裂试验4、d：立方体边长或圆柱体直径l：立方体边长或圆柱体长度P根据试验结果统计分析，取混凝土轴心抗拉强度试验平均值ft与立方体抗压强度试验平均值fcu的关系为：轴心抗拉强度ft55.0395.0cutff规范规定轴心抗拉强度标准值ftk与立方体抗压强度标准值fcu,k的关系为：245.055.0,)645.11(395.088.0ckcutkff2c高强混凝土的脆性折减系数，C40以下取1.00，C80取0.87，中间线性插值。88.0考虑实际构件与试件混凝土之间的差异等，引入的修正系数。混凝土强度变异系数,取值见《混凝土试验规程》。复合应力状态下的混凝土强度5、在钢筋混凝土结构中，混凝土一般处于复合应力状态。双向应力状态：σ1σ1σ2σ2当双向受压时，一向的抗压强度随另一向应力的增加而增加。当双向受拉时，一向的抗拉强度基本上与另一向拉应力大小无关。当一向受拉、一向受压时，混凝土的抗压强度随另一向拉应力的增加而降低。双向应力状态：σ2σ2ττ混凝土的抗压强度由于剪应力的存在而降低。混凝土的抗剪强度随着拉应力的增大而减小。混凝土的抗剪强度随着压应力的增大先增大后减小。注：剪应力会影响梁、柱中受压区混凝土的抗压强度。三向受压状态：三向受压时，混凝土一向抗压强度随另二向压应力的增加而增加，且混凝土的极限压应变也大大增加。工程中，可通过设置密排螺旋筋或箍筋来约束混凝土，改善钢筋混凝土构件的受力性能。钢管混凝土中的钢管也起到对混凝土的约束作用。二、混凝土的变形变形荷载作用下的变形非荷载作用下的变形短期一次荷载作用下的变形多次重复荷载作用下的变形热胀冷缩、湿胀干缩结硬时的收缩与膨胀长期荷载作用下的变形1、混凝土在短期一次加载时的变形混凝土短期一次加载是指荷载从零开始单调增加至试件破坏，通常采用棱柱体试件来测定，其应力-应变关系是混凝土最基本的力学性能之一。从开始加载到A点（约为0.3fc）时，砼基本处于弹性状态，应力应变关系接近直线。随着应力的增大，砼出现塑性，应力在0.3fc~0.8