1-钢筋混凝土材料的力学性能

桥梁工程系－杨剑2钢筋混凝土材料的力学性能——杨剑主讲桥梁工程系－杨剑本章主要内容钢筋混凝土钢筋与混凝土共同作用土木工程用钢筋的品种、级别、性能及其选用原则；混凝土在各种受力状态下的强度与变形性能及其选用原则桥梁工程系－杨剑1.1钢筋桥梁工程系－杨剑一、钢筋的分类二、钢筋的品种三、钢筋的钢筋的强度和变形四、钢筋的冷加工五、钢筋的选用桥梁工程系－杨剑一.钢筋的分类按直径分：钢丝（d6mm)、钢筋（d≥6mm）按表面形状分：光圆钢筋（I级钢和光圆钢丝）、变形钢筋（≥II级）按加工方法分：热轧钢筋、热处理钢筋、冷加工钢筋（冷轧、冷拉、冷拔）按力学特性分：软钢、硬钢按组成形式分：单根钢筋（丝）、钢绞线桥梁工程系－杨剑二.钢筋的品种热轧钢筋、高强钢丝、钢绞线、热处理钢筋和冷加工钢筋D—公称直径A—3股钢绞线量测尺寸钢绞线常用钢筋形式刻痕钢丝螺旋肋钢丝变形钢筋桥梁工程系－杨剑1.热轧钢筋将碳素钢和普通低合金钢在高温下轧制而成。分为：1、HPB235：（光圆）235指该种钢筋的屈服强度标准值。fyk=235MPa；2、HRB335：（带肋）fyk=335MPa；提倡用此钢筋作为我国钢筋混凝土结构的主力钢筋3、HRB400：fyk=400MPa（旧Ⅲ级为fyk=370MPa）（带肋）；4、RRB400(余热处理钢筋)：；桥梁工程系－杨剑符号表示I级钢：R235（HPB235）－φ，d=8~20mm，II级钢：HRB335－,d=6~50mmIII级钢：HRB400－,d=6~50mmKL400（RRB400）－R,d=8~40mm桥梁工程系－杨剑2.预应力钢筋预应力钢筋的种类：高强钢丝、钢绞线和精轧螺纹钢3种，且高强钢丝和钢绞线均为没有明显屈服点的钢筋即硬钢。可供货规格：高强钢丝：4、5、6、7、8、9mm精轧螺纹钢：18、25、32、40mm钢绞线的股数：1×2、1×3和1×7桥梁工程系－杨剑三、钢筋的强度和变形钢筋力学性能四项指标：屈服强度；极限强度；伸长率；冷弯性能。桥梁工程系－杨剑（一）、热轧钢筋（HPB235、HRB335、HRB400、RRB400）1、受拉－曲线比例极限屈服强度极限强度o(N/mm2)fyfted流幅abcoa－弹性阶段a－比例极限b－屈服强度cd－强化阶段d－极限强度de－颈缩阶段bc－屈服阶段桥梁工程系－杨剑钢筋的受压性能在到达屈服强度之前与受拉时的应力应变规律相同，其屈服强度也与受拉时基本一样。在达到屈服强度之后，由于试件发生明显的塑性压缩，截面积增大，因而难以给出明确的抗压极限强度。受压－曲线桥梁工程系－杨剑取具有95%的保证率的屈服强度值强度标准值取值依据：？屈服强度下限值。钢筋强度标准值fyk2、强度取值极限强度作为安全储备，是检验钢筋质量的另一强度指标。1、超过屈服点后，将产生过大的应变，使构件变形和裂缝宽度过大2、要求一定的极限强度，即使结构破坏，不会因钢筋拉断而倒塌。桥梁工程系－杨剑3、伸长率、冷弯性能要求伸长率：%100112lll冷弯性能：弯心直径冷弯角度dldl10511015反映衡量钢筋塑性性能的一个指标，伸长率越大，塑性越好是检验钢筋塑性的另一种方法，可反映钢材脆化的倾向。将直径为d的钢筋浇过直径为D的钢辊弯成一定角度，而不发生断裂、裂缝或起层。αd桥梁工程系－杨剑4、热轧钢筋－曲线的数学模型A模型采用了两点简化1、应力小于屈服点应力时－为直线关系2、不利用应力强化阶段。超过屈服应力点后处于流幅内。规范模型εsu=0.01桥梁工程系－杨剑（二）、钢丝、热处理钢筋0.2%0.2(N/mm2)ob1、受拉－曲线2）条件屈服强度0.2的定义：相应于残余应变=0.2%时的应力1）名义屈服点桥梁工程系－杨剑伸长率：δ100=3.5%~4%，很小0.2=0.85b强度标准值取值依据：取条件屈服强度0.2作为强度设计依据。2、设计强度取值3、伸长率、冷弯性能要求规范取值对弯曲半径和弯曲次数有要求。屈服强度、极限强度、伸长率和冷弯性能是对软钢进行质量检验的四项主要指标，而对无明显屈服点的钢筋，则只测后三项。应满足《钢筋混凝土用热轧带肋钢筋》GB1499、《预应力混凝土用钢绞线》GB/T5224等要求。桥梁工程系－杨剑4、硬钢－曲线的数学模型桥梁工程系－杨剑四.钢筋的冷加工冷加工方法：冷拉、冷拔、冷轧和冷轧扭钢筋冷加工后的力学性能变化：强度提高、塑性降低钢筋的冷加工均以热轧钢筋为母材。桥梁工程系－杨剑五.钢筋的选用混凝土结构对钢筋性能的要求：强度高、塑性好、可焊性好、与混凝土的粘结锚固性能好。普通钢筋：钢筋混凝土及预应力混凝土构件中的普通钢筋宜选用热轧R235、HRB335、HRB400钢筋，预应力混凝土构件中的箍筋应选用带肋钢筋。预应力钢筋：应选用高强钢丝、钢绞线，中、小型构件或横、竖向预应力筋，可选用精轧螺纹钢筋。桥梁工程系－杨剑1.2混凝土桥梁工程系－杨剑一、混凝土的组成二、单轴受力下混凝土的强度三、荷载作用下混凝土的变形性能桥梁工程系－杨剑一.混凝土的组成混凝土是用水泥、集料和水按一定配合比配合经振捣、凝固而形成的人造石材.混凝土为非匀质、非连续、非单一的材料并表现出非线性、非弹性的力学性能.混凝土强度和变形与时间有明显的关系.桥梁工程系－杨剑二.单轴受力下混凝土的强度混凝土结构中，主要是利用混凝土的抗压强度，因此抗压强度是混凝土力学性能中最主要和最基本的力学指标。1.混凝土的强度等级fcuk确定依据：混凝土的强度等级是根据边长150mm的混凝土立方体试块的抗压强度来标准值确定。强度等级的定义边长150mm立方体标准试件，在标准养护条件下（养护温度20±3℃，相对湿度≥95%）养护28天，用标准试验方法（加载速率0.15~0.3N/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，记为fcu,k，fcu,k与平均值μf和标准差σf的关系为：fcu,k＝μf－1.645σf桥梁工程系－杨剑混凝土立方体抗压强度试验录像桥梁工程系－杨剑《规范》规定的强度等级划分C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75和C80，即从C15~C80共划分为14个强度等级，级差为5N/mm2。C50的意义C50中的C表示混凝土，50表示混凝土的强度等级fcu,k＝50N/mm2=50MPa.普通强度混凝土和高强混凝土的界限C50及以下为普通强度混凝土；C50以上为高强混凝土。桥梁工程系－杨剑RC构件对混凝土强度等级的要求：HPB235钢筋：混凝土等级不低于C15HRB335钢筋：混凝土等级不低于C20HRB400、RRB400钢筋：混凝土等级不低于C20预应力构件钢筋：混凝土等级不低于C30采用钢丝、热处理筋作预应筋：混凝土等级不低于C40桥梁工程系－杨剑尺寸效应立方体试块尺寸愈小，则试验测出的混凝土抗压强度愈高。其统计关系为：fcu,150=0.95fcu,100fcu,150=1.05fcu,200可能原因：初始缺陷、试块端部与承压板间的摩擦影响。尺寸效应系数还与混凝土强度有关桥梁工程系－杨剑如100mm立方体强度与标准立方体强度之间的换算关系:fcu,150=kfcu,100小于C50的混凝土，修正系数k=0.95。随混凝土强度的提高，k值有所降低。当fcu,100=100N/mm2时，换算系数k约为0.9。圆柱体抗压强度fc'美国、日本、加拿大等国家，采用圆柱体（直径150mm，高300mm）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：fc‘＝0.83fcu,150，fcu,150＝1.2fc‘桥梁工程系－杨剑2.轴心抗压强度标准值fc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。试件高宽比的影响。当h/b≥2时，h/b对混凝土强度的影响较小，因此可取h/b=2或3。标准试件棱柱体试件高宽比一般为h/b=2~3，我国通常取150mm×150mm×300mm和150×150×450的棱柱体试件。桥梁工程系－杨剑混凝土轴心抗压强度试验录像桥梁工程系－杨剑强度换算对于同一混凝土，棱柱体抗压强度小于立方体抗压强度。棱柱体抗压强度和立方体抗压强度的换算关系：fc=α1fcu《规范》对小于C50级的混凝土取α1=0.76，对C80取α2=0.82，其间按线性插值。桥梁工程系－杨剑《规范》实际取值fck=0.88α1α2fcu，kα1—棱柱体强度与立方体强度比值。α2－混凝土的脆性系数，C40及以下时，取值1.0；C80时，取值0.87；C40～C80之间，线形内插取值。0.88－考虑实际结构混凝土强度与试块强度之间的差异影响系数。桥梁工程系－杨剑3.混凝土轴心抗拉强度ft混凝土轴心抗拉强度也是其基本力学性能，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。轴拉试验标准试件桥梁工程系－杨剑50015015010016轴心受拉试验桥梁工程系－杨剑混凝土轴心抗拉强度试验录像桥梁工程系－杨剑劈拉试验PaP拉压压劈裂试验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22aPfsp4/319.0cuspff桥梁工程系－杨剑4.混凝土强度的标准值混凝土强度标准值（N/mm2）混凝土强度等级强度种类符号C15C20C25C30C35轴心抗压强度fck10.013.416.720.123.4轴心抗拉强度ftk1.271.541.782.012.20混凝土强度等级C40C45C50C55C60C65C70C75C8026.829.632.435.538.541.544.547.450.22.402.512.652.742.852.933.003.053.10桥梁工程系－杨剑三、荷载作用下混凝土的变形性能混凝土的变形混凝土的受力变形混凝土的非受力变形混凝土一次短期加荷的变形混凝土长期作用的变形多次重复荷载作用下的变形收缩变形温度引起的变形桥梁工程系－杨剑（一）单轴（单调）受压应力-应变关系标准棱柱体短时加载试验峰点C临界点B拐点D收敛点Efc00•••比例极限Acu•••F0.3~0.5fc0.75~0.9fc应力－应变关系曲线分析0–––对应于峰值点应变cu–––混凝土极限压应变fc–––轴心抗压强度桥梁工程系－杨剑试验录像桥梁工程系－杨剑Hognestad建议的应力-应变曲线uuccff000020015.010200.0020.0038fc0.15fc0u桥梁工程系－杨剑2000020ccuffRush建议的应力-应变曲线00.0020.0035fc0u桥梁工程系－杨剑《混凝土结构规范》应力-应变关系上升段：])1(1[0ncccf0下降段：ccfu066010)50(0033.010)50(5.0002.0)50(6012cuucucufffn《规范》混凝土应力-应变曲线参数fcu≤C50C60C70C80n21.831.671.500.0020.002050.00210.00215u0.00330.00320.00310.00300.0010.0020.0030.00410203040506070C80C60C40C20桥梁工程系－杨剑2.混凝土的弹性模量Ec=tana原点切线模量0ddEcEc?=tana?割线模量cEEc=tana瞬时切线模量ddEc弹性系数n随应力增大