水工钢筋混凝土结构学课件第一章

第一节钢筋的品种和力学性能一.钢筋的品种★按化学成分区分低碳钢：（含碳量0.25%）强度低、塑性好中碳钢：（0.25%≤含碳量≤0.6%）高碳钢：（含碳量0.6%）强度高、塑性差低合金钢：碳素钢基础上加入少量合金元素而成，强度高、塑性好第一章钢筋砼结构的材料1.1钢筋的品种和力学性能第一章钢筋砼结构的材料★按外形区分光面钢筋变形钢筋月牙肋——纹路与肋不相交，不易产生应力集中，粘结强度略低于等高肋钢筋。等高肋——（螺旋纹、人字纹）与钢筋砼粘结力好，纹路与肋相交，易产生应力集中。第一章钢筋砼结构的材料1.1钢筋的品种和力学性能光面圆钢筋螺旋纹钢筋人字纹钢筋月牙纹钢筋第一章钢筋砼结构的材料1.1钢筋的品种和力学性能★按加工方式区分热轧钢筋Ⅰ级钢筋：光面低碳钢，塑性好、强度低；多作为厚度不大楼板的受力钢筋和箍筋。Ⅱ级钢筋、Ⅲ级钢筋：月牙肋、低合金钢，强度较高；多作为钢筋砼构件受力钢筋，尺寸较大的构件，为增强与砼的粘结可用Ⅱ级钢作箍筋。Ⅳ级钢筋：等高肋、低合金钢，强度高；一般经冷拉后用于预应力钢筋砼结构。1.1钢筋的品种和力学性能第一章钢筋砼结构的材料冷加工钢筋热轧钢筋常温下经冷拉、冷拔、冷轧、冷扭加工后而成。冷加工提高钢筋的强度，节约钢材。冷加工后，强度提高，塑性降低。一般用于预应力砼结构。热处理钢筋等高肋低合金钢，Ⅳ级钢经加热、淬火和回火等调质工艺而成，强度提高，塑性降低不多。用于预应力砼结构。钢丝直径＜6mm，外形有光面、刻痕和螺旋肋三种，另有二股、三股和七股钢绞线，外接圆直径9.5~15.2mm。用于预应力砼结构。第一章钢筋砼结构的材料1.1钢筋的品种和力学性能第一章钢筋砼结构的材料二.钢筋的力学性能（一）软钢的力学性能a为比例极限cd为强化段b为屈服强度fybc为屈服台阶d为抗拉强度1.1钢筋的品种和力学性能软钢：有明显屈服点的钢筋，如热轧Ⅰ~Ⅳ级钢筋。第一章钢筋砼结构的材料1.1钢筋的品种和力学性能屈服强度：是钢筋强度的设计依据，在混凝土中的钢筋，应力达到屈服强度，荷载不增加，应变继续增大，裂缝开展过宽，构件变形过大，结构不能正常使用。伸长率：钢筋拉断时应变，反映钢筋塑性性能的指标。伸长率大的钢筋，拉断前有足够预兆，延性较好。00lll弯曲试验：钢筋围绕直径为D的钢辊弯转α角而不发生裂纹，是反映钢筋塑性性能的另一指标。屈强比：反映钢筋的强度储备，fy/fu=0.6~0.7。★含碳量高，屈服强度和抗拉强度高，伸长率小，流幅缩短。第一章钢筋砼结构的材料1.1钢筋的品种和力学性能第一章钢筋砼结构的材料（二）硬钢的力学性能a点：比例极限协定流限：强度设计指标，指经加载及卸载后尚存有0.2%永久残余变形时的应力，用σ0.2表示。σ0.2一般相当于抗拉强度的70%~85%。硬钢：没有明显屈服点的钢筋，如热处理钢筋及高强钢丝。1.1钢筋的品种和力学性能a0.2%s0.2fuσε（三）钢筋的冷加工冷拉钢筋将钢筋拉伸超过其屈服强度，放松，经一段时间之后，钢筋会获得比原来屈服强度更高的屈服强度值。如图所示。冷拉后，屈服强度提高了，流幅缩短，伸长率降低，钢材性质变硬变脆。冷拉后，抗压强度没有提高，计算仍取用原来的抗压强度。第一章钢筋砼结构的材料1.1钢筋的品种和力学性能第一章钢筋砼结构的材料1.1钢筋的品种和力学性能拔冷将钢筋用强力拔过硬质合金拔丝模，截面变小而长度增加，强度提高，塑性降低。冷轧将热轧钢筋在常温下表面轧制成不同的形状，强度提高，塑性降低。冷轧带肋钢筋—采用低碳热轧盘圆进行冷轧减径，表面轧出月牙纹。冷轧扭钢筋—钢筋经冷轧并经扭转而成。第二节砼的物理力学性能一．砼的强度（一）立方体抗压强度fcu砼结构主要利用其抗压强度，因此抗压强度是最主要和最基本的指标。标准立方体强度：标准立方体试件测得的抗压强度，用fcu表示。砼强度等级：边长150mm立方体，温度为20±3℃、相对湿度不小于95%的条件下养护28天，用标准试验方法测得的具有95%保证率的立方体抗压强度标准值fcuk作为砼的强度等级，以符号C表示，单位为N/mm2。第一章钢筋砼结构的材料1.2砼的物理力学性能影响砼强度的因素①试验方法。②试件尺寸。③加载速度。④龄期。第一章钢筋砼结构的材料1.2砼的物理力学性能试验录像★水利水电工程用砼分11个强度等级，即C10、C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60，级差为5N/mm2。第一章钢筋砼结构的材料1.2砼的物理力学性能（二）轴心抗压强度fc150mm×150mm×300mm的棱柱体试件测定，fc表示，较接近实际构件中砼的受压情况。fcfcufc与fcu成线性关系，fc/fcu比值平均为0.76。考虑到实际结构构件与试件制作及养护条件的差异、尺寸效应及加荷速度等因素的影响，规范偏安全地取：cucff67.0第一章钢筋砼结构的材料1.2砼的物理力学性能试验录像（三）轴心抗拉强度ft砼基本力学性能指标，ft表示。砼构件开裂、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。根据与轴心受压强度相同的理由，规范取用关系式：50015015010016轴心受拉试验第一章钢筋砼结构的材料1.2砼的物理力学性能3223.0cutff劈拉试验PdP拉压压轴心受拉试验对中困难，常采用立方体或圆柱体劈裂试验测定砼的抗拉强度。22dPft立方体试件通过垫条施加线载荷P，垂直截面上除垫条附近外，产生均匀拉应力，当拉应力达到ft时，试件对半劈裂。第一章钢筋砼结构的材料1.2砼的物理力学性能试验录像☼双轴应力状态实际结构中，砼很少处于单向受力状态。更多的是处于双向或三向受力状态。双向受压强度大于单向受压强度，即一向强度随另一向压应力的增加而增加。（四）复合应力状态下的砼强度第一章钢筋砼结构的材料1.2砼的物理力学性能☼双轴应力状态实际结构中，砼很少处于单向受力状态。更多的是处于双向或三向受力状态。在双向受拉区，其强度与单向受拉时差别不大，即一向抗拉强度基本上与另一向拉应力的大小无关。（四）复合应力状态下的砼强度第一章钢筋砼结构的材料1.2砼的物理力学性能☼双轴应力状态实际结构中，砼很少处于单向受力状态。更多的是处于双向或三向受力状态。（四）复合应力状态下的砼强度第一章钢筋砼结构的材料1.2砼的物理力学性能在一轴受压一轴受拉状态下，抗压强度或抗拉强度均随另一方向拉应力或压应力的增加而减小。☼三向受压应力状态实际结构中，砼很少处于单向受力状态。更多的是处于双向或三向受力状态。（四）复合应力状态下的砼强度第一章钢筋砼结构的材料1.2砼的物理力学性能砼一向抗压强度随另两向压应力的增加而增加。☼构件受剪或受扭时常遇到剪应力t和正应力s共同作用下的复合受力情况。☼砼的抗剪强度：随拉应力增大而减小，随压应力增大而增大；当压应力在0.6fc左右时，抗剪强度达到最大，压应力继续增大，内裂缝发展明显，抗剪强度随压应力的增大而减小。第一章钢筋砼结构的材料1.2砼的物理力学性能二．砼的变形第一章钢筋砼结构的材料1.2砼的物理力学性能（一）砼在一次短期加载时的应力—应变曲线砼的变形有两类:外荷载作用产生的受力变形,温度和干湿变化引起的体积变形。砼单轴受力应力-应变关系是反映砼受力全过程的重要力学特征，是分析砼构件应力、建立承载力和变形计算理论的必要依据，也是利用计算机进行非线性分析的基础。砼单轴受压应力-应变关系曲线，常采用棱柱体试件来测定。普通试验机采用等应力速度加载，达到fc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，导致试件突然脆性破坏，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，吸收试验机内集聚的应变能，可测得应力-应变曲线的下降段。第一章钢筋砼结构的材料1.2砼的物理力学性能第一章钢筋砼结构的材料1.2砼的物理力学性能应力小于fc的30%∼40%时（a点），应力应变关系接近直线。当应力，呈现塑性。应力增大到fc的80%左右（b点），应变增长更快。应力达到fc（c点）时，试件表面出现纵向裂缝，试件开始破坏。达到的最大应力σo称为砼棱柱体抗压强度fc，相应的应变为εo一般为0.002左右。第一章钢筋砼结构的材料1.2砼的物理力学性能★影响应力—应变曲线形状因素砼强度低，曲线平坦；强度高，曲线陡，εcu小；加载速度快，最大应力提高，曲线陡；加载速度慢，曲线平缓，εcu增大。第一章钢筋砼结构的材料1.2砼的物理力学性能试验录像★规范建议的应力-应变曲线usssss000020000)250-(110002第一章钢筋砼结构的材料1.2砼的物理力学性能★砼受拉应力-应变关系sftt0第一章钢筋砼结构的材料1.2砼的物理力学性能（二）砼在重复载荷下的应力-应变曲线应力不大，重复5∼10次后，加载和卸载的应力—应变曲线合并接近一直线，同弹性体一样工作。应力超过某一限值，经多次循环，应力应变关系成为直线后，重新变弯，试件很快破坏。该限值为砼的疲劳强度fcf1.2砼的物理力学性能第一章钢筋砼结构的材料（三）砼的弹性模量初始弹性模量：通过原点0的切线的斜率tgα0。割线弹性模量：应力不大时，应力应变关系近似于直线，弹性模量可用应力σc除以其相应的应变εc来表示：Ec=tgα1=σc/εc第一章钢筋砼结构的材料1.2砼的物理力学性能弹性模量测定方法s0.4fc5~10次)N/mm(7.342.2102,5kcucfE利用多次重复加载卸载后应力应变关系趋于直线的性质求弹性模量。加载至0.4fc，卸载至零，重复加载卸载5～10次，应力—应变曲线渐趋稳定并接近于一直线，该直线的正切tgα即为砼的弹性模量。第一章钢筋砼结构的材料1.2砼的物理力学性能弹性模量经验公式：砼的变形模量sEc?=tana?scE应力较大时，砼的塑性变形显著，此时砼的应力与应变之比称为变形模量Ec’ecEcEEc’与Ec的关系用弹性系数表示,随应力增大而减小，=1~0.4。第一章钢筋砼结构的材料1.2砼的物理力学性能（四）砼的极限变形砼受压极限应变εcu与其本身性质、试验方法和应力状态有关。砼强度等级越高，εcu越小。不同受力情况εcu不同：均匀受压取0.002；非均匀受压取0.0033。受拉极限应变εtu比受压极限应变小得多，计算时一般取为0.0001。第一章钢筋砼结构的材料1.2砼的物理力学性能（五）砼的徐变在荷载长期持续作用下，应力不变，变形随时间而增长。这种现象，称为砼的徐变。徐变与塑性变形不同。徐变是砼受力后，水泥石中的凝胶体产生的粘性流动。徐变部分可恢复。徐变在较小的应力时就发生。第一章钢筋砼结构的材料1.2砼的物理力学性能（五）砼的徐变在荷载长期持续作用下，应力不变，变形随时间而增长。这种现象，称为砼的徐变。徐变与塑性变形不同。塑性变形是砼中结合面裂缝扩展引起的。应力超过材料弹性极限后发生。不可恢复。第一章钢筋砼结构的材料1.2砼的物理力学性能εcr,∞=(2∼3)ε0★影响徐变的因素内在因素：砼的组成和配比。骨料的刚度（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。应力大小：砼应力越大，徐变越大。sc≤(0.5~0.55)fc时，徐变与应力成正比，称为线性徐变。徐变是稳定的。sc(0.5~0.55)fc时，最终徐变与应力不成正比，称为非线性徐变。当sc0.8fc时，砼内部微裂缝的发展处于不稳定状态，徐变的发展不收敛，导致砼的破坏。加载龄期：砼的龄期越短，凝胶体的粘性流动越大，徐变越大。环境影响：外界相对湿度越高，结构内部水分不易外逸，徐变越小。第一章钢筋砼结构的材料1.2砼的物理力学性能★徐变对结构的作用徐变有利于结构构件产生内（应）力重分布，减小应力集中现象。减小大体积砼内的温度应力。徐变会使结构（构件）的（挠度）变