第3章 建筑结构材料的力学性能

第三章建筑结构材料本章主要内容1.钢筋的品种、规格、力学性能及强度设计指标；2.钢结构用钢材的品种、规格、力学性能及强度设计指标；3.混凝土的强度、变形指标；混凝土结构耐久性规定；4.钢筋与混凝土的相互作用第三章建筑结构材料3.1建筑钢材3.1.1建筑钢材的品种和规格1.混凝土结构中钢筋的种类3.1建筑钢材第三章建筑结构材料3.1建筑钢材3.1建筑钢材强度高，塑性低强度高，粘结性好强度高预应力钢筋钢筋热轧钢筋钢丝钢绞线热处理钢筋HPB235HRB335HRB400RRB400光圆钢筋变形钢筋变形钢筋变形钢筋非预应力钢筋强度塑性弱强高低第三章建筑结构材料3.1.1建筑钢材的品种和规格3.1建筑钢材普通钢筋强度标准值（N/mm2）种类符号fykHPB235(Q235)235HRB335(20MnSi)335热轧钢筋HRB400(20MnSiV、20MnSiNb、20MnTi)RRB400(20MnSi)400第三章建筑结构材料3.1.1建筑钢材的品种和规格热轧钢筋HotRolledSteelReinforcingBarHPB235级、HRB335级、HRB400级、RRB400级HPBHotrolledPlainHRBHotrolledRibbedBarRRBRemainedheattreatmentRibbedBar3.1建筑钢材Bar第三章建筑结构材料3.1.1建筑钢材的品种和规格预应力钢筋预应力钢筋应优先采用钢绞线和钢丝，也可采用热处理钢筋。钢绞线：由多根高强钢丝绞织在一起而形成的，常见的有3股和7股两种，多用于后张法大型构件。3.1建筑钢材第三章建筑结构材料3.1.1建筑钢材的品种和规格预应力钢筋预应力钢筋应优先采用钢绞线和钢丝，也可采用热处理钢筋。预应力钢丝：主要是消除应力钢丝，其外形有光面、螺旋肋、三面刻痕三种。3.1建筑钢材第三章建筑结构材料3.1.1建筑钢材的品种和规格预应力钢筋预应力钢筋应优先采用钢绞线和钢丝，也可采用热处理钢筋。热处理钢筋：包括40Si2Mn、48Si2Mn及45Si2Cr几种牌号，它们都以盘条形式供应，无需焊接、冷拉，施工方便。3.1建筑钢材第三章建筑结构材料3.1.1建筑钢材的品种和规格2.钢结构用钢材（1）钢种和钢号建筑工程常用碳素结构钢和低合金高强度结构钢1）碳素结构钢碳素结构钢的牌号：质量等级代号：A、B、C、D屈服点数值（N/mm2）：195、215、235、255、275钢材屈服点代号：Q脱氧程度代号：F、b、Z、TZ，其中Z、TZ可以省略碳素结构钢牌号举例：Q235B3.1建筑钢材第三章建筑结构材料3.1.1建筑钢材的品种和规格2.钢结构用钢材2）低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢的牌号：质量等级代号：A、B、C、D、E屈服点数值（N/mm2）：295、345、390、420、460钢材屈服点代号：Q注：低合金高强度结构钢的A、B级属于镇静钢，C、D、E级属于特殊镇静钢。3.1建筑钢材第三章建筑结构材料3.1.1建筑钢材的品种和规格2.钢结构用钢材（2）品种及规格1）热轧钢板钢板用符号“-”后加“宽×厚×长（单位为mm）”的方法表示，如-800×12×2100。2）热轧型钢3.1建筑钢材第三章建筑结构材料3.1.1建筑钢材的品种和规格2.钢结构用钢材（2）品种及规格3）冷弯薄壁型材3.1建筑钢材第三章建筑结构材料3.1.2建筑钢材的力学性能◆◆有明显屈服点的钢筋Steelbarwithyieldpointσεa为比例极限proportionallimitσ=Esεade为强化阶段b为屈服上限c为屈服下限，即屈服强度fycdcd为屈服台阶（塑性阶段）efue为极限抗拉强度fufyfbEs——弹性模量，指钢材在弹性阶段应力和应变的比值ef为颈缩阶段3.1建筑钢材第三章建筑结构材料几个指标：屈服强度yieldstrength：是钢筋强度的设计依据延伸率elongationrate：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0010or5lll−=δσε残余变形εr弹性变形εe抗拉强度ultimatetensilestrength一般不用，可反映钢筋的强度储备（屈强比），fy/fu=0.6~0.7。3.1建筑钢材◆◆无明显屈服点的钢筋Steelbarwithoutyieldpointa0.2%σ0.2fua点：比例极限，约为0.65fua点前：应力-应变关系为线弹性a点后：应力-应变关系为非线性，有一定塑性变形，且没有明显的屈服点强度设计指标——条件屈服点残余应变为0.2%所对应的应力《规范》取σ0.2=0.85fu3.1建筑钢材第三章建筑结构材料第三章建筑结构材料3.1.3钢材的冷加工性能3.1建筑钢材为了提高钢筋的强度，节约钢材，可对钢筋进行冷加工。冷拉和冷拔是冷加工常用的方法（1）冷拉冷拉是将热扎钢筋先超过屈服强度到K点，然后卸载沿着KO’回到O’点，如果此时立即张拉则张拉曲线沿O’KDE。如果停留一段时间再张拉，则沿O’K’D’E’进行，那么屈服点从K提高到K’点，这种现象叫时效硬化。为了使冷拉后既能提高强度，钢材又具有一定塑性，应合理选择K点。K点对应的应力为冷拉控制应力，对应的应变为冷拉率。冷拉只能提高抗拉屈服强度，不能提高抗压屈服强度。（2）冷拔冷拔是将热扎光面钢筋用强力拉过直径比它还小的拔丝模孔，使其内部组织结构发生变化，强度提高，塑性降低。冷拔既可提高抗拉强度，又可提高抗压强度。第三章建筑结构材料3.1建筑钢材d1d2Pd2d1第三章建筑结构材料3.1.4建筑钢材的选用3.1建筑钢材1、混凝土结构对钢筋性能的要求(1)钢筋和混凝土能够共同工作的原因（a）混凝土结硬后，与钢筋牢固粘结，互相传递应力，相互变形（b）钢筋和混凝土具有相近的温度线膨胀系数，当温度变化时，混凝土和钢筋之间不会产生过大的相对变形和温度应力（c）混凝土提供的碱性环境可以保护钢筋免遭锈蚀第三章建筑结构材料3.1.4建筑钢材的选用3.1建筑钢材(b)塑性塑性是指在受力过程中的变形能力，使其在断裂前有足够的变形。塑性指标是伸长率和冷弯性能。(a)强度屈服强度是设计的主要依据。抗拉强度不是设计依据，但也是一项强度指标（强屈比）。yfuf(2)混凝土结构对钢筋的要求1、混凝土结构对钢筋性能的要求第三章建筑结构材料3.1.4建筑钢材的选用3.1建筑钢材(c)可焊性要求在焊接后不产生裂纹及过大变形，保证钢筋焊接后的接头性能良好。(d)与混凝土的粘接力钢筋与混凝土的粘接力是保证钢筋混凝土构件在使用过程中，钢筋和混凝土能共同作用的主要原因。钢筋的表面形状和粗糙程度对粘接力有重要影响。(2)混凝土结构对钢筋的要求1、混凝土结构对钢筋性能的要求第三章建筑结构材料3.1.4建筑钢材的选用3.1建筑钢材2、钢结构中钢材的选用原则（a）结构的重要性（b）荷载特性（c）连接方法（d）工作条件第三章建筑结构材料3.2混凝土3.2.1混凝土的强度3.2混凝土水泥胶体(水泥结晶体和水泥胶块)弹性骨架（混凝土）水泥+水石子、沙子砼强度等级cuf1.立方体抗压强度边长150mm立方体标准试件，在标准条件下（20±3℃，≥90%湿度）养护28天，用标准试验方法（加载速度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，用符号C表示，C30表示fcu,k=30N/mm2C15,C20,C25,C30,C35,C40,C45,C50~C80共14级第三章建筑结构材料3.2混凝土3.2.1混凝土的强度3.1混凝土2.轴心抗压强度cf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。棱柱体试件高宽比一般为h/b=2~3，我国通常取100mm×100mm×300mm的棱柱体试件，也常用150×150×450试件。对于同一混凝土，棱柱体抗压强度立方体抗压强度。?第三章建筑结构材料3.2混凝土3.2.1混凝土的强度3.1混凝土3.轴心抗拉强度tf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。50015015010016轴心受拉试验1、混凝土在短期荷载下的变形应力——应变曲线y=σ/fcx=ε/ε011DEACBA点称为比例极限，OA阶段为弹性阶段超过A点后，进入第二阶段，至临界点B，B点对应的应力可作为长期受压强度的依据（一般取0.8）cfBC阶段为第三阶段，C对应的应力为cf在以后，裂缝迅速发展，应力在降低，而应变在急剧增加，直到破坏。cf3.2.2混凝土的变形第三章建筑结构材料3.1混凝土2、混凝土在长期荷载下的变形——徐变Creep混凝土在荷载的长期作用下，即使应力不变其应变随时间而不断增长的现象称为徐变。徐变会使结构（构件）的（挠度）变形增大，引起预应力损失，在长期高应力作用下，甚至会导致破坏。◆◆影响因素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，水泥水化作用越充分，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。第三章建筑结构材料3.1混凝土初始应力：线性徐变初应力σc≤0.5fc徐变与初应力呈正比非线性徐变σc0.5fc当σc0.8fc，徐变发展最终导致破坏3、混凝土的收缩Shrinkage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。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。3.1混凝土第三章建筑结构材料墙板干燥收缩裂缝与边框架的变形混凝土的耐久性是指混凝土在使用环境下抵抗各种破坏因素作用、长期保持强度和外观完整性的性能，主要包括以下含义：抗冻性——混凝土经受多次冻融循环作用而不破坏，强度也不急剧降低的性能。抗渗性——混凝土抗压力水渗透的性能。与抗侵蚀性有关。抗碳化性——空气中的二氧化碳气体渗透到混凝土内与其中的碱性物质起化学反应后生成碳酸盐和水，使混凝土碱度降低的过程称为碳化，其后果是混凝土失去了对钢筋的保护，而使钢筋锈蚀。抗碱骨料反应性能——混凝土中的碱性氧化物与骨料中的二氧化硅产生化学反应，生成的物质不断膨胀，导致混凝土产生裂纹，强度降低的现象。第三章建筑结构材料3.1混凝土3.2.3混凝土的耐久性一、粘结的概念◆◆钢筋与混凝土间具有足够的粘结是保证钢筋与混凝土共同受力变形的基本前提。◆◆通过钢筋与混凝土界面的粘结应力(bondstress)，可以实现钢筋与混凝土之间的应力传递，从而使两种材料可以结合在一起共同工作。◆◆粘结应力通常是指钢筋与混凝土界面间的剪应力。钢筋与混凝土的粘结作用由三部分组成：⑴混凝土中水泥胶体与钢筋表面的化学胶合力；⑵混凝土因收缩将钢筋握紧而产生的钢筋与混凝土间的摩擦力；⑶钢筋表面凹凸不平与混凝土产生的机械咬合力。（占一半以上）3.3钢筋与混凝土的相互作用——粘结力Bond第三章建筑结构材料3.3钢筋与混凝土的相互作用粘结强度BondStrengthdlAdlFssuπσπτ==拔出试验PullouttestdlF=σsAsF=σsAsτu粘结强度τu：粘结破坏（钢筋拔出或混凝土劈裂）时钢筋与混凝土界面上的最大平均粘结应力第三章建筑结构材料3.3钢筋与混凝土的相互作用二、影响粘结的因素影响钢筋与混凝土粘结强度的因素很多，主要有混凝土强度、锚固长度、保护层相对厚度、锚筋外形特、配箍情况、砼浇注状况及锚筋受力情况等。第三章建筑结构材料3.3钢筋与混凝土的相互作用tuf/τtuf/τＡ.光圆钢筋及变形钢筋的粘结强度都随混凝土强度等级的提高而提高，但不与立方体强度成正比。Ｂ.变形钢筋能够提高粘结强度。Ｃ.相对保护层厚度c/d越大，也越