3 结构材料的力学性能

第三章结构材料的力学性能苏州科技学院土木工程学院唐兴荣博士教授二O一二年元月主要内容第二节混凝土第一节建筑钢材第三节钢筋与混凝土的相互作用——粘结力混凝土的强度混凝土立方体抗压强度混凝土棱柱体抗压强度（混凝土轴心抗压强度）混凝土轴心抗拉强度混凝土的变形混凝土短期加载下的变形性能混凝土在荷载长期作用下的变形性能混凝土收缩混凝土强度等级的选用原则钢材的力学性能钢材的冷加工建筑钢材的品种钢材的选用粘结力的概念保证钢筋和混凝土之间粘结力的措施第一节建筑钢材一、钢材的力学性能钢材通常只作拉伸试验。软钢钢筋的应力―应变曲线中有明显的流幅（热轧低碳钢和普通热轧低合金钢所制成的钢筋）硬钢~钢筋的应力―应变曲线中无明显的流幅（钢丝、钢绞线、热处理钢筋等预应力钢筋）abcdefOaec伸长率软钢的应力-应变曲线弹性阶段（oa段）屈服阶段（abcd段）当应力超过比例极限a后，应变增加较应力快（图中ab段），钢材进入弹塑性阶段，这个阶段的终点b称为屈服上限，b点是不稳定的。待b降至屈服下限c点，这时应力不增加而应变急剧增加，图形接近水平线，直到d点。c点对应的应力称为屈服下限或屈服强度cc点到d点水平距离的大小称为流幅或屈服台阶应力（）与应变（）按正比例增加，如果卸载则试件的变形可全部恢复伸长率ceaOfedcba卸载软钢的应力-应变曲线屈服强度是软钢设计强度的依据（构件中钢筋的应力到达屈服强度后，将产生很大的塑性变形，这时钢筋混凝土构件将出现很大的变形和不可闭合的裂缝，以致不能使用）强化阶段（de段）颈缩阶段（ef段）当钢筋应力超过d点以后，内部组织发生了变化，抵抗外力作用的能力有所提高，继续加载，应力和应变又随之增加而形成了de段的上升曲线。钢筋的极限强度—d过了e点以后，钢筋试件在薄弱处截面将突然显著缩小，发生局部颈缩现象，变形迅速增加，应力随之下降，达到f点试件就被拉断。含碳量越高，钢筋的屈服强度、极限强度越高，但屈服台阶缩短，伸长率下降在强化阶段卸载，应力-应变曲线平行于Oa2.0o%2.0没有明显流幅钢筋的应力-应变曲线硬钢取残余应变为2.0%时的应力作为假定的屈服点，即条件屈服点，以2.0表示。《规范》规定取条件屈服点2.0为国家标准极限抗拉强度b的0.85倍，即b85.02.0硬钢规定以条件屈服点作为设计强度的指标。硬钢~钢筋的应力―应变曲线中没有明显的流幅二、钢材的冷加工（冷拉、冷拔）提高热轧钢筋的强度冷拉是将钢筋的应力拉到超过屈服点而进入强化阶段（图中的a点），然后放松钢筋，放松后变形将沿着平行于OA的直线Oa回到O点，钢筋产生残余变形OO，此时如果立即再张拉，应力—应变的图形将沿acdO变化，图形的转折点a高于冷拉前的屈服点，但屈服台阶不明显，这种现象称为“冷拉强化”。oAaacdcdo再加载加载卸载冷拉率冷拉控制应力图3-4钢筋冷拉原理图如果将钢筋放松以后，停留一定的时间或者受高温作用后，然后再张拉，则应力—应变的图形将沿dcaO变化，曲线的转折点提高到a点，此时钢筋获得了新的弹性阶段和屈服点。新的屈服点应力高于冷拉前的屈服点应力，但屈服台阶及伸长率均有所缩短，这种现象称为“时效硬化”或“冷拉时效”。必须注意焊接时产生的高温会使钢筋软化（强度降低，塑性增加），因此需要焊接的钢筋应先焊好再进行冷拉；冷拉只能提高钢筋的抗拉强度而不能提高钢筋的抗压强度。2mmN800346005400200O3.36.6621.9%图3-5冷拔钢筋性能影响经冷拔后钢筋没有明显的屈服点和流幅。钢筋进行冷拔处理可同时提高钢筋的抗拉强度和抗压强度。冷拔是将直径为6～10mm的HPB235（Q235）级钢筋用强力拔过比本身直径还小0.5~1.0mm的硬质合金拔丝模。钢筋在通过拔丝钢模时，同时受到纵向拉力和横向挤压的作用而产生塑性变形，迫使钢筋内部结构组织发生变化，从而使钢筋的强度比原来有很大的提高，但塑性降低很多。三、建筑钢材的品种普通低合金钢含碳量高碳钢含碳量中碳钢含碳量低碳钢碳素钢按化学成分钢材%)4.1~%6.0(%)60.0~%25.0(%)25.0()(碳素钢除含有铁（Fe）元素外还有少量的碳（C）、硅（Si）、锰（Mn）、硫（S）、磷（P）等元素。含碳量越高钢筋的强度越高，但其塑性和可焊性降低，反之钢筋的强度降低，其塑性和可焊性好。硫(S)和磷(P)是钢材中的有害元素。磷(P)元素使钢材塑性降低，并使钢在低温下易于脆断，磷的危害性随含碳量增多而增加，但在低碳钢中磷的影响较小。硫(S)元素使钢材的可焊性降低，同时在高温下使钢材产生热脆。这两种元素在钢材中的含量均有限制，不得超过0.045%0.05%。普通低合金钢除含碳素钢中已有的成份外，再加入少量的合金元素如硅（Si）、锰（Mn）、钛（Ti）、钒（V）、镍（Nb）等，可有效地提高钢材的强度和改善钢材的其他性能。锰元素可以提高钢材的强度和硬度并可改善钢材的焊接性能钛元素可改善钢材的塑性、韧性和可焊性钒元素可改善钢材的塑性和可焊性钢筋混凝土结构中大量应用普通低合金钢钢丝冷拉钢筋热轧钢筋按生产工艺和加工条件钢材)(热轧钢筋（低碳钢、普通低合金钢热轧）注意:1.1yksykyyffff附表5普通钢筋强度标准值和设计值种类符号公称直径d/mm屈服强度标准值ykf/2mmN抗拉强度设计值yf/2mmN抗压强度设计值yf/2mmNHPB3006~22300270270HRB335HRBF3356~50335300300HRB400HRBF400RRB4006~50400360360热轧钢筋HRB500HRBF5006~50500435410HPB300热轧光面钢筋Hot-rolledPlainsteelBarHRB335、HRB400、HRB500热轧带肋钢筋Hot-rolledRibbed-steelBarRRB400余热处理钢筋heattreatmentRibbedsteelBarHRBF335、HRBF400、HRBF500细晶粒带肋钢筋Hot-rolledRibbed-steelBarFine根据钢筋产品标准的修改，不再限制钢筋材料的化学成分和制作工艺，而按性能确定钢筋的牌号和强度级别，并以相应的符号表达。增加强度为500Mpa的热轧带肋钢筋；推广400Mpa、500Mpa级高强热轧带肋钢筋作为纵向受力的主导钢筋；限制并准备逐步淘汰335Mpa级热轧带肋钢筋的应用；用300Mpa级光圆钢筋替代235级光圆钢筋。推广具有较好的延性、可焊性、机械连接性能及施工适应性的HRB系列普通热轧带肋钢筋。列入采用控温轧制工艺生产的HRBF系列细晶粒带肋钢筋。RRB系列余热处理钢筋由轧制钢筋经高温水，余热处理后提高强度，其延性、可焊性、机械连接性能及施工适应性降低，一般可用于对变形性能及加工性能要求不高的构件（如基础、大体积混凝土、楼板、墙体以及次要的中小结构构件）中。箍筋用于抗剪、抗扭及抗冲切设计时，其抗拉强度设计值受到限制，不宜采用强度高于400Mpa级的钢筋。当用于约束混凝土的间接配筋时，其强度可以得到充分发挥，采用500Mpa级钢筋具有一定的经济效益。热处理钢筋（Ⅳ级热轧钢筋经加热、淬火调质）—预应力钢筋冷拉钢筋（热轧钢筋冷拉）冷拉Ⅰ级—只用于普通钢筋混凝土冷拉Ⅱ级冷拉Ⅲ级—预应力钢筋冷拉Ⅳ级冷拔钢筋（热轧钢筋冷拔）—预应力钢筋钢丝（消除应力钢丝、低松弛钢丝、中等强度钢丝）钢绞线精轧螺纹钢筋增加预应力筋的品种：增补高强、大直径的钢绞线；列入大直径预应力螺纹钢筋（精制螺纹钢筋）；列入中强度预应力钢丝以补充中等强度预应力筋的空缺，用于中、小跨度的预应力构件；淘汰锚固性能很差的刻痕钢丝。近年来，我国强度高、性能好的预应力钢筋（钢丝、钢绞线）已充分供应，故冷加工钢筋不再列入。预应力筋强度标准值和设计值.doc）HRBF500HRB500400RRB400HRBF400RBH335、HRBF335（HRB)300HPB()(、、、、、变形钢筋光面钢筋按外形特征钢材变形钢筋（螺纹钢筋、人字纹钢筋、月牙纹钢筋）实际工程大多数采用四、钢材的选用1、钢材的质量要求强度指标：屈服强度、极限强度塑性指标：伸长率、冷弯性能钢筋拉断后的伸长值与原长的比率称为伸长率%1001lll冷弯试验是检验钢筋在加工中承受变形的能力。它将直径为d的钢筋试件，绕直径为D的钢锟弯曲90或180，然后检验钢筋有无裂缝、磷落或断裂现象。对不同品种的钢筋有不同钢锟直径及弯曲角度的要求。钢锟的直径D越小，弯转角越大，说明钢筋的塑性越好。伸长率是钢筋塑性的一个指标，值越大表示钢筋的塑性好。为保证钢筋具有一定的塑性，对不同品种的钢筋规定了伸长率的最小值。用5和10分别表示标距为dl5和dl10时的伸长率。2、混凝土结构对钢筋性能的要求强度强度是指钢筋的屈服强度和极限强度。钢筋的屈服强度是混凝土结构构件计算的主要依据之一（对无明显屈服点的钢筋取条件屈服点）。采用较高强度的钢筋可以节省钢材，获得较好的经济效益。塑性要求钢筋在断裂前有足够的变形，使混凝土结构构件将要破坏时能给人们以破坏的预兆。另外，还要保证钢筋的冷弯试验的要求。可焊性在一定的工艺条件下要求钢筋焊接后不产生裂纹及过大的变形，保证焊接后的接头性能良好。耐火性结构设计时应注意混凝土保护层厚度满足耐火极限的要求。与混凝土的粘结力为了保证钢筋与混凝土共同工作，两者之间应有足够大粘结力；钢筋表面的形状对粘结力有重要的影响。在寒冷地区，为了防止钢筋发生脆性破坏，对钢筋的低温性能也有一定的要求。3、钢筋的选用原则《规范》（GB50010-2010）规定：纵向受力普通钢筋宜采用HRB400、HRB500、HRBF400、HRBF500钢筋，也可采用HPB300、HRB335、HRBF335、RRB400钢筋梁、柱中受力普通钢筋应采用HRB400、HRB500、HRBF400、HRBF500钢筋推广400Mpa、500Mpa级高强热轧带肋钢筋作为纵向受力的主导钢筋；限制并准备逐步淘汰335Mpa级热轧带肋钢筋的应用；用300Mpa级光圆钢筋替代235级光圆钢筋RRB系列余热处理钢筋由轧制钢筋经高温水，余热处理后提高强度，其延性、可焊性、机械连接性能及施工适应性降低，一般可用于对变形性能及加工性能要求不高的构件（如基础、大体积混凝土、楼板、墙体以及次要的中小结构构件）中。箍筋宜采用HRB400、HRBF400、HPB300、HRB500、HRBF500钢筋，也可采用HRB335、HRBF335钢筋箍筋用于抗剪、抗扭及抗冲切设计时，其抗拉强度设计值受到限制，不宜采用强度高于400Mpa级的钢筋。当用于约束混凝土的间接配筋时，其强度可以得到充分发挥，采用500Mpa级钢筋具有一定的经济效益。预应力筋宜采用预应力钢丝、钢绞线和预应力螺纹钢筋4、钢筋强度取值钢筋强度标准值符合规定质量的钢筋强度总分布的0.05分位值，即具有不小于95%的保证率ssskf645.11热轧钢筋的强度标准值系根据屈服强度确定，用ykf表示。取国家冶金局标准规定的废品限值作为钢筋的标准值,即ssskf21,保证率97.73%钢筋的强度设计值与其强度标准值之间的关系ssksff式中，sf--钢筋的强度设计值；skf--钢筋的强度标准值；s--钢筋的材料分项系数。热轧钢筋s=1.1预应力钢绞线、钢丝和热处理钢筋s=1.2预应力钢绞线、钢丝和热处理钢筋的条件屈服点取b85.02.0(国家标准的极限抗拉强度)普通钢筋强度标准值（2mmN）附表5种类mmdykfHPB3006~22300HRB335、HRBF3356~50335HRB400、HRBF400、RRB4006~5