第三章-结构材料的力学性能

本章主要内容建筑钢材√混凝土钢筋与混凝土的粘结作用大纲及要求1．教学目的和要求：（1）掌握钢筋和混凝土的强度指标及规范取值；（2）掌握混凝土的变形指标、钢筋和混凝土粘结原理。2．教学内容：（1）钢筋混凝土材料的一般概念；（2）钢筋的力学性能；（3）混凝土材料的组成及力学性能；（4）钢筋与混凝土的粘结性能。3．教学重点与难点：（1）重点：钢筋的形式、品种和级别，钢筋的强度、变形和弹性模量，钢筋的冷加工、弯钩和接头及钢筋混凝土的粘结。混凝土的强度—立方强度、等级，轴心抗压、抗拉、弯曲抗压和疲劳强度；混凝土的变形—混凝土在短期和长期荷载下的变形，混凝土的弹性模量、徐变、收缩和膨胀；（2）难点：混凝土的强度、混凝土的疲劳强度、钢筋的强度。大纲及要求3.1建筑钢材含碳量低于2％的铁碳合金称为钢；含碳量高于2％的铁碳合金称为生铁。钢经轧制或加工的钢筋、钢丝、钢绞线、钢板及各种型钢，统称为钢材。一、钢材的力学性能钢筋的力学性能：强度、变形（弹性和塑性变形）单向拉伸试验是确定钢筋性能的主要手段应力应变（－）曲线可将钢材分为有明显屈服点钢材与无明显屈服点钢材两类一、钢材的力学性能•钢材拉伸试验的标准试件lPPAAPll有明显屈服点的钢筋a’abcdefua´为比例极限oa为弹性阶段de为强化阶段b为屈服上限c为屈服下限，即屈服强度fycd为屈服台阶e为极限抗拉强度fufyfef为颈缩阶段o低碳钢和低合金钢（含碳量和低碳钢相同）一次拉伸时的应力-应变曲线见图。把ƒy取为计算构件的强度标准，以ƒu作为材料的强度储备。e0.2%0.2(N/mm2)o0.2－条件屈服强度2）无明显屈服点的钢材没有明显的屈服点和屈服台阶钢材的应力-应变曲线见图对于没有明显屈服点的钢材，以残余变形为0.2%时的应力作为名义屈服点，其值约等于极限强度85%。注意：钢材在一次压缩或剪切所表现出来的应力-应变变化规律基本上与一次拉伸试验时相似，压缩时的各强度指标也取用拉伸时的数据，只是剪切时的强度指标数值比拉伸时的小。由力学性能不同分成：软钢：有明显屈服台阶的钢筋(热轧钢筋、冷拉钢筋)硬钢：无明显屈服台阶的钢筋(钢丝、热处理钢筋)•钢筋力学性能指标：屈服强度、抗拉强度、伸长率、冷弯性能。对于有明显屈服台阶的软钢取屈服强度fy作为强度设计依据。同时，要求屈服强度与抗拉强度的比值不大于0.8。对于无明显屈服台阶的硬钢取条件屈服强度0.2作为强度设计依据。取相应于残余应变=0.2%时的应力0.2作为名义屈服点。常取0.2=0.85fsu。条件屈服极限1、钢材的强度：包括屈服强度与抗拉强度两项指标。2、钢筋的塑性：指钢材破坏前产生变形的能力。伸长率：%100112lll冷弯性能：弯心直径冷弯角度dldl10511015冷弯性能钢筋冷弯试验冷弯性能合格是鉴定钢材在弯曲状态下的塑性应变能力和钢材质量的综合指标。冷弯试验不仅能直接检验钢材的弯曲变形能力或塑性性能，还能暴露钢材内部的冶金缺陷，如硫、磷偏析和硫化物与氧化物的掺杂情况，这些都将降低钢材的冷弯性能。国家标准《钢筋混凝土用热轧带肋钢筋》GB1499-98对混凝土结构用钢筋的机械性能作出规定：对于有明显流幅的钢筋，其主要指标为：屈服强度、抗拉强度、伸长率、冷弯性能对于没有明显流幅的钢筋，其主要指标为：抗拉强度、伸长率、冷弯性能冷加工的方法：冷拉、冷拔冷加工的目的：改变钢材内部结构，提高钢材强度，节约钢筋。但冷加工后会使钢筋的塑性降低。冷加工对钢材性能的影响：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；冷拔可同时提高钢筋的抗拉强度和抗压强度。二、钢材的冷加工和热处理二、钢材的冷加工和热处理热处理是对某些特定型号的热轧钢进行淬火和回火处理。钢筋热处理后强度有很大提高而塑性降低不多。o冷拉控制应力(N/mm2)冷拉率残余变形o'abcc'd'd冷拉无时效冷拉时效(a)(b)d1d2Pd2d1钢筋冷拉钢筋冷拔冷拉时，可采用冷拉控制应力和冷拉率控制。冷拉后可提高钢材的抗拉强度，但其屈服台阶变短。即冷拉可提高钢材的抗拉强度，但不能提高钢筋的抗压强度。冷拔时，可同时提高钢材的抗拉和抗压强度。塑性降低很多。目前我国强度高、性能好的钢筋及钢丝、钢绞线已可充分供应，故冷拉钢筋和冷拔低碳钢丝已不再列入规范。1、混凝土结构对钢筋的要求①应具有较高的强度和良好的塑性；②便于加工和焊接；③并应与混凝土之间具有足够的粘接力。三、钢材的种类及选用热轧钢筋冷拉钢筋热处理钢筋冷轧钢筋（冷轧带肋钢筋、冷轧扭钢筋）冷拔低碳消除应力钢丝钢绞线钢筋按加工方法不同分类钢筋钢筋按在结构中是否施加预应力分类普通钢筋钢丝（热处理钢筋）三、钢材的种类及选用钢筋按外形分类光面钢筋带肋钢筋1）普通钢筋普通钢筋指用于钢筋混凝土结构中的钢筋和预应力混凝土结构中的非预应力钢筋。用于钢筋混凝土结构的热轧钢筋分为HPB235、HRB335、HRB400和RRB400四个级别。《混凝土规范》规定，普通钢筋宜采用HRB400级和HRB335级钢筋。三、钢材的种类及选用HPB235级钢筋：光圆钢筋，公称直径范围为8～20mm，推荐直径为8、10、12、16、20mm。实际工程中只用作板、基础和荷载不大的梁、柱的受力主筋、箍筋以及其他构造钢筋。HRB335级钢筋：月牙纹钢筋，公称直径范围为6～50mm，推荐直径为6、8、10、12、16、20、25、32、40和50mm。是混凝土结构的辅助钢筋，实际工程中也主要用作结构构件中的受力主筋。HRB400级钢筋：月牙纹钢筋，公称直径范围和推荐直径同HRB335钢筋。是混凝土结构的主导钢筋，实际工程中主要用作结构构件中的受力主筋。RRB400级钢筋：月牙纹钢筋，公称直径范围为8～40mm，推荐直径为8、10、12、16、20、25、32和40mm。强度虽高，但疲劳性能、冷弯性能以及可焊性均较差，其应用受到一定限制。2）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，有3股和7股两种，多用于后张法大型构件。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。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。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、其中Z可以省略碳素结构钢牌号举例：Q235A2）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）钢材的选用《钢结构规范》规定，承重结构的钢材宜采用Q235钢、Q345钢、Q390钢和Q420钢。承重结构采用的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服强度和硫、磷含量的合格保证，对焊接结构尚应具有碳含量的合格保证。焊接承重结构以及重要的非焊接承重结构采用的钢材还应具有冷弯试验的合格保证。（2）品种及规格1）热轧钢板热轧钢板厚度为4.5～60mm，宽0.7~3m，长4~12m。广泛用来组成焊接构件和连接钢板。厚度为0.35～4mm，宽0.5~1.5m，长0.5~4m。薄钢板是冷弯薄壁型钢的原料厚度为4～60mm，宽度为30～200mm，长3~9m。钢板用符号“-”后加“厚×宽×长（单位为mm）”的方法表示，如-12×800×2100。薄板厚板扁钢2.钢结构用钢材2）热轧型钢（图2.1.2）①角钢②工字钢③槽钢④H型钢⑤剖分T型钢⑥钢管3）冷弯薄壁型材冷弯薄壁型钢：由2～6mm的薄钢板经冷弯或模压而成型的高效经济的截面；缺点是因为壁薄，对锈蚀影响较为敏感，故多于跨度小，荷载轻的轻型钢结构中。压型钢板：所用钢板厚度为0.4～2mm。其优缺点同冷弯薄壁型钢，主要用于围护结构、屋面、楼板等。3.2混凝土混凝土的组份：骨料水泥结晶体水泥凝胶体弹性变形的基础塑性变形的基础混凝土的强度及变形随时间和环境的变化而变化。水泥、石、砂、水按一定的配合比制成不同等级的砼。一、混凝土的强度1、立方体的抗压强度fcu用标准制作方式制成的150×150mm的立方体试块，在标准养护条件下养护28天，用标准试验方法测得具有95％保证率的抗压强度，作为混凝土的立方抗压强度标准值，用符号fcu,k表示。1、立方体的抗压强度fcu•影响立方体强度的因素：试件尺寸、温度、湿度、试验方法。•由于尺寸效应的影响：fcu(150)=0.95fcu(100)fcu(150)=1.05fcu(200)混凝土强度等级：根据立方体抗压强度标准值fcu,k的大小，混凝土强度等级分C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75、C80共14级。其中，C60~C80属高强混凝土。2、混凝土的轴心抗压强度fc真实反映以受压为主的混凝土结构构件的抗压强度。砼轴心抗压试验我国采用150×150×300mm棱柱体试件测得的强度作为混凝土的轴心抗压强度。混凝土的轴心抗压强度标准值按下式计算：为消除端部约束的影响5~3bh用立方体强度反映：考虑实际情况(施工状况、养护条件等)2、混凝土的轴心抗压强度fc式中—棱柱强度与立方强度之比，对C50及以下取=0.76，对C80取=0.82，中间按线形规律变化；111—考虑C40以上混凝土脆性的折减系数，对C40取=1.0，对C80取=0.87，中间按线形规律变化。222kcu,21kc,88.0ff3、轴心抗拉强度ft混凝土的抗拉强度比抗压强度小得多，为抗压强度。16181～45.055.02tk64.11359.088.0cukcff混凝土的抗拉强度可采用尺寸为100×100×500mm的柱体试件进行直接轴心受拉试验，但其准确性较差。故国内为多采用圆柱体或立方体的劈裂试验来间接测定。6.04.02.00.12.18.04.02.06.08.00.12.12112c2/fc1/fc227.1f122c127.1maxf215.001.0双向正应力作用(如图)复合应力状态下混凝土强度三轴受压：(如图)3cc1.4:ffc抗压强度提高工程应用：约束混凝土钢管砼密配螺旋箍筋2003=50N/mm235N/mm213310N/mm21501005005101520251(‰)二、混凝土的变形性能混凝土的变形有两类：一类是受力变形；另一类是体积变形，包括收缩、膨胀和温度变形。二、混凝土的变形性能1、混凝土的单轴应力－应变关系混凝土单轴短期荷载作用下的应力-应变关系是混凝土材料最基本的力学性能，是对混凝土进行理论分析的基本依据，是研究和建立混凝土构件的承载力、变形、延性以及应用计算机进行构件的非线性全过程分析的重要依据。混凝土单轴受压应力-应变关系曲线常采用标准棱柱体或圆柱体试件来测定。二、混凝土的变形性能1、混凝土的单轴应力－应变关系OA–––弹性阶段A:0.3fcAB–––弹塑性阶段:0.3fc～0.8fc裂缝稳定阶段BC–––裂缝不稳定阶段:0.8fc～1.0fcCBDEfc00•••Acu••特征点：0–––对应于峰值点应变《规范》0=0.002cu–––混凝土极限压应变《规范》cu=0.0033fc–––轴心抗压强度混凝土的应力－应变关系对混凝土单轴短期加载下关系曲线的几点认识：1、混凝土的关系是一条曲线，说明混凝土是一种弹塑性材料。2、曲线的上升段的高低反映了混凝土强度的大小，下降段的陡缓反映了混凝土变形能力的大小。混凝土的变形能