第二章 混凝土结构材料的物理力学性能.pptx

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1、单轴应力状态下的混凝土强度单轴应力状态下的混凝土强度 混凝土结构中，主要是利用它的抗压强度。因此抗压强度是混凝土力学性能中最主要和最基本的指标。混凝土的强度等级是用抗压强度来划分的1.1.单向受力状态下混凝土的强度单向受力状态下混凝土的强度 1）立方体抗压强度）立方体抗压强度fcu(N/mm2)：采用标准试块采用标准试块（规范规定边长为（规范规定边长为150mm的混凝土立方体），在标的混凝土立方体），在标准条件下准条件下(温度为温度为 203，相对湿度在，相对湿度在90%以上以上)养养护护28天，按规定的标准试验方法天，按规定的标准试验方法(中心加载，平均速中心加载，平均速度为度为0.30.8

2、MPa/s，试件上下表面不涂润滑剂，试件上下表面不涂润滑剂)测得测得的抗压强度称为混凝土立方体抗压强度的抗压强度称为混凝土立方体抗压强度。第1页/共64页立方体抗压强度fcu承压板试块摩擦力不涂润滑剂涂润滑剂强度高于我国规范的方法：不涂润滑剂压力试件裂缝发展扩张整个体系解体，丧失承载力另影响强度的因素还有：龄期、加载速率、试块尺寸等标准试块：150150 150非标准试块：100100 100 换算系数 0.95 200200 200 换算系数 1.05第2页/共64页我国规范混凝土的强度等级从C15C80共划分为14个强度等级，级差为5N/mm2。C15，C20，C25，C30，C35，C4

3、0，C45，C50，C55，C60，C65，C70，C75，C802）混凝土强度等级混凝土强度等级应按立方体抗压强度标准值确定。立方体抗压强度标准值系指按标准方法制作、养护的边长为150mm的立方体试件，在28d或设计规定龄期以标准试验方法测得的具有95保证率的抗压强度值。fcu,k(N/mm2)第3页/共64页3）混凝土选用 素混凝土结构的混凝土强度等级不应低于C15；钢筋混凝土结构的混凝土强度等级不应低于C20；采用强度等级400MPa及以上的钢筋时，混凝土强度等级不应低于C25。预应力混凝土结构的混凝土强度等级不宜低于C40，且不应低于C30。承受重复荷载的钢筋混凝土构件，混凝土强度等级

4、不应低于C30。注意：受压构件可高些，受弯构件不宜太高。第4页/共64页2.2.轴心抗压强度n轴心抗压强度由棱柱体试件测得的抗压强度确定。n按标准方法制作的150mml50mm300mm的棱柱体试件。n棱柱体抗压强度小于立方体抗压强度。套箍作用，尺寸效应n考虑到实际结构构件制作、养护和受力情况，实际构件强度与试件强度之间存在差异，规范基于安全取偏低值，规定轴心抗压强度标准值和立方体抗压强度标准值的换算关系为：脆性折减系数强度比第5页/共64页 式中：为棱柱体强度与立方体强度之比，对不大于C50级的混凝土取0.76，对C80取0.82，其间按线性插值。为高强混凝土的脆性折减系数，对C40及以下取

5、1.0，对C80取0.87，中间按直线规律变化取值。0.88为考虑实际构件与试件混凝土强度之间的差异而取用的折减系数。第6页/共64页棱柱体抗压强度fck承压板试块标准试块：150150 300非标准试块：100100 300 换算系数 0.95 200200 400 换算系数 1.05对国外（美国、日本、欧洲混凝土协会等）采用的圆柱体试件（d=150,h=300），有fc=0.79fcu(C60以下)圆柱体抗压强度第7页/共64页3.3.轴心抗拉强度轴心抗拉强度 混凝土的轴心抗拉强度可以采用直接轴心受拉的试验方法来测定，但由于试验比较困难，目前国内外主要采用圆柱体或立方体的劈裂试验来间接测试

6、混凝土的轴心抗拉强度。劈拉试验FdF拉压压第8页/共64页 混凝土结构设计规范规定轴心抗拉强度标准值与立方体抗压强度标准值的换算关系为：混凝土轴心抗拉强度与立方体抗压强度的关系 结果：轴心抗拉强度只有立方体抗压强度的1/171/8；混凝土强度等级越高比值越小。一般认为1/10。第9页/共64页双轴应力状态实际结构中，混凝土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，最大受压强度发生在两个压应力之比为0.3 0.6之间，约(1.251.60)fc。双轴受压状态下混凝土的应力-应变关系与单轴受压曲线相似，但峰值应变均超过单轴受压时的峰值应变。压拉压拉拉压3.

7、3.复合受力状态下混凝土的强度复合受力状态下混凝土的强度第10页/共64页 在平面应力状态下，当两方向应力均为压应力时，抗压强度相互提高，最大可增加27，而当一方向为压应力，另一方向为拉应力时，强度相互降低。当压应力不太高时，其存在可提高混凝土的抗剪强度，拉应力的存在会降低混凝土的抗剪强度。剪应力的存在降低混凝土的抗压和抗拉强度。第11页/共64页构件受剪或受扭时常遇到剪应力t t 和正应力s s 共同作用下的复合受力情况。混凝土的抗剪强度：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，则由于内裂缝发展明显，抗剪强度将随压应力的增大而减小。

8、第12页/共64页三轴应力状态三轴应力状态有多种组合，实际工程遇到较多的螺旋箍筋柱和钢管混凝土柱中的混凝土为三向受压状态。三向受压试验一般采用圆柱体在等侧压条件进行。由试验得到的经验公式为:式中 被约束混凝土的轴心抗压强度；非约束混凝土的轴心抗压强度；侧向约束压应力。侧向压应力的存在还可提高混凝土的延性。第13页/共64页混凝土的变形混凝土的变形混凝土的变形可分为两类：（1）荷载作用下的受力变形，如单调短期加载的变形、荷载长期作用下的变形以及多次重复加载的变形。（2）与受力无关，称为体积变形，如混凝土收缩以及温度变化引起的变形。第14页/共64页02468102030(MPa)10-3BACE

9、DA:比例极限点B:临界点C:峰值点D:拐点E:收敛点第15页/共64页不同强度混凝土的应力-应变关系曲线第16页/共64页Hognestad建议的应力-应变曲线第17页/共64页德国Rsch模型第18页/共64页弹性模量变形模量切线模量第19页/共64页第20页/共64页混凝土在受到荷载作用后，在荷载(应力)不变的情况下，变形(应变)随时间而不断增长的现象。161284369121518212427Acecr徐变ce弹性变形ch收缩ceaeerBCD(104)t(月)0徐变：图1-9第21页/共64页影响因素影响因素内在因素是混凝土的组成和配比。骨料的刚度（弹性模量）越大，体积比越大，徐变就

10、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。受荷前养护的温湿度越高，水泥水化作用月充分，徐变就越小。采用蒸汽养护可使徐变减少（2035）%。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。体表比大徐变小第22页/共64页混凝土在荷载重复作用下的混凝土在荷载重复作用下的应力应力-应变关系应变关系第23页/共64页 疲劳强度疲劳强度混凝土的疲劳强度由疲劳试验测定。采用混凝土的疲劳强度由疲劳试验测定。采用100mm100mm300mm 100mm100mm300mm 或着或着150mm150mm450mm150mm150mm450mm的棱柱体，把棱柱体试件承的棱柱体，把棱柱体试

11、件承受受200200万次或其以上循环荷载而发生破坏的压应力万次或其以上循环荷载而发生破坏的压应力值称为混凝土的值称为混凝土的疲劳抗压强度疲劳抗压强度。影响因素影响因素施加荷载时的应力大小是影响应力施加荷载时的应力大小是影响应力-应变曲线不同应变曲线不同的发展和变化的关键因素，即混凝土的疲劳强度与的发展和变化的关键因素，即混凝土的疲劳强度与重复作用时应力变化的幅度有关。重复作用时应力变化的幅度有关。在相同的重复次在相同的重复次数下，疲劳强度随着疲劳应力比值的增大而增大。数下，疲劳强度随着疲劳应力比值的增大而增大。第24页/共64页疲劳应力比值应按下列公式计算：混凝土轴心抗压疲劳强度设计值、轴心抗

12、拉疲劳强度设计值应分别按强度设计值乘疲劳强度修正系数确定。混凝土受压或受拉疲劳强度修正系数应根据疲劳应力比值 查表；当混凝土承受拉-压疲劳应力作用时，疲劳强度修正系数取0.60。第25页/共64页2.2钢筋的物理力学性能钢筋及预应力筋的强度按现行国家标准钢筋混凝土用钢GB1499、钢筋混凝土用余热处理钢筋GB13014、中强度预应力混凝土用钢丝YBT156、预应力混凝土用螺纹钢筋GBT20065、预应力混凝土用钢丝GBT5223、预应力混凝土用钢绞线GBT5224等的规定给出，其应具有不小于95的保证率。建筑工程应用主要有：普通钢筋：热轧钢筋、余热处理钢筋。预应力钢筋：钢丝、钢绞线、螺纹钢筋。

13、第26页/共64页一、钢筋的品种和级别1、热轧钢筋热轧光圆钢筋hot rolled plain bars经热轧成型并自然冷却，横截面通常为圆形，表面光滑的成品光圆钢筋。HPB300（低碳钢）热轧带肋钢筋（低合金钢）HRB335 HRBF335 HRB400 HRBF400 HRB500 HRBF500 HRB400E HRB500E第27页/共64页普通bars热轧钢筋 hot rolled：按热轧状态交货的钢筋。其金相组织主要是铁素体加珠光体，不得有影响使用性能的其他组织存在。细晶粒热轧钢筋 hot rolled bars of fine grains：在热轧过程中，通过控轧和控冷工艺形成的

14、细晶粒钢筋。其金相组织主要是铁素体加珠光体，不得有影响使用性能的其他组织存在，晶粒度不粗于9级。带肋钢筋 ribbed bars：横截面通常为圆形，且表面带肋的混凝土结构用钢材。纵肋 longitudinal rib：平行于钢筋轴线的均匀连续肋。横肋 transverse rib：与钢筋轴线不平行的其他肋。月牙肋钢筋 crescent ribbed bars：横肋的纵截面呈月牙形，且与纵肋不相交的钢筋。第28页/共64页第29页/共64页光圆钢筋螺纹钢筋月牙纹钢筋人字纹钢筋第30页/共64页第31页/共64页余热处理钢筋：RRB400钢筋标准中牌号为KL400其延性、可焊性、机械连接性能及施工

15、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中，如基础、大体积混凝土、楼板、墙体以及次要的中小结构构件等。第32页/共64页第33页/共64页第34页/共64页 中强度预应力钢丝：消除应力钢丝（高碳钢丝）：预应力钢丝 第35页/共64页第36页/共64页预应力混凝土用钢绞线：由光圆钢丝捻制成的钢绞线。公称直径：钢绞线外接圆直径的名誉尺寸第37页/共64页预应力混凝土用螺纹钢筋：热轧成带有不连续的外螺纹的直条钢筋，该钢筋在任意截面处，均可用带有匹配形状的内螺纹的连接器或锚具进行连接或锚固。第38页/共64页s se e二、钢筋的强度与变形 两类：两类：有明显屈服点的钢筋；无明显屈服点

16、的钢筋。ABBCDA为比例极限OA为弹性阶段CD为强化阶段B为屈服上限B为屈服下限，即屈服强度 强度设计 值的依据BC为屈服台阶D为极限抗拉强度 EDE为颈缩阶段1.有明显屈服点的钢筋第39页/共64页2.2.无明显屈服点的钢筋a点：比例极限，约为0.65ba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值依据条件屈服点：残余应变为0.2%所对应的应力规范取s s0.2=0.85 b b第40页/共64页三、检验钢筋的力学性能指标屈服强度极限强度伸长率 最大力下总伸长率（均匀伸长率）冷弯性能。伸长率第41页/共64页第42页/共64页 抗

17、震等级为一、二、三级的框架和斜撑构件(含梯段)，其纵向受力钢筋采用普通钢筋时，钢筋的抗拉强度实测值与屈服强度实测值的比值不应小于1.25；钢筋的屈服强度实测值与屈服强度标准值的比值不应大于1.3，且钢筋在最大拉力下的总伸长率实测值不应小于9。第43页/共64页o冷拉控制应力(N/mm2)冷拉率残余变形oabccdd冷拉无时效冷拉经时效四、钢筋的冷加工1.冷拉(1)冷拉后仍是软钢，有屈服点。塑性降低.(2)冷拉后只提高钢筋的抗拉强度，不提高钢筋的抗压强度。(3)钢筋设计仍采用冷拉前的截面。(4)经时效提高的强度在设计中不利用；高温会使冷拉强化消失，因此，需焊接的钢筋，应先焊接，后冷拉。第44页/

18、共64页2.冷拔 冷拔是将光面钢筋数次用强力拔过比自身直径小的质合金模具。在冷拔过程中，钢筋同时受纵向拉力和横向挤压的作用，产生较大的塑性变形，内部金属晶粒发生形变和位移，强度明显提高，塑性下降也较多。（1）冷拔后材性改变，由软钢变为硬钢，应力-应变曲线中无明显流幅；（2）冷拔后，钢筋的抗拉、抗压强度均有提高。冷拔低碳钢丝应用技术规程JGJ19-2010第45页/共64页五、钢筋选用五、钢筋选用1.1.纵向受力普通钢筋宜采用纵向受力普通钢筋宜采用HRB400HRB400、HRB500HRB500、HRBF400HRBF400、HRBF500HRBF500钢筋，也可采用钢筋，也可采用HPB300

19、HPB300、HRB335HRB335、HRBF335HRBF335、RRB400RRB400钢筋；钢筋；2.2.梁、柱纵向受力普通钢筋应采用梁、柱纵向受力普通钢筋应采用HRB400HRB400、HRB500HRB500、HRBF400HRBF400、HRBF500HRBF500钢筋；钢筋；3.3.箍筋宜采用箍筋宜采用HRB400HRB400、HRBF400HRBF400、HPB300HPB300、HRB500HRB500、HRBF500HRBF500钢筋，也可采用钢筋，也可采用HRB335HRB335、HRBF335HRBF335钢筋；钢筋；4.4.预应力筋宜采用预应力钢丝、钢绞线和预应力预

20、应力筋宜采用预应力钢丝、钢绞线和预应力螺纹钢筋。螺纹钢筋。第46页/共64页六、钢筋应力六、钢筋应力-应变曲线的数学模型应变曲线的数学模型sss=Essys,hfysss=Essys,hfyfs,us,us,usss=Essyfys,hfs,u有明显流幅的钢筋有明显流幅的钢筋无明显流幅的钢筋无明显流幅的钢筋第47页/共64页 1）强度：要求钢筋有足够的强度和适宜的强屈比(极限强度与屈服强度的比值)。2）塑性：要求钢筋应有足够的变形能力。3）可焊性：要求钢筋焊接后不产生裂缝和过大的变形，焊接接头性能良好。4）与混凝土的粘结力：要求钢筋与混凝土之间有足够的粘结力，以保证两者共同工作。七、混凝土结构

21、对钢筋性能的要求第48页/共64页结构功能和极限状态本规范采用以概率理论为基础的极限状态设计方法，以可靠指标度量结构构件的可靠度，采用分项系数的设计表达式进行设计。混凝土结构的极限状态设计应包括：1承载能力极限状态：结构或结构构件达到最大承载力、出现疲劳破坏、发生不适于继续承载的变形或因结构局部破坏而引发的连续倒塌；2正常使用极限状态：结构或结构构件达到正常使用的某项规定限值或耐久性能的某种规定状态。结构上的直接作用(荷载)应根据现行国家标准建筑结构荷载规范GB50009及相关标准确定；地震作用应根据现行国家标准建筑抗震设计规范GB50011确定。第49页/共64页混凝土结构的承载能力极限状态

22、计算应包括下列内容：1结构构件应进行承载力(包括失稳)计算；2直接承受重复荷载的构件应进行疲劳验算；3有抗震设防要求时，应进行抗震承载力计算；4必要时尚应进行结构的倾覆、滑移、漂浮验算；5对于可能遭受偶然作用，且倒塌可能引起严重后果的重要结构，宜进行防连续倒塌设计。第50页/共64页第51页/共64页混凝土结构构件应根据其使用功能及外观要求，按下列规定进行正常使用极限状态验算：1对需要控制变形的构件，应进行变形验算；2对不允许出现裂缝的构件，应进行混凝土拉应力验算；3对允许出现裂缝的构件，应进行受力裂缝宽度验算；4对舒适度有要求的楼盖结构，应进行竖向自振频率验算。对于正常使用极限状态，钢筋混凝

23、土构件、预应力混凝土构件应分别按荷载的准永久组合并考虑长期作用的影响或标准组合并考虑长期作用的影响，采用下列极限状态设计表达式进行验算：SCS正常使用极限状态荷载组合的效应设计值；C结构构件达到正常使用要求所规定的变形、应力、裂缝宽度和自振频率等的限值。第52页/共64页对于基本组合，荷载效应组合的设计值S应从下列组合值中取最不利值确定：1)由可变荷载效应控制的组合：G G永久荷载的分项系数，当其效应对结构不利时,对由可变荷载效应控制的组合，应取1.2；对由永久荷载效应控制的组合，应取1.35Q Q第i个可变荷载的分项系数，一般情况下取1.4；对标准值大于4kNm2的工业房屋楼面结构的活荷载取

24、1.3。第53页/共64页材料强度设计值=材料强度标准值/材料强度分项系数混凝土：标准值：具有95保证率的强度值。材料强度分项系数c c=1.4=1.4钢筋：标准值：应具有不小于95的保证率。实际取用钢筋保准中的屈服强度特征值保证率约为97.73%。材料强度分项系数s s钢筋：HPB300、HRB335、HRB400为1.1，HRB500为1.15预应力筋为1.2例如f fptkptk1720N/mm2的预应力钢绞线，强度设计值f fpypy17200.85/1.21218N/mm2，取整为1220N/mm2。第54页/共64页2.3 2.3 混凝土与钢筋的粘结混凝土与钢筋的粘结一、粘结力的分

25、布一、粘结力的分布粘结力：钢筋和混凝土交界面上的剪应力。粘结力：钢筋和混凝土交界面上的剪应力。没有钢筋的应力差就没有粘结力。反之，没没有钢筋的应力差就没有粘结力。反之，没有粘结力就没有钢筋的应力差。有粘结力就没有钢筋的应力差。（a）锚固粘结应力 （b）裂缝间的局部粘结应力第55页/共64页二、粘结力的组成二、粘结力的组成（）钢筋与混凝土接触面上的化学吸附作用（）钢筋与混凝土接触面上的化学吸附作用力（胶结力）。一般很小，发生滑移时即消力（胶结力）。一般很小，发生滑移时即消失。失。（）混凝土收缩握裹钢筋而产生的摩阻力。（）混凝土收缩握裹钢筋而产生的摩阻力。（）钢筋表面凹凸不平与混凝土之间产生的（）

26、钢筋表面凹凸不平与混凝土之间产生的机械咬合作用力（咬合力）。对于光圆钢筋，机械咬合作用力（咬合力）。对于光圆钢筋，这种咬合力来自于表面的粗糙不平。这种咬合力来自于表面的粗糙不平。光面钢筋以（光面钢筋以（1 1）（）（2 2）为主，变形钢筋以）为主，变形钢筋以（3 3）为主。好比普通钉子与螺丝钉。为主。好比普通钉子与螺丝钉。第56页/共64页第57页/共64页三、粘结应力滑移关系变形钢筋粘结力高，滑移量小。轻微锈不用清除。第58页/共64页四、影响粘结强度的因素1.1.混凝土强度等级。粘结强度与混凝土抗拉强度大致成正比关系 。2.2.钢筋的外形、直径和表面状态 变形钢筋的外形（肋高）与直径不成正

27、比,大直径钢筋的相对肋高低,肋面积小,所以粗钢筋的粘结强度比细钢筋有明显降低。因此对d d25mm25mm的钢筋,锚固长度应加以修正。光面钢筋的表面状态（粗糙程度）直接影响摩阻力,轻度锈蚀的光面钢筋比无锈光面钢筋粘结强度提高约36%,36%,因此一般钢筋使用时不必除锈（除重锈外）。3.3.混凝土保护层厚度、钢筋净距、横向钢筋 混凝土相对保护层厚度c/dc/d对光面钢筋粘结强度影响甚微,但对变形钢筋粘结强度影响显著,与出现纵向劈裂裂缝有关,而纵向劈裂裂缝出现的迟早又与混凝土保护层厚度有关。但当保护层厚度大到一定程度,将不发生劈裂式破坏粘结强度将不再随保护层厚度加大而提高,c/d5c/d5后无关

28、。横向钢筋 transverse reinforcement垂直于纵向受力钢筋的箍筋或间接钢筋。第59页/共64页若构件中配有箍筋,能延迟和约束纵向裂缝的发展,阻止劈裂破坏,在纵向裂缝出现后粘结强度仍有所增长,且增长值与配箍成正比。试验还表明配箍对保持后期粘结强度、改善延性有明显作用。4.侧向压力（例如支座处）侧向压力作用下,由于摩阻力和咬合力增加,粘结强度提高。但过大的侧压将导致混凝土裂缝提前出现,反而降低粘结强度。5.混凝土浇筑状况上部则由于混凝土下沉收缩会产生纵向裂缝,导致粘结强度降低。6.反复加载多次重复加卸载或正负反复作用,随荷载循环次数的增长,粘结强度逐渐下降。第60页/共64页五、钢筋的锚固1.锚固长度anchoragelength受力钢筋依靠其表面与混凝土的粘结作用或端部构造的挤压作用而达到设计承受应力所需的长度。具体数值见规范2.基本锚固长度取决于钢筋强度fy及混凝土抗拉强度ft，并与锚固钢筋的直径及外形有关。第61页/共64页第62页/共64页本章重点1.钢筋种类，应力应变关系，条件屈服点，强度设计值的依据，检验钢筋的指标，混凝土结构对钢筋的要求，钢筋选用。2.混凝土强度指标类别、大小关系，混凝土选用，应力应变全曲线，徐变概念、后果。了解复合受力强度关系。3.粘结力组成、影响因素，影响钢筋锚固长度的因素。第63页/共64页感谢您的观看！第64页/共64页