混凝土结构设计原理钢筋和混凝土材料的基本性能.pptx
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1、p本本章章主主要要内内容容钢筋的材料性能钢筋的材料性能 混凝土的材料性能混凝土的材料性能 混凝土与钢筋的粘结混凝土与钢筋的粘结 本章提要材料性能(物理力学性能)钢筋钢筋的强度、变形性能的强度、变形性能 混凝土混凝土的强度、变形性能的强度、变形性能 钢筋与混凝土之间钢筋与混凝土之间的粘结的粘结-滑移性能滑移性能重点 混凝土混凝土的强度、变形性能的强度、变形性能本章在本课程中的本章在本课程中的作用作用 后续各章的后续各章的基础基础p 钢筋的成分、级别和种类钢筋的成分、级别和种类p 钢筋的强度和变形性能(钢筋的强度和变形性能(重点重点)p 钢筋的冷加工钢筋的冷加工p 混凝土结构对钢筋性能的要求混凝土
2、结构对钢筋性能的要求主要成分主要成分:铁:铁其他成分其他成分:碳、锰、硅、磷、硫等:碳、锰、硅、磷、硫等碳素钢碳素钢:低碳钢:低碳钢(含碳量(含碳量0.25%););中碳钢中碳钢(0.25%0.6%)高碳钢高碳钢(0.6%1.4%)。)。含碳量高,强度高,塑性和可焊性降低含碳量高,强度高,塑性和可焊性降低锰、硅锰、硅:可提高钢材强度,保持一定的塑性:可提高钢材强度,保持一定的塑性低合金钢低合金钢:在钢材中加入少量的合金元素(锰、硅、钒、钛、:在钢材中加入少量的合金元素(锰、硅、钒、钛、铬等),铬等),强度高、韧性好强度高、韧性好细晶粒热轧带肋钢筋细晶粒热轧带肋钢筋:不添加或添加很少的合金元素,
3、通过控:不添加或添加很少的合金元素,通过控制轧钢的温度形成细晶粒的金相组织,达到与添加合金元素相制轧钢的温度形成细晶粒的金相组织,达到与添加合金元素相同的效果,其强度和变形能力满足要求。同的效果,其强度和变形能力满足要求。2.1.1钢筋的品种和级别2.1.1钢筋的品种和级别钢筋混凝土结构中的钢筋钢筋混凝土结构中的钢筋普通钢筋普通钢筋预应力筋预应力筋热轧钢筋热轧钢筋钢绞线钢绞线消除应力钢丝消除应力钢丝 预应力螺纹钢筋预应力螺纹钢筋低碳钢低碳钢普通低合金钢普通低合金钢或细晶粒钢或细晶粒钢n 混凝土结构中的钢筋混凝土结构中的钢筋HRB335HRB400RRB400HPB300HRB500HRBF33
4、5HRBF400HRBF500HPB300 HRB335HRB400RRB400n 热轧钢筋的符号说明热轧钢筋的符号说明hot rolled plain bar fyk=300 N/mm2hot rolled ribbed bar fyk=335 N/mm2hot rolled ribbed barfyk=400 N/mm2remained heat treatment ribbed bar fyk=400 N/mm22.1.1钢筋的品种和级别 钢筋混凝土中的纵向受力钢筋宜采用钢筋混凝土中的纵向受力钢筋宜采用400、500的热轧钢筋,也可用的热轧钢筋,也可用300、335的热轧钢筋;的热轧钢筋
5、;RRB400钢筋的可焊性、机械连接性能和施工钢筋的可焊性、机械连接性能和施工适用性有所降低,可用于对延性和加工性能要求不高的构件中,不宜用作适用性有所降低,可用于对延性和加工性能要求不高的构件中,不宜用作重要部位的受力钢筋,不应用于直接承受疲劳荷载的构件。重要部位的受力钢筋,不应用于直接承受疲劳荷载的构件。2.1.1钢筋的品种和级别n 热轧钢筋的外形热轧钢筋的外形光圆钢筋光圆钢筋 螺纹钢筋螺纹钢筋 人字纹钢筋人字纹钢筋 月牙纹钢筋月牙纹钢筋 2.1.1钢筋的品种和级别2.1.1钢筋的品种和级别n预应力钢筋外形预应力钢筋外形普通钢筋一般为普通钢筋一般为软刚软刚;预应力筋一般为;预应力筋一般为硬
6、钢。硬钢。从受力性能分从受力性能分:软钢;硬钢:软钢;硬钢2.1.1钢筋的品种和级别2.1.2 钢筋的强度和变形性能n 钢筋的应力应变曲线钢筋的应力应变曲线(有明显流幅的钢筋(有明显流幅的钢筋,软钢软钢)比例极限比例极限弹性极限弹性极限屈服上限屈服上限屈服下限屈服下限屈服平台屈服平台强化阶段强化阶段颈缩阶段颈缩阶段n 钢筋的两个强度指标钢筋的两个强度指标:屈服强度屈服强度和和极限强度极限强度n 屈服强度屈服强度作为钢筋设计强度取值作为钢筋设计强度取值依据依据n 钢筋的应力应变曲线钢筋的应力应变曲线(无明显流幅的钢筋(无明显流幅的钢筋,硬钢硬钢)比例极限比例极限 a极限强度极限强度b条件屈服强度
7、条件屈服强度0.22.1.2 钢筋的强度和变形性能硬钢只有极限强度,硬钢只有极限强度,没有屈服强度没有屈服强度;条件屈服强度条件屈服强度:取残余应变为取残余应变为0.2%所对应的应力所对应的应力2.1.2 钢筋的强度和变形性能n 钢筋的弹性模量钢筋的弹性模量n 钢筋的钢筋的弹性模量弹性模量根据拉伸试验中弹性阶段的应力根据拉伸试验中弹性阶段的应力应变曲线应变曲线确定,由于钢筋在弹性阶段的受压和受拉性能相同,故取受拉确定,由于钢筋在弹性阶段的受压和受拉性能相同,故取受拉弹性模量等于受压弹性模量。弹性模量等于受压弹性模量。n 钢筋的塑性性能钢筋的塑性性能n 钢筋的两个塑性指标钢筋的两个塑性指标:延伸
8、率延伸率(最大力下的总伸长率最大力下的总伸长率)和和冷弯性能冷弯性能l0=5,10dln 延延伸伸率率试试验验n 冷冷弯弯试试验验d2.1.2 钢筋的强度和变形性能nTotal elongation at maximum force 测量区是残余变形吗?测量区是残余变形吗?最大力下的总伸长率最大力下的总伸长率 普通钢筋及预应力筋在最大力下的总伸长率gt应不应小于下表规定的数值:n 钢筋的钢筋的冷弯性能冷弯性能n 冷冷弯弯试试验验d2.1.2 钢筋的强度和变形性能 为了使钢筋在使用时不会脆断,加工时不致断裂,钢筋应具有一定的冷弯性能。该性能由冷弯试验确定,要求弯曲后钢筋应无裂纹、鳞落或断裂现象。
9、2.1.2 钢筋的强度和变形性能钢筋的强度和变形性能软钢与硬钢的区别软钢与硬钢的区别 软钢:有明显的屈服平台;屈服强度,极限强度 硬钢:无屈服平台,只有极限强度;规定“条件屈服强度”设计取值依据设计取值依据 屈服强度(软钢);条件屈服强度(硬钢)钢筋的屈强比钢筋的屈强比 =屈服强度屈服强度/极限强度极限强度0.8钢筋的延性钢筋的延性(ductility)钢筋在强度无显著降低情况下抵抗变形的能力(屈服后钢筋在强度无显著降低情况下抵抗变形的能力(屈服后的变形能力)。软刚延性好,硬钢延性较差。的变形能力)。软刚延性好,硬钢延性较差。弹性模量弹性模量:弹性极限以下应力弹性极限以下应力-应变曲线的斜率应
10、变曲线的斜率n 钢筋的疲劳性能钢筋的疲劳性能n 吊车梁、铁路或公路桥梁、枕轨、海洋石油平台等往往承受吊车梁、铁路或公路桥梁、枕轨、海洋石油平台等往往承受周期周期性的重复荷载作用性的重复荷载作用。往往引起疲劳破坏。往往引起疲劳破坏。2.1.2 钢筋的强度和变形性能n 原因:疲劳断裂是由于钢筋内部的缺陷造成的,这些缺陷一方面原因:疲劳断裂是由于钢筋内部的缺陷造成的,这些缺陷一方面引起局部应力集中,另一方面在重复荷载作用下,裂缝时而闭合时引起局部应力集中,另一方面在重复荷载作用下,裂缝时而闭合时而张开,使裂痕逐渐发展,最终导致断裂。而张开,使裂痕逐渐发展,最终导致断裂。n 疲劳破坏疲劳破坏:钢材在重
11、复、周期动荷载作用下,经过一定次数后,:钢材在重复、周期动荷载作用下,经过一定次数后,钢材发生脆性的突然断裂破坏,而不是单调加载时的塑性破坏,这钢材发生脆性的突然断裂破坏,而不是单调加载时的塑性破坏,这种破坏称为疲劳破坏。种破坏称为疲劳破坏。n 疲劳强度疲劳强度:是指在某一规定应力变化范围内,经受一定次数的循:是指在某一规定应力变化范围内,经受一定次数的循环荷载以后,才发生破坏的最大应力值。用环荷载以后,才发生破坏的最大应力值。用 表示。表示。n 钢筋的疲劳性能钢筋的疲劳性能2.1.2 钢筋的强度和变形性能n 对疲劳性能的确定,新老规范有较大差异对疲劳性能的确定,新老规范有较大差异n 影响因素
12、影响因素:应力变化幅值、最小应力、钢筋表面几何形状、钢筋:应力变化幅值、最小应力、钢筋表面几何形状、钢筋直径、钢筋种类、轧制工艺和试验方法,最主要的是应力变化幅值,直径、钢筋种类、轧制工艺和试验方法,最主要的是应力变化幅值,用用 表示表示 。n 钢筋的疲劳性能钢筋的疲劳性能2.1.2 钢筋的强度和变形性能n 老规范老规范GBJ10-89:在:在200200万次万次重复荷载条件下,根据疲劳应力重复荷载条件下,根据疲劳应力比值比值 ,确定钢筋的,确定钢筋的疲劳强度。疲劳强度。n 优点:直观,方便,易懂。优点:直观,方便,易懂。Pf小代表应力变化范围大。破坏显著!小代表应力变化范围大。破坏显著!n
13、钢筋的疲劳性能钢筋的疲劳性能2.1.2 钢筋的强度和变形性能n新规范新规范GB50010-2010:在:在200200万次重复荷载条件下,根万次重复荷载条件下,根据疲劳应力比值据疲劳应力比值 ,确定钢,确定钢筋的筋的疲劳应力幅限值疲劳应力幅限值 。n 变化:变化:1.1.用应力幅限值代替疲劳强度;用应力幅限值代替疲劳强度;2.2.应力幅限值根据原规范的疲应力幅限值根据原规范的疲劳强度设计值用校准法反算得出;劳强度设计值用校准法反算得出;3.3.不直观,不直观,不方便,不易懂。不方便,不易懂。2.1.3 钢筋的冷加工n 冷拉冷拉n 冷冷拉拉是是在在常常温温下下用用机机械械方方法法将将有有明明显显
14、流流幅幅的的钢钢筋筋拉拉到到超超过过屈服强度即强化阶段中的某一应力值屈服强度即强化阶段中的某一应力值,然后卸载至零。,然后卸载至零。n冷冷拉拉强强化化:冷冷拉拉控控制制应应力力必必须须超超过过屈屈服服点点,进进入入强强化化阶阶段段。屈服强度提高,屈服平台消失,极限强度未提高,延性降低屈服强度提高,屈服平台消失,极限强度未提高,延性降低n冷冷拉拉时时效效:钢钢筋筋经经首首次次冷冷拉拉后后,在在自自然然条条件件下下一一段段时时间间后后进进行行第第二二次次张张拉拉,屈屈服服强强度度和和极极限限强强度度均均提提高高,且且恢恢复复屈屈服服台台阶。阶。n 只能提高抗拉强度,只能提高抗拉强度,抗压屈服强度将
15、降低抗压屈服强度将降低。2.1.3 钢筋的冷加工n冷拔冷拔 冷拔一般是将冷拔一般是将 6的的HPB235热轧钢筋强行拔过小于其直径热轧钢筋强行拔过小于其直径的硬质合金拔丝模具。的硬质合金拔丝模具。可同时提高抗拉和抗压强度可同时提高抗拉和抗压强度。冷加工目的冷加工目的是节约钢材和扩大钢筋的应用范围。是节约钢材和扩大钢筋的应用范围。n混凝土结构设计规范混凝土结构设计规范不提倡冷拉钢筋,已取消冷拉钢筋不提倡冷拉钢筋,已取消冷拉钢筋.2.1.3 钢筋的冷加工2.1.4 混凝土结构对钢筋性能的要求n 适当的屈强比适当的屈强比0.8n 足够的塑性足够的塑性 最大力下的总伸长率最大力下的总伸长率 HPB30
16、0:不小于不小于10.0%;HRB400HRB500:不小于不小于7.5%RRB400:不小于:不小于5%;预应力筋:不小于;预应力筋:不小于3.5%n 可焊性可焊性n 耐久性与耐火性耐久性与耐火性n 与混凝土具有良好的粘结与混凝土具有良好的粘结n 抗低温性能抗低温性能p 混凝土的强度混凝土的强度p 混凝土的变形性能混凝土的变形性能简单受力状态下混凝土的强度简单受力状态下混凝土的强度 立方体抗压强度立方体抗压强度(uniaxial compressive cube strength)轴心抗压强度轴心抗压强度(uniaxial compressive strength)轴心抗拉强度轴心抗拉强度(
17、uniaxial tensile strength)复杂受力状态下混凝土的强度复杂受力状态下混凝土的强度 双轴受力强度双轴受力强度 三轴受力强度三轴受力强度 剪压及剪拉强度剪压及剪拉强度2.2.1混凝土的强度n 简单受力状态下混凝土的简单受力状态下混凝土的强度强度 立方体抗压强度立方体抗压强度 n 混凝土受压破坏机理混凝土受压破坏机理骨料之间的微裂缝是骨料之间的微裂缝是内因内因纵向受压破坏是横向纵向受压破坏是横向拉裂造成的。拉裂造成的。骨料之间的微裂缝骨料之间的微裂缝2.2.1混凝土的强度n影响因素分析影响因素分析 材料组成:材料组成:最主要因素最主要因素,在材料组成一定时,还有下列因素,在材
18、料组成一定时,还有下列因素n试件尺寸试件尺寸:尺寸大,内部缺陷相对较多,端部摩擦力影响相:尺寸大,内部缺陷相对较多,端部摩擦力影响相对较小,强度低对较小,强度低 这个理由不太好!这个理由不太好!n加载速度加载速度:加载速度快,微裂缝不能充分扩展,强度高:加载速度快,微裂缝不能充分扩展,强度高n试验条件试验条件:试件上、下表面不涂油,横向变形受到约束,强:试件上、下表面不涂油,横向变形受到约束,强度高度高n龄期龄期:龄期长,试件强度高:龄期长,试件强度高 2.2.1混凝土的强度n混凝土立方体抗压强度试验方法混凝土立方体抗压强度试验方法 边长为边长为150mm的标准立方体试块、在标准条件下养护的标
19、准立方体试块、在标准条件下养护28d或或设计规定龄期设计规定龄期后,以标准试验方法测得的破坏时的后,以标准试验方法测得的破坏时的平均压应平均压应力力为混凝土的为混凝土的立方体抗压强度立方体抗压强度。注:对掺加粉煤灰等时,规定龄期为注:对掺加粉煤灰等时,规定龄期为60、90天等。天等。n立方体抗压强度标准值立方体抗压强度标准值 fcu,k 按上述规定所测得的具有按上述规定所测得的具有95%保证率的抗压强度称为混凝保证率的抗压强度称为混凝土的土的立方体抗压强度标准值立方体抗压强度标准值。n混凝土强度等级混凝土强度等级 混凝土规范混凝土规范规定:规定:混凝土强度等级混凝土强度等级按立方体抗压强度标按
20、立方体抗压强度标准值确定准值确定2.2.1混凝土的强度n混凝土强度等级的分级混凝土强度等级的分级 按按 fcu,k 划分为划分为14级,即级,即 C15C80,级差,级差5MPa。符号符号 C35 C:立方体立方体(Cube)35:立方体抗压强度标准值,单位立方体抗压强度标准值,单位 N/mm2 当当C50时,时,普通混凝土普通混凝土(normal-strength concrete)当当C50时,时,高强混凝土高强混凝土(high-strength concrete)按按C50配置的混凝土,其实测立方体抗压强度与配置的混凝土,其实测立方体抗压强度与50MPa是是何关系?何关系?n fcu,k
21、是混凝土各种强度指标的基本代表值2.2.1混凝土的强度n 简单受力状态下混凝土的简单受力状态下混凝土的强度强度 轴心抗压强度轴心抗压强度 n 轴心(棱柱体)抗压强度轴心(棱柱体)抗压强度 fc采用棱柱体试件,能够反映混凝土的实际工作状态。采用棱柱体试件,能够反映混凝土的实际工作状态。我国取我国取150150300mm为标准试件,按与立方体试验为标准试件,按与立方体试验相同的规定所得的平均应力值,为相同的规定所得的平均应力值,为 fc 。棱柱体高度取值的原因:棱柱体高度取值的原因:摆脱端部摩擦力的影响摆脱端部摩擦力的影响 试件不致失稳试件不致失稳n 立方体抗压强度与轴心抗压强度之间的关系立方体抗
22、压强度与轴心抗压强度之间的关系棱柱体强度与立方体强度的比值棱柱体强度与立方体强度的比值混凝土考虑脆性的折减系数混凝土考虑脆性的折减系数结构中混凝土与试件混凝土的强度差异修正系数结构中混凝土与试件混凝土的强度差异修正系数2.2.1混凝土的强度n棱柱体试件尺寸棱柱体试件尺寸 试件强度不受试件强度不受端部摩擦力端部摩擦力和和附加偏心距附加偏心距的影响。的影响。中间处于中间处于均匀受压状态。均匀受压状态。解决问题的思路解决问题的思路 由已知求未知,由简单由已知求未知,由简单方法解决复杂问题方法解决复杂问题确定方法:确定方法:对比试验对比试验2.2.1混凝土的强度n轴心抗压强度 试验值试验值 修正值修正
23、值 :棱柱体强度与立方体强度之比值,棱柱体强度与立方体强度之比值,C50及以下取及以下取 =0.76,对,对C80取取 =0.82,中间按线性规律变化取值;,中间按线性规律变化取值;为混凝土考虑脆性的折减系数,对为混凝土考虑脆性的折减系数,对C40取取 =1.00,对,对C80取取 =0.87,中间按线性规律变化取值;,中间按线性规律变化取值;0.88:考虑考虑结构中混凝土强度结构中混凝土强度与与试件混凝土强度试件混凝土强度之间的差异而之间的差异而采取的修正系数。采取的修正系数。2.2.1混凝土的强度n 简单受力状态下混凝土的简单受力状态下混凝土的强度强度 轴心抗拉强度轴心抗拉强度 n 轴心抗
24、拉强度轴心抗拉强度 ft混凝土的抗拉强度远低于抗压强度混凝土的抗拉强度远低于抗压强度对于普通混凝土,抗拉强度约对于普通混凝土,抗拉强度约 1/17-1/8 的抗压强度的抗压强度 对于高强混凝土,抗拉强度约对于高强混凝土,抗拉强度约 1/24-1/20 的抗压强度的抗压强度n 轴心抗拉强度的试验方法轴心抗拉强度的试验方法直接受拉试验直接受拉试验劈裂试验劈裂试验 弯折试验弯折试验2.2.1 混凝土的强度n 简单受力状态下混凝土的简单受力状态下混凝土的强度强度 轴心抗拉强度轴心抗拉强度 n 直接受拉试验直接受拉试验150150500100100n 轴心抗拉强度与立方体抗压强度平均值之间的关系轴心抗拉
25、强度与立方体抗压强度平均值之间的关系n 直接受拉试验的缺点直接受拉试验的缺点:容易引起偏拉破坏容易引起偏拉破坏2.2.1混凝土的强度n对比试验结果对比试验结果2.2.1混凝土的强度n 简单受力状态下混凝土的简单受力状态下混凝土的强度强度 轴心抗拉强度轴心抗拉强度 n 劈裂试验劈裂试验PPan 弯折试验弯折试验l/3500600150150P/2l/3l/3P/22.2.1混凝土的强度n圆柱体劈裂试验 不是太懂!2.2.1混凝土的强度n 复杂受力状态下混凝土的强度复杂受力状态下混凝土的强度 双轴应力状态双轴应力状态n 研究文献来源研究文献来源:H.Kupfer,H.K.Hilsdorf,H.Ru
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