第二章钢筋和混凝土材料的力学性能1解读.pptx
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1、河南理工大学土木工程学院河南理工大学土木工程学院2024/4/8 周一周一本章重点本章重点(Emphasis)熟悉土木工程用钢筋熟悉土木工程用钢筋(reinforcing Bar)的品的品种、级别、性能及其选用原则;种、级别、性能及其选用原则;熟悉熟悉混凝土在各种受力状态下的强度与混凝土在各种受力状态下的强度与变形性能变形性能(strength and deformation of concrete)及其选用原则;及其选用原则;了解了解钢筋与混凝土的粘结性能钢筋与混凝土的粘结性能(bond)。河南理工大学土木工程学院河南理工大学土木工程学院2024/4/8 周一周一1 1.定义(定义(Conc
2、ept):在混凝土结构中采用的棒在混凝土结构中采用的棒状、丝状钢材。状、丝状钢材。一、钢筋的物理力学性能一、钢筋的物理力学性能Thesteelrodorwireusedinconcretestructure.河南理工大学土木工程学院河南理工大学土木工程学院2024/4/8 周一周一一、钢筋的物理力学性能一、钢筋的物理力学性能按化学成分按化学成分(Chemical composition)碳素钢碳素钢Carbon Steel(铁、碳、硅、锰、硫、磷等元素)低碳钢(含碳量0.25%)中碳钢(含碳量0.250.6%)高碳钢(含碳量0.61.4%)普通低合金钢普通低合金钢Low Alloyed Ste
3、el(另加硅、锰、钛、钒、铬等)锰系硅钒系硅钛系硅锰系硅铬系2.钢筋的分类钢筋的分类(Types of reinforcing bar)含碳量越高,强度越高,但塑性和可焊性减低合金元素含量3%河南理工大学土木工程学院河南理工大学土木工程学院2024/4/8 周一周一钢筋钢筋Reinforcingsteel热轧钢筋热轧钢筋(Hot-rolledsteelbar):由低碳钢和普通低合金钢在高 温状态下轧制而成冷加工钢筋冷加工钢筋(Colddrawnsteelbar):由热轧钢筋在常温下用机械 加工而成热处理钢筋热处理钢筋(Heat-treatablesteelbar):将热轧的带肋钢筋通过淬火 和
4、高温回火调质处理而成的 按加工方法按加工方法(Technological process)钢丝钢丝Steelwire碳素钢丝碳素钢丝(Carbonsteelwire):钢筋通过多次冷拔、应力消除、矫正、回火处理而成刻痕钢丝刻痕钢丝(Nicksteelwire):在钢丝表面刻痕,以增强其与混凝土间 的粘结力钢绞线钢绞线(Steelstrandedwire):几根同直径钢丝成螺旋状铰绕在一起一、钢筋的物理力学性能一、钢筋的物理力学性能河南理工大学土木工程学院河南理工大学土木工程学院2024/4/8 周一周一冷加工钢筋热轧钢筋热轧钢筋低合金钢筋低合金钢筋冷拉、冷拔、冷轧、冷轧扭冷加工钢筋冷加工钢筋提
5、高强度,塑性降低cold drawn,cold-rolled,cold-rolled and twistedColdDrawnSteelBarsImproving strengthReducing deformation capacityHot-RolledSteelBar LowAlloyedSteel河南理工大学土木工程学院河南理工大学土木工程学院2024/4/8 周一周一光圆钢丝光圆钢丝 钢丝、钢绞线钢丝、钢绞线Steelwireorstrandedwire 预应力钢筋预应力钢筋Prestressedsteelbar4mm、5mm、6mm、7mm、8mm、9mm2股、股、3股、股、7股股
6、1570MPa1770MPa河南理工大学土木工程学院河南理工大学土木工程学院2024/4/8 周一周一一、钢筋的物理力学性能一、钢筋的物理力学性能按表面形状按表面形状 光圆钢筋光圆钢筋 Plain bar变形钢筋变形钢筋Deformed bar硬钢硬钢(Hard steel):无明显屈服点钢筋无明显屈服点钢筋按力学性能按力学性能软钢软钢(Mild steel):有明显屈服点钢筋有明显屈服点钢筋按使用用途按使用用途普通钢筋普通钢筋(Reinforcing Steel)预应力钢筋预应力钢筋(Prestressing Tendon)螺旋纹螺旋纹人字纹人字纹月牙纹月牙纹河南理工大学土木工程学院河南理工
7、大学土木工程学院2024/4/8 周一周一一、钢筋的物理力学性能一、钢筋的物理力学性能强度等级代号强度等级代号d/mm符号符号fyk(ftk)/MPaHPB300622300(420)HRB335HRBF335650335(455)HRB400HRBF400RRB400650400(540)HRB500HRBF500640500(630)表表1-1 1-1 普通钢筋的种类、直径范围、符号、强度标准值普通钢筋的种类、直径范围、符号、强度标准值注注:第第一一个个字字母母H(hotrolled)表表示示热热轧轧,R(Remainedheattreated)表表示示为为余余热热处处理理;第第二二个个字
8、字母母P(Plain)表表示示光光圆圆,R(ribbed)表表示示带带肋肋;第第三三个个字字母母B(Bar)代表钢筋;代表钢筋;第四个字母第四个字母F(FineGrains)代表细晶粒;)代表细晶粒;数字数字表示标准强度。表示标准强度。河南理工大学土木工程学院河南理工大学土木工程学院2024/4/8 周一周一 细晶粒热轧带肋钢筋是我国冶金行业研究开发的新型热轧钢筋,这种细晶粒热轧带肋钢筋是我国冶金行业研究开发的新型热轧钢筋,这种钢筋生产过程中钢筋生产过程中不需添加或只需添加很少的钒、钛等合金元素不需添加或只需添加很少的钒、钛等合金元素,通过控轧通过控轧和控冷工艺形成超细组织和控冷工艺形成超细组
9、织(金属晶粒越细小,材料强度、硬度越高,塑性、(金属晶粒越细小,材料强度、硬度越高,塑性、韧性也越大),粒热轧带肋钢筋代替我国目前大量使用的低合金热轧钢筋韧性也越大),粒热轧带肋钢筋代替我国目前大量使用的低合金热轧钢筋可节约国家宝贵的钒、钛等合金元素资源,降低钢筋价格,社会效益和经可节约国家宝贵的钒、钛等合金元素资源,降低钢筋价格,社会效益和经济效益均十分显著。济效益均十分显著。一、钢筋的物理力学性能一、钢筋的物理力学性能 细晶粒热轧带肋钢筋细晶粒热轧带肋钢筋河南理工大学土木工程学院河南理工大学土木工程学院2024/4/8 周一周一钢钢厂厂提提供供的的钢钢筋筋直直径径为为6mm,6.5mm,8
10、mm,8.2mm,10mm,12mm,14mm,16mm,18mm,20mm,22mm,25mm,28mm,32mm,36mm,40mm和和50mm。其其中中,d=8.2mm的的钢钢筋筋仅仅适适用用于于有有纵纵肋肋的的热热处处理理钢钢筋筋。设设计计时时,应应在在表表1-1的的直直径径范范围围和和上上述述提提供供的的直直径径内内选选择择钢钢筋筋。当当采采用用直直径径大大于于40mm的钢筋时,应有可靠的工程经验。的钢筋时,应有可靠的工程经验。一、钢筋的物理力学性能一、钢筋的物理力学性能河南理工大学土木工程学院河南理工大学土木工程学院2024/4/8 周一周一一、钢筋的物理力学性能一、钢筋的物理力学
11、性能ABBCDE上屈服点不稳定下屈服点出现颈缩拉断BC段为屈服平台Stage of flowCD段为强化段strain-hardening stage0.2%0.2标距有明显流幅的钢筋Mild steel无明显流幅的钢筋Hard steel钢筋受压和受拉时的应力钢筋受压和受拉时的应力-应变曲线几乎相同应变曲线几乎相同3.钢筋的应力钢筋的应力-应变曲线应变曲线Stress-strain curve of reinforcing steel河南理工大学土木工程学院河南理工大学土木工程学院2024/4/8 周一周一ABBCDE强度指标强度指标Strength index*有明显流幅的钢筋:有明显流幅
12、的钢筋:在建立钢筋混凝土构在建立钢筋混凝土构件截面承载力计算理论时,以件截面承载力计算理论时,以下屈服点下屈服点对应对应的强度作为设计时钢筋强度的取值(的强度作为设计时钢筋强度的取值(fy)。)。一、钢筋的物理力学性能一、钢筋的物理力学性能两点简化:两点简化:A.A.钢筋应力不大于屈服点时应力钢筋应力不大于屈服点时应力-应变关系应变关系一直服从胡克定律,处于理想弹性阶段;一直服从胡克定律,处于理想弹性阶段;B.B.不利用应力强化阶段,假设钢筋混凝土构不利用应力强化阶段,假设钢筋混凝土构件截面达到破坏时,钢筋拉应力保持为屈服点件截面达到破坏时,钢筋拉应力保持为屈服点应力。应力。钢筋的极限强度钢筋
13、的极限强度作为一种安全储备。作为一种安全储备。Yieldingstressfy Ultimatestressfu Steelreinforcementwithstageofflow河南理工大学土木工程学院河南理工大学土木工程学院2024/4/8 周一周一0.2%0.2强度指标强度指标Strength index*无明显流幅的钢筋:无明显流幅的钢筋:残余应变为残余应变为0.2%时所对应的应力作为其时所对应的应力作为其强度限值,称为强度限值,称为条件屈服强度条件屈服强度(Conditionalyieldingstrength),混混凝土规范取凝土规范取0.20.85 b,b为极限抗拉强度为极限抗拉
14、强度(ultimatetensilestrength)。一、钢筋的物理力学性能一、钢筋的物理力学性能s,usss=Essyfys,hfs,uSteelreinforcementwithoutstageofflow河南理工大学土木工程学院河南理工大学土木工程学院2024/4/8 周一周一一、钢筋的物理力学性能一、钢筋的物理力学性能强度指标的确定强度指标的确定Determination of strength index 强度Strength随机变量Random variable强度标准值根据统计资料,运用数理统计方法确定的具有95以上保证率(钢筋为97.73%)的统计特征值:强度标准值(强度标准
15、值(fykyk)=强度平强度平均值均值-2-2均方差均方差概率密度材料强度强度平均值强度标准值钢筋强度用钢筋强度用标准值标准值和和设计值设计值表示。表示。钢筋强度的设计值钢筋强度的设计值fy等于钢筋强度等于钢筋强度标准值除以材料分项系数标准值除以材料分项系数s,即,即 Standardstrengthanddesignstrength河南理工大学土木工程学院河南理工大学土木工程学院2024/4/8 周一周一钢筋加工钢筋加工河南理工大学土木工程学院河南理工大学土木工程学院2024/4/8 周一周一一、钢筋的物理力学性能一、钢筋的物理力学性能变形指标变形指标Index of deformation
16、*伸长率伸长率elongation:钢筋拉断后的伸长与原长的比值钢筋拉断后的伸长与原长的比值*冷弯性能冷弯性能Cold-formed capacity:将直径为将直径为d的钢的钢筋绕直径为筋绕直径为D的钢辊弯成一定的角度而不发生断的钢辊弯成一定的角度而不发生断裂及起层现象裂及起层现象 为防止在弯折加工时断裂和使用过程中脆断,钢筋还为防止在弯折加工时断裂和使用过程中脆断,钢筋还应具有一定的塑性变形能力应具有一定的塑性变形能力(deformation capacity)。伸长率越大,塑性越好。伸长率用表示,用钢筋试样拉断后断口两侧的残留应变(用百分率表示)作伸长率,即 弯芯的直径越小,弯转角越大,
17、塑性越好河南理工大学土木工程学院河南理工大学土木工程学院2024/4/8 周一周一一、钢筋的物理力学性能一、钢筋的物理力学性能变形指标变形指标Index of deformation*最大力下的总伸长率(均匀伸长率)最大力下的总伸长率(均匀伸长率)ABBCDE残余变形最大力下总伸长率至少至少100mm 反映钢筋的残余变反映钢筋的残余变形和弹性变形,量测结形和弹性变形,量测结果受原始标距影响小,果受原始标距影响小,也不产生人为误差。也不产生人为误差。表示钢筋的变形能力表示钢筋的变形能力河南理工大学土木工程学院河南理工大学土木工程学院2024/4/8 周一周一钢筋的力学性能指标钢筋的力学性能指标
18、Index of mechanical properties of materialsfyfu-屈服强度屈服强度-极限抗拉强度极限抗拉强度fy/fu-屈强比屈强比强度指标强度储备强度储备塑性指标延伸率延伸率冷弯性能冷弯性能一、钢筋的物理力学性能一、钢筋的物理力学性能Index of strengthIndex of deformationelongationultimatetensilestrengthyieldingstrengthcold-bendingproperty河南理工大学土木工程学院河南理工大学土木工程学院2024/4/8 周一周一一、钢筋的物理力学性能一、钢筋的物理力学性能冷拉
19、Cold DrawnBKZZK残余变形冷拉伸长率无时效经时效K点的选择:应力控制和应变控制温度的影响:温度达700C时恢复到冷拉前的状态,先焊后拉冷加工钢筋的力学性能指标冷加工钢筋的力学性能指标Index of mechanical properties of cold working steel bar特性:只提高抗拉强度,不提高抗压强度,强度提高,塑性下降uThe tensile strength is much increased,but the material becomes very brittle.河南理工大学土木工程学院河南理工大学土木工程学院2024/4/8 周一周一一、钢筋
20、的物理力学性能一、钢筋的物理力学性能冷拔经过冷拔后钢筋强度提高,塑性降低,没有明显的屈服点和流幅冷拔既能提高抗拉强度又能提高抗压强度It not only can improve the tensile strength and can improve the compressive strength.河南理工大学土木工程学院河南理工大学土木工程学院2024/4/8 周一周一冷轧带肋钢筋Cold Rolled Ribbed Bars 以以低低碳碳钢钢筋筋或或低低合合金金钢钢筋筋为为原原材材料料,在在常常温温下下进进行行轧轧制制而而成成的的表表面面带带有有纵纵肋肋和和月月牙牙纹纹横横肋肋的的钢钢
21、筋筋。它它的的极极限限强强度度与与冷冷拔拔低低碳碳钢钢丝丝相相近近,但但伸伸长长率率比比冷冷拔拔低低碳碳钢钢丝丝有明显提高有明显提高。冷轧扭钢筋Cold Rolled-Twisted Steel 以热轧光面钢筋为原材料,按规定的以热轧光面钢筋为原材料,按规定的工艺参数,经钢筋冷轧扭机一次加工轧扁工艺参数,经钢筋冷轧扭机一次加工轧扁扭曲呈连续螺旋状。扭曲呈连续螺旋状。一、钢筋的物理力学性能一、钢筋的物理力学性能河南理工大学土木工程学院河南理工大学土木工程学院2024/4/8 周一周一徐变Creep应力不变,随时间的增长应变继续增加松弛Slack长度不变,随时间的增长应力降低对结构,尤其是预应力结
22、构,产生不利的影响一、钢筋的物理力学性能一、钢筋的物理力学性能4.钢筋的徐变与松弛钢筋的徐变与松弛Creep and slack of reinforcing steel河南理工大学土木工程学院河南理工大学土木工程学院2024/4/8 周一周一强度要求强度要求:保证经济性。屈服强度和极限强度,抗震设计时还要:保证经济性。屈服强度和极限强度,抗震设计时还要 求有适当的的屈强比求有适当的的屈强比塑性要求塑性要求:保证结构延性,给人以破坏的预兆。伸长率和冷弯:保证结构延性,给人以破坏的预兆。伸长率和冷弯要求要求可焊性可焊性:钢筋焊接后不产生裂纹及过大的变形,保证焊接钢筋焊接后不产生裂纹及过大的变形,
23、保证焊接后的接头性能良好。后的接头性能良好。与混凝土的粘结性与混凝土的粘结性:保证钢筋和混凝土共同工作。:保证钢筋和混凝土共同工作。5.混凝土结构对钢筋的要求混凝土结构对钢筋的要求一、钢筋的物理力学性能一、钢筋的物理力学性能耐久性和耐火性耐久性和耐火性:设置必要的混凝土保护层。:设置必要的混凝土保护层。河南理工大学土木工程学院河南理工大学土木工程学院2024/4/8 周一周一一、钢筋的物理力学性能一、钢筋的物理力学性能纵向受力普通钢筋纵向受力普通钢筋宜宜采用采用HRB400、HRB500、HRBF400、HRBF500钢钢筋,也筋,也可可采用采用HPB300、HRB335、HRBF335、RR
24、B400钢筋。钢筋。预应力钢筋预应力钢筋宜宜采用预应力采用预应力钢丝、钢绞线和预应力螺纹钢筋。钢丝、钢绞线和预应力螺纹钢筋。5.钢筋的选用原则钢筋的选用原则梁、柱纵向受力普通钢筋梁、柱纵向受力普通钢筋应应采用采用HRB400、HRB500、HRBF400、HRBF500钢筋。钢筋。箍筋箍筋宜宜采用采用HRB400、HRBF400、HPB300、HRB500、HRBF500钢筋钢筋,也,也可可采用采用HRB335、HRBF335钢筋。钢筋。约束箍筋约束箍筋推广推广400MPa、500MPa为主导钢筋,为主导钢筋,限制并逐步淘汰限制并逐步淘汰335MPa河南理工大学土木工程学院河南理工大学土木工程
25、学院2024/4/8 周一周一混混凝土的组成特点凝土的组成特点混凝土水泥水骨料混凝土水泥水骨料混凝土是多空隙、不均匀的物体,混凝土是多空隙、不均匀的物体,内部存在许多微裂纹内部存在许多微裂纹水化过程长,性能需较长时间才能稳定水化过程长,性能需较长时间才能稳定二、混凝土的物理力学性能二、混凝土的物理力学性能Concretecementwateraggregates河南理工大学土木工程学院河南理工大学土木工程学院2024/4/8 周一周一EmEmphasisphasis:the strength of concreteCubestrengthCylinderstrengthTensilestren
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