混凝土結構原理_材料性能（PPT,共93頁）

1、 第2章 混凝土結構用材料的性能2.1鋼筋2.2混凝土2.3鋼筋與混凝土的粘結 2.1 鋼筋（steel reinforcement）熱軋鋼筋冷加工鋼筋鋼絲及鋼絞線2.1.1 鋼筋的品種(reinforcement types)與性能第2章 混凝土結構用材料的性能加工工藝按化學成分碳素鋼 普通低合金鋼 錳系 硅礬系 低碳鋼中碳鋼高碳鋼硅鈦系 硅錳系 硅鉻系 C0.25% C=0.25%0.6% C=0.6%1.4% 有無物理屈服點 有無鋼 絞 線 熱處理鋼筋 鋼 絲 熱軋鋼筋 軟鋼 硬鋼 鋼筋的分類第2章 混凝土結構用材料的性能含C量影響冷加工鋼筋 軋制和加工工藝 HPB300HRB335HR

2、B400RRB400宜用于預應力混凝土結構40Si2Mn48Si2Mn45Si2Cr規(guī)范未列入，執(zhí)行相應的行業(yè)技術規(guī)程。冷拉鋼筋冷撥鋼絲冷軋帶肋鋼筋冷軋扭鋼筋鋼筋的分類熱處理鋼筋 熱軋鋼筋 第2章 混凝土結構用材料的性能外形：光面、變形 鋼筋的 -關系 stress-strain relation lPPA 鋼筋的強度與變形第2章 混凝土結構用材料的性能比例極限屈服強度極限強度o(N/mm2)fyfued流幅abcoa 彈性階段a比例極限fp proportional limitb屈服強度 fy lower yield ，是鋼筋強度的設計依據(jù)cd 強化階段d極限抗拉強度 fu ultimate

3、 tensile strengthde 頸縮階段bc 屈服階段有明顯屈服點的鋼筋 -圖 （簡化圖）第2章 混凝土結構用材料的性能0.2% 0.2(N/mm2)o無明顯屈服點的鋼筋 -圖 0.2條件屈服強度(equivalent yield strength)殘余應變?yōu)?.2%所對應的應力規(guī)范取s0.2 =0.85 fu第2章 混凝土結構用材料的性能第2章 混凝土結構用材料的性能屈強比=屈服強度fy/極限強度fu原應力-應變圖1. 熱軋鋼筋 hot rolled steel reinforcing bar HPB300級、HRB335級、HRB400級、RRB400級HPBHot rolledP

4、lain光圓BarHRBHot rolledRibbedBarRRBRolled余熱處理Ribbed帶肋Bar強度標準值 fyk（標準值=鋼材廢品限值，保證率97.73%） 種類第2章 混凝土結構用材料的性能種類符號fyf y熱軋鋼筋HPB 300270270HRB 335(20MnSi)300300HRB 400(20MnSiV、20MnSiNb、20MnTi)360360RRB 400(K20MnSi) R360360光面鋼筋螺紋鋼筋月牙紋鋼筋人字紋鋼筋鋼筋的直徑：d6；6.5；8；8.2；10；12；14；16；18；20；22；25；28；32；36；40；50mm第2章 混凝土結構用

5、材料的性能熱軋光面鋼筋HPB300(級)，多作為鋼筋混凝土板和小型構件的受力鋼筋以及各種構件的構造鋼筋和箍筋。熱軋帶肋鋼筋HRB335(級) ，多作為大中型鋼筋混凝土結構構件的受力鋼筋和構造鋼筋以及預應力混凝土結構構件中的非預應力鋼筋，尺寸較大的構件；也有用級鋼筋作箍筋的為增強與混凝土的粘結（Bond），外形制作成月牙肋或等高肋的變形鋼筋（Deformed Bar）。熱軋帶肋鋼筋HRB400 (級)強度較高，用于大中型鋼筋混凝土結構和高強混凝土結構構件的受力鋼筋。余熱處理鋼筋RRB400 級鋼筋強度太高，不適宜作為鋼筋混凝土構件中的配筋，一般冷拉后作預應力筋。第2章 混凝土結構用材料的性能(1

6、)應力應變曲線1Es熱軋鋼筋的力學性能屈強比反映鋼筋的強度儲備，fy / fu=0.60.7。強度設計值 fys為材料分項系數(shù)o(N/mm2)fyfu第2章 混凝土結構用材料的性能第1章 材料的物理力學性能 1.1 鋼筋的物理力學性能 4 鋼筋的應力應變簡化模型 （1）理想彈塑性模型（2）三段線性模型伸 長率（Percentage of elongation）：鋼筋拉斷時的應變，是指鋼筋試件上標距為10d、5d（d為鋼筋的試件直徑）或100mm范圍內的極限伸長率，記為10、5和100。延伸率大的鋼筋，在拉斷前有足夠預兆，延性較好。含碳量越低的鋼筋，屈服臺階越長，延伸率也越大，塑性性能越好。 (

7、2) 塑性性能：鋼筋的塑性指標主要有兩個：延伸率和冷彎性能。這兩個指標反映了鋼筋的塑性性能和變形能力。 第2章 混凝土結構用材料的性能均勻伸長率gt由非頸縮斷口區(qū)域標距的殘余應變r與恢復的彈性應變e 組成。均勻伸長率 第2章 混凝土結構用材料的性能冷彎性能是將鋼筋圍繞某個規(guī)定的直徑D（D規(guī)定為1d，2d，3d等）的輥軸彎曲成一定的角度（90或180），彎曲后的鋼筋應無裂紋或斷裂現(xiàn)象。鋼輥的直徑越小，彎轉角度越大，鋼筋的冷彎性能就越好，冷彎是反映鋼筋塑性性能的另一項指標，它與延伸率對鋼筋塑性的標志是一致的。 第2章 混凝土結構用材料的性能 為檢驗鋼材內在質量和塑性性能的綜合指標。2. 中高強鋼絲

8、 （wire）和鋼絞線（strand or tendon）： 均用于預應力混凝土結構。預應力鋼絲是以優(yōu)質高碳鋼盤條經(jīng)等溫淬火再拉拔而成的鋼絲。中強鋼絲的強度為8001200MPa，高強鋼絲、鋼絞線的為 1470 1860MPa；冷拉低碳鋼絲 b 碳素鋼絲 s 刻痕鋼絲 k 鋼絞線 j 第2章 混凝土結構用材料的性能鋼絞線是用一種稍粗的直鋼絲為中心，其余鋼絲圍繞其進行螺旋狀絞合，再經(jīng)低溫回火處理，有2股、3股、7股等，常用的是3股、7股鋼絞線?？毯垆摻z螺旋肋鋼絲繩狀鋼絞線鋼絲的直徑39mm；外形有光面、刻痕和螺旋肋三種。第2章 混凝土結構用材料的性能硬鋼的應力應變曲線 d 極限抗拉強度e 極限應

9、變 條件屈服強度： 取殘余應變?yōu)?.2%所對應的應力作為無明顯流幅鋼筋的強度限值，通常稱為條件屈服強度。目的：改變鋼材內部結構，提高強度，節(jié)約鋼筋。但經(jīng)冷加工后，鋼筋的延伸率降低。4. 冷加工鋼筋是指在常溫下采用冷加工工藝對熱軋鋼筋進行加工得到的鋼筋。方法：冷拉、冷拔、冷軋、冷軋扭。3. 熱處理鋼筋 （heat treatment） ：是將級鋼筋通過加熱、淬火和回火等調質工藝處理，使強度得到較大幅度的提高，而延伸率降低不多。用于預應力混凝土結構。第2章 混凝土結構用材料的性能o冷拉控制應力(N/mm2)冷拉率殘余變形oabccdd冷拉無時效冷拉經(jīng)時效冷拉鋼筋由熱軋鋼筋在常溫下經(jīng)機械拉伸而成，冷

10、拉應力值應超過鋼筋的屈服強度。鋼筋經(jīng)冷拉后，抗拉屈服強度提高，但塑性降低，這種現(xiàn)象稱為冷拉強化。冷拉后，經(jīng)過一段時間鋼筋的屈服點比原來的屈服點有所提高，這種現(xiàn)象稱為時效硬化。 冷拉第2章 混凝土結構用材料的性能d1d2Pd2d1冷拔鋼絲是將鋼筋用強力拔過比它本身直徑還小的硬質合金拔絲模而成的鋼絲。分為甲級和乙級兩個級別。可提高鋼筋的抗拉強度和抗壓強度，但塑性降低很多，冷拔低碳鋼絲的延性較差，且表面光滑，與混凝土粘結性差。冷拔第2章 混凝土結構用材料的性能冷軋帶肋鋼筋是以普通低碳鋼、優(yōu)質碳素鋼或低合金鋼熱軋圓盤條為母材，在表面冷軋成具有三面或兩面月牙形橫肋的鋼筋，分為五個級別（CRB550、CR

11、B650、CRB800、CRB970和CRB1170），極限強度與冷拔低碳鋼絲相近，但伸長率比冷拔低碳鋼絲有明顯提高。 冷軋帶肋鋼筋冷軋扭鋼筋冷軋扭鋼筋是以熱軋光面鋼筋 HPB235為原材料，在常溫下按規(guī)定的工藝參數(shù)，經(jīng)鋼筋冷軋扭機一次加工，軋扁扭曲呈連續(xù)螺旋狀的冷強化鋼筋，有矩形、菱形和螺旋肋幾種。第2章 混凝土結構用材料的性能2.1.2 混凝土結構對鋼筋性能的要求2.塑性：要求鋼筋混凝土結構承載能力極限狀態(tài)為具 有明顯預兆的塑性破壞。 伸長率冷彎要求3.可焊性：焊接后不應產生裂紋及過大的變形，以保證焊接接頭性能良好。 1.強度：強度是鋼筋質量的重要目標。 屈服強度、抗拉強度、強屈比。4.與

12、混凝土具有良好的粘結第2章 混凝土結構用材料的性能微觀結構 亞微觀結構 宏觀結構 水泥石結構 水泥砂漿結構 砂漿粗骨料體系混凝土組成結構 1.水泥凝膠2.晶體骨架3.未水化完的水泥顆粒4.凝膠孔1.水泥石為基相2.砂子為分散相 水泥看作是基相，粗骨料分布在砂漿中，砂漿與粗骨料的結合面是薄弱面。 由水泥、砂子和石子三種材料及水按一定配合比拌合，經(jīng)過凝固硬化后做成的人工石材 2.2 混凝土（concrete）第2章 混凝土結構用材料的性能混凝土受壓破壞機理可概括為：隨著應力的增大，沿粗骨料界面和砂漿內部的微裂縫逐漸延伸和擴展，導致砂漿的損傷不斷積累；裂縫貫通后，混凝土的連續(xù)性遭到破壞，逐漸喪失其承

13、載力，破壞的實質是由連續(xù)材料逐步變成不連續(xù)材料的過程。 第2章 混凝土結構用材料的性能常用等級：C15，C20， C25，C30， C35， C40，C45，C50， C55， C60，C65 ，C70， C75， C80依此確定我國混凝土強度等級：用標準制作方式制成的150mm150mm150mm的立方體試塊，在203的溫度和相對濕度在90%以上的潮濕空氣中養(yǎng)護28天，用標準試驗方法測得具有95保證率的抗壓強度。fcuk=f -1.645f 2.2.1 混凝土的強度1. 抗壓強度 立方體抗壓強度 fcuk第2章 混凝土結構用材料的性能影響立方體抗壓強度的因素：內因：如強度與水泥標號、骨料品種

14、、配合比等外因：試驗方法（箍套）、加荷速率、齡期、溫度、濕度、試件尺寸。尺寸的影響：fcu(150) = 0.95 fcu(100) fcu(150) = 1.05 fcu(200)“箍套”作用不涂潤滑劑涂潤滑劑第2章 混凝土結構用材料的性能未采取減摩措施采取減摩措施后第二章 鋼筋和混凝土的材料性能第二章 鋼筋和混凝土的材料性能2.1 混凝土2、軸心抗壓強度fc （1）軸心抗壓強度的概念：也稱棱柱體抗壓強度（用符號fc表示），是用高寬比為24的棱柱體試件測得的抗壓強度，我國標準以150150300mm的棱柱體試件為標準試件，也常用150150450的棱柱體試件。 （2）棱柱體抗壓強度和立方體抗

15、壓強度的換算關系結構混凝土強度與試塊混凝土強度的比值脆性影響系數(shù) 棱柱體強度與立方體強度之比值第二章 鋼筋和混凝土的材料性能2.1 混凝土二、混凝土破壞機理fc 棱柱體立方體混凝土的破壞機理A點以前，微裂縫沒有明顯發(fā)展，混凝土的變形主要彈性變形，應力應變關系近似直線。A點應力隨混凝土強度的提高而增加，對普通強度混凝土sA約為 (0.30.4)fc ，對高強混凝土sA可達(0.50.7)fc 到達B點以后，混凝土產生部分塑性變形，應力應變逐漸偏離直線。B點時的裂縫發(fā)展已不穩(wěn)定，試件的橫向變形突然增大，常取sB作為混凝土的長期抗壓強度 ；普通強度混凝土sB約為0.8 fc ，高強混凝土sB可達0.

16、95 fc 到達C點時，內部微裂縫連通形成破壞面，試件承載力開始減小而進入下降段。B點時的應力稱為峰值應力，即為混凝土棱柱體抗壓強度；相應的縱向壓應變稱為峰值應變，約為0.002。繼續(xù)發(fā)展至D點時，破壞面初步形成。E點以后，縱向裂縫形成一個斜向的破壞面，此破壞面在正應力和剪應力的作用下形成破壞帶。此時試件的強度由破壞面上骨料間的摩阻力提供。隨著應變進一步發(fā)展，摩阻力不斷下降，試件的殘余強度約為0.10.4 fc由上述混凝土的破壞機理可知，微裂縫的發(fā)展導致橫向變形的增大。對橫向變形加以約束，就可以限制微裂縫的發(fā)展，從而可提高混凝土的抗壓強度。約束混凝土可以提高混凝土的強度，但更值得注意的是可以提

17、高混凝土的變形能力，這一點對于抗震結構非常重要。2022/7/23軸心抗拉強度ft混凝土抗拉強度ft劈裂強度fts Splitting Strength實驗表明：ft0.8fc時，混凝土內部的微裂縫進入非穩(wěn)態(tài)發(fā)展，導致混凝土破壞。取=0.8fc作為混凝土的長期抗壓強度。初應力越大，徐變也越大。第2章 混凝土結構用材料的性能加載時混凝土的齡期越長，徐變越小。為了減少徐變，應避免過早地給結構施加長期荷載，例如在施工期內避免過早地撤除構件的模板支柱等，也可以采取加快混凝土硬結的措施來減小齡期對徐變的影響。 4) 齡期影響第2章 混凝土結構用材料的性能第二章 鋼筋和混凝土的材料性能2.1 混凝土 混凝

18、土在空氣中硬化時體積會縮小，這種現(xiàn)象稱為混凝土的收縮。（收縮是混凝土在不受外力情況下由于體積變化而產生的變形。）4、混凝土的收縮物理方面：干燥失水?；瘜W方面：混凝土的碳化（凝膠體中的Ca(OH)2 CaCO3）。（2）引起收縮的原因（1）收縮的概念第二章 鋼筋和混凝土的材料性能2.1 混凝土當收縮受到約束（如支座、內部鋼筋）時，將使混凝土中產生拉應力，甚至引起混凝土的開裂?；炷潦湛s會使預應力混凝土構件產生預應力損失。（3）收縮對結構的影響圖b) 墻板干燥收縮裂縫與邊框架的變形圖a) 鋼筋混凝土構件的收縮裂縫第二章 鋼筋和混凝土的材料性能2.1 混凝土早期發(fā)展快，兩周可完成全部收縮的25%，一

19、個月可完成50%；以后發(fā)展逐漸減慢，整個收縮過程可延續(xù)兩年以上。一般情況下，最終收縮應變值約為(25)10-4混凝土開裂應變?yōu)?0.52.7)10-4（4）收縮與時間的關系第二章 鋼筋和混凝土的材料性能2.1 混凝土水泥的強度等級高、用量多、水灰比大，收縮就大； 骨料彈性模量高、級配好，收縮就小； 養(yǎng)護時的濕度大、溫度高，收縮就??；使用時的濕度大、溫度低，收縮就??； 構件體表比大，收縮就??； 混凝土越密實，收縮越小； （5）影響收縮的因素第二章 鋼筋和混凝土的材料性能2.1 混凝土（6）膨脹的概念 混凝土在水中硬化時體積會增大，這種現(xiàn)象稱為混凝土的膨脹。 但混凝土的膨脹值一般較小，對結構的影響

20、也較小，所以經(jīng)常不予考慮。（7）膨脹對結構的影響2.2.3 混凝土的選用原則建筑工程中，鋼筋混凝土構件的混凝土強度等級不應低于C20 當采用HRB400級鋼筋時，不宜低于C25當采用HRB400和RRB400級鋼筋以及承受重復荷載的構件，不得低于C30 預應力混凝土結構不應低于C30 采用鋼絞線、鋼絲、熱處理鋼筋作預應力鋼筋時，不宜低于C40第2章 混凝土結構用材料的性能第二章 材料的力學性能2.3鋼筋與混凝土的粘結無粘結梁受荷前ss=0無粘結梁受荷后相對滑移受力性能同素混凝土梁2.3 鋼筋與混凝土的粘結一、粘結的概念第二章 材料的力學性能2.3鋼筋與混凝土的粘結端部有錨固無粘結梁受荷前ss=

21、常數(shù)端部有錨固無粘結梁受荷后第二章 材料的力學性能2.3鋼筋與混凝土的粘結有粘結梁受荷前sssst+dssssss+dss dx 有粘結梁受荷后 dx 通過粘結可實現(xiàn)鋼筋與混凝土之間的應力傳遞，保證兩種材料結合在一起共同工作。第二章 材料的力學性能2.3鋼筋與混凝土的粘結三、兩類粘結 1、錨固粘結二、粘結的作用梁柱節(jié)點鋼筋搭接 fyttfy鋼筋截斷懸臂梁la柱腳2、局部粘結NNt裂縫間粘結應力第二章 材料的力學性能2.3鋼筋與混凝土的粘結2.3 鋼筋與混凝土的粘結鋼筋與混凝土之間的粘結是這兩種材料共同工作的保證，使之能共同承受外力、共同變形、抵抗相互之間的滑移。 產生鋼筋和混凝土粘結力的主要原

22、因： 混凝土收縮將鋼筋緊緊握固而產生的摩擦力； 混凝土顆料的化學作用產生的混凝土與鋼筋之間的膠合力； 鋼筋表面凹凸不平與混凝土之間產生的局部粘結應力； 鋼筋端部在混凝土內的錨固作用。第2章 混凝土結構用材料的性能2.3.1 粘結力的定義若鋼筋和混凝土有相對變形（滑移），就會在鋼筋和混凝土交界面上產生沿鋼筋軸線方向的相互作用力，這種力稱為鋼筋與混凝土的粘結力。 是指相鄰兩個開裂截面之間產生的鋼筋拉力，通過裂縫兩側的粘結應力部分地向混凝土傳遞，使未開裂的混凝土受拉。 裂縫之間局部粘結應力粘結應力局部粘結應力錨固粘結應力第2章 混凝土結構用材料的性能是指鋼筋伸入支座或支座負彎矩鋼筋在跨間截斷時，必須

23、具有足夠的錨固長度，通過錨固長度積累的粘結力。按鋼筋所處部位和所起作用不同受壓、受拉、支座、節(jié)點及鋼筋截斷時，錨固長度各異。 鋼筋端部的錨固粘結應力第2章 混凝土結構用材料的性能lTdmax 以錨固粘結應力為例：u錨固設計的基本原則是必須保證足夠的錨固粘結強度以使鋼筋強度得以充分利用，即第2章 混凝土結構用材料的性能2.3.2 粘結力的組成1. 粘結力的組成 化學膠結力混凝土凝結時，由于水泥的水化作用在鋼筋與混凝土接觸面上產生的化學吸附作用力；來源于澆筑時水泥漿體向鋼筋表面氧化層的滲透和養(yǎng)護過程中水泥晶體的生長和硬化。取決于水泥的性質和鋼筋表面的粗糙程度。這種力一般很小，只在鋼筋和混凝土界面存

24、在，當接觸面發(fā)生相對滑移時就消失，僅在局部無滑移區(qū)內起作用。第2章 混凝土結構用材料的性能 摩擦力混凝土收縮后將鋼筋緊緊地握裹住，當鋼筋和混凝土產生相對滑移時，在鋼筋和混凝土界面上將產生摩擦力。它取決于混凝土發(fā)生收縮、荷載和反力等對鋼筋的徑向壓應力、鋼筋和混凝土之間的粗糙程度等。鋼筋和混凝土之間的擠壓力越大、接觸面越粗糙，則摩擦力越大。第2章 混凝土結構用材料的性能鋼筋表面凹凸不平與混凝土產生的機械咬合作用而產生的力，即混凝土對鋼筋表面斜向壓力的縱向分力，取決于混凝土的抗剪強度。 機械咬合力變形鋼筋的橫肋會產生這種咬合力，它的咬合作用往往很大，是變形鋼筋粘結力的主要來源。 鋼筋端部的錨固力采取

25、錨固措施后所造成的機械錨固力。第2章 混凝土結構用材料的性能2. 光面鋼筋的粘結性能光面鋼筋的粘結力以化學膠結力和摩擦力為主。鋼筋與混凝土的粘結強度通常采用拔出試驗來測定。設拔出力為F，則以粘結破壞（鋼筋拔出或混凝土劈裂）時鋼筋與混凝土截面上的最大平均粘結應力作為粘結強度。 第2章 混凝土結構用材料的性能3. 變形鋼筋的粘結性能粘結強度仍由化學膠結力、摩擦力和鋼筋表面凹凸不平的機械咬合力組成，但主要是鋼筋表面突出肋與混凝土之間的機械咬合力。變形鋼筋和光圓鋼筋的主要區(qū)別是鋼筋表面具有不同形狀的橫肋或斜肋。 變形鋼筋外圍混凝土的內裂縫第2章 混凝土結構用材料的性能2 影響粘結強度的主要因素 （1）

26、 混凝土強度：混凝土強度等級高、粘結強度大；且與 ft 成正比。（2） 鋼筋的外形特征:變形鋼筋的粘結強度大于光面鋼筋的粘結強度。（3） 保護層厚度和鋼筋凈間距：相對保護層厚度c/d 越大，粘結強度越高。鋼筋凈距s與鋼筋直徑d 的比值s/d 越大，粘結強度也越高。第二章 材料的力學性能2.3鋼筋與混凝土的粘結第二章 材料的力學性能2.3鋼筋與混凝土的粘結（4） 橫向配筋：限制了徑向裂縫的發(fā)展，使粘結強度得到提高。 存在側壓力可提高粘結強度； 受反復荷載作用的鋼筋，肋前后的混凝土均會被擠碎，導致咬合作用降低。（5） 受力情況1、保證粘結的構造措施第二章 材料的力學性能2.4 鋼筋的錨固與搭接2.

27、4一般構造規(guī)定（1） 規(guī)定鋼筋最小的搭接長度和錨固長度。（2）規(guī)定鋼筋的最小間距和混凝土保護層最小厚度。（3）對縱筋搭接范圍內的箍筋加密進行了規(guī)定。（4）對鋼筋端部的彎鉤設置進行了規(guī)定。2、基本錨固長度的計算公式 第二章 材料的力學性能鋼筋類型光面鋼筋帶肋鋼筋刻痕鋼絲螺旋肋鋼絲三股鋼絞線七股鋼絞線a0.160.140.190.130.160.17錨固鋼筋的外形系數(shù)a 見GB50010表9.3.1和建工教材P1142.4一般構造規(guī)定橋規(guī)直接根據(jù)混凝土強度等級和鋼筋級別確定鋼筋的最小錨固長度，見道橋教材P93表4-1。第二章 材料的力學性能3 鋼筋的連接（1） 鋼筋連接的類型：搭接；機械連接和焊接。（2） 鋼筋搭接區(qū)的受力性能由于搭接區(qū)鋼筋凈間距的減小使得劈裂裂縫更早出現(xiàn)，粘結強度降低。