鋼筋和混凝土材料的力學(xué)性能-第二講

2023/2/3CH2

MECHANICALPROPERTIESOFMATERIALS本章重點(diǎn)(Emphasis)熟悉土木工程用鋼筋的品種、級(jí)別、性能及其選用原則（thevariety，level，performanceandselectionprincipleofsteelreinforcement）；

熟悉混凝土在各種受力狀態(tài)下的強(qiáng)度與變形性能（strengthanddeformationofconcreteundervariousloads)及其選用原則；

了解鋼筋與混凝土的粘結(jié)性能(bondbetweensteelbarandconcrete)。CH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能CH2.MechanicalPropertiesofMaterials鋼筋的力學(xué)性能指標(biāo)？為何以屈服強(qiáng)度作為鋼筋強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的依據(jù)，而不是極限抗拉強(qiáng)度？混凝土結(jié)構(gòu)對(duì)鋼筋性能的具體要求？小結(jié)

2.1PerformanceofSteelBarCH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能結(jié)合鋼筋應(yīng)力-應(yīng)變曲線和鋼筋混凝土梁受力特點(diǎn)說(shuō)明“為何將屈服強(qiáng)度作為鋼筋強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的依據(jù)，而不是極限抗拉強(qiáng)度？”任務(wù)2.1PerformanceofSteelBarCH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能PPAB’BCDEUltimatestressfu

Yieldingstressfy

鋼筋的力學(xué)性能指標(biāo)Indexofmechanicalpropertiesfyfu--屈服強(qiáng)度---極限抗拉強(qiáng)度f(wàn)y/fu---屈強(qiáng)比強(qiáng)度儲(chǔ)備塑性指標(biāo)（延伸率elongation）冷彎性能強(qiáng)度指標(biāo)strengthIndexPlasticityindexcold-formedcapacityultimatetensilestrengthyieldingstrength均勻伸長(zhǎng)率CH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能2.1PerformanceofSteelBar回顧強(qiáng)度要求：保證經(jīng)濟(jì)性。屈服強(qiáng)度和極限抗拉強(qiáng)度，還要求有適當(dāng)?shù)那鼜?qiáng)比。塑性要求：保證結(jié)構(gòu)延性，給人以破壞的預(yù)兆。伸長(zhǎng)率和冷彎要求。可焊性：鋼筋焊接后不產(chǎn)生裂紋及過(guò)大的變形，保證焊接后的接頭性能良好。與混凝土的粘結(jié)性：保證鋼筋和混凝土共同工作。4混凝土結(jié)構(gòu)對(duì)鋼筋性能的要求耐久性和耐火性：設(shè)置必要的混凝土保護(hù)層。CH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能2.1PerformanceofSteelBar可焊性刻痕鋼絲混凝土＝水泥＋水＋骨料混凝土是多空隙、不均勻的物體，內(nèi)部存在許多微裂紋水化過(guò)程長(zhǎng)，性能需較長(zhǎng)時(shí)間才能穩(wěn)定Concrete＝cement＋water＋aggregatesCH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcrete混凝土的組成特點(diǎn)CompositionfeatureofConcreteCubecompressivestrengthPrismcompressivestrengthTensilestrengthCompressivestrengthunderbi-axialortri-axialloadsCH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcreteEmphasis

：thestrengthofconcreteEmphasis

：thedeformationofconcreteDeformationofconcreteunderaxialandtri-axialcompressiveloads

試驗(yàn)證明，結(jié)構(gòu)混凝土在承受荷載或外應(yīng)力之前，內(nèi)部就已經(jīng)存在少量、分散的微裂縫，寬(2~5)×10-3、最長(zhǎng)(1~2mm)，其主要原因是在混凝土的凝固過(guò)程中，粗骨料和水泥砂漿的收縮差和不均勻溫濕度場(chǎng)所產(chǎn)生的微觀應(yīng)力場(chǎng)。2.2.1.StrengthofConcreteCH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcrete在逐漸受壓過(guò)程中，混凝土試塊的破壞是內(nèi)部微裂縫逐漸發(fā)展(Extensionofmicro-cracks)的結(jié)果。粘結(jié)裂縫混凝土加載前的內(nèi)部微裂縫s=0.85smaxs=0.65smax粘結(jié)裂縫s=smaxs=0

混凝土試塊從開(kāi)始受力直到極限荷載，混凝土內(nèi)的微裂縫逐漸增多和擴(kuò)展，可以分作三個(gè)階段：CH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcrete微裂縫不發(fā)展微裂縫擴(kuò)展微裂縫非穩(wěn)定發(fā)展混凝土破壞用X光觀測(cè)的混凝土單軸受壓的裂縫過(guò)程2.2.1.StrengthofConcretes=0.85smaxs=0.65smax粘結(jié)裂縫s=smaxs=0CH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcrete微裂縫不發(fā)展微裂縫擴(kuò)展微裂縫非穩(wěn)定發(fā)展混凝土破壞結(jié)論：混凝土受壓破壞是由于混凝土內(nèi)裂縫的擴(kuò)展所致。如果對(duì)混凝土的橫向變形加以約束，限制裂縫的開(kāi)展，則可以提高混凝土縱向抗壓強(qiáng)度。2.2.1.StrengthofConcrete立方體抗壓強(qiáng)度(CubeCompressiveStrength)

fcu1）單軸受力狀態(tài)下的混凝土強(qiáng)度（underaxialloads）CH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcrete2.2.1.StrengthofConcrete軸心抗壓強(qiáng)度(AxialCompressiveStrength)

fc軸心抗拉強(qiáng)度(AxialTensileStrength)

ft承壓板試塊溫度：20±3℃相對(duì)濕度：≥90％標(biāo)準(zhǔn)條件養(yǎng)護(hù)28d標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法抗壓強(qiáng)度邊長(zhǎng)為150mm的標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊加載速度：0.15～0.25MPa/s全截面受力，表面不涂潤(rùn)滑劑CH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcreteCubecompressivestrengthfcu影響因素一：潤(rùn)滑劑(lubricant)摩擦力friction不涂潤(rùn)滑劑涂潤(rùn)滑劑套箍效應(yīng)強(qiáng)度大于立方體抗壓強(qiáng)度影響因素(Factorsthataffectthecubestrength)Thefrictionbetweentheheadsofthetestingmachineandthespecimenofferssomelateralconstrainttorestrictthelateralexpansionofthespecimenunderpressure,sothespecimencantakeahighercompressivestrength.承壓板試塊CH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcrete影響因素二：尺寸(Size)尺寸效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)試塊150×150×150非標(biāo)準(zhǔn)試塊100×100×100非標(biāo)準(zhǔn)試塊200×200×2001.05:1:0.95尺寸越大,內(nèi)部缺陷較多;尺寸越大，套箍作用越不明顯。試塊尺寸越大，實(shí)測(cè)破壞強(qiáng)度越低。Thesmallerthesizeofthespecimen,thehigherthecompressivestrength.CH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcrete立方體抗壓強(qiáng)度影響因素(Factorsthataffectthecubestrength)影響因素三：加載速度Theloadingspeed加載速度快，內(nèi)部微裂紋來(lái)不及擴(kuò)展實(shí)測(cè)強(qiáng)度提高

Theloadingspeedincreasesmorerapidlyduringthetest,thecompressivestrengthwillbehigher.CH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcrete立方體抗壓強(qiáng)度影響因素(Factorsthataffectthecubestrength)

另外，影響因素還有齡期、養(yǎng)護(hù)條件、材料組成、試件形狀以及試驗(yàn)方法等。CH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcrete

因此，在建立混凝土的強(qiáng)度時(shí)，需要規(guī)定一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)作為依據(jù)。溫度：20±3℃相對(duì)濕度：≥90％邊長(zhǎng)為150mm的標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊標(biāo)準(zhǔn)條件養(yǎng)護(hù)28d標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法加載速度：0.15～0.25MPa/s全截面受力，表面不涂潤(rùn)滑劑抗壓強(qiáng)度Cubecompressivestrengthfcu具有95％保證率的立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(N/mm2)14gradesC15

C20

C25

C30

C35

C40

C45C50

C55

C60

C65

C70

C75

C80高強(qiáng)混凝土代表Concrete立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fcu,kCH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcrete混凝土的強(qiáng)度等級(jí)strengthgradeofconcrete按立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fcu,k確定概率密度材料強(qiáng)度強(qiáng)度平均值強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值承壓板試塊

抗壓強(qiáng)度與試件形狀有關(guān)，實(shí)際構(gòu)件往往是棱柱體，棱柱體抗壓強(qiáng)度比立方體試件能更好地反映混凝土的實(shí)際抗壓能力。真實(shí)反映混凝土的實(shí)際工作狀態(tài)CH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcreteAxialcompressivestrengthfc

試件長(zhǎng)度不宜過(guò)小或過(guò)大：①擺脫端部摩擦力的影響；②試件不致失穩(wěn)或發(fā)生較大彎曲變形。Standardspecimen

:150×150×300(450)mmCH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcrete

試驗(yàn)量測(cè)到fc值比f(wàn)cu值小，并且棱柱體試件高寬比(即h/b)越大，它的強(qiáng)度越小。承壓板試塊Axialcompressivestrengthfc

中部橫向變形不受端部摩擦力的約束，代表了混凝土處于單向全截面均勻受壓的應(yīng)力狀態(tài)。真實(shí)反映混凝土的實(shí)際工作狀態(tài)

通過(guò)大量比對(duì)試驗(yàn)，可建立fc值與fcu值之間的關(guān)系式。

fc與

fcu

的關(guān)系立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)平均值脆性折減系數(shù)：C40以下：C80：考慮實(shí)際構(gòu)件的工作條件與試件所處條件的差異引入的修正系數(shù)CH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcretefc與

fcu的關(guān)系曲線Axialtensilestrengthft

由于混凝土構(gòu)件內(nèi)部的不均勻性，加之安裝試件偏差的原因，通過(guò)直接受拉試驗(yàn)測(cè)量抗拉強(qiáng)度是很困難的，試驗(yàn)數(shù)據(jù)離散性很大。100100150150500

直接測(cè)試法

誤差大難實(shí)現(xiàn)CH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcrete混凝土的抗裂、抗剪、抗扭、抗沖切等與之有關(guān)。試驗(yàn)方法未統(tǒng)一。ddftsFFFF根據(jù)彈性力學(xué)知識(shí)試件中間垂直截面除加力點(diǎn)附近很小的范圍外，有均勻分布的水平拉應(yīng)力。當(dāng)拉應(yīng)力達(dá)到混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，試件被劈成兩半。CH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcreteAxialtensilestrengthft劈裂試驗(yàn)(splittingtest)CH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcreteAxialtensilestrengthft抗折試驗(yàn)(bendingtest)Standardspecimen

:150×150×500~600mmfr=Mu/Wft與fcu之間的換算關(guān)系——混凝土的脆性系數(shù)，當(dāng)混凝土的強(qiáng)度等級(jí)不大于C40時(shí)，=1.0；當(dāng)混凝土的強(qiáng)度等級(jí)為C80時(shí)，=0.87；其間按線性插值。

0.88——考慮結(jié)構(gòu)中的混凝土強(qiáng)度與試塊混凝上強(qiáng)度之間的差異等因素的修正系數(shù)。為軸心抗拉強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度的折算關(guān)系。CH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcreteft=0.395雙軸應(yīng)力下的強(qiáng)度underbi-axialload2）復(fù)合受力狀態(tài)下混凝土的強(qiáng)度underbi-axialortri-axialloads①雙向受拉，σ1與σ2的相互影響不大，雙向受拉強(qiáng)度均接近于單向受拉強(qiáng)度。②一向受拉，另一向受壓，混凝土強(qiáng)度均低于單向拉伸或壓縮的強(qiáng)度，即雙向異號(hào)應(yīng)力使強(qiáng)度降低。③雙向受壓，一向強(qiáng)度隨另一向應(yīng)力的增加而增加。CH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcrete三向受壓時(shí)的強(qiáng)度undertri-axialload3=fcc’3=fcc’1=2=fLfL----側(cè)向約束壓應(yīng)力（加液壓）三軸受壓試驗(yàn)StrengthwithlateralconstraintStrengthwithoutlateralconstraint混凝土一向抗壓強(qiáng)度隨另兩向側(cè)壓力的增加而提高，同時(shí)軸向變形能力也明顯提高試驗(yàn)系數(shù)，<C50為1.0；C80為0.85；其間線性?xún)?nèi)插。CH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcrete2）復(fù)合受力狀態(tài)下混凝土的強(qiáng)度underbi-axialortri-axialloads

對(duì)于縱向受壓的混凝土，約束混凝土的側(cè)向變形，可使混凝土的抗壓強(qiáng)度和延性有較大提高。實(shí)際工程中常用鋼管混凝土柱、螺旋鋼箍柱。CH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcreteCH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcreteCH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能CH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcrete2.2.2Deformationbehaviorofconcrete混凝土的變形

體積變形受力變形一次短期加載下的變形荷載長(zhǎng)期作用下的變形多次重復(fù)荷載作用下的變形硬化過(guò)程中的收縮變形溫濕度變化引起的變形CH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcrete受壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系Stress-strainrelationshipunderaxialcompressiveload作用是峰值應(yīng)力后，吸收試驗(yàn)機(jī)的變形能，測(cè)出下降段。1）一次短期加載下的變形棱柱體試塊骨料和水泥結(jié)晶體彈性變形內(nèi)部微裂縫穩(wěn)定擴(kuò)展內(nèi)部微裂縫非穩(wěn)定擴(kuò)展峰值應(yīng)變(peakstrain)ε0取0.002裂縫迅速發(fā)展，內(nèi)部整體性嚴(yán)重破壞極限壓應(yīng)變(ultimatestrain)εu取0.0033CH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcrete百分表(MPa)fco0(10-3)abcd225201510546810混凝土強(qiáng)度提高加載速度減慢影響因素(Factors)GradeofconcreteLoadingspeedTheconditionoflateralconstraintCH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcrete1）一次短期加載下的變形CH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcrete受拉應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系Stress-strainrelationshipundertensionloadCH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcrete1）一次短期加載下的變形極限拉應(yīng)變(ultimatestrain)εt取1.5×10-4Stress-strainrelationshipunderrepeatedload破壞fcf321fcf的確定原則：100×100×300或150×150×450的棱柱體試塊承受200萬(wàn)次（或以上）循環(huán)荷載時(shí)發(fā)生破壞的最大壓應(yīng)力值2）重復(fù)荷載下混凝土的變形性能

ThedeformationperformanceunderrepeatedloadCH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能