1、建筑结构,第三章 结构材料的力学性能,目 录,3.1钢筋的强度和变形 3.1.1钢筋的成分、级别和品种,按化学成分,碳素钢（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（另加硅、锰、钛、钒、铬等）,硅系 硅钒系 硅钛系 硅锰系 硅铬系,磷和硫是有害的元素,3.1钢筋的强度和变形 3.1.1钢筋的成分、级别和品种,钢筋,热轧钢筋：热轧光面钢筋HPB235，热轧带肋钢筋HRB335、HRB400，余热处理钢筋RRB400,冷拉钢筋：由热轧钢筋在常温下用机械拉伸而成,热处理钢筋：将HRB400、RRB400
2、钢筋通过加热、淬火、回火而成,按加工方法,钢丝,碳素钢丝：高碳镇静钢通过多次冷拔、应力消除、矫正、回火处理而成,刻痕钢丝：在钢丝表面刻痕，以增强其与混凝土间的粘结力,钢绞线：六根相同直径的钢丝成螺旋状铰绕在一起,冷拔低碳钢丝：由低碳钢冷拔而成,常用热轧钢筋的种类、代表符号和直径范围,3.1钢筋的强度和变形 3.1.1钢筋的成分、级别和品种,热轧钢筋 Hot Rolled Steel Reinforcing Bar HPB235级、HRB335级、HRB400级、RRB400级,HPB,HRB,RRB,屈服强度 fyk（标准值=钢材废品限值，保证率97.73%） HPB235级： fyk = 2
3、35 N/mm2 HRB335级： fyk = 335 N/mm2 HRB400级、RRB400级： fyk = 400 N/mm2,3.1钢筋的强度和变形 3.1.1钢筋的成分、级别和品种,3.1钢筋的强度和变形 3.1.1钢筋的成分、级别和品种,按表面形状,光圆钢筋,变形钢筋,钢筋的应用范围:,非预应力钢筋：HRB235，HRB335，HRB400，RRB400,预应力钢筋：碳素钢丝，刻痕钢丝，钢绞线，热处理钢筋，冷拉钢筋,3.1钢筋的强度和变形 3.1.2钢筋的应力-应变曲线,有明显屈服点的钢筋 Rebar with yield point,a为比例极限proportional limi
4、ts =Ese,a为弹性极限elastic limit,de为强化段strain hardening stage,b为屈服上限upper yield strength,c为屈服下限，即屈服强度 fy lower yield strength,cd为屈服台阶yield plateau,e为极限抗拉强度 fu ultimate tensile strength,3.1钢筋的强度和变形 3.1.2钢筋的应力-应变曲线,无明显屈服点的钢筋 Rebar without yield point,a点：比例极限，约为0.65fu a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
5、，且没有明显的屈服点 强度设计指标条件屈服点 (Equivalent yield point) 残余应变为0.2%所对应的应力 规范取s0.2 =0.85 fu,3.1钢筋的强度和变形 3.1.3钢筋的强度指标,弹性模量即是钢筋应力应变曲线弹性阶段的斜率，是个相当稳定的物理常数。,屈服强度yield strength：是钢筋强度的设计依据，因为钢筋屈服后将很大的塑性变形，且卸载时这部分变形不可恢复，这会使钢筋混凝土构件产生很大的变形和不可闭合的裂缝。屈服上限与加载速度有关，不太稳定，一般取屈服下限作为屈服强度。,屈强比反映钢筋的强度储备，fy/fu=0.60.7。,极限抗拉强度ultimate
6、 tensile strength,3.1钢筋的强度和变形 3.1.4钢筋的塑性性能,* 伸长率elongation strain：钢筋拉断时的应变，是反映钢筋塑性性能的指标。伸长率大的钢筋，在拉断前有足够预兆，延性较好,* 冷弯性能：将直径为d的钢筋绕直径为D的钢辊弯成一定的角度而不发生断裂,伸长率d对应最大应力时应变，包括了残余应变和弹性应变，反映了钢筋真实的变形能力(2.5%),3.1钢筋的强度和变形 3.1.5钢筋的冷加工和热处理,冷拉,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,特性：只提高抗拉强度，不提高抗压强度，强度提
7、高，塑性下降,3.1钢筋的强度和变形 3.1.5钢筋的冷加工和热处理,冷拔,经过冷拔后钢筋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,3.1钢筋的强度和变形 3.1.6钢筋的连接,热轧钢筋的连接方法：,绑扎连接 焊接 机械连接,3.1钢筋的强度和变形 3.1.7混凝土结构对钢筋的要求,强度要求：屈服强度和极限强度，抗震设计时还要求有一定的屈强比,塑性要求：伸长率和冷弯要求,可焊性,与混凝土的粘结性,3.1钢筋的强度和变形 3.1.8钢筋应力-应变曲线的数学模型,有明显流幅的钢筋,无明显流幅的钢筋,3.2混凝土的强度和变形 3.2.1 混凝土的强度,混凝土的强度是其受力性能的一
8、个基本指标。荷载的性质不同及混凝土受力条件不同，混凝土就会具有不同的强度。工程中常用的混凝土强度有：立方体抗压强度、棱柱体轴心抗压强度、轴心抗拉强度等。,3.2混凝土的强度和变形 3.2.2混凝土的抗压强度,采用标准试块(规范规定边长为150mm的混凝土立方体)，在标准条件下（温度为203，相对湿度在90%以上）养护28天，按规定的标准试验方法(中心加载，平均速度为0.30.8MPa/s，试件上下表面不涂润滑剂)测得的具有95%保证率的抗压强度称为混凝土立方体抗压强度标准值fcu,k(N/mm2)。,立方体抗压强度fcu,3.2混凝土的强度和变形 3.2.2混凝土的抗压强度,立方体抗压强度fc
9、u,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,3.2混凝土的强度和变形 3.2.2混凝土的抗压强度,标准试块：150150150,非标准试块：100100100 换算系数 0.95200200200 换算系数 1.05,立方体抗压强度是区分混凝土强度等级的指标，我国规范混凝土的强度等级有： C15，C20，C25，C30，C35，C40，C45，C50，C55，C60，C65，C70，C75，C80,表示混凝土Concrete,立方体抗压强度标准值,立方体抗压强度fcu,3.2混凝土的强度和变形 3.2.2混凝土
10、的抗压强度,棱柱体轴心抗压强度fc,标准试块：150150 300,非标准试块：100100 300 换算系数 0.95200200 400 换算系数 1.05,考虑到承压板对试件的约束，立方体抗压强度大于棱柱体抗压强度，且有：fc=（0.70-0.92）fcu 考虑到构件和试件的区别，取,3.2混凝土的强度和变形 3.2.3混凝土的抗拉强度,直接受拉试验ft,试验结果平均值：ft,=0.395(fcu,m )0.55 考虑修正系数0.88及脆性折减系数 ，取,此方法离散性大,3.2混凝土的强度和变形 3.2.3混凝土的抗拉强度,劈裂试验fts,我国根据100mm立方体的劈裂与抗压试验结果有：
11、 fts=0.19fcu 3/4,3.2混凝土的强度和变形 3.2.4混凝土的变形性能,A点以前，微裂缝没有明显发展，混凝土的变形主要弹性变形，应力-应变关系近似直线。A点应力随混凝土强度的提高而增加，对普通强度混凝土sA约为 (0.30.4)fc ，对高强混凝土sA可达(0.50.7)fc。,A点以后，由于微裂缝处的应力集中，裂缝开始有所延伸发展，产生部分塑性变形，应变增长开始加快，应力-应变曲线逐渐偏离直线。微裂缝的发展导致混凝土的横向变形增加。但该阶段微裂缝的发展是稳定的。,混凝土在结硬过程中，由于水泥石的收缩、骨料下沉以及温度变化等原因，在骨料和水泥石的界面上形成很多微裂缝，成为混凝土
12、中的薄弱部位。混凝土的最终破坏就是由于这些微裂缝的发展造成的。,达到B点，内部一些微裂缝相互连通，裂缝发展已不稳定，横向变形突然增大，体积应变开始由压缩转为增加。在此应力的长期作用下，裂缝会持续发展最终导致破坏。取B点的应力作为混凝土的长期抗压强度。普通强度混凝土sB约为0.8fc，高强强度混凝土sB可达0.95fc以上。,达到C点fc，内部微裂缝连通形成破坏面，应变增长速度明显加快，C点的纵向应变值称为峰值应变 e 0，约为0.002。,纵向应变发展达到D点，内部裂缝在试件表面出现第一条可见平行于受力方向的纵向裂缝。,随应变增长，试件上相继出现多条不连续的纵向裂缝，横向变形急剧发展，承载力明
13、显下降，混凝土骨料与砂浆的粘结不断遭到破，裂缝连通形成斜向破坏面。E点的应变e = (23) e 0，应力s = (0.40.6) fc。,不同强度混凝土的应力-应变关系曲线,强度等级越高，线弹性段越长，峰值应变也有所增大。但高强混凝土中，砂浆与骨料的粘结很强，密实性好，微裂缝很少，最后的破坏往往是骨料破坏，破坏时脆性越显著，下降段越陡。,3.2混凝土的强度和变形 3.2.4混凝土的变形性能,3.2混凝土的强度和变形 3.2.4混凝土的变形性能,单轴受压时的应力-应变关系的数学模型,美国Hognestad模型,德国Rsch模型,3.2混凝土的强度和变形 3.2.4混凝土的变形性能,单轴受压时的
14、应力-应变关系的数学模型-中国规范,3.2混凝土的强度和变形 3.2.4混凝土的变形性能,侧向受约束时混凝土的变形特点,3.2混凝土的强度和变形 3.2.4混凝土的变形性能,长期荷载作用下混凝土的变形性能-徐变,原因之一，胶凝体的粘性流动,原因之二，混凝土内部微裂缝的不断发展,混凝土在荷载的长期作用下，其变形随时间而不断增长的现象称为徐变。,3.2混凝土的强度和变形 3.2.4混凝土的变形性能,长期荷载作用下混凝土的变形性能-影响徐变的因素,应力： c0.8fc，造成混凝土破坏，不稳定,加荷时混凝土的龄期，越早，徐变越大,水泥用量越多，水灰比越大，徐变越大,骨料越硬，徐变越小,3.2混凝土的强
15、度和变形 3.2.4混凝土的变形性能,徐变对混凝土结构的影响,徐变对混凝土结构和构件的工作性能有很大影响: 由于混凝土的徐变，会使构件的变形增加; 在钢筋混凝土截面中引起应力重分布; 在预应力混凝土结构中会造成预应力的损失。 混凝土的徐变特性主要与时间参数有关。,3.2混凝土的强度和变形 3.2.4混凝土的变形性能,混凝土的收缩-结硬过程中混凝土体积缩小的性质,（1）水泥的品种：水泥强度等级越高，制成的混凝土收缩越大。 （2）水泥的用量：水泥用量多、水灰比越大，收缩越大。 （3）骨料的性质：骨料弹性模量高、级配好，收缩就小。 （4）养护条件：干燥失水及高温环境，收缩大。 （5）混凝土制作方法：
16、混凝土越密实，收缩越小。 （6）使用环境：使用环境温度、湿度越大，收缩越小。 （7）构件的体积与表面积比值：比值大时，收缩小。,影响因素,3.2混凝土的强度和变形 3.2.4混凝土的变形性能,收缩对混凝土结构的影响,收缩是混凝土在不受外力情况下体积变化产生的变形。 当这种自发的变形受到外部（支座）或内部（钢筋）的约束时，将使混凝土中产生拉应力，甚至引起混凝土的开裂。混凝土收缩会使预应力混凝土构件产生预应力损失。,3.2混凝土的强度和变形 3.2.4混凝土的变形性能,混凝土的弹性模量和变形模量,原点切线模量（弹性模量）：拉压相同,变形模量（割线模量、弹塑性模量）,切线模量,受压时，为0.41.0
17、； 受拉破坏时，为1.0,弹性系数反映了混凝土的弹塑性性质,3.2混凝土的强度和变形 3.2.4混凝土的变形性能,混凝土的泊松比和剪切模量,混凝土的泊松比，在压力较小时为0.15-0.18，接近破坏时可达0.5以上，一般可取0.2,混凝土的剪切模量为,3.3混凝土与钢筋的相互作用粘结力 3.3.1共同工作的基本条件,* 混凝土和钢筋之间有良好的粘结力，两者可靠地结合在一起，可共同受力，共同变形,* 两者的温度线膨胀系数很接近，避免产生较大的温度应力破坏两者的粘结力，混凝土：1.010-51.5 10-5，钢筋： 1.2 10-5,* 混凝土包裹在钢筋的外部，混凝土的弱碱性环境可使钢筋免于腐蚀,
18、主要原因,材料本身固有属性,保证其耐久性,3.3混凝土与钢筋的相互作用粘结力 3.3.2钢筋和混凝土之间的粘结,钢筋和混凝土之间的粘结是保证这两种力学性能不同的材料在结构构件中形成整体而变形协调的共同工作的重要条件,3.3混凝土与钢筋的相互作用粘结力 3.3.3粘结力的组成,化学胶结力：由混凝土中水泥凝胶体和钢筋表面化学变化而产生的吸附作用力，这种作用力很弱，一旦钢筋与混凝土接触面上发生相对滑移即消失。 摩阻力(握裹力)：混凝土收缩后紧紧地握裹住钢筋而产生的力。这种摩擦力与压应力大小及接触界面的粗糙程度有关，挤压应力越大、接触面越粗糙，则摩阻力越大。 机械咬合力：由于钢筋表面凹凸不平与混凝土之
19、间产生的机械咬合作用力。变形钢筋的横肋会产生这种咬合力。,3.3混凝土与钢筋的相互作用粘结力 3.3.4粘结强度,钢筋的粘结强度通常采用直接拔出试验来测定，通常按下式计算平均粘结应力：P拔出力； d钢筋直径； l锚固长度。 粘结性能与混凝土强度有关系，混凝土强度等级越高，粘结强度越大，相对滑移越小，粘结锚固性能越好，劈裂破坏粘结强度较高。,3.3混凝土与钢筋的相互作用粘结力 3.3.5影响黏结性能的因素,混凝土强度； 保护层厚度； 钢筋净距； 横向配筋； 侧向压力； 以及浇注混凝土时钢筋的位置等。,3.3混凝土与钢筋的相互作用粘结力 3.3.6钢筋的锚固与搭接,钢筋锚固与搭接的意义 为了保证钢
20、筋不被从混凝土中拔出或压出，除要求钢筋与混凝土之间有一定的粘结强度之外，还要求钢筋有良好的锚固，如光面钢筋在端部设置弯钩、钢筋在伸入支座一定的长度等；当钢筋长度不足、或需要采用施工缝或后浇带等构造措施时，钢筋就需要有接头，为保证在接头部位的传力，就必须有一定的构造要求。锚固与接头的要求也都是保证钢筋与混凝土粘结的措施。 由于粘结破坏机理复杂，影响粘结力的因素众多，工程结构中粘结受力的多样性，目前尚无比较完整的粘结力计算理论。规范采用的是：不进行粘结计算，用构造措施来保证混凝土与钢筋的粘结。,3.3混凝土与钢筋的相互作用粘结力 3.3.6钢筋的锚固与搭接,钢筋锚固的长度,钢筋的锚固可采用机械锚固的形式，主要有弯钩、贴焊钢筋及焊锚板,3.3混凝土与钢筋的相互作用粘结力 3.3.6钢筋的锚固与搭接,钢筋的连接 钢筋长度不够时就需要把钢筋连接起来使用，但连接必须保证将一根钢筋的力传给另一根钢筋。钢筋的连接可分为三类：绑扎搭接、机械连接与焊接连接。由于钢筋通过连接接头传力总不如整体钢筋，所以钢筋搭接的原则是：接头应设置在受力较小处，同一根钢筋上尽量少设接头。,
