第二章_鋼筋混凝土材料力學(xué)性能

1、 第第二二章章鋼筋混凝土材料的力學(xué)性能材料性能1鋼筋鋼筋(1)熟悉鋼筋的品種和級(jí)別。(2)掌握鋼筋的應(yīng)力一應(yīng)變?nèi)€特性及其數(shù)學(xué)模型。(3)了解鋼筋的冷加工性能以及混凝土結(jié)構(gòu)對(duì)鋼筋性能的要求。2混凝土混凝土(1)熟悉混凝土的立方體強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度、軸心抗拉強(qiáng)度及相互間的 關(guān)系。(2)掌握單軸向受壓下混凝土的應(yīng)力一應(yīng)變?nèi)€及其數(shù)學(xué)模型。(3)熟悉混凝土彈性模量、變形模量的概念。(4)了解重復(fù)荷載下混凝土的疲勞性能以及復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)下混凝土強(qiáng)度的 概念。 (5)熟悉混凝土徐變、收縮的概念。3鋼筋與混凝土的粘結(jié)性能鋼筋與混凝土的粘結(jié)性能(1)掌握粘結(jié)的定義、粘結(jié)力的組成、粘結(jié)應(yīng)力的分布、粘結(jié)應(yīng)力與

2、相對(duì) 滑移的關(guān)系等概念。(2)掌握基本錨固長(zhǎng)度的計(jì)算以及保證可靠粘結(jié)的構(gòu)造要求。主要內(nèi)容及要求主要內(nèi)容及要求材料性能第第二二章章 鋼筋混凝土材料的力學(xué)性能鋼筋混凝土材料的力學(xué)性能l1.1 鋼筋l1.2 混凝土l1.3 鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)l1.4 保證可靠粘結(jié)的具體構(gòu)造措施l1.5 砼對(duì)鋼筋的保護(hù)作用l1.6 砼結(jié)構(gòu)的環(huán)境類別材料性能1.1 鋼筋鋼筋一、鋼筋成分、品種、級(jí)別一、鋼筋成分、品種、級(jí)別二、鋼筋的強(qiáng)度和變形二、鋼筋的強(qiáng)度和變形三、鋼筋的冷加工和熱處理三、鋼筋的冷加工和熱處理四、鋼筋混凝土構(gòu)件對(duì)鋼筋的性能要求四、鋼筋混凝土構(gòu)件對(duì)鋼筋的性能要求五、鋼筋的選用原則五、鋼筋的選用原則材料性

3、能按化學(xué)成分碳素結(jié)構(gòu)鋼（含碳量在0.8%以下）低碳鋼含碳量0.25%中碳鋼含碳量 0.25%0.6%高碳鋼含碳量0.65%1.4%普通低合金鋼 (合金元素總含量 0.5fc 徐變最終仍收斂，但徐變系數(shù)隨ci的增大而增大。 徐變將不收斂 當(dāng)c 0.8fc ，徐變發(fā)展最終導(dǎo)致破壞作為混凝土的長(zhǎng)期抗壓強(qiáng)度。 0.8fc定義徐變變形cr與初始應(yīng)變ci的比值為徐變系數(shù)，即 徐變的性質(zhì)材料性能徐變對(duì)結(jié)構(gòu)的影響： 使構(gòu)件的變形增加； 在截面中引起應(yīng)力重分布； 在預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中引起預(yù)應(yīng)力損失。材料性能（三）（三） 混凝土在多次重復(fù)荷載下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系混凝土在多次重復(fù)荷載下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系 如果我們將混凝土棱

4、柱體試塊加荷使其壓應(yīng)力達(dá)到某個(gè)數(shù)值，然后卸荷至零，并把這一循環(huán)多次重復(fù)下去，就稱為多次重復(fù)荷載。我們通常把能使試件循環(huán)200萬(wàn)次或次數(shù)稍多時(shí)發(fā)生破壞的壓應(yīng)力稱為混凝土的疲勞抗壓強(qiáng)度，用符號(hào) 表示。ffc材料性能材料性能多次重復(fù)荷載多次重復(fù)荷載下應(yīng)力應(yīng)變曲線下應(yīng)力應(yīng)變曲線1. 混凝土一次加荷卸荷時(shí)：曲線與橫坐標(biāo)成一環(huán)狀 2. 混凝土在多次重復(fù)荷載作用下的曲線a. 加荷應(yīng)力 時(shí)，每次卸荷時(shí)，塑性變形（不可恢復(fù)變形）逐漸減小，曲線越來(lái)越閉合成一直線；b. 加荷應(yīng)力 （某一應(yīng)力）時(shí)，曲線由凸向應(yīng)力軸逐漸轉(zhuǎn)為凸向應(yīng)變軸，標(biāo)志混凝土內(nèi)部微裂縫發(fā)展加劇趨近破壞。（疲勞破壞） fcffcf由上述a、b可以得出

5、，曲線不同的變化過(guò)程取決于施加應(yīng)力的大小 材料性能疲勞抗壓強(qiáng)度f(wàn)fc能使試件循環(huán)200萬(wàn)次或次數(shù)稍多時(shí)發(fā)生破壞的壓應(yīng)力影響疲勞抗壓強(qiáng)度的因素1、荷載重復(fù)次數(shù)和砼強(qiáng)度等級(jí)2、重復(fù)荷載應(yīng)力變化幅度 fsfsfsmaxmin在相同的重復(fù)次數(shù)下，砼的疲勞強(qiáng)度隨增加而增大。fs材料性能混凝土在空氣中結(jié)硬體積減小的現(xiàn)象。蒸汽養(yǎng)護(hù)常溫養(yǎng)護(hù)051015200.10.20.30.4收縮(103)時(shí)間 (月)四、混凝土的非受力變形收縮材料性能混凝土的收縮隨時(shí)間發(fā)展的規(guī)律混凝土的收縮隨時(shí)間發(fā)展的規(guī)律 混凝土的收縮隨時(shí)間而增長(zhǎng) 兩周可完成全部收縮的25%，一個(gè)月可完成50% 整個(gè)收縮過(guò)程可延續(xù)兩年以上 混凝土開裂時(shí)應(yīng)

6、變約為(0.52.7)10-4，而收縮應(yīng)變終極值約為(25)10-4，故收縮應(yīng)變?nèi)缡艿郊s束，極易導(dǎo)致開裂。 材料性能 混凝土收縮的影響因素混凝土收縮的影響因素 環(huán)境的溫度濕度 構(gòu)件斷面形狀及尺寸 配合比 骨料性質(zhì)、水泥性質(zhì) 混凝土澆筑質(zhì)量、養(yǎng)護(hù)條件 收縮的性質(zhì)自由收縮：對(duì)結(jié)構(gòu)沒(méi)影響約束收縮來(lái)自內(nèi)部的鋼筋約束來(lái)自支座的外部約束收縮對(duì)結(jié)構(gòu)的影響a. 構(gòu)件未受荷之前產(chǎn)生裂縫；b. 預(yù)應(yīng)力構(gòu)件中預(yù)應(yīng)力損失（預(yù)應(yīng)力筋與混凝土一同回縮引起預(yù)應(yīng)力損失）；c. 超靜定結(jié)構(gòu)產(chǎn)生內(nèi)力實(shí)際工程中，一般采用設(shè)置施工縫和構(gòu)造鋼筋等措施來(lái)實(shí)際工程中，一般采用設(shè)置施工縫和構(gòu)造鋼筋等措施來(lái)減小收縮應(yīng)力的不利影響。減小收縮應(yīng)力

7、的不利影響。 混凝土的膨脹混凝土在水中硬結(jié)過(guò)程體積膨脹的現(xiàn)象 水下建筑物 材料性能1.3 鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)一、粘結(jié)的意義一、粘結(jié)的意義二、粘結(jié)的概念二、粘結(jié)的概念三、粘結(jié)的分類三、粘結(jié)的分類四、粘結(jié)的機(jī)理四、粘結(jié)的機(jī)理五、光圓鋼筋與變形鋼筋的粘結(jié)性能五、光圓鋼筋與變形鋼筋的粘結(jié)性能六、保證粘結(jié)力的措施六、保證粘結(jié)力的措施材料性能一、粘結(jié)的意義一、粘結(jié)的意義 若梁中的鋼筋與混凝土沒(méi)有粘結(jié)（圖 (a)），則在荷載作用下，鋼筋不受力，該梁如同素混凝土梁。若梁中的鋼筋僅設(shè)置機(jī)械錨固（圖 (b)），則鋼筋應(yīng)力沿全長(zhǎng)相等，其受力猶如二鉸拱，不是梁的受力狀態(tài)。結(jié)論：只有梁中的鋼筋

8、沿全長(zhǎng)與混凝土有可靠的粘結(jié)，并在端部有可靠的錨固，才符合梁的受力特點(diǎn) 鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)性能是鋼筋混凝土構(gòu)件必不可少的第三個(gè)材料性能，是配筋構(gòu)造的基礎(chǔ)。 材料性能二、粘結(jié)的概念二、粘結(jié)的概念 1、軸心受拉構(gòu)件端部的受力分析、軸心受拉構(gòu)件端部的受力分析 （軸向拉力（軸向拉力N N施加在端部的鋼筋上）施加在端部的鋼筋上） 材料性能 端部截面鋼筋應(yīng)力s=N/As，混凝土應(yīng)力c=0,二者存在著很大的應(yīng)變差，變形協(xié)調(diào)關(guān)系s=c 不成立； 隨著距端部截面距離的增加，拉力通過(guò)粘結(jié)作用逐漸向混凝土傳遞，應(yīng)變差s-c逐漸減小 經(jīng)過(guò)一定距離lt的粘結(jié)作用力傳遞后，應(yīng)變差s-c=0，變形協(xié)調(diào)關(guān)系成立，二者共同受

9、力。 由上述分析可知由上述分析可知 鋼筋與混凝土之間具有足夠的粘結(jié)是保證二鋼筋與混凝土之間具有足夠的粘結(jié)是保證二者共同受力、變形協(xié)調(diào)的前提。者共同受力、變形協(xié)調(diào)的前提。 材料性能2、粘結(jié)應(yīng)力的概念和表達(dá)式、粘結(jié)應(yīng)力的概念和表達(dá)式 粘結(jié)應(yīng)力的概念 單位界面面積上粘結(jié)作用力沿鋼筋軸線方向的分力，即鋼筋與混凝土界面上的粘結(jié)剪應(yīng)力 粘結(jié)應(yīng)力的表達(dá)式 由圖鋼筋隔離體的平衡可得 整理可得粘結(jié)應(yīng)力 dxdAdAsssss)(從上式我們可以看出從上式我們可以看出 鋼筋應(yīng)力的變化產(chǎn)生粘結(jié)應(yīng)力鋼筋應(yīng)力的變化產(chǎn)生粘結(jié)應(yīng)力粘結(jié)應(yīng)力的大小取決于二者的相對(duì)變形（滑移）粘結(jié)應(yīng)力的大小取決于二者的相對(duì)變形（滑移） 材料性能三

10、、粘結(jié)的分類三、粘結(jié)的分類 1、錨固粘結(jié)、錨固粘結(jié) 材料性能對(duì)于存在錨固粘結(jié)應(yīng)力的地方，必須保證足夠?qū)τ诖嬖阱^固粘結(jié)應(yīng)力的地方，必須保證足夠的錨固長(zhǎng)度，必要時(shí)采取機(jī)械錨固措施，避免的錨固長(zhǎng)度，必要時(shí)采取機(jī)械錨固措施，避免產(chǎn)生脆性粘結(jié)破壞。產(chǎn)生脆性粘結(jié)破壞。 材料性能2、裂縫間粘結(jié)裂縫間粘結(jié) 軸心受拉構(gòu)件開裂前，粘結(jié)應(yīng)力僅發(fā)生在構(gòu)件端部。 開裂后（見圖），粘結(jié)應(yīng)力發(fā)生在裂縫截面兩側(cè) 粘結(jié)應(yīng)力可以減小裂縫寬度、提高構(gòu)件的剛度 材料性能四、粘結(jié)的機(jī)理四、粘結(jié)的機(jī)理 1、粘結(jié)作用的組成粘結(jié)作用的組成 （1） 水泥膠體與鋼筋表面的膠結(jié)力 砼中水泥砂漿的膠結(jié)作用 當(dāng)鋼筋與混凝土產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)后，膠結(jié)作用即喪

11、失 （2） 混凝土與鋼筋間的摩擦力 砼收縮緊緊握裹而產(chǎn)生的摩擦力 取決于握裹力和鋼筋與混凝土表面的摩擦系數(shù) （3） 機(jī)械咬合力 由于鋼筋表面凸凹不平而產(chǎn)生的機(jī)械咬合力變形鋼筋可顯著增加鋼筋與混凝土的機(jī)械咬合作用 材料性能2、機(jī)械咬合作用的受力機(jī)理、機(jī)械咬合作用的受力機(jī)理 變形鋼筋受力后，其凸出的肋對(duì)混凝土產(chǎn)生斜向擠壓力 水平分力（軸向拉力和剪力）使產(chǎn)生內(nèi)部斜向錐形裂縫，徑向分力（環(huán)向拉力）使產(chǎn)生內(nèi)部徑向裂縫。 材料性能3、變形鋼筋的粘結(jié)破壞形態(tài)、變形鋼筋的粘結(jié)破壞形態(tài) 劈裂式粘結(jié)破壞劈裂式粘結(jié)破壞當(dāng)混凝土保護(hù)層、鋼筋間距較小時(shí)，徑向裂縫可發(fā)展達(dá)到構(gòu)件表面，且相互貫通，產(chǎn)生劈裂式粘結(jié)破壞。剪切型

12、粘結(jié)破壞剪切型粘結(jié)破壞當(dāng)混凝土保護(hù)層厚度較大或者配置有橫向鋼筋時(shí)，徑向裂縫的發(fā)展受到限制，肋前部的混凝土在水平分力和剪力作用下最終將被擠碎，產(chǎn)生所謂“刮犁式”的剪切型粘結(jié)破壞材料性能1、粘結(jié)強(qiáng)度的試驗(yàn)測(cè)定平均粘結(jié)應(yīng)力ssssulddlddlAdlF424五、粘結(jié)強(qiáng)度五、粘結(jié)強(qiáng)度材料性能2 2、影響粘結(jié)強(qiáng)度的主要因素、影響粘結(jié)強(qiáng)度的主要因素1）混凝土強(qiáng)度：2）相對(duì)保護(hù)層厚度：3）鋼筋凈間距鋼筋凈間距 ：4）橫向配筋橫向配筋 ：5）鋼筋表面特征鋼筋表面特征 和外形特征和外形特征 ：6）受力情況受力情況 ：混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度與混凝土抗拉強(qiáng)度成正比；相對(duì)保護(hù)層c/d大，混凝土的側(cè)向約束作用增大，混凝土抵

13、抗劈裂破壞的能力也越大，粘結(jié)強(qiáng)度越高。 橫向鋼筋的存在限制了徑向裂縫的發(fā)展，阻止了劈裂破壞的發(fā)生，使粘結(jié)強(qiáng)度得到提高。 光面鋼筋表面凹凸較小，機(jī)械咬合作用小，粘結(jié)強(qiáng)度低。 變形鋼筋肋的相對(duì)受力面積（擠壓混凝土的面積與鋼筋截面積的比值）越大，其粘結(jié)強(qiáng)度越大。 若在錨固范圍內(nèi)存在側(cè)壓力，則可增大鋼筋與混凝土界面的摩擦力，從而提高粘結(jié)強(qiáng)度； 若在錨固范圍內(nèi)存在剪力，則其產(chǎn)生的斜裂縫會(huì)使錨固鋼筋受到銷栓作用而降低粘結(jié)強(qiáng)度； 受反復(fù)荷載作用的鋼筋，肋前肋后的混凝土?xí)粩D碎，導(dǎo)致咬合作用降低，從而降低粘結(jié)強(qiáng)度。 鋼筋的粘結(jié)破壞形態(tài)還與鋼筋凈距s有關(guān)。 當(dāng)鋼筋凈距較大時(shí)（s2c），可能是保護(hù)層劈裂； 當(dāng)鋼筋

14、凈距較小時(shí)（s28mm，受壓鋼筋直徑32mm，不宜采用綁扎搭接。直接承受動(dòng)力荷載的構(gòu)件，宜采用機(jī)械連接材料性能控制同一連接區(qū)段縱向鋼筋接頭面積百分率控制同一連接區(qū)段縱向鋼筋接頭面積百分率機(jī)械或焊接接頭：不宜大于50%綁扎接頭：對(duì)梁板類及墻類構(gòu)件宜25%；對(duì)柱類構(gòu)件宜50%。同一連接區(qū)段內(nèi)有搭接接頭的縱向受力鋼筋截面面積與全部縱向受力鋼筋截面面積的比值。材料性能mmllal3003、綁扎搭接長(zhǎng)度、綁扎搭接長(zhǎng)度ll根據(jù)位于同一連接區(qū)段內(nèi)的鋼筋搭接接頭面根據(jù)位于同一連接區(qū)段內(nèi)的鋼筋搭接接頭面積百分率計(jì)算積百分率計(jì)算縱向受拉鋼筋搭按長(zhǎng)度縱向受拉鋼筋錨固長(zhǎng)度縱向受拉鋼筋搭接長(zhǎng)度修正系數(shù)，見下表縱向受拉鋼筋縱向受拉鋼筋材料性能縱向受壓鋼筋縱向受壓鋼筋綁扎搭接長(zhǎng)度綁扎搭接長(zhǎng)度受壓搭接長(zhǎng)度 0.7ll ，且在任何情況下200mm。材料性能1.5 、砼對(duì)鋼筋的保護(hù)作用使得鋼筋的耐久、耐火性均得到極大提高材料性能1.6砼結(jié)構(gòu)的環(huán)境類別 表 15 砼結(jié)構(gòu)的環(huán)境類別 環(huán)境類別 條 件 一 室內(nèi)正常環(huán)境 a 室內(nèi)潮濕環(huán)境；非嚴(yán)寒和非寒冷地區(qū)的露天環(huán)境、與無(wú)侵蝕性的水或土壤直接接觸的環(huán)境 二 b 嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)的露天環(huán)境、與無(wú)侵蝕性的水或土壤直接接觸的環(huán)境 三 使用