[PPT]混凝土結構設計原理之鋼筋和混凝土的力學性能

1、第一章鋼筋和混凝土的力學性能 第一節(jié)鋼筋的性能及要求 第二節(jié)混凝土的力學性能 第三節(jié)鋼筋與混凝土的黏結第一節(jié)鋼筋的性能及要求 一、鋼筋的分類 混凝土結構用鋼筋按化學成分可分為碳素鋼和普通低合金鋼。根據(jù)含碳量的不同，碳素鋼分為低碳鋼(碳質(zhì)量分數(shù)0.6%)。含碳量越高，強度越高，但塑性和可焊性下降。工程中常用低碳鋼。普通低合金鋼是在碳素鋼的基礎上，再加入微量的合金元素，如硅、錳、釩、欽、鋸等，目的是提高鋼材的強度，改善鋼材的塑性性能。 鋼筋按生產(chǎn)加工工藝和力學性能的不同分為普通鋼筋和預應力鋼筋。普通鋼筋為低碳鋼，由普通低合金鋼在高溫狀態(tài)下軋制而成，預應力鋼筋可分為熱處理鋼筋和預應力鋼絲。 鋼筋按其

2、外形不同，分為光面鋼筋和帶肋鋼筋。下一頁返回第一節(jié)鋼筋的性能及要求 二、鋼筋的強度和變形 1.鋼筋的應力應變曲線 有明顯屈服點的鋼筋的典型應力應變曲線如圖1-2 (a)所示。圖中在a點以前，鋼筋處于彈性階段，應力與應變成正比，a點的鋼筋應力稱為“比例極限”一鋼筋的屈服強度fy。直線Oa的斜率為鋼筋的彈性模量Es。過a點以后，應變較應力增長為快。到達b點，鋼筋開始屈服，其強度與加荷速度、截面形式、試件表面光潔度等多種因素有關，很不穩(wěn)定，b點稱為屈服上限。超過b點以后，進人強化階段，鋼筋的應力下降到c點，在應力基本保持不變的情況下，應變顯著增加產(chǎn)生較大的塑性變形，但比較穩(wěn)定，c點稱為屈服下限或屈服

3、點。與c點所對應的應力稱為屈服強度，以s表示，水平cd段稱為屈服臺階或流幅。過d點后，鋼筋還能繼續(xù)承載，應力應變繼續(xù)加大，到達e點后鋼筋產(chǎn)生頸縮現(xiàn)象，下一頁返回上一頁第一節(jié)鋼筋的性能及要求 應力開始下降，但應變?nèi)阅芾^續(xù)增長，至f點試件被拉斷。e點對應的應力稱為抗拉強度極限b，曲線的de段稱為強化階段，ef段稱為頸縮下降階段。 沒有明顯屈服點的鋼筋的典型應力應變曲線如圖1-2 ( b)所示。由圖可見，它沒有明顯的屈服平臺，其強度很高，但延伸率大為降低，塑性性能減弱。設計上取相應于殘余應變?yōu)?. 2%的應力為名義屈服強度0.2，大約為國家標準的抗拉強度極限b的85%。 圖1-2 ( c)為各級鋼筋

4、的應力應變曲線。從圖中可以看出，普通鋼筋應力應變曲線都有明顯的屈服點，這種鋼筋即為低碳鋼，亦稱軟鋼。沒有明顯屈服點的熱處理鋼筋和鋼絲，稱為硬鋼。下一頁返回上一頁第一節(jié)鋼筋的性能及要求 2.鋼筋的塑性性能 反映鋼筋的塑性性能的基本指標是鋼筋的伸長率、冷彎性能。鋼筋試件拉斷后的伸長值與原長的比值稱為伸長率。伸長率愈大，塑性性能愈好。冷彎是將直徑為d的鋼筋繞直徑為D的鋼輥進行彎曲，如圖1-3所示，彎成一定的角度而不發(fā)生斷裂，并且無裂紋、鱗落或斷裂現(xiàn)象，即認為鋼筋的彎曲性能符合要求。通常D值愈小，a值愈大，則其彎曲性能、塑性性能愈好。 屈服強度、極限抗拉強度、伸長率和冷彎性能是有明顯屈服點鋼筋進行質(zhì)量

5、檢驗的四項主要指標。表1-1列出了常用鋼筋的強度、伸長率、冷彎性能和彈性模量等各項指標。下一頁返回上一頁第一節(jié)鋼筋的性能及要求3.鋼筋的冷加工 冷拉是在常溫條件下，把鋼筋應力拉到超過其原有的屈服點，然后完全放松，使鋼材內(nèi)部組織結構發(fā)生變化，而提高其強度。冷拉只能提高鋼筋的抗拉屈服強度，卻不能提高其抗壓屈服強度。故當用冷拉鋼筋作受壓鋼筋時，其屈服強度與母材相同。 冷拔是將鋼筋(盤條)用強力拔過比它本身直徑還小的硬質(zhì)合金拔絲模，這是鋼筋同時受到縱向拉力和橫向壓力的作用以提高其強度的一種加工方法。鋼筋經(jīng)多次冷拔后，截面變小而長度增長，強度比原來提高很多，但塑性降低，硬度提高，冷拔后鋼絲的抗壓強度也得

6、到提高。下一頁返回上一頁第一節(jié)鋼筋的性能及要求 三、混凝土結構對鋼筋性能的要求 1.一般要求 (1)有較高的強度和適宜的屈強比。強度是指鋼筋的屈服強度f y 。屈服強度高，可減少結構的含鋼量，節(jié)約鋼材，提高經(jīng)濟效益。屈強比是指屈服強度fy與極限抗拉強度fu之比值，該值反映結構的可靠程度。屈強比小，結構可靠，但鋼材強度的利用率低，不經(jīng)濟;屈強比太大，則結構不可靠。 (2)有較好的塑性。 (3)具有較好的焊接性能。 (4)與混凝土之間具有良好的黏結。下一頁返回上一頁第一節(jié)鋼筋的性能及要求 2.抗震要求 對于有抗震要求的混凝土結構用鋼筋，除上述一般要求外，還有以下具體要求: (1)抗震等級為一、二級

7、的框架結構，其縱向受力鋼筋采用普通鋼筋時，應滿足: 1)鋼筋的抗拉強度實測值與屈服強度實測值的比值(強屈比)不應小于 1. 25，目的是為了保證當構件某個部位出現(xiàn)塑性鉸后，塑性鉸處有足夠的轉(zhuǎn)動能力與耗能能力。 2)鋼筋的屈服強度實測值與強度標準值的比值不應大于1. 3,計中強柱弱梁、強剪弱彎的設計要求。 (2)普通鋼筋宜優(yōu)先采用延性、韌性和可焊性較好的鋼筋。返回上一頁第二節(jié)混凝土的力學性能 一、混凝土的強度 混凝土的抗壓強度與水泥、骨料的品種、級配、配合比、硬化條件和齡期等有關，主要包括立方體抗壓強度、軸心抗壓強度和軸心抗拉強度等。影響混凝土抗壓強度的主要因素有:混凝土受壓時的橫向變形條件和加

8、載速度等。 1.立方體抗壓強度 立方體抗壓強度是衡量混凝土強度高低的基本指標值，是確定混凝土強度等級的依據(jù)?；炷两Y構設計規(guī)范(GB 50010-2002)規(guī)定:按照標準方法制作養(yǎng)護邊長為150 mm的立方體試件，在28天齡期用標準試驗方法測得的具有95%保證率的抗壓強度作為混凝土的立方體抗壓強度標準值，用fcu,k表示，單位為N/mm2 ( MPa)。下一頁返回第二節(jié)混凝土的力學性能2.軸心抗壓強度軸心抗壓強度標準值與立方體抗壓強度標準值之間的關系為: fck=0.88c1c2fcu,kc1 -棱柱強度與立方強度之比，對C50及以下取c1 =0. 76， 對C80取c1 =0.82,中間按直

9、線內(nèi)插法取值;c2 -考慮C40以上混凝土脆性的折減系數(shù)，對C40取c2 =1.0，對C80取c2=0. 87，中間按直線內(nèi)插法取值;0.88-考慮到結構構件與試件制作及養(yǎng)護條件的差異，尺寸效應及加荷速度影響，參照以往的設計經(jīng)驗所取得的經(jīng)驗系數(shù)。下一頁返回上一頁第二節(jié)混凝土的力學性能 3.軸心抗拉強度 混凝土的抗拉強度很低，與立方抗壓強度之間為非線性關系，一般只有其立方體抗壓強度的1/171/8。中國建筑科學研究院等單位對混凝土的抗拉強度作了系統(tǒng)的測定，用直接測試法或間接測試法對試件進行實驗測得的抗拉強度稱為軸心抗拉強度，經(jīng)修正后，軸心抗拉強度標準值與立方體抗壓強度標準值之間的關系為: 式中-

10、混凝土立方體強度變異系數(shù)，對C60以上的混凝土，取 = 0. 1;系數(shù)0. 395和系數(shù)0. 55是根據(jù)實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析所得的經(jīng)驗系數(shù)。下一頁返回上一頁第二節(jié)混凝土的力學性能 4.復合應力狀態(tài)下的混凝土強度 在實際混凝土結構中，混凝土處于單向應力狀態(tài)的情況很少，往往都處于三向復合壓應力狀態(tài)。在復合應力狀態(tài)下，混凝土的強度和變形性能與單軸應力狀態(tài)下有明顯的不同。 混凝土三向受壓時，混凝土一向的抗壓強度隨另兩向壓應力的增加而增大，并且混凝土的極限壓應變也大大增加。這是由于側(cè)向壓力約束了混凝土的橫向變形，抑制了混凝土內(nèi)部裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展，使得混凝土的強度和延性均有明顯提高。下一頁返回上一頁第二節(jié)混凝

11、土的力學性能 二、混凝土的變形 混凝土的變形可分為兩類:一類是在荷載作用下的受力變形，如單調(diào)短期加荷、多次重復加荷以及荷載長期作用下的變形。另一類與受力無關，稱為體積變形，如混凝土收縮、膨脹以及由于溫度變化所產(chǎn)生的變形等。 1.混凝土在一次短期荷載下的變形 (1)混凝土在單調(diào)短期加荷作用下的應力征是研究鋼筋混凝土構件的強度、變形、延性依據(jù)。應變曲線是其最基本的力學性能，曲線的特(承受變形的能力)和受力全過程分析的。 圖1-5所示為混凝土棱柱體試件在受壓時的應力應變曲線，曲線由上升段Oc和下降段ce兩部分組成。下一頁返回上一頁第二節(jié)混凝土的力學性能 (2)混凝土的橫向變形系數(shù)?；炷猎嚰谝淮味?/p>

12、期加壓時，其縱向產(chǎn)生壓縮應變cv，而橫向產(chǎn)生膨脹應變ch，則其比值vc= ch/ cv稱為橫向變形系數(shù)(又稱泊松比)，在混凝土應力c0.5fc時，橫向變形突然增加，表明混凝土內(nèi)部微裂縫開始迅速發(fā)展。 (3)混凝土的彈性模量、變形模量和剪變模量?；炷恋膽εc其彈性應變之比稱為混凝土的彈性模量，用符號Ec表示。根據(jù)大量試驗統(tǒng)計結果，混凝土結構設計規(guī)范采用的經(jīng)驗公式計算混凝土的彈性模量為:下一頁返回上一頁第二節(jié)混凝土的力學性能 混凝土的應力與其彈塑性總應變之比稱為混凝土的變形模量，用符號Ec表示。該值小于混凝土的彈性模量Ec?；炷恋膹椥阅Ａ縀c與變形模量Ec的關系為: 式中v-混凝土彈性特征系數(shù)

13、，當c0. 3fc時,v=1.0; c=0. 5fc v=0. 80. 9 ; c=0. 9fc ， v=0. 40. 7 。 下一頁返回上一頁第二節(jié)混凝土的力學性能 2.混凝土在重復荷載作用下的變形 工程中的某些構件，例如工業(yè)廠房中的起重機梁，在其使用期限內(nèi)要承受大約200萬次以上的重復荷載作用，在多次重復荷載作用情況下，混凝土的強度和變形性能都會出現(xiàn)重要變化。在多次重復加荷情況下，混凝土將產(chǎn)生“疲勞”現(xiàn)象，混凝土由于荷載重復作用而引起的破壞稱為疲勞破壞。疲勞破壞的產(chǎn)生取決于加載時應力是否超過混凝土疲勞強度fcf。試驗表明，混凝土疲勞強度fcf低于軸心抗壓強度fc,大致在 (0. 40. 5

14、) fc ，此值的大小與荷載重復作用的次數(shù)、應力變化幅度及混凝土強度等級有關。下一頁返回上一頁第二節(jié)混凝土的力學性能 3.混凝土在長期荷載作用下的變形一徐變 混凝土在不變荷載長期作用下，其應變隨時間而繼續(xù)增長的現(xiàn)象稱為混凝土的徐變。 混凝土徐變對混凝土結構和構件的工作性能有很大的影響。由于混凝土的徐變，會使受彎構件的變形增大，使結構或構件產(chǎn)生內(nèi)力重分布。在預應力混凝土結構中還會產(chǎn)生較大的預應力損失。 影響徐變的因素很多，主要有以下幾方面: (1)應力條件。應力條件指混凝土初始加荷應力和加載時混凝土的齡期，這是影響徐變的最主要因素。初始加荷應力越大，徐變越大;加載時混凝土的齡期越短，徐變越大。在

15、實際工程中，應加強養(yǎng)護，使混凝土盡早結硬，減小徐變。 下一頁返回上一頁第二節(jié)混凝土的力學性能 (2)內(nèi)在因素。內(nèi)在因素指混凝土的組成成分和配比。例如，骨料越堅硬，徐變越小;水灰比越大，水泥用量越多，徐變越大。 (3)環(huán)境因素。環(huán)境因素指養(yǎng)護和使用時的溫濕度。受荷前養(yǎng)護的溫度越高，濕度越大，水泥水化作用就越充分，徐變就越小;加荷期間溫度越高，濕度越低，徐變就越大。下一頁返回上一頁第二節(jié)混凝土的力學性能 4.混凝土的收縮和溫度變形 混凝土在空氣中結硬時體積減小的現(xiàn)象稱為收縮;當混凝土在水中結硬時，其體積會產(chǎn)生膨脹。通常收縮值量值較大，對結構有明顯的不利影響，因此要特別注意;而膨脹值的量值很小，對結

16、構有利，一般可不予考慮。 混凝土的收縮變形先快后慢，一個月可完成約50%，三個月后增長緩慢，一般兩年后趨于穩(wěn)定，最終收縮值約為(26) 10-4。 混凝土的收縮由凝縮和干縮兩部分組成。凝縮是由水泥水化反應引起的本身體積的收縮，它是不可恢復的;干縮則是由于混凝土內(nèi)自由水分蒸發(fā)而引起的收縮，當干縮后的混凝土再次吸水時，部分干縮變形可以恢復。 下一頁返回上一頁第二節(jié)混凝土的力學性能 影響混凝土收縮的因素有內(nèi)在因素和環(huán)境影響: (1)內(nèi)在因素。水泥強度高、用量多、水灰比大，則收縮量大;，骨料粒徑大、級配好、彈性模量高，則收縮量小;混凝土越密實，收縮量就越小。 (2)環(huán)境影響?；炷猎陴B(yǎng)護和使用期間的環(huán)

17、境濕度大，則收縮量小;采用高溫蒸汽養(yǎng)護時，收縮量減小。返回上一頁第三節(jié)鋼筋與混凝土的黏結 一、鋼筋與混凝土共同工作的原理 在鋼筋混凝土結構中，鋼筋和混凝土這兩種性質(zhì)不同的材料之所以能有效地結合在一起共同工作，除了二者之間溫度線膨脹系數(shù)相近及混凝土包裹鋼筋具有保護作用以外，主要的原因是兩者在接觸面上具有良好的黏結作用。該作用可使其承受黏結表面上的剪應力，抵抗鋼筋與混凝土之間的相對滑動。 試驗研究表明，黏結力由三部分組成:因水泥顆粒的水化作用形成的凝膠體對鋼筋表面產(chǎn)生的膠結力;因混凝土結硬時體積收縮，將鋼筋緊緊握裹而產(chǎn)生的摩擦力;由于鋼筋表面凹凸不平與混凝土之間產(chǎn)生的機械咬合力。其中，膠結力作用最

18、小，光面鋼筋以摩擦力為主，帶肋鋼筋以機械咬合力為主。下一頁返回第三節(jié)鋼筋與混凝土的黏結 二、黏結錨固強度 鋼筋的錨固強度由拉拔試驗測定，拉拔試件如圖1-6 ( a)所示。 三、影響?zhàn)そY錨固強度的因素 (1)混凝土強度的影響。混凝土強度越高，則伸人鋼筋橫肋間的混凝土咬合齒越強，握裹層混凝土的劈裂就越不容易發(fā)生，故黏結錨固作用越強。 (2)保護層的厚度?；炷恋谋Ｗo層越厚，則對錨固鋼筋的約束越大;咬合力使握裹層混凝土的劈裂越難以發(fā)生，黏結錨固作用就越強。當保護層厚度達到一定程度后，錨固強度增加的趨勢減緩。 下一頁返回上一頁第三節(jié)鋼筋與混凝土的黏結(3)錨筋的外形。鋼筋的外形決定了混凝土咬合齒的形狀，因而對錨固強度影響很大。主要的外形參數(shù)為相對肋高和肋面積比，橫肋的對稱性及連續(xù)性。光面鋼筋及刻痕鋼絲的錨固性能最差;旋扭狀的鋼絞線次之;間斷型的月牙肋鋼筋較好;而連續(xù)的螺旋肋鋼筋錨固性能最好。(4)錨固區(qū)域的配箍。錨固長度范圍內(nèi)的配箍對錨固