鋼筋和混凝土材料的力學性能-第二講

2023/2/3CH2

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

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

了解鋼筋與混凝土的粘結性能(bondbetweensteelbarandconcrete)。CH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能CH2.MechanicalPropertiesofMaterials鋼筋的力學性能指標？為何以屈服強度作為鋼筋強度設計值的依據，而不是極限抗拉強度？混凝土結構對鋼筋性能的具體要求？小結

2.1PerformanceofSteelBarCH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能結合鋼筋應力-應變曲線和鋼筋混凝土梁受力特點說明“為何將屈服強度作為鋼筋強度設計值的依據，而不是極限抗拉強度？”任務2.1PerformanceofSteelBarCH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能PPAB’BCDEUltimatestressfu

Yieldingstressfy

鋼筋的力學性能指標Indexofmechanicalpropertiesfyfu--屈服強度---極限抗拉強度fy/fu---屈強比強度儲備塑性指標（延伸率elongation）冷彎性能強度指標strengthIndexPlasticityindexcold-formedcapacityultimatetensilestrengthyieldingstrength均勻伸長率CH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能2.1PerformanceofSteelBar回顧強度要求：保證經濟性。屈服強度和極限抗拉強度，還要求有適當的屈強比。塑性要求：保證結構延性，給人以破壞的預兆。伸長率和冷彎要求?？珊感裕轰摻詈附雍蟛划a生裂紋及過大的變形，保證焊接后的接頭性能良好。與混凝土的粘結性：保證鋼筋和混凝土共同工作。4混凝土結構對鋼筋性能的要求耐久性和耐火性：設置必要的混凝土保護層。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，內部存在許多微裂紋水化過程長，性能需較長時間才能穩(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CompositionfeatureofConcreteCubecompressivestrengthPrismcompressivestrengthTensilestrengthCompressivestrengthunderbi-axialortri-axialloadsCH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcreteEmphasis

：thestrengthofconcreteEmphasis

：thedeformationofconcreteDeformationofconcreteunderaxialandtri-axialcompressiveloads

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

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

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

fc軸心抗拉強度(AxialTensileStrength)

ft承壓板試塊溫度：20±3℃相對濕度：≥90％標準條件養(yǎng)護28d標準試驗方法抗壓強度邊長為150mm的標準立方體試塊加載速度：0.15～0.25MPa/s全截面受力，表面不涂潤滑劑CH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcreteCubecompressivestrengthfcu影響因素一：潤滑劑(lubricant)摩擦力friction不涂潤滑劑涂潤滑劑套箍效應強度大于立方體抗壓強度影響因素(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)尺寸效應標準試塊150×150×150非標準試塊100×100×100非標準試塊200×200×2001.05:1:0.95尺寸越大,內部缺陷較多;尺寸越大，套箍作用越不明顯。試塊尺寸越大，實測破壞強度越低。Thesmallerthesizeofthespecimen,thehigherthecompressivestrength.CH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcrete立方體抗壓強度影響因素(Factorsthataffectthecubestrength)影響因素三：加載速度Theloadingspeed加載速度快，內部微裂紋來不及擴展實測強度提高

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

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

因此，在建立混凝土的強度時，需要規(guī)定一個統(tǒng)一的標準作為依據。溫度：20±3℃相對濕度：≥90％邊長為150mm的標準立方體試塊標準條件養(yǎng)護28d標準試驗方法加載速度：0.15～0.25MPa/s全截面受力，表面不涂潤滑劑抗壓強度Cubecompressivestrengthfcu具有95％保證率的立方體抗壓強度標準值(N/mm2)14gradesC15

C20

C25

C30

C35

C40

C45C50

C55

C60

C65

C70

C75

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

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

試件長度不宜過小或過大：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

試驗量測到fc值比fcu值小，并且棱柱體試件高寬比(即h/b)越大，它的強度越小。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力狀態(tài)。真實反映混凝土的實際工作狀態(tài)

通過大量比對試驗，可建立fc值與fcu值之間的關系式。

fc與

fcu

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

fcu的關系曲線Axialtensilestrengthft

由于混凝土構件內部的不均勻性，加之安裝試件偏差的原因，通過直接受拉試驗測量抗拉強度是很困難的，試驗數據離散性很大。100100150150500

直接測試法

誤差大難實現(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。試驗方法未統(tǒng)一。ddftsFFFF根據彈性力學知識試件中間垂直截面除加力點附近很小的范圍外，有均勻分布的水平拉應力。當拉應力達到混凝土的抗拉強度時，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(splittingtest)CH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcreteAxialtensilestrengthft抗折試驗(bendingtest)Standardspecimen

:150×150×500~600mmfr=Mu/Wft與fcu之間的換算關系——混凝土的脆性系數，當混凝土的強度等級不大于C40時，=1.0；當混凝土的強度等級為C80時，=0.87；其間按線性插值。

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

對于縱向受壓的混凝土，約束混凝土的側向變形，可使混凝土的抗壓強度和延性有較大提高。實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期作用下的變形多次重復荷載作用下的變形硬化過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受壓應力-應變關系Stress-strainrelationshipunderaxialcompressiveload作用是峰值應力后，吸收試驗機的變形能，測出下降段。1）一次短期加載下的變形棱柱體試塊骨料和水泥結晶體彈性變形內部微裂縫穩(wěn)定擴展內部微裂縫非穩(wěn)定擴展峰值應變(peakstrain)ε0取0.002裂縫迅速發(fā)展，內部整體性嚴重破壞極限壓應變(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受拉應力-應變關系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200萬次（或以上）循環(huán)荷載時發(fā)生破壞的最大壓應力值2）重復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