建筑結(jié)構(gòu) 03 第三章 材料的力學(xué)性能及指標

建筑結(jié)構(gòu)與選型Ⅰ2023年2月6日第一部分建筑結(jié)構(gòu)概論第三章結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)性能及指標1結(jié)構(gòu)材料基本要求1.結(jié)構(gòu)材料的基本要求支撐起結(jié)構(gòu)的自重及外加荷載；破壞要求預(yù)兆；能夠承受一定的變形能力；能夠長時間使用；能夠被大量引用；強度彈性塑性耐久性好取材便利、價廉、可加工以材料的力學(xué)性能指標評定1.結(jié)構(gòu)材料的基本要求包括：強度、彈性、塑性、沖擊韌性與冷脆性、徐變和松弛這些力學(xué)性能指標如何確定？？？實驗的方法1.1鋼筋1.2混凝土1.3鋼筋和混凝土的共同工作1鋼筋和混凝土材料的力學(xué)性能MechanicalPropertiesofReinforcementandConcrete鋼筋的力學(xué)性能混凝土的力學(xué)性能混凝土的破壞機理鋼筋與混凝土的共同工作主要內(nèi)容重點：混凝土的破壞機理鋼筋與混凝土的共同工作1鋼筋和混凝土材料的力學(xué)性能1.2.1混凝土的強度1.2.2混凝土破壞機理1.2.3混凝土的變形1.2.4混凝土的收縮和徐變1.2.5鋼筋與混凝土的粘結(jié)力1.1鋼筋1.1.1鋼筋的品種1.1.2混凝土結(jié)構(gòu)對鋼筋的要求1.1.4無明顯屈服點鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系1.1.3有明顯屈服點鋼筋的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系1.1.5鋼筋的冷拉加工1.2混凝土1.1.6鋼筋的選用原則1鋼筋和混凝土材料的力學(xué)性能鋼筋混凝土ReinforcedConcreteAdvantage:

將混凝土和鋼材這兩種材料有機地、創(chuàng)造性地結(jié)合在一起，可以取長補短，充分利用材料的性能。1+1>21鋼筋和混凝土材料的力學(xué)性能材料的力學(xué)性能鋼筋混凝土兩者間的粘結(jié)強度變形粘結(jié)破壞的過程和機理1鋼筋和混凝土材料的力學(xué)性能◎抗拉和抗壓強度都很高

Bothtensileandcompressivestrengthsarehigh◎具有屈服現(xiàn)象，破壞時表現(xiàn)出較好的延性

DuctileFyF'y=Fy◎但細長的鋼筋受壓時極易壓曲，僅能作為受拉構(gòu)件F'<<F'y1.1鋼筋SteelReinforcement(orRebar)（一）鋼筋布置和用途架力鋼筋：固定箍筋，承受收縮和溫度變化產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力彎起鋼筋：承受剪力，承受支座負彎矩箍筋：承受剪力，聯(lián)系受拉及受壓鋼筋使共同工作，固定縱縱筋縱向受力筋：承受彎矩側(cè)向構(gòu)造鋼筋：增強抗扭能力，承受側(cè)面的溫度變形1.1鋼筋除在構(gòu)件的受拉區(qū)配筋外，還有許多其他配筋方式1.1鋼筋除在構(gòu)件的受拉區(qū)配筋外，還有許多其他配筋方式1.1鋼筋熱軋鋼筋、中高強鋼絲和鋼絞線、熱處理鋼筋和冷加工鋼筋思考題：為什么有不同的鋼筋品種——工程應(yīng)用目的和創(chuàng)新1.1.1鋼筋的品種熱軋鋼筋HotRolledSteelRebar

HPB235級、HRB335級、HRB400級、RRB400級常用熱軋鋼筋的分類HPB235（HotRolledPlainBar）熱軋光面鋼筋Q235HRB335（HotRolledRibbedBar）熱軋帶肋鋼筋20MnSiHRB400（HotRolledRibbedBar）熱軋帶肋鋼筋

20MnSiV,20MnSiNb,20MnTiRRB400（RemainedheattreatmentRibbedBar）

余熱處理鋼筋

1.1.1鋼筋的品種國際上200、300級鋼筋已基本淘汰，400級鋼筋成為普遍應(yīng)用的品種，而發(fā)達國家鋼筋的強度已達到500級或更高。我國上世紀50～60年代使用低碳鋼筋(HPB235)；70年代通過低合金化(20MnSi)強度提高40%(HRB335)80年代進一步微合金化(20MnSiV)強度又提高20%(HRB400)目前,強度再提高25%的HRB500鋼筋已具備生產(chǎn)能力.HPB235級、HRB335級、HRB400級、RRB400級常用熱軋鋼筋的分類1.1.1鋼筋的品種鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，鋼筋的強度越高越好嗎？？？1.1.1鋼筋的品種HPB235級(Ⅰ級)鋼筋多為光面鋼筋（PlainBar），多作為現(xiàn)澆樓板的受力鋼筋和箍筋HRB335級(Ⅱ級)和

HRB400級(Ⅲ級)鋼筋強度較高，多作為鋼筋混凝土構(gòu)件的受力鋼筋，尺寸較大的構(gòu)件，也有用Ⅱ級鋼筋作箍筋。為增強與混凝土的粘結(jié)（Bond），外形制作成月牙肋或等高肋的變形鋼筋（DeformedBar）。鋼筋直徑：d=6,8,10,12,14,16,18,20,22,25,28,32,36,401.1.1鋼筋的品種注意：1、等級代號2、等級表示符號3、直徑范圍及常用直徑4、外形1.1.1鋼筋的品種1.1.1鋼筋的品種1.1.1鋼筋的品種1.1.1鋼筋的品種1.1.1鋼筋的品種復(fù)習(xí)：強度高，塑性低強度高，粘結(jié)性好強度高預(yù)應(yīng)力鋼筋鋼筋熱軋鋼筋鋼絲鋼絞線熱處理鋼筋HPB235HRB335HRB400RRB400光圓鋼筋變形鋼筋變形鋼筋變形鋼筋非預(yù)應(yīng)力鋼筋強度塑性弱強高低1.1.2混凝土結(jié)構(gòu)對鋼筋的要求(1)強度－屈服強度(2)塑性－延伸率和冷彎性能(3)具有較好的可焊性(4)有較好的粘結(jié)力－帶肋鋼筋(5)質(zhì)量穩(wěn)定性：指標的離散性要小(6)錨固性能(7)疲勞性能強度延性：變形能力se塑性變形對工程結(jié)構(gòu)有何意義？低強塑性材料好？還是高強彈性材料好？鋼筋的強度和變形（1）有明顯屈服點的鋼筋（2）無明顯屈服點的鋼筋返回上級目錄1.1.2混凝土結(jié)構(gòu)對鋼筋的要求seabcdefus=Esea為彈性極限

elasticlimitde為強化段strainhardeningstageb為屈服上限upperyieldstrengthc為屈服下限，即屈服強度

fyloweryieldstrengthcd為屈服臺階yieldplateaue為極限抗拉強度

fu

ultimatetensilestrengthfyf1.1.3有明顯屈服點鋼筋的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系cd段為屈服臺階df段為強化段(1)屈服強度yieldstrength：是鋼筋強度的設(shè)計依據(jù)，因為鋼筋屈服后將很大的塑性變形，且卸載時這部分變形不可恢復(fù)，這會使鋼筋混凝土構(gòu)件產(chǎn)生很大的變形和不可閉合的裂縫。屈服上限與加載速度有關(guān)，不太穩(wěn)定，一般取屈服下限作為屈服強度。屈服強度、強屈比、延伸率和冷彎性能1.1.3.1反映鋼筋力學(xué)性能的基本指標1.1.3有明顯屈服點鋼筋的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系(2)極限強度：fu

強屈比：反映鋼筋的強度儲備，fu/fy不小于1.25sefufy問題：強屈比越大越好嗎？？？1.1.3.1反映鋼筋力學(xué)性能的基本指標Bilinearelasto-plasticrelationEs1

fyeyse1.1.3.2雙線性的理想彈塑性關(guān)系鋼筋的強度標準值fyk：《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》取具有95%以上的保證率的屈服強度。鋼筋的強度設(shè)計值fy：

fy=fyk/γsHPB235級：fyk=235N/mm2HRB335級：fyk=335N/mm2HRB400級、RRB400級：fyk=400N/mm21.1.3.3鋼筋的強度標準值elongationstrain：鋼筋拉斷時的應(yīng)變，是反映鋼筋塑性性能的指標。延伸率大的鋼筋，在拉斷前有足夠預(yù)兆，延性較好(3)延伸率se只反映鋼筋拉斷后頸縮局部區(qū)域的殘余變形，不代表拉斷前的平均總變形能力；標距不統(tǒng)一，無法客觀比較；?1.1.3.1反映鋼筋力學(xué)性能的基本指標冷彎性能是反映鋼筋變形能力的另一個指標(4)冷彎性能1.1.3.1反映鋼筋力學(xué)性能的基本指標a點為比例極限，σ≈0.65σb1.1.4無明顯屈服點鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系整個應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系沒有明顯的屈服點，達極限抗拉強度σb后很快拉斷，延伸率很小，破壞呈脆性設(shè)計中取殘余應(yīng)變?yōu)?.2%所對應(yīng)的應(yīng)力，作為鋼筋的強度設(shè)計指標，稱為“條件屈服強度”。一般取σ0.2=0.85σb條件屈服強度

返回上級目錄1.1.5鋼筋的冷拉加工（一）冷拉把有明顯屈服點的鋼筋應(yīng)力拉到超過其原來的屈服點，然后放松，使鋼筋應(yīng)力重新恢復(fù)到零，鋼筋發(fā)生了殘余變形屈服強度提高塑性降低只能提高鋼筋的抗抗屈服點，卻不能提高其抗壓屈服點將鋼筋用強力拔過經(jīng)它本身直徑還小的硬質(zhì)合金拔絲模，鋼筋受到縱向拉力和橫向壓力作用，截面變小長度增長強度提高較多塑性降低加熱后其力學(xué)性能將發(fā)生變化返回上級目錄1.5鋼筋的冷拉加工（二）冷拔返回上級目錄1.1.6鋼筋的選用原則宜優(yōu)先選用強度較高、塑性較好、價格較低的鋼筋非預(yù)應(yīng)力鋼筋：宜優(yōu)先選HRB400和HRB335，也可用HPB235和RRB400預(yù)應(yīng)力鋼筋：宜優(yōu)先選用預(yù)應(yīng)力鋼絞線、中高強鋼絲也可采用熱處理鋼筋骨料水泥結(jié)晶體水泥凝膠體彈性變形的基礎(chǔ)塑性變形的基礎(chǔ)水泥+水Concrete砼的強度及變形隨時間、隨環(huán)境的變化而變化1.2混凝土抗壓強度高，而抗拉強度卻很低

HighCompressiveStrength,butlowerTensilestrength破壞時具有明顯的脆性性質(zhì)(Brittle)

FcFt=(1/8~1/20)Fc1.2混凝土混凝土：混凝土強度等級（StrengthGrade）

是用抗壓強度

(CompressiveStrength)來劃分的抗壓強度是混凝土力學(xué)性能中最基本的指標1.2.1混凝土的強度混凝土立方抗壓強度混凝土軸心抗壓強度混凝土抗拉強度混凝土強度C30：fcu,k=30N/mm2

混凝土強度等級：邊長150mm立方體標準試件，在標準條件下(20±3℃，≥90%濕度)養(yǎng)護28天，用標準試驗方法（加載速度0.15~0.3N/mm2/sec，兩端不涂潤滑劑）測得的具有95%保證率的立方體抗壓強度(CubeStrength)，用符號C表示。(一)強度等級的定義1.2.1混凝土的強度《規(guī)范》根據(jù)強度范圍，從C15~C80共劃分為14個強度等級，級差為5N/mm2。C15C20C25C30C35C40C45C50C55C60C65C70C75C80C50以上為高強混凝土1.2.1混凝土的強度(二)軸心抗壓強度軸心抗壓強度采用棱柱體試件測定，用符號fc表示它比較接近實際構(gòu)件中混凝土的受壓情況。hb棱柱體試件高寬比一般為h/b=3~4通常取150mm×150mm×450mm也常用100×100×300試件1.2.1混凝土的強度AxialCompressiveStrength棱柱體抗壓強度和立方體抗壓強度的換算關(guān)系《規(guī)范》規(guī)定：小于C50級的混凝土取k=0.76，C80級混凝土取k=0.82其間按線性插值對于同一混凝土，棱柱體抗壓強度小于立方體抗壓強度。1.2.1混凝土的強度(三)軸心抗拉強度AxialTensileStrength也是基本力學(xué)性能，用符號

ft表示。混凝土構(gòu)件的開裂、裂縫、變形，以及受剪、受扭、受沖切等的承載力均與抗拉強度有關(guān)。1.2.1混凝土的強度劈拉試驗PaP拉壓壓由于軸心受拉試驗對中困難，也常常采用立方體或圓柱體劈拉試驗測定混凝土的抗拉強度(SplittingStrength)1.2.1混凝土的強度1.2.2混凝土破壞機理fc<fcu

?>UnderstandingFailureMechanism02468102030s(MPa)e×10-3混凝土在結(jié)硬過程中，由于水泥石的收縮、骨料下沉以及溫度變化等原因，在骨料和水泥石的界面上形成很多微裂縫Micro-fissure，成為混凝土中的薄弱部位?；炷恋淖罱K破壞就是由于這些微裂縫的發(fā)展造成的。BACED1.2.2混凝土破壞機理02468102030s(MPa)e×10-3AA點以前，微裂縫沒有明顯發(fā)展，混凝土主要產(chǎn)生彈性變形,普通強度混凝土sA約為

(0.3~0.4)fcBCED1.2.2混凝土破壞機理02468102030s(MPa)e×10-3BAA點以后，由于微裂縫處的應(yīng)力集中，裂縫開始有所延伸發(fā)展，產(chǎn)生部分塑性變形，應(yīng)變增長開始加快，應(yīng)力-應(yīng)變曲線逐漸偏離直線。微裂縫的發(fā)展導(dǎo)致混凝土的橫向變形增加Expansion。但該階段微裂縫的發(fā)展是穩(wěn)定的CED1.2.2混凝土破壞機理02468102030s(MPa)e×10-3BA達到B點，內(nèi)部一些微裂縫相互連通，裂縫發(fā)展已不穩(wěn)定，橫向變形突然增大，體積應(yīng)變開始由壓縮轉(zhuǎn)為增加。在此應(yīng)力的長期作用下，裂縫會持續(xù)發(fā)展，并最終導(dǎo)致破壞。取B點的應(yīng)力作為混凝土的長期抗壓強度。普通強度混凝土sB約為0.8fcCED1.2.2混凝土破壞機理02468102030s(MPa)e×10-3BACED達到C點fc，內(nèi)部微裂縫連通形成破壞面，應(yīng)變增長速度明顯加快，C點的縱向應(yīng)變值稱為峰值應(yīng)變

e0，約為0.002?？v向應(yīng)變發(fā)展達到B點，內(nèi)部裂縫在試件表面出現(xiàn)第一條可見平行于受力方向的縱向裂縫1.2.2混凝土破壞機理02468102030s(MPa)e×10-3BACED隨應(yīng)變增長，試件上相繼出現(xiàn)多條不連續(xù)的縱向裂縫，橫向變形急劇發(fā)展，承載力明顯下降1.2.2混凝土破壞機理02468102030s(MPa)e×10-3BACED混凝土骨料與砂漿的粘結(jié)不斷遭到破壞，裂縫連通形成斜向破壞面。E點的應(yīng)變e=(2~3)e0，應(yīng)力s=(0.4~0.6)fc。1.2.2混凝土破壞機理02468102030s(MPa)e×10-3BACEDE點以后，縱向裂縫形成一斜向破壞面，此破壞面受正應(yīng)力和剪應(yīng)力的作用繼續(xù)擴展，形成一破壞帶。此時試件的強度由斜向破壞面上的骨料間的摩阻力提供。1.2.2混凝土破壞機理02468102030s(MPa)e×10-3BACED隨應(yīng)變繼續(xù)發(fā)展，摩阻力和粘結(jié)力不斷下降，但即使在很大的應(yīng)變下，骨料間仍有一定摩阻力，殘余強度約為(0.1~0.4)fc。1.2.2混凝土破壞機理由混凝土的破壞機理可知，微裂縫的發(fā)展導(dǎo)致橫向變形的增大，并最終導(dǎo)致破壞。對橫向變形加以約束(LateralConfinement)，就可以限制微裂縫的發(fā)展，從而可提高混凝土的抗壓強度。不涂潤滑劑涂潤滑劑>≈立方體試件受約束范圍大，而棱柱體試件中部未受約束，因此造成了不同受壓試件強度的差別和破壞形態(tài)的不同。1.2.2混凝土破壞機理螺旋箍筋約束混凝土通過約束混凝土的橫向變形來提高混凝土的抗壓強度。采用配置螺旋箍筋形成所謂“約束混凝土”，可顯著提高混凝土的抗壓強度，并且可以提高混凝土變形能力。1.2.2混凝土破壞機理“約束混凝土(ConfinedConcrete)”的概念在工程中許多地方都有應(yīng)用，如螺旋箍筋柱、后張法預(yù)應(yīng)力錨具下局部受壓區(qū)域配置的鋼筋網(wǎng)或螺旋筋等。鋼管混凝土(ConcreteFilledSteelTube)對內(nèi)部混凝土的約束效果更好，因此近年來在我國工程中得到許多應(yīng)用。約束混凝土可以提高混凝土的強度，但更值得注意的是可以提高混凝土的變形能力(DeformationCapacity)，這一點對于抗震結(jié)構(gòu)非常重要。在抗震結(jié)構(gòu)對于可能出現(xiàn)塑性鉸的區(qū)域，均要求加密箍筋配置來提高構(gòu)件的變形能力，達到壞而不倒的目的。1.2.2混凝土破壞機理1.2.2混凝土破壞機理1.2.3混凝土的變形DeformationofConcrete

一次短期加荷時的變形

受力變形

重復(fù)荷載作用下的變形

長期荷載作用下的變形

混凝土的變形

混凝土的收縮變形

體積變形

混凝土的膨脹變形

除了混凝土的力學(xué)性能外，混凝土還有哪些性能對結(jié)構(gòu)會有不利影響？1.2.4混凝土的收縮和徐變混凝土的收縮和徐變ShrinkageandCreep收縮和徐變的原因CausesofShrinkageandCreep對混凝土結(jié)構(gòu)的影響AffectiononRCstructure影響收縮和徐變的因素InfluencefactorsonShrinkageandCreep收縮和徐變的表現(xiàn)ExpressionofShrinkageandCreep1.2.4混凝土的收縮和徐變收縮是混凝土在不受外力情況下體積變化產(chǎn)生的變形。當這種自發(fā)的變形受到外部（支座）或內(nèi)部（鋼筋）的約束時，將使混凝土中產(chǎn)生拉應(yīng)力，甚至引起混凝土的開裂?；炷潦湛s會使預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力損失。某些對跨度比較敏感的超靜定結(jié)構(gòu)（如拱結(jié)構(gòu)），收縮也會引起不利的內(nèi)力。1.2.4.1混凝土的收縮Shrinkage混凝土在空氣中硬化時體積會縮小，這種現(xiàn)象稱為混凝土的收縮1.2.4混凝土的收縮和徐變墻板干燥收縮裂縫與邊框架的變形1.2.4.1混凝土的收縮高速公路為何破壞如此迅速？1.2.4.1混凝土的收縮高速公路不高速(安徽省內(nèi)的合巢蕪高速公路)這段長約100km的高速公路路面處處千瘡百孔、斷裂破損，被行車師傅們稱為“補丁路”、“搓板路”。這段過去只需1.5h的車程，現(xiàn)在至少要走4h……。1.2.4.1混凝土的收縮混凝土的收縮是隨時間而增長的變形早期收縮變形發(fā)展較快，兩周可完成全部收縮的25%，一個月可完成50%

以后變形發(fā)展逐漸減慢，整個收縮過程可延續(xù)兩年以上包括凝縮和干縮兩部分凝縮是由于水泥結(jié)晶體比原材料的體積??；干縮是混凝土內(nèi)自由水分蒸發(fā)引起的?；炷潦湛s1.2.4.1混凝土的收縮水泥用量多、水灰比越大，收縮越大骨料彈性模量高、級配好，收縮就小干燥失水及高溫環(huán)境，收縮大構(gòu)件的體積與表面積比值越小，收縮越大高強混凝土收縮大(一)影響混凝土的收縮因素受結(jié)構(gòu)周圍的溫度、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)量及養(yǎng)護條件等許多因素有關(guān)：影響收縮的因素多且復(fù)雜，要精確計算尚有一定的困難1.2.4.1混凝土的收縮徐變會使結(jié)構(gòu)的變形增大，特別是自重為主的大跨結(jié)構(gòu)徐變會引起預(yù)應(yīng)力損失在長期高應(yīng)力作用下，徐變甚至?xí)?dǎo)致破壞不過，徐變有利于結(jié)構(gòu)構(gòu)件產(chǎn)生內(nèi)（應(yīng)）力重分布，降低結(jié)構(gòu)的受力（如支座不均勻沉降），減小大體積混凝土的溫度應(yīng)力，受拉徐變可延緩收縮裂縫的出現(xiàn)?；炷猎诤奢d的長期作用下，其變形隨時間而不斷增長的現(xiàn)象稱為徐變Creep產(chǎn)生徐變的主要原因是水泥凝膠體和內(nèi)部微裂縫的擴展

1.2.4.2混凝土的徐變瞬時恢復(fù)彈性后效殘余應(yīng)變收縮應(yīng)變徐變應(yīng)變瞬時應(yīng)變在應(yīng)力（≤0.5fc）作用瞬間，首先產(chǎn)生瞬時彈性應(yīng)變eel隨荷載作用時間的延續(xù)，變形不斷增長，前4個月徐變增長較快，6個月