第三章結構材料的力學性能

第三章結構材料的力學性能第1頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三本章主要內(nèi)容建筑鋼材√混凝土鋼筋與混凝土的粘結作用第2頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三大綱及要求1．教學目的和要求：

（1）掌握鋼筋和混凝土的強度指標及規(guī)范取值； （2）掌握混凝土的變形指標、鋼筋和混凝土粘結原理。2．教學內(nèi)容：

（1）鋼筋混凝土材料的一般概念； （2）鋼筋的力學性能； （3）混凝土材料的組成及力學性能； （4）鋼筋與混凝土的粘結性能。第3頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三3．教學重點與難點：（1）重點：鋼筋的形式、品種和級別，鋼筋的強度、變形和彈性模量，鋼筋的冷加工、彎鉤和接頭及鋼筋混凝土的粘結?；炷恋膹姸取⒎綇姸取⒌燃?，軸心抗壓、抗拉、彎曲抗壓和疲勞強度；混凝土的變形—混凝土在短期和長期荷載下的變形，混凝土的彈性模量、徐變、收縮和膨脹；（2）難點：混凝土的強度、混凝土的疲勞強度、鋼筋的強度。大綱及要求第4頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三3.1 建筑鋼材含碳量低于2％的鐵碳合金稱為鋼；含碳量高于2％的鐵碳合金稱為生鐵。鋼經(jīng)軋制或加工的鋼筋、鋼絲、鋼絞線、鋼板及各種型鋼，統(tǒng)稱為鋼材。第5頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三一、鋼材的力學性能鋼筋的力學性能：強度、變形（彈性和塑性變形）單向拉伸試驗是確定鋼筋性能的主要手段應力應變（－）曲線可將鋼材分為有明顯屈服點鋼材與無明顯屈服點鋼材兩類第6頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三一、鋼材的力學性能鋼材拉伸試驗的標準試件lPPA第7頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三se

有明顯屈服點的鋼筋a’abcdefua′為比例極限oa為彈性階段de為強化階段b為屈服上限c為屈服下限，即屈服強度fycd為屈服臺階e為極限抗拉強度fufyfef為頸縮階段o低碳鋼和低合金鋼（含碳量和低碳鋼相同）一次拉伸時的應力-應變曲線見圖。把?y取為計算構件的強度標準，以?u作為材料的強度儲備。第8頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三e0.2%0.2(N/mm2)o0.2－條件屈服強度2）無明顯屈服點的鋼材沒有明顯的屈服點和屈服臺階鋼材的應力-應變曲線見圖對于沒有明顯屈服點的鋼材，以殘余變形為0.2%時的應力作為名義屈服點，其值約等于極限強度85%。第9頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三

注意：鋼材在一次壓縮或剪切所表現(xiàn)出來的應力-應變變化規(guī)律基本上與一次拉伸試驗時相似，壓縮時的各強度指標也取用拉伸時的數(shù)據(jù)，只是剪切時的強度指標數(shù)值比拉伸時的小。第10頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三由力學性能不同分成：軟鋼：有明顯屈服臺階的鋼筋(熱軋鋼筋、冷拉鋼筋)硬鋼：無明顯屈服臺階的鋼筋(鋼絲、熱處理鋼筋)鋼筋力學性能指標：屈服強度、抗拉強度、伸長率、冷彎性能。第11頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三對于有明顯屈服臺階的軟鋼取屈服強度fy

作為強度設計依據(jù)。同時，要求屈服強度與抗拉強度的比值不大于0.8。對于無明顯屈服臺階的硬鋼取條件屈服強度0.2作為強度設計依據(jù)。取相應于殘余應變=0.2%時的應力0.2作為名義屈服點。常取0.2=0.85fsu。條件屈服極限1、鋼材的強度：包括屈服強度與抗拉強度兩項指標。第12頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三2、鋼筋的塑性：指鋼材破壞前產(chǎn)生變形的能力。伸長率：冷彎性能：彎心直徑冷彎角度第13頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三冷彎性能

鋼筋冷彎試驗

冷彎性能合格是鑒定鋼材在彎曲狀態(tài)下的塑性應變能力和鋼材質(zhì)量的綜合指標。

冷彎試驗不僅能直接檢驗鋼材的彎曲變形能力或塑性性能，還能暴露鋼材內(nèi)部的冶金缺陷，如硫、磷偏析和硫化物與氧化物的摻雜情況，這些都將降低鋼材的冷彎性能。第14頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三國家標準《鋼筋混凝土用熱軋帶肋鋼筋》GB1499-98對混凝土結構用鋼筋的機械性能作出規(guī)定：對于有明顯流幅的鋼筋，其主要指標為：屈服強度、抗拉強度、伸長率、冷彎性能對于沒有明顯流幅的鋼筋，其主要指標為：抗拉強度、伸長率、冷彎性能第15頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三

冷加工的方法：冷拉、冷拔冷加工的目的：改變鋼材內(nèi)部結構，提高鋼材強度，節(jié)約鋼筋。但冷加工后會使鋼筋的塑性降低。冷加工對鋼材性能的影響：冷拉只能提高鋼筋的抗拉強度，而不能提高鋼筋的抗壓強度；冷拔可同時提高鋼筋的抗拉強度和抗壓強度。二、鋼材的冷加工和熱處理

第16頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三二、鋼材的冷加工和熱處理

熱處理是對某些特定型號的熱軋鋼進行淬火和回火處理。鋼筋熱處理后強度有很大提高而塑性降低不多。第17頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三o冷拉控制應力(N/mm2)冷拉率殘余變形o'abcc'd'd冷拉無時效冷拉時效(a)(b)d1d2Pd2d1鋼筋冷拉鋼筋冷拔第18頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三冷拉時，可采用冷拉控制應力和冷拉率控制。冷拉后可提高鋼材的抗拉強度，但其屈服臺階變短。即冷拉可提高鋼材的抗拉強度，但不能提高鋼筋的抗壓強度。

冷拔時，可同時提高鋼材的抗拉和抗壓強度。塑性降低很多。

目前我國強度高、性能好的鋼筋及鋼絲、鋼絞線已可充分供應，故冷拉鋼筋和冷拔低碳鋼絲已不再列入規(guī)范。第19頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三1、混凝土結構對鋼筋的要求①應具有較高的強度和良好的塑性；②便于加工和焊接；③并應與混凝土之間具有足夠的粘接力。三、鋼材的種類及選用第20頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三熱軋鋼筋冷拉鋼筋熱處理鋼筋冷軋鋼筋（冷軋帶肋鋼筋、冷軋扭鋼筋）冷拔低碳消除應力鋼絲鋼絞線鋼筋按加工方法不同分類鋼筋第21頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三鋼筋按在結構中是否施加預應力分類普通鋼筋鋼絲（熱處理鋼筋）三、鋼材的種類及選用第22頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三鋼筋按外形分類光面鋼筋帶肋鋼筋第23頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三

1）普通鋼筋普通鋼筋指用于鋼筋混凝土結構中的鋼筋和預應力混凝土結構中的非預應力鋼筋。用于鋼筋混凝土結構的熱軋鋼筋分為HPB235、HRB335、HRB400和RRB400四個級別。《混凝土規(guī)范》規(guī)定，普通鋼筋宜采用HRB400級和HRB335級鋼筋。三、鋼材的種類及選用第24頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三

HPB235級鋼筋：光圓鋼筋，公稱直徑范圍為8～20mm，推薦直徑為8、10、12、16、20mm。實際工程中只用作板、基礎和荷載不大的梁、柱的受力主筋、箍筋以及其他構造鋼筋。

HRB335級鋼筋：月牙紋鋼筋，公稱直徑范圍為6～50mm，推薦直徑為6、8、10、12、16、20、25、32、40和50mm。是混凝土結構的輔助鋼筋，實際工程中也主要用作結構構件中的受力主筋。第25頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三HRB400級鋼筋：月牙紋鋼筋，公稱直徑范圍和推薦直徑同HRB335鋼筋。是混凝土結構的主導鋼筋，實際工程中主要用作結構構件中的受力主筋。

RRB400級鋼筋：月牙紋鋼筋，公稱直徑范圍為8～40mm，推薦直徑為8、10、12、16、20、25、32和40mm。強度雖高，但疲勞性能、冷彎性能以及可焊性均較差，其應用受到一定限制。第26頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三2）預應力鋼筋

預應力鋼筋應優(yōu)先采用鋼絞線和鋼絲，也可采用熱處理鋼筋。

鋼絞線：由多根高強鋼絲絞織在一起而形成的，有3股和7股兩種，多用于后張法大型構件。

預應力鋼絲：主要是消除應力鋼絲，其外形有光面、螺旋肋、三面刻痕三種。

熱處理鋼筋：包括40Si2Mn、48Si2Mn及45Si2Cr幾種牌號，它們都以盤條形式供應，無需焊接、冷拉，施工方便。第27頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三

2.鋼結構用鋼材

（1）鋼種和鋼號

建筑工程常用碳素結構鋼和低合金高強度結構鋼

1）碳素結構鋼碳素結構鋼的牌號：質(zhì)量等級代號：A、B、C、D屈服點數(shù)值（N/mm2）：195、215、235、255、275鋼材屈服點代號：Q脫氧程度代號：F、b、Z、其中Z可以省略

碳素結構鋼牌號舉例：Q235A第28頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三2）低合金高強度結構鋼

低合金高強度結構鋼的牌號：質(zhì)量等級代號：A、B、C、D、E屈服點數(shù)值（N/mm2）：295、345、390、420、460

鋼材屈服點代號：Q注：低合金高強度結構鋼的A、B級屬于鎮(zhèn)靜鋼，C、D、E級屬于特殊鎮(zhèn)靜鋼。第29頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三3）鋼材的選用《鋼結構規(guī)范》規(guī)定，承重結構的鋼材宜采用Q235鋼、Q345鋼、Q390鋼和Q420鋼。承重結構采用的鋼材應具有抗拉強度、伸長率、屈服強度和硫、磷含量的合格保證，對焊接結構尚應具有碳含量的合格保證。

焊接承重結構以及重要的非焊接承重結構采用的鋼材還應具有冷彎試驗的合格保證。

第30頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三（2）品種及規(guī)格1）熱軋鋼板熱軋鋼板

厚度為4.5～60mm，寬0.7~3m，長4~12m。廣泛用來組成焊接構件和連接鋼板。厚度為0.35～4mm，寬0.5~1.5m，長0.5~4m。薄鋼板是冷彎薄壁型鋼的原料厚度為4～60mm，寬度為30～200mm，長3~9m。

鋼板用符號“-”后加“厚×寬×長（單位為mm）”的方法表示，如-12×800×2100。薄板厚板扁鋼

2.鋼結構用鋼材第31頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三2）熱軋型鋼（圖2.1.2）①角鋼②工字鋼③槽鋼④H型鋼⑤剖分T型鋼⑥鋼管第32頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三3）冷彎薄壁型材冷彎薄壁型鋼：由2～6mm的薄鋼板經(jīng)冷彎或模壓而成型的高效經(jīng)濟的截面；缺點是因為壁薄，對銹蝕影響較為敏感，故多于跨度小，荷載輕的輕型鋼結構中。壓型鋼板：所用鋼板厚度為0.4～2mm。其優(yōu)缺點同冷彎薄壁型鋼，主要用于圍護結構、屋面、樓板等。第33頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三3.2 混凝土混凝土的組份：骨料水泥結晶體水泥凝膠體彈性變形的基礎塑性變形的基礎混凝土的強度及變形隨時間和環(huán)境的變化而變化。水泥、石、砂、水按一定的配合比制成不同等級的砼。第34頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三一、混凝土的強度1、立方體的抗壓強度fcu用標準制作方式制成的150×150mm的立方體試塊，在標準養(yǎng)護條件下養(yǎng)護28天，用標準試驗方法測得具有95％保證率的抗壓強度，作為混凝土的立方抗壓強度標準值，用符號fcu,k表示。第35頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三1、立方體的抗壓強度fcu影響立方體強度的因素：試件尺寸、溫度、濕度、試驗方法。由于尺寸效應的影響：fcu(150)=0.95fcu(100)

fcu(150)=1.05fcu(200)第36頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三混凝土強度等級：根據(jù)立方體抗壓強度標準值fcu,k的大小，混凝土強度等級分C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75、C80共14級。其中，C60~C80屬高強混凝土。第37頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三2、混凝土的軸心抗壓強度fc真實反映以受壓為主的混凝土結構構件的抗壓強度。砼軸心抗壓試驗我國采用150×150×300mm棱柱體試件測得的強度作為混凝土的軸心抗壓強度?；炷恋妮S心抗壓強度標準值按下式計算：為消除端部約束的影響

第38頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三用立方體強度反映：考慮實際情況(施工狀況、養(yǎng)護條件等)2、混凝土的軸心抗壓強度fc式中—棱柱強度與立方強度之比，對C50及以下取=0.76，對C80取=0.82，中間按線形規(guī)律變化；—考慮C40以上混凝土脆性的折減系數(shù)，對C40取=1.0，對C80取=0.87，中間按線形規(guī)律變化。第39頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三3、軸心抗拉強度ft混凝土的抗拉強度比抗壓強度小得多，為抗壓強度。混凝土的抗拉強度可采用尺寸為100×100×500mm的柱體試件進行直接軸心受拉試驗，但其準確性較差。故國內(nèi)為多采用圓柱體或立方體的劈裂試驗來間接測定。第40頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三0雙向正應力作用(如圖)復合應力狀態(tài)下混凝土強度第41頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三三軸受壓：(如圖)工程應用：約束混凝土鋼管砼密配螺旋箍筋2003=50N/mm235N/mm213310N/mm21501005005101520251(N/mm2)1(‰)第42頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三二、混凝土的變形性能

混凝土的變形有兩類：一類是受力變形；另一類是體積變形，包括收縮、膨脹和溫度變形。第43頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三二、混凝土的變形性能

1、混凝土的單軸應力－應變關系混凝土單軸短期荷載作用下的應力-應變關系是混凝土材料最基本的力學性能，是對混凝土進行理論分析的基本依據(jù)，是研究和建立混凝土構件的承載力、變形、延性以及應用計算機進行構件的非線性全過程分析的重要依據(jù)。

混凝土單軸受壓應力-應變關系曲線常采用標準棱柱體或圓柱體試件來測定。第44頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三第45頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三二、混凝土的變形性能

1、混凝土的單軸應力－應變關系OA–––彈性階段A:0.3fcAB–––彈塑性階段:0.3fc～0.8fc

裂縫穩(wěn)定階段BC–––裂縫不穩(wěn)定階段:0.8fc～1.0fcCBDEfc00???Acu??第46頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三特征點：0

–––對應于峰值點應變《規(guī)范》0

=0.002cu

–––混凝土極限壓應變《規(guī)范》cu

=0.0033fc–––軸心抗壓強度

混凝土的應力－應變關系第47頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三對混凝土單軸短期加載下關系曲線的幾點認識：1、混凝土的關系是一條曲線，說明混凝土是一種彈塑性材料。2、

曲線的上升段的高低反映了混凝土強度的大小，下降段的陡緩反映了混凝土變形能力的大小。

混凝土的變形能力是指混凝土到達極限強度后，在應力下降幅度相同的情況下變形的大小，變形大的，說明混凝土耐受變形的能力強，亦即延性好。即下降段越緩的混凝土，其變形能力越好。3、不同強度混凝土的曲線有相似的形狀，但也有實質(zhì)性區(qū)別。混凝土強度越高，其下降段越陡，其延性越差，而上升段和峰值應變的變化不大。見圖。第48頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三強度等級越高，線彈性段越長，峰值應變也有所增大。但高強混凝土中，砂漿與骨料的粘結很強，密實性好，微裂縫很少，最后的破壞往往是骨料破壞，破壞時脆性越顯著，下降段越陡。不同強度等級的應力—應變曲線第49頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三4、關系曲線與加荷速度有關。

加荷速度增加，最大應力值提高，相應的峰值應變減小，下降段變陡。加荷速度降低，最大應力值降低，相應的峰值應變提高，下降段減緩。第50頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三2、混凝土的疲勞強度?如果我們將混凝土棱柱體試塊加荷使其壓應力達到某個數(shù)值σ，然后卸荷至零，并把這一循環(huán)多次重復下去，就稱為多次重復荷載?；炷猎诤奢d重復作用下引起的破壞稱為疲勞破壞。。?我們通常把能使試件循環(huán)200萬次或次數(shù)稍多時發(fā)生破壞的壓應力稱為混凝土的疲勞抗壓強度，用符號表示。第51頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三混凝土一次加載卸載時應力—應變曲線：OεσABB'α0αεc卸載時瞬時恢復應變殘余應變卸載后彈性后效第52頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三Oεσσ1σ3fcf

混凝土多次重復加載卸載的應力—應變曲線：第53頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三混凝土不是彈性材料，其應力和應變不呈線性關系，在不同應力階段的變形模量（應力與應變之比）不同，原點切線很難準確地作出。實用中，采用應力上限為（0.4~0.5）fc循環(huán)5~10次后的應力-應變曲線，應力為（0.4~0.5）fc時的割線模量作為混凝土的彈性模量的近似值。3、混凝土的彈性模量第54頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三kcc0cecp0原點彈性模量：

3、混凝土的彈性模量查附表4得第55頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三4、混凝土的徐變混凝土在受到荷載作用后，在長期荷載(應力)不變的情況下，變形(應變)隨時間而不斷增長的現(xiàn)象。第56頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三在應力（≤0.5fc）作用瞬間，首先產(chǎn)生瞬時彈性應變ee（=si/Ec(t0)，t0加荷時的齡期），荷載持續(xù)作用下逐漸完成徐變應變。前4個月徐變增長較快，6個月可達最終徐變的（70~80）%，以后增長逐漸緩慢，2~4年后趨于穩(wěn)定。(ε×10–3)00.51.01.52.051015202530(t/月)εeεcrεe'εe"εcr'第57頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三(ε×10–3)00.51.01.52.051015202530(t/月)εeεcrεe'εe"εcr'如在時間t卸載，則會產(chǎn)生瞬時彈性恢復應變ee'。由于混凝土彈性模量隨時間增大，故彈性恢復應變ee'小于加載時的瞬時彈性應變ee。再經(jīng)過一段時間后，還有一部分應變ee''可以恢復，稱為彈性后效或徐變恢復，但仍有不可恢復的殘留永久應變ecr'第58頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三混凝土的級配、水灰比、初始加載齡期、初應力大小，養(yǎng)護使用條件等。徐變的影響因素：養(yǎng)護條件越好，周圍環(huán)境的濕度越大，構件加載前混凝土的強度愈高，水泥用量愈少，混凝土越密實，集料含量越大，集料剛度越大，則徐變越小。第59頁，共68頁，2023年，2月20日，星期三徐變性質(zhì)：線性徐變初應力c0.5fc