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1 第二章 混凝土结构材料的物理力学性能 西安交通大学土木工程系杨政

2 混凝土结构是由钢筋和混凝土这两种性质不同的材料组成, 它们共同承担和传递结构的荷载 因此, 钢筋与混凝土的物理力学性能以及共同工作的特性直接影响混凝土结构和构件的性能, 这些性能也是混凝土结构计算理论和设计方法的基础 在工程中, 适当地选用材料, 合理地利用这两种材料的力学性能, 不仅可以改善钢筋混凝土结构和构件的受力性能, 也可以取得良好的经济效益 因此, 了解钢筋和混凝土这两种材料的力学性能是非常重要的 本章主要介绍钢筋与混凝土的物理和力学性能 共同工作的原理及这两种材料在工程中的选用原则

3 材料的力学性能 钢 筋 强度 混凝土 变形 两者间的粘结 粘结破坏的过程和机理

4 混合搅拌

5 2.1.1 组成及特点 主要材料 : 水泥 水 砂 石 混凝土是一种非匀质 不等向 且随时间和环境条件而变化的多相混合材料, 其特点 : 1) 以固相为主, 包含固体 液体 气体的三相体 ; 2) 水化过程长, 性能要很长时间才稳定 ; 3) 水泥石收缩可形成微裂缝 ; 4) 受制作 养护 使用条件影响大

6 混凝土骨料与水泥浆基体界面过渡区微观结构示意图 骨料 界面过渡区 水泥浆基体

7 2.1.2 混凝土单轴应力状态下的强度 混凝土的强度是指混凝土抵抗外力所产生应力的能力, 即混凝土材料达到破坏或破裂极限状态时所能承受的应力 工程中常用的混凝土单轴应力状态下的强度有 : 立方体抗压强度棱柱体轴心抗压强度轴心抗拉强度 等

8 1. 混凝土的立方体抗压强度和强度等级 承压板 摩擦力 试块 不涂润滑剂 强度大于 涂润滑剂

9 混凝土立方体抗压强度 ( 时长 1 分 45 秒 )

10

11 > 不涂润滑剂 涂润滑剂 试验方法 : 压力机垫板的横向摩擦约束, 造成混凝土试块端部处在多轴受力状态, 就象在试件上下端各加了一个套箍, 致使破坏时形成两个对顶的角锥破坏面, 抗压强度高于无约束情况

12 未采取减摩措施 采取减摩措施后

13 标准尺寸 :150mm 150mm 150mm 养护条件 :20 ±2, 湿度 95%,28d 加荷方法 : 加荷速度 0.3~1.0MPa/s 垫板不涂油或垫橡胶板 强度保证率 :95%,f cu,k = μ σ C30 混凝土 :Concrete 立方体抗压强度标准值 分级 :C15,C20,C25,C30,C35,C40 C45,C50, C55, C60,C65,C70 C75,C80 ( 高强混凝土 ), 共 14 个等级

14 不同形状和尺寸试件的混凝土抗压强度相对值 试件类型 立方体边长 /mm 圆柱体 (H=300 mm, D=150 mm) 强度等级 抗压强度相对值 C20~C C C C C

15 2. 混凝土的棱柱体轴心抗压强度混凝土的抗压强度与试件的形状和尺寸有关, 而实际工程中的混凝土构件高度通常比截面边长大很多, 采用棱柱体比立方体能更好地反映混凝土结构的实际抗压能力 随着高宽比的增 加, 混凝土的轴心抗压强度会降低 为消除端部约束的影响 b b 1.0 f ck f cu,k h b = 2~3 h h b

16 承压板 确定混凝土轴心抗压强度的标准方法 标准试件 :150mm 150mm 300mm 棱柱体 试块 其余条件同混凝土立方体抗压强度试验

17 混凝土轴心抗压强度 ( 时长 6 分 01 秒 )

18 棱柱体强度与立方体强度的关系 f = 0.88α α ck c1 c2 cu,k f f = 0.88α α f ck c1 c2 cu,k α c1 : 棱柱体强度与立方体强度的比值 C50 及以下混凝土取 0.76; 对 C80 混凝土取 0.82, 中间按线性插值 α c2 : 混凝土的脆性折减系数 C40 以上的混凝土考虑脆性折减系数, 对 C40 取 1.0, 对 C80 混凝土取 0.87, 中间按线性插值 0.88: 考虑结构中混凝土的实体强度与立方体试件混凝土强度之间的差异等因素的修正系数

19 3. 混凝土的抗拉强度 P 圆柱体试样或立方体试样 f t,s 2Pu = πld 试验装置 应力分布

20 混凝土抗拉强度 ( 时长 3 分 29 秒 )

21 抗拉强度与立方体抗拉强度的关系混凝土的轴心抗拉强度随其立方体强度单调增加, 但增长幅度渐减

22 考虑到构件与试件强度的差异 尺寸效应 加载速度等因素的影响, 混凝土结构设计规范 (GB ) 考虑了从普通混凝土到高强度混凝土的变化规律, 取轴心抗拉强度标准值与立方体抗压强度标准值的关系为 ( ) 0.45 f = f δ α 0.55 tk cu,k c 和 0.55: 轴心抗拉强度与立方体抗压强度的折减关系, 是根据试验数据进行统计分析以后确定的 α c2 : 混凝土的脆性折减系数 C40 以上的混凝土考虑脆性折减系数, 对 C40 取 1.0, 对 C80 混凝土取 0.87, 中间按线性插值 0.88: 考虑结构中混凝土的实体强度与立方体试件混凝土强度之间的差异等因素的修正系数

23 混凝土强度的标准值 摘自 : 混凝土结构设计规范 (GB )

24 混凝土强度的设计值 混凝土的强度设计值由强度标准值除混凝土材料分项系数 γ c 确定, 混凝土的 γ c 取为 1.40 摘自 : 混凝土结构设计规范 (GB )

25 2.1.3 混凝土多轴应力状态下的强度 在钢筋混凝土结构中, 混凝土极少处于单一的单轴压应力或拉应力状态, 即使是最简单的梁 板 柱构件, 也往往受轴力 弯矩 剪力 扭矩等内力的不同组合作用, 其中的混凝土必然处于两轴或三轴的复杂应力状态 在节点区 支座和集中荷载作用处, 以及预应力筋锚固区等处, 混凝土受力状态更为复杂, 混凝土都处于事实上的二维或三维应力状态 在设计或验算这些结构的承载力时, 如果采用混凝土的单轴抗压或抗拉强度, 其结果必然是 : 过低地给出二轴和三轴抗压强度, 造成材料浪费, 却又过高地估计多轴拉 - 压应力状态的强度, 埋下安全的隐患 因此, 研究复合应力状态下混凝土的破坏规律和强度, 对经济合理利用混凝土的力学性能, 保证钢筋混凝土结构的安全有重要意义

26 1. 三轴应力状态下混凝土的破坏形态 σ 3 σ 3 σ 3 σ 3 σ 3 σ 1 σ 2 σ 1 σ 1 σ 1 σ 1 σ 2 σ 2 σ 2 σ 2 拉断破坏柱状压坏层状劈裂破坏斜剪破坏挤压流动 混凝土的不同破坏形态发生在不同的应力状态范围 破坏形态可归为两类 : 主拉应力产生的横向受拉裂缝引发的拉断破坏主压应力产生的纵向劈裂裂缝引发的破坏 ( 包括柱状压坏 层状劈裂 斜剪破坏和挤压流动等 ) 破坏原因都是混凝土内部最大的拉应变超过了其极限拉应变产生的, 只是产生最大拉应变的原因不同

27 2. 三轴应力状态下混凝土的强度 三轴受压状态下, 混凝土的强度比单轴受压的强度提高很多 侧向压应力越大, 其强度提高越显著 如试件的压应力比 σ 3 : σ 2 : σ 1 由 1:0.25:0.1 变为 1:0.25:0.25 时, 其强度值增大了 1 倍多 二压一拉和一压二拉情况类似, 由于拉应力存在, 混凝土破坏强度显著降低 在任一应力比下, 试件在拉压应力状态下所能承受的最大压 拉应力都小于其单轴抗压 抗拉强度 也就是说, 拉应力的存在, 使其能承受的最大压应力小于其单轴抗压强度 ; 压应力的存在, 使其能承受的最大拉应力小于其单轴抗拉强度 这说明, 混凝土的拉压受力状态是最危险的情形, 设计中应特别注意

28 3. 三轴应力状态下混凝土破坏曲面的特点 将试验中获得的混凝土多轴强度数据, 逐个地标在主应力坐标空间, 相邻各点以曲面相连, 就可以得到混凝土三轴应力状态下破坏包络曲面 混凝土的应力状态 (σ 1, σ 2,σ 3 ) 处于破坏包络曲面之内, 不会破坏 ; 一旦应力状态达到或超出破坏包络曲面, 就意味着混凝土材料发生破坏 偏平面包络线 二轴受力 σ 3 ( 压 ) 子午线 偏平面 静水压力轴 σ 1 ( 压 ) σ 2 ( 压 )

29 混凝土三轴强度破坏包络曲面的几何形状具有如下特征 : 1 曲面连续 光滑 外凸 ; 2 曲面关于静水压力轴三折对称 ; 3 在静水压力轴的拉端封闭, 顶点为三轴等拉应力状态 ; 压端开口, 不与静水压力轴相交 ; 4 子午线上各点的偏应力值, 随静水压力的代数值减小而单调增大, 但斜率渐减, 有极限值 ; 偏平面包络线 二轴受力 σ 3 ( 压 ) σ 2 ( 压 ) 子午线 偏平面 静水压力轴 σ 1 ( 压 ) 5 偏平面上的封闭曲线三折对称, 随静水压力值减小, 其形状由近似三角形逐渐外凸饱满, 过渡为一圆, 周长也逐渐减小 在拉端顶点, 该曲线退化为一点

30 破坏包络曲面的三维立体图虽然直观, 但不便绘制和数学描述, 在具体使用时, 往往采用简化的模式 摘自 : 混凝土结构设计规范 (GB ) 偏平面包络线 二轴受力 σ 3 ( 压 ) 子午线 偏平面 静水压力轴 σ 1 ( 压 ) σ 2 ( 压 ) 混凝土三轴应力强度简化模式

31 破坏包络曲面的三维立体图虽然直观, 但不便绘制和数学描述, 在具体使用时, 往往采用简化的模式 偏平面包络线 二轴受力 σ 3 ( 压 ) 子午线 偏平面 静水压力轴 σ 1 ( 压 ) σ 2 ( 压 ) 混凝土三轴应力强度简化模式 摘自 : 混凝土结构设计规范 (GB )

32 摘自 : 混凝土结构设计规范 (GB )

33 4. 混凝土复合受力强度的一些特殊情况 混凝土的二轴应力强度 偏平面包络线 σ 3 ( 压 ) 子午线 偏平面 ( 拉 - 压 ) f 1 /f c ( 拉 - 拉 ) 静水压力轴 f 3 /f c f 2 /f c 二轴受力 ( 压 - 压 ) σ 1 ( 压 ) σ 1 =σ 2 σ 2 ( 压 ) f 2 /f c σ 1 ( σ 2 或 σ 3 )= 0

34 混凝土双向复合受力 ( 时长 2 分 34 秒 )

35 σ 1 /σ 3 = ( 拉 - 压 ) f 1 /f t ( 拉 - 拉 ) f 3 /f c σ 2 /σ 3 =0.2 0 f 2 /f t 1.0 ( 拉 - 压 ) f 1 /f c ( 拉 - 拉 ) f 3 /f c σ 1 =σ 2 f 2 /f c ( 压 - 压 ) ( 压 - 压 ) f 2 /f c σ 1 =σ 2 摘自 : 混凝土结构设计规范 (GB ) f 2 /f c

36 摘自 : 混凝土结构设计规范 (GB )

37 混凝土在法向应力和剪切应力作用下的强度 Ⅰ 段下面区域为拉剪状态, 随剪应力的增大, 抗拉强度下降 ; Ⅱ 段下面区域为压剪状态, 但压应力较低 此时, 随正应力增大, 抗剪强度提高 这是因为压应力在剪切面产生的约束, 阻碍剪切变形的发展, 使抗剪强度提高, 当应力约达混凝土单轴抗压强度的 0.6 倍时, 抗剪强度达最大值 ; Ⅲ 段下面区域也为压剪状态, 但压应力较高 (σ>0.6f c ), 由于混凝土内部裂纹的发展, 抗剪强度随压应力的增大反而降低

38 2.1.4 混凝土的变形 受力变形 混凝土的变形 混凝土在一次短期加载 荷载长期作用或多次重复荷载作用下产生的变形 非受力变形 由于混凝土硬化过程中的收缩以及温度和湿度变化产生的变形

39 硬化水泥浆体和骨料呈现线弹性, 但混凝土并不是弹性材料 混凝土试件在瞬时荷载作用下的应变并非与施加的应力成比例, 卸载时也不能完全恢复

40 混凝土单轴应力 - 应变全曲线 混凝土受拉 受压的应力 - 应变曲线示意图绘于同一坐标系中, 但所取比例不同 符号取 受拉为负, 受压为正

41 1. 单轴受压时混凝土应力 - 应变关系 A: 比例极限点 B: 非线性 C: 峰值应力点 D: 拐点 E: 收敛点 F: 破坏点 ε 0 峰值应变 ε u 极限压应变

42 获得稳定的混凝土应力 - 应变全曲线的一种试验装置

43 混凝土强度应力应变曲线 ( 时长 2 分 41 秒 )

44 体积应变 ε v =ε 1 +ε 2 +ε 3 混凝土受压破坏是由于混凝土内裂缝的扩展所致 如果对混凝土的横向变形加以约束, 限制裂缝的开展, 可以提高混凝土的纵向抗压强度

45 不同强度混凝土应变 - 应变关系 混凝土强度提高 ε 0 提高 ε u 降低 混凝土脆性增加

46 混凝土受压应力 - 应变曲线表达式 ε p =0.002 上升段 :ε ε p σ/f c Hognestad 模型 Rüsch 模型 ε u /ε p = ε/ε p ε u /ε p =1.90 ε ε σ = f c 2 ε p ε p 下降段 :ε p ε ε u Rüsch 模型水平直线 Hognestad 模型斜直线 2

47 混凝土结构设计规范 (GB ) 正截面承载力计算时 σ/f c ε/ε p 当 ε ε p 时 ( 上升段 ) n ε σ = f c 1 1 ε p 当 ε p < ε εu 时 ( 水平段 ) σ = f c 式中 1 n= p u ( fcu,k ) 5 ( fcu,k ) 5 ( fcu,k ) ε = ε = 计算时, 当 ε p < ε p = 当 ε u > 当 n > 2.0 时, 取 n = 2.0 ε u = 时, 取 时, 取

48 (ε 0, f c ) (ε u, f c ) C80, f c =35.9 N/mm 2 C70, f c =31.8 N/mm 2 C60, f c =27.5 N/mm 2 σ, N/mm C50, f c =23.1 N/mm 2 C40, f c =19.1 N/mm 2 C30, f c =14.3 N/mm 2 C20, f c =9.6 N/mm ε

49 混凝土结构设计规范 (GB ) 附录 C.2 还给出了混凝土单轴应力 - 应变关系曲线的另一种关系式 : ( ) σ = 1 d E ε c c d c ρ n n 1+ x = ρ > αc ( x 1) + x ρ c d c 为混凝土单轴受压损伤演化参数 c 1, x 1 n c 1, x 1 2 f E ε ε, n, x E ε E ε f ε c,r c c,r = = = c c,r c c,r c,r c,r ( 上升段 ) ( 下降段 )

50 α c 为混凝土单轴受压应力 - 应变曲线下降段参数值 f c,r 为混凝土的单轴抗压强度代表值, 其值可根据实际结构分析的需要分别取 f ck f c 或 f cm ε c,r 为与单轴抗压强度 f c,r 相应的混凝土峰值应变

51 C20, f c =9.6 N/mm 2 C30, f c =14.3 C40, f c =19.1 C50, f c =23.1 N/mm 2 C60, f c =27.5 C70, f c =31.8 C80, f c =35.9 σ, N/mm (ε 0, f c ) (ε u, f u ) ε

52 2. 混凝土的变形模量 变形模量是计算混凝土结构中应力分布及预应力混凝土结构中预应力损失时的重要参数 由于混凝土是非线性材料, 其受压应力 - 应变关系是一条非线性的曲线 在不同的应力阶段, 应力与应变之比的变形模量不是一个常数 混凝土变形模量 弹性模量 割线模量 切线模量

53 弹性模量 对于混凝土棱柱体的受压应力 - 应变曲线, 取其原点处的切线斜率即得混凝土的原点切线模量, 称为混凝土的弹性模量, 用 E c 表示

54 E c = f cu,k (kn/mm 2 )

55 混凝土受压和受拉的弹性模量 E c 混凝土的剪切模量 G c 可按相应弹性模量值的 40% 采用 混凝土泊松比 v c 可按 0.2 采用 摘自 : 混凝土结构设计规范 (GB )

56 割线模量 原点至曲线任一点 A 处割线的斜率, 称为任意点 A 的割线模量或变形模量 E ' c = tanα 1 E σ ε σ = tanα = = = λe ' c ela c c 1 c εc εc εela λ 为混凝土的受压变形塑性系数, 可由应力 - 应变曲线方程计算确定, 它随应变的增大而单调减小

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58 切线模量 在混凝土应力 - 应变曲线上任一点处作一切线, 该切线的斜率即为混凝土在该应力状态下的切线模量 E '' c = tanα 混凝土的切线模量也是一个变值, 它随着混凝土应力增大而减小 应力很小时, 其值与混凝土的弹性模量近似相等 ; 而在应力 - 应变曲线的峰值点, 其值为零 在混凝土应力 - 应变关系曲线的上升段, 切线模量为正值, 而在其下降段切线模量为负值

59 3. 重复荷载下混凝土应力 - 应变关系 ( 疲劳变形 ) 所有工程结构使用期间, 都承受各种随机荷载或有规律重复加卸载荷的作用, 结构中的混凝土必然承受重复应力作用 混凝土的疲劳是在重复荷载作用下产生的, 由此引起的结构破坏称为疲劳破坏 重复荷载作用下的混凝土受力状态和破坏过程显然不同于一次单调加载直至破坏的受力状态和破坏过程

60 当应力 (σ=σ 1 或 σ=σ 2 ) 小于疲劳强度 f f c 时, 卸载和随后加载的应力 - 应变曲线形成一封闭的滞回环 随着载荷重复的次数增加, 滞回环包围的面积不断缩小 载荷重复次数增加到一定数值后, 加载 卸载应力 - 应变曲线, 趋于一条直线 继续循环加载 卸载, 混凝土将处于弹性工作状态

61 如果选择一个高于疲劳强度的加载应力 (σ =σ 3 ), 循环重复加载初期, 与加载应力小于疲劳强度的应力 - 应变关系相似, 应力 - 应变曲线凸向应力轴, 在荷载重复加载过程中逐渐变为直线 随着荷载重复次数增加, 加载应力 - 应变曲线由凸向应力轴转变为凹向应力轴, 加载 卸载不能形成封闭的滞回环, 应力 - 应变曲线倾角不断减小, 荷载重复到一定次数时, 混凝土因开裂严重或变形过大而破坏

62 混凝土的疲劳试验通常采用 100mm 100mm 300mm 或 150mm 150mm 450mm 的棱柱体试件, 把能使棱柱体试件承受 200 万次或以上循环而不发生破坏压应力的上限值作为疲劳抗压强度 另外, 混凝土的疲劳强度还与重复作用时应力变化幅度, 即疲劳应力比值 ρ f c 有关 f f σ c,min ρc = f σ c,max 式中,σ f c,min σ f c,max 分别表示构件截面同一纤维上的混凝土最小应力及最大应力 相同的重复次数下, 疲劳强度随着疲劳应力比的增大而增大 当试件截面应变为不均匀分布时, 应变或应力梯度对疲劳强度也会有影响 偏心受压试件的疲劳强度比中心受压试件的高, 而且, 偏心距愈大, 即应变或应力梯度愈大时, 疲劳强度提高幅度亦愈大

63 混凝土的疲劳强度 混凝土轴心抗压疲劳强度设计值 f cf 混凝土轴心抗拉疲劳强度设计值 f t f 应分别按强度的设计值乘疲劳强度修正系数 γ ρ 确定 当混凝土承受拉 - 压疲劳应力作用时, 疲劳强度修正系数 γ ρ 取 0.60

64 摘自 : 混凝土结构设计规范 (GB )

65 4. 单轴受拉时混凝土应力 - 应变关系 混凝土受拉时的应力 - 应变曲线形状与受压时的曲线相似, 只是其峰值应力和应变均比受压时小很多 受拉应力 - 应变曲线的原点切线斜率与受压时基本一致, 因此, 受拉弹性模量可取与受压弹性模量相同的值

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67 混凝土结构设计规范 (GB ) 附录 C.2 给出的单轴受拉应力 - 应变曲线的表达式为 : ( ) σ = 1 d E ε t c d t 为混凝土单轴受拉损伤演化参数 d t = ρ > αt ( x 1) + x 5 1 ρt x, x 1 t 1, x ρ t f t,r = = E ε, x ε ε c t,r t,r ( 上升段 ) ( 下降段 )

68 α t 为混凝土单轴受拉应力 - 应变曲线下降段参数值 f t,r 为混凝土的单轴抗拉强度代表值, 其值可根据实际结构分析的需要分别取 f tk f t 或 f tm ε t,r 为与单轴抗压强度 f t,r 相应的混凝土峰值拉应变 混凝土结构设计规范 (GB ) 附录 C.2 规定的混凝土本构模型适用于 : 1 混凝土强度等级 C20~C80; 2 混凝土质量密度 2200kg/m 3 ~ 2400kg/m 3 ; 3 正常温度 湿度环境 ; 4 正常加载速度

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70 5. 三向受压状态下混凝土的变形特点

71 6. 混凝土的收缩 收缩量测

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73 7. 混凝土的徐变和应力松弛

74 徐变测试装置

75 帕劳共和国 Koror Babeldaob 桥的坍塌 241m 主跨, 悬臂法施工箱梁桥, 跨中下垂 1.2m, 建成不到 20 年后, 于 1996 年垮塌

76 2.2 钢筋 混凝土结构中钢材的主要作用是承受拉力, 以弥补混凝土抗拉强度低下和延性不足 结构用钢的化学成分主要是铁元素, 其他成分有碳 锰 硅 硫 磷等, 一般称碳素钢 根据含碳量不同, 碳素钢可以分为低碳钢 ( 含碳量 <0.25%) 中碳钢( 含碳量 0.25%~0.6%) 和高碳钢 ( 含碳量 0.6%~1.4%) 含碳量越高强度越高, 但是随着含碳量增加钢材的塑性和可焊性会降低 为了提高钢材强度和改善机械性能, 冶炼过程中也适当地添加其他金属元素, 而形成低合金钢

77 为提高钢筋混凝土结构构件的质量, 应尽量选用强度较高 塑性较好 价格较低的钢材 对钢筋性能的要求 钢筋的强度 钢筋的塑性钢筋的可焊性钢筋与混凝土的粘结力钢筋的低温性能 ( 寒冷地区 ) 2.2 钢筋

78 2.2.1 钢筋的品种和级别 大部分混凝土结构中使用细长的杆状钢筋, 甚至直径更细 强度更高的钢丝 混凝土结构中使用的钢筋品种很多, 一般为圆形截面, 也有椭圆形和类方圆形 强度较低的钢筋, 一般为简单的光圆形 其他强度较高的钢筋为增强其与混凝土的粘结, 充分发挥钢筋的作用和改善构件的受力性能, 其外表面在热轧过程中处理成不同的形状, 如螺旋纹 人字纹 月牙纹 竹节形 扭转形等, 这些钢筋统称为变形钢筋 2.2 钢筋

79 光圆螺纹人字纹月牙纹竹节形扭转形 钢绞线 2.2 钢筋

80 2.2 钢筋

81 混凝土结构设计规范 (GB ) 1 增加强度为 500MPa 级的热轧带肋钢筋 ; 推广 400MPa 500MPa 级高强热轧带肋钢筋作为纵向受力的主导钢筋 ; 限制并准备逐步淘汰 335MPa 级热轧带肋钢筋的应用 ; 用 300MPa 级光圆钢筋取代 235MPa 级光圆钢筋 在规范的过渡期及对既有结构进行设计时,235MPa 级光圆钢筋的设计值仍按原规范取值 2 推广具有较好的延性 可焊性 机械连接性能及施工适应性的 HRB 系列普通热轧带肋钢筋 列入采用控温轧制工艺生产的 HRBF 系列细晶粒带肋钢筋 生产工艺 :Hot rolled 表面形状 :Plain 钢筋 :Bar Remained heat treatment Ribbed Bar Hot rolled Ribbed Bar HPB300 屈服强度标准值 RRB400 HRB 钢筋

82 3 RRB 系列余热处理钢筋由轧制钢筋经高温淬水, 余热处理后提高强度 其延性 可焊性 机械连接性能及施工适应性降低, 一般可用于对变形性能及加工性能要求不高的构件中, 如基础 大体积混凝土 楼板 墙体以及次要的中小结构构件等 4 增加预应力筋的品种 : 增补高强 大直径的钢绞线 ; 列入大直径预应力螺纹钢筋 ( 精轧螺纹钢筋 ); 列入中强度预应力钢丝以补充中等强度预应力筋的空缺, 用于中 小跨度的预应力构件 ; 淘汰锚固性能很差的刻痕钢丝 5 箍筋用于抗剪 抗扭及抗冲切设计时, 其抗拉强度设计值受到限制, 不宜采用强度高于 400MPa 级的钢筋 当用于约束混凝土的间接配筋 ( 如连续螺旋配箍或封闭焊接箍 ) 时, 其高强度可以得到充分发挥, 采用 500MPa 级钢筋具有一定的经济效益 近年来, 我国强度高, 性能好的预应力钢筋 ( 钢丝 钢绞线 ) 已可充分供应, 故冷加工钢筋不再列入本规范 2.2 钢筋

83 混凝土结构的钢筋选用 提倡应用高强 高性能钢筋 根据混凝土构件对受力的性能要求, 规定了各种牌号钢筋的选用原则 1. 纵向受力普通钢筋宜采用 HRB400 HRB500 HRBF400 HRBF500 钢筋, 也可采用 HPB300 HRB335 HRBF335 RRB400 钢筋 ; 2. 梁 柱纵向受力普通钢筋应采用 HRB400 HRB500 HRBF400 HRBF500 钢筋 ; 3. 箍筋宜采用 HRB400 HRBF400 HPB300 HRB500 HRBF500 钢筋, 也可采用 HRB335 HRBF335 钢筋 ; 4. 预应力筋宜采用预应力钢丝 钢绞线和预应力螺纹钢筋 2.2 钢筋

84 2.2 钢筋

85 钢筋的强度标准值 钢筋的强度标准值应具有不小于 95% 的保证率 摘自 : 混凝土结构设计规范 (GB ) 2.2 钢筋

86 摘自 : 混凝土结构设计规范 (GB ) 2.2 钢筋

87 钢筋的强度设计值 钢筋的强度设计值为其强度标准值除以材料分项系数 γ s 的数值 延性较好的热轧钢筋 γ s 取 1.10 对新列入的高强度 500MPa 级钢筋适当提高安全储备,γ s 取为 1.15 对预应力筋, 取条件屈服强度标准值除以材料分项系数, 由于延性稍差, 预应力筋 γ s 一般取不小于 1.20 对传统的预应力钢丝 钢绞线取 0.85σ b 作为条件屈服点, 材料分项系数 1.2, 保持原规范值 ; 对新增的中强度预应力钢丝和螺纹钢筋, 按上述原则计算并考虑工程经验适当调整 2.2 钢筋

88 钢筋的强度设计值 当构件中配有不同种类的钢筋时, 每种钢筋应采用各自的强度设计值 横向钢筋的抗拉强度设计值 f yv 应按表中 f y 的数值采用 ; 当用作受剪 受扭 受冲切承载力计算时, 其数值大于 360N/mm 2 时应取 360N/mm 钢筋

89 2.2 钢筋

90 2.2.2 钢筋的强度与变形 虽然在钢筋混凝土结构中使用的钢筋品种和种类很多, 但从其力学性能来分主要有两大类 : 一类是有明显屈服点的钢筋, 其应力 - 应变曲线有明显的屈服点和屈服台阶, 断裂时有 颈缩 现象, 伸长率比较大 另一类是无明显屈服点的钢筋, 其应力 - 应变曲线没有明显的屈服点和屈服台阶, 伸长率小, 质地硬脆 2.2 钢筋

91 1. 钢筋拉伸试验的应力 - 应变关系曲线 有明显屈服点的钢筋拉伸应力 - 应变关系曲线

92 条件屈服强度 : 取残余应变为 0.2% 所对应的应力作为无明显流幅钢筋的强度限值, 通常称为条件屈服强度 无明显屈服点的钢筋拉伸应力 - 应变关系曲线

93 钢筋的弹性模量 E s

94 2. 钢筋应力 - 应变关系曲线的数学模型 当 ε s ε y时 σ = E ε s s s 当 ε ε ε σ = f y s s,h s y 时 双直线模型

95 当 ε s ε y时 σ = E ε s s s 三折线模型 当 ε ε ε σ = f y s s,h 当 ε ε ε s,h s s,u s y 时 时 ( ) ' σ ε ε θ s = fy + s s,h tan

96 当 σ s σ e时 ε = σ E s s s 当 σ s > σ e 时 εs = σs Es + e p σs σe σp σe ( ) ( ) n 根据我国的试验结果, 建议的计算式为 Ramberg-Osgood 模型 ε s σ σ s s = + Es σ

97 当 ε s ε y时 σ = E ε s s s 当 ε ε ε y s s,u 时 双斜线模型 ( ) " ε ε ε θ s = fy + s y tg tgθ = E = " " s f ε s,u s,u f ε y y

98 3. 钢筋的塑性变形能力 (1) 延伸率 : l1 l δ = 100% l 延伸率越大, 钢筋的塑性和变形能力越好

99 混凝土结构设计规范 (GB ) 明确提 出了对钢筋延性的要求 普通钢筋及预应力钢筋在最大力下的总伸长率 δ gt 不应小于下表规定的数值 根据我国钢筋标准, 将最大力下总伸长率 δ gt 的作为控制钢筋延性的指标 最大力下总伸长率 δ gt 不受断口 - 颈缩区域局部变形的影响, 反映了钢筋拉断前达到最大力 ( 极限强度 ) 时的均匀应变, 故又称均匀伸长率

100 (2) 冷弯性能 : 弯心直径越小, 弯过的角度越大, 冷弯性能越好, 钢筋 的塑性性能越好

101 2.2.4 钢筋的疲劳 钢筋的疲劳破坏是指钢筋在承受重复 周期性的动荷载作用下, 经过一定次数荷载循环周期后, 突然脆性断裂 钢筋的疲劳强度是指在某一规定应力幅度内, 经受一定次数循环荷载后, 不发生疲劳破坏的最大应力值 钢筋疲劳强度低于钢筋在静荷载作用下的极限强度 影响钢筋疲劳强度的因素很多, 除与应力变化的幅值有关外, 还与最小应力值的大小 钢筋的外表面几何形状 直径 等级以及试验方法等有关 2.2 钢筋

102 目前, 国内外进行的钢筋疲劳试验有两种 : 一种是直接对单根原状钢筋进行轴拉疲劳试验 ; 另一种是将钢筋埋入混凝土构件中使其重复受拉或受弯 我国要求的循环次数为 200 万次, 即对不同的疲劳应力比值满足循环次数为 200 万次条件下的钢筋最大应力值作为钢筋的疲劳强度 我国 混凝土结构设计规范 (GB ) 规定了不同等级钢筋的疲劳应力幅值限值, 当 ρ f p 0.9 时, 可不必验算钢筋的疲劳强度 ρ f p 为疲劳应力比值,ρ f p =σf min / σ f max ( 即截面同一位置钢筋最小应力与最大应力的比值 2.2 钢筋

103 2.2 钢筋

104 2.2.5 钢筋的徐变和松弛 钢筋在高应力作用下, 随时间增加其应变继续增加的现象称为徐变 钢筋受力后, 若保持长度不变, 则其应力随时间增加而降低的现象称为松弛 钢筋徐变和松弛与初始应力大小, 钢材品种和温度等因素有关 通常初始应力大, 应力松弛损失也大 ; 冷拉热轧钢筋的松弛损失较冷拔低碳钢丝 碳素钢丝和钢绞线低 ; 温度增加则松弛增大 2.2 钢筋

105 预应力混凝土结构中, 预应力钢筋张拉后长度基本保 持不变, 会产生松弛现象, 从而引起预应力损失 为减少钢材由松弛引起的应力损失, 可对预应力钢筋 进行超张拉 中国建筑科学研究院的试验结果表明, 超张拉一般可减少松弛损失 40%~50%, 也可采用低松弛高强 钢筋 钢丝和钢绞线以减少钢材由松弛引起的应力损失 2.2 钢筋

106 2.3 钢筋与混凝土之间的粘结力 钢筋混凝土结构中, 钢筋和混凝土这两种力学性能完全不同的材料能够结合在一起共同工作, 除了二者具有相近的热膨胀系数外, 更主要的是混凝土硬化后, 钢筋与混凝土之间存在粘结力 钢筋和混凝土的粘结作用属局部作用, 应力和应变分布复杂, 影响因素众多 混凝土构件的粘结破坏, 无明显征兆, 属严重的脆性破坏 此外, 钢筋和混凝土的粘结状况在重复和反复荷载作用下会逐渐退化, 对结构的疲劳和抗震性能都有重要影响 因而, 钢筋和混凝土的粘结问题在工程中应受到重视

107 2.3.1 粘结应力 粘结应力 : 钢筋与混凝土接触面上产生的沿钢筋纵向的剪应力 是由于沿长度方向钢筋应力的不均匀分布而产生的, 即如果沿钢筋长度上钢筋的应力没有变化, 就不存在粘结应力 粘结是保证钢筋与混凝土两种力学性能截然不同的材料在结构中共同工作的基本前提 通过粘结, 钢筋与混凝土之间可进行应力传递并协调变形 粘结强度 : 粘结失效时的最大 ( 平均 ) 粘结应力 2.3 钢筋与混凝土之间的粘结力

108 分析混凝土中钢筋的平衡可知, 任何一段钢筋两端的拉力差, 都由其表面的纵向剪力所平衡 此剪力在钢筋表面产生的剪应力即为周围混凝土所提供的粘结应力, 根据图中钢筋的平衡条件可得 : As dσ s d dσ 如果沿钢筋长度上钢筋 s τ b = = 的应力没有变化, 就不存在 π d dx 4 dx 粘结应力 2.3 钢筋与混凝土之间的粘结力

109 钢筋和混凝土间的粘结 构件中钢筋受力状态的不同 钢筋端部的锚固粘结 裂缝间粘结 锚固粘结应力 裂缝间粘结应力 2.3 钢筋与混凝土之间的粘结力

110 钢筋的锚固 配置在混凝土中的钢筋承受拉力的作用, 如果钢筋因滑动而拔出, 就不能成为一体的钢筋混凝土结构, 为了让钢筋锚固在混凝土之中, 将钢筋表面设计成凹凸不平的形状, 并使之具有充分的锚固长度, 或在端部设置弯钩 另外, 混凝土保护层厚度足够大也很重要 2.3 钢筋与混凝土之间的粘结力

111 钢筋端部的锚固粘结 如简支梁支座处的钢筋端部 梁跨间的主筋搭接或切断 悬臂梁和梁柱节点受拉主筋的外伸段等 钢筋的端头应力为零, 经过不长的粘结距离 ( 称锚固长度 ) 后, 通过粘结应力的积累, 才能使钢筋中的应力达到其设计强度 ( 软钢的屈服强度 f y ) 故钢筋的应力差大( σ s = f y ), 粘结应力值高, 且分布变化大 如果钢筋因粘结锚固能力不足而发生滑动, 不仅其强度不能充分利用 (σ s <f y ), 而且也将造成锚固粘结应力的丧失, 导致钢筋从混凝土中拔出, 使构件破坏 2.3 钢筋与混凝土之间的粘结力

112 裂缝间粘结 受拉构件或梁受拉区的混凝土开裂后, 裂缝截面上混凝土退出工作, 使钢筋拉应力增大 ; 但裂缝间截面上混凝土仍承受一定拉力, 钢筋的应力小于缝间钢筋的应力 钢筋应力沿纵向发生变化, 其表面必有相应的粘结应力存在, 裂缝间粘结应力的大小反映出受拉混凝土参与工作的程度 粘结应力的存在, 使混凝土内钢筋的平均应变或总变形小于钢筋单独受力时的相应变形, 有利于减小裂缝宽度和增大构件的刚度 ( 将在第 9 章中详细介绍 ), 这种现象称为受拉刚化效应 2.3 钢筋与混凝土之间的粘结力

113 粘结应力分布试验 2.3 钢筋与混凝土之间的粘结力

114 粘结强度试验 弯曲拔出试验 τ bu = F u π dl 直接拔出试验 2.3 钢筋与混凝土之间的粘结力

115 钢筋 - 混凝土粘结滑移本构关系 直接拔出试验 混凝土结构设计规范 (GB ) 附录 C 钢筋与混凝土之间的粘结力

116 线性段 : 劈裂段 : 下降段 : 残余段 : 卸载段 : τ = ks 0 s s 1 cr τ = τ + k s s s s s ( ) cr 2 cr cr u τ = τ + k s s s s s ( ) a 3 u u r τ = f s > s t,r τ = τ + k s s r ( ) an 1 um τ 为混凝土与热轧带肋钢筋之间的粘结应力, (N/mm 2 ) s 为混凝土与热轧带肋钢筋之间的相对滑移, (mm) k 1 为线性段斜率,τ cr /s cr k 2 为劈裂段斜率,(τ u -τ cr) /(s u s cr ) k 3 为下降段斜率,(τ r -τ u) /(s r s u ) τ an 为卸载点的粘结应力,(N/mm 2 ) s an 为卸载点的相对滑移,(mm) 混凝土结构设计规范 (GB ) 附录 C 钢筋与混凝土之间的粘结力

117 τ 为混凝土与热轧带肋钢筋之间的粘结应力, (N/mm 2 ) s 为混凝土与热轧带肋钢筋之间的相对滑移, (mm) k 1 为线性段斜率,τ cr /s cr k 2 为劈裂段斜率,(τ u -τ cr) /(s u s cr ) k 3 为下降段斜率,(τ r -τ u) /(s r s u ) τ an 为卸载点的粘结应力,(N/mm 2 ) s an 为卸载点的相对滑移,(mm) 混凝土结构设计规范 (GB ) 附录 C 钢筋与混凝土之间的粘结力

118 2.3.2 粘结力的组成 粘结力 钢筋与混凝土表面的化学胶着力 钢筋与混凝土接触面的摩擦力 钢筋与混凝土表面凹凸不平的机械咬合力 2.3 钢筋与混凝土之间的粘结力

119 钢筋与混凝土表面的化学胶着力 这种由混凝土中水泥凝胶体和钢筋表面化学变化而产生的粘着作用力或吸附作用力较弱, 其极限值取决于水泥性质和钢筋表面的粗糙程度 而当钢筋受力后有较大变形 发生局部滑移时, 这种粘着力也将丧失 钢筋与混凝土接触面的摩擦力 混凝土硬化过程中收缩, 紧紧地握裹住钢筋 构件受力后, 钢筋和混凝土之间有相对运动趋势时, 产生摩阻力 这种摩阻力与混凝土的收缩 荷载和支座反力等对钢筋的径向压应力以及混凝土和钢筋间的摩擦系数等有关, 径向压应力越大 接触面越粗糙, 则摩阻力越大 2.3 钢筋与混凝土之间的粘结力

120 钢筋与混凝土表面凹凸不平的机械咬合力 机械咬合力主要是由于钢筋表面凹凸不平, 在钢筋与混凝土之间产生, 其值即为混凝土对钢筋凸肋表面斜向压力的纵向分力 有横肋的变形钢筋会产生这种咬合力, 其极限值受混凝土的抗剪强度控制 2.3 钢筋与混凝土之间的粘结力

121 粘结力 钢筋与混凝土表面的化学胶着力 钢筋与混凝土接触面的摩擦力 钢筋与混凝土表面凹凸不平的机械咬合力 组成粘结应力的这三部分应力都与钢筋表面的粗糙度和锈蚀程度密切相关, 在试验中这三部分应力也很难单独量测或严格区分 而且在钢筋的不同受力阶段, 随着钢筋滑移的发展, 荷载 ( 应力 ) 加卸等的不同, 各部分粘结作用也有变化 对于变形钢筋, 机械咬合力可提供很大的粘结应力, 但如果钢筋布置不当, 会产生较大的滑移 裂缝和局部混凝土破碎等现象 2.3 钢筋与混凝土之间的粘结力

122 粘结破坏机理 (1) 光圆钢筋的粘结破坏 : 粘结作用在钢筋与混凝土间出现相对滑移前主要取决于化学胶着力, 发生滑移后则由摩擦力和机械咬合力提供 2.3 钢筋与混凝土之间的粘结力

123 (2) 变形钢筋的粘结破坏粘结强度仍由胶着力 摩擦力和机械咬合力组成 但主要为机械咬合力 钢筋开始滑移后, 粘结力主要由钢筋凸肋对混凝土的斜向挤压力和界面上的摩擦力组成 若钢筋外围混凝土很薄且没有环向箍筋约束, 形成纵向劈裂裂缝, 沿钢筋纵向产生劈裂破坏 若有环向箍筋约束混凝土的变形, 纵向劈裂裂缝的发展受到限制, 最后钢筋沿肋外径的圆柱面出现整体滑移, 发生刮犁式破坏 ( 剪切破坏 ) 2.3 钢筋与混凝土之间的粘结力

124 变形钢筋和混凝土的机械咬合作用 变形钢筋的拔出 2.3 钢筋与混凝土之间的粘结力

125 2.3.3 影响粘结性能的因素 混凝土强度 ; 保护层厚度 (c); 钢筋埋长 (l); 横向箍筋 (ρ sv ); 横向压应力 (q); 其他因素 2.3 钢筋与混凝土之间的粘结力

126 2.3.4 钢筋的锚固长度 将施加拉力使加载端钢筋屈服 而钢筋不被拔出, 所需的最小埋长称为锚固长度, 这是保证钢筋充分发挥强度所必需的埋置长度 根据平衡条件建立的计算式为 l a = f 4τ y bu d τ bu 与混凝土的抗拉强度 f t 成正比, 同时还与钢筋的外形 保护层厚度等因素有关 fy fy la = d = α d 4τ f bu t 2.3 钢筋与混凝土之间的粘结力

127 l ab 基本锚固长度 f y y lab = d = α d 4τ bu ft l ab f = α f py t d f 普通钢筋 预应力钢筋 f t 为混凝土轴心抗拉强度设计值, 当混凝土强度等级高于 C60 时, 按 C60 取值 2.3 钢筋与混凝土之间的粘结力

128 受力钢筋的锚固长度 受拉钢筋的锚固长度应根据锚固条件按下列公式计算, 且不应小于 200mm: l a = ζ l a ab 式中 :l a 受拉钢筋的锚固长度 ; ζ a 锚固长度修正系数 当锚固钢筋的保护层厚度不大于 5d 时, 锚固长度范围内应配置横向构造钢筋, 其直径不应小于 d/4; 对梁 柱 斜撑等构件间距不应大于 5d, 对板 墙等平面构件间距不应大于 10d, 且均不应大于 100mm, 此处 d 为锚固钢筋的直径 2.3 钢筋与混凝土之间的粘结力

129 l a = ζ l a ab ζ a 锚固长度修正系数 1. 当带肋钢筋的公称直径大于 25mm 时取 1.10; 2. 环氧树脂涂层带肋钢筋取 1.25; 3. 施工过程中易受扰动的钢筋取 1.10; 4. 当纵向受力钢筋的实际配筋面积大于其设计计算面积时, 修正系数取设计计算面积与实际配筋面积的比值, 但对有抗震设防要求及直接承受动力荷载的结构构件, 不应考虑此项修正 ; 5. 锚固钢筋的保护层厚度为 3d 时修正系数可取 0.80, 保护层厚度为 5d 时修正系数可取 0.70, 中间按内插取值, 此处 d 为锚固钢筋的直径 当多于一项时, 可按连乘计算, 但不应小于 0.6; 对预应力筋, 可取 钢筋与混凝土之间的粘结力

130 弯钩或机械锚固措施 当纵向受拉普通钢筋末端采用弯钩或机械锚固措施时, 包括弯钩或锚固端头在内的锚固长度 ( 投影长度 ) 可取为基本锚固长度 l ab 的 60% 弯钩和机械锚固的形式和技术要求 2.3 钢筋与混凝土之间的粘结力

131 2.3 钢筋与混凝土之间的粘结力

132 混凝土结构中的纵向受压钢筋, 当计算中充分利用其抗压强度时, 锚固长度不应小于相应受拉锚固长度的 70% 受压钢筋不应采用末端弯钩和一侧贴焊锚筋的锚固措施 承受动力荷载的预制构件, 应将纵向受力普通钢筋末端焊接在钢板或角钢上, 钢板或角钢应可靠地锚固在混凝土中 钢板或角钢的尺寸应按计算确定, 其厚度不宜小于 10mm 其他构件中受力普通钢筋的末端也可通过焊接钢板或型钢实现锚固 2.3 钢筋与混凝土之间的粘结力

133 钢筋的连接 钢筋连接可采用绑扎搭接 机械连接或焊接 机械连接接头及焊接接头的类型及质量应符合国家现行有关标准的规定 混凝土结构中受力钢筋的连接接头宜设置在受力较小处 在同一根受力钢筋上宜少设接头 在结构的重要构件和关键传力部位, 纵向受力钢筋不宜设置连接接头 2.3 钢筋与混凝土之间的粘结力

134 纵向受拉钢筋的搭接长度 纵向受拉钢筋绑扎搭接接头的搭接长度, 应根据位于同一连接区段内的钢筋搭接接头面积百分率按下列公式计算, 且不应小于 300mm l l = ζ l l a 式中 :l l 纵向受拉钢筋的搭接长度 ; ζ l 纵向受拉钢筋搭接长度修正系数 当纵向搭接钢筋接头面积百分率为表的中间值时, 修正系数可按内插取值 有关钢筋锚固和搭接的其他规定, 可查阅相应的现行规范 2.3 钢筋与混凝土之间的粘结力

7

7 第 1 章绪 论 学习目标 : (1) 理解混凝土结构形成机理, 钢筋和混凝土共同工作的原因 ; (2) 熟悉混凝土结构的特点 发展和应用 ; (3) 理解本课程的特点和学习方法 1.1 混凝土结构的基本概念和特点 1.1.1 混凝土结构的基本概念 以混凝土为主要材料制作的结构称为混凝土结构, 包括素混凝土结构 钢筋混凝土结构 预应力混凝土结构等 素混凝土结构是指无筋或不配置受力钢筋的混凝土结构,

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