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2鋼筋和混凝土材料力學性能 工程結構 2 1鋼筋的形式和品種 1 依據(jù)化學成分分類 碳素鋼 鐵 碳 硅 錳 硫 磷等元素 低碳鋼 含碳量 0 25 中碳鋼 含碳量0 25 0 6 高碳鋼 含碳量0 6 1 4 普通低合金鋼 另加硅 錳 鈦 釩 鉻等 錳系硅釩系硅鈦系硅錳系硅鉻系 鋼筋的力學性能主要取決于它的化學成分 2鋼筋和混凝土的材料性能 2 鋼筋的品種 Reinforcementtypes 熱軋鋼筋 鋼絲和鋼絞線 熱處理鋼筋和冷加工鋼筋 1 熱軋鋼筋 由低碳鋼 普通低合金鋼在高溫狀態(tài)下扎制而成 根據(jù)力學指標的高低 分為熱軋光面鋼筋HPB235 熱軋帶肋鋼筋HRB335 熱軋帶肋鋼筋HRB400 余熱處理鋼筋RRB400 2鋼筋和混凝土的材料性能 熱軋鋼筋HotRolledSteelReinforcingBarHPB235級 HRB335級 HRB400級 RRB400級 HPB HRB RRB 余熱處理鋼筋 熱軋后立即穿水 進行表面控制冷卻 然后利用芯部余熱自身完成回火處理所得的成品鋼筋 HPB235級 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 級 和HRB400級 級 鋼筋強度較高 多作為鋼筋混凝土構件的受力鋼筋 尺寸較大的構件 也有用 級鋼筋作箍筋 為了增強與混凝土的粘結 Bond 外形制作成月牙肋或等高肋的變形鋼筋 DeformedBar 余熱處理鋼筋的焊接性能與熱軋鋼筋相比 有一定的差異 延性和強屈比稍低 在工程應用中 與熱軋鋼筋的使用范圍存在實際的差異 適用于一般結構及抗震等級為三 四的抗震結構 2鋼筋和混凝土的材料性能 2 冷加工鋼筋Coldworkingrebar 在常溫下 由熱軋鋼筋經(jīng)冷拉 冷拔 冷軋 冷扭加工后而成 冷加工的目的是為了提高鋼筋的強度 節(jié)約鋼材 但經(jīng)冷加工后 鋼筋的延伸率降低 近年來 冷加工鋼筋的品種很多 應根據(jù)專門規(guī)程使用 3 熱處理鋼筋Heattreatment 是將中碳低合金帶肋鋼筋通過加熱 淬火和回火等調(diào)質(zhì)工藝處理 使強度得到較大幅度的提高 而延伸率降低不多 用于預應力混凝土結構 4 鋼絲Wire 中強鋼絲的強度為800 1200MPa 高強鋼絲 鋼絞線 StrandorTendon 的為1470 1860MPa 鋼絲的直徑3 9mm 外形有光面 刻痕和螺旋肋三種 另有二股 三股和七股鋼絞線 外接圓直徑9 5 15 2mm 中高強鋼絲和鋼絞線均用于預應力混凝土結構 2 2鋼筋的力學性能1 有明顯流幅 屈服點 鋼筋的應力 應變曲線 ef為頸縮階段 幾個指標 屈服強度是鋼筋強度的設計依據(jù) 因為鋼筋屈服后將發(fā)生很大的塑性變形 且卸載時這部分變形不可恢復 這會使鋼筋混凝土構件產(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 不太穩(wěn)定 一般取屈服下限作為屈服強度 延伸率 鋼筋拉斷后的伸長值與原長的比率 是反映鋼筋塑性性能的指標 延伸率大的鋼筋 在拉斷前有足夠預兆 延性較好 屈強比 反映鋼筋的強度儲備 要求極限抗拉強度與屈服強度比值不低于1 25 冷彎性能 檢驗鋼筋塑性的另一種方法 將直徑為d的鋼筋繞直徑為D的鋼輥彎成一定的角度 而不發(fā)生裂紋 起層或斷裂 參見教材11頁圖2 7 2 無明顯屈服點的鋼筋 a點 比例極限 約為0 65fua點前 應力 應變關系為線彈性a點后 應力 應變關系為非線性 有一定塑性變形 且沒有明顯的屈服點強度設計指標 條件屈服點殘余應變?yōu)? 2 所對應的應力 規(guī)范 取s0 2 0 85fu 1 強度 要求鋼筋有足夠的強度和適宜的強屈比 極限強度與屈服強度的比值 例如 對抗震等級為一 二級的框架結構 其縱向受力鋼筋的實際強屈比不應小于1 25 2 塑性 要求鋼筋應有足夠的變形能力 3 可焊性 要求鋼筋焊接后不產(chǎn)生裂縫和過大的變形 焊接接頭性能良好 4 與混凝土的粘結力 要求鋼筋與混凝土之間有足夠的粘結力 以保證兩者共同工作 3 混凝土結構對鋼筋性能的要求 2 3鋼筋的冷加工和熱處理 溫度的影響 溫度達700 C時恢復到冷拉前的狀態(tài) 先焊后拉 3 鋼筋的冷加工和熱處理 冷拔 用強力把光圓鋼筋通過比其直徑稍小的硬質(zhì)合金模上的錐形拔絲孔 使其產(chǎn)生塑性變形 橫截面減小 長度增大 經(jīng)過冷拔后鋼筋沒有明顯的屈服點和流幅 冷拔既能提高抗拉強度又能提高抗壓強度 3 鋼筋的冷加工和熱處理 熱處理 對特定鋼號的鋼筋進行淬火和回火處理 將淬火后的鋼材重新加熱到723 以下某一溫度范圍 保溫一定時間后再緩慢地或較快地冷卻至室溫 這一過程稱為回火處理 回火可消除鋼材淬火時產(chǎn)生的內(nèi)應力 使其硬度降低 恢復塑性和韌性 按回火溫度不同 又可分為高溫回火 500 650 中溫回火 300 500 和低溫回火 150 300 種 回火溫度愈高 鋼材硬度下降愈多 塑性和韌性恢復愈好 若鋼材淬火后隨即進行高溫回火處理 則稱調(diào)質(zhì)處理 其目的是使鋼材的強度 塑性 韌性等性能均得以改善 將鋼材加熱至723 以上某一溫度 并保持一定時間后 迅速置于水中或機油中冷卻 這個過程稱鋼材的淬火處理 鋼材經(jīng)淬火后 強度和硬度提高 脆性增大 塑性和韌性明顯降低 2 5鋼筋的蠕變 松弛和疲勞 蠕變 應力不變 隨時間的增長應變繼續(xù)增加 松弛 長度不變 隨時間的增長應力降低 對結構 尤其是預應力結構 產(chǎn)生不利的影響 需采取必要的措施 鋼筋的疲勞 鋼筋在重復 周期動荷載作用下 經(jīng)過一定次數(shù)后 從塑性破壞的性質(zhì)轉(zhuǎn)變脆性突然斷裂的現(xiàn)象 稱為疲勞破壞 規(guī)定的應力幅度內(nèi) 經(jīng)一定次數(shù)的重復荷載后 發(fā)生疲勞破壞的最大應力值稱為疲勞強度 試驗方法 單根鋼筋的軸拉疲勞 鋼筋埋入混凝土中重復受拉或受彎 2 6混凝土的強度1 單軸受力狀態(tài)下混凝土的抗壓強度 1 立方體抗壓強度fcu 不涂潤滑劑 存在套箍作用 我國規(guī)范的方法 不涂潤滑劑 壓力 試件 裂縫發(fā)展 擴張 整個體系解體 喪失承載力 影響強度的因素還有 齡期 齡期越長 強度增大加載速率 加載速度越快 測定的強度越大試塊尺寸 尺寸越小 測定的強度越大 不涂潤滑劑 存在套箍作用 中部外圍混凝土剝落 1 單軸受力狀態(tài)下混凝土的抗壓強度 非標準試塊 100 100 100換算系數(shù)0 95200 200 200換算系數(shù)1 05 立方體抗壓強度是區(qū)分混凝土強度等級的指標 我國規(guī)范混凝土的強度等級是按照立方體抗壓強度標準值fcu k確定的C15 C20 C25 C30 C35 C40 C45 C50 C55 C60 C65 C70 C75 C80 表示混凝土Concrete 立方體抗壓強度標準值 立方體抗壓強度標準值邊長為150mm的混凝土立方體試件 在標準條件下 溫度為20 3 濕度 90 養(yǎng)護28天 用標準試驗方法 加載速度0 15 0 25N mm2 s 兩端不涂潤滑劑 測得的具有95 保證率的抗壓強度 2 軸心抗壓強度fc 棱柱體抗壓強度 按標準方法制作的150mm l50mm 300mm的棱柱體試件 在溫度為20土3 和相對濕度為90 以上的條件下養(yǎng)護28d 用標準試驗方法測得的具有95 保證率的抗壓強度 對于同一混凝土 棱柱體抗壓強度小于立方體抗壓強度 非標準試塊 100 100 300換算系數(shù)0 95200 200 400換算系數(shù)1 05考慮到實際結構構件制作 養(yǎng)護和受力情況 實際構件強度與試件強度之間存在差異 規(guī)范 基于安全取偏低值 規(guī)定軸心抗壓強度標準值和立方體抗壓強度標準值的換算關系為 混凝土的物理力學性能 式中 k 為棱柱體強度與立方體強度之比 對不大于C50級的混凝土取0 76 對C80取0 82 其間按線性插值 k2為高強混凝土的脆性折減系數(shù) 對C40取1 0 對C80取0 87 中間按直線規(guī)律變化取值 0 88為考慮實際構件與試件混凝土強度之間的差異而取用的折減系數(shù) 2 單軸受力狀態(tài)下混凝土的抗拉強度 直接受拉試驗ft 要求鋼筋位于試件的軸線上 因此存在對中困難 軸心抗拉強度 混凝土的軸心抗拉強度可以采用直接軸心受拉的試驗方法來測定 但由于試驗比較困難 目前國內(nèi)外主要采用圓柱體或立方體的劈裂試驗來間接測試混凝土的軸心抗拉強度 第二章鋼筋和混凝土的材料性能 2 1混凝土的物理力學性能 混凝土結構設計規(guī)范 規(guī)定軸心抗拉強度標準值與立方體抗壓強度標準值的換算關系為 混凝土軸心抗拉強度與立方體抗壓強度的關系 3 復合受力狀態(tài)下混凝土的強度 多維受力強度在實際結構中 混凝土經(jīng)常不處于單軸應力狀態(tài) 而受多維應力的作用 側向壓力限制混凝土受壓后的橫向變形 使縱向受壓裂縫的開展延遲 促使縱向受壓強度有效提高 側向約束 3 反之側向拉力會使縱向受壓裂縫的開展加快 使縱向受壓強度明顯降低 3 復合受力狀態(tài)下混凝土的強度 三向受壓時的混凝土強度 圓柱體試驗 有側向約束時的抗壓強度 無側向約束時圓柱體的單軸抗壓強度 多維受力強度的應用 鋼管混凝土螺旋箍筋 無螺旋箍筋 配有較大間距的螺旋箍筋 配有較小間距的螺旋箍筋 3 復合受力狀態(tài)下混凝土的強度 法向應力和剪應力下的強度曲線 剪壓 剪拉受力狀態(tài) 抗剪強度隨壓應力的提高而提高 抗剪強度隨壓應力的提高而減小 受力變形一次短期加載荷載長期作用多次重復荷載體積變形收縮與膨脹溫度變形 2 7混凝土的變形性能 1 一次短期加載下的應力 應變關系 o 混凝土單軸受壓應力 應變關系曲線 常采用棱柱體試件來測定 在普通試驗機上采用等應力速度加載 達到軸心抗壓強度fc時 試驗機中集聚的彈性應變能大于試件所能吸收的應變能 會導致試件產(chǎn)生突然脆性破壞 只能測得應力 應變曲線的上升段 采用等應變速度加載 或在試件旁附設高彈性元件與試件一同受壓 以吸收試驗機內(nèi)集聚的應變能 可以測得應力 應變曲線的下降段 第二章鋼筋和混凝土的材料性能 混凝土 A點以前 微裂縫沒有明顯發(fā)展 混凝土的變形主要彈性變形 應力 應變關系近似直線 A點應力隨混凝土強度的提高而增加 對普通強度混凝土sA約為 0 3 0 4 fc 對高強混凝土sA可達0 5 0 7fc A點以后 由于微裂縫處的應力集中 裂縫開始有所延伸發(fā)展 產(chǎn)生部分塑性變形 應變增長開始加快 應力 應變曲線逐漸偏離直線 微裂縫的發(fā)展導致混凝土的橫向變形增加 但該階段微裂縫的發(fā)展是穩(wěn)定的 混凝土在結硬過程中 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 成為混凝土中的薄弱部位 混凝土的最終破壞就是由于這些微裂縫的發(fā)展造成的 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 在此應力的長期作用下 裂縫會持續(xù)發(fā)展最終導致破壞 取B點的應力作為混凝土的長期抗壓強度 普通強度混凝土sB約為0 8fc 高強強度混凝土sB可達0 95fc以上 達到C點fc 內(nèi)部微裂縫連通形成破壞面 應變增長速度明顯加快 C點的縱向應變值稱為峰值應變e0 約為0 002 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 隨應變增長 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 混凝土骨料與砂漿的粘結不斷遭到破壞 裂縫連通形成斜向破壞面 E點的應變e 2 3 e0 應力s 0 4 0 6 fc 第二章鋼筋和混凝土的材料性能 2 1混凝土 不同強度混凝土的應力 應變關系曲線 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 混凝土的物理力學性能 側向受約束時混凝土的變形特點 2 重復荷載下混凝土的變形性能 重復荷載下的應力 應變曲線 三種不同水平的應力重復作用 因荷載多次重復作用而引起的破壞稱為疲勞破壞 標準試件100 100 300或150 150 450的棱柱體試塊fcf的確定原則承受200萬次 或以上 循環(huán)荷載時發(fā)生破壞的最大壓應力值 3 混凝土的模量 原點切線模量 彈性模量 拉壓相同 變形模量 割線模量 彈塑性模量 切線模量 混凝土的彈性模量的試驗方法 150 150 300標準試件 5 10次 混凝土的泊松比和剪切模量 混凝土的泊松比 在壓力較小時為0 15 0 18 接近破壞時可達0 5以上 一般可取0 2 混凝土的剪切模量為 1 長期荷載作用下混凝土的變形性能 徐變 原因之一 凝膠體的粘性流動 原因之二 混凝土內(nèi)部微裂縫的不斷發(fā)展 4 混凝土的收縮和徐變 徐變造成構件變形增大 引起預應力損失 在高應力作用下 會導致構件破壞 影響徐變的因素 應力 c0 8fc 造成混凝土破壞 不穩(wěn)定 c 0 5fc 線性徐變 c 0 8fc 非線性徐變 加荷時混凝土的齡期 越早 徐變越大 影響徐變的因素 混凝土的組成和配合比水泥用量越多 水灰比越大 徐變越大 骨料的彈性模量越大 骨料體積在混凝土中所占體積愈高 徐變越小 養(yǎng)護及使用條件的溫度與濕度養(yǎng)護時溫度高 濕度大 徐變小 使用環(huán)境溫度高 相對濕度越低 徐變越大 影響徐變的因素 構件的尺寸和體表比尺寸越大 體表比越大 則徐變越小 影響徐變的因素 2 混凝土的收縮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 收縮是混凝土在不受外力情況下體積變化產(chǎn)生的變形 影響因素混凝土的收縮受結構周圍的溫度 濕度 構件斷面形狀及尺寸 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 1 水泥的品種 水泥強度等級越高 制成的混凝土收縮越大 2 水泥的用量 水泥用量多 水灰比越大 收縮越大 3 骨料的性質(zhì) 骨料彈性模量高 級配好 收縮就小 4 養(yǎng)護條件 高溫濕養(yǎng) 收縮小 5 混凝土制作方法 混凝土越密實 收縮越小 6 使用環(huán)境 使用環(huán)境溫度越高 相對濕度越低 收縮越大 7 構件的體積與表面積比值 比值大時 收縮小 收縮對混凝土結構的影響 鋼筋受壓 混凝土受拉 如果截面配筋率較高會導致混凝土開裂 第二章鋼筋和混凝土的材料性能 2 10混凝土與鋼筋的粘結 2 8混凝土與鋼筋的粘結 1 粘結的定義粘結和錨固是鋼筋和混凝土形成整體 共同工作的基礎 粘結力定義 若鋼筋與混凝土有相對變形 滑移 就會在鋼筋和混凝土的交界面上 產(chǎn)生沿鋼筋軸線方向的相互作用力 粘結強度 鋼筋單位表面面積上所能承擔的最大縱向剪應力 鋼筋混凝土軸心受拉構件裂縫出現(xiàn)前的應力分布 鋼筋混凝土梁中的應力分布 第一章鋼筋和混凝土的材料性能 2 10混凝土與鋼筋的粘結 2 10混凝土與鋼筋的粘結 2 粘結的分類錨固粘結 裂縫附近的局部粘結 3 粘結力的組成 化學粘結力混凝土澆筑時水泥漿體對鋼筋表面氧化層的滲透以及水化過程中水泥晶體的生長和硬化 粘結力的大小不僅與鋼筋與混凝土接觸的表面積有關 更與混凝土強度相關 強度等級高的混凝土所形成的粘結力也大 光圓鋼筋表面與混凝土所形成的粘結力的主要來源 3 粘結力的組成 摩擦力 混凝土收縮握裹鋼筋 光圓鋼筋表面與混凝土所形成的粘結力的主要來源 摩擦力的大小與鋼筋與混凝土接觸的表面積成正比 光圓鋼筋表面的微微銹蝕有助于提高這種摩擦力 但較大的銹蝕會導致鋼筋與混凝土的隔離 進而降低摩擦力 3 粘結力的組成 機械咬合力是帶肋鋼筋的錨固力的主要來源 帶肋鋼筋的錨固力中 摩擦力與化學粘結力所占的比例較小 對于光圓鋼筋 可以采取端部彎鉤的方式形成鋼筋與混凝土的機械咬合 從而增加錨固力 第二章鋼筋和混凝土的材料性能 混凝土與鋼筋的粘結 4 影響粘結的因素影響鋼筋與混凝土粘結強度的因素很多 主要有混凝土強度 保護層厚度及鋼筋凈間距 橫向配筋以及澆筑混凝土時鋼筋的位置等 光圓鋼筋及變形鋼筋的粘結強度都隨混凝土強度等級的提高而提高 但不與立方體強度成正比 變形鋼筋能夠提高粘結強度 澆筑混凝土時鋼筋所處的位置也會影響粘結強度 混凝土保護層厚度越薄 粘結強度越低 橫向鋼筋可以限制混凝土縱向裂縫的發(fā)展 提高粘結強度 F 鋼筋間的凈距越大 粘結強度越高 5 保證粘結的構造措施 鋼筋的最小搭接長度和錨固長度 5 保證粘結的構造措施 光面受力鋼筋端部做成彎鉤 鋼筋的最小凈距混凝土保護層的最小厚度 參見教材203頁鋼筋在搭接接頭范圍內(nèi)箍筋加密