砼結構材料性能PPT課件

1、內(nèi)容提要 一、鋼筋混凝土結構的基本概念 二、混凝土的強度 三、混凝土的變形 四、鋼筋的強度與變形 五、鋼筋的成分、級別和品種 六、粘結機理 七、影響粘結強度的因素第1頁/共81頁學習指導 教學要求：了解鋼筋混凝土結構受力性能的復雜性及配筋對其受力性能的影響。掌握鋼筋混凝土結構的優(yōu)缺點。掌握鋼筋的種類及其物理力學特性。熟悉鋼筋混凝土結構對鋼筋性能要求。掌握混凝土各種強度指標及其特性。理解鋼筋與混凝土粘結性能第2頁/共81頁學習指導 學習重點： 1、鋼筋混凝土梁與素混凝土梁的差別； 2、鋼筋與混凝土共同工作的條件； 3、鋼筋混凝土結構的優(yōu)缺點； 4、鋼筋的品種和力學性能的基本指標； 5、鋼筋的應力

2、應變曲線； 6、混凝土的強度指標及強度等級； 7、混凝土的應力應變曲線； 8、混凝土的各種模量； 9、混凝土的徐變和收縮； 10、鋼筋與混凝土之間的粘結力第3頁/共81頁混凝土結構素混凝土結構：素砼主要用于以受壓為主的基礎、柱墩和一些非承重結構。鋼筋混凝土結構 預應力混凝土結構 鋼筋混凝土結構：是由配置受力的普通鋼筋或鋼筋骨架的混凝土制成的結構。1.1鋼筋混凝土結構的基本 概 念第4頁/共81頁例：一跨度為4m，跨中作用集中荷載的簡支梁，梁截面尺寸200300mm，混凝土為C20。如圖所示：圖0-14000AAFa)200300AAb)4000BBBB200300210316第5頁/共81頁柱

3、：試驗表明，鋼筋混凝土柱與素混凝土柱相比，不僅承載力大為提高，而且受力性能也得到改善（下圖）第6頁/共81頁現(xiàn)將素混凝土梁和配置鋼筋的梁進行荷載試驗：a) 素砼梁 極限荷載 P=3.6kN 由砼抗拉強度控制 破壞形態(tài)：脆性b) 鋼筋砼梁 極限荷載 P=36kN 由鋼筋受拉、砼受壓而破壞 破壞形態(tài)：延性由此得出鋼筋和混凝土結合的有效性： 大大提高結構的承載力 結構的受力性能得到改善第7頁/共81頁鋼筋混凝土結構不是鋼筋和混凝土之間的任意組合。其組合的原則：發(fā)揮鋼筋抗拉、抗壓強度高的特點；發(fā)揮混凝土抗壓強度高，而避免抗拉強度低的弱點。1.1.2鋼筋與混凝土合理的組合原則 第8頁/共81頁板圖 0-

4、2PPPPee柱簡支梁PPPP連續(xù)梁第9頁/共81頁1. 混凝土和鋼筋之間有著良好的粘結力,使兩者能可靠地結合成一個整體，在荷載作用下能夠很好地共同變形,完成其結構功能。2. 二者具有相近的溫度線膨脹系數(shù)，不會由于溫度變化產(chǎn)生較大的溫度應力和相對變形而破壞粘結力。鋼筋 st = 1.2 105混凝土 ct = 1.0 1.5 1053. 呈堿性的混凝土可以保護鋼筋免遭銹蝕的作用，保證了鋼筋與混凝土的共同作用。1.1.3鋼筋與混凝土能長期共同工作的條 件 第10頁/共81頁1. 就地取材，節(jié)約鋼筋：砼所用砂、石，易于就地取材。近年有用工業(yè)廢料制造人工骨料，或作為水泥的外加成分，改善砼的性能。鋼筋

5、和砼的材料強度得到充分發(fā)揮，結構承載力與剛度比例合適，單位應力價格低，經(jīng)濟指標優(yōu)于鋼結構。2. 耐久性好，耐火性好；砼是不良熱導體，30mm厚砼保護層可耐火2小時，使鋼筋不致因升溫過快而喪失強度。3. 可模性好，便于結構型式的實現(xiàn)；4. 現(xiàn)澆或裝配整體式結構的整體性好，剛度大。1.1.4 鋼筋混凝土結構的主要優(yōu)缺點 優(yōu)點： 第11頁/共81頁1. 自重大 =25kN/m3 輕骨料砼 4.修補或拆除較困難。缺 點：2. 抗裂性差施加預應力。3.施工受氣候條件影響較大;第12頁/共81頁1.2.1 鋼筋的品種和級別1.按化學成分碳素鋼普通低合金鋼(加入少量低 合金元素,強度、塑性均提高）比如：20

6、MnSi,20MnSiV1.2鋼 筋低碳鋼（含碳量少于0.25%中碳鋼（含碳量在0.25%0.6%高碳鋼（含碳量大于0.6%)鋼筋的要求：較高的強度，良好的塑性和可焊性，與混凝土有較好的粘結性能。 第13頁/共81頁2.按鋼筋的加工方法:熱軋鋼筋、冷拉鋼筋、冷軋帶肋鋼筋、熱處理鋼筋、鋼絲 用于鋼筋混凝土橋梁結構的鋼筋主要選?。簾彳堜摻睢⑻妓劁摻z、精軋螺紋鋼筋等三類熱軋鋼筋：將鋼材在高于再結晶溫度狀態(tài)下，用機械方法軋制成不同外形的鋼筋。碳素鋼絲：又稱高強鋼絲，一般是將熱軋鋼筋8高碳鋼盤條加熱到850950，并經(jīng)在500 600的鉛浴中淬火，使其具有較高的塑性，然后再經(jīng)酸洗，鍍銅，拉拔、嬌直、回火

7、、卷盤等工藝生產(chǎn)而得。第14頁/共81頁 常見的碳素鋼絲有： 光面鋼絲：以多根鋼絲組成鋼絲束或由若干根鋼絲紐結成鋼絞線得形式應用。橋梁常用有：12（二股）13（三股）17（七股）d=9.515.2mm 螺旋肋鋼絲 刻痕鋼絲 適用于先張法d49mm.精軋螺紋鋼筋：d=18mm,25mm,32mm,40mm四種，強度較高，主要用于中小跨徑得預應力橋梁構件。第15頁/共81頁 3、按強度等級分（見表11） 級：R235 ，低碳鋼，其強度較低，但塑性和可焊性能較好，公稱直徑范圍820mm; 級：HRB335，普通低合金鋼，強度、塑性和可焊性等綜合性能較好，鋼筋表面帶肋與混凝土粘結性能也較好。公稱直徑：

8、650mm，推薦采用一般不超過32mm。 級： HRB400，公稱直徑650mm； KL400,鋼筋經(jīng)過熱軋后立即穿水，進行表面冷卻，然后利用心部余熱自身完成回火處理。公稱直徑840mm。 公稱直徑：相當于橫截面積相等得光面鋼筋的直徑。第16頁/共81頁3、熱軋鋼筋按外型特征分 熱軋光圓鋼筋（R235，d=820,）熱軋帶肋鋼筋（HRB335,HRB400,KL400）月牙肋 紋路與肋不相交，不易產(chǎn)生應力集中、粘結強度略低于等高肋鋼筋。等高肋（螺旋紋、人字紋）與鋼筋砼粘結力好，紋路與肋相交，易產(chǎn)生應力集中。第17頁/共81頁光面圓鋼筋螺旋紋鋼筋人字紋鋼筋月牙紋鋼筋第18頁/共81頁1.2.2

9、鋼筋的力學性能(強度與變形)等 一、鋼筋的 曲線lPPAAPll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(高強碳素鋼絲、鋼絞線)（一）軟鋼第19頁/共81頁第20頁/共81頁比例極限屈服強度極限強度o(N/mm2)bded流幅ab ca比例極限b屈服強度(b屈服上限c屈服下限）e延伸率d極限強度1、特征：四個階 段：oa彈性階段bc屈服階段(cf)cd強化階段(fd)de 頸縮階段四個點：第21頁/共81頁 2、鋼筋主要物理力學指標：屈服強度、抗拉極限強度、伸長率、冷彎性能。兩個強度指標： （1）b點的屈服強度是鋼筋混凝土結構設計計算中強度

10、取值的主要依據(jù)，因為鋼筋應力達到屈服極限后，荷載不增加，應變繼續(xù)增大，使得鋼筋混凝土裂縫開展過寬，變形過大，結構不能正常使用。（2）d點的極限抗拉強度材料的實際破壞強度，衡量鋼筋經(jīng)巨量變形后的抗拉能力，不能作為計算依據(jù)。第22頁/共81頁屈強比極限抗拉強度屈服強度屈強比：表示結構的可靠性潛力，屈強比小則結構的可靠性高，但太小鋼材利用率太低。但為了保證鋼筋的綜合強度性能，在檢驗鋼筋的質(zhì)量時，仍要保證它的極限抗拉強度并滿足檢驗標準的要求，特別在抗震結構中，由于構件要進入大變形工作，考慮到鋼筋可能受拉進入強化階段。 第23頁/共81頁3、鋼筋的兩個塑性指標%100112lll冷彎性能：彎心直徑冷彎角

11、度dldl10511015伸長率：第24頁/共81頁（二）硬鋼 1、應力應變關系a0.2%0.2 fu b 0.2的定義（名義屈服強度）：相應于殘余應變 = 0.2%時的應力。作為強度設計的依據(jù)。b85. 02 . 0第25頁/共81頁1.2.3 鋼材的冷加工 冷加工的方法：冷拉、冷拔、冷軋、冷軋扭。 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。 冷加工對鋼材性能的影響。第26頁/共81頁v冷拉鋼筋 將鋼筋拉伸超過其屈服強度，放松，經(jīng)一段時間之后，鋼筋會獲得比原來屈服強度更高的屈服強度值。如圖所示。 冷拉后，屈服強度提高了，屈服臺階變短,伸長率降低，鋼材性質(zhì)變硬變脆。采用冷拉控制

12、應力和冷拉率控制?？箟簭姸葲]有提高，計算仍取用原來的抗壓強度。第27頁/共81頁圖1-4o冷拉控制應力(N/mm2)冷拉率殘余變形oabccdd冷拉無時效冷拉經(jīng)時效(a)(b)d1d2Pd2d1第28頁/共81頁v冷拔 將鋼筋用強力拔過硬質(zhì)合金拔絲模，截面變 小而長度增加，可同時提高鋼材的抗拉和抗壓強度。塑性降低很多。冷軋 將熱軋鋼筋在常溫下表面軋制成不同的形狀，強度提高，塑性降低。 冷軋帶肋鋼筋采用低碳熱軋盤圓進行冷軋減徑，表面軋出月牙紋。 冷軋扭鋼筋鋼筋經(jīng)冷軋并經(jīng)扭轉(zhuǎn)而成。第29頁/共81頁混凝土的組份：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砼的強度及變形隨時間、隨環(huán)境的變化

13、而變化。1.3 混凝土水泥、石、砂、水按一定的配合比制成不同等級的砼。第30頁/共81頁1.3.1 混凝土的強度1.混凝土立方體的抗壓強度 fcu：砼結構主要利用其抗壓強度，因此抗壓強度是最主要和最基本的指標。以每邊邊長為150mm的立方體為標準試件，在（202）的溫度、相對濕度在95%以上的潮濕空氣中養(yǎng)護28d，依照標準制作方法和試驗方法測得的抗壓強度值（以MPa為單位）作為混凝土的立方體抗壓強度，用符號fcu表示。第31頁/共81頁v影響砼強度的因素試驗方法。試件尺寸。加載速度。齡期。 由于尺寸效應的影響： fcu(150) = 0.95 fcu(100) fcu(150) = 1.05

14、fcu(200)第32頁/共81頁試驗錄像第33頁/共81頁常用等級： C15, C20, C25, C30, C35, C40, C45, C50,C55, C60, C65, C70, C80.第34頁/共81頁第35頁/共81頁2. 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，第36頁/共81頁試驗錄像第37頁/共81頁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 。18181直接測試方法(100X100X500)間接測試方法(劈裂試驗)測試方 法：第38頁/共81頁（1）直接拉伸測試方法：采用兩端預埋鋼筋的混凝土棱柱體測試軸心抗拉強度時（如下

15、圖），保持試件軸心受拉是很重要的，也是不容易完全做到的?；炷羶?nèi)部結構不均勻，鋼筋的預埋和試件的安裝都難以對中，而偏心又對抗拉強度測試有很大的干擾。第39頁/共81頁（2）劈裂試驗測試法：軸心受拉試驗對中困難，常采用立方體或圓柱體劈裂試驗測定砼的抗拉強度。采用圓柱體或立方體的劈裂試件來測定.(.(如下圖） 第40頁/共81頁劈拉試驗FdF拉壓壓第41頁/共81頁通過墊條施加線載荷P，垂直截面上除墊條附近外，產(chǎn)生均勻拉應力，當拉應力達到ft時，試件對半劈裂。AFAFfts637. 02fts(混凝土劈裂抗拉強度），F(xiàn)(劈裂破壞荷載），A（試件劈裂面面積）tstff9 . 0第42頁/共81頁試驗

16、錄像第43頁/共81頁4. 復合應力狀態(tài)下混凝土強度 雙向正應力作用： (如圖)1, 2 (壓壓) 強度增加1, 2 (拉壓) 強度降低1, 2 (拉拉) 強度基本不變第44頁/共81頁第45頁/共81頁 正應力和剪應力作用（混凝土的抗壓強度由于剪應力的存在而降低，當/fc（0.50.7)時,抗剪強度隨壓應力的增大而增大, /fc（0.50.7)時,抗剪強度隨壓應力的增大而減小,第46頁/共81頁第47頁/共81頁凝土強度提高的原因是：由于側向約束了混凝土受壓后橫向變形，限制了混凝土內(nèi)部裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展，從而提高了混凝土在受壓方向上的抗壓強度2cc :kffc抗壓強度提高鋼管砼密配螺旋箍筋15

17、工程應用：約束混凝土第48頁/共81頁1.2.2 混凝土的變形 受力變形 單調(diào)短期加載下的變形變形分類 長期荷載作用下的變形 多次重復加載的變形 體積變形：混凝土收縮以及溫度變化引起的變形第49頁/共81頁第50頁/共81頁特征點：0 對應于峰值點應變 規(guī)范c0 = 0.002cu 混凝土極限壓應變規(guī)范cu = (3.05.0)10-3fc 軸心抗壓強度2）影響混凝土軸心受壓應力應變曲線的主要因素：a、混凝土的強度：b、應變速率：應變速率小，峰值應力fc降低， c0 增大，下降段曲線坡度顯著地減緩。c、 測試技術和試驗條件第51頁/共81頁第52頁/共81頁圖1-8kcc0cecp0h混凝土彈

18、性模量地三種表示方法（1）原點彈性模量：ce0c tgE16第53頁/共81頁v彈性模量測定方法0.5fc510次)(74.342 . 210,5MPafEkcuc利用多次重復加載卸載后應力應變關系趨于直線的性質(zhì)求彈性模量。加載至0.5fc，卸載至零，重復加載卸載510次，應力應變曲線漸趨穩(wěn)定并接近于一直線，該直線的正切tg即為砼的彈性模量。彈性模量經(jīng)驗公式：17第54頁/共81頁（2）割線模量：ccpcecececcpceccccEtgE19（3）切線模量：01.0cccddtgE 110（4）剪切模量：c = ce + cp18G = 0.4Ec第55頁/共81頁2. 混凝土在荷載長期作用

19、下的變形 徐變（1）定義：在荷載的長期作用下，混凝土的變形將隨時間而增加，亦即在應力不變的情況下，混凝土的應變隨時間繼續(xù)增長，這種現(xiàn)象被稱為徐變。徐變：（2）徐變曲線：第56頁/共81頁（3）混凝土徐變的原因： 在荷載長期作用下，混凝土凝膠體中的水分逐漸壓出，水泥石逐漸發(fā)生粘性流動，微細空隙逐漸閉合，結晶體內(nèi)部逐漸滑動，微細裂縫逐漸發(fā)生等各種因素的綜合結果。(凝膠體的粘性流動要持續(xù)一個較長時間，內(nèi)部裂縫不斷產(chǎn)生和發(fā)展）第57頁/共81頁（a）初應力大?。撼鯌υ酱?，徐變越大徐變性質(zhì)：線性徐變 初應力 c0.5fc 徐變與初應力呈正比非線性徐變 c0.5fc0.8fc ），徐變的增長較應力的增長

20、為快 當c 0.8fc ，徐變發(fā)展最終導致破壞（4）徐變的影響因素：第58頁/共81頁 （b）加荷時混凝土的齡期：加載時齡期越短，徐變越大 （c）混凝土的組成成分和配合比：水泥用量越多，水灰比越大，徐變越大；骨料強度和彈性模量越高，徐變越小。 （d）養(yǎng)護和使用條件下的溫度和濕度：養(yǎng)護溫度高、濕度大，徐變越小；受力后環(huán)境溫度越高，濕度低，徐變就越大。第59頁/共81頁(5)徐變對結構的影響： 使構件的變形增加； 在截面中引起應力重分布； 在預應力混凝土結構中引起預應力損失。第60頁/共81頁3. 混凝土的非荷載變形 收縮（1）定義：在混凝土凝結和硬化的物理化學過程中體積隨時間推移而減小的現(xiàn)象稱為

21、收縮。第61頁/共81頁蒸汽養(yǎng)護常溫養(yǎng)護051015200.10.20.30.4收縮(103)時間 (月)第62頁/共81頁(3)收縮的原因硬化初期水泥石在凝固過程中產(chǎn)生的體積變化（化學性收縮，本身的體積收縮）后期主要是混凝土內(nèi)自由水分蒸發(fā)而引起的干縮（物理收縮，失水干燥）(4)影響收縮的主要因素混凝土的組成和配比構件的養(yǎng)護條件、使用環(huán)境的溫度和濕度以及凡是影響混凝土中水分保持的因素構件的體表比：比值越小，收縮越大第63頁/共81頁（5）收縮對結構的影）收縮對結構的影響響構件未受荷之前產(chǎn)生裂縫。超靜定結構產(chǎn)生次內(nèi)力。預應力構件中預應力損失（預應力筋和混凝土一同回縮引起預應力損失。第64頁/共8

22、1頁 1.基本概念 粘結:鋼筋和混凝土界面之間的一種相互作用力。 粘結應力：鋼筋與混凝土接觸面上所產(chǎn)生的沿鋼筋縱向的剪應力。 粘結強度：粘結失效（鋼筋被拔出或混凝土被劈裂）時的最大平均粘結應力。1.3鋼筋與混凝土的粘結第65頁/共81頁 2.粘結的作用抵抗鋼筋滑動，保證兩種材料共同工作 1.3鋼筋與混凝土的粘結3.粘結機理(1)粘結力的組成:化學膠著力:鋼筋和混凝土表面的化學吸附作用.摩擦力:混凝土收縮緊握鋼筋而產(chǎn)生的.機械咬合力:鋼筋表面凹凸不平和混凝土之間產(chǎn)生機械咬合力第66頁/共81頁lFsAsdmax（2）.粘結應力分析(以拉拔試驗為例)udxdxdds)(42dxxdds)(4第67

23、頁/共81頁a.應力分析： 加荷端鋼筋 試件端混凝土： 應變差產(chǎn)生，粘結應力將鋼筋拉力逐步向混凝土傳遞，鋼筋的應力應變減小，而混凝土的應力應變增加，直到長度l處c=s， 0sssssEAF,0, 0cc第68頁/共81頁b.結論： 1)粘結應力分布呈曲線形； 2）光圓鋼筋和帶肋鋼筋的粘結應力分布圖形不同； 3）帶肋鋼筋與混凝土的粘結強度比光圓鋼筋高得多。第69頁/共81頁 (3)破壞過程:光面鋼筋: 粘結力:膠著力、摩擦力、機械咬合力。 破壞過程：沒有產(chǎn)生滑移前，只有化學吸附作用，一旦混凝土和鋼筋發(fā)生滑移后，則由摩擦力和鋼筋表面粗糙不平產(chǎn)生的機械咬合力提供。1.3鋼筋與混凝土的粘結第70頁/共

24、81頁 破壞形態(tài)：剪切破壞（鋼筋從混凝土中被拔出），破壞面是鋼筋和混凝土之間的接觸面。 措施：端部做彎鉤和足夠的錨固長度（受壓時，可不做彎鉤）。1.3鋼筋與混凝土的粘結第71頁/共81頁帶肋鋼筋: 粘結力:膠著力、摩擦力、機械咬合力。 破壞過程：沒有產(chǎn)生滑移前，只有化學吸附作用，一旦混凝土和鋼筋發(fā)生滑移后，則由摩擦力和機械咬合力（主要）提供。1.3鋼筋與混凝土的粘結第72頁/共81頁 破壞形態(tài)：剪切型粘結破壞(保護層厚度較厚或有環(huán)向箍筋約束） 劈裂型粘結破壞（保護層厚度較小，或未配環(huán)向箍筋） 1.3鋼筋與混凝土的粘結第73頁/共81頁第74頁/共81頁.4.影響粘結強度的主要因素: (1)混凝土的強度等級：粘結強度隨砼強度的提高而增加，但并不與立方體強度fcu成正比，而與抗拉強度 ft大約 成正比。 (2)澆注混凝土時鋼筋所處的位置有關：混凝土澆筑后有下沉及泌水現(xiàn)象。處于水平位置的鋼筋，其下的混凝土由于水分、氣泡的逸出及混凝土的下沉，并不與鋼筋緊密接觸，削弱了二者之間的粘結作用，比豎向位置的鋼筋的粘結強度要低。 第75頁/共81頁 (3)鋼筋之間的凈距 (4)混凝土保護層厚度：變形鋼筋，粘結強度主要取決于劈裂破壞。相對保