給排水工程結構設計-鋼筋和混凝土材料的力學性能

1、 鋼筋和混凝土材料力學性能一、鋼筋的強度和變形 1. 鋼筋的應力-應變曲線ABBCDE上屈服點不穩(wěn)定下屈服點出現(xiàn)頸縮拉斷BC段為屈服平臺CD段為強化段0.2%0.2標距有明顯流幅的鋼筋無明顯流幅的鋼筋鋼筋受壓和受拉時的應力鋼筋受壓和受拉時的應力-應變曲線幾乎相同應變曲線幾乎相同一、鋼筋的強度和變形 1. 鋼筋的應力-應變曲線ABBCDE0.2%0.2強度指標* 明顯流幅的鋼筋：下屈服點對應的強度作為設明顯流幅的鋼筋：下屈服點對應的強度作為設計強度的依據，因為，鋼筋屈服后會產生大的塑計強度的依據，因為，鋼筋屈服后會產生大的塑性變形，鋼筋混凝土構件會產生不可恢復的變形性變形，鋼筋混凝土構件會產生不

2、可恢復的變形和不可閉合的裂縫，以至不能使用和不可閉合的裂縫，以至不能使用 * 無明顯流幅的鋼筋：剩余應變?yōu)?.2%時所對應的應力作為條件屈服強度 一、鋼筋的強度和變形 1. 鋼筋的應力-應變曲線強度指標確實定強度隨機變量強度標準值根據統(tǒng)計資料，運用數(shù)理統(tǒng)計方法確定的具有一定保證率鋼筋為97.73%的統(tǒng)計特征值：強度標準值=強度平均值-2均方差概率密度材料強度強度平均值強度標準值一、鋼筋的強度和變形 1. 鋼筋的應力-應變曲線ABBCDE0.2%0.2變形指標* 伸長率：鋼筋拉斷后的伸長與原長的比值伸長率：鋼筋拉斷后的伸長與原長的比值* 冷彎要求：將直徑為冷彎要求：將直徑為d的鋼筋繞直徑為的鋼筋

3、繞直徑為D的鋼輥的鋼輥彎成一定的角度而不發(fā)生斷裂彎成一定的角度而不發(fā)生斷裂 一、鋼筋的強度和變形 2. 鋼筋的成分、級別和品種按化學成分碳素鋼鐵、碳、硅、錳、硫、磷等元素低碳鋼含碳量0.25%中碳鋼含碳量0.250.6%高碳鋼含碳量0.61.4%普通低合金鋼另加硅、錳、鈦、釩、鉻等硅系硅釩系硅鈦系硅錳系硅鉻系一、鋼筋的強度和變形 2. 鋼筋的成分、級別和品種鋼筋熱軋鋼筋：熱軋光面鋼筋HPB235，熱軋帶肋鋼筋HRB335、HRB400，余熱處理鋼筋RRB400冷拉鋼筋：由熱軋鋼筋在常溫下用機械拉伸而成熱處理鋼筋：將HRB400、RRB400鋼筋通過加熱、淬火、回火而成按加工鋼絲刻痕鋼絲：在鋼絲

4、外表刻痕，以增強其與混凝土間的粘結力鋼絞線：六根相同直徑的鋼絲成螺旋狀鉸繞在一起冷拔低碳鋼絲：由低碳鋼冷拔而成碳素鋼絲：高碳鎮(zhèn)靜鋼通過屢次冷拔、應力消除、矯正、回火處理而成一、鋼筋的強度和變形 2. 鋼筋的成分、級別和品種按外表形狀光圓鋼筋變形鋼筋鋼筋的應用范圍非預應力鋼筋：HRB235，HRB335，HRB400，RRB400預應力鋼筋：碳素鋼絲，刻痕鋼絲，鋼絞線，熱處理鋼筋，冷拉鋼筋一、鋼筋的強度和變形 3. 鋼筋的冷加工和熱處理冷拉BKZZK殘余變形冷拉伸長率無時效經時效K點的選擇：應力控制和應變控制溫度的影響：溫度達700C時恢復到冷拉前的狀態(tài)，先焊后拉特性：只提高抗拉強度，不提高抗壓

5、強度，強度提高，塑性下降一、鋼筋的強度和變形 3. 鋼筋的冷加工和熱處理冷拔經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一、鋼筋的強度和變形 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強度提高，塑性降低不降低強度的前提下，消除由淬火產生的內力，改善塑性和韌性一、鋼筋的強度和變形 4. 鋼筋的徐變和松弛徐變應力不變，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，產生不利的影響，需采取必要的措施一、鋼筋的強度和變形 5. 鋼筋的疲勞重復荷載作用下，鋼筋的強度靜載作用下的強度規(guī)定的應力幅度內，經一定次數(shù)的重復荷

6、載后，發(fā)生疲勞破壞的最大應力值稱為疲勞強度。對鋼筋用疲勞應力幅來表示其疲勞強度。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一、鋼筋的強度和變形 6. 混凝土結構對鋼筋的要求強度要求：屈服強度和極限強度，抗震設計時還要求有強度要求：屈服強度和極限強度，抗震設計時還要求有一定的屈強比一定的屈強比塑性要求：伸長率和冷彎要求塑性要求：伸長率和冷彎要求可焊性可焊性與混凝土的粘結性與混凝土的粘結性一、鋼筋的強度和變形 7. 鋼筋應力-應變曲線的數(shù)學模型sss=Essys,hfysss=Essys,hfyfs,us,us,usss=Essyfys,hfs,u有明顯流幅的鋼筋無明顯流幅的鋼筋二、

7、混凝土的強度和變形 1. 單軸受力狀態(tài)下混凝土的抗壓強度立方體抗壓強度fcu承壓板試塊摩擦力不涂潤滑劑涂潤滑劑強度大于我國標準的方法：不涂潤滑劑壓力壓力試件試件裂縫裂縫開展開展擴張擴張整個體整個體系解體，喪失承載力系解體，喪失承載力另影響強度的因素另影響強度的因素還有：齡期、加載速還有：齡期、加載速率、試塊尺寸等率、試塊尺寸等二、混凝土的強度和變形 1. 單軸受力狀態(tài)下混凝土的抗壓強度標準試塊：150150 150非標準試塊：100100 100 換算系數(shù) 0.95 200200 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，我國標準混凝土的強度等立方體抗壓強度是區(qū)分混凝

8、土強度等級的指標，我國標準混凝土的強度等級有：級有：C15，C20，C25，C30，C35，C40，C45，C50，C55，C60，C65，C70，C75，C80表示混凝土Concrete立方體抗壓強度立方體抗壓強度fcu二、混凝土的強度和變形 1. 單軸受力狀態(tài)下混凝土的抗壓強度棱柱體抗壓強度fc承壓板試塊標準試塊：150150 300非標準試塊：100100 300 換算系數(shù) 0.95 200200 400 換算系數(shù) 1.05考慮到承壓板對試件的約束，立方體抗壓強度大考慮到承壓板對試件的約束，立方體抗壓強度大于棱柱體抗壓強度，且有：于棱柱體抗壓強度，且有：fc=0.76fcu (試驗結果)

9、考慮到構件和試件的區(qū)別，取考慮到構件和試件的區(qū)別，取fc=0.67fcu 對國外美國、日本、歐洲混凝土協(xié)會等采用的圓柱體試件對國外美國、日本、歐洲混凝土協(xié)會等采用的圓柱體試件d=150, h=300，有，有fc=0.79fcu 圓柱體抗壓強度二、混凝土的強度和變形 2. 單軸受力狀態(tài)下混凝土的抗拉強度直接受拉試驗ft100100150150500試驗結果：試驗結果：ft=0.26fcu 2/3考慮到構件和試件的區(qū)別，尺寸效應，加荷考慮到構件和試件的區(qū)別，尺寸效應，加荷速度等的影響，取速度等的影響，取ft=0.23fcu 2/3二、混凝土的強度和變形 2. 單軸受力狀態(tài)下混凝土的抗拉強度劈裂試驗

10、ftsdlFfts2ddftsFFFF我國根據我國根據100mm立方體的立方體的劈裂與抗壓試驗結果有：劈裂與抗壓試驗結果有：fts=0.19fcu 3/4二、混凝土的強度和變形 2. 復合受力狀態(tài)下混凝土的抗拉強度雙軸應力下的強度1.01.01.21.2-0.2-0.22/fc1/fc拉壓/fc/fc0.20.1-0.10.00.61.0單軸抗拉強度單軸抗壓強度雙向正應力下的強度曲線法向應力和剪應力下的強度曲線二、混凝土的強度和變形 2. 復合受力狀態(tài)下混凝土的抗拉強度三向受壓時的混凝土強度1=fcc1=fcc2= 3= fLfL-側向約束壓應力（加液壓）圓柱體試驗Lcccfff1 . 4有側

11、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二、混凝土的強度和變形 3. 混凝土的疲勞強度破壞重復荷載下的應力-應變曲線fcf321疲勞強度fcfcf確實定原那么：100100 300或150150 450 的棱柱體試塊承受200萬次或以上循環(huán)荷載時發(fā)生破壞的最大壓應力值二、混凝土的強度和變形 4. 混凝土的變形性能(MPa)fco0(10-3)abcd225201510546810混凝土強度提高加載速度減慢單軸受壓時的應力-應變關系作用是：峰值應力后，吸收試驗機的變形能，測出下降段二、混凝土的強度和變形 4. 混凝土的變形性能單軸受壓時的應力-應變關系的數(shù)學模型u=0.00380=0.

12、002ocfcc0.15fc2011cccf0015. 01ucccfu=0.00350=0.002ocfcc2011cccf美國Hognestad模型德國Rsch模型二、混凝土的強度和變形 4. 混凝土的變形性能單軸受壓時的應力-應變關系的數(shù)學模型-中國標準u0ocfccncccf01122),50(6012nnfncu時，取當5010505 . 0002. 0cuf510500033. 0cuuf二、混凝土的強度和變形 4. 混凝土的變形性能側向受約束時混凝土的變形特點cu約束混凝土非約束混凝土ccfccfcEsecEc c0 2c0 sp cco環(huán)箍斷裂二、混凝土的強度和變形 4. 混凝

13、土的變形性能軸向受拉時混凝土的應力應變關系tto t0 tu ftt(MPa)0 (mm)cr =0.00012試件：7619305mmfc = 44MPa43210.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06標距83mm理論模型！二、混凝土的強度和變形 4. 混凝土的變形性能重復荷載下混凝土的變形性能pe包羅線與一次性加載時的應力-應變曲線相似二、混凝土的強度和變形 4. 混凝土的變形性能混凝土的彈性模量ccccep01原點切線模量彈性模量：拉壓相同ecctgE/0變形模量割線模量、彈塑性模量ccctgE/1切線模量cccddtgE cccecEEE受壓時，為0.41.0；受拉破

14、壞時，為1.0二、混凝土的強度和變形 4. 混凝土的變形性能混凝土的彈性模量的試驗方法150150 300標準試件c/fcc0.5510次此線和原點切線基本平行，取其斜率作為Ec)/(74.342 . 21025mmNfEcuc二、混凝土的強度和變形 4. 混凝土的變形性能混凝土的泊松比和剪切模量混凝土的泊松比，在壓力較小時為混凝土的泊松比，在壓力較小時為0.150.18，接近破，接近破壞時可達壞時可達0.5以上，一般可取以上，一般可取0.2混凝土的剪切模量為混凝土的剪切模量為)1 (2cccEG二、混凝土的強度和變形 4. 混凝土的變形性能長期荷載作用下混凝土的變形性能-徐變0.51.01.

15、52.02.505101520253035(10-3)(月)c0.5fc，線性徐變c0.8fc，非線性徐變creeecrP原因之一，膠凝體原因之一，膠凝體的粘性流動的粘性流動原因之二，混凝土原因之二，混凝土內部微裂縫的不斷開內部微裂縫的不斷開展展二、混凝土的強度和變形 4. 混凝土的變形性能長期荷載作用下混凝土的變形性能-影響徐變的因素應力：應力： c0.5fc，徐變變形與應力成正比-線性徐變 0.5fcc0.8fc，造成混凝土破壞，不穩(wěn)定加荷時混凝土的齡期，越早，徐變越大加荷時混凝土的齡期，越早，徐變越大水泥用量越多，水灰比越大，徐變越大水泥用量越多，水灰比越大，徐變越大骨料越硬，徐變越小骨

16、料越硬，徐變越小二、混凝土的強度和變形 4. 混凝土的變形性能混凝土的收縮-結硬過程中混凝土體積縮小的性質水泥品種：等級越高，收縮越大水泥品種：等級越高，收縮越大水泥用量：水泥用量越多，水灰比越大，收縮越大水泥用量：水泥用量越多，水灰比越大，收縮越大骨料：骨料越硬，收縮越小骨料：骨料越硬，收縮越小養(yǎng)護條件、制作方法、使用環(huán)境、體積與外表積的比值等養(yǎng)護條件、制作方法、使用環(huán)境、體積與外表積的比值等二、混凝土的強度和變形 4. 混凝土的變形性能徐變對混凝土結構的影響PAsPAs s1c1Ps2As s2P拆去，鋼筋受壓混凝土受拉，可能會引起混凝土開裂徐變：徐變： s， c二、混凝土的強度和變形 4

17、. 混凝土的變形性能收縮對混凝土結構的影響AssAs s收縮：收縮： 鋼筋受壓， 混凝土受拉As5.給排水結構對混凝土的特殊要求n1、抗?jié)B性：抵抗水滲透的能力。 鋼筋混凝土貯水或水處理構筑物，地下構筑物如水池、管道、渠道和井簡等，一般宜用混凝土本身的密實性滿足抗?jié)B要求.n 一般用抗?jié)B標號表示Si,抗?jié)B標號系指對齡期為28天的混凝土抗?jié)B試件施加iNmm2的水壓后能滿足不滲水指標。例如，抗?jié)B標號為S4的混凝土能在04Nmm2的水壓作用下滿足不滲水指標。給水排水工程結構常用的抗?jié)B標號為S4、S6和S8。(二)抗凍性n混凝土的“抗凍性是指混凝土在吸水飽和狀態(tài)下，抵抗屢次凍結和融化循環(huán)作用而不破壞，也不

18、嚴重降低混凝土強度的性能。在寒冷地區(qū)，外露的給水排水構筑物如處于凍融交替條件下，那么對混凝土應有一定的抗凍性要求，以免混凝土強度降低過多而造成構筑物損壞。n 混凝土的抗凍能力一股用“抗凍標號來衡量，并用符號Di表示?？箖鰳颂柺侵?8天齡期的混凝土試件在進行相應要求凍融循環(huán)總次數(shù)為i次作用后，與未受凍融的相同試件相比，混凝土試件的強度降低不大于25，且凍融試件重量損失不超過5。凍融循環(huán)總次數(shù)i是指一年內氣溫從5 以上降至5以下，然后上升至5以上的交替次數(shù)。對地表水取s水頭部，尚應考慮一年中月平均氣溫低于5期間，因水位漲落而產生的凍融交替次數(shù)，此時水位每漲落一次應按一次凍融計算。(三)抗腐蝕性n在

19、給水排水工程中，混凝土的腐蝕問題主要出現(xiàn)在某些工業(yè)污水處理池中。工業(yè)污水個可能含有侵蝕混凝土的各種介質，其中除酸性特強的少量污水可用耐腐蝕材料建造專用小型容池外，一般大量工業(yè)污水的處理池仍采用鋼筋混凝土結構。當介質侵蝕性很弱時，對混凝土可以不采取專門的防護措施，而用增加密實性的方法來提高混凝土的抗腐蝕能力。假設介質的腐蝕性較強，那么必須在池底和池壁內采取專門的防腐蝕措施：要求較低的可以涂刷瀝青；要求較高的可以涂刷耐酸漆，也可以做瀝青砂漿、水玻璃砂漿、硫磺砂漿或樹脂砂漿面層等；要求更高的還可以用玻璃鋼面層、聚氯乙烯塑料面板、耐酸陶瓷板、耐酸磚或耐酸石材貼面等。三、鋼筋與混凝土共同工作n共同工作的

20、根本條件n 1、混凝土在硬結過程中能與埋在其中的鋼筋粘結在一起。n 2、混凝土與鋼筋具有大致相同的線膨脹系數(shù)n 3、混凝土包裹著鋼筋，由于混凝土具有弱堿性，故可以保護鋼筋不銹蝕。第二章 鋼筋和混凝土的材料性能2.3 混凝土與鋼筋的粘結三三 混凝土與鋼筋的粘結混凝土與鋼筋的粘結粘結的意義粘結的意義粘結和錨固是鋼筋和混凝土形成整體、粘結和錨固是鋼筋和混凝土形成整體、共同工作的根底共同工作的根底鋼筋與混凝土之間粘結應力示意圖a錨固粘結應力 b裂縫間的局部粘結應力第二章 鋼筋和混凝土的材料性能2.3 混凝土與鋼筋的粘結三三 混凝土與鋼筋的粘結混凝土與鋼筋的粘結粘結力的形成粘結力的形成光圓鋼筋與變形鋼筋

21、具有不同的粘結機理，其光圓鋼筋與變形鋼筋具有不同的粘結機理，其粘結作用主要由三局部組成：粘結作用主要由三局部組成：鋼筋與混凝土接觸面上的化學吸附作用力鋼筋與混凝土接觸面上的化學吸附作用力膠結力。一般很小，僅在受力階段的局部膠結力。一般很小，僅在受力階段的局部無滑移區(qū)域起作用，當接觸面發(fā)生相對滑移時，無滑移區(qū)域起作用，當接觸面發(fā)生相對滑移時，該力即消失。該力即消失。混凝土收縮握裹鋼筋而產生的摩阻力?；炷潦湛s握裹鋼筋而產生的摩阻力。鋼筋外表凹凸不平與混凝土之間產生的機鋼筋外表凹凸不平與混凝土之間產生的機械咬合作用力咬合力。對于光圓鋼筋，這械咬合作用力咬合力。對于光圓鋼筋，這種咬合力來自于外表的粗

22、糙不平。種咬合力來自于外表的粗糙不平。第二章 鋼筋和混凝土的材料性能2.3 混凝土與鋼筋的粘結三三 混凝土與鋼筋的粘結混凝土與鋼筋的粘結變形鋼筋與混凝土之間的機械咬合作用主要是變形鋼筋與混凝土之間的機械咬合作用主要是由于變形鋼筋肋間嵌入混凝土而產生的。由于變形鋼筋肋間嵌入混凝土而產生的。變形鋼筋和混凝土的機械咬合作用第二章 鋼筋和混凝土的材料性能2.3 混凝土與鋼筋的粘結三三 混凝土與鋼筋的粘結混凝土與鋼筋的粘結粘結強度粘結強度第二章 鋼筋和混凝土的材料性能2.3 混凝土與鋼筋的粘結三三 混凝土與鋼筋的粘結混凝土與鋼筋的粘結dlN式中式中N鋼筋的拉力；鋼筋的拉力；鋼筋的直徑；鋼筋的直徑；粘結的

23、長度。粘結的長度。第二章 鋼筋和混凝土的材料性能2.3 混凝土與鋼筋的粘結三三 混凝土與鋼筋的粘結混凝土與鋼筋的粘結第二章 鋼筋和混凝土的材料性能2.3 混凝土與鋼筋的粘結三三 混凝土與鋼筋的粘結混凝土與鋼筋的粘結影響粘結的因素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，主要有混凝土強度混凝土強度、保護層厚度保護層厚度及及鋼筋凈間距鋼筋凈間距、橫向配橫向配筋筋及及側向壓應力側向壓應力，以及，以及澆筑混凝土時鋼筋的位置澆筑混凝土時鋼筋的位置等。等。. .光圓鋼筋及變形鋼筋的粘結強度都隨混凝土強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。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。變形鋼筋能夠提高粘結強度。. .鋼筋間的凈距對粘結強度也有重要影響。鋼筋間的凈距對粘結強度也有重要影響。第二章 鋼筋和混凝土的材料性能2.3 混凝土與鋼筋的粘結三三 混凝土與鋼筋的粘結混凝土與鋼筋的粘結影響粘