鋼筋和混凝土材料的力學(xué)性能-第二講

2023/2/3CH2

MECHANICALPROPERTIESOFMATERIALS本章重點(diǎn)(Emphasis)熟悉土木工程用鋼筋的品種、級(jí)別、性能及其選用原則（thevariety，level，performanceandselectionprincipleofsteelreinforcement）；

熟悉混凝土在各種受力狀態(tài)下的強(qiáng)度與變形性能（strengthanddeformationofconcreteundervariousloads)及其選用原則；

了解鋼筋與混凝土的粘結(jié)性能(bondbetweensteelbarandconcrete)。CH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能CH2.MechanicalPropertiesofMaterials鋼筋的力學(xué)性能指標(biāo)？為何以屈服強(qiáng)度作為鋼筋強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的依據(jù)，而不是極限抗拉強(qiáng)度？混凝土結(jié)構(gòu)對(duì)鋼筋性能的具體要求？小結(jié)

2.1PerformanceofSteelBarCH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能結(jié)合鋼筋應(yīng)力-應(yīng)變曲線和鋼筋混凝土梁受力特點(diǎn)說明“為何將屈服強(qiáng)度作為鋼筋強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的依據(jù)，而不是極限抗拉強(qiáng)度？”任務(wù)2.1PerformanceofSteelBarCH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能PPAB’BCDEUltimatestressfu

Yieldingstressfy

鋼筋的力學(xué)性能指標(biāo)Indexofmechanicalpropertiesfyfu--屈服強(qiáng)度---極限抗拉強(qiáng)度fy/fu---屈強(qiáng)比強(qiáng)度儲(chǔ)備塑性指標(biāo)（延伸率elongation）冷彎性能強(qiáng)度指標(biāo)strengthIndexPlasticityindexcold-formedcapacityultimatetensilestrengthyieldingstrength均勻伸長率CH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能2.1PerformanceofSteelBar回顧強(qiáng)度要求：保證經(jīng)濟(jì)性。屈服強(qiáng)度和極限抗拉強(qiáng)度，還要求有適當(dāng)?shù)那鼜?qiáng)比。塑性要求：保證結(jié)構(gòu)延性，給人以破壞的預(yù)兆。伸長率和冷彎要求?？珊感裕轰摻詈附雍蟛划a(chǎn)生裂紋及過大的變形，保證焊接后的接頭性能良好。與混凝土的粘結(jié)性：保證鋼筋和混凝土共同工作。4混凝土結(jié)構(gòu)對(duì)鋼筋性能的要求耐久性和耐火性：設(shè)置必要的混凝土保護(hù)層。CH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能2.1PerformanceofSteelBar可焊性刻痕鋼絲混凝土＝水泥＋水＋骨料混凝土是多空隙、不均勻的物體，內(nèi)部存在許多微裂紋水化過程長，性能需較長時(shí)間才能穩(wěn)定Concrete＝cement＋water＋aggregatesCH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcrete混凝土的組成特點(diǎn)CompositionfeatureofConcreteCubecompressivestrengthPrismcompressivestrengthTensilestrengthCompressivestrengthunderbi-axialortri-axialloadsCH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcreteEmphasis

：thestrengthofconcreteEmphasis

：thedeformationofconcreteDeformationofconcreteunderaxialandtri-axialcompressiveloads

試驗(yàn)證明，結(jié)構(gòu)混凝土在承受荷載或外應(yīng)力之前，內(nèi)部就已經(jīng)存在少量、分散的微裂縫，寬(2~5)×10-3、最長(1~2mm)，其主要原因是在混凝土的凝固過程中，粗骨料和水泥砂漿的收縮差和不均勻溫濕度場所產(chǎn)生的微觀應(yīng)力場。2.2.1.StrengthofConcreteCH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcrete在逐漸受壓過程中，混凝土試塊的破壞是內(nèi)部微裂縫逐漸發(fā)展(Extensionofmicro-cracks)的結(jié)果。粘結(jié)裂縫混凝土加載前的內(nèi)部微裂縫s=0.85smaxs=0.65smax粘結(jié)裂縫s=smaxs=0

混凝土試塊從開始受力直到極限荷載，混凝土內(nèi)的微裂縫逐漸增多和擴(kuò)展，可以分作三個(gè)階段：CH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcrete微裂縫不發(fā)展微裂縫擴(kuò)展微裂縫非穩(wěn)定發(fā)展混凝土破壞用X光觀測的混凝土單軸受壓的裂縫過程2.2.1.StrengthofConcretes=0.85smaxs=0.65smax粘結(jié)裂縫s=smaxs=0CH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcrete微裂縫不發(fā)展微裂縫擴(kuò)展微裂縫非穩(wěn)定發(fā)展混凝土破壞結(jié)論：混凝土受壓破壞是由于混凝土內(nèi)裂縫的擴(kuò)展所致。如果對(duì)混凝土的橫向變形加以約束，限制裂縫的開展，則可以提高混凝土縱向抗壓強(qiáng)度。2.2.1.StrengthofConcrete立方體抗壓強(qiáng)度(CubeCompressiveStrength)

fcu1）單軸受力狀態(tài)下的混凝土強(qiáng)度（underaxialloads）CH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcrete2.2.1.StrengthofConcrete軸心抗壓強(qiáng)度(AxialCompressiveStrength)

fc軸心抗拉強(qiáng)度(AxialTensileStrength)

ft承壓板試塊溫度：20±3℃相對(duì)濕度：≥90％標(biāo)準(zhǔn)條件養(yǎng)護(hù)28d標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法抗壓強(qiáng)度邊長為150mm的標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊加載速度：0.15～0.25MPa/s全截面受力，表面不涂潤滑劑CH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcreteCubecompressivestrengthfcu影響因素一：潤滑劑(lubricant)摩擦力friction不涂潤滑劑涂潤滑劑套箍效應(yīng)強(qiáng)度大于立方體抗壓強(qiáng)度影響因素(Factorsthataffectthecubestrength)Thefrictionbetweentheheadsofthetestingmachineandthespecimenofferssomelateralconstrainttorestrictthelateralexpansionofthespecimenunderpressure,sothespecimencantakeahighercompressivestrength.承壓板試塊CH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcrete影響因素二：尺寸(Size)尺寸效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)試塊150×150×150非標(biāo)準(zhǔn)試塊100×100×100非標(biāo)準(zhǔn)試塊200×200×2001.05:1:0.95尺寸越大,內(nèi)部缺陷較多;尺寸越大，套箍作用越不明顯。試塊尺寸越大，實(shí)測破壞強(qiáng)度越低。Thesmallerthesizeofthespecimen,thehigherthecompressivestrength.CH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcrete立方體抗壓強(qiáng)度影響因素(Factorsthataffectthecubestrength)影響因素三：加載速度Theloadingspeed加載速度快，內(nèi)部微裂紋來不及擴(kuò)展實(shí)測強(qiáng)度提高

Theloadingspeedincreasesmorerapidlyduringthetest,thecompressivestrengthwillbehigher.CH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcrete立方體抗壓強(qiáng)度影響因素(Factorsthataffectthecubestrength)

另外，影響因素還有齡期、養(yǎng)護(hù)條件、材料組成、試件形狀以及試驗(yàn)方法等。CH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcrete

因此，在建立混凝土的強(qiáng)度時(shí)，需要規(guī)定一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)作為依據(jù)。溫度：20±3℃相對(duì)濕度：≥90％邊長為150mm的標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊標(biāo)準(zhǔn)條件養(yǎng)護(hù)28d標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法加載速度：0.15～0.25MPa/s全截面受力，表面不涂潤滑劑抗壓強(qiáng)度Cubecompressivestrengthfcu具有95％保證率的立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(N/mm2)14gradesC15

C20

C25

C30

C35

C40

C45C50

C55

C60

C65

C70

C75

C80高強(qiáng)混凝土代表Concrete立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fcu,kCH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcrete混凝土的強(qiáng)度等級(jí)strengthgradeofconcrete按立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fcu,k確定概率密度材料強(qiáng)度強(qiáng)度平均值強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值承壓板試塊

抗壓強(qiáng)度與試件形狀有關(guān)，實(shí)際構(gòu)件往往是棱柱體，棱柱體抗壓強(qiáng)度比立方體試件能更好地反映混凝土的實(shí)際抗壓能力。真實(shí)反映混凝土的實(shí)際工作狀態(tài)CH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcreteAxialcompressivestrengthfc

試件長度不宜過小或過大：①擺脫端部摩擦力的影響；②試件不致失穩(wěn)或發(fā)生較大彎曲變形。Standardspecimen

:150×150×300(450)mmCH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcrete

試驗(yàn)量測到fc值比fcu值小，并且棱柱體試件高寬比(即h/b)越大，它的強(qiáng)度越小。承壓板試塊Axialcompressivestrengthfc

中部橫向變形不受端部摩擦力的約束，代表了混凝土處于單向全截面均勻受壓的應(yīng)力狀態(tài)。真實(shí)反映混凝土的實(shí)際工作狀態(tài)

通過大量比對(duì)試驗(yàn)，可建立fc值與fcu值之間的關(guān)系式。

fc與

fcu

的關(guān)系立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)平均值脆性折減系數(shù)：C40以下：C80：考慮實(shí)際構(gòu)件的工作條件與試件所處條件的差異引入的修正系數(shù)CH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcretefc與

fcu的關(guān)系曲線Axialtensilestrengthft

由于混凝土構(gòu)件內(nèi)部的不均勻性，加之安裝試件偏差的原因，通過直接受拉試驗(yàn)測量抗拉強(qiáng)度是很困難的，試驗(yàn)數(shù)據(jù)離散性很大。100100150150500

直接測試法

誤差大難實(shí)現(xiàn)CH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcrete混凝土的抗裂、抗剪、抗扭、抗沖切等與之有關(guān)。試驗(yàn)方法未統(tǒng)一。ddftsFFFF根據(jù)彈性力學(xué)知識(shí)試件中間垂直截面除加力點(diǎn)附近很小的范圍外，有均勻分布的水平拉應(yīng)力。當(dāng)拉應(yīng)力達(dá)到混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，試件被劈成兩半。CH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcreteAxialtensilestrengthft劈裂試驗(yàn)(splittingtest)CH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcreteAxialtensilestrengthft抗折試驗(yàn)(bendingtest)Standardspecimen

:150×150×500~600mmfr=Mu/Wft與fcu之間的換算關(guān)系——混凝土的脆性系數(shù)，當(dāng)混凝土的強(qiáng)度等級(jí)不大于C40時(shí)，=1.0；當(dāng)混凝土的強(qiáng)度等級(jí)為C80時(shí)，=0.87；其間按線性插值。

0.88——考慮結(jié)構(gòu)中的混凝土強(qiáng)度與試塊混凝上強(qiáng)度之間的差異等因素的修正系數(shù)。為軸心抗拉強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度的折算關(guān)系。CH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcreteft=0.395雙軸應(yīng)力下的強(qiáng)度underbi-axialload2）復(fù)合受力狀態(tài)下混凝土的強(qiáng)度underbi-axialortri-axialloads①雙向受拉，σ1與σ2的相互影響不大，雙向受拉強(qiáng)度均接近于單向受拉強(qiáng)度。②一向受拉，另一向受壓，混凝土強(qiáng)度均低于單向拉伸或壓縮的強(qiáng)度，即雙向異號(hào)應(yīng)力使強(qiáng)度降低。③雙向受壓，一向強(qiáng)度隨另一向應(yīng)力的增加而增加。CH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcrete三向受壓時(shí)的強(qiáng)度undertri-axialload3=fcc’3=fcc’1=2=fLfL----側(cè)向約束壓應(yīng)力（加液壓）三軸受壓試驗(yàn)StrengthwithlateralconstraintStrengthwithoutlateralconstraint混凝土一向抗壓強(qiáng)度隨另兩向側(cè)壓力的增加而提高，同時(shí)軸向變形能力也明顯提高試驗(yàn)系數(shù)，<C50為1.0；C80為0.85；其間線性內(nèi)插。CH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcrete2）復(fù)合受力狀態(tài)下混凝土的強(qiáng)度underbi-axialortri-axialloads

對(duì)于縱向受壓的混凝土，約束混凝土的側(cè)向變形，可使混凝土的抗壓強(qiáng)度和延性有較大提高。實(shí)際工程中常用鋼管混凝土柱、螺旋鋼箍柱。CH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcreteCH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcreteCH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能CH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcrete2.2.2Deformationbehaviorofconcrete混凝土的變形

體積變形受力變形一次短期加載下的變形荷載長期作用下的變形多次重復(fù)荷載作用下的變形硬化過程中的收縮變形溫濕度變化引起的變形CH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcrete受壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系Stress-strainrelationshipunderaxialcompressiveload作用是峰值應(yīng)力后，吸收試驗(yàn)機(jī)的變形能，測出下降段。1）一次短期加載下的變形棱柱體試塊骨料和水泥結(jié)晶體彈性變形內(nèi)部微裂縫穩(wěn)定擴(kuò)展內(nèi)部微裂縫非穩(wěn)定擴(kuò)展峰值應(yīng)變(peakstrain)ε0取0.002裂縫迅速發(fā)展，內(nèi)部整體性嚴(yán)重破壞極限壓應(yīng)變(ultimatestrain)εu取0.0033CH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcrete百分表(MPa)fco0(10-3)abcd225201510546810混凝土強(qiáng)度提高加載速度減慢影響因素(Factors)GradeofconcreteLoadingspeedTheconditionoflateralconstraintCH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcrete1）一次短期加載下的變形CH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcrete受拉應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系Stress-strainrelationshipundertensionloadCH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcrete1）一次短期加載下的變形極限拉應(yīng)變(ultimatestrain)εt取1.5×10-4Stress-strainrelationshipunderrepeatedload破壞fcf321fcf的確定原則：100×100×300或150×150×450的棱柱體試塊承受200萬次（或以上）循環(huán)荷載時(shí)發(fā)生破壞的最大壓應(yīng)力值2）重復(fù)荷載下混凝土的變形性能

ThedeformationperformanceunderrepeatedloadCH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能