《鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)》課件-2.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)材料的力學性能

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)模塊2鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)材料的力學性能學習目標（1）掌握混凝土的力學性能及各種強度指標。（2）了解混凝土的變形性能及混凝土材料耐久性的相關(guān)規(guī)定。（3）了解鋼筋的品種與形式，熟悉鋼筋的力學性能，明確鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)對鋼筋性能的要求。（4）理解鋼筋與混凝土共同工作的原理及保證黏結(jié)強度的構(gòu)造措施。2.3鋼筋與混凝土的黏結(jié)2.1混凝土2.2鋼筋模塊2鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)材料的力學性能2.1.1混凝土的強度2.1混凝土1.混凝土的立方體抗壓強度混凝土的立方體抗壓強度是衡量混凝土強度大小的基本指標，是評價混凝土強度等級的標準。我國《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50010—2010）（以下簡稱《規(guī)范》）規(guī)定，以邊長為150mm的立方體試件，按標準方法制作，在標準條件［溫度為（20±3）℃，相對濕度≥90％］下養(yǎng)護28d后，按照標準試驗方法進行加載試壓，測得的具有95％保證率的抗壓強度作為混凝土的立方體抗壓強度標準值，用符號fcu,k表示，其單位為N/mm2?！兑?guī)范》規(guī)定的混凝土強度等級是根據(jù)混凝土立方體抗壓強度標準值確定的，用符號C表示，共分為14個強度等級，分別用C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75、C80表示。符號C后面的數(shù)字表示以N/mm2為單位的立方體抗壓強度標準值。例如，C30表示混凝土立方體抗壓強度的標準值fcu,k＝30N/mm2?！兑?guī)范》規(guī)定，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中混凝土強度等級不應(yīng)低于C20；當采用強度等級為400MPa及以上的鋼筋時，混凝土強度等級不應(yīng)低于C25。2.1混凝土試驗方法對立方體抗壓強度有較大影響，如試件表面是否涂潤滑劑。不涂潤滑劑時強度高，其主要原因是墊板通過接觸面上的摩擦力約束混凝土試塊的橫向變形，產(chǎn)生“套箍”作用。而涂潤滑劑后試件與壓力板之間的摩擦力將大大減小，使抗壓強度降低，而且兩種情況的破壞形態(tài)也不一樣，如圖2-1所示。圖2-1混凝土立方體試塊的破壞情況2.1混凝土2.混凝土的軸心抗壓強度在實際工程中，鋼筋混凝土構(gòu)件的長度常比其橫截面尺寸大得多。為了更好地反映混凝土在實際構(gòu)件中的受力情況，可采用混凝土的棱柱體試件測定其軸心抗壓能力，所對應(yīng)的抗壓強度稱為混凝土的軸心抗壓強度，也稱棱柱體抗壓強度，用符號fc表示。在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中進行受彎構(gòu)件、受壓構(gòu)件的承載力計算時，采用混凝土的軸心抗壓強度作為設(shè)計指標。2.1混凝土3.混凝土的軸心抗拉強度在實際工程中，鋼筋混凝土構(gòu)件的長度常比其橫截面尺寸大得多。為了更好地反映混凝土在實際構(gòu)件中的受力情況，可采用混凝土的棱柱體試件測定其軸心抗壓能力，所對應(yīng)的抗壓強度稱為混凝土的軸心抗壓強度，也稱棱柱體抗壓強度，用符號fc表示。在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中進行受彎構(gòu)件、受壓構(gòu)件的承載力計算時，采用混凝土的軸心抗壓強度作為設(shè)計指標。2.1混凝土測定混凝土抗拉強度的方法有兩種，一種是直接測定法，另一種是間接測定法。直接測定法采用100mm×100mm×500mm的棱柱體試件［見圖2-2（a）］。目前，混凝土的軸心抗拉強度常采用圖22（b）所示的間接測試法——劈裂法測試。圖2-2混凝土的抗拉強度試驗2.1混凝土4.復合應(yīng)力狀態(tài)下混凝土的強度1）雙向應(yīng)力狀態(tài)下的強度雙向應(yīng)力狀態(tài)下，當在兩個互相垂直的平面上作用著法向應(yīng)力σ1和σ2，第三個平面上應(yīng)力為零時，混凝土強度的變化曲線如圖2-3所示。圖2-3混凝土雙向應(yīng)力狀態(tài)下的強度曲線2.1混凝土2）三向應(yīng)力狀態(tài)下的強度圖2-4所示為混凝土三向受壓試驗曲線。在三個相互垂直的方向受壓時，混凝土任意一向的抗壓強度隨另外兩向壓應(yīng)力的增加而提高，同時混凝土的極限應(yīng)變也得以大大提高。圖2-4混凝土三向受壓試驗曲線2.1混凝土2.1.2混凝土的變形1.混凝土在一次短期荷載作用下的變形性能1）混凝土受壓時的σ-ε曲線混凝土在一次加荷下的σε關(guān)系是混凝土最基本的力學性能之一，是對結(jié)構(gòu)進行理論分析的基礎(chǔ)，通常采用高寬比h/b=3～4的棱柱體試件來測定混凝土受壓時的σε關(guān)系，關(guān)系曲線如圖2-5所示。曲線分為上升段、下降段兩部分。圖2-5混凝土受壓時的σε關(guān)系曲線2.1混凝土2）混凝土的彈性模量和變形模量（1）彈性模量。在結(jié)構(gòu)計算中，當計算鋼筋混凝土構(gòu)件的變形、預應(yīng)力混凝土構(gòu)件的截面預壓應(yīng)力值，其結(jié)構(gòu)由于溫度變化、支座沉降產(chǎn)生內(nèi)力時，都需用混凝土的彈性模量。在混凝土σε關(guān)系曲線上，過原點O作切線（見圖2-6），該切線的斜率稱為原點的彈性模量，即混凝土的彈性模量，用Ec表示。圖2-6混凝土的彈性模量及變形模量的表示方法2.1混凝土《規(guī)范》給出不同強度等級混凝土的彈性模量，見表2-1。2.1混凝土（2）變形模量（或割線模量）。當混凝土壓應(yīng)力σ較大（超過0.5fc）時，彈性模量Ec已不能反映這時的σ和ε的關(guān)系，為此，要用到變形模量的概念。2.1混凝土2.混凝土在多次重復荷載作用下的變形性能某些鋼筋混凝土構(gòu)件（如工業(yè)廠房的吊車梁），在使用過程中會受到多次重復荷載的作用。在重復荷載作用下，混凝土的強度和變形性能都有重要變化。對棱柱體混凝土試件進行一次短期加荷，應(yīng)力達到A點時，卸載至零，曲線為OAB，如圖2-7（a）所示。如停留一段時間，變形會恢復一部分到達B′點，恢復變形BB′稱為彈性后效，而應(yīng)變B′O不能恢復，稱為殘余應(yīng)變2.1混凝土對棱柱體試件經(jīng)多次加載、卸載，當加載的應(yīng)力σ1小于混凝土的疲勞強度時，σε曲線越來越閉合，最終閉合為一直線［見圖27（b）］，此直線和混凝土一次短期加載σε曲線原點的切線平行，直線的斜率即混凝土的彈性模量，實際中采用此方法來測定混凝土的彈性模量；當應(yīng)力超過疲勞強度時，在重復荷載作用下曲線由凸向應(yīng)力軸變?yōu)榘枷驊?yīng)力軸，曲線不再形成環(huán)狀［見圖2-7（c）］，這表明混凝土即將被破壞?；炷劣捎诤奢d重復作用而引起的破壞稱為疲勞破壞。圖2-7混凝土在重復荷載作用下的σε曲線2.1混凝土3.混凝土在長期荷載作用下的變形——徐變混凝土在不變荷載的長期作用下，其應(yīng)變隨時間繼續(xù)增長的現(xiàn)象稱為混凝土的徐變。圖2-8所示為混凝土棱柱體試件加載至σ=0.5fc后維持荷載不變測得的徐變與時間的關(guān)系曲線。圖2-8混凝土的徐變-時間關(guān)系曲線2.1混凝土影響混凝土徐變的因素有如下幾個。（1）應(yīng)力的大小是最主要的因素，應(yīng)力越大，徐變也越大。（2）水泥用量越多，水膠比越大，徐變越大。（3）養(yǎng)護溫度越高、濕度越大、時間越長，則徐變越小。（4）加載時混凝土的齡期越短徐變越大。加強養(yǎng)護使混凝土盡早結(jié)硬或采用蒸汽養(yǎng)護可減小徐變。（5）材料質(zhì)量和級配越好，彈性模量越高，則徐變越小。（6）與水泥的品種有關(guān)，普通硅酸鹽水泥的混凝土較礦渣水泥、火山灰水泥的混凝土徐變相對要大。2.1混凝土4.混凝土的體積變形混凝土的體積變形主要是指混凝土的收縮與膨脹?；炷猎诳諝庵杏步Y(jié)時體積減小的現(xiàn)象稱為收縮。當混凝土在水中硬結(jié)時，其體積略有膨脹。一般來說，混凝土的收縮值比膨脹值大得多。混凝土的收縮隨時間的增長而增長，第一年可完成一半左右，兩年后趨于穩(wěn)定。對鋼筋混凝土構(gòu)件來講，收縮是不利的，會使混凝土中產(chǎn)生拉應(yīng)力，進而導致構(gòu)件開裂。而預應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的收縮將導致預應(yīng)力損失，降低構(gòu)件的抗裂能力。2.1混凝土2.1.3混凝土的設(shè)計指標在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，混凝土的軸心抗壓強度是進行受彎構(gòu)件、受壓構(gòu)件承載力計算時的設(shè)計指標；混凝土的軸心抗拉強度是計算鋼筋混凝土及預應(yīng)力混凝土構(gòu)件的抗裂度和裂縫寬度以及構(gòu)件斜截面受剪承載力、受扭承載力時的主要強度指標。在進行鋼筋混凝土構(gòu)件變形驗算和預應(yīng)力混凝土構(gòu)件設(shè)計時，需要用到混凝土的彈性模量。各種強度等級的混凝土的強度標準值、強度設(shè)計值以及彈性模量見表21。2.1混凝土2.1.4混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性是指混凝土在規(guī)定的使用年限內(nèi)，在各種環(huán)境條件下，抵抗各種破壞因素的作用，并長期保持強度和外觀完整性的能力。混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)符合有關(guān)耐久性的規(guī)定，以保證其在化學的、生物的以及其他使結(jié)構(gòu)材料性能惡化的各種侵蝕作用下，達到預期的耐久年限。但是由于混凝土表面暴露在大氣中，特別是長期受到外界不良氣候環(huán)境的影響及有害物質(zhì)的侵蝕，隨時間的增長混凝土會出現(xiàn)開裂、炭化、剝落等現(xiàn)象，鋼筋也會被銹蝕，使材料的耐久性降低。因此，混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)根據(jù)所處的環(huán)境類別、結(jié)構(gòu)的重要性和使用年限滿足《規(guī)范》規(guī)定的有關(guān)耐久性要求。2.1混凝土影響混凝土材料耐久性的最重要因素是結(jié)構(gòu)的使用環(huán)境?；炷两Y(jié)構(gòu)的環(huán)境類別及條件見表2-2。2.1混凝土對于設(shè)計使用年限為50年的一般結(jié)構(gòu)，混凝土質(zhì)量應(yīng)符合表2-3的規(guī)定。2.1混凝土2.2鋼筋2.2.1鋼筋的種類鋼筋按其力學性能的不同，可分為有明顯屈服點的鋼筋和沒有明顯屈服點的鋼筋兩大類。有明顯屈服點的鋼筋常稱作軟鋼，在工程中常用的熱軋鋼筋就屬于軟鋼；沒有明顯屈服點的鋼筋則稱作硬鋼，消除應(yīng)力鋼絲、刻痕鋼絲、鋼絞線就屬于硬鋼。在混凝土結(jié)構(gòu)中使用的鋼筋，按外形可分為光面鋼筋和變形鋼筋兩類，鋼筋的形式如圖2-9所示。圖2-9鋼筋的形式2.2鋼筋2.2.2鋼筋的力學性能目前我國鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)及預應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中采用的鋼筋按生產(chǎn)加工工藝的不同，可分為熱軋鋼筋、中強度鋼絲和鋼絞線等?！兑?guī)范》規(guī)定，在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中使用的鋼筋為熱軋鋼筋。熱軋鋼筋由低碳鋼、普通低合金鋼在高溫狀態(tài)下軋制而成。鋼絲的直徑一般較小，常用的為5～9mm。國產(chǎn)用于房屋建筑的鋼絲包括消除應(yīng)力鋼絲、中強度預應(yīng)力鋼絲、鋼絞線三種。鋼絲用于預應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。1.鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變曲線2.2鋼筋對于有明顯屈服點的鋼筋，鋼筋達到屈服時將產(chǎn)生很大的塑性變形，使鋼筋混凝土構(gòu)件出現(xiàn)很大的變形及過寬的裂縫，以至于不能滿足正常的使用要求。所以在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件計算時，對于有明顯屈服點的鋼筋，取其屈服強度作為結(jié)構(gòu)設(shè)計的強度指標。各種級別鋼筋的強度標準值、設(shè)計值和彈性模量見表2-4。2.2鋼筋無明顯屈服點的硬鋼的σε曲線如圖2-11所示。圖2-11無明顯屈服點鋼筋的σε曲線2.2鋼筋2.鋼筋的塑性性能建筑結(jié)構(gòu)中，鋼筋除了要有足夠的強度外，還應(yīng)具有一定的塑性變形能力。伸長率和冷彎性能是反映鋼筋塑性性能的基本指標。伸長率越大，鋼筋的塑性性能越好，拉斷前有明顯的預兆。伸長率小的鋼筋塑性差，其破壞突然發(fā)生，呈脆性。軟鋼的伸長率較大，而硬鋼的伸長率很小。2.2鋼筋冷彎是將鋼筋圍繞規(guī)定直徑為D的鋼輥進行彎曲，要求彎到規(guī)定的冷彎角度α時，鋼筋的表面不出現(xiàn)裂縫、分層、起皮或斷裂即為合格，如圖2-12所示。圖2-12鋼筋的冷彎試驗α—冷彎角度；D—輥軸直徑；d—鋼筋直徑2.2鋼筋2.2.3鋼筋的設(shè)計指標《規(guī)范》規(guī)定，鋼筋的強度標準值應(yīng)具有不小于95%的保證率。熱軋鋼筋的強度標準值根據(jù)屈服強度確定；預應(yīng)力鋼絞線、鋼絲和熱處理鋼筋的強度標準值根據(jù)極限抗拉強度確定。普通鋼筋的強度標準值、設(shè)計值和彈性模量按表2-4取用；預應(yīng)力鋼筋的強度標準值、強度設(shè)計值和鋼筋的彈性模量按表2-5取用。2.2鋼筋2.2鋼筋2.2.4鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)對鋼筋性能的要求（4）與混凝土的黏結(jié)好。（3）可焊性好。（2）塑性好。（1）強度高。2.2鋼筋2.3鋼筋與混凝土的黏結(jié)2.3.1黏結(jié)的作用及產(chǎn)生原因（2）摩擦力。（1）化學膠結(jié)力。

（3）機械咬合力。2.3.2影響?zhàn)そY(jié)強度的因素保護層厚度及鋼筋的凈距。鋼筋的外觀特征。澆筑位置。橫向配筋及橫向壓力?；炷恋膹姸取＃?）（2）（3）（4）（5）2.3鋼筋與混凝土的黏結(jié)2.3.3保證鋼筋與混凝土黏結(jié)的措施1.鋼筋的錨固長度為了避免縱向鋼筋在受力過程中產(chǎn)生滑移，甚至從混凝土中拔出而造成錨固破壞，縱向受力鋼筋必須伸過其受力截面一定長度，這個長度稱為錨固長度。2.3鋼筋與混凝土的黏結(jié)為減小鋼筋的錨固長度，可在縱向受拉鋼筋的末端采用圖2-13所示的彎鉤和附加機械錨固措施，采用彎鉤和附加機械錨固措施后的錨固長度（包括附加錨固端頭在內(nèi)）可取基本錨固長度lab的0.6倍。圖2-13鋼筋彎鉤與附加機械錨固形式及構(gòu)造要求2.3鋼筋與混凝土的黏結(jié)2.鋼筋的搭接長度鋼筋在構(gòu)件中往往因長度不夠需在受力較小處進行鋼筋的連接。當需要采用施工縫或后澆帶等構(gòu)造措施時，也需要連接。鋼筋連接接頭的形式可采用綁扎搭接、機械連接(錐螺紋套筒、鋼套筒擠壓連接等)或焊接?！兑?guī)范》規(guī)定，軸心受拉及小偏心受拉構(gòu)件的縱向受力鋼筋不得采用綁扎搭接接頭；其他構(gòu)件中的鋼筋采用綁扎搭接時，受拉鋼筋直徑不宜大于25mm，受壓鋼筋直徑不宜大于28mm。2.3鋼筋與混凝土的黏結(jié)對于綁扎搭接接頭，應(yīng)滿足下列構(gòu)造要求：同一構(gòu)件中相鄰縱向受力鋼筋的綁扎搭接接頭宜相互錯開；鋼筋綁扎搭接接頭的區(qū)段長度為1.3倍搭接長度，凡搭接接頭中點位于該連接區(qū)段長度內(nèi)的搭接接頭均屬于同一連接區(qū)段，如圖2-14所示。圖2-14同一連