第三章 结构材料的力学性能及选用.ppt

第三章第三章结构材料的力学性能及选用结构材料的力学性能及选用第一节第一节 建筑钢材建筑钢材第二节第二节 混凝土混凝土第三节第三节 钢筋与混凝土的相互作用钢筋与混凝土的相互作用 粘结力粘结力第一节 建筑钢材标距有明显屈服点的钢材有明显屈服点的钢材一、钢材的力学性能一、钢材的力学性能1、应力、应力-应变曲线及强度指标应变曲线及强度指标ABBCDE上屈服点不稳定下屈服点出现颈缩拉断BC段为屈服平台CD段为强化段屈服强度：屈服强度：B，是钢筋关键性的强度指标是钢筋关键性的强度指标。对对于有明显屈服点的钢材，由于钢材的屈服将产生明于有明显屈服点的钢材，由于钢材的屈服将产生明显的、不可恢复的塑性变形，从而导致构件可能在钢材尚显的、不可恢复的塑性变形，从而导致构件可能在钢材尚未进入强化阶段就产生过大的变形和裂缝，因此在未进入强化阶段就产生过大的变形和裂缝，因此在正常使正常使用情况下用情况下，构件中的，构件中的钢材应力应小于其屈服强度钢材应力应小于其屈服强度。抗拉强度：抗拉强度：D屈强比：屈强比：屈服强度与抗拉强度的比值。屈服强度与抗拉强度的比值。不大于不大于0.8，以保证强度储备和变形能力。，以保证强度储备和变形能力。无明显屈服点的钢材无明显屈服点的钢材0.2%0.2在钢材屈服前，其受压和受拉的应力在钢材屈服前，其受压和受拉的应力-应变曲线几乎相同。应变曲线几乎相同。热处理钢筋、钢丝、热处理钢筋、钢丝、钢绞线等钢绞线等条件屈服强度条件屈服强度f0.2：残余应变为残余应变为0.2%时时所对应的应力。实所对应的应力。实际取际取抗拉强度抗拉强度fsu的的0.85倍。倍。抗拉强度抗拉强度fsu：主要主要强度指标。强度指标。钢筋应力钢筋应力-应变曲线的数学模型应变曲线的数学模型sss=Essys,hfysss=Essys,hfyfs,us,us,usss=Essyfys,hfs,u有明显屈服点的钢筋有明显屈服点的钢筋无明显屈服点的钢筋无明显屈服点的钢筋强度指标的确定强度随机变量强度标准值根据统计资料，运用根据统计资料，运用数理统计方法确定的数理统计方法确定的具有一定保证率（钢具有一定保证率（钢筋为筋为97.73%）的统计）的统计特征值：特征值：概率密度材料强度强度平均值强度标准值强度标准值强度标准值 =强度平均值强度平均值 -2-2均方差均方差2、塑性指标、塑性指标伸长率：伸长率：反映钢材塑性性能的指标。反映钢材塑性性能的指标。冷弯性能：冷弯性能：反映钢材在常温下的塑性反映钢材在常温下的塑性 加工性能的指标。加工性能的指标。用用弯心直径弯心直径和和弯曲角度弯曲角度来表示。来表示。伸长率越大，则钢材的塑性越好。伸长率越大，则钢材的塑性越好。二、钢材的冷加工和热处理二、钢材的冷加工和热处理冷拉冷拉BKZZK残余变形冷拉伸长率无时效经时效合理选择合理选择K点：既提高强度，点：既提高强度，又保持一定的塑性。又保持一定的塑性。温度的影响：温度达温度的影响：温度达700C时时恢复到冷拉前的状态，恢复到冷拉前的状态，先焊先焊后拉后拉。特点：特点：只能提高抗拉强度只能提高抗拉强度，不能提高抗压强度；不能提高抗压强度；强度提强度提高，塑性下降高，塑性下降。冷拔冷拔经过冷拔后，钢筋经过冷拔后，钢筋强度提强度提高，塑性显著降低，没有高，塑性显著降低，没有明显的屈服点。明显的屈服点。冷拔冷拔既能提高抗拉强度，既能提高抗拉强度，又能提高抗压强度。又能提高抗压强度。热处理热处理对对特定钢号的钢筋进行特定钢号的钢筋进行淬火淬火和和回火回火处理。处理。强度提高，强度提高，塑性降低。塑性降低。不降低强度的前提不降低强度的前提下，消除由淬火产下，消除由淬火产生的内力，生的内力，改善塑改善塑性和韧性。性和韧性。三、建筑钢材的品种三、建筑钢材的品种按按化学成分分类：化学成分分类：碳素结构钢碳素结构钢（铁、（铁、碳、硅、锰、硫、碳、硅、锰、硫、磷等元素）磷等元素）低碳钢（含碳量低碳钢（含碳量0.25%）中碳钢（含碳量中碳钢（含碳量0.250.6%）高碳钢（含碳量高碳钢（含碳量0.61.4%）普通低合金钢普通低合金钢（另加硅、锰、（另加硅、锰、钛、钒、铬等）钛、钒、铬等）硅硅系系硅钒系硅钒系硅钛系硅钛系硅锰系硅锰系硅铬系硅铬系钢筋钢筋热轧钢筋热轧钢筋：光面钢筋HPB235，带肋钢筋HRB335、HRB400、RRB400冷拉冷拉钢筋钢筋：由热轧钢筋在常温下用机械拉伸而成。热处理钢筋热处理钢筋：将HRB400、RRB400钢筋通过加热、淬火、回火而成。按按加工工艺和力学性能分类：加工工艺和力学性能分类：钢丝钢丝碳素钢丝碳素钢丝：高碳镇静钢通过多次冷拔、应力消除、矫正、回火处理而成。刻痕钢丝刻痕钢丝：在钢丝表面刻痕，增强其与混凝土间的粘结力。钢绞线钢绞线：六根相同直径的钢丝成螺旋状铰绕在一起。冷拔低碳钢丝冷拔低碳钢丝：由低碳钢冷拔而成。钢结构用型材钢结构用型材热轧型钢热轧型钢品品种种规规格格用用途途普通工字钢普通工字钢高高 宽宽 腹腹 板板 厚厚，10#63#建筑结构桥梁，建筑结构桥梁，作横向受弯作横向受弯H型钢和剖分型钢和剖分T型钢型钢翼翼缘缘平平行行，宽宽W中中M窄窄N桩桩PT型型由由H型型对对半半剖剖分，高层分，高层普通槽钢普通槽钢高高宽宽腹腹板板厚厚，5#40#，钢结构车辆，钢结构车辆，轴力弯曲轴力弯曲L型钢型钢高高宽宽腹腹厚厚面面厚厚，25#50#等边、不等等边、不等边角钢边角钢等等2#20#，不等不等2.5#20#轴轴力力、支支撑撑、连连接件接件冷弯薄壁型钢冷弯薄壁型钢结构用冷弯结构用冷弯闭口型钢闭口型钢方型方型F2.516#，矩形矩形J520#壁厚壁厚1.28mm通用冷弯通用冷弯开口型钢开口型钢等等边边不不等等边边角角钢钢，槽槽钢钢，Z字字钢钢，内内外外卷卷边边共共8种种四、混凝土结构对钢筋性能的要求四、混凝土结构对钢筋性能的要求1、强度要求：屈服强度、极限强度、屈强比；、强度要求：屈服强度、极限强度、屈强比；2、塑性要求：伸长率和冷弯性能要求；、塑性要求：伸长率和冷弯性能要求；3、可焊性、可焊性4、与混凝土的粘结性、与混凝土的粘结性钢筋的选用原则：钢筋的选用原则：普通钢筋：普通钢筋：HRB400，HRB335，HPB235，RRB400HPB235（）级级荷载较小的板或小型构件荷载较小的板或小型构件 的受力主筋、构造钢筋、箍筋。的受力主筋、构造钢筋、箍筋。预应力钢筋：预应力钢筋：钢绞线，钢丝钢绞线，钢丝，热处理钢筋，热处理钢筋第二节 混凝土立方体抗压强度立方体抗压强度承压板承压板试块试块摩擦力摩擦力不涂润滑剂不涂润滑剂涂润滑剂涂润滑剂强度大于强度大于我国规范的方法：不涂润滑剂我国规范的方法：不涂润滑剂压力压力试件试件裂裂缝发展缝发展扩张扩张整整个体系解体，丧失个体系解体，丧失承载力。承载力。影响强度的因素影响强度的因素还有：还有：龄期龄期、加载加载速率速率、试块尺寸试块尺寸等等1.单轴受力状态下混凝土的抗压强度单轴受力状态下混凝土的抗压强度一、混凝土的强度一、混凝土的强度立方体抗压强度标准值立方体抗压强度标准值fcuk标准试块：标准试块：150150150mm非标准试块：非标准试块：100100100，换算系数：换算系数：0.95200200200，换算系数：换算系数：1.05立方体抗压强度标准值是确定混凝土强度等级的标准。立方体抗压强度标准值是确定混凝土强度等级的标准。我国规范的混凝土强度等级有：我国规范的混凝土强度等级有：C15，C20，C25，C30，C35，C40，C45，C50，C55，C60，C65，C70，C75，C80。表示混凝土表示混凝土Concrete立方体抗压立方体抗压强度标准值强度标准值fcukC轴心（棱柱体）抗压强度标准值轴心（棱柱体）抗压强度标准值fck承压板试块标准试块：标准试块：150150300mm c1：轴心抗压强度与立方体抗压强度的比轴心抗压强度与立方体抗压强度的比值值。C50，c1=0.76；C80，c1=0.82；中；中间间按按线线性性规规律律变变化。化。c2：混凝土：混凝土脆性折减系数脆性折减系数。C40，c1=1.0；C80，c1=0.87；中；中间间按按线线性性规规律律变变化。化。GB50010-2002：2.单轴受力状态下混凝土的抗拉强度单轴受力状态下混凝土的抗拉强度轴心抗拉强度轴心抗拉强度标准值标准值ftk：其中其中 为变异系数，由统计调查分析确定。为变异系数，由统计调查分析确定。3.复合受力状态下混凝土的强度复合受力状态下混凝土的强度双轴应力双轴应力下的强度下的强度1.01.01.21.2-0.2-0.22/fc1/fc拉压双向正应力下的强度曲线双向正应力下的强度曲线三向受压三向受压时的混凝土强度时的混凝土强度 1=fcc 1=fcc 2=3=fLfL-侧向约束侧向约束压应力（加液压）压应力（加液压）圆柱体试验圆柱体试验有侧向约有侧向约束时的抗束时的抗压强度压强度无侧向约无侧向约束时圆柱束时圆柱体的单轴体的单轴抗压强度抗压强度二、混凝土的变形二、混凝土的变形(MPa)fco0(10-3)abcd225201510546810混凝土强度提高混凝土强度提高加载速度减慢加载速度减慢单轴受压时的单轴受压时的应力应力-应变关系应变关系作用：峰值应作用：峰值应力后，吸收试力后，吸收试验机的变形能，验机的变形能，测出下降段。测出下降段。单轴受压时应力单轴受压时应力-应变关系的数学模型应变关系的数学模型-中国规范中国规范u0ocfcc侧向受约束时混凝土的变形特点侧向受约束时混凝土的变形特点cu约束混凝土约束混凝土非约束混凝土非约束混凝土ccfccfcEsecEc c0 2c0 sp cco环箍断裂环箍断裂轴向受拉时混凝土的应力应变关系轴向受拉时混凝土的应力应变关系tto t0 tu ftt(MPa)0(mm)cr=0.00012试件：7619305mmfc=44MPa43210.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06标距83mm理论模型理论模型！重复荷载下混凝土的变形性能重复荷载下混凝土的变形性能pe包络线与一次性加载时包络线与一次性加载时的应力的应力-应变曲线相似应变曲线相似混凝土的弹性模量混凝土的弹性模量ccccep01原点切线模量（弹性模量）：拉压相同原点切线模量（弹性模量）：拉压相同变形模量（割线模量、弹塑性模量）变形模量（割线模量、弹塑性模量）切线模量切线模量受压时，为受压时，为0.41.0；受拉破坏时，为；受拉破坏时，为1.0混凝土的弹性模量的试验方法混凝土的弹性模量的试验方法（150150 300标准试件）c/fcc0.5510次此线和原点切线基此线和原点切线基本平行，取其斜率本平行，取其斜率作为作为Ec长期荷载作用下混凝土的变形性能长期荷载作用下混凝土的变形性能徐变徐变0.51.01.52.02.505101520253035(10-3)(月)c0.5fc，线性徐变c0.8fc，非线性徐变creeecrP原因之一，胶原因之一，胶凝体的粘性流动；凝体的粘性流动；原因之二，混原因之二，混凝土内部微裂凝土内部微裂缝的不断发展。缝的不断发展。影响徐变的因素影响徐变的因素应力：应力：c0.5fc，徐变变形与应力成正比徐变变形与应力成正比-线性徐变；线性徐变；0.5fc c0.8fc，造成混凝土破坏，不稳定；造成混凝土破坏，不稳定；加加荷时荷时混凝土的龄期，越早，徐变越大；混凝土的龄期，越早，徐变越大；水泥用量越多，水灰比越大，徐变越大；水泥用量越多，水灰比越大，徐变越大；养护条件越好，周围环境越潮湿，徐变越小；养护条件越好，周围环境越潮湿，徐变越小；骨料越硬，级配越好，徐变越小。骨料越硬，级配越好，徐变越小。PAsPAs s1 c1P s2As s2P撤去，钢筋回撤去，钢筋回弹，混凝土受弹，混凝土受拉，可能会引拉，可能会引起混凝土开裂起混凝土开裂徐变：徐变：s，c 徐变对混凝土结构的影响徐变对混凝土结构的影响混凝土的混凝土的收缩收缩硬化过程中混凝土体积缩小的性质硬化过程中混凝土体积缩小的性质水泥品种：强度等级越高，收缩越大；水泥品种：强度等级越高，收缩越大；水泥用量：水泥用量越多，水灰比越大，收缩越大；水泥用量：水泥用量越多，水灰比越大，收缩越大；骨料：骨料越硬，级配越好，收缩越小；骨料：骨料越硬，级配越好，收缩越小；养护条件、制作方法、使用环境、体积与表面积的比值养护条件、制作方法、使用环境、体积与表面积的比值等等收缩对混凝土结构的影响收缩对混凝土结构的影响AssAs s收缩：收缩：钢筋受压钢筋受压，混凝土受拉混凝土受拉As第三节第三节钢筋与混凝土的粘结钢筋与混凝土的粘结裂缝出现前的粘结作用：裂缝出现前的粘结作用：使钢筋和混凝土互相传递应力、共同受力、共同变形。使钢筋和混凝土互相传递应力、共同受力、共同变形。1.粘结的意义粘结的意义 钢钢筋与混凝土筋与混凝土共同工作的基础共同工作的基础：（1）二者具有）二者具有相近的温度线膨胀系数相近的温度线膨胀系数；（2）二者间具有）二者间具有良好的粘结力良好的粘结力。PP裂缝出现后的粘结作用裂缝出现后的粘结作用T两种粘结作用两种粘结作用锚固粘结锚固粘结保证钢筋和混保证钢筋和混凝土共同工作凝土共同工作缝间粘结缝间粘结改善钢筋混凝改善钢筋混凝土的耗能性能土的耗能性能2.粘结机理粘结机理光圆钢筋光圆钢筋粘附力粘附力摩擦力摩擦力机械咬合力机械咬合力（钢筋表面不平、（钢筋表面不平、微锈时可显著提微锈时可显著提高咬合力）高咬合力）有有滑移时粘附力即消失滑移时粘附力即消失钢筋受力较大时粘钢筋受力较大时粘结力主要由此二部结力主要由此二部分组成分组成粘结机理粘结机理变形钢筋变形钢筋粘附力粘附力摩擦力摩擦力机械咬合力机械咬合力主要作用主要作用3.粘结试验粘结试验拔出拔出试验试验搭接长度搭接长度延伸长度延伸长度半梁试验半梁试验搭接长度试验搭接长度试验延伸长度试验延伸长度试验4.粘结破坏形态粘结破坏形态光圆钢筋光圆钢筋钢筋拔出钢筋拔出变形钢筋变形钢筋纵向分量纵向分量径向分量径向分量构件纵向开裂构件纵向开裂变形钢筋变形钢筋纵向分量纵向分量径向分量径向分量混凝土撕裂混凝土撕裂混凝土局部挤碎混凝土局部挤碎刮出式刮出式破坏破坏5.钢筋与混凝土间粘结强度钢筋与混凝土间粘结强度lTu一般用拔出试验测出钢筋与混凝土间一般用拔出试验测出钢筋与混凝土间的平均粘结强度的平均粘结强度钢筋周长钢筋周长埋置埋置长度长度拔出拔出拉力拉力影响因素影响因素混凝土强度；混凝土强度；横向箍筋、压应力以及砼浇注方向等。横向箍筋、压应力以及砼浇注方向等。钢筋的外形特征、直径、埋入长度；钢筋的外形特征、直径、埋入长度；保护层厚度和钢筋的净距；保护层厚度和钢筋的净距；6.锚固、搭接长度锚固、搭接长度原则原则钢筋屈服时正好发生锚固破坏钢筋屈服时正好发生锚固破坏对象对象以直径为以直径为2c的混凝土试件内配的混凝土试件内配直径为直径为d的变形钢筋为例的变形钢筋为例假定假定纵裂纵裂发生在刮出式破坏以前发生在刮出式破坏以前（1）锚固长度的理论分析锚固长度的理论分析（2）实用锚固长度的计算公式实用锚固长度的计算公式la基本锚固长度（基本锚固长度（GB50010）：）：锚固钢筋的外形系数锚固钢筋的外形系数对不同的情况还要作修正对不同的情况还要作修正对上式作修正对上式作修正可得搭接长度可得搭接长度