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1、第二章 钢筋和混凝土材料力学性能,同济大学土木工程学院建筑工程系顾祥林,混凝土结构基本原理,一、钢筋的强度和变形 1. 钢筋的应力-应变曲线,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,有明显流幅的钢筋,无明显流幅的钢筋,钢筋受压和受拉时的应力-应变曲线几乎相同,一、钢筋的强度和变形 1. 钢筋的应力-应变曲线,强度指标,* 明显流幅的钢筋：下屈服点对应的强度作为设计强度的依据，因为，钢筋屈服后会产生大的塑性变形，钢筋混凝土构件会产生不可恢复的变形和不可闭合的裂缝，以至不能使用,* 无明显流幅的钢筋：残余应变为0.2%时所对应的应力作为条件屈服强度,随着冶金系统
2、采用国际标准及质量的提高，在相应的产品标准中明确规定屈服强度0.2不得小于极限抗拉强度b的85%（0.85b）。因此，实际应用中可取极限抗拉强度b的85%作为条件屈服点,一、钢筋的强度和变形 1. 钢筋的应力-应变曲线,强度指标的确定,强度,随机变量,根据统计资料，运用数理统计方法确定的具有一定保证率（钢筋为97.73%）的统计特征值： 强度标准值=强度平均值-2均方差,一、钢筋的强度和变形 1. 钢筋的应力-应变曲线,变形指标,* 伸长率：钢筋拉断后的伸长与原长的比值,* 冷弯要求：将直径为d的钢筋绕直径为D的钢辊弯成一定的角度而不发生断裂,一、钢筋的强度和变形 2. 钢筋的成分、级别和品种
3、,按化学成分,碳素钢（铁、碳、硅、锰、硫、磷等元素）,低碳钢（含碳量0.25%）,中碳钢（含碳量0.250.6%）,高碳钢（含碳量0.61.4%）,普通低合金钢（另加硅、锰、钛、钒、铬等）,锰系 硅钒系 硅钛系 硅锰系 硅铬系,一、钢筋的强度和变形 2. 钢筋的成分、级别和品种,钢筋,热轧钢筋：热轧光面钢筋HPB235，热轧带肋钢筋HRB335、HRB400，余热处理钢筋RRB400,冷拉钢筋：由热轧钢筋在常温下用机械拉伸而成,热处理钢筋：将HRB400、RRB400钢筋通过加热、淬火、回火而成,按加工,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：在钢丝表面
4、刻痕，以增强其与混凝土间的粘结力,钢绞线：若干根相同直径的钢丝成螺旋状铰绕在一起,冷拔低碳钢丝：由低碳钢冷拔而成,一、钢筋的强度和变形 2. 钢筋的成分、级别和品种,按表面形状,光圆钢筋,变形钢筋,钢筋的应用范围,非预应力钢筋：HPB235，HRB335，HRB400，RRB400,预应力钢筋：碳素钢丝，刻痕钢丝，钢绞线，热处理钢筋，冷拉钢筋,一、钢筋的强度和变形 3. 钢筋的冷加工和热处理,冷拉,无时效,经时效,K点的选择：应力控制和应变控制,温度的影响：温度达700C时恢复到冷拉前的状态，先焊后拉,特性：只提高抗拉强度，不提高抗压强度，强度提高，塑性下降,一、钢筋的强度和变形 3. 钢筋的
5、冷加工和热处理,冷拔,经过冷拔后钢筋没有明显的屈服点和流幅,冷拔既能提高抗拉强度又能提高抗压强度,一、钢筋的强度和变形 3. 钢筋的冷加工和热处理,热处理,对特定钢号的钢筋进行淬火和回火处理,强度提高，塑性降低,不降低强度的前提下，消除由淬火产生的内力，改善塑性和韧性,一、钢筋的强度和变形 4. 钢筋的徐变和松弛,徐变,应力不变，随时间的增长应变继续增加,松弛,长度不变，随时间的增长应力降低,对结构，尤其是预应力结构，产生不利的影响，需采取必要的措施,一、钢筋的强度和变形 5. 钢筋的疲劳,重复荷载作用下，钢筋的强度静载作用下的强度,规定的应力幅度内，经一定次数的重复荷载后，发生疲劳破坏的最大
6、应力值称为疲劳强度。对钢筋用疲劳应力幅来表示其疲劳强度。,试验方法,单根钢筋的轴拉疲劳,钢筋埋入混凝土中重复受拉或受弯,一、钢筋的强度和变形 6. 混凝土结构对钢筋的要求,强度要求：屈服强度和极限强度，抗震设计时还要求有一定的屈强比,塑性要求：伸长率和冷弯要求,可焊性,与混凝土的粘结性,一、钢筋的强度和变形 7. 钢筋应力-应变曲线的数学模型,有明显流幅的钢筋,无明显流幅的钢筋,二、混凝土的强度和变形 1. 单轴受力状态下混凝土的抗压强度,立方体抗压强度fcu,我国规范的方法：不涂润滑剂,压力试件裂缝发展扩张整个体系解体，丧失承载力,另影响强度的因素还有：龄期、加载速率、试块尺寸等,二、混凝土
7、的强度和变形 1. 单轴受力状态下混凝土的抗压强度,标准试块：150150 150,非标准试块：100100 100 换算系数 0.95 200200 200 换算系数 1.05,立方体抗压强度是区分混凝土强度等级的指标，我国规范混凝土的强度等级有： C15，C20，C25，C30，C35，C40，C45，C50，C55，C60，C65，C70，C75，C80,表示混凝土Concrete,立方体抗压强度,立方体抗压强度fcu,二、混凝土的强度和变形 1. 单轴受力状态下混凝土的抗压强度,强度指标的确定,强度,随机变量,根据统计资料，运用数理统计方法确定的具有一定保证率（95%）的统计特征值：
8、强度标准值=强度平均值-1.645均方差,二、混凝土的强度和变形 1. 单轴受力状态下混凝土的抗压强度,棱柱体抗压强度fc,标准试块：150150 300,非标准试块：100100 300 换算系数 0.95 200200 400 换算系数 1.05,考虑到承压板对试件的约束，立方体抗压强度大于棱柱体抗压强度，且有：fc=0.76fcu (试验结果) 考虑到构件和试件的区别，取fc=0.67fcu,对国外（美国、日本、欧洲混凝土协会等）采用的圆柱体试件（d=150, h=300），有fc=0.79fcu,圆柱体抗压强度,二、混凝土的强度和变形 2. 单轴受力状态下混凝土的抗拉强度,直接受拉试验
9、ft,试验结果：ft=0.395fcu 0.55 考虑到构件和试件的区别，尺寸效应，加荷速度等的影响，取ft=0.348fcu 0.55,二、混凝土的强度和变形 2. 单轴受力状态下混凝土的抗拉强度,劈裂试验fts,我国根据100mm立方体的劈裂与抗压试验结果有： fts=0.19fcu 3/4,二、混凝土的强度和变形 3. 复合受力状态下混凝土的强度,双轴应力下的强度,双向正应力下的强度曲线,法向应力和剪应力下的强度曲线,二、混凝土的强度和变形 3. 复合受力状态下混凝土的强度,三向受压时的混凝土强度,圆柱体试验,有侧向约束时的抗压强度,无侧向约束时圆柱体的单轴抗压强度,二、混凝土的强度和变
10、形 4. 混凝土的疲劳强度,重复荷载下的应力-应变曲线,fcf的确定原则：100100 300或150150 450 的棱柱体试块承受200万次（或以上）循环荷载时发生破坏的最大压应力值,二、混凝土的强度和变形 4. 混凝土的变形性能,单轴受压时的应力-应变关系,二、混凝土的强度和变形 4. 混凝土的变形性能,单轴受压时的应力-应变关系的数学模型,美国Hognestad模型,德国Rsch模型,二、混凝土的强度和变形 4. 混凝土的变形性能,单轴受压时的应力-应变关系的数学模型-中国规范,二、混凝土的强度和变形 4. 混凝土的变形性能,侧向受约束时混凝土的变形特点,二、混凝土的强度和变形 4.
11、混凝土的变形性能,轴向受拉时混凝土的应力应变关系,理论模型,二、混凝土的强度和变形 4. 混凝土的变形性能,重复荷载下混凝土的变形性能,二、混凝土的强度和变形 4. 混凝土的变形性能,混凝土的弹性模量,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）,切线模量,受压时，为0.41.0； 受拉破坏时，为1.0,二、混凝土的强度和变形 4. 混凝土的变形性能,混凝土的弹性模量的试验方法（150150 300标准试件）,510次,二、混凝土的强度和变形 4. 混凝土的变形性能,混凝土的泊松比和剪切模量,混凝土的泊松比，在压力较小时为0.150.18，接近破坏时可达0.5以上，一般
12、可取0.2,混凝土的剪切模量为,二、混凝土的强度和变形 4. 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,c0.5fc，线性徐变,c0.8fc，非线性徐变,原因之一，胶凝体的粘性流动,原因之二，混凝土内部微裂缝的不断发展,二、混凝土的强度和变形 4. 混凝土的变形性能,长期荷载作用下混凝土的变形性能-影响徐变的因素,应力： c0.8fc，造成混凝土破坏，不稳定,加荷时混凝土的龄期，越早，徐变越大,水泥用量越多，水灰比越大，徐变越大,骨料越硬，徐变越小,二、混凝土的强度和变形 4. 混凝土的变形性能,混凝土的收缩-结硬过程中混凝土体积缩小的性质,水泥品种：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,骨料：骨料越硬，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等,二、混凝土的强度和变形 4. 混凝土的变形性能,徐变对混凝土结构的影响,P拆去，钢筋受压混凝土受拉，可能会引起混凝土开裂,徐变： s， c,二、混凝土的强度和变形 4. 混凝土的变形性能,收缩对混凝土结构的影响,收缩： 钢筋受压， 混凝土受拉,