鋼筋和混凝土材料的力學性能—件PPT學習教案

1、鋼筋和混凝土材料的力學性能件本章重點本章重點(Emphasis)熟悉土木工程用鋼筋的品種、級別、性能及其選用原則（the variety，level，performance and selection principle of steel reinforcement）； 熟悉混凝土在各種受力狀態(tài)下的強度與變形性能 （strength and deformation of concrete under various loads)及其選用原則； 了解鋼筋與混凝土的粘結(jié)性能(bond between steel bar and concrete)。CH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能鋼筋和混凝土材料

2、的基本性能CH2. Mechanical Properties of Materials第1頁/共43頁鋼筋的力學性能指標？鋼筋的力學性能指標？為何以屈服強度作為鋼筋強度設(shè)計值的依據(jù)，為何以屈服強度作為鋼筋強度設(shè)計值的依據(jù)，而不是極限抗拉強度？而不是極限抗拉強度？混凝土結(jié)構(gòu)對鋼筋性能的具體要求？混凝土結(jié)構(gòu)對鋼筋性能的具體要求？小結(jié)小結(jié) 2.1 Performance of Steel BarCH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能鋼筋和混凝土材料的基本性能第2頁/共43頁結(jié)合鋼筋應(yīng)力結(jié)合鋼筋應(yīng)力-應(yīng)變曲應(yīng)變曲線和鋼筋混凝土梁受力線和鋼筋混凝土梁受力特點說明特點說明“為何將屈服為何將屈服強度作為鋼筋強

3、度設(shè)計強度作為鋼筋強度設(shè)計值的依據(jù)，而不是極限值的依據(jù)，而不是極限抗拉強度？抗拉強度？”任務(wù)任務(wù) 2.1 Performance of Steel BarCH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能鋼筋和混凝土材料的基本性能PPABBCDEUltimate stress fu Yielding stress fy 第3頁/共43頁鋼筋的力學性能指標鋼筋的力學性能指標 Index of mechanical propertiesfyfu-屈服強度屈服強度-極限抗拉強度極限抗拉強度fy / fu-屈強比屈強比強度儲備強度儲備塑性指標（延伸率elongation）冷彎性能強度指標strength IndexP

4、lasticity indexcold-formed capacityultimate tensile strengthyielding strength均勻伸長率均勻伸長率CH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能鋼筋和混凝土材料的基本性能2.1 Performance of Steel Bar回顧回顧第4頁/共43頁強度要求強度要求：保證經(jīng)濟性。：保證經(jīng)濟性。屈服強度屈服強度和和極限抗拉強度極限抗拉強度，還要，還要求有適當?shù)那笥羞m當?shù)那鼜姳取Ｇ鼜姳?。塑性要求塑性要求：保證結(jié)構(gòu)延性，給人以破壞的預(yù)兆。：保證結(jié)構(gòu)延性，給人以破壞的預(yù)兆。伸長率伸長率和和冷彎冷彎要求。要求?？珊感钥珊感裕轰摻钿摻詈附雍蟛?/p>

5、產(chǎn)生裂紋及過大的變形焊接后不產(chǎn)生裂紋及過大的變形，保證，保證焊接后的接頭性能良好。焊接后的接頭性能良好。與混凝土的粘結(jié)性與混凝土的粘結(jié)性：保證鋼筋和混凝土：保證鋼筋和混凝土共同工作共同工作。4 混凝土結(jié)構(gòu)對鋼筋性能的要求耐久性和耐火性耐久性和耐火性：設(shè)置必要的混凝土：設(shè)置必要的混凝土保護層保護層。CH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能2.1 Performance of Steel Bar可焊性刻痕鋼絲第5頁/共43頁混凝土水泥水骨料混凝土水泥水骨料混凝土是多空隙、不均勻的物體，混凝土是多空隙、不均勻的物體，內(nèi)部存在許多微裂紋內(nèi)部存在許多微裂紋水化過程長，性能需較長時間才能穩(wěn)定水化過程長，性能需較

6、長時間才能穩(wěn)定ConcretecementwateraggregatesCH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能鋼筋和混凝土材料的基本性能2.2 Performance of Concrete混凝土的組成特點混凝土的組成特點 Composition feature of Concrete第6頁/共43頁Cube compressive strengthPrism compressive strength Tensile strengthCompressive strength under bi-axial or tri-axial loadsCH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能鋼筋和混凝土材料的基本性

7、能2.2 Performance of ConcreteEmphasis ：the strength of concreteEmphasis ：the deformation of concreteDeformation of concrete under axial and tri-axial compressive loads第7頁/共43頁 試驗證明，結(jié)構(gòu)混凝土試驗證明，結(jié)構(gòu)混凝土在承受荷載或外應(yīng)力之前，在承受荷載或外應(yīng)力之前，內(nèi)部就已經(jīng)內(nèi)部就已經(jīng)存在少量、分散存在少量、分散的微裂縫的微裂縫，寬，寬(25)10-3、最長最長(12mm)，其，其主要原因主要原因是在混凝土的凝固過程中，是在

8、混凝土的凝固過程中，粗骨料和水泥砂漿的收縮差粗骨料和水泥砂漿的收縮差和和不均勻溫濕度場所產(chǎn)生的不均勻溫濕度場所產(chǎn)生的微觀應(yīng)力場微觀應(yīng)力場。2.2.1. Strength of ConcreteCH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能鋼筋和混凝土材料的基本性能2.2 Performance of Concrete在逐漸受壓過程中，混凝在逐漸受壓過程中，混凝土試塊的破壞是土試塊的破壞是內(nèi)部微裂內(nèi)部微裂縫逐漸發(fā)展縫逐漸發(fā)展(Extension of micro-cracks)的結(jié)果。的結(jié)果。粘粘結(jié)結(jié)裂裂縫縫混凝土加載前的內(nèi)部微裂縫混凝土加載前的內(nèi)部微裂縫第8頁/共43頁 = 0.85 max = 0.65

9、 max粘粘結(jié)結(jié)裂裂縫縫 = = max = 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展，可以分作縫逐漸增多和擴展，可以分作三個階段三個階段：CH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能鋼筋和混凝土材料的基本性能2.2 Performance of Concrete微裂縫不發(fā)展微裂縫不發(fā)展微裂縫擴展微裂縫擴展微裂縫非穩(wěn)定發(fā)展微裂縫非穩(wěn)定發(fā)展混凝土破壞混凝土破壞用用X光觀測的混凝土單軸受壓的裂縫過程光觀測的混凝土單軸受壓的裂縫過程2.2.1. Strength of Concrete第9頁/共43頁 = 0.85 max = 0.6

10、5 max粘粘結(jié)結(jié)裂裂縫縫 = = max = 0CH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能鋼筋和混凝土材料的基本性能2.2 Performance of Concrete微裂縫不發(fā)展微裂縫不發(fā)展微裂縫擴展微裂縫擴展微裂縫非穩(wěn)定發(fā)展微裂縫非穩(wěn)定發(fā)展混凝土破壞混凝土破壞結(jié)論：結(jié)論：混凝土受壓破壞是由于混凝土混凝土受壓破壞是由于混凝土內(nèi)裂縫的擴展所內(nèi)裂縫的擴展所致致。如果對混凝土的。如果對混凝土的橫向變形加以約束橫向變形加以約束，限制裂縫的開限制裂縫的開展展，則可以，則可以提高提高混凝土縱向混凝土縱向抗壓強度抗壓強度。2.2.1. Strength of Concrete第10頁/共43頁立方體抗壓強度立

11、方體抗壓強度(Cube Compressive Strength) fcu1） 單軸受力狀態(tài)下的混凝土強度（under axial loads）CH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能鋼筋和混凝土材料的基本性能2.2 Performance of Concrete2.2.1. Strength of Concrete軸心抗壓強度軸心抗壓強度(Axial Compressive Strength) fc軸心抗拉強度軸心抗拉強度(Axial Tensile Strength) ft第11頁/共43頁承壓板試塊溫度：溫度：202033相對濕度：相對濕度：9090標準標準條件條件養(yǎng)護養(yǎng)護28d28d標準標準

12、試驗方法試驗方法抗壓強度抗壓強度邊長為邊長為150mm150mm的的標準標準立方體立方體試塊試塊加載速度：加載速度：0.150.150.25MPa/s0.25MPa/s全截面受力，表面不涂潤滑劑全截面受力，表面不涂潤滑劑CH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能鋼筋和混凝土材料的基本性能2.2 Performance of ConcreteCube compressive strength fcu第12頁/共43頁影響因素一：潤滑劑(lubricant)摩擦力friction不涂潤滑劑不涂潤滑劑涂潤滑劑涂潤滑劑強度大于強度大于立方體抗壓強度影響因素立方體抗壓強度影響因素(Factors that af

13、fect the cube strength) The friction between the heads of the testing machine and the specimen offers some lateral constraint to restrict the lateral expansion of the specimen under pressure, so the specimen can take a higher compressive strength. 承壓板試塊CH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能鋼筋和混凝土材料的基本性能2.2 Performance o

14、f Concrete第13頁/共43頁影響因素二：尺寸(Size)標準試塊標準試塊150150 150非標準試塊非標準試塊100100 100 非標準試塊非標準試塊200200 200 1.05 : 1 : 0.95尺寸越大尺寸越大, ,內(nèi)部缺陷較多內(nèi)部缺陷較多; ;尺寸越大，套箍作用越不明顯。尺寸越大，套箍作用越不明顯。試塊尺寸越大，實測破壞強度越低。試塊尺寸越大，實測破壞強度越低。The smaller the size of the specimen, the higher the compressive strength.CH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能鋼筋和混凝土材料的基本性能2.

15、2 Performance of Concrete立方體抗壓強度影響因素立方體抗壓強度影響因素(Factors that affect the cube strength)第14頁/共43頁影響因素三：加載速度The loading speed加載速度快，內(nèi)部微裂紋來不及擴展加載速度快，內(nèi)部微裂紋來不及擴展實測強度提高實測強度提高 The loading speed increases more rapidly during the test, the compressive strength will be higher.CH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能鋼筋和混凝土材料的基本性能2.2 P

16、erformance of Concrete立方體抗壓強度影響因素立方體抗壓強度影響因素(Factors that affect the cube strength)第15頁/共43頁 另外，影響因素還有另外，影響因素還有齡期齡期、養(yǎng)護養(yǎng)護條件、條件、材料材料組成、試件組成、試件形狀形狀以及試驗以及試驗方法方法等。等。CH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能鋼筋和混凝土材料的基本性能2.2 Performance of Concrete 因此，在建立混凝土的強度時，需要規(guī)定一個因此，在建立混凝土的強度時，需要規(guī)定一個統(tǒng)一的標準統(tǒng)一的標準作作為依據(jù)。為依據(jù)。溫度：溫度：202033相對濕度：相對濕度：

17、9090邊長為邊長為150mm150mm的的標準標準立方體立方體試塊試塊標準標準條件條件養(yǎng)護養(yǎng)護28d28d標準標準試驗方法試驗方法加載速度：加載速度：0.150.150.25MPa/s0.25MPa/s全截面受力，表面不涂潤滑劑全截面受力，表面不涂潤滑劑抗壓強度抗壓強度Cube compressive strength fcu第16頁/共43頁具有95保證率的立方體抗壓強度標準值 (N/mm2) 14 gradesC15 C20 C25 C30 C35 C40 C45C50 C55 C60 C65 C70 C75 C80高強混凝土高強混凝土代表代表Concrete立方體抗壓強立方體抗壓強度標

18、準值度標準值fcu,kCH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能鋼筋和混凝土材料的基本性能2.2 Performance of Concrete混凝土的強度等級strength grade of concrete按立方體抗壓強度標準值fcu,k確定概率密度材料強度強度平均值強度標準值第17頁/共43頁承壓板試塊 抗壓強度與試件形狀有關(guān)，實際構(gòu)件往往是棱柱體，棱柱體抗壓強度比立方體試件能更好地反映混凝土的實際抗壓能力。真實反映混凝土的實際工作狀態(tài)CH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能鋼筋和混凝土材料的基本性能2.2 Performance of ConcreteAxial compressive stren

19、gth fc32=bh 試件長度不宜過小或過大：擺脫端部摩擦力的影響；試件不致失穩(wěn)或發(fā)生較大彎曲變形。Standard specimen :150150 300(450)mm第18頁/共43頁CH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能鋼筋和混凝土材料的基本性能2.2 Performance of Concrete 試驗量測到fc值比fcu值小，并且棱柱體試件高寬比( (即h/b) )越大，它的強度越小。承壓板試塊Axial compressive strength fc 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)。真實反映混凝土的實際工作狀態(tài) 通過大量比對試驗，可建

20、立fc值與fcu值之間的關(guān)系式。第19頁/共43頁 fc 與 fcu 的關(guān)系mcumcff,21,88. 0=立方體抗壓強度試驗平均值脆性折減系數(shù)：C40以下：C80：1287. 0282. 0C8076. 050C111：立方體強度棱柱體強度考慮實際構(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鋼筋和混凝土材料的基本性能2.2 Performance of Concretefc 與與 fcu的關(guān)系曲線的關(guān)系曲線第20頁/共43頁Axial tensile strength ft 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，通過直接受拉試驗測量抗拉

21、強度是很困難的，試驗數(shù)據(jù)離散性很大。100100150150500 直接測試法直接測試法 誤差大難實現(xiàn)CH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能鋼筋和混凝土材料的基本性能2.2 Performance of Concrete混凝土的抗裂、抗剪、抗扭、抗沖切等與之有關(guān)。試驗方法未統(tǒng)一。第21頁/共43頁dlFfst2,=ddftsFFFF根據(jù)彈性根據(jù)彈性力學知識力學知識試件中間垂直截面除加力點附近很小的范圍外，有均勻分布的水平拉應(yīng)力。當拉應(yīng)力達到混凝土的抗拉強度時，試件被劈成兩半。CH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能鋼筋和混凝土材料的基本性能2.2 Performance of ConcreteAxial

22、 tensile strength ft劈裂試驗劈裂試驗(splitting test )第22頁/共43頁CH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能鋼筋和混凝土材料的基本性能2.2 Performance of ConcreteAxial tensile strength ft抗折試驗抗折試驗(bending test )Standard specimen :150150 500600mmfr=Mu / W第23頁/共43頁ft與與fcu之間的換算關(guān)系之間的換算關(guān)系 55.0,2,395.088.0mcumtff= 混凝土的脆性系數(shù)，當混凝土的強度等級不大混凝土的脆性系數(shù)，當混凝土的強度等級不大于于

23、C40時，時， =1.0；當混凝土的強度等級為；當混凝土的強度等級為C80時，時， =0.87；其間按線性插值。其間按線性插值。222 0.88考慮結(jié)構(gòu)中的混凝土強度與試塊混凝上強度之間的差異等因素的修正系數(shù)。55. 0,395. 0mcuf為軸心抗拉強度與立方體抗壓強度的折算關(guān)系。CH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能鋼筋和混凝土材料的基本性能2.2 Performance of Concreteft=0.395第24頁/共43頁雙軸應(yīng)力下的強度雙軸應(yīng)力下的強度under bi-axial load2）復(fù)合受力狀態(tài)下混凝土的強度under bi-axial or tri-axial loads雙

24、向受拉，1與2的相互影響不大，雙向受拉強度均接近于單向受拉強度。一向受拉，另一向受壓，混凝土強度均低于單向拉伸或壓縮的強度，即雙向異號應(yīng)力使強度降低。雙向受壓，一向強度隨另一向應(yīng)力的增加而增加。CH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能鋼筋和混凝土材料的基本性能2.2 Performance of Concrete第25頁/共43頁三向受壓時的強度三向受壓時的強度under tri-axial load 3=fcc 3=fcc 1= 2= fLfL-側(cè)向約束壓側(cè)向約束壓應(yīng)力（加液壓）應(yīng)力（加液壓）三軸受壓試驗三軸受壓試驗Lcccfff4=Strength with lateral constraint

25、Strength without lateral constraint混凝土一向抗壓強混凝土一向抗壓強度隨另兩向側(cè)壓力度隨另兩向側(cè)壓力的增加而提高，同的增加而提高，同時軸向變形能力也時軸向變形能力也明顯提高明顯提高試驗系數(shù)，試驗系數(shù)，C50為為1.0；C80為為0.85；其間線性內(nèi)插。；其間線性內(nèi)插。CH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能鋼筋和混凝土材料的基本性能2.2 Performance of Concrete2）復(fù)合受力狀態(tài)下混凝土的強度under bi-axial or tri-axial loads第26頁/共43頁對于縱向受壓的混凝土，對于縱向受壓的混凝土，約束混凝土的側(cè)向變形約束混

26、凝土的側(cè)向變形，可使混，可使混凝土的凝土的抗壓強度抗壓強度和和延性延性有較大提高。實際工程中常用有較大提高。實際工程中常用鋼管混凝土鋼管混凝土柱、螺旋鋼箍柱柱、螺旋鋼箍柱。CH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能鋼筋和混凝土材料的基本性能2.2 Performance of Concrete第27頁/共43頁CH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能鋼筋和混凝土材料的基本性能2.2 Performance of Concrete第28頁/共43頁CH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能鋼筋和混凝土材料的基本性能第29頁/共43頁CH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能鋼筋和混凝土材料的基本性能2.2 Performan

27、ce of Concrete第30頁/共43頁2.2.2 Deformation behavior of concrete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鋼筋和混凝土材料的基本性能2.2 Performance of Concrete第31頁/共43頁受壓應(yīng)力受壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系應(yīng)變關(guān)系Stress-strain relationship under axial compressive load作用是峰值應(yīng)力后，吸收試驗機的變形能，測出下降段。1）一次短期

28、加載下的變形）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)定擴展內(nèi)部微裂縫非穩(wěn)定擴展峰值應(yīng)變(peak strain)0取0.002裂縫迅速發(fā)展，內(nèi)部整體性嚴重破壞極限壓應(yīng)變(ultimate strain)u取0.0033CH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能鋼筋和混凝土材料的基本性能2.2 Performance of Concrete百分表第32頁/共43頁(MPa)fco0(10-3)abcd225201510546810混凝土強度提高加載速度減慢影響因素影響因素(Factors) Grade of concrete Loading speed The conditi

29、on of lateral constraintCH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能鋼筋和混凝土材料的基本性能2.2 Performance of Concrete1）一次短期加載下的變形）一次短期加載下的變形第33頁/共43頁CH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能鋼筋和混凝土材料的基本性能2.2 Performance of Concrete第34頁/共43頁受拉應(yīng)力受拉應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系應(yīng)變關(guān)系Stress-strain relationship under tension loadCH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能鋼筋和混凝土材料的基本性能2.2 Performance of Concrete1）

30、一次短期加載下的變形）一次短期加載下的變形極限拉應(yīng)變(ultimate strain)t取1.510-4第35頁/共43頁Stress-strain relationship under repeated load破壞破壞fcf321fcf的確定原則：的確定原則：100100 300或或150150 450 的的棱柱體試塊承受棱柱體試塊承受200200萬次萬次（或以上）循環(huán)荷載時發(fā)生（或以上）循環(huán)荷載時發(fā)生破壞的最大壓應(yīng)力值破壞的最大壓應(yīng)力值2）重復(fù)荷載下混凝土的變形性能）重復(fù)荷載下混凝土的變形性能 The deformation performance under repeated load

31、CH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能鋼筋和混凝土材料的基本性能2.2 Performance of Concrete第36頁/共43頁13)混凝土的彈性模量混凝土的彈性模量Elastic Modulus of Concrete c c ccpe原點切線模量：原點切線模量：拉壓相同拉壓相同0tgEc=割線模量割線模量secant modulus1tgEc=切線模量切線模量 tangent modulustgEc= 是材料變形性能的主要指標，是材料變形性能的主要指標，在計算構(gòu)件變形、截面應(yīng)力在計算構(gòu)件變形、截面應(yīng)力和預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的預(yù)應(yīng)力損失等時用。和預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的預(yù)應(yīng)力損失等時用。0CH2.鋼筋和混凝土材料的基本性能鋼筋和混凝土材料的基本性能2.2 Perform