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1、主 讲:付超 电 话:15939723200 邮 箱:,混凝土结构基本原理,第2章 混凝土结构材料的物理力学性能,2.1 混凝土的物理力学性能 2.2 钢筋的物理力学性能 2.3 钢筋与混凝土的粘结 2.4 钢筋的锚固,理解单轴和复合受力状态下混凝土的强度和混凝土 的变形性能; 混凝土结构对钢筋性能的要求; 了解钢筋的强度和变形、级别、品种; 熟悉掌握钢筋与混凝土共同工作的原理。,学习目的:,学习要求:,了解单轴受力状态下混凝土强度的标准检验方法,混凝土强度和强度等级; 掌握混凝土在一次短期加载时的变形性能,混凝土处于三向受压的变形特点;(难) 理解混凝土在重复荷载作用下的变形性能; 理解混凝
2、土的弹性模量、徐变和收缩性能;(难) 了解钢筋的强度和变形、钢筋的成分、级别和品种,混凝土结构对钢筋性能的要求; 掌握钢筋的应力-应变关系曲线的特点和数学模型,分清双直线和三折线模型所代表的钢筋类型;(难) 掌握钢筋和混凝土的粘结性能。,2.1 混凝土的强度和变形 2.1.1 混凝土的组成,4组分:水泥、水、石子、砂; 6组分:水泥、水、石子、砂,外掺料,高效减水剂;,影响强度的因素: 龄期、加载速率、试块尺寸、约束条件等。,混凝土(Concrete):简称 “砼(tng)”,是指由胶凝材料将集料胶结成整体的工程复合材料的统称。,2.1.2 单轴受力状态下混凝土的抗压强度,1、立方体抗压强度f
3、cu,我国规范的方法:不涂润滑剂。 其中润滑剂只要起减小试件与压力机垫板间的摩擦力的作用,此时可忽略“套箍作用”的影响,所测得的抗压强度较低。,压力试件裂缝发展扩张整个体系解体,丧失承载力。,影响强度的因素还有:龄期 、加载速率 、试块尺寸、约束条件等。,承压面受竖向力和水平力作用,产生三维不均匀的应力场:垂直中轴线上各点为明显的三轴受压,四条垂直棱边接近单轴受压,承压面的水平周边为二轴受压,竖向表面上各点为二轴受压或二轴压/拉,内部各点则为三轴受压或三轴压/拉应力状态。,受三维不均匀的应力场影响实际受力非单轴受压。,标准试块:150150 150,在(20 3) 的温度和相对湿度90%以上的
4、潮湿空气中养护28d,按照标准试验方法测得的抗压强度作为混凝土的立方体抗压强度。,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,我国规范中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MPa,1.立方体抗压强度fcu,尺寸效应:同种混凝土试件,尺寸越小强度越高。,立方体抗压试验的意义 不能代表混凝土在实际构件中的受力状态; 可作为衡量混凝土强度水平和品质的标准。,2、棱柱体的
5、抗压强度fc,标准试块:试件的制作、养护、加载龄期和试验方法均与立方体试件的标准试验相同。且混凝土的棱柱体抗压强度随试件高厚比的增大而单调下降,但h/b 2后,强度值已变化不大,故标准尺寸为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);,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,为了消除立方体试件两端局部应力 和约束变形的影响,可改用
6、棱柱体或圆柱体试件进行抗压试验。,由San Vinent原理,加载面上的不均匀垂直应力和总和为零的水平应力,只影响试件的端部的局部范围(高度约等于试件宽度),中间部分已接近于均匀的单轴受压应力状态。,棱柱体抗压强度=试件的破坏荷载/试件的截面积,也可称为轴心抗压强度。,2.1.2 单轴受力状态下混凝土的抗拉强度,1、直接受拉试验ft (轴心抗拉强度),与混凝土构件的开裂、变形,以及受剪、受扭、受冲切等承载力有关。,试件为100mm100mm500mm的柱体,破坏时试件中部产生横向裂缝,破坏截面上的平均拉应力即为轴心抗拉强度ft 。,试验结果: ft=0.26fcu 2/3 CEB-FIP MC
7、90: 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=0.23fcu 2/3,fcu , 混凝土的立方体和圆柱体抗压强度。,Comite Euro-International du Beton.,轴心抗拉强度 ft 与立方体抗压强度 fcu 的关系,轴心抗拉强度与立方体抗压强度不成线性关系,fcu越大,fcu / ft值越小。,线性回归:,试件尺寸小者,实测抗拉强度偏高;尺寸较大者强度偏低。,mean value,2、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 ,由于混凝土内部的不均匀性和安装试件的偏差等原因,采用直接轴心受拉试验测定
8、抗拉强度很困难。国内外常采用圆柱体或立方体的劈裂试验间接测试混凝土的轴心抗拉强度。,根据弹性理论,轴心抗拉强度的试验值:,我国采用立方体试件,钢制垫条,国外为圆柱体试件,胶木垫条。,对于同一混凝土,轴拉试验和劈拉试验测得的抗拉强度并不相同。,3、混凝土强度的标准值,规范对标准值的规定: 规定材料强度的标准值fk应具有不小于95%的保证率,混凝土轴心抗压强度标准值fck与混凝土强度等级的关系为:,混凝土轴心抗拉强度标准值ftk与混凝土强度等级的关系为:,立方体抗压强度标准值,棱柱体抗压强度平均值,标准立方体抗压强度平均值,2.1 混凝土的强度和变形 2.1.3 复合受力状态下混凝土的强度,1、双
9、轴应力下的强度,I象限(双轴受拉)影响不大; III象限(双轴受压)增大; 、象限抗压、抗拉强度随拉应力增加而减小;,抗剪强度随压应力的增加先增后减,随拉应力增加而减小;,I,III,0单轴向受力状态下的混凝土强度。,fc混凝土的轴心抗压强度。,1,1,2,2,单轴受拉,单轴受压,实际结构中,混凝土很少处于单向受力状态,抗拉强度随剪应力的存在而减小。,2、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,侧向约束压应力,侧向压力系数,2.1 混凝土的强度和变形 2.1.4 混凝土的变形,1、变形的类型 受力变形混凝土在一次短期加载、长期加载或多次重复
10、荷载作用下产生的变形; 体积变形指由于混凝土的收缩以及温度和湿度的变化所产生的变形。,单轴受压时的应力-应变关系:,2、一次短期加载下混凝土的变形性能,一次短期加载是指荷载从零开始单调增加至试件破坏,也称单调加载。,a比例极限点; b临界点; c峰值点; d拐点(凹-凸); e收敛点(曲率最大)。,d,e,o,读音“epsilon”,OA段 应力较小,混凝土的变形主 要是骨料和水泥结晶体受力产 生的弹性变形,应力-应变关系 接近直线; AB段 裂缝稳定扩展阶段,除混凝 土本身的变形外,还有水泥胶 体的粘性流动以及初始微裂缝 的影响。,BC段 进入裂缝快速发展的不稳定状态,其中通常取峰值应力ma
11、x作为混凝土 棱柱体抗压强度的试验值fc0,相应的应变为峰值应变,一般取0210-3。 CD段 峰值应力以后,裂缝迅速发展,试件的平均应力强度下降。曲线出现拐 点,超过拐点后,只靠骨料间的咬合力及摩擦力与残余承压面来承受荷载。 DE段 随变形增加,应力-应变曲线逐渐凸向应变轴方向,构件出现贯通的主裂 缝,承载能力已经很小。此段曲线中曲率最大的一点E称为收敛点。 (6) EF段 对于无侧向约束的收敛段EF已失去结构意义,即结构已失去稳定。,温度和混凝土收缩时在混凝土内部骨料和胶结物界面上产生,不同强度混凝土的应力-应变关系曲线,混凝土强度对应力-应变关系的影响,混凝土的强度等级越高: -曲线中线
12、弹性段越长; 峰值应变0有所增大; 脆性越显著,下降段越陡。,(1)单轴受压时的应力-应变关系-国外模型,美国Hognestad模型,德国Rsch模型,(2)单轴受压时的应力-应变关系-中国规范,(3)侧向受约束(三向受压)时混凝土的变形特点,fcc有侧向约束时试件的轴心抗压强度; fc 无侧向约束时试件的轴心抗压强度; 由试验可知,当混凝土试件受到约束时,可提高其抗压强度及延性。 试验中静水压力;工程中密排螺旋筋或箍筋。,混凝土微裂缝的发展将导致横向变形增大,若对横向变形加以约束,就可以限制微裂缝的发展,从而可提高混凝土的抗压强度。,约束混凝土概念的提出,通过配置螺旋箍筋,来约束混凝土的横向
13、变形,从而提高混凝土抗压强度和变形能力。变形能力的提高对于抗震结构十分重要。, 当应力较小时,横向变形小,箍筋的约束作用不明显; 当应力超过时,混凝土的侧向膨胀使螺旋箍筋产生环向拉应力,其反力使横向变形受到约束,从而提高了混凝土的强度和变形能力。,(4)混凝土的变形模量,1)弹性模量EC:拉、压时相似,指应力-应变曲线在原点切线的斜率,亦称为原点切线模量。该模量仅适用于应力小于A的情况。,由于混凝土受压应力-应变关系是一条曲线,在不同的应力阶段,应力/应变式变数,因此不能称为弹性模量,而称其为变形模量。,混凝土的弹性模量EC的试验方法 (150150 300标准试件),510次,0如何确定:
14、对标准尺寸150150300的棱柱体试件,先加载至=0.5fc,然后卸载至零,再重复加载卸载510次,以期消除残余变形的影响,最终的应力应变关系逐渐趋于直线。,当混凝土进入塑性阶段,初始弹性模量已不能反应其应力-应变关系,此时可用割线模量或切线模量来进行表示。,2)变形模量 (割线模量、弹塑性模量),指应力-应变曲线上任一点处割线的斜 率。当应力大于A(A点为比例极限点), 可采用该模量计算混凝土的变形。,当受压时,=0.51.0; 受拉破坏时,=1.0,3)切线模量,在混凝土应力-应变曲线上任一点应力为c处作一切线,切线与横坐标轴交角为,则该处的应力增量与应变增量的比值称为应力c处混凝土的切
15、线模量 ,即:,混凝土的切线模量随应力的增大而减小。,(5)混凝土的泊松比和剪切模量,混凝土的泊松比,指横向应变与纵向应变之比值,也叫横向变性系数,是反映材料横向变形的弹性常数。 当压力较小时为0.150.18,接近破坏时可达0.5以上,一般可取0.2;,混凝土的剪切模量为:,(6)轴向受拉时混凝土的应力-应变关系,理论模型,oa段:当 (0.40.6)ft时,混凝土的变形按比例增加; ac段:出现少量塑性变形,应变增长稍快,曲线微凸,并出现峰值; ce段:曲线进入下降段,裂缝逐渐沿截面周边贯通,截面的残余承载力为未开裂面积和裂缝面的骨料咬合作用提供,直至裂缝贯穿全截面,试件拉断。,峰值拉应变
16、,极限拉应变,与轴向受压时混凝土的应力-应变关系相似。,混凝土受拉应力-应变关系, 混凝土受拉应力-应变关系的上升段 与受压情况相似; 原点切线模量也与受压时基本一致; 当应力达到抗拉强度ft时,弹性系数0.5,即有,峰值拉应变为:,混凝土受压和受拉破坏裂缝的宏观表征比较,3、长期荷载作用下混凝土的变形性能-徐变,混凝土在压应力c(保持不变)长期作用下,除在加载龄期t0时产生瞬时压应变c(弹性变形,应变不会随时间而持续增长)外,其压应变随时间增长而不断增长的现象称为徐变。,缺点: 1、增大结构构件的挠度; 2、对于预应力混凝土结构,徐变会引起预应力损 失,降低预应力的效果; 3、在长期高应力作
17、用下,甚至会导致混凝土破坏。 优点: 1、有利于内(应)力重分布(对于局部应力集中区,徐变可调整 应力分布),可减少由于支座不均匀沉降引起的内(应)力; 2、减小大体积混凝土内的温度应力; 3、减小收缩裂缝等。,前4个月增长较快,6个月可达徐变终值的70%80%,2、3年后趋于稳定。,原因之一,水泥胶凝体的粘性流动;,原因之二,混凝土内部微裂缝的不断发展。,c=const,试件在作用恒载后卸载至零,极限徐变cr,起始应变ci,骨料和水泥砂浆的弹性变形;,微裂缝少量发展;,随时间延长,有少量滞后的恢复变形出现,徐变的原因:,加载龄期内的瞬时变形,(1)影响徐变的因素,应力: c0.8fc,造成混
18、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。,一般取0.75fc0.8fc为混凝土的长期极限强度。,棱柱体轴心抗压强度,徐变系数:,当c0.5fc时,徐变在两年后趋于稳定, =24。,徐变系数越大,说明混凝土徐变对结构构件的影响越显著。,(2)徐变对混凝土结构的影响,徐变 (应力重分布) s c,4、混凝土的收缩 -混凝土在空气中硬化时,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。 构件尺寸
19、:小尺寸收缩较快,大尺寸收缩较慢。,(1)影响混凝土收缩的因素:,收缩是混凝土在不受外力作用情况下的体积变形。当这种自发变形发生在外部(支座)或内部(钢筋)的约束时,将使混凝土中产生拉应力,甚至引起混凝土的开裂。,混凝土的收缩随时间发展的规律,混凝土的收缩变形随时间而增长。早期收缩发展较快,一个月可完成约50%,以后变形发展逐渐减慢,整个收缩过程可持续两年以上。 一般收缩应变终极值为(25)10-4,而混凝土开裂时的拉应变约为(0.52.7)10-4 ,可见收缩应变如受到约束很容易导致开裂。,在正常养护的条件下,砼强度随龄期的增长而不断发展,最初714d内强度发展较快,以后逐渐缓慢,28d达到
20、设计强度,并根据28d抗压强度确定砼的强度等级。,(2)收缩对混凝土结构的影响,收缩: 钢筋受压, 混凝土受拉,5、重复荷载下混凝土的变形性能,包络线沿重复荷载下混凝土应力-应变曲线的外轮廓描绘所得的光滑曲线。 疲劳在荷载重复作用下产生变形。,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。,但当应力超过某一限值,则经过多次重复加载卸载,其应力-应变关系由凸向应力轴逐渐变成凸向应变轴,且应变越来越大,试件很快被压坏。这个限值就是混凝土能抵抗重复加载的最大应力值,称为混凝土的疲劳抗压强
21、度fcf。,混凝土是弹塑性材料, 一次加、卸载后,应变不 能全部恢复,保留有残余 应变。但一般重复加、卸 载510次以后,其应力- 应变曲线就会越来越闭合 成一直线,此时混凝土如 弹性材料一样工作。,由凸向应力轴逐渐变成凸向应变轴,且应变越来越大,混凝土的疲劳强度与重复作用时应力变化的幅度有关。在相同的重复次数下,疲劳强度随疲劳应力比值的减小而增大。 疲劳应力比值cf:,截面同一纤维上的混凝土最小应力及最大应力。,混凝土结构设计规范规定,混凝土轴心受压、轴心受拉疲劳强度设计值fcf 、 ftf应按其混凝土轴心受压强度设计值fc、轴心受拉强度设计值ft分别乘以相应的疲劳强度修正系数确定。,fcf
22、 = fc ,ftf = ft ,6、混凝土结构对混凝土的要求,强度要求:抗压强度为主;,变形要求;,耐久性要求;,与钢筋的粘结性;,2.2 钢筋的物理力学性能 2.2.1 钢筋的种类和说明,一、钢筋的种类 1、钢筋和钢丝 钢筋有热轧钢筋、热处理钢筋、冷拉钢筋、冷轧带肋钢筋和冷轧扭钢筋五种。 (1)热轧钢筋是将钢材在高温状态下轧制而成,根据其强度的高低,分为HPB235、HRB335、HRB400和RRB400四个等级。 HPB235级钢筋为光面钢筋,多作为现浇楼板的受力钢筋和箍筋; HRB335、HRB400和RRB400级钢筋为变形钢筋,多作为钢筋混凝土构件的受力钢筋,HRB335亦可作为
23、大尺寸构件的箍筋。 (2)热处理钢筋是将热轧钢筋的螺纹钢筋再通过淬火和回火的调质热处理,能显著提高钢筋强度。,冷加工钢筋是由热轧钢筋或盘条经冷拉、冷拔、冷轧、冷轧扭加工后而成。经冷加工后,其强度提高,但延伸率降低,用于预应力构件时易造成脆性断裂。 (3)冷拉钢筋是由热轧钢筋在常温下用机械拉伸而成,冷拉后钢筋内部组织结构发生变化,其屈服强度能够提高。冷拉钢筋也分为冷拉、冷拉、冷拉、冷拉四个级别。 (4)冷轧带肋钢筋是用普通低碳钢或低合金钢热轧圆盘条为母材,经冷轧或冷拔后,在其表面冷轧成三面或二面月牙形横肋的钢筋,可明显提高屈服强度,冷轧 带肋钢筋按强度高低分为550,650,800MPa三个级别
24、。 (5)冷轧扭钢筋是将低碳钢热轧圆盘条,经专用的钢筋冷轧扭机调直、冷轧并冷扭一次成型,具有规定截面形状和节距的连续螺旋状钢筋。冷轧扭钢筋根据其截面形状不同分为型(为矩形截面)和型(为菱形截面)两种。,钢丝和钢绞线 多用于预应力混凝土结构。 钢丝的外形有光面、刻痕和螺旋肋三种,另有三股和七股钢绞线。 高强钢丝和钢绞线的抗拉强度可达14701860MPa。,2、碳素钢钢筋和普通低合金钢钢筋 按化学成分的不同,钢筋可分为碳素钢钢筋和普通低合金钢钢筋两类。 HPB235钢筋和钢丝属于碳素钢钢筋; HRB335、HRB400、RRB400及热处理钢筋属于普通低合金钢钢筋。 碳素钢的性能与含碳量多少有关
25、,含碳量增加,能使钢筋强度提高,性质变硬,使钢筋的塑性和韧性降低,焊接性能也变差。碳素钢按含碳量的多少分为低碳钢(含碳量0.25%)、中碳钢(含碳量0.25%0.60%)、高碳钢(含碳量0.60%1.4%)。用作钢筋的主要是低碳钢和中碳钢。 如果炼钢时在碳素钢的基础上加入少量(一般不超过3.5%)合金元素,就成为普通低合金钢。普通低合金钢钢筋具有强度高,塑性及焊接性能好的特点,因而应用较为广泛。,3、光面钢筋和变形钢筋 按钢筋表面形状不同可分为光面钢筋和变形钢筋两类。光面钢筋的表面是光圆的(图a)。常用的热轧变形钢筋根据其表面肋的形状不同有螺旋纹(图 b)、人字纹(图c)和月牙纹(图d)钢筋。
26、由于变形钢筋与混凝土有良好的粘结性能,在建筑工程中多用。,热轧钢筋的符号说明,HPB235,生产工艺: hot rolled,表面形状:plain,钢筋:bar,屈服强度,二、钢筋的符号说明,当应力达到一定值时,金属开始从弹性状态非均匀的向弹-塑性状态过度,此时应力虽不增加(或在微小范围内波动),而变形却急速增长的现象,称为屈服。而此应力定值称为屈服强度,是钢材设计应力的依据。,HRB335,hot rolled(热轧),ribbed(肋),bar,RRB400,remained heat treatment(余热处理),ribbed,bar,热轧钢筋的符号说明,屈服强度,热轧钢筋的屈服强度(
27、N/mm2),以上四个符号,均读作:“phi”,预应力钢筋的符号说明,钢绞线 S Strand(股),光面钢丝 P Plain,刻痕钢丝 I Indented(缩进),螺旋肋钢丝 H Helix(螺旋),热处理钢筋 HT Heat-treated,预应力钢筋的屈服强度(N/mm2),1、软钢的应力应变曲线,a 比例极限; a 弹性极限;,ob 弹性阶段;,e极限抗拉强度;f 极限应变;,cd屈服阶段(流幅);,de强化阶段;,ef 破坏阶段(颈缩);,2.2 钢筋的物理力学性能 2.2.2 钢筋的强度与变形,e点对应的横坐标称为钢筋的(均匀)伸长率,它表示钢筋的塑性性能。 钢筋的含碳量越高,其
28、屈服强度和抗拉强度越高,而其伸长率越小,流幅也相应缩短。,b 屈服上限;c 屈服下限;,钢筋的应力-应变关系曲线,一般采用原钢筋、表面不经切削加工的试件进行拉伸试验加以测定。 根据应力-应变曲线上有无明显的屈服台阶,将钢材分为软钢和硬钢两类。,颈缩在拉伸应力下,材料可能发生的局部截面缩减的现象。,反映钢筋力学性能的基本指标, 屈服强度是钢筋强度的设计依据,钢筋屈服后将产生很大的塑性变形。对于有明显流幅的钢筋,一般取屈服下限作为屈服强度fy。 强屈比等于钢筋极限强度与屈服强度的比值,反映了钢筋的强度储备。通常热轧钢筋的强屈比约为1.41.6。 延伸率是反映钢筋塑性性能的指标,指钢筋拉断时(f点)
29、对应的应变,按下式确定:,l0试件拉伸前量测标距的长度,一般取5d或10d; l 拉断时量测标距的长度,量测标距包括颈缩区。 延伸率指标存在的缺陷 不同量测标距长度得到结果不一致; 仅考虑到颈缩断口区域的残余应变。, 均匀延伸率最大力作用下的总伸长率,包括残余应变和弹性应变,反映了钢筋真实的变形能力。,2、硬钢的应力应变曲线(无明显屈服台阶),条件屈服强度:,取残余应变为0.2%所对应的应力作为无明显流幅钢筋的强度限值,通常称为条件屈服强度。,对没有明显流幅或屈服点的预应力钢丝、钢绞线和热处理钢筋,在构件承载力设计时,取极限抗拉强度b的85%作为条件屈服点。,一般,比例极限: ,,我国建议公式
30、(中国建筑科学研究院):,4、钢筋的应力应变简化模型,(1)描述完全理想弹塑性的双直线模型 (适用于流幅较长的低强度钢材或未进入强化阶段钢筋,实际计算分析中多采用),当s y时, s= Es s, Es = fy/ y;,当y s s,h时, s= fy;,比例极限、弹性极限和屈服点三者合一,(2)描述完全弹塑性加硬化的三折线模型 (适用于流幅较短的软钢),当s y时, s= Es s, Es = fy/ y;,当y s s,h时, s= fy;,当s,h s s,u时, s= fy+(s - s,h )tan,可取tan=Es=0.01Es,5、钢筋的塑性性能,(1)延伸率:,(2)冷弯性能
31、:,延伸率越大,钢筋的塑性和变形能力越好。,弯心直径越小,弯过的角度越大,冷弯性能越好,钢筋的塑性性能越好。,6、钢筋的冷加工,冷拉:,在常温下用机械方法将有明显流幅的钢筋拉到超过屈服强度的某一应力值,然后卸载至零。,钢筋在冷拉后,未经时效前,一般没有明显的屈服台阶; 经过停放或加热后进一步提高了屈服强度并恢复了屈服台阶,这种现象称为冷拉时效硬化。,冷拔:,将HPB235级热轧钢筋强行拔过小于其直径的硬质合金拔丝模具。经过几次冷拔的钢丝,抗拉、抗压强度均大大提高,但塑性降低。,钢筋的疲劳破坏是钢筋在承受重复、周期性动荷载作用下,经过一定次数后,从塑性破坏变成突然脆性断裂的破坏现象。 疲劳强度是
32、指在某一规定应力幅度内,经受一定次数荷载循环后,发生疲劳破坏的最大应力值。 一般认为,钢筋产生疲劳断裂是由于在外力作用下钢筋内部或外表面的缺陷引起应力集中,钢筋中超负荷的弱晶粒发生滑移,产生疲劳裂纹,最后断裂。 对于承受重复荷载的钢筋混凝土构件,如吊车梁等,如何确保其在正常使用期间不发生疲劳破坏,就需要研究和分析材料的疲劳强度或疲劳应力幅度限值。,7、钢筋的疲劳强度,钢筋的疲劳试验有两种方法:一种是直接进行单根原状钢筋轴拉试验;另一种是将钢筋埋入混凝土中使其重复受拉或受弯的试验。我国采用直接做单根钢筋轴拉试验 的方法。 试验表明,影响钢筋疲劳的主要因素为钢筋疲劳应力幅 ,即 , 为一次循环应力
33、中的最大和最小应力。 混凝土结构设计规范(P21)规定了不同等级钢筋的疲劳应力幅度限值 ,并规定该值与截面同一纤维上钢筋最小应力与最大应力比值有关,且需要对不同的疲劳应力比值满足循环次数为 200 万次条件下的钢筋最大应力值为钢筋的疲劳强度。对预应力钢筋,当 时,可不进行疲劳强度验算。,8、混凝土结构对钢筋性能的要求,(1)适当的屈强比保证构件具有一定的强度储备。 (2)足够的塑性避免发生脆性破坏。 (3)可焊性要求钢筋具备良好的焊接性能。 (4)耐久性和耐火性必要的混凝土保护层厚度以满足 对构件耐火极限的要求。 (5)与混凝土具有良好的粘结; (6)寒冷地区,防止钢筋低温冷脆导致破坏。,极限
34、强度/屈服强度,延伸、冷弯等,(位于水泥胶体与钢筋表面,由接触面上的化学吸附作用产生,当钢筋与混凝土有相对滑动时,胶结作用丧失),2.3 混凝土与钢筋的粘结 2.3.1 粘结机理与粘结作用,光圆钢筋(粘结力),胶结力,摩擦力,机械咬合力,相对滑移前,粘结力主要由其提供。,混凝土,钢筋,1. 粘结机理,(2)光圆钢筋,(位于混凝土与钢筋间,其大小取决于握裹力和钢筋与混凝土表面的摩擦系数),(钢筋表面粗糙不平(微锈时可显著提高咬合力)及钢筋弯勾、弯折机附加锚固等措施提高的锚固作用),对于光面钢筋,摩擦力和机械咬合力均十分有限。,为保证光面钢筋的锚固,通常需在钢筋端部设置弯钩:,区别: 1、角度、尺
35、寸(尤其是弧段)标准。机械操作角度和尺寸标准些,手工制作的次之。 2、效益、工时。机械操作快,省时省工,手工反之。 3、加工产品难度。如果是直径大的钢筋,机械加工容易,手工制作较困难(机械有标称的最大弯曲直径)。,变形钢筋 (粘结力),胶结力,摩擦力,机械咬合力,混凝土,钢筋,(2)变形钢筋,钢筋受力较大时,粘结力主要由此二部分组成。,相对滑移前,粘结力主要由其提供;,水平力和竖向力共同作用,钢筋开始滑移后,粘结力主要由钢筋凸肋对混凝土的斜向挤压力和界面上的摩擦力组成。,2. 粘结作用 裂缝出现后的粘结作用,锚固粘结,保证钢筋和混凝土共同工作,缝间粘结,改善钢筋混凝土的耗能性能,3. 粘结试验
36、,拔出试验,搭接长度试验,延伸长度试验,后装拔出试验,定义:在结构或构件的混凝土中钻孔并安装扩拔器进行抗拉试验,根据极限拔出力求出混凝土的抗压强度的现场测试混凝土的方法称为后装拔出试验法。 作用:用于测试结构或构件的 混凝土抗压强度。 拔出装置:胀簧扩拔器和可调 承力环。其中,胀簧扩拔器由 胀簧、胀杆和拉杆组成。,技术要求: 最大拔出力不小于60KN;工作行程不小于 4mm;精确度2%(FS)。 拔出实验步骤: 钻孔切槽安装扩拔器拉拔扩拔器。,4. 粘结破坏形态,(1)光圆钢筋,钢筋拔出,钢筋与混凝土的粘结性能主要是由两者之间的粘结应力与对应的相对滑移间的关系曲线 来反映的。,光面钢筋表面的锈
37、蚀情况对粘结性能影响很大,加载初期,滑移主要由肋对混凝土的斜向挤压力使肋部混凝土产生局部挤压变形引起,接近直线段; 斜向挤压力增大,混凝土内部产生裂缝,曲线斜率减小; 斜向挤压力随拔出力增大而增加,混凝土被挤碎,肋处出现新的滑动面,滑移较大; 裂缝发展到试件表面,形成劈裂裂缝,并沿试件长度扩展时,达峰值粘结应力,滑移也达最大。,对比光圆钢筋,显然滑移要小很多。,(2)变形钢筋,当混凝土保护层、 钢筋间距较小时,径 向裂缝发展达到构件表面,且相互贯通,产生劈裂式粘结破坏;,当混凝土保护层厚度较大或者配置有横向钢筋时,径向裂缝的发展受到限制,肋前部的混凝土在水平分力和剪力作用下最终将被挤碎,产生所
38、谓 “刮犁式”的剪切型粘结破坏。,变形钢筋的 两类破坏形态,2.3.2 钢筋与混凝土间粘结强度,钢筋周长,埋置长度,拔出拉力,设拔出力为F,则以粘结破坏(钢筋拔出或混凝土劈裂)时钢筋与混凝土界面上最大平均粘结应力作为粘结强度u,即,d钢筋直径; l钢筋锚固长度或埋长;,上图中试验方法主要用于测定锚固长度。其粘结应力分布不均匀,加上张拉端局部应力的影响,不能准确测定粘结强度u 。,右图试验方法在张拉端设置了(2 3)d长的套管,可避免张拉端局部应力的影响;有粘结的锚固长度仅为5d,其上粘结应力分布较均匀,由此测定的粘结强度u较为准确。,粘结强度的主要影响因素,混凝土强度 试验表明,粘结强度与混凝
39、土轴心抗拉强度ft成正比。 保护层厚度 相对保护层厚度c/d越大,混凝土抵抗劈裂破坏的能力也越大,粘结强度越高。 钢筋净间距 当钢筋净距较大时(s2c), 可能是保护层劈裂; 当钢筋净距较小时(s2c), 可能沿钢筋连线劈裂,导致粘结强度降低。 横向配筋 横向钢筋的存在限制了径向裂缝的发展,阻止了劈裂破坏的发生,使粘结强度得到提高。,钢筋表面特征和外形特征 光面钢筋表面凹凸较小,机械咬合作用小,粘结强度低。 变形钢筋肋的相对受力面积(挤压混凝土的面积与钢筋截面积的比值)越大,其粘结强度越大。 受力情况 若在锚固范围内存在侧压力,则可增大钢筋与混凝土界面的摩擦力,从而提高粘结强度; 若在锚固范围
40、内存在剪力,则其产生的斜裂缝会使锚固钢筋受到销栓作用而降低粘结强度; 受反复荷载作用的钢筋,肋前肋后的混凝土会被挤碎,导致咬合作用降低,从而降低粘结强度。,锚固长度 锚固长度越短,粘结应力分布越均匀,平均粘结应力较高;反之亦然。但总粘结力随锚固长度的增加而增大。 当锚固长度增加到一定值,钢筋受拉达到屈服时未产生粘结破坏,该临界锚固长度称为基本锚固长度la。,此外,对混凝土质量和强度有影响的因素,如混凝土的坍落度、浇筑质量、养护条件和扰动等,以及混凝土浇筑方向、钢筋在构件中的位置等,都对粘结强度产生一定影响。,2.3.3 锚固、搭接长度,原则,钢筋屈服时正好发生锚固破坏,对象,以直径为2c的混凝
41、土试件内配直径为d的变形钢筋为例,假定,纵向裂缝发生在刮出式破坏以前,1. 锚固长度的理论分析,假定由于p引起的混凝土中的拉应力按线性形分布:,混凝土轴心抗拉强度,由于对称,p在水平方向分量的合力为零,而其在纵向方向的合力等于混凝土中的拉应力。,当变形钢筋肋倾角为45时,当c2d时,la的数值比上式的数值要小,2. 实用锚固长度的计算公式(规范GB50010),当计算中充分利用钢筋的抗拉强度时,受拉钢筋的锚固长度计算:,锚固钢筋的外形系数,对不同的情况还要作修正,读作“zeta”,当满足下列条件,计算锚固长度应进行修正:,且修正后的锚固长度应满足:,1、当HRB335、HRB400和RRB40
42、0级钢筋的直径大于25mm时,其锚固长度应乘以修正系数1.1; 2、HRB335、HRB400和RRB400级的环氧树脂涂层钢筋,其锚固长度应乘以修正系数1.25; 3、当钢筋在混凝土施工过程中易受扰动(如滑模施工)时,其锚固长度应乘以修正系数1.1; 4、当HRB335、HRB400和RRB400级钢筋在锚固区的混凝土保护层厚度大于钢筋直径3倍且配有箍筋时,其锚固长度可乘以修正系数0.8;,当计算中充分利用钢筋的受拉强度时,纵向受拉钢筋的最小锚固长度应不小于下表横线以上的数值。 当计算中充分利用钢筋的受压强度时,非抗震结构受压钢筋的最小锚固长度应不小于下表横线以下的数值。,【注】:纵向受拉钢
43、筋的锚固长度在任何情况下均不应小于250mm。,工程应用,依靠钢筋自身的性能无法满足锚固要求,采用机械锚固措施。,机械锚固,当HRB335级、HRB400级和RRB400级纵向受拉钢筋末端采用机械锚固措施时,包括附加锚固端头在内的锚固长度乘以0.7的修正系数。 采用机械锚固措施时,锚固长度范围内的箍筋不应少于3个,其直径不应小于纵向钢筋直径的0.25倍,其间距不应大于纵向钢筋直径的5倍。当纵向钢筋的混凝土保护层厚度不小于钢筋公称直径的5倍时,可不配置上述箍筋。,机械锚固的形式,3. 钢筋的连接,钢筋的连接可分为两类:绑扎搭接、机械连接或焊接。其中,机械连接接头和焊接接头的类型及质量应符合国家现
44、行有关标准的规定。 受力钢筋的接头宜设置在受力较小处。在同一根钢筋上宜少设接头。 轴心受拉及小偏心受拉杆件(如桁架和拱的拉杆)的纵向受力钢筋不得采用绑扎搭接接头。 当受拉钢筋的直径d28mm及受压钢筋的直径d32mm时,不宜采用绑扎搭接接头。,同一构件中相邻纵向受力钢筋的绑扎搭接接头宜相互错开。 钢筋绑扎搭接接头连接区段的长度为1.3倍搭接长度,凡搭接接头中点位于该连接区段长度内的搭接接头均属于同一连接区段。 同一连接区段内纵向钢筋搭接接头面积百分率为该区段内有搭接接头的纵向受力钢筋截面面积与全部纵向受力钢筋截面面积的比值。,1、绑扎搭接,属于同一连接区段的是2和3,面积百分率为:,位于同一连
45、接区段内的受拉搭接钢筋接头面积百分率:对梁类、板类及墙类构件,不宜大于25%;对柱类构件,不宜大于50%。当工程中确有必要增大受拉搭接钢筋接头面积百分率时,对梁类构件不应大于50%;对板、墙及柱类构件,可根据实际情况酌情放宽。 纵向受拉钢筋绑扎搭接接头的搭接长度应根据位于同一连接区段内的搭接钢筋面积百分率按下列公式计算:,在任何情况下,纵向受拉钢筋绑扎搭接接头的搭接长度均不应小于300mm。 构件中的纵向受压钢筋,当采用搭接连接时,其受压搭接长度不应小于前述同一连接段时确定的纵向受拉钢筋搭接长度的0.7倍,且在任何情况下不应小于200mm。 在纵向受力钢筋搭接长度范围内应配置箍筋,其直径不应小
46、于搭接钢筋较大直径的0.25倍。当钢筋受拉时,箍筋间距不应大于搭接钢筋较小直径的5倍,且不应大于100mm;当钢筋受压时,箍筋间距不应大于搭接钢筋较小直径的10倍,且不应大于200mm。当受压钢筋直径大于25mm时,尚应在搭接接头两个截面外100mm范围内各设置两个箍筋。,非抗震结构,当计算中充分利用钢筋的强度时,纵向受拉钢筋的绑扎搭接长度不应小于下表的数值:,源自混凝土结构构造手册第三版,两根直径不同的钢筋最小搭接长度,按较细钢筋的直径计算。,验算,非抗震结构受压钢筋的绑扎搭接长度不应小于下表的数值:,源自混凝土结构构造手册第三版,2、机械连接,钢筋的机械连接是通过连接件的直接或间接的机械咬
47、合作用或钢筋端面的承压作用,将一根钢筋中的力传递到另一根钢筋的连接方法。 钢筋混凝土用热轧带肋钢筋(GB1499) 钢筋混凝土用余热处理钢筋(GB13014) 钢筋机械连接通用技术规程(JGJ107-2003),国内外常用的钢筋机械连接方法: (1)挤压套筒接头; (2)锥螺纹套筒接头; (3)直螺纹套筒接头; (4)熔融金属充填套筒接头; (5)水泥灌浆填充套筒接头。,建筑工程技术规范,(1)挤压套筒接头 通过挤压力使连接用的钢套管塑性变形与带肋钢筋紧密咬合形成的接头:,(2)锥螺纹套筒接头 通过钢筋端头特制的锥形螺纹和锥螺纹套筒啮(nie)合形成的接头。,(3)直螺纹套筒接头 A、镦粗直螺纹钢筋接头: 将钢筋的连接端先行镦粗,再加工出圆柱螺纹并用连接套筒连接的钢筋接头; B、滚扎直螺纹钢筋接头: 将钢筋的被连接端头用 滚扎加工工艺滚扎加工成 连接直螺纹,并用相应的 连接套筒将两根钢筋相互 连接的钢筋接头。,(4)熔融金属充填套筒接头 由高热剂反应产生熔融金属填充在钢制套筒内形成的接头。,(5)水泥灌浆填充套筒接头 用特制的水泥浆填充在特制的钢套筒内硬化后形成的套筒。,3、钢筋焊接,(1)钢筋的焊接方法: 钢筋电阻点焊 resistant spot welding of reinforcing steel bar 将两钢筋安放成交叉
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