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第 1 章混凝土结构的材料 力学性能

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第 1 章混凝土结构的材料 力学性能. 学习目标: 1 .了解钢筋的强度和变形、级别、品种,混凝土结构对钢筋性能的要求。 2 .理解单轴和复合受力状态下混凝土的强度,混凝土的变形性能。 3 .掌握混凝土的弹性模量和强度等级,钢筋与混凝土共同工作原理。. - PowerPoint PPT Presentation

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第 1 章混凝土结构的材料力学性能

学习目标: 1 .了解钢筋的强度和变形、级别、品种,混凝土结构对钢筋性能的要求。 2 .理解单轴和复合受力状态下混凝土的强度,混凝土的变形性能。 3 .掌握混凝土的弹性模量和强度等级,钢筋与混凝土共同工作原理。

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学习重点: 1 .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。 2 .单轴和复合受力状态下混凝土的强度。

3 .混凝土在一次短期加荷时的变形性能,混凝土处于三向受压的变形特点。 4 .混凝土在重复荷载和长期荷载作用下的变形性能。 5 .混凝土的弹性模量、混凝土的强度和强度等级。 6 .钢筋和混凝土的粘结性能。

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学习建议: 1 .注意规范对钢筋的级别和强度、混凝土的强度等级的规定。: 2 .混凝土结构是由钢筋、混凝土两种受力性能不同的材料组成的。为了掌握混凝土结构的受力特征、计算原理和设计方法,必须了解钢筋和混凝土各自的力学性能和二者共同工作的机理。

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§1.1 钢筋的物理力学性能

一 . 钢筋的品种和级别

1. 钢筋的分类

( 1 )根据化学成分:

A. 碳素钢:低碳钢、中碳钢及高碳钢,其特点是随着含碳量的增加,强度提高,脆性增加;

B. 普通低合金钢:为改善碳素钢的力学特性,加入少量合金元素。

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( 2 )根据生产工艺:

A. 热轧钢筋:在高温下直接轧制成型(如碳素 钢

和普通低合金);

B. 热处理钢:将热轧钢经过调质(加热、淬火和

回火),主要是提高强度,而降低塑性不多;

C. 冷加工钢筋:将普通热轧钢筋在常温下进行冷

拉或冷拔。

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( 3 )根据钢筋外型:

A. 柔性钢筋:普通钢筋 ;

a. 光圆钢筋:表面是光滑的;

b. 变形钢筋:表面有肋(如月牙肋等);

c. 习惯上,直径大于 4mm 称为钢筋;小于或等于 4mm 称为钢丝。

B. 劲性钢筋:型钢、钢轨及其组合。

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( 4 )根据力学特性:A. 软钢:有明显屈服台阶;(见图 1-1 )B. 硬钢:无屈服台阶;(见图 1-2 )

图 1-1 图 1-2

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2. 钢筋的级别

( 1 )分级原则:力学特性;

( 2 )具体分级:

Ⅰ 级钢, HPB235 ,强度标准值为 235 N/mm

² ;

Ⅱ 级钢, HRB335 ,强度标准值为 335 N/mm

² ;

Ⅲ 级钢, HRB400 ,强度标准值为 400 N/mm

² ;

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3. 关于冷加工钢筋

( 1 )冷拉

A. 加工方法:在常温下将钢筋拉伸至屈服,然后卸载;

B. 力学性质:经过一段时间后,再次拉伸时,其屈服强

度将增大,但塑性降低;

C. 时效硬化:被拉伸至屈服点,经过一段时间后,屈服

强度增加的现象。

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( 2 )冷拔

A. 加工方法:在常温下将钢筋拔过比其自身直径

还小的硬质合金拔丝模拉伸至屈服;

B. 力学性质:经过一段时间后,再次拉伸或压缩

时,其屈服强度将增大,但塑性降低。

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二 . 钢筋的强度与变形

1. 钢筋屈服强度的取值:

( 1 )软钢:取其屈服下限;

( 2 )硬钢:取其极限抗拉强度的 85% ;(称为条件屈服点)

( 3 )结构设计时,用钢筋的屈服强度进行计算,其极限抗拉强度作为安全储备。

2. 钢筋的变形

力学指标:伸长率和冷弯性

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三 . 钢筋的疲劳

四 . 混凝土结构对钢筋性能的要求

1.较高的强度; 2.良好的塑性; 3.良好

的可焊性;

4.较强的耐火性; 5. 钢筋与混凝土良好

的粘结力。

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§1.2 混凝土的物理力学性能

一 . 混凝土的组成结构1. 组成:混凝土 = 水泥 +细骨料(砂) + 粗骨料(碎石或鹅卵石) + 水 +外加剂2.基本力学性质:( 1 )弹塑性、各向异性( 2 )水泥 +细骨料 + 水凝胶体(塑性)( 3 )粗骨料(弹性)

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二 . 混凝土的强度指标

混凝土构件一般处于多轴向应力状态下,

为分析问题方便,先讨论单轴向应力状态

下的混凝土强度。由于混凝土的各向异性

性质,其各项强度是不一样的,必须分别

讨论。

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1. 混凝土的抗压强度

( 1 )混凝土的立方体抗压强度和强度等级

A. 立方体抗压强度的物理意义:混凝土强度

的基本指标和评定混凝土强度等级的标准。

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B.确定混凝土立方体抗压强度的标准方法

a. 标准试件: 150mm 150mm150mm 的

立方体;

b. 标准制作条件:在温度( 20±3 ) C 和相

对湿度 90%以上的环境下,养护 28天;

c. 标准试验方法:试件表面不涂润滑剂、均匀

加载和匀速加“静”载;

d. 单位: N/mm² 。

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C. 强度等级

a.确定方法:采用混凝土的立方体抗压强度;

b.数值确定:具有 95% 的保证率;

c. 工程符号: ( N/mm² ),简写形式为 C ;

d .“规范”的等级范围: C15~C80 ,共 14 级;

e.应用范围: C15~C45 为普通混凝土,适用于一般的混凝土结构; C50~C80 为高强混凝土,适用于预应力混凝土构件。

k,cuf

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D.试验方法对立方体抗压强度的影响

a.试件表面是否涂润滑剂:不涂时强度高;涂后强度底,其主要原因是由于“套箍”作用;且破坏形态不一样(见 P7图 1-3 );

b. 加载速度:速度快强度高,速度满强度底

( 2 )混凝土的轴心抗压强度

A.确定混凝土轴心抗压强度的标准方法

a. 标准试件: 150mm 150mm300mm 的棱柱体;

b. 其余同混凝土立方体抗压强度的标准方法;

c. 工程符号: ( N/mm² ),

ckf

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B. 关于 的讨论

a. 高宽比:随着高宽比的增加, 会降低,但高宽比为 3 时,会稳定;

b. 混凝土立方体抗压强度与轴心抗压强度的关系:

上式中各系数的物理意义见书上说明。

c.国外用圆柱体试件确定混凝土轴心抗压强度。

ckf

ckf

k,cu21ck f88.0f ( 2-11 )

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2. 混凝土的轴心抗拉强度

( 1 )确定方法:轴心受拉试验和劈裂试验;

( 2 )混凝土轴心抗拉强度约为立方体抗压强度的 1/17~1/8 ;

( 3 )在荷载较小时,混凝土即开裂,所以混凝土结构一般带裂缝工作,混凝土轴心抗拉强度不起决定作用。

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三 . 复合应力状态下混凝土的强度 1. 关于双向应力状态下的强度变化规律 根据图 1-4 和图 1-5可得到如下基本结论:( 1 )双向受压时,混凝土抗压强度大于单向;( 2 )双向受拉时,混凝土抗拉强度接近于单向;( 3 )一向受压和一向受拉时,其抗拉(抗压)强度均低于相应的单向强度;( 4 )由于剪应力的存在,混凝土抗压强度低于单向;( 5 )由于压应力的存在,混凝土抗剪强度有限增加。

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图 1-4 图 1-5

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2. 关于三向受压状态下的强度变化规律

结论:三向受压状态下的混凝土抗压强度大于双

向和单向。

3. 关于实际工程运用

( 1 )目前“规范”尚无定量计算公式;

( 2 )实际工程中均采用单向强度,但要考虑复

合应力情况,从构造上加以调整。

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四 . 混凝土的变形 变形的分类:受力变形—荷载产生的; 体积变形—收缩、温差即湿差产生的。1. 一次短期加载下混凝土的变形性能( 1 )混凝土受压时的应力 -应变关系实际试验曲线如 P9图 1-6 : 图2--14

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其规律为:

a.应力 -应变关系为曲线,上升段中仅有

一小段直线;

b.应力峰值对应的应变约为 0.002 (基本

与等级无关);

c. 混凝土强度高时其延性越差。

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( 2 )三向受压状态下混凝土的变形特点

A. 变形特点:侧压力越大,变形能力越好(强度也高);

B. 工程意义:设置密排箍筋间接产生侧压力。

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( 3 )混凝土的变形摸量 由于混凝土的弹塑性性质,其模量是一个变数,通常有三种表示方法。A. 弹性模量(切线模量):通过重复加载的方式确定;B. 变形模量(割线模量)C.切线模量:对应力 -应变曲线求导数确定;D. 经验公式法:( 4 )混凝土轴向受拉时的应力 -应变关系(略)

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2. 荷载长期作用下混凝土的变形性能( 1 )徐变:在长期不变的荷载作用下,结构或构件产生的应变或变形;( 2 )线性徐变:随时间可以稳定(不在发展)的徐变;( 3 )非线性徐变:随时间不能稳定的徐变;( 4 )影响徐变的因素:A.保持的应力(荷载)大小:应力大时,徐变大;B. 加载时的龄期:龄期早,徐变大;C. 其它:水泥用量、水灰比、骨料、温度以及湿度。

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( 5 )徐变对结构的影响A.使结构产生应力重分布;B.使预应力产生损失。3. 混凝土在荷载重复作用下的变形(疲劳变形)( 1 )疲劳破坏:荷载重复作用引起的破坏;( 2 )疲劳强度:荷载重复作用下使应力应变曲线始终保持密合直线的最大应力值;4. 混凝土的收缩与膨胀

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§1.3 混凝土与钢筋的粘结一 . 粘结的意义:确保混凝土与钢筋能共同工作。二 . 粘结力的组成1. 化学吸附作用力; 2摩阻力; 3 机械咬合力。光圆钢筋的粘结力主要由前两者组成;变形钢筋的粘结力主要由机械咬合力组成。三 . 粘结强度四 .影响粘结强度的因素五 . 钢筋的锚固与搭接 本章结束