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应力幅是影响钢筋疲劳强度的主要因素

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  钢筋和混凝土材料力学性能 一、混凝土的强度和变形 ?混凝土组成— 水泥、水、沙和碎石的混合物 从微观看: 水泥浆(基本相),骨料(分散相)以及结合面(包括界 面微裂缝、毛细孔和凝胶:薄弱面)组成 水泥结晶体、骨料----弹性骨架,产生弹性变形 结合面(界面微裂缝、毛细孔和凝胶)----产生塑性变形 一、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 (1)立方体抗压强度fcuk 承压板 ---基本标准及强度等级划分标准 ①试验条件:20+3C温度,95%相对湿度,养护28天 ②试块 试块 标准试块:150×150 ×150 非标准试块:100×100 ×100 200×200 ×200 换算系数 0.95 换算系数 1.05 ?压力?试件?裂缝 发展?扩张?整个体 系解体,丧失承载力 一、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 立方体抗 压强度fcu,k 表示混凝 土Concrete 一、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 摩擦力 ③影响因素 a.试验方法:压力机垫板对试件端部的套箍约束作用。 b. 加载速率越大,测得的强度越大; 涂润滑剂 不涂润滑剂 一般规定:混凝土强度C30,加载速率为0.3-0.5N/mm2 强度大于 混凝土强度≥C30,加载速率为0.5-0.8N/mm2 c.成型后的龄期有关。 d.与试件尺寸有关。 我国规范的方法: 不涂润滑剂 龄期越长,强度越大,试验规定龄期为 28天 尺寸越小,强度越大 一、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 (2)棱柱体抗压强度fck ---设计指标fc 承压板 标准试块:150×150 ×300 非标准试块:100×100 ×300 200×200 ×400 ck 换算系数 0.95 试 块 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 高强混凝土脆 性折减系数 于棱柱体抗压强度,且有:f =0.88α α f c1 c2 cu k ?C50以下混凝土,fck=0.67fcuk 棱柱体与立方体 抗压强度之比 ?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fck’=0.79fcu k 圆柱体抗 压强度 一、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 (1)直接受拉试验ftk 100 150 150 100 500 ?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, 《混凝土设计规范》规定: 一、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 (2)劈裂试验fts F F f ?我国根据100mm立方体的 d d 劈裂与抗压试验结果有: ?fts=0.19fcu 3/4 F fts F 2F f ts ? ?dl 一、混凝土的强度和变形 3. 复合受力状态下混凝土的强度 (1)双轴应力下的强度 1.2 1.0 ?2/fc -0.2 D 拉 -0.2 B C ?/fc 0.2 0.1 ? ? ? ?1 ?2 A 压 1.0 1.2 ? F E 0.0 0.6 1.0 单轴抗压强度 -0.1 H ?/fc 单轴抗拉强度 ?1/fc 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 一、混凝土的强度和变形 3. 复合受力状态下混凝土的强度 (2)三向受压时的混凝土强度 圆柱体试验 ?1=fcc’ ?2= ?3= fL fL----侧向约束压 应力(加液压) f cc ? f c ?(4.5 ~ 7.0) f L 无侧向约 束时圆柱 体的单轴 抗压强度 ?1=fcc’ 有侧向约 束时的抗 压强度 一、混凝土的强度和变形 4. 混凝土的变形性能 (1)单轴受压时的应力-应变关系 ? (MPa) 25 20 15 fc b a c 混凝土强度提高 d e 加载速度减慢 10 5 o ?0 2 4 ?u 6 8 10 ?(?10-3) 作用是:峰值 应力后,吸收 试验机的变形 能,测出下降 段 a:0.3~0.4fc ,比例极限点 b:0.7~0.8fc,长期抗压强度 一、混凝土的强度和变形 4. 混凝土的变形性能 (2)单轴受压时的应力-应变关系的数学模型 ? ? ?? ? ? c ? f c ?1 ? 0.15 c 0 ? ? ?? ? u 0 ?c fc ? ? ? ?2 ? c ? c ? f c ?1 ? ? ?1 ? ? ? ? ? ? 0 ? ? ? ? ? ? ?c fc 0.15fc ? ? ? ?2 ? c ? c ? f c ?1 ? ? ?1 ? ? ? ? ? ? 0 ? ? ? ? ? ?c ?c ?0=0.002 ?u=0.0035 o ?0=0.002 ?u=0.0038 o 美国Hognestad模型 德国Rü sch模型 一、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 1 n ? 2 ? ( f cu ? 50), 当n ? 2时,取 n ? 2 60 ?c fc ? ? ? ?n ? c ? c ? f c ?1 ? ? ?1 ? ? ? ? ? ? 0 ? ? ? ? ? o ?c ?0 ?u ? 0 ? 0.002? 0.5? fcu ? 50??10?5 ? u ? 0.0033? ? fcu ? 50??10?5 一、混凝土的强度和变形 4. 混凝土的变形性能 (3)侧向受约束时混凝土的变形特点 ?c fcc 约束混凝土 环箍断裂 fc Ec Esec 非约束混凝土 ?c ?sp ?cc o ?c0 2?c0 ?cu 一、混凝土的强度和变形 4. 混凝土的变形性能 (5)混凝土的弹性模量 ?c 原点切线模量(弹性模量):拉压相同 ?c Ec ? tg?0 ? ? c / ? e 变形模量(割线模量、弹塑性模量) ? ?0 ?e ?p ?c ?1 ?c Ec ? tg?1 ? ? c / ? c 切线模量 d? c Ec ? tg? ? d? c ?e Ec ? Ec ? ?Ec ?c 受压时,为0.4~1.0; 受拉破坏时,为1.0 一、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(150×150 × 300标准试件) ?c/fc 0.5 5~10次 此线和原点切线基 本平行,取其斜率 作为Ec ?c 105 Ec ? ( N / m m2 ) 34.74 2.2 ? f cu 一、混凝土的强度和变形 4. 混凝土的变形性能 (6)长期荷载作用下混凝土的变形性能----徐变 ?原因之一,胶凝体 ?c0.8fc,非线 P 的粘性流动 ?c0.5fc,线 ?原因之二,混凝土 1.5 内部微裂缝的不断发 展 ?e’ ?cr 1.0 ?e’’ ?cr’ 0.5 ?e 0 5 10 15 20 25 30 35 (月) 一、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: ?c0.5fc,徐变变形与应力成正比----线fc?c0.8fc,非线fc,造成混凝土破坏,不稳定。故一般取0.75~0.8fc作为混凝土长 期抗压强度。 ?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、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:使构件变形增加;钢筋混凝土构 件中引起应力重分布;预应力构件中造成预应力损失。 P拆去,钢筋受压混 凝土受拉,可能会 引起混凝土开裂 P P P As ?c1 As ?s1 As ?s2 ?s2 徐变: ?s?, ?c? 一、混凝土的强度和变形 4. 混凝土的变形性能 (7)混凝土的收缩----结硬过程中混凝土体积缩小的性质 影响混凝土收缩的因素有: (1)水泥的品种:水泥强度等级越高制成的混凝土收缩越大。 (2)水泥的用量:水泥越多,收缩越大;水灰比越大,收缩也越大。 (3)骨料的性质:骨料的弹性模量大,收缩小。 (4)养护条件:在结硬过程中周围温、湿度越大,收缩越小。 (5)混凝土制作方法:混凝土越密实,收缩越小。 (6)使用环境: 使用环境温度、湿度大时,收缩小。 (7)构件的体积与表面积比值:比值大时,收缩小。 墙板干燥收缩裂缝与边框架的变形 一、混凝土的强度和变形 5. 混凝土在重复荷载作用的性能 混凝土的疲劳强度 ?3 破坏 fc f 疲劳破坏:损失累积的结果 破坏特征:裂缝小,变形大 ?fcf的确定原则: 100×100 ×300或 150×150 ×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 ?2 疲劳强度fc ?1 ? 重复荷载下的应力-应变曲线 fc f ? fc ? ? ? 疲劳强度修正系数 二、钢筋的强度和变形 1. 钢筋级别和品种 光圆钢筋 柔性钢筋(普通钢筋) 肋纹钢筋 劲性钢筋 型钢、钢骨、钢管,用 于钢骨-混凝土结构 二、钢筋的强度和变形 1. 钢筋级别和品种 线形的普通钢筋统称为柔性钢筋,其外形有光圆和带肋两类。 图2-20 钢筋的外形 (a)光圆钢筋;(b)螺旋纹钢筋; (c)人字纹钢筋;(d)月牙纹钢筋 二、钢筋的强度和变形 1.钢筋级别和品种 柔性钢筋分类 热轧钢筋:热轧光面钢筋HPB300;热轧带肋钢筋HRB335、细晶粒 HRBF335;HRB400, HRBF400,热处理钢筋RRB400 ; 钢筋 HRB500, HRBF500 (符号表示) 热处理钢筋:将钢筋通过加热、淬火、回火而成 消除应力钢丝:高碳镇静钢通过多次冷拔、应力消除、矫正、回火处理而 成,强度高于1000MPA 预应力钢筋 中强度预应力钢丝:直径5,7,9,强度小于1000MPA 钢绞线:若干根相同直径的钢丝成螺旋状铰绕在一起 预应力螺纹钢筋:直径18、25、32、50 二、钢筋的强度和变形 热轧钢筋应用 《混凝土结构设计规范》提出了高强度、高性能钢筋HRB400和 HRB500的要求。因此,本教材的例题中,对梁、柱的纵向受力钢筋 将主要采用这两种钢筋,特别是HRB400。 箍筋宜采用HRB400、HRBF400、HRB335和HPB300。 光圆钢筋HPB300虽然也可用作纵向受力钢筋,因其强度较低, 故主要用作箍筋。 当HRB500和HRBF500用作箍筋时,只能用于约束混凝土的间接 钢筋,即螺旋箍筋或焊接环筋,见5.2.2节。 细晶粒系列HRBF钢筋、HRB500和热处理钢筋RRB400都不能用 作承受疲劳作用的钢筋,这时宜采用HRB400钢筋。 工地上常把上述4个强度等级的钢筋俗称为Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级和Ⅳ 级钢筋,但在施工图和正式文件中,都不应采用此俗称。 二、钢筋的强度和变形 2. 钢筋的应力-应变曲线 上屈服点不稳定 出现颈缩 ? D B’ 标距 A E ? ?0.2 拉断 B C BC段为屈服平台 CD段为强化段 下屈服点 ? 0.2% ? 有明显流幅的钢筋(软钢) -热轧钢筋 无明显流幅的钢筋(硬钢) -钢丝、热处理钢筋 钢筋受压和受拉时的应力-应变曲线几乎相同 二、钢筋的强度和变形 2. 钢筋的应力-应变曲线 ? 强度指标-屈服强度fy * 明显流幅的钢筋:下屈服点对应的强度作为设 A D B’ B C E 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σ 0.2不得小于极限抗拉强度σ b的 85%(0.85σ b)。因此,实际应用中可取极限抗 拉强度σ b的85%作为条件屈服点 ?0.2 0.2% ? 二、钢筋的强度和变形 2. 钢筋的应力-应变曲线 ? D 变形指标 A B’ B C E * 伸长率:钢筋拉断后的伸长与原长的比值 伸长率越大,塑性越好。 * 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 ? ?0.2 ? 钢辊直径D越小,弯转角越大,则钢筋塑性越好 0.2% ? ? 伸长率 :钢筋拉断时的应变,是反映钢筋塑性性能的指标。延伸率 大的钢筋,在拉断前有足够预兆,延性较好。 ? ? 5 or 10 l ? l0 ? l0 ? 二、钢筋的强度和变形 3. 钢筋的冷加工和热处理 冷拉 ? B K’ K Z 无时效 Z’ 经时效 K点的选择:应力控制和应变控制 ? 残余变形 冷拉伸长率 特性:只提高抗拉强度,不提高抗 压强度,强度提高,塑性下降 二、钢筋的强度和变形 3. 钢筋的冷加工和热处理 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 二、钢筋的强度和变形 3. 钢筋的冷加工和热处理 热处理 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 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 二、钢筋的强度和变形 4. 钢筋的疲劳 钢筋的疲劳破坏:钢筋在承受重复、周期性的动荷载作用 下,经过一定次数后发生脆性断裂的现象。 原因:内部和外部缺陷处应力集中;晶粒滑移,产生疲劳 裂纹。 钢筋的疲劳强度静载作用下的强度 钢筋的疲劳强度: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应力值。 应力幅是影响钢筋疲劳强度的主要因素,因此钢筋用疲劳应力 幅限值来进行疲劳验算。 疲劳应力幅: ?f f y f f ? ? max ? ? min 二、钢筋的强度和变形 4. 钢筋的疲劳 疲劳验算时:纵向受拉钢筋的应力幅应不超过规范规定的 应力幅限值,而应力幅限值根据应力比值查表取用不同的 限值。 疲劳试验方法 单根原状钢筋的轴拉疲劳:疲劳强度最低。 ----规范采用试验方法 钢筋埋入混凝土中重复受拉或受弯:疲劳强度稍高 二、钢筋的强度和变形 5. 混凝土结构对钢筋的要求 ?强度要求:屈服强度和极限强度 ?塑性要求(延性):伸长率和冷弯要求 ?可焊性,在一定的工艺条件下焊接后不产生裂纹 ?机械连接性能 ?与混凝土的粘结性 二、钢筋的强度和变形 5. 混凝土结构对钢筋的要求 二、钢筋的强度和变形 5. 混凝土结构对钢筋的要求 挤压钢筋连接 套筒挤压连接是将两根待接钢筋插入钢 套筒,用挤压连接设备沿径向挤压钢套 筒,使之产生塑性变形,依靠变形后的 钢套筒与被连接钢筋纵、横肋产生的机 械咬合成为整体的钢筋连接方法. 锥螺纹钢筋连接 谢 谢!

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