钢筋混凝土结构设计原理___钢筋混凝土结构的基本概念及材料的物理力学性能学习课件

1、2021-5-4 目录目录 1.钢筋混凝土结构的基本概念 2.混凝土结构的发展状况 3.混凝土的强度指标及变形性能 4.钢筋的强度指标及变形性能 5.钢筋和混凝土的粘结性能 2021-5-4 以混凝土材料为主，并根据需要配置钢筋、预应力筋、 钢骨、钢管或纤维等形成的主要承重结构，均可称为混凝土 结构（Concrete Structures）。 1.钢筋混凝土结构的基本概念 素混凝土 Plain Concrete 纤维增强混凝土 Fiber Reinforced Concrete 钢骨混凝土 Steel Reinforced Concrete 钢筋混凝土 Reinforced Concrete

2、钢管混凝土 Concrete Filled Steel Tube 预应力混凝土 Prestressed Concrete 钢混凝土组合结构 Composite Structure 1基本概念 2021-5-4 抗压强度高，而抗拉强度却很低 通常抗拉强度只有抗压强度的1/81/20 破坏时具有明显的脆性特征脆性特征 混凝土混凝土的材料特性的材料特性 1基本概念 2021-5-4 抗拉和抗压强度都很高 具有屈服现象，破坏时表现出较好的延性 细长的钢筋受压时极易压曲压曲 钢筋钢筋的材料特性的材料特性 1基本概念 2021-5-4 混凝土结构的混凝土结构的特点特点 素混凝土梁 L=1500mm 120

3、 200 C20 P 钢筋混凝土梁 L=1500mm 120 200 2f f14 C20 P P=4.4 kN P=62.5 kN 由上述对比试验可知： 钢筋混凝土梁的承载力比素混凝土梁大大提高（14倍）； 素混凝土梁破坏突然，没有明显预兆；而钢筋混凝土梁则 表现出较好的延性，破坏前有明显预兆； 钢筋混凝土梁最终由于混凝土被压碎而破坏，此时钢筋已 经屈服，钢筋和混凝土的材料强度均得到充分利用。 1基本概念 2021-5-4 将将混凝土混凝土和和钢筋钢筋这两种材料有机地结合在一起，这两种材料有机地结合在一起， 可以取长补短，充分发挥各自的材料性能。可以取长补短，充分发挥各自的材料性能。 共同工

4、作的主要原因：共同工作的主要原因： *混凝土和钢筋之间有良好的工作性能，两者可靠地结合在一起，可共同受力，共混凝土和钢筋之间有良好的工作性能，两者可靠地结合在一起，可共同受力，共 同变形同变形 * 两者的温度线膨胀系数很接近，避免产生较大的温度应力破坏两者的粘结力，混两者的温度线膨胀系数很接近，避免产生较大的温度应力破坏两者的粘结力，混 凝土：凝土：1.010-51.5 10-5/C，钢筋：，钢筋： 1.2 10-5 /C * 混凝土包裹在钢筋的外部，可使钢筋免于腐蚀或高温软化混凝土包裹在钢筋的外部，可使钢筋免于腐蚀或高温软化 1基本概念 2021-5-4 目录目录 1.钢筋混凝土结构的基本概

5、念 2.混凝土结构的发展状况 3.混凝土的强度指标及变形性能 4.钢筋的强度指标及变形性能 5.钢筋和混凝土的粘结性能 2021-5-4 2.2.混凝土结构的发展状况混凝土结构的发展状况 混凝土结构的混凝土结构的发展取决于发展取决于混凝土混凝土材料的发展材料的发展 2.1 钢筋混凝土结构的诞生 * 1824年，英国人J. Aspdin 发明了波特兰水泥，有了混凝土； * 1849年，法国人Joseph Louis Lambot 用水泥砂浆涂在钢丝网的两面做成 小船-最早的钢筋混凝土结构； * 1861年，法国花匠J. Monier 用钢丝作为配筋制作了花盆并申请了专利， 后由申请年了钢筋混凝土

6、板、管道、拱桥等专利-尽管他不懂钢筋混凝土 结构的受力原理，甚至将钢筋配置在板的中部，他却被认为是钢筋混凝土 结构的发明者； * 1884年，德国人Wayss, Bauschingger和Koenen等提出了钢筋应配置在构 件中受拉力的部位和钢筋混凝土板的计算理论。后来，钢筋混凝土结构逐 渐得到了推广应用。 2021-5-4 强度不断提高，性能不断改善 美国60年代混凝土抗压强度平均值：28N/mm2，70年代 ：42N/mm2， 有特殊需要时： 40N/mm2100 N/mm2，试验室中： 300 N/mm2 轻质混凝土的应用 容重一般为：14kN/m318kN/m3(普通混凝土为24kN/

7、m3)，加气混凝 土、陶粒混凝土、火山岩混凝土、碎砖混凝土等 无砂混凝土(Non-fines concrete):只有粗骨料，无细骨料 容重小，水的毛细现象不显著，透水性大，水泥用量少，施工简单 FRP筋的应用(强度高，质量轻，抗腐蚀) 用FRP筋代替钢筋 2.2 材料方面的发展 2 发展状况 2021-5-4 绿色混凝土：环保节能 透明混凝土 透水混凝土 清水混凝土 粉煤灰加气混凝土 世博宁波馆独特的竖条毛竹模板 清水混凝土剪力墙 2021-5-4 智能混凝土 智能能感知环境条件，做出相应行动 自诊断：碳纤维，光纤传感 自调节：形状记忆合金 SMA 自修复: 自行愈合和再生 2021-5-4

8、 2.3 结构方面的发展 2 发展状况 预应力混凝土结构的应用 在混凝土的受拉区施加预应力，以提高混凝土结构的抗裂度， 减轻构件的自重 结构体系的丰富 不同用途、不同结构功能具有相应的结构体系：混凝土结构、钢 与混凝土的组合结构、FRP混凝土及预应力混凝土结构等 2021-5-4 2.4 理论研究方面的发展 2 发展状况 设计方法 允许应力 设计法 破坏阶段 设计法 极限状态 设计法 半经验半概率法 近似概率法 全概率法 KSR =f/K S(kqiqik)R(fck/kc, fsk/ks, As, b) 2021-5-4 结构基本理论-如何设计一个新结构 荷载的确定方法 结构的力学分析：线性

9、和非线性 构件的承载力计算、设计方法和构造措施 计算机的应用与发展，结构整体空间作用分析方法的完善与应用计算机的应用与发展，结构整体空间作用分析方法的完善与应用 2.4 理论研究方面的发展 2 发展状况 2021-5-4 2.4 理论研究方面的发展 结构基本理论-旧结构的维护、改造与加固（80年代中期发展起来） 承载力计算 耐久性评估 寿命预测 损伤分析 加固理论 修复理论 灾害评估等 2 发展状况 2021-5-4 2.4 理论研究方面的发展 2 发展状况 结构基本理论-计算机仿真技术的应用 Ansys, Abaqus, Femap，PKPM, ADINA 2021-5-4 钢钢 筋筋 混混

10、 凝凝 土土 两者间的粘结两者间的粘结 强强 度度 变变 形形 粘结破坏的粘结破坏的 过程和机理过程和机理 2021-5-4 目录目录 1.钢筋混凝土结构的基本概念 2.混凝土结构的发展状况 3.混凝土的强度指标及变形性能 4.钢筋的强度指标及变形性能 5.钢筋和混凝土的粘结性能 2021-5-4 3.3.混凝土的强度指标及变形性能混凝土的强度指标及变形性能 Paste Sand Mortar Gravel Concrete Cement Water 混凝土材料是由水泥、砂、石子和水按一定比例组成，经凝结和硬化形混凝土材料是由水泥、砂、石子和水按一定比例组成，经凝结和硬化形 成的复合材料。成的

11、复合材料。 2021-5-4 3 砼 3.1 混凝土强度(Strength of Concrete) 混凝土立方体抗压强度混凝土立方体抗压强度 混凝土轴心抗压强度混凝土轴心抗压强度 混凝土抗拉强度混凝土抗拉强度 混凝土复合强度混凝土复合强度 Cubic Compressive Strength Compressive Strength Tensile Strength Multi-Strength 抵抗外力产生的某种应力的能力抵抗外力产生的某种应力的能力 2021-5-4 3 砼 混凝土立方体抗压强度混凝土立方体抗压强度fcu 承压板 试块 混凝土强度等级应按边长为150mm立方体试件的抗压强

12、度标准值确定。抗压强度标 准值系指用标准方法制作、养护至28d龄期，以标准试验方法测得的具有95%保证率 的抗压强度(以MPa计). C15, C20, C25, C30，C35，C40，C45，C50，C55，C60，C65，C70，C75，C80 Normal-strength concrete high-strength concrete fm-1.645 fm kmm 1.645(1 1.645)fff 正态分布 2021-5-4 立方体抗压强度影响因素 端部约束：润滑剂 试件尺寸： 加载速度：C30, 0.3-0.5MPa/s；C30, 0.5- 0.8MPa 龄期：随龄期逐渐增长

13、3 砼 标准试块：150mm150mm 150mm 非标准试块：100mm100mm 100mm 换算系数 0.95 200mm200mm 200mm 换算系数 1.05 混凝土立方体抗压强度混凝土立方体抗压强度fcu 摩擦力 不涂润滑剂涂润滑剂 2021-5-4 混凝土轴心抗压强度混凝土轴心抗压强度fc：按照与立方体试件相同条件制作和试验方法 测得的棱柱体试件的极限抗压强度值 3 砼 承压板 试 块 标准试块:150150 300mm ccu,k cu,k cu,k cu,k 0.79C60 0.833C60 0.857C70 0.875C80 ff f f f c1棱柱体强度与立方体强度之

14、比值，对C50及C50 以下混凝土取0.76；C55取0.78,对C80砼取 0.82,中间按线性规律变化； c2C40以上混凝土脆性折减系数，对C40取1.0， 对C80取0.87，中间按线性规律变化。 0.88-考虑实际构件与试件混凝土强度之间的差异， 对混凝土强度的修正系数。 国外（美国、日本、欧洲混凝土协会等）采用的圆柱体试件国外（美国、日本、欧洲混凝土协会等）采用的圆柱体试件612in (152305mm) ckc1c2cu,k 0.88ff 2021-5-4 2021-5-4 混凝土抗拉强度混凝土抗拉强度ft 500 150 150 100 16 轴心受拉试验 3 砼 劈裂强度劈裂

15、强度fts Splitting Strength 实验表明：ftfts 2021-5-4 巴西圆盘-岩石抗拉强度测试方法 2021-5-4 混凝土强度标准值（N/mm2） 混混 凝凝 土土 强强 度度 等等 级级 强度种类强度种类 符号符号 C15 C20 C25 C30 C35 轴心抗压强度轴心抗压强度 fck 10.0 13.4 16.7 20.1 23.4 轴心抗拉强度轴心抗拉强度 ftk 1.27 1.54 1.78 2.01 2.20 混混 凝凝 土土 强强 度度 等等 级级 C40 C45 C50 C55 C60 C65 C70 C75 C80 26.8 29.6 32.4 35.

16、5 38.5 41.5 44.5 47.4 50.2 2.40 2.51 2.65 2.74 2.85 2.93 3.00 3.05 3.10 0.550.45 tkcu,kf150c2 0.88 0.395(1 1.645)ff f150150mm立方体抗压强度的变异系数。 2021-5-4 复合应力状态下的混凝土强度复合应力状态下的混凝土强度 双轴应力下的强度(Biaxial Stress State) 3 砼 双向受拉，接近单轴 抗拉强度； 双向受压，混凝土的 侧向变形受到约束， 强度提高 ； 一拉一压，加速了混 凝土内部微裂缝的发 展 ，抗拉、抗压强度 均降低。 2021-5-4 复合

17、应力状态下的混凝土强度复合应力状态下的混凝土强度 剪应力和正应力共同作用(shear and normal stress) 混凝土的抗剪强度：随拉应力增大而减小，随压应力增大而增大 当 压应力在0.6fc左右时，抗剪强度达到最大， 压应力继续增大，则由 于内裂缝发展明显，抗剪强度将随压应力的增大而减小。 3 砼 2021-5-4 复合应力状态下的混凝土强度复合应力状态下的混凝土强度 三向受压强度(Triaxial compressive strength testing ) 1=fcc 1=fcc 2= 3 2 -侧向约束压 应力（加液压） 2 ccc ffk 无侧向约束时 圆柱体的单轴 抗压

18、强度 有侧向约束时 的抗压强度 k侧向效应系数 (4.5-7.0) 3 砼 2021-5-4 混凝土的疲劳强度混凝土的疲劳强度Fatigue Strength 破坏 重复荷载下的应力-应变曲线 fcf 3 2 1 疲劳强度fc 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 3 砼 2021-5-4 3 砼 2021-5-4 受力变形受力变形：砼由于荷载作用下的变形 单调短期加载：应力-应变关系 荷载长期作用：徐变 多次重复荷载作用下 体积变形体积变形：砼收缩以及温度变化产生的变形 收缩 3.2 混凝

19、土的变形(Deformation of Concrete) 3 砼 2021-5-4 混凝土单调短期加载下的变形性能Stress- strain Relationship 分析混凝土构件应力、建立承载力和变形计算理论的必要依据，也是利用计 算机进行非线性分析的基础。 3 砼 02468 10 20 30 (MPa) 10 -3 B A C E D F O 试件为棱柱体或圆柱体 2021-5-4 A点以前：微裂缝没有明 显发展，主要弹性变形。 对普通强度混凝土 A A约为 (0.30.4)fc ，对高强混凝 土 A A可达(0.50.7)fc cu 02468 10 20 30 (MPa) 10

20、 -3 A B C E D F O 轴心受压混凝土的应力应变曲线 2021-5-4 AB段：部分塑性变形， 应力应变逐渐偏离直线。 B点时的裂缝发展已不稳 定，试件的横向变形突然 增大，常取 B B作为混凝土 的长期抗压强度 ；普通强 度混凝土 B B约为0.8 fc ， 高强混凝土 B B可达0.95 fc cu 02468 10 20 30 (MPa) 10 -3 B A C E D F O 轴心受压混凝土的应力应变曲线 2021-5-4 C点：峰值应力(混凝土棱 柱体抗压强度)。相应的 纵向压应变称为峰值应变， 约为0.002。内部微裂缝连 通形成破坏面，试件承载 力开始减小而进入下降段

21、。 继续发展至D点时，破坏 面初步形成。 (fc,0) cu 02468 10 20 30 (MPa) 10 -3 B A C E D F O 0 fc 轴心受压混凝土的应力应变曲线 2021-5-4 E点以后，纵向裂缝形成 一个斜向的破坏面，此破 坏面在正应力和剪应力的 作用下形成破坏带。此时 试件的强度由破坏面上骨 料间的摩阻力提供。随着 应变进一步发展，摩阻力 不断下降，试件的残余强 度约为0.10.4 fc 02468 10 20 30 (MPa) 10 -3 B A C E D F O （拐点） （收敛点） 轴心受压混凝土的应力应变曲线 2021-5-4 轴心受压混凝土的应力应变曲线

22、 02468 10 20 30 (MPa) 10 -3 B A C E D F O 1.三个特征值 峰值应力 fc 峰值应变0 极限压应变cu 2. 混凝土是一种弹塑性材料 3.曲线上升段高低反映混凝土强度大小， 下降段陡缓反映混凝土变形能力的大 小 (fc,0) cu 2021-5-4 影响因素 砼的强度：峰值应变增大，延性低 应变速率 ：峰值应变增大，坡度缓 试验条件：应变加载，标距，约束 混凝土单调短期加载下的变形性能 (MPa) fc o 0 (10-3) a b c d 2 25 20 15 10 5 468 10 混凝土强度提高 加载速度减慢 cu 约束混凝土 非约束混凝土 c c

23、 fcc fc Esec Ec c0 2c0 sp cco 环箍断裂 3 砼 2021-5-4 弹性模量(Modulus of Elasticity or Elastic Modulus) 混凝土单调短期加载下的变形性能 3 砼 2021-5-4 单向受拉 混凝土单调短期加载下的变形性能 ft t0 tu 上升段：加载初期，变形与应 力线形增长，至极值应力的40- 50%达到比例极限；76-83%出现 临界点(不稳定扩展开始)；峰 值对应的应变随抗拉强度的增 加而增大，在50-270范围内波 动。 当混凝土C15-C40时，极限拉 伸值小于受压，计算时取 tu=100u 。 下降段：随着混凝土

24、强度的提 高而更为陡峭。 Et=Ec 3 砼 2021-5-4 混凝土的弹性模量的试验方法（150150 300标准试件） c/fc c 0.5 510次 此线和原点切线基 本平行，取其斜率 作为Ec 5 c cu,k 10 (MPa) 34.74 2.2 E f 混凝土单调短期加载下的变形性能 经验公式 (Poisson(Poissons ratio)s ratio)：在压力较小时在压力较小时0.15-0.180.15-0.18，接近破坏时，接近破坏时0.50.5以上，一般以上，一般0.20.2 混凝土的剪切模量为混凝土的剪切模量为Shear Modulus )1 (2 c c c E G

25、3 砼 2021-5-4 混凝土在重复荷载作用下的变形性能（疲劳变形） 混凝土的疲劳是在荷载重复作用下产生的。混凝土在荷载重混凝土在荷载重 复作用下引起的破坏称为疲劳破坏。复作用下引起的破坏称为疲劳破坏。 疲劳现象大量存在于工程结构中，疲劳现象大量存在于工程结构中，钢筋混凝土吊车梁受到重钢筋混凝土吊车梁受到重 复荷载的作用，钢筋混凝土道桥受到车辆振动的影响复荷载的作用，钢筋混凝土道桥受到车辆振动的影响以及以及港港 口海岸的混凝土结构受到波浪冲击而损伤等都属于疲劳破坏口海岸的混凝土结构受到波浪冲击而损伤等都属于疲劳破坏 现象。现象。疲劳破坏的特征是疲劳破坏的特征是裂缝小而变形大，裂缝小而变形大，

26、在重复荷载作用在重复荷载作用 下，混凝土的下，混凝土的强度强度和和变形变形有着重要的变化。有着重要的变化。 2021-5-4 O 1 3 fcf 混凝土多次重复加载卸载的应力混凝土多次重复加载卸载的应力应变曲线应变曲线 2021-5-4 混凝土长期加载下的变形性能徐变(Creep) P 3 砼 在荷载不变的情况下随时间而增长的变形称为徐变 2021-5-4 徐变对结构的影响徐变对结构的影响 使受弯构件的挠度增大； 使柱的偏心矩增大； 使预应力混凝土的预应力损失；徐变使预应力混凝土构件缩短，因而引起钢 筋中的预拉应力的减小，成为预应力损失。 使截面上的应力重分布。以柱为例，任一时刻，外界荷载P=

27、Pc+Ps。当徐变 发生后，混凝土似乎变软，受到钢筋的拉力反力，减小了混凝土的承压力， 而钢筋的压力增大。 混凝土长期加载下的变形性能徐变 3 砼 2021-5-4 徐变的主要原因 水泥凝胶体在荷载作用下发生粘性流动，结晶体内部逐渐滑动，造成变形 增大(针对应力不大时的主要原因)。 混凝土内部的微裂缝发展的结果(针对应力较大时的主要原因)。 混凝土长期加载下的变形性能徐变 3 砼 2021-5-4 徐变的影响因素 应力大小 0.8fc ，曲线为发散性。可用 作为普通混凝土长期抗压强度。 龄期影响 龄期越长，混凝土硬化越充分， 水泥石晶体所占比例越大，gel 粘性流动少，徐变小。 混凝土长期加载

28、下的变形性能徐变 3 砼 2021-5-4 材料组成 骨料本身没有徐变特性，但作为刚度较大的弹性体，可以限制约束徐变的大小。因此， 骨料的刚度越大，在混凝土结构中所占比例越大，则徐变越小。水灰比小，使gel的粘 滞度降低，徐变减小。 外部环境：养护及使用条件下的温度和湿度 养护时，温度越高，湿度大，则水泥水化作用越充分(晶体多，gel少)，徐变小。使用时， 温度高，相对湿度低，徐变大，因为在总徐变还包括由于混凝土内部水分受到外力后向 外溢出的徐变。试件体表比小，表面积相对大，徐变大。 混凝土长期加载下的变形性能徐变 徐变与塑性 的区别？ 3 砼 2021-5-4 体积变形 混凝土的收缩(Shr

29、inkage) 混凝土在空气中硬化时体积会缩小，这种现象称为混凝土的收缩。 在水中结硬时，体积膨胀(dilation or swelling) 14d 28dt sh (25)10-4 25% 50% 收缩变形与时间的关系 早期收缩变形发展较快，两周可完成全部收缩的25%，一个月可完成50%，以后变形发展 逐渐减慢，整个收缩过程可延续两年以上。通常，最终收缩应变值约为(25)10-4。 3 砼 2021-5-4 收缩对结构的影响 受到制约，在砼中产生拉应力，导致混凝土产生裂缝，影响正常 使用； 在预应力结构中， 可引起预应力损失。 措施：浇注时设置施工(伸缩)缝，待混凝土收缩充分收缩后再将缝浇

30、 好。 收缩的主要原因 凝缩(Setting Shrinkage)：水泥水化作用过程中形成的晶体比 原材料 体积小 干缩(Drying Shrinkage)：混凝土硬化后期混凝土内部自由水分 的蒸发 或湿度下降引起 混凝土的收缩(Shrinkage) 3 砼 2021-5-4 收缩的影响因素 混凝土的组成和配比是影响主要因素。水泥用量大(水泥晶体多)，水灰比大 (后期失水)，收缩大。骨料对收缩也有制约作用，所以骨料所占体积大，刚 度高，制约作用强，收缩小。 养护和使用条件下的温度和湿度：蒸汽养护可加快水化作用，减少混凝土中 的自由水(游离水)，使以后蒸发用水减少，从而减小收缩。使用环境温度高，

31、 湿度低，都容易使自由水蒸发，使收缩增大。另外，体表比小，表面积相对 大，加快蒸发，收缩也大。 混凝土的收缩(Shrinkage) 3 砼 2021-5-4 As s As s 收缩： 钢筋受压， 混凝土受拉 As P As P As s1 c1 P c2 As s2 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 徐变和收缩 2021-5-4 目录目录 1.钢筋混凝土结构的基本概念 2.混凝土结构的发展状况 3.混凝土的强度指标及变形性能 4.钢筋的强度指标及变形性能 5.钢筋和混凝土的粘结性能 2021-5-4 4.1 钢筋的分类(Steel Reinforceme

32、nt) 碳素钢(Fe, C, Si, Mn, P, S) 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(Ti, V, Mn) 硅系 硅钒系 硅钛系 硅锰系 硅铬系 按化学成分 Carbon steel Low alloy-steel 强度高，塑性和低 温冲击韧性好 强度高，塑性 可焊性低 4 钢筋 2021-5-4 钢筋 (4-40mm) 热轧钢筋：将钢材(低碳钢，普通低合金钢)在高温状态下用机械方法扎制 冷加工钢筋：由热轧钢筋在常温下机械拉伸而成，提高强度和节约钢材 热处理钢筋：将HRB400、KL400钢筋通过加热、淬火、回火而

33、成 按加工工艺 碳素 钢丝 光面钢丝：一般以钢绞线的形式应用 刻痕钢丝：在钢丝表面刻痕，以增强其与混凝土间的粘结力(indented wire) 钢绞线 不同数量钢丝成螺旋状铰绕在一起。其中7股用得较多。 强度高柔软，盘弯运输，在大跨桥中用。 螺旋肋钢丝：先张法预应力混凝土，粘结性能良好 4.1 钢筋的分类 4 钢筋 2021-5-4 外形种类强度 级别 强度等级代号 ftk 屈服强度 (MPa) 工程符号直径 范围d/mm 光圆钢筋低碳 钢 IR235(HPB235)2358-20 带肋钢筋低合 金钢 IIHRB3353356-50 III HRB4004006-50 余热 处理 KL400

34、(RRB)4408-40 常用热轧钢筋 R 4 钢筋 表面形状：plain 屈服强度 HPB235 生产工艺： hot rolled 钢筋：bar HRB335 hot rolled ribbed bar RRB400 Remained heat treatment ribbed bar 2021-5-4 HPB235：质量稳定，塑性好易成型，但屈服强度较低，不 宜用于结构中的受力钢筋； HRB335：带肋钢筋，有利于与混凝土之间的粘结，强度和 塑性均较好，是目前主要应用的钢筋品种之一； HRB400：带肋钢筋，有利于与混凝土之间的粘结，强度和 塑性均较好，是今后主要应用的钢筋品种之一； RR

35、B400：是HRB335钢筋热轧后快速冷却，利用钢筋内温 度自行回火而成，淬火钢筋强度提高，但塑性降 低，余热处理后塑性有所改善。一般冷拉后作预应力筋 2021-5-4 混凝土结构设计规范GB50010-2010 牌号符号 公称直径 d（mm） 屈服强度标 准值 fyk（N/mm2） 极限强度标 准值 fstk（N/mm2） HPB300 622300420 HRB335 650335455 HRBF335 HRB400 650400540HRBF400 RRB400 HRB500 650500630 使用原则：优先使用400MPa级钢筋;积极推广500MPa 级钢筋;取消235MPa 光 圆

36、钢筋;逐步限制、淘汰335MPa 级钢筋。 2021-5-4 2021-5-4 强度指标的确定(钢材废品限值)ftk 强度随机变量 强 度 标 准 值 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 2均方差 概率 密度 材料强度 强度 平均 值 强度 标准 值 公路桥规：钢筋的抗拉强度标准值应具有不小于95%的保证率。 4 钢筋 2021-5-4 B K Z Z K 残余变形 冷拉伸长率 无时效 经时效 特性：只提高抗拉强度，不提高抗 压强度，强度提高，塑性下降 冷拉 经过停放或加热后进一步提高了屈 服强度

37、并恢复了屈服台阶，这种现 象称为冷拉时效硬化。 * 温度过高(450度以上)强度有所降 低而塑性性能却有所增加,温度超过 700度，钢材会恢复到冷拉前的力 学性能，不会发生时效硬化。 为了避免冷拉钢筋再焊接时高温软 化，要先焊好后再进行冷拉！ 4 钢筋 在常温下用在常温下用机械机械方法将有明显流幅的钢筋拉到方法将有明显流幅的钢筋拉到超过超过屈屈 服强度的某一应力值，然后服强度的某一应力值，然后卸载至零卸载至零。 2021-5-4 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，但塑性降低。 将钢筋(HPB235)用强力拔过比本身直径小的硬质合金拔丝模，使钢筋产

38、 生塑性变形，同时拉伸力和挤压力。 4 钢筋 2021-5-4 2021-5-4 按外形 4.1 钢筋的分类 光圆(round)：表面平整，截面为圆形 变形或带肋(deformed,ribbed) 螺纹钢筋 人字纹 月牙纹 4 钢筋 2021-5-4 2021-5-4 按供应方式 4.1 钢筋的分类 盘圆或盘条钢筋：直径为6-10mm的钢筋卷成圆盘 直条或碾条钢筋：直径大于12mm的钢筋轧成6-12m长一根 4 钢筋 2021-5-4 4.2 钢筋的强度和变形 有有明显屈服点的钢筋明显屈服点的钢筋(软钢软钢) 无无明显屈服点的钢筋明显屈服点的钢筋(硬钢硬钢) 单向拉伸实验单向拉伸实验 4 钢筋

39、 2021-5-4 A B B C D E 上屈服点不稳定 下屈服点 fu 拉断BC段为屈服平台 CD段为强化段 标距 有有明显屈服点的钢筋明显屈服点的钢筋 钢筋计算的基本指标钢筋计算的基本指标fy 屈服下限屈服下限 结构构件某一截面屈服后， 将在荷载不增加的情况下产生 持续的塑性变形，构件可能在 钢筋未进入强化段前就产生过 大的变形和裂缝，结构不能正 常使用或已破坏。 在RC构件中，受到混凝土极 限应变的限制，截面达到破坏 时钢筋不大可能进入这样大的 应变状态。 fy fy/fu屈强比:反映出结构可靠性能的大小, 小表明结构的可靠储备越大,一般要 求0.8。 极限 强度 2021-5-4 钢

40、筋种类Es (105MPa) R2352.1 HRB335,HRB400, KL400 2.0 4 钢筋 （1 1）理想弹塑性模型理想弹塑性模型（2 2）三段线性模型三段线性模型 钢筋受压和受拉时的应力-应变曲线几乎相同：Es 钢筋的应力钢筋的应力应变简化模型应变简化模型 有有明显屈服点的钢筋明显屈服点的钢筋 2021-5-4 有有明显屈服点的钢筋明显屈服点的钢筋 塑性性能：延伸率，冷弯性能塑性性能：延伸率，冷弯性能 延伸率(Elongation Rate) (ductility rate) 0 0 100% ll l l0钢筋拉伸试验试件的应变量侧标距，常采用l0=5d(5)或l0=10d(

41、10)， l钢筋拉断或重新拼和后量侧断口两侧的标距，即产生残留伸长后的标距。 5 5 5 HPB235,25% HRB335,18% RRB400,14% 延性好 4 钢筋 l0 l 2021-5-4 延伸率缺陷延伸率缺陷 仅反映钢筋残余变形，包含断口颈缩区域的局部变形；仅反映钢筋残余变形，包含断口颈缩区域的局部变形； 忽略弹性变形，不能反映钢筋的总体变形能力；忽略弹性变形，不能反映钢筋的总体变形能力； 人为误差人为误差影响较大影响较大 2021-5-4 )( 0 0 s b El ll l0不包含颈缩区拉伸前的量测标距长度 l拉伸断裂后不包含颈缩区的量测标距长度 b最大拉伸应力 Es钢筋的弹

42、性模量 4 钢筋 均匀拉伸率 2021-5-4 有有明显屈服点的钢筋明显屈服点的钢筋 冷弯性能冷弯性能(Cold Bending Property) 将钢筋在常温下绕一定直径D(弯心直径)的辊轴弯折一定的角度(冷弯角度)，用 放大镜检查试件表面，如无裂缝、分层以及鳞落等现象，认为材料的冷弯性能 合格。 D越小，越大，则钢筋的冷弯性能越好，说明钢筋的塑性好。 4 钢筋 2021-5-4 无无明显屈服点的钢筋明显屈服点的钢筋(硬钢硬钢) 硬钢(消除应力钢丝，钢绞线):强度高，但低，塑性差，脆性大 加载到拉断，没有明显的屈服段。用其配筋的RC构件， 受拉往往突然断裂，没有明显的预兆 曲线特性： 比例

43、极限a点前:直线，弹性变化 a点后:一定的塑性，应力和应变均持续增长 极限强度b :颈缩出现下降段，直到拉断。 “协定流限”(条件屈服点)作为强度标准， 即加载及卸载后，相应于残余应变为0.2%的 应力，用表示，一般相当于b的70-85%， 条件屈服强度：0.2=0.85 b 4 钢筋 2021-5-4 4.3钢筋的徐变和松弛 徐变(蠕变) Creep 应力不变，随时间的增长 应变继续增加 松弛 Stress Relaxation 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 4 钢筋 2021-5-4 4.4 混凝土结构对钢筋的要求

44、4 钢筋 保证构件具有一定的保证构件具有一定的强度储备强度储备。 （1 1）适当的屈强比）适当的屈强比 （2 2）足够的塑性）足够的塑性 避免发生避免发生脆性脆性破坏。破坏。 （4 4）耐久性和耐火性）耐久性和耐火性 （3 3）可焊性）可焊性 要求钢筋具备良好的要求钢筋具备良好的焊接焊接性能。性能。 （5 5）与混凝土具有良好的）与混凝土具有良好的粘结粘结 必要的混凝土保护层厚度以满足对构件必要的混凝土保护层厚度以满足对构件耐火极限耐火极限的要求。的要求。 （6 6）寒冷地区，防止钢筋）寒冷地区，防止钢筋低温冷脆低温冷脆导致破坏。导致破坏。 2021-5-4 公路桥涵受力构件的混凝土强度等级按

45、下列规定采用： l钢筋混凝土构件不应低于C20，当用HRB400、KL400级钢筋 时，不应低于C25。 l预应力混凝土构件不应低于C40。 l严寒区、海水区或使用除冰盐且受影响的桥涵构件，不应 低于C30；有气态、液态或固态侵蚀物质的环境不应低于 C35。 3 砼 4.5 混凝土和钢筋的规范要求 2021-5-4 4.4 混凝土结构对钢筋的要求 公路桥规：公路混凝土桥涵的钢筋应按下列规定采用 1 钢筋混凝土及预应力混凝土构件中的普通钢筋宜选用热扎 R235、HRB335、HRB400和KL400钢筋，预应力混凝土构件中的 箍筋选用其中的带肋钢筋，按构造要求配置的钢筋网可采用冷 扎带肋钢筋。

46、2 预应力混凝土构件中的预应力钢筋应选用钢绞线、钢丝；中 小型构件或竖、横向预应力钢筋，也可选用精扎螺纹钢筋。 4 钢筋 2021-5-4 目录目录 1.钢筋混凝土结构的基本概念 2.混凝土结构的发展状况 3.混凝土的强度指标及变形性能 4.钢筋的强度指标及变形性能 5.钢筋和混凝土的粘结性能 2021-5-4 粘结应力(bond stress)：钢筋与砼接触面上产生的沿钢 筋纵向的剪应力 5.1 粘结力的作用 轴心受拉构件裂缝出现前的应力分布 轴力N通过钢筋施加在构件两端。端部 c 0 s s N A 随着离开端部距离的增大 在距端部lt处，滑移消除。 s减小 c增大 取dx体平衡条件可得

47、ss s 4 ddxdA dd dx 5 粘结 2021-5-4 5.2 粘结力的特点 拔出实验Pull-out test F dl 粘结强度: 最大平均粘结应力 F拉拔力 d钢筋直径 l钢筋埋置长度 5 粘结 2021-5-4 5.2 粘结力的特点 5 粘结 2021-5-4 光圆钢筋的粘结破坏 粘结作用 5.3 粘结破坏机理 水泥凝胶体与钢筋表面的化学胶着力 相对滑移前 钢筋与混凝土接触面间的摩擦力 钢筋表面粗糙不平的机械咬合力 相对滑移后 粘结强度：(1.5-3.5MPa) 破坏形态：拔出的剪切破坏 破坏面为接触面 钢筋表面不平、微锈时可显著提高咬合力 5 粘结 2021-5-4 变形钢

48、筋的粘结破坏 变形钢筋 胶着力 摩擦力 机械咬合力主要作用 5 粘结 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。 粘结强度：(2.5-6.0MPa) 2021-5-4 变形钢筋 纵向分量 径向分量 构件纵向开裂 劈裂粘结破坏：钢筋外围混凝土较薄,无环向钢筋约束混凝土变 形。径向裂缝达到表面，形成沿钢筋的纵向劈裂裂缝。 2021-5-4 变形钢筋 纵向分量 径向分量 混凝土撕裂混凝土局部挤碎刮出式破坏 剪切型粘结破坏：钢筋沿肋外径整体滑移,达到剪切破坏强度。 (刮梨式破坏) 2021-5-4 5.4 影响粘结强度的因素 混凝土强度：混凝土强度：混凝土强度越高，

49、钢筋与混凝土的粘结力也越高；混凝土强度越高，钢筋与混凝土的粘结力也越高； 混凝土浇注时的钢筋位置：混凝土浇注时的钢筋位置：水平位置的粘结强度低于竖向位置的钢筋；水平位置的粘结强度低于竖向位置的钢筋； 保护层厚度：保护层厚度：混凝土保护层较薄时，其粘结力降低，并在保护层最薄弱混凝土保护层较薄时，其粘结力降低，并在保护层最薄弱 位置容易出现劈裂裂缝，促使粘结力提早破坏；位置容易出现劈裂裂缝，促使粘结力提早破坏； 钢筋的净距：钢筋的净距：净距小，混凝土发生水平劈裂，粘结强度小；净距小，混凝土发生水平劈裂，粘结强度小； 钢筋表面形状：钢筋表面形状：带肋钢筋表面凹凸不平，与混凝土之间的机械咬合力较带肋钢筋表面凹凸不平，与混凝土之间的机械咬合力较 好，破坏时粘结强度大；光面钢筋的粘结强度则较小，好，破坏时粘结强度大；光面钢筋的粘结强度则较小， 所以要在钢筋端部做成弯钩，可以增加其拔出力；所以要在钢筋端部做成弯钩，可以增加其拔出力； 5 粘结 2021-5-4 钢筋和混凝土共同工作的基础； 混凝土的强度：单压(立方体，棱柱体)，单拉(直接拉伸，劈裂)，双向， 三向，以及他们之间的联系。 单向受压的变形性能，徐变，收缩 钢