钢筋与混凝土材料的力学性能

1、SUNMMARY OF BUILDING 第三章 钢筋 第一节 混凝土 第二节 钢筋与混凝土的粘结 第三节 是在混凝土结构中采是在混凝土结构中采 用的最为广泛的加劲用的最为广泛的加劲 材料，常为圆棒状，材料，常为圆棒状， 简称为钢筋。柔性钢简称为钢筋。柔性钢 筋按直径大小可分为筋按直径大小可分为 钢筋与钢丝。钢筋与钢丝。 是指用于混凝土中是指用于混凝土中 的型钢，包括角钢、的型钢，包括角钢、 槽钢、工字钢等。槽钢、工字钢等。 1 钢筋的形式钢筋的形式 钢筋的形式分为柔性钢筋和劲性钢筋两类。钢筋的形式分为柔性钢筋和劲性钢筋两类。 第一节、钢筋 图图3-1 3-1 钢筋的类型钢筋的类型 第一节、钢

2、筋 2 钢筋的成分、级别和品种钢筋的成分、级别和品种 碳素钢碳素钢（铁、 碳、硅、锰、 硫、磷等元 素） 低碳钢（含碳量0.25%） 中碳钢（含碳0.250.6%） 高碳钢（含碳0.61.4%） 含碳量越 高，强度 越高，但 塑性和可 焊性减低 普通低合金钢普通低合金钢 （另加硅、锰、 钛、钒、铬等） 锰系 硅钒系 硅钛系 硅锰系 硅铬系 20MnSi 40Si2MnV 45SiMnTi 40Si2Mn 45Si2Cr 第一节、钢筋 2 钢筋的成分、级别和品种钢筋的成分、级别和品种 光圆钢筋 变形钢筋 有明显屈服点钢筋 （“软钢”） 无明显屈服点钢筋 （“硬钢”） 普通钢筋 预应力钢筋 第一节

3、、钢筋 按加工方法按加工方法 钢筋 钢丝 热轧钢筋：热轧钢筋：由低碳钢和普通低合金钢在高温状态下轧制而成 冷拉钢筋：冷拉钢筋：由热轧钢筋在常温下用机械拉伸而成 热处理钢筋：热处理钢筋：将HRB400、RRB400钢筋通过加热、淬火、回火 而成 碳素钢丝：碳素钢丝：钢筋通过多次冷拔、应力消除、矫正、回火处理而成 刻痕钢丝：刻痕钢丝：在钢丝表面刻痕，以增强其与混凝土间的粘结力 钢绞线：钢绞线：几根相同直径的钢丝成螺旋状铰绕在一起 第一节、钢筋 第一节、钢筋 表1-1 常用热轧钢筋的种类、代表符号和直径范围 注：第一个字母注：第一个字母H H（hot rolledhot rolled）表示热轧，）表

4、示热轧，R(Remained heat treated)R(Remained heat treated) 表示为余热处理；第二个字母表示为余热处理；第二个字母P(Plain)P(Plain)表示光圆，表示光圆，R(ribbed)R(ribbed)表示带肋；表示带肋； 第三个字母第三个字母B B（BarBar）代表钢筋；数字表示标准强度。）代表钢筋；数字表示标准强度。 强度等级代号强度等级代号钢种钢种符号符号d d/mm/mm HPB235HPB235Q235Q235（低碳钢）（低碳钢）620620 HRB335HRB33520MnSi20MnSi（低合金钢）（低合金钢）650650 HRB40

5、0HRB40020MnSiV,20MnSiNb,20MnT20MnSiV,20MnSiNb,20MnT i i（低合金钢）（低合金钢） 650650 RRB400RRB400K20MnSiK20MnSi（低合金钢）（低合金钢）840840 第一节、钢筋 HPB235为热轧光面钢筋，普通钢筋，“软钢” HRB335和HRB400是热轧变形钢筋，普通钢筋，“软钢” RRB400是余热处理钢筋，余热处理钢筋是将屈服强度相当于HRB335的钢筋在轧制后穿水冷却， 然后利用芯部的余热对钢筋表面的淬水硬壳回火处理而成的变形钢筋。其性能接近于 HRB400级钢筋，但不如 HRB400级钢筋稳定，应用范围受到

6、限制。 3 钢筋的强度与变形钢筋的强度与变形 第一节、钢筋 A B B C D E 0.2% 0.2 标距 有明显流幅的钢筋无明显流幅的钢筋 钢筋受压和受拉时的应力-应变曲线几乎相同 第一节、钢筋 A B B C D E 有明显流幅的钢筋：有明显流幅的钢筋：在建立钢筋混凝土构件在建立钢筋混凝土构件 截面承载力计算理论时，以截面承载力计算理论时，以下屈服点对应的强度下屈服点对应的强度 作为设计时钢筋强度的取值（作为设计时钢筋强度的取值（ f fy y ）。 ）。 两点简化：两点简化： A. A. 钢筋应力不大于屈服点时应力钢筋应力不大于屈服点时应力- -应变关应变关 系系- -直服从胡克定律，处

7、于理想弹性阶段；直服从胡克定律，处于理想弹性阶段； B. B.不利用应力强化阶段，假设钢筋混凝土不利用应力强化阶段，假设钢筋混凝土 构件截面达到破坏时，钢筋拉应力保持为屈服点构件截面达到破坏时，钢筋拉应力保持为屈服点 应力。应力。钢筋的极限强度钢筋的极限强度作为一种安全储备。作为一种安全储备。 第一节、钢筋 0.2% 0.2 * 无明显流幅的钢筋：残余应变无明显流幅的钢筋：残余应变 为为0.2%0.2%时所对应的应力作为其强时所对应的应力作为其强 度限值，称为条件屈服强度度限值，称为条件屈服强度 ，混，混 凝土规范取凝土规范取0.20.85 b， b为为 极限抗拉强度。极限抗拉强度。 第一节、

8、钢筋 , sysss E当时 , , yss hsy f当时 , ,()tan s hss usyss h f当时 tan0.01 ss EE 规 范 模 型 su=0.01 4 钢筋应力应变曲线的数学模型钢筋应力应变曲线的数学模型 描述完全弹塑性加硬化的三折线模型（适用于有屈服点的钢筋）描述完全弹塑性加硬化的三折线模型（适用于有屈服点的钢筋） 第一节、钢筋 描述弹塑性的双斜线模型（适用于没有明显流幅钢筋）描述弹塑性的双斜线模型（适用于没有明显流幅钢筋） , sysss E当时 y, , , ,()tan tan ss usysy s uy s s uy f ff E 当时 第一节、钢筋 5

9、钢筋的疲劳钢筋的疲劳 4）钢筋疲劳试验有两种方法：一种 是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。我国采用的是前一种方法。 1 3 5 2 4 1）钢筋的疲劳：钢筋在承受重复的、周 期性的动荷载作用下，经过一定次数后， 发生突然性断裂的现象。 2）钢筋的疲劳强度：是指在某一规定 的应力幅度内，经过一定次数的循环荷 载后（大约200万次）发生疲劳破坏的最 大应力值。 3）钢筋疲劳断裂的原因：一般认为是由于钢筋 内部和外部的缺陷，在这些薄弱处容易引起应力集 中。应力过高，钢筋晶粒滑移，产生疲劳裂纹，从 而造成疲劳断裂。 5）钢筋疲劳强度的影响因素：应力变化幅

10、值、最小应力值的大小、钢筋外表面几何尺寸 与形状、钢筋的直径、强度、加工和使用环境 以及加载的频率等。 第一节、钢筋 5 混凝土结构对钢筋性能的要求混凝土结构对钢筋性能的要求 总之，钢筋的品种繁多，性能各异。在选用钢材时应在保证结构安全 可靠的基础上经济合理的选用钢材，尽量节约钢材，降低造价。 足够的塑性足够的塑性 具具有适当的屈强比有适当的屈强比 可焊性可焊性 低温性能性低温性能性 与混凝土要有良好的粘结力与混凝土要有良好的粘结力 第二节、混凝土 1 1 混凝土的强度 ffkcu f645. 1 , kcu f , 规范规定以边长为150mm的立方体在 203的温度和相对湿度 在 90以上的

11、潮湿空气中养护28d，依照标准试验方法测得的具有95 保证率的抗压强度标准值(以Nmm2计)作为混凝土的强度等级，并用符 号fcu,k表示。 fcu,k与平均值f和标准差f的关系为: 立方体抗压强度: 第二节、混凝土 承压板 试块 摩擦力 不涂润滑剂涂润滑剂 强度大于 我国规范的方法：不涂润滑剂 压力试件裂缝 发展扩张整个 体系解体，丧失承 载力 另影响强度的因素 还有：龄期、加载 速率、试块尺寸等 第二节、混凝土 标准试块：150150 150 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，我国规范混

12、凝土的 强度等级有： C15，C20，C25，C30，C35，C40，C45，C50，C55，C60，C65，C70， C75，C80 数字表示立方体抗压强度C 表示混凝土Concrete 第二节、混凝土 承压板 试 块 标准试块：150150 300mm 试验量测到fck值比fcu,k值小，并且棱柱体试件 高宽比(即h/b)越大，它的强度越小。 2 2 棱柱体抗压强度 抗压强度与试件形状有关，实际构件往往不是立方体，而 是棱柱体，可以用棱柱体测得的抗压强度作为轴心抗压强度， 又称为棱柱体抗压强度。受压时试件中部横向变形不受端部摩 擦力的约束，代表了混凝土处于单向全截面均匀受压的应力状 态，比

13、立方体试件能更好地反映混凝土的实际抗压能力。 第二节、混凝土 kcuck ff ,21 88.0 轴心抗压强度轴心抗压强度( (棱柱体强度棱柱体强度) )标准值标准值f fck ck与立方体抗压强度标准值 与立方体抗压强度标准值 f fcu,k cu,k之间存在以下折算关系 之间存在以下折算关系 棱柱体强度与立方体强度的比值，当混凝土的强度等级不大于棱柱体强度与立方体强度的比值，当混凝土的强度等级不大于 C50C50时，时， =0.76=0.76；当混凝土的强度等级为；当混凝土的强度等级为C80C80时，时， =0.82=0.82；其间按线；其间按线 性插值；性插值； 混凝土的脆性系数，当混凝

14、土的强度等级不大于混凝土的脆性系数，当混凝土的强度等级不大于C40C40时，时， =1.0=1.0； 当混凝土的强度等级为当混凝土的强度等级为C80C80时，时， =0.87=0.87；其间按线性插值；其间按线性插值； 0.88 0.88考虑结构中的混凝土强度与试块混凝土强度之间的差异等因素考虑结构中的混凝土强度与试块混凝土强度之间的差异等因素 的修正系数。的修正系数。 第二节、混凝土 3 混凝土轴心抗拉强度ft 100 100 150150 500 试验机夹紧两端伸出的 钢筋，对试件施加拉力，破 坏时裂缝产生在试件的中部， 此时的平均破坏应力为轴心 抗拉强度f t。 由于混凝土构件内部的 不

15、均匀性，加之安装试件偏 差的原因，通过直接受拉试 验测量抗拉强度是很困难的， 试验数据离散性很大。 第二节、混凝土 劈裂试验劈裂试验f ft,s t,s dl F ft 2 0 d d fts FF F F 试件中间垂直截面除加力试件中间垂直截面除加力 点附近很小的范围外，有均匀点附近很小的范围外，有均匀 分布的水平拉应力。当拉应力分布的水平拉应力。当拉应力 达到混凝土的抗拉强度时，试达到混凝土的抗拉强度时，试 件被劈成两半。件被劈成两半。 根据弹性理论 为轴心抗拉强度与立方体抗压强度的折算关系 第二节、混凝土 抗拉强度标准值ftk与立方体抗压强度标准值fcu,k之间的折算关系为 45. 05

16、5. 0 ,2 )645. 11 (395. 088. 0 kcutk ff 混凝土的脆性系数 当混凝土的强度等级不大于C40时， =1.0； 当混凝土的强度等级为C80时， =0.87；其间按线性插值； 0.88考虑结构 中的混凝土强度与试块 混凝上强度之间的差异 等因素的修正系数。 (1-1.645)0.45反映了试验离散程度对标准值保证率的影响。 第二节、混凝土 c ck c f f c tk t f f 混凝土抗压强度设计值混凝土抗压强度设计值f fc c和抗拉强度设计值和抗拉强度设计值f ft t与其对与其对 应的标准值的关系为应的标准值的关系为 式中式中c c混凝土的材料分项系数，

17、建筑工程取混凝土的材料分项系数，建筑工程取 c c=1.40=1.40，公路桥涵工程取，公路桥涵工程取c c=1.45=1.45。 第二节、混凝土 4 复合受力状态下混凝土的强度 1.0 1.0 1.2 1.2 -0.2 -0.2 2/ fc 1/ fc 拉 压 双向正应力下的强度曲线 双向受拉双向受拉 （第一象（第一象 限），限），1 1与与 2 2的相互影的相互影 响不大，双响不大，双 向受拉强度向受拉强度 均接近于单均接近于单 向受拉强度。向受拉强度。 一向受拉，另一向受拉，另 一向受压（第二、一向受压（第二、 四象限），混凝四象限），混凝 土强度均低于单土强度均低于单 向拉伸或压缩的向

18、拉伸或压缩的 强度，即双向异强度，即双向异 号应力使强度降号应力使强度降 低低 双向受压双向受压 （第三象（第三象 限），一项限），一项 强度随另一强度随另一 项应力的增项应力的增 加而增加加而增加。 双轴应力下的强度 第二节、混凝土 抗剪强度 随拉应力的 增大而减小； 混凝土的抗压 强度由于剪应力 的存在而降低。 /fc0.50.7时，抗剪强度 随着压应力的增大而增大；但在 /fc0.50.7时，由于内裂缝 明显发展，抗剪强度反而随压应 力的增大而减小 平面法向应力和剪应力的组合强度 法向应力和剪应力下的强度曲线 第二节、混凝土 三向受压强度 3=fcc 3=fcc 1= 2= fL fL-

19、侧向约束 压应力（加液压 ） 圆柱体试验 Lccc fff）（7.04.5 混凝土一向 抗压强度随 另两向侧压 力的增加而 提高。 有侧向约束时的轴心抗 压强度 侧向压力 第二节、混凝土 对于纵向受压的混凝土，如果约束混凝土的侧向变形，也可使混凝土的抗对于纵向受压的混凝土，如果约束混凝土的侧向变形，也可使混凝土的抗 压强度有较大提高。如采用钢管混凝土柱、螺旋钢箍柱等能有效约束混凝土的压强度有较大提高。如采用钢管混凝土柱、螺旋钢箍柱等能有效约束混凝土的 侧向变形使混凝土的抗压强度、延性侧向变形使混凝土的抗压强度、延性( (承受变形的能力承受变形的能力) )有相应的提高。有相应的提高。 第二节、混

20、凝土 2 混凝土的变形混凝土的变形 混凝土的变形混凝土的变形 受力变形 一次短期加载一次短期加载 下的变形下的变形 多次重复荷载多次重复荷载 作用下的变形作用下的变形 荷载长期作用荷载长期作用 下的变形下的变形 非受力变形非受力变形 硬化过程中的硬化过程中的 收缩变形收缩变形 温湿度变化引温湿度变化引 起的变形起的变形 第二节、混凝土 受压时的应力受压时的应力- -应变关系应变关系 作用是：峰值应力后，作用是：峰值应力后， 吸收试验机的变形能，吸收试验机的变形能， 测出下降段测出下降段 一次短期加载下的变形一次短期加载下的变形 棱柱体试块 第二节、混凝土 0A:第第I阶段阶段(弹性阶段）弹性阶

21、段） (=0.30.4fck )， ， 混凝土的变形主要是骨料和水泥结晶体的弹混凝土的变形主要是骨料和水泥结晶体的弹 性变形，应力应变关系接近直线。性变形，应力应变关系接近直线。 AB:第第II 阶段阶段(稳定裂缝扩展阶段），临稳定裂缝扩展阶段），临 界点界点B相对应的应力可作为长期受压强度的相对应的应力可作为长期受压强度的 依据依据(一般取一般取0.8 fCk) BC：第：第III阶段（裂缝快速发展阶段），应阶段（裂缝快速发展阶段），应 力达到的最高点为力达到的最高点为fck，与其相应的应变称为峰，与其相应的应变称为峰 值应变值应变0，平均取，平均取0.002。 在在fck以后以后 ，裂缝迅

22、速发展，试件的平均，裂缝迅速发展，试件的平均 应力强度下降；应力强度下降；D后，曲线凸向水平方向发后，曲线凸向水平方向发 展，在曲线中曲率最大点展，在曲线中曲率最大点E称为称为 “收敛点收敛点”， E点以后主裂缝已很宽。结构内聚力几乎耗点以后主裂缝已很宽。结构内聚力几乎耗 尽失去结构的意义。尽失去结构的意义。 第二节、混凝土 (MPa) fc o 0 (10-3) a b c d 2 25 20 15 10 5 468 10 混凝土强度提高混凝土强度提高 加载速度减慢加载速度减慢 影响因素影响因素 混凝土强度对下降段影响很大，强度越高，下降段越陡峭，混凝土强度对下降段影响很大，强度越高，下降段

23、越陡峭， 延性越差。加载速度越大，下降段越陡峭。延性越差。加载速度越大，下降段越陡峭。 第二节、混凝土 受压时应力受压时应力-应变关系的数学模型应变关系的数学模型 u=0.0038 0=0.002o c fc c 0.15fc 2 0 11 c cc f 0 0 15. 01 u c cc f 美国美国HognestadHognestad模型模型 u=0.00350=0.002 o c fc c 2 0 11 c cc f 德国德国RschRsch模型模型 第二节、混凝土 中国规范中国规范 u 0 o c fc c n c cc f 0 11 22n )50( 60 1 2 , n fn kc

24、u 时，取大于当 5 ,0 10505 . 0002. 0 kcu f 5 , 10500033. 0 kcuu f 第二节、混凝土 受拉时混凝土的应力受拉时混凝土的应力-应变关系应变关系 t t o t0 tu ft 理论模型理论模型 第二节、混凝土 混凝土的弹性模量混凝土的弹性模量 原点切线模量（弹性模量）：拉压相同原点切线模量（弹性模量）：拉压相同 0 tgEc 变形模量（割线模量、弹塑性模量）变形模量（割线模量、弹塑性模量） 切线模量 c c c d d tgE ccc tgE/ 1 cc c e c EEE 弹性特征系数，与应力值有关 受压时，为0.41.0；受拉 f ft t 时，

25、为0.5 是材料变形性能的主要指标，是材料变形性能的主要指标，在计算构件变形、在计算构件变形、 截面应力和预应力构件的预应力损失等时用。截面应力和预应力构件的预应力损失等时用。 ec / 1 c c c c pe 0 第二节、混凝土 混凝土弹性模量的试验方法混凝土弹性模量的试验方法 c/fc c 0.5 510次 此线和原点切线此线和原点切线 基本平行，取其基本平行，取其 斜率作为斜率作为Ec )/( 7 .34 2 . 2 10 2 , 5 mmN f E kcu c （150150 300标准试件） 取应力上限为取应力上限为0.50.5fc 重复加载重复加载5 51010次。次。 试验结果

26、回归试验结果回归 第二节、混凝土 混凝土的泊松比和剪切模量混凝土的泊松比和剪切模量 混凝土的剪变模量为混凝土的剪变模量为 c c c c E E G4 . 0 )1 (2 混凝土的泊松比（试件的混凝土的泊松比（试件的横向应变与纵向应变之比横向应变与纵向应变之比） ，在压力，在压力 较小时为较小时为0.150.18，接近破坏时可达，接近破坏时可达0.5以上，规范取以上，规范取0.2 c G 第二节、混凝土 破坏 重复荷载下的应力-应变曲线 fcf 3 2 1 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 疲

27、劳强度与重复作用时应力变化 的幅度有关，随疲劳应力比的增大而 增大 f c f cf c max, min, 第二节、混凝土 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 05 101520253035 (10-3) (月) cr ela ela ela cr P 加荷瞬时变形 徐变变形 原因之一，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 徐变：荷载保持不变，随时间而增长的变形荷载保持不变，随时间而增长的变形 第二节、混凝土 应力应力： c c0.5f0.5fc c，徐变变形与应力成正比，徐变变形与应力成正比-线性徐变线性徐变 0.5f 0.5fc c c c0.8f0.8f0.8

28、fc c，造成混凝土破坏，不稳定，造成混凝土破坏，不稳定 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 05 101520253035 (10-3) (月) cr ela e e cr 0.5fcc0. 8fc，非线性 徐变 c0.5fc， 线性徐变 影响徐变的因素：影响徐变的因素： 加荷时混凝土的龄期，越早，徐变越加荷时混凝土的龄期，越早，徐变越 大大 水泥用量越多，水灰比越大，徐变越水泥用量越多，水灰比越大，徐变越 大大 骨料越硬，徐变越小；构件尺寸越小，骨料越硬，徐变越小；构件尺寸越小， 徐变越大徐变越大 养护温度越高、湿度越大，水化越充养护温度越高、湿度越大，水化越充 分，徐变越小分，徐变越

29、小 受荷后温度越高、湿度越低，徐变越受荷后温度越高、湿度越低，徐变越 大大 第二节、混凝土 混凝土的收缩产生的变形，混凝土的收缩产生的变形，-在空气中在空气中结硬时混凝土体积结硬时混凝土体积 缩小的性质缩小的性质 干燥失水是引起收缩的重要因素：干燥失水是引起收缩的重要因素： l 水泥品种：等级越高，收缩越大； l 水泥用量：水泥用量越多，水灰比越大，收缩越大； l 骨料：骨料越硬，收缩越小；骨料粒径越大，收缩越小； l 养护条件、制作方法、使用环境、体积与表面积的比值等。 第二节、混凝土 混凝土的温度变化产生的变形混凝土的温度变化产生的变形 l 当温度变化时，混凝土的体积有热胀冷缩的性质。 l

30、 当温度变形受到外界的约束而不能自由发生时，将在构件内产生温 度应力。 l 在大体积混凝土中 ，由于混凝土表面较内部的收缩量大，再加上水 泥水化热使混凝土的内部温度比表面温度高，如果把内部混凝土视为相对 不变形体，它将对试图缩小体积的表面混凝土形成约束，在表面混凝土形 成拉应力， 如果内外变形差较大，将会造成表层混凝土开裂。 第三节、钢筋与混凝土的粘结 1.1.粘结力的概念及作用粘结力的概念及作用 当钢筋与混凝土之间产 生相对变形（滑移），在 钢筋和混凝土的交界面上 产生沿钢筋轴线方向的相 互作用力，此作用力称为 粘结力。 定义：定义： 钢筋与混凝土之间的粘 结是这两种材料共同工作 的保证，通

31、过粘结应力， 可以实现钢筋与混凝土之 间的应力传递，从而使两 种材料能共同承受外力、 共同变形、抵抗相互间的 滑移。 作用：作用： 第三节、钢筋与混凝土的粘结 2.2.粘结力的组成粘结力的组成 化学胶结力化学胶结力钢筋与混凝土接触面上的化学吸附作用力（一般钢筋与混凝土接触面上的化学吸附作用力（一般 很小，一旦产生相对滑移即消失）。很小，一旦产生相对滑移即消失）。 组成：组成： 摩擦力摩擦力混凝土收缩后将钢筋紧握产生的摩擦力，钢筋表面越混凝土收缩后将钢筋紧握产生的摩擦力，钢筋表面越 粗糙，摩擦力越大。（钢筋表面微锈摩擦力增加）。粗糙，摩擦力越大。（钢筋表面微锈摩擦力增加）。 机械咬合力机械咬合力钢筋表