建筑结构CD教学作者钏芳林马丹丁材料的物理力学性能实用教案

1、第三章 材料(cilio)(cilio)的物理力学性能及选用原则 结构材料的力学性能，主要是指材料的强度和变形能力，以及(yj)(yj)材料的本构关系（即应力- -应变关系）。第1页/共156页第一页，共157页。3.1 建筑(jinzh)钢材第2页/共156页第二页，共157页。3.1 建筑(jinzh)钢材 钢是含碳量低于2%2%的铁碳合金（含碳量高于2%2%时为生铁），钢经轧制或加工成的钢筋、钢丝、钢板及各种( zhn)( zhn)型钢，统称钢材。 在建筑钢材中，大量使用碳素结构钢和普通低合金钢。 第3页/共156页第三页，共157页。3.1 建筑(jinzh)钢材 3.1.1 钢材(g

2、ngci)的机械性能 3.1.2 钢材(gngci)的破坏形式 3.1.3 影响钢材(gngci)机械性能的因素 3.1.4 钢材(gngci)的种类、规格及选用第4页/共156页第四页，共157页。3.1.13.1.1钢材(gngci)(gngci)的机械性能 1.1.钢材在单向均匀拉伸时的工作性能 在室温(sh wn)+20C(sh wn)+20C的条件下，在 拉伸试验机上进行一次静力拉 伸验，直到试件拉断破坏，并 绘出应力- -应变曲线。 图3-1 3-1 低碳钢的应力应变曲线 s se eaabcdefufyf第5页/共156页第五页，共157页。 由图中曲线可见，低碳钢一次拉伸试验时

3、的工作特性可分成四个阶段： (1)弹性阶段应力由零到比例极限,钢材表现出弹性性能，应力与应变成正比，卸荷后变形完全恢复，符合虎克定律。 (2)弹塑性(sxng)阶段由比例极限到屈服点,应力超过比例极限后，任一点的变形中都将包括弹性变形和塑性(sxng)变形两部分，其中的塑性(sxng)变形在卸荷后不再恢复，称残余变形。 (3)塑性(sxng)阶段(屈服平台亦称塑性(sxng)流动阶段) 第6页/共156页第六页，共157页。(4)(4)强化阶段钢材内部结晶组织自行作了调整，抵抗外荷载的能力有所提高，应力与应变关系又开始上升，出现(chxin)(chxin)所谓“自强阶段”。 应力达到抗拉强度（

4、或称极限强度）时，在试件某一薄弱截面上出现(chxin)(chxin)颈缩现象而断裂破坏。 第7页/共156页第七页，共157页。2.由静力拉伸试验(shyn)得出的钢材的力学性能指标 通过上述拉伸试验(shyn)，可以得到钢材的三个主要机械性能指标：抗拉强度（极限强度）、屈服点及拉伸率。并得出结构设计很重要的几点结论。第8页/共156页第八页，共157页。3.1.13.1.1钢材(gngci)(gngci)的机械性能（1）钢结构设计规范规定，应力达屈服强度fy时为钢材的强度承载力极限, 抗拉强度作为强度储备之用。 在抗震结构中，考虑到受拉钢材可能进入强化阶段，故要求其屈服强度与抗拉强度的比值

5、（称为屈强(q qin)比）不大于0.8，以保证结构的变形能力，因而钢材的抗拉强度是检验钢材质量的另一强度指标。作为强度储备之用。第9页/共156页第九页，共157页。(2)(2)理想(lxing)(lxing)的弹性- -塑性体 对于没有缺陷和残余应力影响的试件，比例极限和屈服点比较接近，且屈服点前的应变很小（对低碳钢约为0.15%0.15%），为简化计算，通常假设屈服点以前的钢材为完全弹性的，屈服点以后的为完全塑性的，这样就可把钢材视为理想(lxing)(lxing)的弹- -塑性体，其应力- -应变曲线表现为双直线，如图3-23-2所示。 fy ey1Es图3-2 理想(lxing)的弹

6、塑性体的应 力应变曲线 第10页/共156页第十页，共157页。 对于无明显屈服点的钢材，屈服条件是根据实验分析结果而人为规定的，故称为(chn wi)条件屈服点（或屈服强度）。 条件屈服强度是以卸荷后试件中残余应变为0.2%所对应的应力定义的（有时用f0.2表示），这类钢材不具有明显的塑性平台，设计中不宜利用它的塑性。a0.2%s0.2 fu第11页/共156页第十一页，共157页。(3) (3) 伸长率 反映钢材在静力荷载作用下的塑性变形能力(nngl).(nngl). 塑性: :指钢材破坏前产生变形的能力(nngl)(nngl)。 第12页/共156页第十二页，共157页。 伸长率是指试

7、件拉断后原标距的伸长值与原标距的比值（以百分率表示）： （3-1）式中 l1试件原标距长度，一般(ybn)取5d，d为试件直径； l2试件拉断后的标距长度； 伸长率（%），当l1=5d时记为5，当l2=10d时记为10 。 伸长率大的钢材塑性好，拉断前有明显预兆；伸长率小的钢材塑性差，破坏会突然发生，呈脆性特性。有明显屈服点的钢材有较大的伸长率。%100112lll第13页/共156页第十三页，共157页。3. 其他力学性能指标（1）冷弯性能 冷弯性能是指钢材在常温下承受弯曲时产生塑性变形的能力。 由冷弯试验来确定。 冷弯性能合格是鉴定钢材在弯曲状态(zhungti)下的塑性应变能力和钢材质量

8、的综合指标。第14页/共156页第十四页，共157页。（2）冲击韧性 韧性是钢材(gngci)抵抗冲击荷载的能力，它用材料在断裂时所吸收的总能量（包括弹性和非弹性能）来度量。 拉伸实验所表现的钢材(gngci)性能是静力性能，而韧性试验则可获得钢材(gngci)的一种动力性能。 韧性 是钢材(gngci)强度 和塑性的综 合指标。第15页/共156页第十五页，共157页。3.1.2钢材(gngci)的破坏形式 钢材有两种性质完全不同的破坏形式，即塑性破坏和脆性破坏。钢结构所用的材料虽然有较高的塑性和韧性(rn xn),一般为塑性破坏，但在一定条件下，仍然有脆性破坏的可能性。第16页/共156页

9、第十六页，共157页。3.1.2钢材(gngci)的破坏形式 1.塑性破坏 塑性破坏是由于变形过大，超过了材料或构件可能的应变能力而产生的，而且仅在构件的应力达到了钢材的抗拉强度后才发生。 破坏特征：破坏前构件产生较大的塑性变形，断裂后的断口呈纤维状，色泽发暗。 破坏后果：在塑性破坏前，由于总有较大的塑性变形发生，且变形持续的时间较长，很容易及时发现而采取措施予以补救，不致引起严重后果。另外，塑性变形后出现内力重分布，使结构中原先受力不等的部分应力趋于均匀，因而(yn r)提高结构的承载能力。 第17页/共156页第十七页，共157页。2脆性破坏 脆性破坏前塑性变形很小，甚至没有塑性变形，计算

10、应力可能小于钢材的屈服点，断裂从应力集中处开始。冶金和机械加工过程中产生的缺陷，特别是缺口和裂纹，常是断裂的发源地。 破坏特征(tzhng)：破坏前没有任何预兆，破坏是突然发生的，断口平直并呈有光泽的晶粒状。 破坏后果：措施，而且个别构件的断裂常引起整个结构的塌毁，危及人民生命财产的安全，后果严重，损失较大。在设计、施工和使用钢结构时，要特别注意防止出现脆性破坏。第18页/共156页第十八页，共157页。3.1.3影响(yngxing)钢材机械性能的因素1.化学成分(chng fn) 钢筋的力学性能主要取决于它的化学成分(chng fn)。其主要成分(chng fn)是铁元素，此外还含有少量的

11、碳、锰、硅、硫等元素。 增加含碳量可提高钢材的强度，但塑性和可焊性降低。锰、硅元素可提高钢材强度，并保持一定的塑性； 磷、硫是有害元素，其含量超过一定限度时，钢材塑性明显降低，磷使钢材冷脆，硫使钢材热脆，且焊接质量也不宜保证。氧和氮也是有害元素，氧与硫相似，氮与磷相似。第19页/共156页第十九页，共157页。2.冶炼与轧制 钢材的化学成份与含量、金相组织(zzh)及不可避免的冶金缺陷等都是在冶炼过程中形成的，冶炼过程中因脱氧程度不同，分为镇静钢、半镇静钢、特种镇静钢和沸腾钢，脱氧程度愈高，钢材性能愈好。钢材的轧制是在12001300C高温下进行的。轧制能使金属晶粒变细，消除气泡和裂纹等。通常

12、，厚度小的钢材的强度较厚度大者高。第20页/共156页第二十页，共157页。 3钢材硬化 (1)冷作硬化 钢材在弹塑性阶段或塑性阶段卸荷后，如再重新加荷，其屈服强度将提高，而塑性和韧性降低( jingd)，这种现象叫做冷作硬化或应变硬化（图3-6）。 冷弯、冷拉、冲孔、机械剪切等冷加工使钢材产生很大塑性变形，从而提高了钢的屈服点，同时降低( jingd)了钢的塑性和韧性。 第21页/共156页第二十一页，共157页。3.1.3影响钢材(gngci)机械性能的因素(2)时效硬化时效硬化:冶炼时熔化于铁中的少量氮和碳，随着时间的增长(zngzhng)逐渐从纯铁中析出，形成自由碳化物和氮化物，对纯铁

13、体的塑性变形起着遏制作用，从而使钢材的强度提高，塑性和韧性下降。这种现象称为时效硬化（图3-6），俗称老化。人工实效:时效硬化的过程一般较长，但如在材料塑性变形后加热，可使时效硬化发展特别迅速。这种方法谓之人工实效。 第22页/共156页第二十二页，共157页。图3-6 冷作硬化(ynghu)和时效硬化(ynghu) 第23页/共156页第二十三页，共157页。4.温度影响 钢材的内部晶体组织(zzh)对温度很敏感，温度升高与降低都会使钢材性能发生变化。温度高于100C以上时，强度降低，塑性增大；250C左右钢材的强度略有提高，塑性降低，钢材呈脆性（蓝脆现象）；当温度超过250350C时，钢材

14、将产生徐变现象。 随着温度下降，钢材的脆性倾向也将增加。第24页/共156页第二十四页，共157页。5.5.应力集中 在钢结构的构件中不可避免的存在着孔洞、槽口、凹角、裂纹、厚度变化、形状改变及内部缺陷等统称为构造缺陷。由于构造缺陷，钢材中的应力不再保持均匀分布，而是在构造缺陷区域的某些点产生局部应力高峰，而在其它一些(yxi)(yxi)点则应力降低，这种现象称为应力集中。应力集中是构成构件脆性破坏的主要原因之一。图3-7 应力集中(jzhng)现象 第25页/共156页第二十五页，共157页。 6. 6.反复荷载作用 钢材在反复荷载作用下，结构的抗力及性能都会发生重要变化，甚至(shnzh)

15、(shnzh)发生疲劳破坏。在直接的连续反复的动力荷载作用下，根据实验，钢材的强度将降低，即低于一次静力荷载作用下的拉伸试验的极限强度，这中现象称为钢材的疲劳。疲劳现象表现为突然发生的脆性断裂。 第26页/共156页第二十六页，共157页。 原因 实际上疲劳(plo)(plo)破坏乃是累计损伤的结果。材料总是有“缺陷”的，在反复荷载作用下，先在其缺陷部位发生塑性变形和硬化而生成极小的裂痕，此后这种微观裂痕逐渐发展成宏观裂纹，试件截面削弱，而在裂纹根部出现应力集中现象，使材料处于三向拉伸应力状态，塑性变形受到限制，当反复荷载达到一定的循环次数时，材料终于破坏，并表现为突然的脆性断裂。第27页/共

16、156页第二十七页，共157页。7.7.复杂应力作用(zuyng)(zuyng)下钢材的屈服条件 在复杂应力作用下，钢材由弹性状态进入塑性状态的条件(tiojin)是按能量强度理论（或第四强度理论）计算的折算应力与单项应力下的屈服点相比较来判断： （3-2） 当 时，为弹性状态；当 时，为塑性状态 reds)( 3)(222222zxyzxyxzzyyxzyxredssssssssssyfredsyf第28页/共156页第二十八页，共157页。几种情况： 如三向应力有一项很小（如厚度较小，厚度方向的应力可忽略不计）或为零时，则属于平面(pngmin)应力状态，式（3-2）成为 （3-3） 在一

17、般梁中，只存在 正应力和剪应力，则 2223xyyxyxredsssss23ssred第29页/共156页第二十九页，共157页。 当只有剪应力时， ，则 （3-5） 由此得 （3-6） 因此，钢结构设计规范确定(qudng)钢材抗剪设计强度为抗拉设计强度的0.58倍。 当平面或立体应力皆为同号且差值又较小时，材料很难进入塑性状态，甚至破坏时也没有明显的塑性变形，呈脆性破坏。但当有一向为异号应力，且同号的两个应力又相差较大时，材料比较容易进入塑性状态。 0syredfs332yyff58.03第30页/共156页第三十页，共157页。 钢按用途可分为建筑及工程用钢、机器结构钢、工具钢和特殊性能

18、钢等，建筑及工程用钢又分为优质碳素结构钢和低合金高强度结构钢。1.钢材的种类 (1)碳素结构钢 钢的牌号(piho)由代表屈服点的字母Q、屈服点数值、质量等级符号（A、B、C、D）、脱氧方法符号等四个部分按顺序组成。3.1.4 钢材(gngci)的种类、规格及选用第31页/共156页第三十一页，共157页。 按质量等级将钢分为A、B、C、D四级，A级钢只保证抗拉强度(kn l qin d)、屈服点、伸长率，必要时尚可附加冷弯试验的要求，化学成分对碳、锰可以不作为交货条件。B、C、D级钢均保证抗拉强度(kn l qin d)、屈服点、伸长率、冷弯和冲击韧性（分别为+20C，0C，-20C）等力学

19、性能。化学成分对碳、硫、磷的极限含量比旧标准要求更加严格。 根据钢材厚度（直径）16mm时的屈服点数值，分为Q195、Q215、Q235、Q255、Q275。第32页/共156页第三十二页，共157页。 （2）低合金高强度结构钢 采用与碳素结构钢相同的钢号表示方法，仍然根据钢材厚度（直径）16mm时的屈服点数值，分为Q295、Q345、Q390、Q420、Q460。 钢的牌号仍有质量等级符号，除与碳素结构钢A、B、C、D四个等级相同外增加一个等级E，主要是要求-40C的冲击韧性。 低合金高强度结构钢一般为镇静钢，因此钢的牌号中不注明脱氧方法。冶炼方法也有供方自行选择。 A级钢应进行(jnxng

20、)冷弯试验，其他质量级别钢如供方能保证弯曲试验结果符合规定要求，可不做检验。Q460钢和各牌号D、E级钢一般不供应型钢和钢棒。第33页/共156页第三十三页，共157页。2.钢材的选用 (1)选择钢材时考虑的因素有： 结构的重要性。 荷载情况。 连接方法。 结构所处(su ch)的温度和环境。 钢材厚度。 第34页/共156页第三十四页，共157页。(2)钢材的选择 对钢材质量的要求，一般的 说 ， 承 重 结 构 的 钢 材 应 保 证(bozhng)抗拉强度、屈服点、伸长率和硫、磷的极限含量，对焊接结构尚应保证(bozhng)碳的极限含量（由于Q235-A钢的碳含量不作为交换条件，故一般不

21、用于焊接结构）。 焊接承重结构以及重要的非焊接承重结构的钢材应具有冷弯试验的合格保证(bozhng)。第35页/共156页第三十五页，共157页。 对于需要验算疲劳的以及主要的受拉或受弯的焊接结构的钢材，应具有常温冲击韧性的合格保证(bozhng)。当结构工作温度等于或低于0但高于-20时，Q235钢和Q345钢应具有0冲击韧性的合格保证(bozhng) ；对Q390钢和Q420钢应具有-20冲击韧性的合格保证(bozhng)。当结构工作温度等于或低于-20时，Q235钢和Q345钢应具有-20冲击韧性的合格保证(bozhng)；对Q390钢和Q420钢应具有-40冲击韧性的合格保证(bozh

22、ng)。第36页/共156页第三十六页，共157页。3.3.钢材(gngci)(gngci)的规格 钢结构采用的型材有热轧成型的钢板(gngbn)和型钢以及冷弯（或冷压）成型的薄壁型钢。 (1)热轧钢板(gngbn) 热轧钢板(gngbn)有厚钢板(gngbn)（厚度4.560mm）和薄钢板(gngbn)（厚度为0.354mm），还有扁钢（厚度为460mm，宽度为30200mm，此钢板(gngbn)宽度小）。钢板(gngbn)的表示方法为，在符号“”后加“宽度厚度长度”，如600101200，单位为mm。第37页/共156页第三十七页，共157页。(2)热轧(r zh)型钢 1)角钢。 分等边

23、和不等边两种。不等边角钢的表示方法为，在符号“”后加“长边宽短边宽厚度”，如100808，对于等边角钢则以边宽和厚度表示，如1008，单位皆为毫米。2)工字钢。 工字钢有普通工字钢、轻型工字钢和H型钢。普通工字钢和轻型工字钢用号数表示，号数即为其截面高度的厘米数。20号以上的工字钢，同一号数有三种腹板厚度分别为a，b，c三类。如I30a、I30b、I30c。第38页/共156页第三十八页，共157页。 H型钢与普通工字钢相比，其翼缘内外(niwi)两侧平行，便于与其他构件相连。它可分为宽翼缘H型钢（代号HW，翼缘宽度B与截面高度H相等）、中翼缘H型钢（代号HM，B=（1/22/3）、窄翼缘型钢

24、（代号，=（1/31/2）。各种型钢均可剖分为型钢供应，代号分别为、和。型钢和部分型钢的规格标记均采用：高度宽度腹板厚度1翼缘厚度2表示。例如340250914，其剖分型钢为170250914，单位均为。第39页/共156页第三十九页，共157页。3)3)槽钢。 有普通槽钢和轻型槽钢两种，也以其截面高度的厘米数编号，如 。 4)4)钢管。 有普通钢管和焊接钢管两种, ,用符号“”“”后面加“外径(wi (wi jn)jn)厚度”表示，如4004006 6，单位为mmmm。 第40页/共156页第四十页，共157页。3.1.4 钢材的种类、规格(gug)及选用图3-9 热轧(r zh)型钢截面第

25、41页/共156页第四十一页，共157页。(3)(3)薄型钢板 薄型钢板（图3-103-10）是用薄钢板（一般采用Q235Q235或Q345Q345钢），经模压(my)(my)或弯曲而制成，其壁厚一般为1.51.55mm5mm。有防锈涂层的彩色压型钢板（图1-81-8）；所用钢板厚度为0.40.41.6mm1.6mm，用作轻型屋面及墙面等构件。3.1.4 钢材的种类(zhngli)、规格及选用第42页/共156页第四十二页，共157页。图3-10 薄壁型钢(xnggng)截面第43页/共156页第四十三页，共157页。第44页/共156页第四十四页，共157页。第45页/共156页第四十五页，

26、共157页。第46页/共156页第四十六页，共157页。3.2 3.2 钢 筋第47页/共156页第四十七页，共157页。3.2 3.2 钢 筋 3.2.1 钢筋的物理力学性能 3.2.2 钢筋的形式和品种(pnzhng) 3.2.3 钢筋选用及检验第48页/共156页第四十八页，共157页。3.2.1 钢筋(gngjn)的物理力学性能1.钢筋的应力-应变曲线 在钢筋混凝土结构和预应力混凝土结构以及钢结构中所用的钢材可分为两类，即有明显屈服点的钢材和无明显屈服点的钢材。 对无明显屈服点的钢材（混凝土中的热处理钢筋和钢丝），其条件屈服强度不易(b y)测定，这类钢材在质量检验时以其抗拉强度作为主

27、要强度指标，并以抗拉强度的0.8倍作为条件屈服强度。第49页/共156页第四十九页，共157页。2.钢材物理性能指标 钢材在弹性阶段的应力和相应应变的比值为常量，该比值即钢材的弹性模量。 （3-7） 式中： 屈服前的钢材应力（）； 相应的钢材应变。 钢材的弹性模量可由拉伸试验测定，同一品种(pnzhng)钢材的受拉和受压弹性模量相同。 钢材在单项受压（粗而短的试件）时，受力性能基本上和单项受拉时相同。受剪的情况也相似，但屈服点及抗剪强度均较受拉时为低；剪变模量G也低于弹性模量E。 sses/ssse第50页/共156页第五十页，共157页。3.2.2 钢筋的形式(xngsh)和品种 目前我国钢

28、筋混凝土及预应力混凝土结构中采用的钢筋和钢丝有热轧钢筋、冷拉钢筋、钢丝和热处理钢筋等种类(zhngli)，其中应用量最大的是热轧钢筋。图3-11钢筋(gngjn)和钢丝的种类第51页/共156页第五十一页，共157页。1.1.热轧钢筋(gngjn)(gngjn)HPB235HPB235级、HRB335HRB335级、HRB400HRB400级、RRB400RRB400级 HPB235 HPB235级(级) )钢筋(gngjn)(gngjn)多为光面钢筋(gngjn)(gngjn)（Plain BarPlain Bar），多作为现浇楼板的受力钢筋(gngjn)(gngjn)和箍筋 HRB335

29、HRB335级(级) )和 HRB400 HRB400级(级) )钢筋(gngjn)(gngjn)强度较高，多作为钢筋(gngjn)(gngjn)混凝土构件的受力钢筋(gngjn)(gngjn)，尺寸较大的构件，也有用级钢筋(gngjn)(gngjn)作箍筋的为增强与混凝土的粘结（BondBond），外形制作成月牙肋或等高肋的变形钢筋(gngjn)(gngjn)（Deformed Deformed BarBar）。 RRB400 RRB400级(级) ) 强度太高，不适宜作为钢筋(gngjn)(gngjn)混凝土构件中的配筋，一般冷拉后作预应力筋第52页/共156页第五十二页，共157页。第5

30、3页/共156页第五十三页，共157页。3.2.2 钢筋(gngjn)的形式和品种2.冷加工钢筋（ cold working rebar） 是由热轧钢筋和盘条经冷拉、冷拔、冷轧、冷扭加工后而成。冷加工的目的是为了提高钢筋的强度，节约钢材。但经冷加工后，塑性降低，使钢材产生硬化(ynghu)，增加钢结构脆性破坏的危险。近年来，冷加工钢筋的品种很多，应根据专门规程使用。第54页/共156页第五十四页，共157页。3.钢丝 （wire）按外形预应力钢丝分为光面钢丝、螺旋肋钢丝和刻痕钢丝三种他们的共同特点是强度高，但伸长率较低。在构件中采用预应力钢丝可收到节省钢材、减少构件截面和节省混凝土的效果。 1

31、)刻痕钢丝是在光面钢丝的表面经过机械刻痕处理而成，以增加(zngji)与混凝土的粘结能力。2)螺旋肋钢丝是以普通低碳钢或低合金钢热轧的圆盘条为母材，经冷轧减径后在其表面冷轧成两面或三面有月牙肋的钢筋。3)钢绞线则是由几根高强钢丝捻制在一起经过低温回火处理清除内应力后而制成，钢绞线强度高，与混凝土的粘结力好，多用于大跨度、重荷载的预应力混凝土结构中。 第55页/共156页第五十五页，共157页。第56页/共156页第五十六页，共157页。4.热处理（ heat treatment ）钢筋 热处理是对某些特定钢号的热轧钢筋进行淬火和回火处理，钢筋经淬火后硬度大幅度提高，但塑性和韧性降低，通过回火又

32、可以(ky)在不降低强度的前提下，消除由淬火产生的内应力，改善塑性和韧性，使这些钢筋成为较理想的预应力钢筋。第57页/共156页第五十七页，共157页。普通钢筋强度标准值（N/mm2）种 类符号fykHPB235(Q235)235HRB335(20MnSi)335热轧钢筋HRB400(20MnSiV、20MnSiNb、20MnTi)RRB400(20MnSi)400第58页/共156页第五十八页，共157页。预应力钢筋强度标准值（N/mm2）种 类fptk消除应力钢丝螺旋肋钢丝491470157016701770刻痕钢丝5、714701570二股d=10.0d=12.01720三股d=10.8

33、d=12.91720钢绞线七股d=9.5d=11.1d=12.7d=15.21860186018601860，1820，1720热处理钢筋40Si2Mn(d=6)48Si2Mn(d=8.2)45Si2Cr(d=10)14701、 钢绞线直径 d 系指钢绞线外接圆直径2、 各种直径、钢丝、钢绞线的截面积见附录第59页/共156页第五十九页，共157页。3.2.3 钢筋选用(xunyng)及检验1钢筋的选用（1）钢筋与混凝土共同工作的原因 1） 二者间的粘结力是钢筋和混凝土共同工作的基础。 2） 钢筋和混凝土具有相近的温度线膨胀系数： 3） 混凝土包裹在钢筋的外面，提供的碱性环境可以保护钢筋免受锈

34、蚀(xi sh)，从而保证结构构件的耐久性。第60页/共156页第六十页，共157页。3.2.3 钢筋(gngjn)选用及检验（2）混凝土结构对钢筋性能的主要要求是： 1） 强度。强度是指钢筋的屈服强度和极限 强度。 2） 塑性。 3） 可焊性。 4） 与混凝土的粘结力。 在寒冷(hnlng)地区，对钢筋的低温性能尚有一定的要求。第61页/共156页第六十一页，共157页。(3)钢筋的选用原则(yunz) 钢筋混凝土设计规范（GB50010-2002）规定：普通钢筋宜采用HRB400和HRB335级钢筋，也可采用HPB235级和RRB400级钢筋；预应力钢筋宜采用预应力钢绞线、钢丝、也可采用热

35、处理钢筋。第62页/共156页第六十二页，共157页。 2.钢筋的检验(jinyn) 在 对 有 明 显 屈 服 点 的 钢 筋 进 行 质 量 检 验(jinyn)时，主要应测定屈服强度、极限抗拉强度、伸长率和冷弯性能这四项指标。必要时，还须补充进行抗冲击韧性和冷弯性能等项检验(jinyn)。 由于没有明显屈服点的钢筋的条件屈服强度不容易测定，因此在这类钢筋的质量检验(jinyn)中就以极限抗拉强度作为检测的主要检测指标。于是，在这类钢筋的质量检验(jinyn)中需要测定的钢筋一般只有三项：极限抗拉强度、伸长率和冷弯性能。 第63页/共156页第六十三页，共157页。3.3 混凝土第64页/

36、共156页第六十四页，共157页。3.3 3.3 混凝土 3.3.1 混凝土的强度(qingd) 3.3.2混凝土的变形 3.3.3混凝土的徐变和收缩 3.3.4混凝土的选用原则第65页/共156页第六十五页，共157页。3.3 3.3 混凝土 混凝土是由水、水泥和骨料（包括(boku)粗骨料和细骨料，粗骨料有碎石、卵石等；细骨料有粗砂、中砂、细砂等）等材料按一定配合比拌合、入模浇捣、养护硬化后形成的人工石材。 第66页/共156页第六十六页，共157页。3.3.1 混凝土的强度(qingd)1立方体抗压强度和强度等级 混凝土结构中，主要是利用它的抗压强度。因此抗压强度是混凝土力学性能中最主要

37、和最基本的指标。 混凝土的立方体抗压强度是衡量(hng ling)混凝土强度大小的基本指标，是评价混凝土强度等级的标准。 第67页/共156页第六十七页，共157页。 1 1）立方体抗压强度的确定方法。 规范规定混凝土立方体抗压强度的确定方法：用边长为150mm150mm的标准立方体试件，在标准养护条件下（温度(wnd)20 (wnd)20 33，相对湿度不小于90%90%）养护2828天后，按照标准试验方法（试件的承压面不涂润滑剂，加荷速度约每秒0.150.150.3N/mm20.3N/mm2）测得的具有95%95%保证率的抗压强度，作为混凝土的立方抗压强度标准值，用符号fcu,kfcu,k

38、表示。 第68页/共156页第六十八页，共157页。3.3.1 混凝土的强度(qingd)2）混凝土强度等级。 规范规定的混凝土强度等级，是按立方体强度标准值（即有95%超值保证率）确定的，用“C”表示，规范中列出14个等级，即：C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75、C80。字母C后面的数字表示以 为单位(dnwi)的立方体抗压强度标准值。2mm/N第69页/共156页第六十九页，共157页。3)影响强度试验的因素。尺寸效应：尺寸越大，内部(nib)缺陷较多，强度较低。加载速度：加载速度越快，强度越低。 端部约束：涂润滑油，强度

39、降低。第70页/共156页第七十页，共157页。2混凝土的轴心抗压强度（棱柱体强度） 用标准棱柱体试件测定的混凝土抗压强度，称为混凝土的轴心抗压强度或棱柱体强度，用符号 表示。 采用棱柱体试件，反映混凝土的实际工作状态。在钢筋混凝土结构中，进行受弯构件、受压构件以及偏心受拉构件的承载力计算时，要采用混凝土的轴心抗压强度作为设计指标(zhbio)。 国家标准普通混凝土力学性能试验方法（CBJ8185）规定以150150300的试件作为试验混凝土轴心抗压强度的标准试件。cf第71页/共156页第七十一页，共157页。3.3.1 混凝土的强度(qingd) 混凝土的轴心抗压强度标准值与立方体抗压强度

40、标准值之间存在下列关系 （3-1） 式中： 棱柱体强度与立方体强度之比值，对C50混凝土取 0.76，对C80取 0.82，中间按线性规律变化； C40以上(yshng)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。 c1kcuccff,2188. 0c1c1c2c2c2第72页/共156页第七十二页，共157页。3.混凝土的轴心抗拉强度 混凝土的抗拉强度远小于其抗压强度，一般只有抗压强度的1/181/9。因此，在钢筋混凝土结构中，一般不采用混凝土承受拉力。但进行混凝土以及(yj)预应力混凝土构件的抗裂度和裂缝宽度计算时，需要知道混凝土的抗拉强度，以及(yj

41、)受剪、受扭、受冲切等的承载力均与抗拉强度有关。混凝土的轴心抗拉强度用 表示。 tf第73页/共156页第七十三页，共157页。 混凝土抗拉强度(kn l qin d)的测定方法分为两类：一类为直接测试法，另一类为间接测试方法，如劈裂试验等。 500 150 15010016轴心受拉试验拉压压第74页/共156页第七十四页，共157页。3.3.1 混凝土的强度(qingd) 混凝土的轴心抗拉强度标准值ftk与立方体抗压强度标准值fcu,k之间具有以下(yxi)对应关系： (3-2) 混凝土强度变异系数2c45. 055. 0k ,cutk)645. 11 (395. 088. 0ff第75页/

42、共156页第七十五页，共157页。3.3.2混凝土的变形(bin xng) 一类是由于荷载作用(zuyng)而产生的变形: 1)一次短期加荷时的变形。 2)荷载长期作用(zuyng)下的变形。 一类是非荷载作用(zuyng)下的变形： 1）混凝土的化学收缩。 2）混凝土的干湿变形。 3）混凝土的温度变形等。第76页/共156页第七十六页，共157页。1混凝土在短期荷载作用下的变形（1）混凝土在短期荷载作用下的的应力-应变曲线 混凝土在单轴短期单调加载过程中的应力-应变关系（-曲线）是混凝土最基本( jbn)的力学性能之一，它是研究钢筋混凝土构件强度、裂缝、变形、延性所必须的依据。 3.3.2混

43、凝土的变形(bin xng)第77页/共156页第七十七页，共157页。 （1）混凝土在短期荷载作用下的的应力(yngl)-应变曲线 混凝土的应力(yngl)-应变曲线通常用棱柱体试件进行测定，在试件的四个侧面安装应变仪测读纵向压应变的变化，如图所示为轴心受压混凝土典型的应力(yngl)-应变曲线，图中几个特征阶段如下：3.3.2混凝土的变形(bin xng)第78页/共156页第七十八页，共157页。02468102030s(MPa)e 10-3AA点以前，微裂缝没有明显发展，混凝土的变形主要弹性变形，应力-应变关系近似直线。A点应力随混凝土强度的提高而增加(zngji)，对普通强度混凝土s

44、A约为 (0.30.4)fc ，对高强混凝土sA可达(0.50.7)fc。BCED第79页/共156页第七十九页，共157页。02468102030s(MPa)e 10-3BAA点以后，由于微裂缝处的应力集中，裂缝开始有所延伸发展，产生部分塑性变形，应变(yngbin)增长开始加快，应力-应变(yngbin)曲线逐渐偏离直线。微裂缝的发展导致混凝土的横向变形（expansion）增加 。但该阶段微裂缝的发展是稳定的。CED第80页/共156页第八十页，共157页。02468102030s(MPa)e 10-3BA达到B点，内部一些微裂缝相互连通，裂缝发展已不稳定，横向变形突然增大，体积应变开始

45、由压缩转为增加。在此应力的长期作用下，裂缝会持续发展最终导致破坏。取B点的应力作为(zuwi)混凝土的长期抗压强度。普通强度混凝土sB约为0.8fc，高强强度混凝土sB可达0.95fc以上。CED第81页/共156页第八十一页，共157页。02468102030s(MPa)e 10-3BACED达到C点 fc，内部微裂缝连通形成破坏面，应变增长速度明显(mngxin)加快，C点的纵向应变值称为峰值应变 e 0，约为0.002。纵向应变(yngbin)发展达到D点，内部裂缝在试件表面出现第一条可见平行于受力方向的纵向裂缝。第82页/共156页第八十二页，共157页。02468102030s(MP

46、a)e 10-3BACED随应变增长，试件上相继出现多条不连续的纵向裂缝，横向(hn xin)变形急剧发展，承载力明显下降。第83页/共156页第八十三页，共157页。02468102030s(MPa)e 10-3BACED混凝土骨料与砂浆的粘结不断遭到破，裂缝连通(lintng)形成斜向破坏面。E点的应变e = (23) e 0，应力s = (0.40.6) fc。第84页/共156页第八十四页，共157页。02468102030s(MPa)e 10-3BACEDE点以后，纵向裂缝形成一斜向破坏面，此破坏面受正应力和剪应力的作用继续扩展(kuzhn)，形成一破坏带。此时试件的强度由斜向破坏面

47、上的骨料间的摩阻力提供。随应变继续发展，摩阻力和粘结力不断下降，但即使在很大的应变下，骨料间仍有一定摩阻力，残余强度，约为(0.10.4) fc。第85页/共156页第八十五页，共157页。 从混凝土应力- -应变曲线可以看出：混凝土的应力- -应变关系图形是一条曲线，这说明混凝土是一种弹塑性材料，只有当压应力很小时，才可将其视为弹性材料。曲线分为上升段和下降段，说明混凝土在破坏过程中，承载力有一个从增加到减少的过程，当混凝土的压应力达到(d do)(d do)最大时，并不意味着立即破坏。因此，混凝土最大应变对应的不是最大应力，最大应力对应的也不是最大应变。 影响混凝土应力- -应变曲线形状的

48、因素很多，如混凝土强度、组成材料的性质及配合比、试验方法及约束情况等。第86页/共156页第八十六页，共157页。 试验表明不同强度的混凝土，对应力-应变曲线上升段的影响不大，压应力的峰值对应的应变值大致(dzh)约为0.002。对于下降段，混凝土强度越高，应力下降越剧烈，也即延性越差。而强度较低的混凝土，曲线的下降段较平缓，也即低强度混凝土的延性要好些。 不同强度混凝土的应力-应变关系曲线第87页/共156页第八十七页，共157页。 试验表明，加荷速度对混凝土的应力-应变曲线也有影响。随着加荷速度的增加(zngji),最大应力值也增加(zngji)，但到达最大应力值的应变小了，也使曲线的下降

49、比较陡峭。 试验还表明，横向钢筋的约束作用对混凝土的应力-应变曲线也有较明显的影响。随着配箍量的增加(zngji)及箍筋的加密，混凝土应力-应变曲线的峰值不仅有所提高，而且峰值应变的增大，及曲线下降段的下降减缓都比较明显。在这里横向钢筋实际上起到了侧向约束的作用，构件已处于多项应力状态。承受地震作用的构件，采用加密箍筋的方法不仅可使混凝土强度有所提高，而且可以有效地提高混凝土构件的延性。 第88页/共156页第八十八页，共157页。（2）混凝土的弹性模量(tn xn m lin)和变形模量 1）弹性模量(tn xn m lin)。 弹性模量反映了材料受力后的应力-应变性质。当应力较小时，混凝土

50、具有弹性性质，混凝土在这个阶段的的弹性模量可用应力-应变曲线过原点切线的正切表示(biosh)（图3.13），称为初始弹性模量（简称弹性模量）。第89页/共156页第八十九页，共157页。（2）混凝土的弹性模量(tn xn m lin)和变形模量2）变形模量。 严格说来，当混凝土进入塑性阶段后，初始弹性模量(tn xn m lin)已不能反应这时的应力-应变性质。因此有时用切线模量和割线模量来表示这时的应力应变性质。第90页/共156页第九十页，共157页。 切线模量 ：过某一点(y din)(y din)切线的斜率。 割线模量 ：某一点(y din)(y din)与原点连线的斜率。 割线模量

51、 切线模量 割线模量表示了曲线上某点总应力与总应变之比，而总应变包括弹、塑性变形，所以割线模量也称为混凝土的变形模量。第91页/共156页第九十一页，共157页。图3.13 混凝土弹性模量(tn xn m lin)及变形模量 第92页/共156页第九十二页，共157页。 混凝土受拉弹性模量与受压时基本一致，因此可取相同值。 泊 松 比 ： 横 向 应 变 ( y n g b i n )( y n g b i n ) 与 纵 向 应 变(yngbin)(yngbin)之比称为泊松比。 剪切弹性模量 影响混凝土剪切弹性模量的因素一般认为与弹性模量相似，可按我国规范所给的混凝土弹性模量的0.40.4

52、倍采用，相当于取=0.2=0.2。)1 (2ccEG第93页/共156页第九十三页，共157页。3.3.3混凝土的徐变和收缩(shu su)（1）混凝土的徐变1）徐变的过程。概念：混凝土在荷载长期作用下产生随时间而增长的变形称为徐变。影响：徐变会造成结构(jigu)的内力重分布，会使变形增大，会引起预应力损失，在高应力作用下，还会导致构件破坏。过程：随荷载作用时间的延续，变形不断增长，前4个月徐变增长较快，6个月可达最终徐变的（7080）%，以后增长逐渐缓慢，23年后趋于稳定。第94页/共156页第九十四页，共157页。eleeleeleelecre第95页/共156页第九十五页，共157页。

53、（1）混凝土的徐变2）影响徐变的因素。内在因素是混凝土的组成和配比(pi b)。骨料的刚度（弹性模量）越大，体积比越大，徐变就越小。水灰比越小，徐变也越小。环境影响包括养护和使用条件。受荷前养护的温湿度越高，水泥水化作用充分，徐变就越小。采用蒸汽养护可使徐变减少（2035）%。受荷后构件所处的环境温度越高，相对湿度越小，徐变就越大。第96页/共156页第九十六页，共157页。（1）混凝土的徐变3）徐变对构件的影响。钢筋(gngjn)混凝土轴心受压构件在不变荷载的长期作用下，混凝土将产生徐变。由于钢筋(gngjn)与混凝土的粘结作用，两者共同变形，混凝土的徐变将迫使钢筋(gngjn)的应变增大，

54、钢筋(gngjn)应力也相应增大；但外荷载保持不变，由平衡条件可知，混凝土的应力必将减少，这样就产生了应力重分布，使得构件中钢筋(gngjn)和混凝土的实际应力和设计计算时所得出的数值不一样。徐变使受弯构件和偏压构件变形增大。在轴压构件中，徐变使钢筋(gngjn)应力增加，混凝土应力减小。在预应力构件中，徐变使预应力发生损失；在超静定结构中，徐变使内力发生重分布。第97页/共156页第九十七页，共157页。3.3.3混凝土的徐变和收缩(shu su)(2)混凝土的收缩1）收缩的过程(guchng)。 混凝土在空气中结硬时其体积会缩小，这种现象称为混凝土的收缩。混凝土在水中结硬时体积会膨胀。收缩

55、和膨胀是混凝土在不受力情况下因体积变化而产生的变形。第98页/共156页第九十八页，共157页。 通常认为混凝土的收缩是由凝胶体本身的体积收缩（即凝结）和混凝土因失水产生的体积收缩（即干缩）所组成。混凝土的收缩在早期发展较快，以后逐渐放慢(fn mn)（图3.15），整个收缩过程可延续2年以上，最后趋于一个最终收缩值。图3.15 混凝土的收缩(shu su)第99页/共156页第九十九页，共157页。 2）影响收缩的因素。混凝土的收缩受结构周围的温度、湿度、构件断面形状及尺寸、配合比、骨料性质、水泥性质、混凝土浇筑质量及养护条件等许多(xdu)因素有关。 水泥用量多、水灰比越大，收缩越大。 骨

56、料弹性模量高、级配好，收缩就小。 干燥失水及高温环境，收缩大。 小尺寸构件收缩大，大尺寸构件收缩小。 高强混凝土收缩大。 影响收缩的因素多且复杂，要精确计算尚有一定的困难。 在实际工程中，要采取一定措施减小收缩应力的不利影响施工缝。第100页/共156页第一百页，共157页。3）收缩对构件的影响。当混凝土不能自由收缩时，会在混凝土内产生拉应力而引起裂缝。在钢筋混凝土构件中，由于钢筋限制了混凝土的部分收缩，使构件的收缩变形比混凝土的自由收缩要小一些。钢筋与混凝土之间存在粘结作用，粘结应力使钢筋随混凝土缩短而受压，其反作用力相当于将自由收缩的混凝土拉长，使混凝土受拉，当混凝土收缩较大，构件结构截面

57、配筋又较多时，会使混凝土构件产生收缩裂缝。混凝土的膨胀(png zhng)数值一般较小，对结构的危害也不大。第101页/共156页第一百零一页，共157页。3.3.4混凝土的选用(xunyng)原则 钢筋混凝土结构的混凝土强度等级不宜低于C15C15；当采用(ciyng)HRB335(ciyng)HRB335级钢筋时，混凝土强度等级不应低于C20C20；当采用(ciyng)HRB400(ciyng)HRB400和RRB400RRB400级钢筋以及对承受重复荷载的构件，混凝土强度等级不得低于C20C20。 预应力混凝土结构的混凝土强度等级不应低于C30C30；当采用(ciyng)(ciyng)碳

58、素钢丝、钢铰线、热处理钢筋作预应力钢筋时，混凝土强度等级不宜低于C40C40。 第102页/共156页第一百零二页，共157页。3.4 钢筋(gngjn)与混凝土的相互作用粘结力第103页/共156页第一百零三页，共157页。3.4 钢筋(gngjn)与混凝土的相互作用粘结力3.4.1粘结力的概念1.概念钢筋与混凝土能够在一起工作，除了二者的温度(wnd)线膨胀系数相近以外，还有一个主要原因是钢筋和混凝土之间存在着粘结力。通常把钢筋与混凝土接触面单位截面面积上的剪应力称为粘结力。第104页/共156页第一百零四页，共157页。2.组成粘结力主要由三部分组成。 一是因为混凝土收缩将钢筋紧紧握固而

59、产生的摩擦力。 二是因为混凝土颗粒的化学作用产生的胶合力。 三是由于钢筋表面凹凸不平与混凝土之间产生的机械咬合力。 其中机械咬合力约占总粘结力的一半以上，变形钢筋的机械咬合力要大大高于光面钢筋的机械咬合力。此外(cwi)，钢筋表面的轻微锈蚀也增加它与混凝土的粘结力。 当钢筋与混凝土产生相对滑动后，胶结作用即丧失。摩擦力的大小取决于握裹力和钢筋与混凝土表面的摩擦系数。第105页/共156页第一百零五页，共157页。 粘结(zhn ji)强度的测定通常采用拔出试验方法，将钢筋一端埋入混凝土中，在另一端施力将钢筋拔出。 3.4.2粘结力的测定(cdng)第106页/共156页第一百零六页，共157页

60、。1.试验结论：1)最大粘结应力在离开端部的某一位置出现，且随拔出力的大小而变化，粘结应力沿钢筋(gngjn)长度是曲线分布的。2)钢筋(gngjn)埋入长度越长，拔出力越大；但埋入长度过大时，则其尾部的粘结应力很小，基本不起作用。3)粘结强度随混凝土强度等级的提高而增大。4)变形钢筋(gngjn)的粘结强度高于光面钢筋(gngjn)，而在光面钢筋(gngjn)末端做弯钩可以大大提高拔出力。3.4.2粘结力的测定(cdng)第107页/共156页第一百零七页，共157页。5)混凝土浇筑深度过大时，由于混凝土的泌水下沉气泡逸出，使其与“顶部”水平钢筋之间产生空隙层，从而削弱钢筋与混凝土的粘结力；