混凝土结构用材料的力学性能

1、第第1章章 混凝土结构用材料混凝土结构用材料的力学性能的力学性能 1.1 1.1 钢筋钢筋 1.1.11.1.1混凝土结构用钢筋的种类混凝土结构用钢筋的种类 1 1、按化学成分分类、按化学成分分类 低碳钢（含碳量低碳钢（含碳量0.25%0.25%） 碳素钢碳素钢 中碳钢（含碳量中碳钢（含碳量0.250.250.6%0.6%） 高碳钢（含碳量高碳钢（含碳量0.6%0.6%） 普通低合金钢普通低合金钢 含碳量越高，强度越高，但塑性和可焊性下降。普通低含碳量越高，强度越高，但塑性和可焊性下降。普通低合金钢是在碳素钢的基础上，再加入微量的合金元合金钢是在碳素钢的基础上，再加入微量的合金元 素，素，如硅

2、、锰、钒、钛、铌等，目的是提高钢材的强度，如硅、锰、钒、钛、铌等，目的是提高钢材的强度， 改改善钢材的塑性性能。善钢材的塑性性能。 1.1 1.1 钢筋钢筋2、按生产加工工艺和力学性能分类、按生产加工工艺和力学性能分类 HPB235： 光圆钢筋光圆钢筋 热轧钢筋热轧钢筋 HRB335：变形筋（月牙纹）：变形筋（月牙纹） HRB400、RRB400：变形钢筋：变形钢筋 热处理钢筋：经淬火、回火处理热处理钢筋：经淬火、回火处理 钢丝、钢绞线钢丝、钢绞线1.1 1.1 钢筋钢筋预应力结构用预应力结构用3、钢筋按其外形不同分为、钢筋按其外形不同分为 光面钢筋光面钢筋 变形钢筋变形钢筋(螺纹、人字纹和月

3、牙纹螺纹、人字纹和月牙纹)1.1 1.1 钢筋钢筋图示为常用月牙纹钢筋图示为常用月牙纹钢筋1.1.2钢筋的主要力学性能钢筋的主要力学性能1、钢筋、钢筋S S曲线曲线 1.1 1.1 钢筋钢筋有明显屈服点钢筋：强度较低、塑性变形大有明显屈服点钢筋：强度较低、塑性变形大(左图左图)无明显屈服点钢筋：强度高、塑性变形小无明显屈服点钢筋：强度高、塑性变形小(右图右图)2、钢筋的力学性能指标、钢筋的力学性能指标（1）、钢筋的强度）、钢筋的强度 对于有明显屈服点钢筋，取屈服强度对于有明显屈服点钢筋，取屈服强度fy作为钢作为钢筋强度的计算指标。这是因为当钢筋屈服后，钢筋筋强度的计算指标。这是因为当钢筋屈服后

4、，钢筋虽然没有断裂，但会产生较大的塑性变形，即使荷虽然没有断裂，但会产生较大的塑性变形，即使荷载不增加，构件也会产生很大的裂缝和变形，超出载不增加，构件也会产生很大的裂缝和变形，超出正常使用的允许值。正常使用的允许值。1.1 1.1 钢筋钢筋对于无明显屈服点钢筋，为了防止构件的突对于无明显屈服点钢筋，为了防止构件的突然破坏并防止构件的裂缝和变形太大，设计然破坏并防止构件的裂缝和变形太大，设计强度取其条件屈服强度强度取其条件屈服强度0.2作为钢筋强度的计作为钢筋强度的计算指标。目前，算指标。目前，规范规范统一取统一取0.2为极限抗为极限抗拉强度拉强度b的的0.85倍，即倍，即0.2=0.85b。

5、（2）、钢筋的塑性性能指标）、钢筋的塑性性能指标 钢筋的伸长率（钢筋的伸长率（5或或10）：伸长率大，则）：伸长率大，则钢筋塑性好，拉断前有明显的预兆，属于延钢筋塑性好，拉断前有明显的预兆，属于延性破坏；伸长率小，说明钢筋塑性较差，拉性破坏；伸长率小，说明钢筋塑性较差，拉断前变形小，破坏突然，属于脆性破坏。断前变形小，破坏突然，属于脆性破坏。1.1 1.1 钢筋钢筋 钢筋的冷弯性能：在常温下将钢筋绕规定的钢筋的冷弯性能：在常温下将钢筋绕规定的直径直径D弯曲弯曲角度而不出现裂纹、鳞落和断裂角度而不出现裂纹、鳞落和断裂现象现象,既认为钢筋的冷弯性能符合要求。既认为钢筋的冷弯性能符合要求。D愈愈小小

6、,愈大愈大,则弯曲性能愈好。则弯曲性能愈好。 3、钢筋的冷加工、钢筋的冷加工 （1）、冷拉：在常温下将热轧钢筋拉到超过）、冷拉：在常温下将热轧钢筋拉到超过其屈服强度进入强化阶段的某一应力值，然其屈服强度进入强化阶段的某一应力值，然后卸荷至零，利用后卸荷至零，利用“冷拉时效冷拉时效”，使钢筋的，使钢筋的强度得到提高，但其塑性有所下降。强度得到提高，但其塑性有所下降。1.1 1.1 钢筋钢筋（2）、冷拔：将热轧钢筋用强力拔过比它本）、冷拔：将热轧钢筋用强力拔过比它本身直径还小的硬质合金拔丝模，可使钢筋强身直径还小的硬质合金拔丝模，可使钢筋强度大幅提高，但塑性大幅度下降。度大幅提高，但塑性大幅度下降

7、。（3）、冷轧：在常温下将热轧钢筋表面轧制）、冷轧：在常温下将热轧钢筋表面轧制成不同的形状，其材料内部组织变得更加密成不同的形状，其材料内部组织变得更加密实，钢筋的强度及与混凝土的粘结力有所提实，钢筋的强度及与混凝土的粘结力有所提高，但塑性性能有所下降。目前常用的冷轧高，但塑性性能有所下降。目前常用的冷轧钢筋有冷轧带肋钢筋和冷轧扭钢筋两种。钢筋有冷轧带肋钢筋和冷轧扭钢筋两种。1.1 1.1 钢筋钢筋1.1.3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 1、一般要求、一般要求 有较高的强度和适宜的屈强比。有较高的强度和适宜的屈强比。 有较好的塑性。有较好的塑性。 具有较好的焊接性能。具

8、有较好的焊接性能。 与混凝土之间具有良好的粘结。与混凝土之间具有良好的粘结。1.1 1.1 钢筋钢筋 2、抗震要求、抗震要求抗震等级为一、二级的框架结构，其纵向受抗震等级为一、二级的框架结构，其纵向受力钢筋采用普通钢筋时，应满足：力钢筋采用普通钢筋时，应满足： 钢筋的抗拉强度实测值与屈服强度实测值的钢筋的抗拉强度实测值与屈服强度实测值的比值（强屈比）不应小于比值（强屈比）不应小于1.25， 钢筋的屈服强度实测值与强度标准值的比值钢筋的屈服强度实测值与强度标准值的比值不应大于不应大于1.3。普通钢筋宜优先采用延性、韧性和可焊性较普通钢筋宜优先采用延性、韧性和可焊性较好的钢筋。好的钢筋。 1.1

9、1.1 钢筋钢筋 钢筋混凝土结构及预应力混凝土结构用钢筋，钢筋混凝土结构及预应力混凝土结构用钢筋，规范规范规定如下：普通钢筋宜采规定如下：普通钢筋宜采HRB400级和级和HRB335级钢筋，也可采用级钢筋，也可采用HPB235级和级和RRB400级钢筋；预应力钢筋宜采用预应力级钢筋；预应力钢筋宜采用预应力钢绞线、钢丝，也可采用热处理钢筋。钢绞线、钢丝，也可采用热处理钢筋。 1.1 1.1 钢筋钢筋1.2 混凝土混凝土1.2.1混凝土的强度混凝土的强度 1.立方体抗压强度立方体抗压强度 测定测定: 边长为边长为150mm的混凝土立方体试件，在标准的混凝土立方体试件，在标准条件下（温度为条件下（温

10、度为203，湿度，湿度90%）养护）养护28天，天，用标准试验方法（加载速度用标准试验方法（加载速度0.150.3N/mm2/s，两两端不涂润滑剂端不涂润滑剂）测得的）测得的具有具有95%保证率保证率的抗压强度，的抗压强度，用符号用符号C表示。表示。 作用作用: 混凝土强度的基本指标混凝土强度的基本指标,划分混凝土强度等级。划分混凝土强度等级。1.2 混凝土 2、轴心抗压强度、轴心抗压强度 采用采用150150300mm的棱柱体试件测得的抗压强度为混的棱柱体试件测得的抗压强度为混凝土的轴心抗压强度标准值，用凝土的轴心抗压强度标准值，用fc,k表示。其与立方体抗压表示。其与立方体抗压强度标准值之

11、间近似下列关系强度标准值之间近似下列关系 fc,k0.88c1c2fcu,k （1-1） 式中式中 c1棱柱体强度与立方体强度之比值，对棱柱体强度与立方体强度之比值，对C50混混凝土取凝土取c10.76，对，对C80取取c10.82，中间按线性规律变，中间按线性规律变化；化； c2C40以上混凝土脆性折减系数，对以上混凝土脆性折减系数，对C40取取c21.0，对对C80取取c20.87，中间按线性规律变化。，中间按线性规律变化。 混凝土轴心抗压强度是用于承载力计算的强度指标。混凝土轴心抗压强度是用于承载力计算的强度指标。1.2 1.2 混凝土混凝土 3、轴心抗拉强度、轴心抗拉强度 混凝土轴心抗

12、拉强度很低（约为抗压强度的混凝土轴心抗拉强度很低（约为抗压强度的1/101/8），其标准值可采用轴向拉伸试验或劈裂抗拉试），其标准值可采用轴向拉伸试验或劈裂抗拉试验来确定。验来确定。 混凝土的轴心抗拉强度标准值混凝土的轴心抗拉强度标准值ft,k与立方体抗压强度与立方体抗压强度标准值标准值fcu,k之间具有以下对应关系：之间具有以下对应关系： ft,k0.880.395（11.645）0.45c2 （1-2） 式中式中 混凝土强度变异系数。混凝土强度变异系数。 混凝土轴心抗拉强度是钢筋混凝土构件抗裂度、裂混凝土轴心抗拉强度是钢筋混凝土构件抗裂度、裂缝宽度和变形验算时的强度指标。缝宽度和变形验算时

13、的强度指标。1.2 1.2 混凝土混凝土 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 混凝土三向受压时，混凝土一向的抗压强度随混凝土三向受压时，混凝土一向的抗压强度随另两向压应力的增加而增大，并且混凝土的极限压另两向压应力的增加而增大，并且混凝土的极限压应变也大大增加。因为侧向压力约束了混凝土的横应变也大大增加。因为侧向压力约束了混凝土的横向变形，抑制了混凝土内部裂缝的出现和开展，使向变形，抑制了混凝土内部裂缝的出现和开展，使得混凝土的强度和延性得混凝土的强度和延性 均有明显提高。均有明显提高。 在工程中常采用密排箍筋柱、螺旋箍筋柱和钢在工程中常采用密排箍筋柱、螺旋箍筋柱和钢管

14、混凝土柱管混凝土柱,其核芯区形成其核芯区形成“约束混凝土约束混凝土”，可使构，可使构件承载力和延性得到明显提高。件承载力和延性得到明显提高。1.2 1.2 混凝土混凝土 5、混凝土强度等级的选用、混凝土强度等级的选用 规范规范对混凝土强度等级的规定对混凝土强度等级的规定 钢筋混凝土结构的混凝土强度等级不应低于钢筋混凝土结构的混凝土强度等级不应低于C15；当采用；当采用HRB335级钢筋时，混凝土强度等级不宜低于级钢筋时，混凝土强度等级不宜低于C20；当采用；当采用HRB400和和RRB400级钢筋以及承受重复荷载的构件，混凝级钢筋以及承受重复荷载的构件，混凝土强度等级不得低于土强度等级不得低于

15、C20。 预应力混凝土结构的混凝土强度等级不应低于预应力混凝土结构的混凝土强度等级不应低于C30；当采用；当采用钢绞线、钢丝、热处理钢筋作预应力钢筋时，混凝土强度等钢绞线、钢丝、热处理钢筋作预应力钢筋时，混凝土强度等级不宜低于级不宜低于C40。 抗震规范抗震规范对混凝土强度等级的规定对混凝土强度等级的规定 框支梁、框支柱及抗震等级为一级的框架梁、柱、节点框支梁、框支柱及抗震等级为一级的框架梁、柱、节点核芯区，不应低于核芯区，不应低于 C30；其他各类构件不应低于；其他各类构件不应低于C20； 设防烈度为设防烈度为9度时，不宜超过度时，不宜超过C60；设防烈度为；设防烈度为8度时，不度时，不宜超

16、过宜超过C70。1.2 1.2 混凝土混凝土 1.2.2混凝土的变形混凝土的变形1、混凝土在一次短期加载时的变形性能、混凝土在一次短期加载时的变形性能 上升段：当上升段：当c0.3fc时，混凝土处于弹性阶段工作，时，混凝土处于弹性阶段工作，应力应力-应变关系呈直线；当应变关系呈直线；当0.3fcc0.8fc时，混时，混凝土开始出现塑性变形，应力凝土开始出现塑性变形，应力-应变关系偏离直线，应变关系偏离直线，混凝土内部开始出现微裂缝；当混凝土内部开始出现微裂缝；当0.8fcc1.0fc时，时，混凝土塑性变形显著增大，峰值应力达混凝土塑性变形显著增大，峰值应力达fc，相应峰，相应峰值压应变值压应变

17、00.002。此阶段混凝土内裂缝急剧发展，。此阶段混凝土内裂缝急剧发展，试件即将破坏。试件即将破坏。 下降段：压应力达到峰值应力后，曲线开始下降，下降段：压应力达到峰值应力后，曲线开始下降，应力逐渐降低，应变继续增大，其极限压应变应力逐渐降低，应变继续增大，其极限压应变cu一一般为般为0.0033。1.2 1.2 混凝土混凝土 1.2 混凝土 混凝土的应力与其弹性应变之比称为混凝土的弹性模混凝土的应力与其弹性应变之比称为混凝土的弹性模量，用符号量，用符号Ec表示：表示：Ec 混凝土的应力与其弹塑性总应变之比称为混凝土的混凝土的应力与其弹塑性总应变之比称为混凝土的变形模量，用符号变形模量，用符号

18、Ec表表 示，其与混凝土弹性模量的关系为：示，其与混凝土弹性模量的关系为： EcEc 式中式中 混凝土弹性特征系数混凝土弹性特征系数 kcuf,574.342 . 2101.2 1.2 混凝土混凝土 影响徐变的因素主要有以下几方面：影响徐变的因素主要有以下几方面： 应力条件：初始加荷应力越大，徐变越大；应力条件：初始加荷应力越大，徐变越大；加载时混凝土的龄期越短，徐变越大。在实际加载时混凝土的龄期越短，徐变越大。在实际工程中，应加强养护使混凝土尽早结硬可减小工程中，应加强养护使混凝土尽早结硬可减小徐变。徐变。 内在因素：骨料越坚硬，徐变越小；水灰比内在因素：骨料越坚硬，徐变越小；水灰比越大，水

19、泥用量越多，徐变越大。越大，水泥用量越多，徐变越大。 环境因素：受荷前养护的温度越高，湿度越环境因素：受荷前养护的温度越高，湿度越大，水泥水化作用就越充分，徐变就越小；加大，水泥水化作用就越充分，徐变就越小；加荷期间温度越高，湿度越低，徐变就越大。荷期间温度越高，湿度越低，徐变就越大。1.2 混凝土 4、混凝土的收缩和温度变形、混凝土的收缩和温度变形 混凝土在空气中结硬时体积减小的现象称为收缩。混凝土在空气中结硬时体积减小的现象称为收缩。 影响混凝土收缩的因素有内在因素和环境影响：影响混凝土收缩的因素有内在因素和环境影响： 内在因素：水泥强度高、水泥用量多、水灰比大，内在因素：水泥强度高、水泥

20、用量多、水灰比大，则收缩量越大；骨料则收缩量越大；骨料 粒径大、级配好、弹性模量高，则收缩量越小；混粒径大、级配好、弹性模量高，则收缩量越小；混凝土越密实，收缩就越小。凝土越密实，收缩就越小。 环境影响：混凝土在养护和使用期间的环境湿度环境影响：混凝土在养护和使用期间的环境湿度大，则收缩量小；采用高温蒸汽养护时，收缩减小。大，则收缩量小；采用高温蒸汽养护时，收缩减小。1.2 1.2 混凝土混凝土 工程中为尽量减小收缩，可采取如下措施：工程中为尽量减小收缩，可采取如下措施：减小减小水泥用量和水灰比；水泥用量和水灰比；选择粒径大、级配好的骨料；选择粒径大、级配好的骨料；提高混凝土的密实度；提高混凝

21、土的密实度；加强混凝土的早期养护；加强混凝土的早期养护；设置施工缝、设置构造钢筋等。设置施工缝、设置构造钢筋等。 混凝土随温度的升降会产生胀缩，称之为温度混凝土随温度的升降会产生胀缩，称之为温度变形。混凝土与钢筋的线膨胀系数相近，当温度发变形。混凝土与钢筋的线膨胀系数相近，当温度发生变化时，在两者之间引起的内应力很小，不会影生变化时，在两者之间引起的内应力很小，不会影响到钢筋与混凝土之间的粘结。但对结构构件来说，响到钢筋与混凝土之间的粘结。但对结构构件来说，当温度应力过大时，则可能造成混凝土结构的裂缝。当温度应力过大时，则可能造成混凝土结构的裂缝。 在工程中为防止混凝土的收缩裂缝和温度裂缝在工

22、程中为防止混凝土的收缩裂缝和温度裂缝可根据工程具体情况采取设置温度收缩缝、设置承可根据工程具体情况采取设置温度收缩缝、设置承受温度应力的构造钢筋、设置混凝土后浇带等措施受温度应力的构造钢筋、设置混凝土后浇带等措施。1.2 混凝土 1.3 钢筋与混凝土的粘结钢筋与混凝土的粘结1.3.1钢筋与混凝土共同工作的原因钢筋与混凝土共同工作的原因 线膨胀系数接近线膨胀系数接近变形一致变形一致 钢筋：钢筋：1.210-5/ ,混凝土：混凝土：(1.01.5)10-5/ 二者间有粘结力二者间有粘结力变形协调变形协调 混凝土包裹钢筋混凝土包裹钢筋防锈蚀防锈蚀 粘结力作用：传递钢筋与混凝土间的应力粘结力作用：传递

23、钢筋与混凝土间的应力 粘结力组成粘结力组成: 握裹力（摩擦力）握裹力（摩擦力）混凝土收缩混凝土收缩 胶结力：水泥胶体具有粘结作用胶结力：水泥胶体具有粘结作用 机械咬合力：变形钢筋机械咬合力：变形钢筋1.3 1.3 钢筋与混凝土的粘结钢筋与混凝土的粘结 1.3.2 粘结强度及其影响因素粘结强度及其影响因素 定义：钢筋与混凝土的粘结面上所能承受的定义：钢筋与混凝土的粘结面上所能承受的平均剪应力的最大值称为粘结强度，用平均剪应力的最大值称为粘结强度，用u表表示。示。 粘结强度粘结强度u可用拔出试验来测定，其粘可用拔出试验来测定，其粘结应力沿钢筋长度的分布是不均匀的。结应力沿钢筋长度的分布是不均匀的。

24、 影响粘结强度的主要因素有：影响粘结强度的主要因素有： 混凝土的强度等级。混凝土强度等级越高，混凝土的强度等级。混凝土强度等级越高，粘结强度越大；粘结强度越大；1.3 1.3 钢筋与混凝土的粘结钢筋与混凝土的粘结 混凝土保护层厚度及钢筋净距。混凝土保护层较混凝土保护层厚度及钢筋净距。混凝土保护层较薄时，其粘结力将降低，并易在保护层最薄弱处出薄时，其粘结力将降低，并易在保护层最薄弱处出现纵向劈裂裂缝，使粘结力提早破坏。为此，现纵向劈裂裂缝，使粘结力提早破坏。为此，规规范范对保护层最小厚度和钢筋的最小间距均作了要对保护层最小厚度和钢筋的最小间距均作了要求。求。 钢筋表面形状。变形钢筋表面凹凸不平与混凝土钢筋表面形状。变形钢筋表面凹凸不平与混凝土之间机械咬合力大，则粘结强度高于光面钢筋。工之间机械咬合力大，则粘结强度高于光面钢筋。工程中通过将光面钢筋端部做弯钩来增加其粘结强度。程中通过将光面钢筋端部做弯钩来增加其粘结强度。 横向钢筋的设置。构件中设置横向钢筋（如箍横向钢筋的设置。构件中设置横向钢筋（如箍筋），可以延缓径向劈裂裂缝的发展和限制劈裂裂筋），可以延缓径向劈裂裂缝的发展和限制劈裂裂缝的宽度，从而提高粘结强度。所以，缝的宽度，从而提高粘结强度。所以，规范规范要要求在钢筋的锚固区和搭接范围要增设附加箍筋求在钢筋的锚固区和搭接范围要增设附加箍筋 1.3 1.3 钢筋