第三讲 结构材料力学性能及选用

1、第三讲第三讲结构材料的力学性能及选用结构材料的力学性能及选用第三讲第三讲 结构材料的力学性能及选用结构材料的力学性能及选用123 34Back本章主要论述了钢筋的力学性能和混凝土的力学本章主要论述了钢筋的力学性能和混凝土的力学性能（混凝土的立方体抗压强度、轴心抗压强度、轴性能（混凝土的立方体抗压强度、轴心抗压强度、轴心抗拉强度；混凝土的变形和混凝土的选用）。重点心抗拉强度；混凝土的变形和混凝土的选用）。重点讨论了钢筋与混凝土之间的相互作用讨论了钢筋与混凝土之间的相互作用粘结力，它粘结力，它们是学习混凝土结构设计原理和构造要求的基础。们是学习混凝土结构设计原理和构造要求的基础。本章提要本章提要第

2、三讲第三讲 结构材料的力学性能及选用结构材料的力学性能及选用 结构材料是制作结构构件的主要物质基础，其性能直接影结构材料是制作结构构件的主要物质基础，其性能直接影响到结构构件的受力性能和能否满足使用功能要求，最终影响响到结构构件的受力性能和能否满足使用功能要求，最终影响到整个结构的整体受力性能和使用。因此，在选择结构材料时到整个结构的整体受力性能和使用。因此，在选择结构材料时对其力学件能和物理性质都有具体的要求。对其力学件能和物理性质都有具体的要求。 工程结构对材料力学性能的要求足通过力学性能指标来实工程结构对材料力学性能的要求足通过力学性能指标来实现的。材料的力学性能指标又是通过实验方法测定

3、的。结构材现的。材料的力学性能指标又是通过实验方法测定的。结构材料主要力学性能指标有：强度、刚度、弹性与塑性、冲击韧性料主要力学性能指标有：强度、刚度、弹性与塑性、冲击韧性与冷脆性、徐变和松弛等。与冷脆性、徐变和松弛等。一、结构材料力学性能的基本要求一、结构材料力学性能的基本要求3.1 足够的强度是对于结构材料的基本要求，没有强度或强足够的强度是对于结构材料的基本要求，没有强度或强度不足就根本不能承担建筑物的巨大荷载，甚至会导致建筑度不足就根本不能承担建筑物的巨大荷载，甚至会导致建筑物坍塌，不能保证内部的空间或应有的效果。另外，结构的物坍塌，不能保证内部的空间或应有的效果。另外，结构的材料面对

4、季节变化所导致的温度、湿度、冻融循环等，其强材料面对季节变化所导致的温度、湿度、冻融循环等，其强度也不能有明显的变化。度也不能有明显的变化。 强度是材料抵抗破坏能力的指标。根据材料在受力时的变强度是材料抵抗破坏能力的指标。根据材料在受力时的变形状态不同有弹性极限强度、屈服强度、极限强度；根据材形状态不同有弹性极限强度、屈服强度、极限强度；根据材料的受力状态不同又有抗压强度、抗拉强度、抗剪强度和抗料的受力状态不同又有抗压强度、抗拉强度、抗剪强度和抗扭强度等；如果材料受到循环荷载作用，还要考虑疲劳强度。扭强度等；如果材料受到循环荷载作用，还要考虑疲劳强度。、强度、强度3.1 除了强度指标，刚度除了

5、强度指标，刚度抵抗变形的能力也同样重抵抗变形的能力也同样重要。没有足够的强度，构件受力后虽然不破坏，但可能要。没有足够的强度，构件受力后虽然不破坏，但可能由于变形过大，会导致构件与构件之间宏观几何关系的由于变形过大，会导致构件与构件之间宏观几何关系的改变，进而会使得结构整体的受力性能复杂化和不确定改变，进而会使得结构整体的受力性能复杂化和不确定性增加，使设计复杂性提高，实际使用的模糊性加大，性增加，使设计复杂性提高，实际使用的模糊性加大，安全性降低。安全性降低。、刚度、刚度3.1 材料在外力作用下产生变形，当外力去除后能完全恢材料在外力作用下产生变形，当外力去除后能完全恢复到原始形状的性质称为

6、弹性。这种外力消失后瞬间恢复复到原始形状的性质称为弹性。这种外力消失后瞬间恢复的变形称为弹性变形。的变形称为弹性变形。 材料在外力作用下产生变形，当外力去除后有一部材料在外力作用下产生变形，当外力去除后有一部分变形不能恢复，这种性质称为材料的塑性。弹性变形与分变形不能恢复，这种性质称为材料的塑性。弹性变形与塑性变形的区别在于，前者为可逆变形，后者为不可逆变塑性变形的区别在于，前者为可逆变形，后者为不可逆变形。材料塑性性能是决定结构或构件是否安全可靠的重要形。材料塑性性能是决定结构或构件是否安全可靠的重要参数之一，可以通过测量材料伸长率、断面收缩率或冷弯参数之一，可以通过测量材料伸长率、断面收缩

7、率或冷弯性能来确定材料的塑性性能。性能来确定材料的塑性性能。、弹性和塑性、弹性和塑性3.1 冲击韧性是指钢材抗冲击而不破坏的能力。冲击韧性冲击韧性是指钢材抗冲击而不破坏的能力。冲击韧性与材料的塑性有关，但是又不等同于塑性，它是强度和塑与材料的塑性有关，但是又不等同于塑性，它是强度和塑性的综合指标。材抖的冲击韧性与其内在质量、宏观缺陷性的综合指标。材抖的冲击韧性与其内在质量、宏观缺陷和微观组成有关；此外，冲击韧性易受温度影响，温度的和微观组成有关；此外，冲击韧性易受温度影响，温度的下降将会明显的降低材料的冲击韧性，对结构的安全不利。下降将会明显的降低材料的冲击韧性，对结构的安全不利。、冲击韧性、

8、冲击韧性3.1 徐变是指在恒定温度和应力条件下，构件或材料的变形徐变是指在恒定温度和应力条件下，构件或材料的变形随时间增加而增大的现象，图随时间增加而增大的现象，图( (a)a)为徐变曲线图中为徐变曲线图中0 0为加载为加载后瞬间产生的应变。混凝土具有徐变特性，钢材在高温下也后瞬间产生的应变。混凝土具有徐变特性，钢材在高温下也会出观徐变特性。会出观徐变特性。 应力松弛是指在恒定温度和应变条件下，构件或材料的应力松弛是指在恒定温度和应变条件下，构件或材料的应力随时间的增加而减小的现象，图应力随时间的增加而减小的现象，图( (b)b)为徐变曲线，图中为徐变曲线，图中0 0为初始应力。对于预应力钢筋

9、混凝土结构，应力松弛将会引为初始应力。对于预应力钢筋混凝土结构，应力松弛将会引起预应力损失。从而降低构件的承载力。起预应力损失。从而降低构件的承载力。、徐变和应力松弛、徐变和应力松弛3.1 1 1协同工作性能协同工作性能 材料的协同工作性能是指两种或两种以上的材料或杆件材料的协同工作性能是指两种或两种以上的材料或杆件可以融合成一体，共同参与受力和变形，而不会轻易分开的可以融合成一体，共同参与受力和变形，而不会轻易分开的性能。如钢材的可焊件、钢筋和混凝土之间的共向工作性能性能。如钢材的可焊件、钢筋和混凝土之间的共向工作性能以及砌块与砂浆之间的粘结性能等。以及砌块与砂浆之间的粘结性能等。二、其他要

10、求二、其他要求 结构材料人仅要满足强度、刚度、弹性与塑性等力学结构材料人仅要满足强度、刚度、弹性与塑性等力学性能方面的要求、还有满足其他的一些基本要求：性能方面的要求、还有满足其他的一些基本要求：3.1 2 2耐久性耐久性 耐久性是指材料长久在各种环境因素作用下不变质、不耐久性是指材料长久在各种环境因素作用下不变质、不破坏。长期保持良好的物理力学性能的性质。耐久性是材料破坏。长期保持良好的物理力学性能的性质。耐久性是材料的一种综合性质，如抗冻性、抗风化性、耐腐蚀性等均属于的一种综合性质，如抗冻性、抗风化性、耐腐蚀性等均属于耐久性范畴，它对建筑物的使用寿命起到至关重要的决定作耐久性范畴，它对建筑

11、物的使用寿命起到至关重要的决定作用。所以，要根据材料所处的部位、使用环境等因素，综合用。所以，要根据材料所处的部位、使用环境等因素，综合考虑耐久性，合理选择结构材料或采取相应的保护措施。考虑耐久性，合理选择结构材料或采取相应的保护措施。 3.1 3 3可加工性可加工性 材料制成构件的过程中，都要进行加工，如钢材的切材料制成构件的过程中，都要进行加工，如钢材的切割、焊接，结构材料加工制作的难易程度对施工工期、建割、焊接，结构材料加工制作的难易程度对施工工期、建筑造价等都有重要的影响。因此，在选择结构材料时，要筑造价等都有重要的影响。因此，在选择结构材料时，要充分考虑材料的加工难度和施工企业的实际

12、加工制作能力。充分考虑材料的加工难度和施工企业的实际加工制作能力。 3.1 4 4结构材料要有相应的重度结构材料要有相应的重度材料的重量是结构保持自身稳定性的重要手段，在动荷材料的重量是结构保持自身稳定性的重要手段，在动荷载作用下，轻薄的构件会产生不良的颤动，不仅影响工作效载作用下，轻薄的构件会产生不良的颤动，不仅影响工作效果，而且颤动所产生的往复应力的作用，会使材料发生低应果，而且颤动所产生的往复应力的作用，会使材料发生低应力脆断力脆断疲劳破坏。疲劳破坏。建筑物自身的自重是其保持整体稳定、抵抗倾覆的重要建筑物自身的自重是其保持整体稳定、抵抗倾覆的重要因素，如重力式水坝、挡土墙；重型屋面；重力

13、式桥墩。因素，如重力式水坝、挡土墙；重型屋面；重力式桥墩。3.1 结构材料要有相对低廉的价格结构材料要有相对低廉的价格结构材料使用量大，成本是必须被有效控制的。结构材料使用量大，成本是必须被有效控制的。材料的价格并非是施工成本的全部，施工的难易程度也是材料的价格并非是施工成本的全部，施工的难易程度也是总成本的重要影响因素。总成本的重要影响因素。设计者应从结构的性能要求、材料的基础价格、施工设计者应从结构的性能要求、材料的基础价格、施工的难易程度等多方面综合考虑材料的成本，使性能价格比的难易程度等多方面综合考虑材料的成本，使性能价格比达到较优化的程度。达到较优化的程度。3.1 结构材料要有良好的

14、环保性能结构材料要有良好的环保性能结构材料良好的环保性能，要从三方面体现出来：结构材料良好的环保性能，要从三方面体现出来：首先是指材料在使用中不会对环境与健康形成不良的首先是指材料在使用中不会对环境与健康形成不良的危害，对于人体不产生不良作用，无毒、无放射性、没有危害，对于人体不产生不良作用，无毒、无放射性、没有不良气体的释放、不与空气发生不良反应等。不良气体的释放、不与空气发生不良反应等。其次，在材料的生产过程中不对自然界产生相对的破其次，在材料的生产过程中不对自然界产生相对的破坏，不大范围的破坏自然界、影响自然环境，不破坏生态坏，不大范围的破坏自然界、影响自然环境，不破坏生态平衡。平衡。第

15、三，材料是可回收、可以重复利用的，重而减少对第三，材料是可回收、可以重复利用的，重而减少对于新材料的利用，间接保护自然。于新材料的利用，间接保护自然。3.1 结构材料的常规选择结构材料的常规选择从材料的选择原则与标准、科学技术发展水平、现从材料的选择原则与标准、科学技术发展水平、现有的经济条件与技术条件，符合这些条件的主要结构材料有的经济条件与技术条件，符合这些条件的主要结构材料主要是主要是钢材与混凝土材料钢材与混凝土材料。混凝土材料是一种脆性材料，需要与钢材联合工作混凝土材料是一种脆性材料，需要与钢材联合工作才能保证其功效的发挥，常见的是钢筋混凝土结构、劲性才能保证其功效的发挥，常见的是钢筋

16、混凝土结构、劲性混凝土（钢骨混凝土）结构。混凝土（钢骨混凝土）结构。3.1 普通跨度的多层与高层结构多数采用混凝土结构。普通跨度的多层与高层结构多数采用混凝土结构。钢结构的施工速度快、建筑有效空间大（构件截钢结构的施工速度快、建筑有效空间大（构件截面小）也是采用钢结构的主要原因。但是钢结构不耐腐面小）也是采用钢结构的主要原因。但是钢结构不耐腐蚀，在高温下会迅速失去强度蚀，在高温下会迅速失去强度不耐火。不耐火。对于一些特殊的构筑物，由于自身的重量与特定对于一些特殊的构筑物，由于自身的重量与特定的环境要求，如港口、道路、水坝等，混凝土材料为首的环境要求，如港口、道路、水坝等，混凝土材料为首选。选。

17、3.1 3.2 一、一、 钢筋的力学性能钢筋的力学性能 在钢筋混凝土结构预应力混凝土结构以及钢结构中所在钢筋混凝土结构预应力混凝土结构以及钢结构中所用的钢材可分为两类，既有明显屈服点的钢材和无明显屈用的钢材可分为两类，既有明显屈服点的钢材和无明显屈服点的钢材。服点的钢材。 钢是含碳量低于钢是含碳量低于2%2%的铁碳合金（含碳量高于的铁碳合金（含碳量高于2%2%时为生时为生铁），钢经扎制或加工成的钢筋、钢丝、钢板及各种型钢，铁），钢经扎制或加工成的钢筋、钢丝、钢板及各种型钢，通称钢材。在建筑钢材中，大量使用碳素结构钢和普通低合通称钢材。在建筑钢材中，大量使用碳素结构钢和普通低合金钢。金钢。有屈服

18、点的钢筋试件在试验机上进行拉伸试验得出的典有屈服点的钢筋试件在试验机上进行拉伸试验得出的典型应力应变曲线如图型应力应变曲线如图3.1所示。其中颈缩现象如图所示。其中颈缩现象如图3.2所示。所示。对于有明显屈服点的钢筋取其对于有明显屈服点的钢筋取其屈服强度屈服强度作为钢筋强度的限值作为钢筋强度的限值强度指标。强度指标。 1 1、有屈服点的钢筋（软钢）、有屈服点的钢筋（软钢）图图3.1钢筋的应力应变曲线钢筋的应力应变曲线 图图3.2钢筋的颈缩钢筋的颈缩 oaoa弹性阶段弹性阶段bcbc屈服阶段屈服阶段cdcd硬化阶段硬化阶段 dede颈缩阶段颈缩阶段 aa比例极限比例极限 p p cc屈服强度屈服

19、强度 y y dd极限强度极限强度 b b ( (一一) )、应力、应力应变曲线应变曲线3.2 无明显屈服点的钢筋试件在试验机上进行拉伸试验得无明显屈服点的钢筋试件在试验机上进行拉伸试验得出的典型应力应变曲线如图出的典型应力应变曲线如图3.3所示。所示。 实际设计中通常取相应于残余应变实际设计中通常取相应于残余应变=0.2%时的应力时的应力0.2作为作为名义屈服点名义屈服点，即，即条件屈服强度条件屈服强度。2 2、无屈服点的钢筋、无屈服点的钢筋（硬钢）（硬钢）图图3.3无明显屈服点钢筋无明显屈服点钢筋 对于无明显屈服点的钢筋，由于对于无明显屈服点的钢筋，由于其条件屈服点不容易测定，因此，这其条

20、件屈服点不容易测定，因此，这类钢筋的质量检验以其极限强度作为类钢筋的质量检验以其极限强度作为主要指标。主要指标。混凝土结构设计规范混凝土结构设计规范规定，条件屈服强度规定，条件屈服强度0.20.2取极限强度取极限强度b b的的0.80.8倍，即：倍，即：0.20.2=0.8=0.8b b3.2 3 3、计算时、计算时曲线的简化：曲线的简化：屈服前：完全弹性的；屈服前：完全弹性的；屈服后：完全塑性的。屈服后：完全塑性的。 （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3.2 屈服强度屈服强度：设计时钢材允许达到的最大应力：设计时钢材允许达到的最大应力 有明显流幅的钢材：

21、取屈服点的应力；有明显流幅的钢材：取屈服点的应力； 无有明显流幅的钢材：取条件屈服强度。无有明显流幅的钢材：取条件屈服强度。 条件屈服强度：残余应变为条件屈服强度：残余应变为0.2%对应的应力。对应的应力。 极限强度极限强度：材料能承受的最大应力，反映安全储备：材料能承受的最大应力，反映安全储备 屈强比屈强比：屈服强度：屈服强度/极限强度极限强度 、钢材的强度指标、钢材的强度指标钢材的强度指标包括钢材的强度指标包括屈服强度屈服强度和和极限强度极限强度(抗拉强度抗拉强度)两项。两项。3.2 1 1、伸长率伸长率：试件拉断后原标距的伸长值与原标距的比值。：试件拉断后原标距的伸长值与原标距的比值。伸

22、长率越大的钢材的伸长率越大的钢材的塑性塑性和和变形能力变形能力越好越好，反之塑性差。有明，反之塑性差。有明显屈服点的钢材都有较大的伸长率。显屈服点的钢材都有较大的伸长率。 、钢材的塑性指标、钢材的塑性指标 塑性是指刚材破坏前产生变形的能力。反映塑性性能塑性是指刚材破坏前产生变形的能力。反映塑性性能的指标是伸长率和冷弯性能。的指标是伸长率和冷弯性能。100%lll100%lll3.2 弯心弯心直径直径越小，弯过的越小，弯过的角度角度越大，冷弯性能越好，钢筋的塑越大，冷弯性能越好，钢筋的塑性性能越好。性性能越好。 2 2、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：是指钢材在常温下承受

23、弯曲时产生塑性变形的能力。以冷弯的角度来衡量。冷弯性能可间接反映钢材形的能力。以冷弯的角度来衡量。冷弯性能可间接反映钢材的塑性性能和内在质量。的塑性性能和内在质量。3.2 钢材在弹性阶段的应力和相应应变的比值为常量，钢材在弹性阶段的应力和相应应变的比值为常量，该常量即为钢材的弹性模量。该常量即为钢材的弹性模量。sssE钢材的弹性模量可由拉伸试验测定，同一品种的钢材的弹性模量可由拉伸试验测定，同一品种的钢材的受拉和受压弹性模量相同。钢材的受拉和受压弹性模量相同。、弹性模量、弹性模量3.2 二、钢材的冷加工二、钢材的冷加工冷加工钢筋是指在常温下采用某种工艺对热轧钢筋进冷加工钢筋是指在常温下采用某种

24、工艺对热轧钢筋进行加工得到的钢筋。常用的加工工艺有冷拉、冷拔、冷轧行加工得到的钢筋。常用的加工工艺有冷拉、冷拔、冷轧和冷轧扭四种。其目的都是为了提高钢筋的强度，以节约和冷轧扭四种。其目的都是为了提高钢筋的强度，以节约钢材。但是。经冷加工后的钢筋在强度提高的同时，伸长钢材。但是。经冷加工后的钢筋在强度提高的同时，伸长率显著降低，除冷拉钢筋仍具有明显的屈服点外，其余冷率显著降低，除冷拉钢筋仍具有明显的屈服点外，其余冷加工钢筋均无明显内服点和屈服台阶。加工钢筋均无明显内服点和屈服台阶。3.2 冷拉是冷拉是在常温下用在常温下用机械机械方法将有明显屈服点的钢筋拉到方法将有明显屈服点的钢筋拉到超过超过屈服

25、强度的某一应力值，然后屈服强度的某一应力值，然后卸载至零卸载至零，以提高钢筋强，以提高钢筋强度的方法度的方法。 、冷拉、冷拉 钢筋在冷拉后，未钢筋在冷拉后，未经时效前，一般没有明经时效前，一般没有明显的屈服台阶；经过停显的屈服台阶；经过停放或加热后进一步提高放或加热后进一步提高了屈服强度并恢复了屈了屈服强度并恢复了屈服台阶，这种现象称为服台阶，这种现象称为冷拉冷拉时效硬化时效硬化。3.2 时效硬化时效硬化钢筋经过冷拉和时效硬化后，强度有所提高，但塑性降低，钢筋经过冷拉和时效硬化后，强度有所提高，但塑性降低，脆性增加。脆性增加。 合理地选择冷拉合理地选择冷拉控制点可使钢筋保控制点可使钢筋保持一定

26、的塑性而又能持一定的塑性而又能提高钢筋的强度，达提高钢筋的强度，达到节约钢材的目的。到节约钢材的目的。对需要焊接的钢筋应对需要焊接的钢筋应先焊好再进行冷拉。先焊好再进行冷拉。3.2 冷拔是将钢筋用强力拉过比其直径小的硬质合金拔丝冷拔是将钢筋用强力拉过比其直径小的硬质合金拔丝模。这时钢筋受到纵向拉力和横向压力的作用，截面变小模。这时钢筋受到纵向拉力和横向压力的作用，截面变小而长度增加而长度增加。经过几次冷拔，钢筋强度与原来相比有很大经过几次冷拔，钢筋强度与原来相比有很大提高，但塑性则显著降低。冷拔可以同时提高钢筋的抗拉提高，但塑性则显著降低。冷拔可以同时提高钢筋的抗拉强度和抗压强度。强度和抗压强

27、度。、冷拔、冷拔3.2 三、钢材的种类及选用三、钢材的种类及选用强度高，塑性低强度高，塑性低强度高，粘结性好强度高，粘结性好强度高强度高预应力钢筋预应力钢筋钢筋钢筋热轧钢筋热轧钢筋钢钢 丝丝钢绞线钢绞线热处理钢筋热处理钢筋HPB235HRB335HRB400RRB400光圆钢筋光圆钢筋变形钢筋变形钢筋变形钢筋变形钢筋变形钢筋变形钢筋非预应力钢筋非预应力钢筋强度强度塑性塑性弱弱强强高高低低、钢筋的种类及选用、钢筋的种类及选用3.2 我国常见钢筋外形我国常见钢筋外形 热轧钢筋热轧钢筋 预应力钢筋预应力钢筋3.2 1 1、钢筋的、钢筋的符号符号说明说明热轧钢筋的热轧钢筋的符号说明符号说明HPB235

28、HPB235 生产工艺：生产工艺： hot rolled hot rolled 表面形状：表面形状：plain plain 钢筋：钢筋：bar bar 屈服强度屈服强度3.2 热轧钢筋的热轧钢筋的符号说明符号说明HRB335 hot rolledribbed bar RRB400 remained heat treatmentribbed bar 3.2 热轧钢筋的热轧钢筋的屈服强度屈服强度种类种类符号符号fyf y热轧钢筋热轧钢筋HPB 235(Q235)210210HRB 335(20MnSi)300300HRB 400(20MnSiV、20MnSiNb、20MnTi)360360RRB

29、400(K20MnSi) R3603603.2 预应力钢筋的预应力钢筋的符号说明符号说明S钢绞线钢绞线 S Strand P光面钢丝光面钢丝 P Plain I刻痕钢丝刻痕钢丝 I Indented H螺旋肋钢丝螺旋肋钢丝 H Helix HT热处理钢筋热处理钢筋 HT Heat-treated 3.2 预应力钢筋的预应力钢筋的屈服强度屈服强度种类种类符号符号fptkfpyfpy钢绞线钢绞线13S18601320390172012201570111017186013203901720 1220消除应力钢丝消除应力钢丝光面螺旋肋光面螺旋肋PH177012504101670118015701110

30、刻痕刻痕处理钢筋热处理钢筋40Si2MnHT1470104040048Si2Mn45Si2Cr3.2 、结构用钢材的分类、结构用钢材的分类 碳素钢碳素钢： 强度等级：按屈服强度分五个品种，强度等级：按屈服强度分五个品种，Q195-Q275Q195-Q275。 质量等级：质量等级：A A、B B、C C、D D四级，对冲击韧性要求不同四级，对冲击韧性要求不同 脱氧方式：镇静、半镇静、沸腾和特殊镇静，用脱氧方式：镇静、半镇静、沸腾和特殊镇静，用ZbFZbF和和TZTZ 示例：示例：Q235BbQ235Bb表示屈服强度为表示屈服强度为235235，B B级半镇静钢级半镇静钢

31、 低合金钢低合金钢： 强度等级：按屈服强度分五个品种，强度等级：按屈服强度分五个品种，Q295-Q460Q295-Q460。 质量等级：质量等级：A A、B B、C C、D D、E E五级，对冲击韧性要求不同五级，对冲击韧性要求不同 脱氧方式：镇静和特殊镇静钢脱氧方式：镇静和特殊镇静钢 热处理钢热处理钢3.2 钢筋混凝土结构及预应力混凝土结构的钢筋，应按下列钢筋混凝土结构及预应力混凝土结构的钢筋，应按下列规定采用：规定采用：（1） 普通钢筋宜采用普通钢筋宜采用HRB400级和级和HRB335级钢筋，也级钢筋，也可采用可采用HPB235级和级和RRB400级钢筋；级钢筋；（2） 预应力钢筋宜采用

32、预应力钢绞线、钢丝，也可采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。用热处理钢筋。具体工程中，现浇楼板的钢筋和梁柱的箍筋多采用具体工程中，现浇楼板的钢筋和梁柱的箍筋多采用HPB235级钢筋；梁柱的受力筋多采用级钢筋；梁柱的受力筋多采用HRB335、HRB400和和RRB400级钢筋；尺寸较大的构件有时也采用级钢筋；尺寸较大的构件有时也采用HRB335级钢筋级钢筋作箍筋。作箍筋。 3 3、钢筋的选用、钢筋的选用3.2 钢板：以钢板：以“宽度厚度长度宽度厚度长度”或或“宽度厚度宽度厚度”表示表示 型钢：型钢： 角钢：等边角钢：等边“L L肢宽厚度肢宽厚度”；不等边；不等边“L L长肢

33、宽短肢宽厚度长肢宽短肢宽厚度” 工字钢：普通工字钢以工字钢：普通工字钢以I+I+截面的高度；轻型工字钢前面加截面的高度；轻型工字钢前面加Q Q 槽钢：有普通槽钢和轻型槽钢两种，用截面的高度编号槽钢：有普通槽钢和轻型槽钢两种，用截面的高度编号 H H型钢：热扎和焊接两种，型钢：热扎和焊接两种，“高度高度* *宽度宽度* *腹板厚度腹板厚度* *翼缘厚度翼缘厚度” 钢管：有热轧无缝钢管和焊接钢管。以钢管：有热轧无缝钢管和焊接钢管。以“外径壁厚外径壁厚”表示表示 薄壁型钢：用薄钢板冷轧而成，形式及尺寸可以变化薄壁型钢：用薄钢板冷轧而成，形式及尺寸可以变化、型钢和钢板、型钢和钢板3.2 碳碳：提高强度

34、；但塑性，可焊性、耐锈蚀性等劣化。：提高强度；但塑性，可焊性、耐锈蚀性等劣化。 锰锰：提高强度，改善脆性；但对可焊性和耐锈力不利。：提高强度，改善脆性；但对可焊性和耐锈力不利。 硅硅：提高强度，但含量过高，对塑性可焊性耐锈力不利。：提高强度，但含量过高，对塑性可焊性耐锈力不利。 硫硫：高温时变脆，降低塑性韧性抗疲劳能力和耐锈能力。：高温时变脆，降低塑性韧性抗疲劳能力和耐锈能力。 磷磷：提高强度和耐锈力，低温变脆，降低塑性可焊性等。：提高强度和耐锈力，低温变脆，降低塑性可焊性等。四、影响钢材性能的一般因素四、影响钢材性能的一般因素、化学成分、化学成分3.2 偏析偏析: :钢中化学成分的不一致性和

35、不均匀性钢中化学成分的不一致性和不均匀性 裂纹裂纹：先天的裂纹，或是微观的或是宏观的：先天的裂纹，或是微观的或是宏观的 分层分层：在厚度方向分成多层，各层相互连接，并：在厚度方向分成多层，各层相互连接，并不脱离不脱离 夹杂物夹杂物：尤其是硫化物和氧化物等：尤其是硫化物和氧化物等、钢材缺陷、钢材缺陷3.2 五、混凝土结构对钢筋性能的五、混凝土结构对钢筋性能的要求要求 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

36、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。 3.2 混凝土是组成不均匀的材料，不同构件的施工作业条混凝土是组成不均匀的材料，不同构件的施工作业条件也存在巨大的差异，其力学性能必然体现出较大的离散件也存在巨大的差异，其力学性能必然体现出较大的离散性。必须采用统计方法来确定混凝土的强度特征值。性。必须采用统计方法来确定混凝土的强度特征值。 混凝土是

37、由骨料（石子与砂）、水泥凝胶（水与水泥的混凝土是由骨料（石子与砂）、水泥凝胶（水与水泥的水化物）组成的混合物。水化物）组成的混合物。 混凝土内部还有少量的未水化的水泥颗粒、游离的与结混凝土内部还有少量的未水化的水泥颗粒、游离的与结合在水泥凝胶表面的水分、气泡、杂质等。合在水泥凝胶表面的水分、气泡、杂质等。3.3 强度强度是指结构材料所能承受的某种极限应力。是指结构材料所能承受的某种极限应力。 混凝土的强度是靠水泥的水化、硬化获得的。水泥的混凝土的强度是靠水泥的水化、硬化获得的。水泥的水化硬化早期快、后期慢，故混凝土强度的增长也是早期水化硬化早期快、后期慢，故混凝土强度的增长也是早期快、后期慢，

38、但到快、后期慢，但到28d龄期时强度的增长就不明显而趋于龄期时强度的增长就不明显而趋于稳定。因此，规范以稳定。因此，规范以28d龄期时混凝土的强度为基准。龄期时混凝土的强度为基准。 混凝土的基本强度指标有混凝土的基本强度指标有立方体抗压强度、轴心抗压立方体抗压强度、轴心抗压强度强度和和轴心抗拉强度轴心抗拉强度三种。三种。一、混凝土的强度一、混凝土的强度3.3 、立方抗压强度、立方抗压强度 立方抗压强度是混凝土的基本强度指标立方抗压强度是混凝土的基本强度指标 规范规范规定：用边长为规定：用边长为150mm150mm的立方体标准试件，在标准的立方体标准试件，在标准试验条件下（温度试验条件下（温度2

39、02033，相对湿度，相对湿度90%90%的潮湿空气中）的潮湿空气中）养护养护28d28d，并用标准试验方法（表面不涂润滑剂、全截面受，并用标准试验方法（表面不涂润滑剂、全截面受压、加载速度控制在压、加载速度控制在0.150.25MPa/s0.150.25MPa/s范围）测得的具有范围）测得的具有95%95%保证率的立方体抗压强度，用符号保证率的立方体抗压强度，用符号f fcukcuk表示。表示。 该指标是确定混凝土强度等级的标准，我国混凝土强度等该指标是确定混凝土强度等级的标准，我国混凝土强度等级确定为：级确定为：C15C15、C20C20、C25C25、C30C30、C35C35、C40C

40、40、C50C50、C60 C60 、C15 C15 、C70 C70 、C75 C75 、C80C80，1414个等级。个等级。、混凝土的抗压强度、混凝土的抗压强度3.3 试验过程试验过程压力试验机压力较小时，试件表面无变化，但可以听到隐约的噼啪声，表压力试验机压力较小时，试件表面无变化，但可以听到隐约的噼啪声，表明时间内部的微裂缝出现。明时间内部的微裂缝出现。随着压力试验机压力的增加，试件便面中部开始出现竖向裂缝，并逐渐向随着压力试验机压力的增加，试件便面中部开始出现竖向裂缝，并逐渐向上下底面延伸。上下底面延伸。中部的混凝土开始脱落，混凝土可以出现正、倒四角锥体相连的形态。中部的混凝土开始

41、脱落，混凝土可以出现正、倒四角锥体相连的形态。压力达到一定数量之后，正、倒四角锥体相连体的中部混凝土破碎，整个压力达到一定数量之后，正、倒四角锥体相连体的中部混凝土破碎，整个试件破坏。试件破坏。IIVIIIII3.3 影响因素影响因素： 尺寸效应：尺寸越大，内部缺陷较多，尺寸效应：尺寸越大，内部缺陷较多， 强度较低。强度较低。 加载速度：加载速度越快，强度越低。加载速度：加载速度越快，强度越低。 端部约束：涂润滑油端部约束：涂润滑油 ，强度降低。，强度降低。 混凝土混凝土强度等级强度等级的选用的选用 采用采用HRB335、 HRB400、 RRB400级钢筋时，级钢筋时， 不得不得低于低于C2

42、0； 预应力混凝土结构，预应力混凝土结构， 不应不应低于低于C30； 采用高强钢丝作预应力钢筋时，采用高强钢丝作预应力钢筋时，不宜不宜低于低于C40。 承受重复荷载构件的混凝土，承受重复荷载构件的混凝土， 不得不得低于低于C20；3.3 试件尺寸：我国取试件尺寸：我国取 mmmm为标准试件。为标准试件。2 2、轴心抗压强度轴心抗压强度 120.88ccufccf 棱柱体棱柱体高度高度的取值：的取值： 摆脱端部摩擦力的影响；摆脱端部摩擦力的影响； 试件不致失稳。试件不致失稳。 与与 的关系：的关系： 150 150 300scfscuf 试验目的：采用棱柱体试件，反映混凝土的实际工作状态。试验目

43、的：采用棱柱体试件，反映混凝土的实际工作状态。 3.3 、混凝土的抗拉强度、混凝土的抗拉强度 混凝土的抗拉强度混凝土的抗拉强度f ft t很低，虽然有一定的强度，但一般很低，虽然有一定的强度，但一般不作为计算依据；不作为计算依据； 在实际结构设计中，混凝土的受拉区配有钢筋来承担拉在实际结构设计中，混凝土的受拉区配有钢筋来承担拉应力，混凝土是开裂工作的；应力，混凝土是开裂工作的； 对于特殊建筑物，如抗渗型要求较高的水池、地下室的对于特殊建筑物，如抗渗型要求较高的水池、地下室的外墙等，混凝土的抗裂性的高低是保证不发生渗漏的主外墙等，混凝土的抗裂性的高低是保证不发生渗漏的主要因素，此时需要使用混凝土

44、的受拉强度进行抗裂计算。要因素，此时需要使用混凝土的受拉强度进行抗裂计算。3.3 tcu0.550.395ff 与与 的关系：的关系： 直接受拉试验直接受拉试验 劈裂试验劈裂试验st22Pfa根据试验得知，根据试验得知，fcu、fc、ft三者之间的关系是三者之间的关系是fcufcft。tsfscuf3.3 、复杂受力状态下混凝土的强度、复杂受力状态下混凝土的强度 双轴应力状态双轴应力状态 双向受拉，接近单轴抗拉强度；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，强度双向受压，混凝土的侧向变形受到约束，强度提高提高 ； 一拉一压，一拉一压，加速了混凝土内部微裂缝的发展加速了混

45、凝土内部微裂缝的发展 ，抗拉、抗压强，抗拉、抗压强度均度均降低降低。 混凝土的三轴抗压强度混凝土的三轴抗压强度 3.3 cccrff 三轴应力状态三轴应力状态 试件侧向变形受到限制，其内试件侧向变形受到限制，其内部微裂缝的产生和发展受到阻碍，部微裂缝的产生和发展受到阻碍，当侧压力增大时，轴向抗压强度也当侧压力增大时，轴向抗压强度也相应增大。相应增大。混凝土的三轴抗压强度混凝土的三轴抗压强度 3.3 剪压或剪拉复合应力状态剪压或剪拉复合应力状态 随着随着拉应力拉应力的增大的增大 ， 混凝土的抗剪强度混凝土的抗剪强度降低降低。 随着随着压应力压应力的增大的增大 ， 混凝土的抗剪强度混凝土的抗剪强度

46、逐渐增大逐渐增大；当压应；当压应力力超过超过某一数值后，抗剪强度随压应力增大而某一数值后，抗剪强度随压应力增大而减小减小。混凝土的剪压复合强度混凝土的剪压复合强度 3.3 多维受力强度的应用多维受力强度的应用 钢管混凝土钢管混凝土 螺旋箍螺旋箍应变应变 应力应力 无螺旋箍筋无螺旋箍筋配有较大间距的螺旋箍筋配有较大间距的螺旋箍筋配有较小间距的螺旋箍筋配有较小间距的螺旋箍筋3.3 混凝土变形有两类：混凝土变形有两类：一类是一类是荷载作用下的受力变形，荷载作用下的受力变形，包括一次短期加荷时的变形、多次重复加荷时的变形和包括一次短期加荷时的变形、多次重复加荷时的变形和长期荷载作用下的变形；长期荷载作

47、用下的变形；另一类是另一类是体积变形，包括收缩、体积变形，包括收缩、膨胀和温度变形。膨胀和温度变形。二、混凝土的变形二、混凝土的变形3.3 、混凝土的短期加荷下的变形过程、混凝土的短期加荷下的变形过程 混凝土在一次加载下的应力混凝土在一次加载下的应力-应变关系是混凝土最基本应变关系是混凝土最基本的力学性能之一，可以较全面的反映混凝土的强度和变形的力学性能之一，可以较全面的反映混凝土的强度和变形特点；是确定构件截面上混凝土受压区应力分布图形的主特点；是确定构件截面上混凝土受压区应力分布图形的主要依据。要依据。 混凝土在一次短期加荷时的应力应变关系可通过对混混凝土在一次短期加荷时的应力应变关系可通

48、过对混凝土棱柱体的受压或受拉试验测定。凝土棱柱体的受压或受拉试验测定。3.3 OA段：段：0.3fc，混凝土基本处于弹混凝土基本处于弹性工作阶段，应力应变关系呈线性；性工作阶段，应力应变关系呈线性； AB段：段：约在约在(0.30.8) fc，塑性变形塑性变形逐渐增大，应力应变关系越来越偏离逐渐增大，应力应变关系越来越偏离直线；直线； BC段：段： 约在约在(0.81.0) fc，塑性变形塑性变形显著增大，显著增大，c点的应力达峰值应力；点的应力达峰值应力； C点以后：试件承载能力下降，应变继点以后：试件承载能力下降，应变继续增大，最终还会留下残余应力。续增大，最终还会留下残余应力。应应变变应

49、应力力0BAC1 1、应力、应力- -应变曲线应变曲线3.3 如果在如果在c c点以内卸去荷载，从卸荷曲线上看出，可以将点以内卸去荷载，从卸荷曲线上看出，可以将应变值分成三部分：应变值分成三部分：I I：为卸荷立即恢复的弹性应变为卸荷立即恢复的弹性应变e e ；IIII：是经过一段时间可以逐渐恢复的应变，称弹性后效是经过一段时间可以逐渐恢复的应变，称弹性后效aeae ; ;IIIIII：留有一部分不可能恢复的应变称残余应变留有一部分不可能恢复的应变称残余应变cpcp 。应变应力0ABeaecp应变应力0BAC3.3 弹性模量弹性模量从混凝土的应力从混凝土的应力应变图形可以看出，混凝土不具备单一

50、应变图形可以看出，混凝土不具备单一的弹性模量。的弹性模量。 因此混凝土的弹性模量定义为：以标准试验方法所确定的因此混凝土的弹性模量定义为：以标准试验方法所确定的混凝土的应力应变曲线的起始点的切线的斜率，记为混凝土的应力应变曲线的起始点的切线的斜率，记为Ec。应变应力ccpce2、混凝土的变形模量、混凝土的变形模量3.3 应变应力ccpce变形模量变形模量混凝土量是指以标准试验方法所确定的混凝土的应力应变曲混凝土量是指以标准试验方法所确定的混凝土的应力应变曲线上任意一点与起始点的连线的斜率线上任意一点与起始点的连线的斜率曲线上一点与曲线上一点与0点所点所形成的割线的斜率，记为形成的割线的斜率，记

51、为Ec。Ec = Ec， 被称为该点的弹性系数。被称为该点的弹性系数。3.3 混凝土的徐变是指混凝土在长期的、不变的、较高的荷载作混凝土的徐变是指混凝土在长期的、不变的、较高的荷载作用下，其变形随时间的增长而增加的现象。徐变会使混凝土用下，其变形随时间的增长而增加的现象。徐变会使混凝土梁挠度增加，柱偏心增大，预应力结构的预应力损失，以及梁挠度增加，柱偏心增大，预应力结构的预应力损失，以及结构受力状况的改变与内力充分布。结构受力状况的改变与内力充分布。徐变的特点徐变的特点：开始增长：开始增长较快，以后逐渐减慢，最后趋于稳定。较快，以后逐渐减慢，最后趋于稳定。 时间变形5d20d60d80d卸荷后

52、的瞬时回缩永久变形、混凝土在长期荷载作用下的应力变形、混凝土在长期荷载作用下的应力变形徐变徐变3.3 徐变产生的原因徐变产生的原因混凝土的徐变主要源于两个原因：混凝土的徐变主要源于两个原因：混凝土内部水泥与水的水化物混凝土内部水泥与水的水化物水泥胶体的塑性流动。水泥胶体的塑性流动。水泥胶体在高应力状态下其形状会在一定范围内逐渐发生水泥胶体在高应力状态下其形状会在一定范围内逐渐发生改变。这种微观状态下的形体改变，会累计形成宏观上变改变。这种微观状态下的形体改变，会累计形成宏观上变形。形。混凝土受力后，其内部产生了大量的不可恢复的细小裂缝。混凝土受力后，其内部产生了大量的不可恢复的细小裂缝。但是由

53、于荷载并没有达到混凝土的临界破环荷载，因此细但是由于荷载并没有达到混凝土的临界破环荷载，因此细小裂缝形成后，逐渐稳定并不再继续开展成为破坏性裂缝。小裂缝形成后，逐渐稳定并不再继续开展成为破坏性裂缝。细小的微观状态的裂缝也会在宏观上形成变形。细小的微观状态的裂缝也会在宏观上形成变形。3.3 影响徐变的因素影响徐变的因素： 应力的大小；应力的大小；混凝土的龄期；混凝土的龄期； 混凝土的制作、养护环境；混凝土的制作、养护环境； 水灰比与水泥用量；水灰比与水泥用量；骨料用量及力学性能。骨料用量及力学性能。徐变对结构设计的影响：徐变对结构设计的影响： 使钢筋混凝土构件截面产生使钢筋混凝土构件截面产生内力

54、重分布内力重分布； 使受弯构件和偏压构件的使受弯构件和偏压构件的变形加大变形加大 ； 使预应力混凝土构件产生使预应力混凝土构件产生预应力损失预应力损失 。3.3 、混凝土的非应力变形、混凝土的非应力变形1 1、收缩、收缩混凝土在凝结硬化过程中会发生体积的变化，一般表现为收混凝土在凝结硬化过程中会发生体积的变化，一般表现为收缩。混凝土的收缩主要源于两方面：缩。混凝土的收缩主要源于两方面：干缩：由于混凝土失水所导致的体积减小；干缩：由于混凝土失水所导致的体积减小；凝缩：水泥胶体凝结硬化过程中所形成的体积收缩。凝缩：水泥胶体凝结硬化过程中所形成的体积收缩。减较小徐变的方法对于减少收缩也是十分有效的，

55、另外在混减较小徐变的方法对于减少收缩也是十分有效的，另外在混凝土的配料中加入膨胀剂，可以使其在凝结硬化过程中产生凝土的配料中加入膨胀剂，可以使其在凝结硬化过程中产生膨胀来抵偿收缩。膨胀来抵偿收缩。混凝上的自由收缩只会引起混凝土体积的减小混凝上的自由收缩只会引起混凝土体积的减小, ,不会产生应力不会产生应力和裂缝。但是丰收缩受到约束时，混凝土内部将产生拉应力，和裂缝。但是丰收缩受到约束时，混凝土内部将产生拉应力，甚至开裂。甚至开裂。3.3 2 2、混凝土的温度变形、混凝土的温度变形 当温度变化时，混凝土的体积同样也有热胀冷缩的性质。当温度变化时，混凝土的体积同样也有热胀冷缩的性质。混凝土的温度线

56、膨胀系数一般为混凝土的温度线膨胀系数一般为(1.2(1.2一一1.5)1.5)1010-5-5-1-1。 对大体积混凝土工程，在凝结硬化初期，由于水泥水化放对大体积混凝土工程，在凝结硬化初期，由于水泥水化放出的水化热不易散发而聚集在内部，造成混凝土内外温差很大，出的水化热不易散发而聚集在内部，造成混凝土内外温差很大，有时可达有时可达40405050以上，因此产生极大的温度应力，导致混凝以上，因此产生极大的温度应力，导致混凝土表面开裂。混凝土在正常使用条件下也会随温度的变化而产土表面开裂。混凝土在正常使用条件下也会随温度的变化而产生热胀冷缩变形。从而在结构内部产生一定的温度应力。生热胀冷缩变形。

57、从而在结构内部产生一定的温度应力。 在施工过程中，加强养护、减小水泥用量、控制水灰比、在施工过程中，加强养护、减小水泥用量、控制水灰比、采用坚硬的骨料以及良好的级配、恰当的水泥品种都可以减小采用坚硬的骨料以及良好的级配、恰当的水泥品种都可以减小混凝土的温度应力。此外，还可以采用分层分段浇筑混凝土、混凝土的温度应力。此外，还可以采用分层分段浇筑混凝土、预留后浇带等施工措施减小混凝土的温度应力对结构或构件的预留后浇带等施工措施减小混凝土的温度应力对结构或构件的不利影响。不利影响。3.3 一、一、 钢筋与混凝土共同工作的基本前提钢筋与混凝土共同工作的基本前提素混凝土梁素混凝土梁钢筋混凝土梁钢筋混凝土

58、梁:受拉区配受拉区配2 20钢筋钢筋FF=13.4KN 截面开裂并破坏截面开裂并破坏Fcr=15 KN 截面开裂截面开裂; Fu=87KN 截面破坏。截面破坏。F200300ft2003002 20梁的承载力大大提高，梁的受力性能改善。梁的承载力大大提高，梁的受力性能改善。示例示例3.4 钢筋的作用钢筋的作用钢筋在混凝土中主要作用是承担拉力，并约束混凝土内裂缝的开展；钢筋在混凝土中主要作用是承担拉力，并约束混凝土内裂缝的开展；钢筋配置在混凝土内部的相对外侧，在其内部形成混凝土的核心区，钢筋配置在混凝土内部的相对外侧，在其内部形成混凝土的核心区，并使该核心区混凝土处于多维应力状态，提高其强度；并

59、使该核心区混凝土处于多维应力状态，提高其强度；钢筋在混凝土内部形成钢筋骨架，使混凝土形成整体的结构。钢筋在混凝土内部形成钢筋骨架，使混凝土形成整体的结构。混凝土的作用混凝土的作用混凝土在钢筋混凝土结构中主要承受压力；混凝土在钢筋混凝土结构中主要承受压力；混凝土为钢筋提供有效的侧向支撑，避免受压钢筋失去稳定；混凝土为钢筋提供有效的侧向支撑，避免受压钢筋失去稳定；混凝土可以为钢筋提供有效的锚固，并为钢筋形成外部保护层，防止混凝土可以为钢筋提供有效的锚固，并为钢筋形成外部保护层，防止其锈蚀；其锈蚀；温度线膨胀系数温度线膨胀系数混凝土与钢材的温度线膨胀系数基本相同，在同一数量级，因此钢筋混凝土与钢材的

60、温度线膨胀系数基本相同，在同一数量级，因此钢筋与混凝土可以保证在不同的温度下共同工作。与混凝土可以保证在不同的温度下共同工作。3.4 二、钢筋与混凝土的相互作用二、钢筋与混凝土的相互作用粘结力粘结力 只要钢筋和混凝土有相对变形只要钢筋和混凝土有相对变形( (滑移滑移) )，就会在钢筋和混，就会在钢筋和混凝土交界面上，产生沿钢筋轴线方向的相互作用力，这种力凝土交界面上，产生沿钢筋轴线方向的相互作用力，这种力就称作钢筋和混凝土的粘结力。正因为粘结力的存在，使钢就称作钢筋和混凝土的粘结力。正因为粘结力的存在，使钢筋和混凝土能够共同工作。在设计中应尽量发挥材料各自的筋和混凝土能够共同工作。在设计中应尽