项目二：材料力学性能

1、钢筋混凝土设计原理钢筋混凝土设计原理第二章第二章 材料的力学性能材料的力学性能刘汾涛刘汾涛 主讲主讲广东水利电力职业技术学院广东水利电力职业技术学院 土木工程系土木工程系 力学教研室力学教研室项目导入项目导入 钢筋混凝土由钢筋和混凝土两种力学性能完全钢筋混凝土由钢筋和混凝土两种力学性能完全不同的材料所组成。由于混凝土的抗压强度较高，不同的材料所组成。由于混凝土的抗压强度较高，但抗拉强度较低，而钢筋的抗拉和抗压强度都很但抗拉强度较低，而钢筋的抗拉和抗压强度都很高，因此，将这两种材料合理地结合在一起共同高，因此，将这两种材料合理地结合在一起共同工作，使混凝土承受压力而钢筋承受拉力，从而工作，使混凝

2、土承受压力而钢筋承受拉力，从而扬长避短。扬长避短。知识要点知识要点教学内容教学内容识记识记领会领会应用应用核心概念核心概念钢筋钢筋钢筋品种与规钢筋品种与规格格钢筋性能钢筋性能钢筋识图钢筋识图热轧钢筋热轧钢筋预应力钢筋预应力钢筋混凝土混凝土混凝土强度混凝土强度混凝土变形混凝土变形立方体抗压强度立方体抗压强度轴心抗压强度轴心抗压强度粘结性能粘结性能组成和基本概组成和基本概念念钢筋与混凝钢筋与混凝土的粘结土的粘结钢筋和混凝土钢筋和混凝土的锚固的锚固锚固长度锚固长度 3.1 钢钢 筋筋3.1 钢钢 筋筋3.1 钢钢 筋筋HPB300u 非预应力钢筋非预应力钢筋热轧钢筋热轧钢筋HPB300级级 HRB3

3、35级级 、HRBF335级级 HRB400级级 、HRBF400级级HRB500级级 、HRBF500级级 RRB400级级 3.1 钢钢 筋筋数值？数值？u 预应力筋预应力筋1. 中强度预应力钢丝：中强度预应力钢丝：光面光面PM 螺旋肋螺旋肋HM2. 消除应力钢丝：消除应力钢丝：光面光面P 螺旋肋螺旋肋H3. 钢绞线：钢绞线：S，三股、七股，三股、七股4.预应力螺纹钢筋：预应力螺纹钢筋：T,可用螺丝套筒连接和螺帽锚固可用螺丝套筒连接和螺帽锚固3.1 钢钢 筋筋与普通钢筋的区别？与普通钢筋的区别？3.1 钢钢 筋筋 可由钢筋单向拉伸的可由钢筋单向拉伸的应力应力应变应变关系曲线说明关系曲线说明

4、l 有明显有明显屈服点屈服点钢筋：钢筋： 热轧钢筋热轧钢筋强度相对较低，变形性能好强度相对较低，变形性能好l 没有明显屈服点钢筋：没有明显屈服点钢筋： 钢丝、钢绞线钢丝、钢绞线强度高、变形性能差强度高、变形性能差( 什么是屈服点？什么是屈服点？3.1 钢钢 筋筋s se eu 有明显屈服点的钢筋有明显屈服点的钢筋a为比例极限为比例极限 s s =Ese eaa为弹性极限为弹性极限ade为强化段为强化段bb为屈服上限为屈服上限c为屈服下限为屈服下限, 即即屈服强度屈服强度 fycdcd为屈服台阶为屈服台阶efue为极限抗拉强度为极限抗拉强度 fu fyf3.1 钢钢 筋筋ef为破坏阶段为破坏阶段

5、Oa为弹性阶段为弹性阶段Ol 强度指标：强度指标：1. 屈服强度屈服强度fy : 钢筋屈服后有较大塑性变形钢筋屈服后有较大塑性变形, 且卸载时且卸载时不可恢复不可恢复, 使钢筋混凝土构件产生较大变形和不可闭使钢筋混凝土构件产生较大变形和不可闭合裂缝合裂缝. 屈服上限与加载速度有关屈服上限与加载速度有关, 不稳定不稳定, 一般取屈一般取屈服下限为屈服强度服下限为屈服强度钢筋强度的设计依据。钢筋强度的设计依据。2. 极限抗拉强度极限抗拉强度fu： 钢筋应力的最大值钢筋应力的最大值强屈比强屈比: 反映钢筋的强度储备，反映钢筋的强度储备，fu/fy=1.25。3.1 钢钢 筋筋l 变形指标变形指标塑性

6、指标塑性指标3.1 钢钢 筋筋l 应力应力- -应变关系模型应变关系模型 一般可采用双线性的理想弹塑性关系一般可采用双线性的理想弹塑性关系 syyyE f seeesee fy ey1Es3.1 钢钢 筋筋种种 类类ESHPB300钢筋钢筋2.1 105HRB335、 HRB400、 HRB500、RRB400、 HRBF335、HRBF400、HRBF500、预、预应力螺纹钢筋应力螺纹钢筋2.0 105消除应力钢丝、中强度预应力钢丝消除应力钢丝、中强度预应力钢丝2.05 105钢绞线钢绞线1.95 105表表3-1 钢筋的弹性模量钢筋的弹性模量ES( (MPa) )u 无明显屈服点的钢筋无明

7、显屈服点的钢筋a0.2%s0.2 fua点点: 比例极限，约为比例极限，约为0.65fua点前点前: 应力应力-应变关系为线弹性应变关系为线弹性a点后点后: 应力应力-应变关系为非线性，有一应变关系为非线性，有一定塑性变形定塑性变形, 且没有明显的屈服点且没有明显的屈服点条件屈服点条件屈服点强度设计指标强度设计指标:残余应变为残余应变为0.2%所对应的应力所对应的应力规范规范取取s s0.2 =0.85fu3.1 钢钢 筋筋3.1 钢钢 筋筋 按冶金钢材质量控制标准，钢筋的强度标准值是取按冶金钢材质量控制标准，钢筋的强度标准值是取其出厂时的废品限值，其数值相当于其出厂时的废品限值，其数值相当于

8、fy,m- -3s s，具有，具有97.73%的保证率，满足的保证率，满足建筑结构设计统一标准建筑结构设计统一标准材料强度标准值保证率材料强度标准值保证率95%的要求。的要求。 l 强度标准强度标准值值 普通钢筋普通钢筋: 预应力预应力钢筋钢筋:l 强度设计值强度设计值: 屈服强度标准值屈服强度标准值/材料分项系数材料分项系数 普通钢筋普通钢筋: fy、fy 预应力钢筋预应力钢筋: fpy、fpy 3.1 钢钢 筋筋屈服强度屈服强度: fyk极限强度极限强度: fstk条件屈服强度条件屈服强度: fpyk极限强度极限强度: fptk3.1 钢钢 筋筋牌号牌号符号符号公称直径公称直径（mm）屈服

9、强度标准值屈服强度标准值 fyk抗拉强度设计抗拉强度设计值值 fy 抗压强度设计值抗压强度设计值 fy HPB300622300270270HRB335HRBF335650335300300HRB400HRBF400RRB400650400360360HRB500HRBF500650500435410表表3-2 普通钢筋强度标准值普通钢筋强度标准值fyk与设计值与设计值fy 、fy ( (N/mm2) )u 钢筋的强度取值钢筋的强度取值3.1 钢钢 筋筋 u 冷拉钢筋冷拉钢筋: u 冷拔钢筋冷拔钢筋: 3.1 钢钢 筋筋u 冷轧带肋钢筋冷轧带肋钢筋:热轧圆盘条经冷轧后，在其表面热轧圆盘条经冷轧

10、后，在其表面带有沿长度方向均匀分布的三面或两面横肋的钢筋带有沿长度方向均匀分布的三面或两面横肋的钢筋u 冷轧扭钢筋：冷轧扭钢筋：3.1 钢钢 筋筋v 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、强度高、强度高 2、变形性能好、变形性能好 3、可焊性好、可焊性好 4、与混凝土有良好的粘结性能、与混凝土有良好的粘结性能 5、经济性、经济性3.1 钢钢 筋筋v钢筋的选用原则钢筋的选用原则 结构规范结构规范规定按下述原则选用钢筋：规定按下述原则选用钢筋： 1、钢筋混凝土结构中的钢筋和预应力混凝土结构中、钢筋混凝土结构中的钢筋和预应力混凝土结构中的非预应力钢筋宜采用的非预应力钢筋宜采用

11、HRB400级和级和HRB335级钢筋，级钢筋，也可以采用也可以采用HPB300级和级和RRB400级钢筋级钢筋 2、预应力混凝土结构中的预应力钢筋宜采用预应力、预应力混凝土结构中的预应力钢筋宜采用预应力钢绞线、钢丝，也可以采用预应力螺纹钢筋钢绞线、钢丝，也可以采用预应力螺纹钢筋3、使用冷加工钢筋应符合专门规定、使用冷加工钢筋应符合专门规定3.2 混混 凝凝 土土C25: 立方体抗压强度标准值立方体抗压强度标准值 fcuk=25MPa3.2 混混 凝凝 土土3.2 混混 凝凝 土土3.2 混混 凝凝 土土(轴心抗压强度轴心抗压强度)强度平均值强度平均值 fcu的关系：的关系：ccuff0.67

12、3.2 混混 凝凝 土土fcutcu2/3ff0.23()3.2 混混 凝凝 土土1.双向法向应力双向法向应力s s1和和s s2双向受拉双向受拉：强度接近单：强度接近单向受拉强度向受拉强度双向受压双向受压：抗压强度和：抗压强度和极限压应变均有所提高极限压应变均有所提高一拉一压一拉一压：强度降低：强度降低图图3-3 混凝土双向受力强度混凝土双向受力强度3.2 混混 凝凝 土土2.2.砼砼在正应力在正应力s s和剪应力和剪应力 作用下作用下的的复合强度复合强度砼砼的抗压强度的抗压强度由于由于剪应力剪应力的存在而降低；的存在而降低；s s /fc0.50.6，抗剪强度随压应力的增大而剪小，抗剪强度

13、随压应力的增大而剪小3.2 混混 凝凝 土土l砼的三向受压强度砼的三向受压强度1 1. .三向受压时，混三向受压时，混凝土的抗压强度和凝土的抗压强度和极限变形都有较大极限变形都有较大提高提高；2.2.在工程实践中，在工程实践中，为进一步提高砼的为进一步提高砼的抗压强度，常采用抗压强度，常采用横向钢筋约束砼。横向钢筋约束砼。图图3-5 圆柱体三向受压试验圆柱体三向受压试验(a)(a)三向受压三向受压s s1 1- -e e1 1关系关系(b)(b)s s1 1与与s s2 2关系关系3.2 混混 凝凝 土土l 温度、湿度变化产生的变形温度、湿度变化产生的变形3.2 混混 凝凝 土土3.2 混混

14、凝凝 土土chcv3.砼的切线模量砼的切线模量3.2 混混 凝凝 土土cc:cep3.2 混混 凝凝 土土砼的弹性模量测定砼的弹性模量测定5cuk10(MPa)34.72.2cEf3.2 混混 凝凝 土土影响徐变因素及减小徐变措施影响徐变因素及减小徐变措施3.2 混混 凝凝 土土3.2 混混 凝凝 土土n混凝土的温度变形混凝土的温度变形 当温度变化时，混凝土也随之热胀冷缩当温度变化时，混凝土也随之热胀冷缩n影响混凝土收缩的原因影响混凝土收缩的原因 1.凝缩凝缩: 在硬化初期，水泥与水的水化作用，形成在硬化初期，水泥与水的水化作用，形成一种水化晶体，而这种水泥晶体化合物较原材料一种水化晶体，而这

15、种水泥晶体化合物较原材料的体积小，宏观上引起混凝土的收缩。的体积小，宏观上引起混凝土的收缩。 2.干缩干缩: 后期混凝土内自由水分的蒸发而引起的干后期混凝土内自由水分的蒸发而引起的干缩。缩。 n减小混凝土收缩减小混凝土收缩和温变影响的措施和温变影响的措施3.2 混混 凝凝 土土v建筑工程中，钢筋混凝土构件的混凝土强度等级建筑工程中，钢筋混凝土构件的混凝土强度等级不应低于不应低于C20 v当采用当采用HRB335级钢筋时，不宜低于级钢筋时，不宜低于C25 v当采用当采用HRB400和和RRB400级钢筋以及承受重复荷级钢筋以及承受重复荷载的构件，不得低于载的构件，不得低于C30 v预应力混凝土结

16、构不应低于预应力混凝土结构不应低于C30 ,不宜低于不宜低于C40v采用钢绞线、钢丝、热处理钢筋作预应力钢筋时，采用钢绞线、钢丝、热处理钢筋作预应力钢筋时，不宜低于不宜低于C453.3 钢筋与混凝土之间的粘结钢筋与混凝土之间的粘结和锚固和锚固v钢筋与混凝土之间的粘结是这两种材料共同工作钢筋与混凝土之间的粘结是这两种材料共同工作的保证，使之能共同承受外力、共同变形、抵抗的保证，使之能共同承受外力、共同变形、抵抗相互之间的滑移相互之间的滑移; v钢筋能否可靠地锚固在混凝土中则直接影响到这钢筋能否可靠地锚固在混凝土中则直接影响到这两种材料的共同工作，从而关系到结构和构件的两种材料的共同工作，从而关系

17、到结构和构件的安全和材料强度的充分利用安全和材料强度的充分利用.3.3 钢筋与混凝土之间的粘结钢筋与混凝土之间的粘结和锚固和锚固u 钢筋与混凝土粘结的作用钢筋与混凝土粘结的作用 钢筋和混凝土之间的粘结性钢筋和混凝土之间的粘结性能可用两者界面上的粘结应力能可用两者界面上的粘结应力来说明。来说明。若钢筋和砼有相对变若钢筋和砼有相对变形（滑移）形（滑移）,则会在钢筋和砼接则会在钢筋和砼接触面上产生沿钢筋轴线方向的触面上产生沿钢筋轴线方向的剪应力剪应力, 这种剪应力称为粘结应这种剪应力称为粘结应力力.图图3-12 钢筋的拔出试验钢筋的拔出试验3.3 钢筋与混凝土之间的粘结钢筋与混凝土之间的粘结和锚固和

18、锚固u 粘结力的组成粘结力的组成 l化学胶结力化学胶结力: : 砼砼凝结时凝结时, ,由于水泥的水化作用在钢由于水泥的水化作用在钢筋与筋与砼砼接触面上产生的化学吸附作用力接触面上产生的化学吸附作用力l摩擦力摩擦力: :砼砼收缩后将钢筋紧紧地握裹住而产生的力收缩后将钢筋紧紧地握裹住而产生的力 l机械咬合力机械咬合力: :钢筋表面凹凸不平与混凝土产生的机钢筋表面凹凸不平与混凝土产生的机械咬合作用而产生的力械咬合作用而产生的力 l钢筋端部的锚固力钢筋端部的锚固力: :采取锚固措施后所造成的机械采取锚固措施后所造成的机械锚固力锚固力 3.3 钢筋与混凝土之间的粘结钢筋与混凝土之间的粘结和锚固和锚固u

19、影响粘结性能的因素影响粘结性能的因素l混凝土强度混凝土强度 l混凝土保护层厚度和钢筋净距混凝土保护层厚度和钢筋净距 l横向配筋横向配筋 钢筋表面和外形特征钢筋表面和外形特征 l受力情况受力情况 l锚固长度锚固长度3.3 钢筋与混凝土之间的粘结钢筋与混凝土之间的粘结和锚固和锚固u 受拉钢筋的基本锚固长度受拉钢筋的基本锚固长度lab :进行拔出试验时进行拔出试验时, 受拉钢筋达到屈服时尚未发生粘结受拉钢筋达到屈服时尚未发生粘结破坏所需的锚固长度破坏所需的锚固长度, 用用lab表示。表示。ysyypyabbbt()14f Afffldddf 3.3 钢筋与混凝土之间的粘结钢筋与混凝土之间的粘结和锚固

20、和锚固u 受拉钢筋的实际锚固长度受拉钢筋的实际锚固长度la ：aaabll当纵向受拉普通钢筋末端采用当纵向受拉普通钢筋末端采用弯钩或机械锚固措施弯钩或机械锚固措施时，包括时，包括弯钩或锚固端头在内的锚固长度可取弯钩或锚固端头在内的锚固长度可取0.6lab。弯钩或机械锚固。弯钩或机械锚固形式：形式：图图1-14 钢筋弯钩或机械锚固的形式和技术要求钢筋弯钩或机械锚固的形式和技术要求（a）900弯钩；（弯钩；（b）1350弯钩；（弯钩；（c）一侧贴焊锚筋；（）一侧贴焊锚筋；（d）两侧贴焊锚筋；（）两侧贴焊锚筋；（e）穿孔塞焊锚板；（穿孔塞焊锚板；（f）螺栓锚头）螺栓锚头3.3 钢筋与混凝土之间的粘结

21、钢筋与混凝土之间的粘结和锚固和锚固l钢筋的间距和混凝土的保护层不能太小钢筋的间距和混凝土的保护层不能太小；l优先采用小直径的变形钢筋，光面钢筋末端应设优先采用小直径的变形钢筋，光面钢筋末端应设弯钩弯钩； l钢筋伸入支座应有足够的锚固长度钢筋伸入支座应有足够的锚固长度； l钢筋不宜在混凝土的拉区截断钢筋不宜在混凝土的拉区截断；l在大直径钢筋的搭接和锚固区域内宜设置横向钢在大直径钢筋的搭接和锚固区域内宜设置横向钢筋筋。u 保证可靠粘结的构造措施保证可靠粘结的构造措施3.3 钢筋与混凝土之间的粘结钢筋与混凝土之间的粘结和锚固和锚固u 钢筋连接的原则钢筋连接的原则 :1. 接头应尽量设置在受力较小处接

22、头应尽量设置在受力较小处,以降低接头对钢筋以降低接头对钢筋传力的影响程度传力的影响程度;2. 在同一钢筋上宜少设连接接头在同一钢筋上宜少设连接接头,以避免过多的削弱以避免过多的削弱铬镍钢金的传力性能铬镍钢金的传力性能;3. 同一构件相邻纵向受力钢筋的绑扎搭接接头宜相同一构件相邻纵向受力钢筋的绑扎搭接接头宜相互错开互错开,限制同一连接区段内接头钢筋面积率限制同一连接区段内接头钢筋面积率;4. 在钢筋连接区域应采用必要的构造措施在钢筋连接区域应采用必要的构造措施.绑扎搭接接头绑扎搭接接头的的连接区段长度连接区段长度取取1.3倍倍的搭接长度的搭接长度ll，凡搭接接头中点位于该连接区段长度内的搭接接头凡搭接接头中点位于该连接区段长度内的搭接接头均属于均属于同一连接区段同一连接区段。位于同一连接区段内的受拉。位于同一连接区段内的受拉钢筋搭接接头的面积百分率：对钢筋搭接接头的面积百分率：对梁、板梁、板及及墙墙类构件，类构