混凝土结构用材料的性能（PPT87页）

1、 第2章 混凝土结构用材料的性能2.1钢筋2.2混凝土2.3钢筋与混凝土的粘结 2.1 钢筋（steel reinforcement）热轧钢筋冷加工钢筋钢丝及钢绞线2.1.1 钢筋的品种(reinforcement types)与性能第2章 混凝土结构用材料的性能加工工艺按化学成分碳素钢 普通低合金钢 锰系 硅矾系 低碳钢中碳钢高碳钢硅钛系 硅锰系 硅铬系 C0.25% C=0.25%0.6% C=0.6%1.4% 有无物理屈服点 有无钢 绞 线 热处理钢筋 钢 丝 热轧钢筋 软钢 硬钢 钢筋的分类第2章 混凝土结构用材料的性能含C量影响冷加工钢筋 轧制和加工工艺 HPB235HRB335HR

2、B400RRB400宜用于预应力混凝土结构40Si2Mn48Si2Mn45Si2Cr规范未列入，执行相应的行业技术规程。冷拉钢筋冷拨钢丝冷轧带肋钢筋冷轧扭钢筋钢筋的分类热处理钢筋 热轧钢筋 第2章 混凝土结构用材料的性能外形：光面、变形 钢筋的 -关系 stress-strain relation lPPA 钢筋的强度与变形第2章 混凝土结构用材料的性能比例极限屈服强度极限强度o(N/mm2)fyfued流幅abcoa 弹性阶段a比例极限fp proportional limitb屈服强度 fy lower yield ，是钢筋强度的设计依据cd 强化阶段d极限抗拉强度 fu ultimate

3、 tensile strengthde 颈缩阶段bc 屈服阶段有明显屈服点的钢筋 -图 （简化图）第2章 混凝土结构用材料的性能e比例极限fe第2章 混凝土结构用材料的性能屈强比=屈服强度fy/极限强度fu原应力-应变图0.2% 0.2(N/mm2)o无明显屈服点的钢筋 -图 0.2条件屈服强度(equivalent yield strength)残余应变为0.2%所对应的应力规范取s0.2 =0.85 fu第2章 混凝土结构用材料的性能1. 热轧钢筋 hot rolled steel reinforcing bar HPB235级、HRB335级、HRB400级、RRB400级HPBHot

4、rolledPlain光圆BarHRBHot rolledRibbedBarRRBRolled余热处理Ribbed带肋Bar强度标准值 fyk（标准值=钢材废品限值，保证率97.73%） 种类第2章 混凝土结构用材料的性能钢材标准值国家标准中规定每种钢材的废品限值。抽样检查如发现某炉钢材屈服强度达不到此限制，作废品处理。国家冶金工业局标准规定，对于HPB235废品限值235N/mm2，抽样检查统计资料表明，这个废品限值能满足保证率97.73%，高于建筑结构统一标准的保证率95%。取国家冶金工业局标准规定的废品限值为钢材的强度标准值。光面钢筋螺纹钢筋月牙纹钢筋人字纹钢筋钢筋的直径：d6；6.5；

5、8；8.2；10；12；14；16；18；20；22；25；28；32；36；40；50mm第2章 混凝土结构用材料的性能热轧光面钢筋HPB235(级)，多作为钢筋混凝土板和小型构件的受力钢筋以及各种构件的构造钢筋和箍筋。热轧带肋钢筋HRB335(级) ，多作为大中型钢筋混凝土结构构件的受力钢筋和构造钢筋以及预应力混凝土结构构件中的非预应力钢筋，尺寸较大的构件；也有用级钢筋作箍筋的为增强与混凝土的粘结（Bond），外形制作成月牙肋或等高肋的变形钢筋（Deformed Bar）。热轧带肋钢筋HRB400 (级)强度较高，用于大中型钢筋混凝土结构和高强混凝土结构构件的受力钢筋。余热处理钢筋RRB4

6、00 级钢筋强度太高，不适宜作为钢筋混凝土构件中的配筋，一般冷拉后作预应力筋。第2章 混凝土结构用材料的性能(1)应力应变曲线1Es热轧钢筋的力学性能屈强比反映钢筋的强度储备，fy / fu=0.60.7。强度设计值 fys为材料分项系数o(N/mm2)fyfu第2章 混凝土结构用材料的性能钢筋的强度设计值（N/mm2）第2章 混凝土结构用材料的性能延 伸 率（Percentage of elongation）：钢筋拉断时的应变，是指钢筋试件上标距为10d、5d（d为钢筋的试件直径）或100mm范围内的极限伸长率，记为10、5和100。延伸率大的钢筋，在拉断前有足够预兆，延性较好。含碳量越低的

7、钢筋，屈服台阶越长，延伸率也越大，塑性性能越好。 (2) 塑性性能：钢筋的塑性指标主要有两个：延伸率和冷弯性能。这两个指标反映了钢筋的塑性性能和变形能力。 第2章 混凝土结构用材料的性能均匀伸长率gt由非颈缩断口区域标距的残余应变r与恢复的弹性应变e 组成。均匀伸长率 第2章 混凝土结构用材料的性能冷弯性能是将钢筋围绕某个规定的直径D（D规定为1d，2d，3d等）的辊轴弯曲成一定的角度（90或180），弯曲后的钢筋应无裂纹或断裂现象。钢辊的直径越小，弯转角度越大，钢筋的冷弯性能就越好，冷弯是反映钢筋塑性性能的另一项指标，它与延伸率对钢筋塑性的标志是一致的。 第2章 混凝土结构用材料的性能 为检

8、验钢材内在质量和塑性性能的综合指标。2. 中高强钢丝 （wire）和钢绞线（strand or tendon）： 均用于预应力混凝土结构。预应力钢丝是以优质高碳钢盘条经等温淬火再拉拔而成的钢丝。中强钢丝的强度为8001200MPa，高强钢丝、钢绞线的为 1470 1860MPa；冷拉低碳钢丝 b 碳素钢丝 s 刻痕钢丝 k 钢绞线 j 第2章 混凝土结构用材料的性能钢绞线是用一种稍粗的直钢丝为中心，其余钢丝围绕其进行螺旋状绞合，再经低温回火处理，有2股、3股、7股等，常用的是3股、7股钢绞线。刻痕钢丝螺旋肋钢丝绳状钢绞线钢丝的直径39mm；外形有光面、刻痕和螺旋肋三种。第2章 混凝土结构用材料

9、的性能目的：改变钢材内部结构，提高强度，节约钢筋。但经冷加工后，钢筋的延伸率降低。4. 冷加工钢筋是指在常温下采用冷加工工艺对热轧钢筋进行加工得到的钢筋。方法：冷拉、冷拔、冷轧、冷轧扭。3. 热处理钢筋 （heat treatment） ：是将级钢筋通过加热、淬火和回火等调质工艺处理，使强度得到较大幅度的提高，而延伸率降低不多。用于预应力混凝土结构。第2章 混凝土结构用材料的性能o冷拉控制应力(N/mm2)冷拉率残余变形oabccdd冷拉无时效冷拉经时效冷拉钢筋由热轧钢筋在常温下经机械拉伸而成，冷拉应力值应超过钢筋的屈服强度。钢筋经冷拉后，抗拉屈服强度提高，但塑性降低，这种现象称为冷拉强化。冷

10、拉后，经过一段时间钢筋的屈服点比原来的屈服点有所提高，这种现象称为时效硬化。 冷拉第2章 混凝土结构用材料的性能d1d2Pd2d1冷拔钢丝是将钢筋用强力拔过比它本身直径还小的硬质合金拔丝模而成的钢丝。分为甲级和乙级两个级别。可提高钢筋的抗拉强度和抗压强度，但塑性降低很多，冷拔低碳钢丝的延性较差，且表面光滑，与混凝土粘结性差。冷拔第2章 混凝土结构用材料的性能冷轧带肋钢筋是以普通低碳钢、优质碳素钢或低合金钢热轧圆盘条为母材，在表面冷轧成具有三面或两面月牙形横肋的钢筋，分为五个级别（CRB550、CRB650、CRB800、CRB970和CRB1170），极限强度与冷拔低碳钢丝相近，但伸长率比冷拔

11、低碳钢丝有明显提高。 冷轧带肋钢筋冷轧扭钢筋冷轧扭钢筋是以热轧光面钢筋 HPB235为原材料，在常温下按规定的工艺参数，经钢筋冷轧扭机一次加工，轧扁扭曲呈连续螺旋状的冷强化钢筋，有矩形、菱形和螺旋肋几种。第2章 混凝土结构用材料的性能2.1.2 混凝土结构对钢筋性能的要求2.塑性：要求钢筋混凝土结构承载能力极限状态为具 有明显预兆的塑性破坏。 伸长率冷弯要求3.可焊性：焊接后不应产生裂纹及过大的变形，以保证焊接接头性能良好。 1.强度：强度是钢筋质量的重要目标。 屈服强度、抗拉强度、强屈比。4.与混凝土具有良好的粘结第2章 混凝土结构用材料的性能微观结构 亚微观结构 宏观结构 水泥石结构 水泥

12、砂浆结构 砂浆粗骨料体系混凝土组成结构 1.水泥凝胶2.晶体骨架3.未水化完的水泥颗粒4.凝胶孔1.水泥石为基相2.砂子为分散相 水泥看作是基相，粗骨料分布在砂浆中，砂浆与粗骨料的结合面是薄弱面。 由水泥、砂子和石子三种材料及水按一定配合比拌合，经过凝固硬化后做成的人工石材 2.2 混凝土（concrete）第2章 混凝土结构用材料的性能混凝土受压破坏机理可概括为：随着应力的增大，沿粗骨料界面和砂浆内部的微裂缝逐渐延伸和扩展，导致砂浆的损伤不断积累；裂缝贯通后，混凝土的连续性遭到破坏，逐渐丧失其承载力，破坏的实质是由连续材料逐步变成不连续材料的过程。 第2章 混凝土结构用材料的性能常用等级：C

13、15，C20， C25，C30， C35， C40，C45，C50， C55， C60，C65 ，C70， C75， C80依此确定我国混凝土强度等级：用标准制作方式制成的150mm150mm150mm的立方体试块，在203的温度和相对湿度在90%以上的潮湿空气中养护28天，用标准试验方法测得具有95保证率的抗压强度。fcuk=f -1.645f 2.2.1 混凝土的强度1. 抗压强度 立方体抗压强度 fcuk第2章 混凝土结构用材料的性能影响立方体抗压强度的因素：内因：如强度与水泥标号、骨料品种、配合比等外因：试验方法（箍套）、加荷速率、龄期、温度、湿度、试件尺寸。尺寸的影响：fcu(150

14、) = 0.95 fcu(100) fcu(150) = 1.05 fcu(200)“箍套”作用不涂润滑剂涂润滑剂第2章 混凝土结构用材料的性能套箍： 混凝土立方体抗压强度是在一定的试验条件下得出的。试件在试验机上受压时，纵向缩短，横向就要扩张。在一般情况下，试件的上下表面和试验机垫板之间有摩擦力，这是由试件横向扩张产生的。摩擦力就如同在试件上下端各加了一个套箍，它阻碍了试件的横向变形，这样就延缓了裂缝的开展，从而提高了试件的抗压极限强度。在试验过程中也可以看到，试件破坏时，首先是试块中部外围混凝土发生剥落。这也说明，试块和试验机垫板之间的摩擦对试块有“套箍”作用，且这种“套箍”作用，越靠近试

15、块中部则越小。真实反映以受压为主的混凝土结构构件的抗压强度。150mm150mm300mm 或150mm150mm450mm棱柱体 用立方体强度反映： 轴心抗压强度 fck（棱柱体抗压强度）混凝土的抗拉强度比抗压强度小得多，为抗压强度5%10%。直接测试方法（拉伸）间接测试方法(弯折，劈裂)2. 轴心抗拉强度 ftk（抗裂度验算指标）第2章 混凝土结构用材料的性能试件尺寸100mm100mm500mm的柱体，两端各埋入一根d=16mm的变形钢筋，埋深为150mm，置于轴线上。用试验机夹头夹住两端外伸的钢筋施加拉力，破坏时试件在没有钢筋的中部截面被拉断，平均拉应力即为混凝土的轴心抗拉强度。直接受

16、拉试验 16第2章 混凝土结构用材料的性能普通混凝土力学性能试验方法标准（GB/T50081-2002）采用边长为150mm的立方体标准试件，劈裂抗拉强度为：劈裂抗拉试验 第2章 混凝土结构用材料的性能圆柱形普通混凝土力学性能试验方法标准（GB/T50081-2002）选用简支梁进行试验，采用三分点对称加载。抗折强度 第2章 混凝土结构用材料的性能 混凝土的双向受力强度1、2 （压压） 强度增加1、2 （拉压） 强度降低1、2 （拉拉）强度基本不变3. 混凝土在复合应力作用下的强度 双轴受力试验一般采用正方形试件，试验时沿板平面内的两对应边分别作用法向应力1和 2，沿板厚方向的法向应力 3=0

17、，板处于平面应力状态。由于同时拉压时，增加了试件另一方向的受拉变形，加速了内部微裂缝的发展，使混凝土强度降低。混凝土的强度均低于单轴受力（拉或压）强度。 第2章 混凝土结构用材料的性能0第2章 混凝土结构用材料的性能双轴受力强度在有剪应力作用时，混凝土的抗压强度将低于单向抗压强度。 混凝土在法向应力和切应力作用下的复合强度在剪压应力状态下，压应力达到0.6fc前，混凝土的抗剪强度随压应力增大而提高，超过0.6fc后，抗剪强度随压应力增大反而减小，当压应力达到混凝土轴心抗压强度时，抗剪强度为零。 在剪拉应力状态下，随着拉应力绝对值的增加，混凝土抗剪强度降低，当拉应力约为0.1fc时，混凝土受拉开

18、裂，抗剪强度降低为零。 第2章 混凝土结构用材料的性能 混凝土的三向受压强度工程应用：约束混凝土钢管砼密配螺旋箍筋2003= 50N/mm235N/mm213310N/mm215010050051015202512(N/mm2)1 ()三向受压时，混凝土的抗压强度和极限变形都有较大提高。第2章 混凝土结构用材料的性能第2章 混凝土结构用材料的性能2.2.2 混凝土的变形混凝土的变形分为两类：混凝土的受力变形和非受力变形一. 混凝土的受力变形 1. 受压混凝土一次短期加荷的- 曲线 试件：棱柱体0fcsu0.3fcs0.8fcs曲线ab段：水泥凝胶体的粘性流动和内部微裂缝的扩展使混凝土表现出越来

19、越明显的塑性，应力应变关系偏离直线，应变的增长速度比应力增长快。内部微裂缝有所发展，但处于稳定状态，故b点称为临界应力点，相应的应力相当于的条件屈服强度。 曲线bc段：应变增长速度进一步加快，应力应变曲线的斜率急剧减小，混凝土内部微裂缝进入非稳定发展阶段。 0a段：应力应变关系接近于直线a点相当于混凝土的弹性极限。变形主要取决于骨料和水泥石的弹性变形，内部的初始微裂没有发展。曲线cd段：下降段的存在表明受压破坏后的混凝土仍保持一定的承载能力，它主要是由滑移面上的摩擦咬合力和为裂缝所分割成的混凝土小柱体的残余强度所提供。 混凝土轴心受压时的应力应变关系 0混凝土结构设计规范(GB50010)取c

20、u=0.0033。峰值应变0随混凝土强度等级不同约在0.00150.0025之间变动，结构计算中一般取0=0.002。fccu0混凝土微裂缝发展示意 不同等级混凝土的延性：低的往往延性高于高等级混凝土。不同等级混凝土的应力应变曲线2.混凝土在重复荷载作用下的应力-应变曲线（1）在一次短期加卸载的-曲线 在一次短期加卸载的-曲线图 c=cp+cecp-塑性应变 ce-弹性应变 （2）混凝土在重复荷载作用下的应力一应变曲线 图1-12 在多次重复加卸载的-曲线图 当循环的应力较小（0.8fc时，混凝土内部的微裂缝进入非稳态发展，导致混凝土破坏。取=0.8fc作为混凝土的长期抗压强度。初应力越大，徐

21、变也越大。第2章 混凝土结构用材料的性能加载时混凝土的龄期越长，徐变越小。为了减少徐变，应避免过早地给结构施加长期荷载，例如在施工期内避免过早地撤除构件的模板支柱等，也可以采取加快混凝土硬结的措施来减小龄期对徐变的影响。 4) 龄期影响第2章 混凝土结构用材料的性能二. 混凝土的非受力变形 混凝土的收缩与膨胀 混凝土在水中或处于饱和湿度情况下结硬时体积增大的现象称为膨胀 。混凝土在空气中结硬时体积减小的现象称为收缩。混凝土的收缩第2章 混凝土结构用材料的性能影响混凝土收缩的因素 水泥用量越多、水灰比越大，收缩就越大。骨料的级配好、弹性模量高，可减小混凝土的收缩。高温蒸养，收缩减少；使用环境的温

22、度越高，相对湿度越低，收缩就越大。此外，水泥品种、混凝土的密实度、构件的体表比等都会对混凝土的收缩有影响。收缩和膨胀是在混凝土不受力的情况下而产生的变形，一般来说，收缩值比膨胀值大得多。混凝土的膨胀特性对混凝土构件往往是有利的，故一般不予考虑。第2章 混凝土结构用材料的性能收缩的性质自由收缩约束收缩来自内部的钢筋约束来自支座的外部约束收缩对结构的影响自由收缩一般不会引起拉应力，故不会开裂约束收缩产生收缩应力甚至开裂梁板或其他构件，由于养护不好，在使用前就可能因混凝土收缩而产生裂缝；整片大面积的混凝土地面或楼面，在施工后就可能因混凝土的收缩而产生裂缝；在预应力混凝土结构中，混凝土的收缩会导致预应

23、力的损失。收缩也对超静定结构（如拱）产生不利的内力，导致钢筋混凝土结构出现过大裂缝，造成不利影响。 收缩的不利影响第2章 混凝土结构用材料的性能 混凝土的温度变形 当温度变化时，混凝土也随之热胀冷缩。温度变形也是混凝土在非荷载状态下，产生内力的一个重要因素。混凝土的线膨胀系数随骨料性质及配合比而变化，约为(11.5)10-5，一般取1.010-5。温度的变化与水泥种类、水泥含量、新拌混凝土的温度、混凝土硬化速度、构件尺寸等因素有关。影响温度变化的因素第2章 混凝土结构用材料的性能混凝土与钢筋的线膨胀系数是相近的。温度变化时，在混凝土和钢筋之间引起的内应力很小，不致产生相对的变形。温度变形的影响

24、 水泥在水化作用时排出的热量导致构件内部的温度上升，构件表面由于便于散热而温度相对较低。构件内外的这种温差就会引起应力，从而导致表层混凝土开裂。大体积混凝土结构以及水池、烟囱等结构由温度变化引起的温度应力必须予以考虑。第2章 混凝土结构用材料的性能2.2.3 混凝土的选用原则建筑工程中，钢筋混凝土构件的混凝土强度等级不应低于C15 当采用HRB335级钢筋时，不宜低于C20 当采用HRB400和RRB400级钢筋以及承受重复荷载的构件，不得低于C40 预应力混凝土结构不应低于C30 采用钢绞线、钢丝、热处理钢筋作预应力钢筋时，不宜低于C40第2章 混凝土结构用材料的性能2.3 钢筋与混凝土的粘

25、结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、抵抗相互之间的滑移。 产生钢筋和混凝土粘结力的主要原因： 混凝土收缩将钢筋紧紧握固而产生的摩擦力； 混凝土颗料的化学作用产生的混凝土与钢筋之间的胶合力； 钢筋表面凹凸不平与混凝土之间产生的局部粘结应力； 钢筋端部在混凝土内的锚固作用。第2章 混凝土结构用材料的性能2.3.1 粘结力的定义若钢筋和混凝土有相对变形（滑移），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，这种力称为钢筋与混凝土的粘结力。 是指相邻两个开裂截面之间产生的钢筋拉力，通过裂缝两侧的粘结应力部分地向混凝土传递，使未开裂的混凝土受拉。

26、 裂缝之间局部粘结应力粘结应力局部粘结应力锚固粘结应力第2章 混凝土结构用材料的性能是指钢筋伸入支座或支座负弯矩钢筋在跨间截断时，必须具有足够的锚固长度，通过锚固长度积累的粘结力。按钢筋所处部位和所起作用不同受压、受拉、支座、节点及钢筋截断时，锚固长度各异。 钢筋端部的锚固粘结应力第2章 混凝土结构用材料的性能lTdmax 以锚固粘结应力为例：u锚固设计的基本原则是必须保证足够的锚固粘结强度以使钢筋强度得以充分利用，即第2章 混凝土结构用材料的性能2.3.2 粘结力的组成1. 粘结力的组成 化学胶结力混凝土凝结时，由于水泥的水化作用在钢筋与混凝土接触面上产生的化学吸附作用力；来源于浇筑时水泥浆

27、体向钢筋表面氧化层的渗透和养护过程中水泥晶体的生长和硬化。取决于水泥的性质和钢筋表面的粗糙程度。这种力一般很小，只在钢筋和混凝土界面存在，当接触面发生相对滑移时就消失，仅在局部无滑移区内起作用。第2章 混凝土结构用材料的性能 摩擦力混凝土收缩后将钢筋紧紧地握裹住，当钢筋和混凝土产生相对滑移时，在钢筋和混凝土界面上将产生摩擦力。它取决于混凝土发生收缩、荷载和反力等对钢筋的径向压应力、钢筋和混凝土之间的粗糙程度等。钢筋和混凝土之间的挤压力越大、接触面越粗糙，则摩擦力越大。第2章 混凝土结构用材料的性能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，即混凝土对钢筋表面斜向压力的纵向分力，取决于

28、混凝土的抗剪强度。 机械咬合力变形钢筋的横肋会产生这种咬合力，它的咬合作用往往很大，是变形钢筋粘结力的主要来源。 钢筋端部的锚固力采取锚固措施后所造成的机械锚固力。第2章 混凝土结构用材料的性能2. 光面钢筋的粘结性能光面钢筋的粘结力以化学胶结力和摩擦力为主。钢筋与混凝土的粘结强度通常采用拔出试验来测定。设拔出力为F，则以粘结破坏（钢筋拔出或混凝土劈裂）时钢筋与混凝土截面上的最大平均粘结应力作为粘结强度。 第2章 混凝土结构用材料的性能3. 变形钢筋的粘结性能粘结强度仍由化学胶结力、摩擦力和钢筋表面凹凸不平的机械咬合力组成，但主要是钢筋表面突出肋与混凝土之间的机械咬合力。变形钢筋和光圆钢筋的主

29、要区别是钢筋表面具有不同形状的横肋或斜肋。 变形钢筋外围混凝土的内裂缝第2章 混凝土结构用材料的性能4. 影响粘结强度的因素(1) 混凝土的强度等级高，粘结强度高；(2) 保护层厚度大，钢筋的净距大，粘结强度高；(3) 钢筋的直径小，粘结强度高；螺纹钢筋比月牙钢筋高； (4) 横向箍筋，提高粘结强度；(5) 横向压应力，提高粘结强度；(6) 钢筋端部的弯钩、弯折及附加锚固措施，提高粘结强度。第2章 混凝土结构用材料的性能（1）钢筋的间距和混凝土的保护层不能太小；混凝土保护层纵向受力钢筋的外皮到混凝土边缘的距离。P323附表4-4 混凝土保护层最小厚度（mm）2.3.3 保证可靠粘结的构造措施第2章 混凝土结构用材料的性能基础纵筋中纵向受力钢筋混凝土保护层最小厚度不应小于40mm；无垫层时不应小于70mm（2）优先采用小直径的变形钢筋，光面钢筋末端应设弯钩； （3）钢筋不宜在混凝土的拉区截断；（4）在大直径钢筋的搭接和锚固区域内宜设置横向钢筋。（5）钢筋伸入支座应有足够的锚固长度；搭接时应有足够的搭接长度；2.3.3 保证可靠粘结的构造措施第2章 混凝土结构用材料的性能钢筋的锚固与接头为了保证光面钢筋的粘结强度的可靠性，受力的光面钢筋末端必须做成半圆弯钩。弯钩的形式与尺寸按规范。 变形钢筋及焊接骨架中的光面钢筋由于其粘结力较