钢筋混凝土材料的力学性能

第一章钢筋筋混凝土材料料的力学性能能钢筋的品种和和力学性能混凝土的物理理力学性能钢筋与混凝土土的粘结一、钢筋的品品种和力学性性能1.钢筋的品种热轧钢筋HPB235HRB335、HRB400、RRB400热处理钢筋冷加工钢筋钢丝冷拔钢筋冷轧钢筋冷拉钢筋钢筋碳素钢丝、刻刻痕钢丝、钢钢绞线A.按加工工艺分分类B.按化学成分分分类碳素钢低合金钢（合合金含量不超超过3.5%）钢筋由含碳量不同同分为高碳钢、中碳碳钢、低碳钢钢低碳钢：（含碳量<0.25%）强度低、塑塑性好中碳钢：（0.25%≤≤含碳量≤0.6%）高碳钢：（含碳量>0.6%）强度高、塑塑性差低合金钢：碳素钢基础上上加入少量合金元素而成，强度高、塑性性好C.按表面形状不不同分类光面钢筋:光滑的外表面面，多为小直直径的Ⅰ级钢筋。变形钢筋:外表有凹凸不不平的纵横肋肋，以增加与与砼的粘结。。钢筋月牙肋——纹路与肋不相相交，不易产产生应力集中中，粘结强度度略低于等高高肋钢筋。等高肋——（螺旋纹、人人字纹）与钢筋砼粘结结力好，纹路路与肋相交，，易产生应力力集中。钢筋混凝土结结构材料的力力学性能常用钢筋形式式多股钢绞线钢筋混凝土结结构材料的力力学性能D.热轧钢筋★HPB235（Q235）以符号“φ”表示光圆钢筋，低低碳钢，质量量稳定，塑性性及焊接性能能很好，但强强度稍低。多多作为现浇楼楼板受力钢筋筋和箍筋。

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HRB335（20Mnsi）以符号“”表示，

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HRB400以符号“”表示，

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RRB400以符号“”表示。HRB335、HRB400、RRB400都属于变形带肋钢筋，强度较高，塑性和可焊性性能较好，与与混凝土之间间的粘结性能能也较好，在在工程中应用用较广。第一个字母是钢筋的加工工艺的英文缩写，

H——为热轧、R为余热处理；第二个字母是钢筋的表面形状的英文缩写，

P——为光圆、R为变形带肋；第三个字母是钢筋（Bar）的英文缩写缩写；数字表示钢筋的强度标准值（单位：N/mm2）。※符号及数字的含义：2.钢筋的力学性性能热轧钢筋的－曲线oa－弹性阶段b－屈服强度fy（受拉强度限限值）bc—流幅cd－强化阶段de－颈缩阶段a－比例极限d－抗拉强度A.软钢的力学性性能软钢：有明显屈服点点的钢筋，如如热轧Ⅰ~Ⅳ级钢筋。屈服强度：是钢筋强度的的设计依据，在混混凝土土中的的钢筋筋，应应力达达到屈屈服强强度，，荷载载不增增加，，应变变继续续增大大，裂裂缝开开展过过宽，，构件件变形形过大大，结结构不不能正正常使使用。。伸长长率率：钢筋拉拉断时时应变变，反反映钢钢筋塑性性性能的指标标。伸伸长率率大的的钢筋筋，拉拉断前前有足足够预预兆，，延性性较好好。弯曲试试验：：钢筋围围绕直直径为为D的钢辊辊弯转转α角而不不发生生裂纹纹，是是反映映钢筋筋塑性性性能的另一一指标标。D越小，，α越大，，冷弯弯性能能越好好。钢筋混混凝土土结构构材料料的力力学性性能★含碳量量高，，屈服强强度和抗拉强强度高，伸伸长率率小，，流幅幅缩短短。钢筋混混凝土土结构构材料料的力力学性性能硬钢的的－曲线硬钢没没有明明确的的屈服服台阶阶（流流幅）），所所以计计算中中以““协定流流限”作为为强度度标准准以0.2表示，，一般般0.2相当于于抗拉拉极限限强度度70%~90%。B.硬钢的的力学学性能能如热处理理钢筋筋及高强钢钢丝。a点：比例极极限协定流流限（（条件件屈服服强度度）：：强度设设计指指标，指经加加载及及卸载载后尚尚存有有0.2%永久残残余变变形时时的应应力。。钢筋混混凝土土结构构材料料的力力学性性能～曲线形形式：：有明显显流幅幅的：：分为为弹性、、屈服服、强强化和破坏等四个个阶段段。无明显显流幅幅的：：没有有明显显的屈服阶阶段。注：钢钢筋受受压和和受拉拉时的的应力力-应变曲曲线几几乎相相同～的曲线简简化：：屈服前前：完全弹弹性的的；屈服服后：：完全塑塑性的的。★强度指指标A.有明显显流幅幅的钢钢筋：：以下屈服服点对应的的强度度作为设设计强强度的的依据据，因因为，，钢筋筋屈服服后的的塑性性变形形导致致构件件产生生不可可恢复复的变变形和和不可可闭合合的裂裂缝，，以至至不能能使用用。B.无明显显流幅幅的钢钢筋：：以残余应应变为为0.2%时所对对应的的应力力值作为钢筋条件屈屈服强强度。。钢筋混混凝土土结构构材料料的力力学性性能C.冷加工工钢筋筋的力力学性性能钢筋混混凝土土结构构材料料的力力学性性能冷拉钢钢筋将钢筋筋拉伸伸超过其屈服服强度度，放放松，，经一一段时时间之之后，，钢筋筋会获获得比比原来来屈服服强度度更高的屈服服强度度值。。冷拉加加工的的目的的改变钢钢材内内部结结构，，提高钢钢材强强度，，节约约钢材材。钢筋冷冷拉后后的－曲线冷拉后后，屈服强强度提提高了，流流幅缩缩短，，伸长长率降降低（（塑性下下降），钢钢材性性质变变硬变变脆。。冷拉后后，抗拉强强度提提高但抗压强强度没没有提提高，计算算仍取取用原原来的的抗压压强度度。特性：：冷拔：：将钢筋筋强力力拔过过硬合金金模（直径径小于于钢筋筋）。。温度的的影响响：高温时时恢复复到原原状态态，先先焊后后拉。。特性：：冷拔钢钢筋没有屈服点点和流流幅；；冷拔拔可同同时提高抗抗拉、、压强强度（强度提提高，，塑性性降低低）。4.钢筋的的焊接接性能能工程中中常采采用焊焊接方方式接接长钢钢筋；；钢筋筋的焊焊接性性能与与钢筋筋的化学成成分有关，，不同同品种种的钢钢筋应应采用用不同同的焊焊接方方法。。常用的的焊接接方法法有:电弧焊焊、闪光对对焊、电渣压压力焊焊。3.钢筋的疲劳重复荷载作用下，钢筋在低应力下产生的断裂称为钢筋的疲劳；在规定的应力幅度内，经规定次数的重复荷载后，发生疲劳破坏的最大应力值称为疲劳强度。

试验方法：钢筋埋入混凝土中重复受拉或受弯与单根钢筋的轴拉疲劳。

影响因素：应力特征值，荷载重复次数，钢筋强度。钢筋混混凝土土结构构材料料的力力学性性能5.混凝土土结构构对钢钢筋的的要求求强度：：钢筋有有足够够的强度和适宜宜的强屈比比(极限强强度与与屈服服强度度的比比值)；变形能能力：：钢筋的的伸长率率和冷弯性性能均应应达到到规范范要求求；可焊性性：焊接处处的强强度、、变形形应能能满足足规范范要求求；与混凝凝土的的粘结结性：：钢筋与与混凝凝土之之间应应有足足够的的粘结力力，以保保证两两者共共同工工作。。钢筋混混凝土土结构构材料料的力力学性性能二、混凝土土的物物理力力学性性能混凝土土是各各向不不均匀匀、内内部存存在裂缝和空隙的多相相复合合材料料；压压力主主要由由其中中的骨骨料传传递，，水泥泥凝胶胶体起起粘结结和扩扩散压压力的的作用用。1.单向受受力状状态下下的混混凝土土强度度a.立方体体抗压压强度度fcu在标准准条件件下养养护28天的标标准试试件（（150×150×150mm），在在压力力机按按标准准加载载方式式进行行试验验，所所测得得的具具有95%保证率率的承承载强强度为为立方体体抗压压强度度。温度为为20±±3℃℃、相对对湿度度不小小于95%涂润滑滑剂试验情情况:压力试件裂缝发发展扩张丧失承承载力力影响强强度的的因素素：龄期期、加加载速速率、、试块块尺寸寸等涂涂刷刷润滑滑剂来来消除除试件件与压压力机机间的的摩擦擦力，，测得得的抗抗压强强度较较低；；我国国规范范的方方法：：不涂润润滑剂剂。承压板板试块摩擦力力不涂润润滑剂剂强度大大于PP钢筋混混凝土土结构构材料料的力力学性性能不同尺尺寸的的试件件，测测得的的立方方体抗抗压强强度是是不同同的，，当采采用非非标准准试件件进行行试验验，其其结果果应按按下述述强度度换算算方法法进行行换算算。标准试试块：150×150××150mm（强度度换算算系数数为1.00）非标试试块：100×100××100mm（强度度换算算系数数为0.95）200×200××200mm（强度度换算算系数数为1.05）试件的的立方方体抗抗压强强度与与其龄龄期是是有关关系的的，一一般而而言，，龄期期长，，试件件的立立方体体抗压压强度度就高高；某某些工工程因因建设设周期期长，，混凝凝土浇浇注至至其受受载的的时间间远超超过28天，此此时可可按混混凝土土的后后期强强度进进行设设计。。钢筋混混凝土土结构构材料料的力力学性性能立方体体抗压压强度度是区区分混混凝土土强度度等级级的指指标，，我国国规范范混凝凝土的的强度度等级级有：：C10，C15，C20，C25，C30，C35，C40，C50，C60，C70，C80如果实测测到的混混凝土立立方体抗抗压强度度处于两两等级之之间，则则混凝土土的强度度等级按较低的的一级采采用。表示混凝土Concrete立方体抗压强度钢筋混凝凝土结构构材料的的力学性性能★水利水电电工程用用砼分11个强度等等级，即C10、C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60，级差为5N/mm2。b.棱柱体抗抗压强度度fc（轴心抗抗压强度度）因构件长长度远大大于其截截面尺寸寸，立方方体强度度不能很很好地反反映构件件中混凝凝土的受受力状态态；规范范采用高高宽比h／b不同棱柱柱体试件件的抗压压强度来来衡量。。h／b过小时，加荷荷板与混混凝土表表面间摩摩擦力会会约束混混凝土的的变形，，但h／b过大则会在试试件加载载时由于于产生较较大的附附加偏心心而引起起测量误误差，而而当棱柱柱体的h／b取2时可基本本上消除除上述两两方面的的影响。。我国标标准棱柱柱体尺寸寸为150××l50×300mm。标准试块块：150××150×300mm（强度换换算系数数为1.00）非标准试试块：100××100×300mm（强度换换算系数数为0.95）200××200×400mm（强度换换算系数数为1.05）钢筋混凝凝土结构构材料的的力学性性能由于承压压板对试试件的约约束，立立方体抗抗压强度度大于棱棱柱体抗抗压强度度，且有有：fc=0.76fcu考虑到构构件和试试件的区区别，取取fc=0.67fcu（水工规规范）。。国外一般般采用圆圆柱体试试件（d=150,h=300），有fc=0.79fcu圆柱体抗压强度承压板试块PP钢筋混凝凝土结构构材料的的力学性性能棱柱体抗抗拉强度度是混凝凝土的基基本强度度指标，，它远小小于混凝凝土的立立方体抗抗压强度度。一般般条件下下，其值值相当于于棱柱体体抗压强强度的1／9～1／18。测量棱柱柱体抗拉拉强度：：(1)直接受拉拉法；(2)劈裂法。A.直接受拉拉时的棱棱柱体抗抗拉强度度：c.轴心抗拉拉强度ft试验结果果：ft=0.26fcu2/3考虑到构构件和试试件的区区别，尺尺寸效应应，加荷荷速度等等的影响响，取ft=0.225fcu2/3。钢筋混凝凝土结构构材料的的力学性性能B.劈裂受拉拉时的抗抗拉强度度：轴心受拉拉试验对中困难，常常采用立立方体或或圆柱体体劈裂试验验测定砼的的抗拉强强度。我国根据据100mm立方体的的劈裂与抗压压试验结结果对比比有：fts=0.19fcu3/4钢筋混凝凝土结构构材料的的力学性性能立方体试试件通过过垫条施施加线载载荷P，垂直截截面上除除垫条附附近外，，产生均均匀拉应应力，当当拉应力达达到ft时，试件件对半劈劈裂。实际结构构中，砼砼很少处处于单向向受力状状态。更更多的是是处于双向或三向受力状态态。2.复合应力力状态下下的混凝凝土强度度☼双轴应力力状态双向受压强度大于单向受受压强度度，即一向强度度随另一一向压应应力的增增加而增增加。钢筋混凝凝土结构构材料的的力学性性能在σ2方向压应应力为55％－60％的混凝凝土抗压压强度时时，混凝凝土σ1方向抗压压强度可可达到最最大值，，约提高30％。最大强度度发生在在σ1／σ2约等于2或0.5时在双向受拉区，其强强度与单单向受拉拉时差别不大大，即一向抗拉拉强度基基本上与与另一向向拉应力力的大小小无关。。在一轴受受压一轴受拉状态下，，抗压强强度或抗抗拉强度度均随另另一方向向拉应力力或压应应力的增增加而减减小。钢筋混凝凝土结构构材料的的力学性性能混凝土两两向应力力下的强强度可按按下列公公式进行行近似计计算：两向受压压两向受拉拉一拉一压压a双向压应应力之比比工程应用用：约束混凝凝土钢管砼密配螺旋旋箍筋目前研究究混凝土土三向受受力状态态下的强强度，多多集中于于三向受压状态态下混凝土土的强度度问题。。混凝土土一向抗抗压强度度随另两两向压应应力的增加而增增加。☼三向受压压时的混混凝土强强度无侧向约约束时的的单轴抗抗压强度度有侧向约约束时的的抗压强强度混凝土在在三向受受压状态态下的极极限强度度可用下下式表示示1=f*C1=f*Cr

----侧向约束压应力rr混凝土在在三向受受压时，，不仅其其强度得得到很大大的提高高，同时时混凝土土的变形形能力也也有较好好的改善善；k为侧压效效应系数数，通常常取4.0。☼构件受剪剪或受扭扭时常遇遇到剪应应力t和正应力力s共同作用用下的复复合受力力情况。。☼砼的抗剪剪强度：：随拉应力增大大而减小小，随压应力增大大而增大大；当压应力力在0.6fc左右时，，抗剪强强度达到到最大，，压应力继继续增大大，内裂裂缝发展展明显，，抗剪强强度随压压应力的的增大而而减小。。3.混凝土的的变形性性能混凝土的的变形：：(1)受力变形形；(2)环境条件件变形。（一）混混凝土的的受力变变形混凝土的的受力变变形：(1)一次短期期加载下下的变形形；(2)重复加载载下的变变形；(3)长期加载载下的变变形。A．混凝土土在一次次短期加加载下的的变形性性能混凝土完完整的应应力－应应变曲线线大致可可由三阶阶段组成成。①近似直线线段（近近似弹性性阶段））②上上升曲线线段（弹弹塑性＋＋裂缝扩扩展阶段段）③下下降曲线线段（裂裂缝失稳稳扩展＋＋破坏阶阶段）影响应力力—应变曲线线的因素素有混凝凝土强度度、加载载速度等等。应力小于于fc的20%∼30%时（a点），应力应应变关系系接近直线。当应力，呈现塑性。应力增增大到fc的80%左右（b点），应应变增长长更快。。应力达到到fc（c点）时，试试件表面面出现纵纵向裂缝缝，试件件开始破破坏。达达到的最最大应力力σo称为砼棱柱体抗抗压强度度fc，相应的的应变为为εo一般为0.002左右。εcu最大压应应变(MPa)fco0(10-3)abcd225201510546810加载速度快砼强度提高加载速度慢砼强度降低作用是：加载至峰值应力后，吸收试验机的变形能，测出下降段PP★影响应力力—应变曲线线形状因因素砼强度低，曲线线平坦；；强度高，曲线陡陡，εcu小；加载速度度快，最大大应力提提高，曲曲线陡；；加载速速度慢，，曲线平平缓，εcu增大。图1-9不同强度度的混凝凝土的－曲线εcu越大，表表示混凝凝土的塑塑性变形形能力越大，也就是是延性(指构件最最终破坏坏之前经经受非弹弹性变形形的能力力)越好。混凝土的的强度等等级越高，上升段段长，峰点越越高，峰值应应变也有有所增大；下降段段越陡。εcu最大压应应变B.混凝土在在重复荷荷载下的的变形性性能因混凝土土是弹塑塑性材料料，当进进行加载载后再卸卸载，其其部分应应变立即即或经过过一段时时间后恢恢复（弹性应应变），，而另一部部分应变变则不能能恢复（残余应应变），，一次加载载、卸载载循环中中混凝土土的应力力－应变变曲线形形成一闭闭合环。。在较高应应力水平平下对混混凝土施施加重复复荷载，，其应力力—应变曲线线环逐渐渐靠近，，退化成成一条直直线，再再经过数数次的重重复加载载，应力力—应变关系系曲线由由“凸”向应力轴轴变为“凸”向应变轴轴且不再形成成闭合环环；最终混混凝土试试件因裂缝过宽宽或变形过大大而破坏。。pe重复荷载下的应力-应变曲线破坏fcf321疲劳强度<fc因重复荷荷载作用用引起的的破坏称称之为疲劳破坏坏,混凝土的的疲劳破破坏强度度与其上上应力最小值与与最大值值的比值值r和荷载的重重复次数数有直接关关系。0c<0.5fc，线性徐变；c>0.5fc

，非线性徐变。P弹变徐回t0t1t弹变e徐变cr永久变形总变形最终徐变C.混凝土长长期荷载载作用下下的变形形性能现象：荷载长时时间持续续作用下下，尽管管混凝土土上的应应力不变变，其变变形也会会随时间间的延长长而增大大（徐变）。原因：1.胶凝体的的粘性流流动；2.混凝土内内部微裂缝的的不断发发展。影响因素素：1.应力：c<0.5fc，线性徐徐变；0.5fc<c<0.8fc，非线性性徐变；；c>0.8fc，混凝土土破坏；；2.龄期：加荷时时混凝土土的龄期期越早，，徐变越越大；3.环境湿度度：湿度愈愈大，徐徐变愈小小；4.水泥用量量及水灰灰比：徐变与水水泥用量量及水灰灰比成正正比；部分徐变变可恢复复（弹性性徐回））；大部部分徐变变不可恢恢复（残残余变形形）。徐变对混混凝土结结构的影影响有利：徐变造成成结构内内力的重重新分布布，降低低高应力力，提高高低应力，，改善了了结构的的内力分分布；徐变改善善钢筋与与混凝土土之间的的应力分分布，使使结构最最终内力分布布和材料的的利用趋向向合理。不利：徐变降低构构件的刚度度，加大构构件的变形形；徐变增大预预应力混凝凝土构件中中预应力钢钢筋的应力力损失，降低预预应力效果果；徐变对构件件中的裂缝缝有增大作作用。PAsPAss1c1Ps2Ass2P拆去，钢筋受压，混凝土受拉.徐变：s，c在实际工程程中，需要要通过对结结构构件的的内力分析析以及对混混凝土徐变变性质的认认识，来利利用或控制制徐变对结结构的影响响。（二）混凝凝土的温度度变形和干干缩变形现象：因外界温温度变化及及内部水化化热等产生生的温度变变形；因外界湿度度变化及凝凝固结硬中中失水等产产生的变形形。原因：1.固体材料的的热胀冷缩缩；2.水泥凝胶体体失水后转转换为水泥泥石的体积积缩小。影响因素：1.水泥品种：：等级越高高，收缩越越大2.水泥用量：：水泥用量量与水灰比比越大，收收缩越大3.骨料：骨料料越硬，收收缩越小4.其他：养护护条件、环环境条件、、体积与表表面积比。。收缩对混凝凝土结构的的影响：在结构中产产生温度或或干缩拉应应力；AssAss收缩：钢筋受压，混凝土受拉As导致混凝土土开裂，影影响结构承承载能力和和耐久性。。cccecp01b.变形模量（割线模量）应变系数，受压时，为0.4~1.0；受拉破坏时，为1.04.混凝土的弹弹性模量、、泊松比、剪切模量1）.混凝土的弹弹性模量a.原点切线模模量（弹性模量）：拉压相相同混凝土弹性性模量的测测试方法（（150×150×300标准试件）c/fcc0.5加、卸5~10次载PP低应力高应力2）混凝土的泊泊松比混凝土拉、、压应变的的比值称为为其泊松比;压力较小时时泊松比为为0.12～0.18，接近破坏坏时达0.5以上，一般般可取1/6。3）剪切模量混凝土剪切切模量是将将混凝土视视为弹性材材料，按弹弹性理论求求出(当n取为1/6时，混凝土土剪切模量量为0.43Ec)：5.混凝土的重重力密度混凝土的重重力密度与与所采用的的骨料的重重力密度及及混凝土的的密实度有有关，可按按下列数值值采用：骨料为一般般重力密度度岩石的混混凝土，取取23kN／m3（人工振捣捣）；24kN／m3（机械振捣捣）。骨料为大重重力密度岩岩石的混凝凝土，在上上述数值上上再增加1.0kN／m3。钢筋混凝土土的重力密密度一般取取为25kN／m3。三、钢筋与与混凝土的的粘结1.钢筋与混凝凝土之间的的粘结力光圆钢筋粘附力摩擦力机械咬合力力有滑移时粘粘附力即消失失钢筋受力较较大时粘结力力主要由此二二部分组成变形钢筋粘附力摩擦力机械咬合力力主要作用作用：保证力的相相互传递，，是两者共共同工作的的基础。（钢筋表面不平、微锈时可显著提高咬合力）PP★影响粘结力力的主要因因素◆砼强度：粘结强度随随砼强度的的提高而增增加，但并不与立立方体强度度fcu成正比，而与抗拉拉强度ft成正比。◆保护层厚度度：变形钢筋，，粘结强度度主要取决决于劈裂破破坏。相对对保护层厚厚度c/d越大，砼抵抵抗劈裂破破坏的能力力也越大，，粘结强度度越高。◆受力情况：受压钢筋由由于直径增增大会增加加对砼的挤挤压，从而而使摩擦作作用增加。。◆钢筋表面和和外形特征征：●光面钢筋表表面凹凸较较小，机械械咬合作用用小，粘结结强度低。。●月牙肋和螺螺纹肋变形形钢筋，机机械咬合作作用大，粘粘结强度高高。光面钢筋τb峰值随P增加，由加加荷端移至至自由端，，τb图形长度（（有效埋长长）达到自自由端。变形钢筋τb峰值始终在在加荷端附附近，有