第三章 结构材料的力学性能

建筑结构第三章结构材料的力学性能目录建筑钢材1混凝土2钢筋与混凝土的相互作用——粘结力333.1钢筋的强度和变形

3.1.1钢筋的成分、级别和品种按化学成分碳素钢（铁、碳、硅、锰、硫、磷等元素）低碳钢（含碳量<0.25%）中碳钢（含碳量0.25~0.6%）高碳钢（含碳量0.6~1.4%）普通低合金钢（另加硅、锰、钛、钒、铬等）硅系硅钒系硅钛系硅锰系硅铬系磷和硫是有害的元素3.1钢筋的强度和变形

3.1.1钢筋的成分、级别和品种钢筋热轧钢筋：热轧光面钢筋HPB235，热轧带肋钢筋HRB335、HRB400，余热处理钢筋RRB400冷拉钢筋：由热轧钢筋在常温下用机械拉伸而成热处理钢筋：将HRB400、RRB400钢筋通过加热、淬火、回火而成按加工方法钢丝碳素钢丝：高碳镇静钢通过多次冷拔、应力消除、矫正、回火处理而成刻痕钢丝：在钢丝表面刻痕，以增强其与混凝土间的粘结力钢绞线：六根相同直径的钢丝成螺旋状铰绕在一起冷拔低碳钢丝：由低碳钢冷拔而成强度等级代号钢种符号d/mmHPB235Q235820HRB33520MnSi650HRB40020MnSiV，20MnSiNb，20MnTi650RRB400K20MnSiR840常用热轧钢筋的种类、代表符号和直径范围3.1钢筋的强度和变形

3.1.1钢筋的成分、级别和品种热轧钢筋

HotRolledSteelReinforcingBarHPB235级、HRB335级、HRB400级、RRB400级HPBHotrolledPlainBarHRBHotrolledRibbedBarRRBRemainedheattreatmentRibbedBar屈服强度fyk（标准值=钢材废品限值，保证率97.73%）HPB235级：fyk=235N/mm2HRB335级：fyk=335N/mm2HRB400级、RRB400级：fyk=400N/mm23.1钢筋的强度和变形

3.1.1钢筋的成分、级别和品种3.1钢筋的强度和变形

3.1.1钢筋的成分、级别和品种按表面形状光圆钢筋变形钢筋钢筋的应用范围:非预应力钢筋：HRB235，HRB335，HRB400，RRB400预应力钢筋：碳素钢丝，刻痕钢丝，钢绞线，热处理钢筋，冷拉钢筋3.1钢筋的强度和变形

3.1.2钢筋的应力-应变曲线se

有明显屈服点的钢筋Rebarwithyieldpointa’为比例极限proportionallimit

s=Esea’a为弹性极限elasticlimitade为强化段strainhardeningstagebb为屈服上限upperyieldstrengthc为屈服下限，即屈服强度fyloweryieldstrengthcdcd为屈服台阶yieldplateauefue为极限抗拉强度fu

ultimatetensilestrengthfyf3.1钢筋的强度和变形

3.1.2钢筋的应力-应变曲线无明显屈服点的钢筋Rebarwithoutyieldpointa点：比例极限，约为0.65fua点前：应力-应变关系为线弹性a点后：应力-应变关系为非线性，有一定塑性变形，且没有明显的屈服点强度设计指标——条件屈服点(Equivalentyieldpoint)残余应变为0.2%所对应的应力《规范》取s0.2=0.85fu3.1钢筋的强度和变形

3.1.3钢筋的强度指标弹性模量即是钢筋应力－应变曲线弹性阶段的斜率，是个相当稳定的物理常数。屈服强度yieldstrength：是钢筋强度的设计依据，因为钢筋屈服后将很大的塑性变形，且卸载时这部分变形不可恢复，这会使钢筋混凝土构件产生很大的变形和不可闭合的裂缝。屈服上限与加载速度有关，不太稳定，一般取屈服下限作为屈服强度。屈强比反映钢筋的强度储备，fy/fu=0.6~0.7。极限抗拉强度ultimatetensilestrength3.1钢筋的强度和变形

3.1.4钢筋的塑性性能*伸长率elongationstrain：钢筋拉断时的应变，是反映钢筋塑性性能的指标。伸长率大的钢筋，在拉断前有足够预兆，延性较好*冷弯性能：将直径为d的钢筋绕直径为D的钢辊弯成一定的角度而不发生断裂

伸长率d对应最大应力时应变，包括了残余应变和弹性应变，反映了钢筋真实的变形能力(≥2.5%)3.1钢筋的强度和变形

3.1.5钢筋的冷加工和热处理冷拉BKZZ’K’残余变形冷拉伸长率无时效经时效K点的选择：应力控制和应变控制温度的影响：温度达700ºC时恢复到冷拉前的状态，先焊后拉特性：只提高抗拉强度，不提高抗压强度，强度提高，塑性下降3.1钢筋的强度和变形

3.1.5钢筋的冷加工和热处理冷拔经过冷拔后钢筋没有明显的屈服点和流幅冷拔既能提高抗拉强度又能提高抗压强度3.1钢筋的强度和变形

3.1.6钢筋的连接热轧钢筋的连接方法：绑扎连接焊接机械连接3.1钢筋的强度和变形

3.1.7混凝土结构对钢筋的要求强度要求：屈服强度和极限强度，抗震设计时还要求有一定的屈强比塑性要求：伸长率和冷弯要求可焊性与混凝土的粘结性3.1钢筋的强度和变形

3.1.8钢筋应力-应变曲线的数学模型sss=Essys,hfysss=Essys,hfyfs,us,us,usss=Essyfys,hfs,u有明显流幅的钢筋无明显流幅的钢筋3.2混凝土的强度和变形

3.2.1混凝土的强度混凝土的强度是其受力性能的一个基本指标。荷载的性质不同及混凝土受力条件不同，混凝土就会具有不同的强度。工程中常用的混凝土强度有：立方体抗压强度、棱柱体轴心抗压强度、轴心抗拉强度等。

3.2混凝土的强度和变形

3.2.2混凝土的抗压强度采用标准试块(规范规定边长为150mm的混凝土立方体)，在标准条件下（温度为20℃±3℃，相对湿度在90%以上）养护28天，按规定的标准试验方法(中心加载，平均速度为0.3～0.8MPa/s，试件上下表面不涂润滑剂)测得的具有95%保证率的抗压强度称为混凝土立方体抗压强度标准值fcu,k(N/mm2)。立方体抗压强度fcu3.2混凝土的强度和变形

3.2.2混凝土的抗压强度立方体抗压强度fcu承压板试块摩擦力不涂润滑剂涂润滑剂强度大于我国规范的方法：不涂润滑剂压力试件裂缝发展扩张整个体系解体，丧失承载力另影响强度的因素还有：龄期、加载速率、试块尺寸等3.2混凝土的强度和变形

3.2.2混凝土的抗压强度标准试块：150×150×150非标准试块：100×100×100换算系数0.95200×200×200换算系数1.05立方体抗压强度是区分混凝土强度等级的指标，我国规范混凝土的强度等级有：C15，C20，C25，C30，C35，C40，C45，C50，C55，C60，C65，C70，C75，C80表示混凝土Concrete立方体抗压强度标准值立方体抗压强度fcu3.2混凝土的强度和变形

3.2.2混凝土的抗压强度棱柱体轴心抗压强度fc承压板试块标准试块：150×150×300非标准试块：100×100×300换算系数0.95200×200×400换算系数1.05考虑到承压板对试件的约束，立方体抗压强度大于棱柱体抗压强度，且有：fc=（0.70-0.92）fcu

考虑到构件和试件的区别，取3.2混凝土的强度和变形

3.2.3混凝土的抗拉强度直接受拉试验ft100100150150500试验结果平均值：ft,ｍ=0.395(fcu,m)0.55考虑修正系数0.88及脆性折减系数，取此方法离散性大3.2混凝土的强度和变形

3.2.3混凝土的抗拉强度劈裂试验ftsddftsFFFF我国根据100mm立方体的劈裂与抗压试验结果有：fts=0.19fcu3/43.2混凝土的强度和变形

3.2.4混凝土的变形性能02468102030s(MPa)e×10-3BACEDA点以前，微裂缝没有明显发展，混凝土的变形主要弹性变形，应力-应变关系近似直线。A点应力随混凝土强度的提高而增加，对普通强度混凝土sA约为

(0.3~0.4)fc，对高强混凝土sA可达(0.5~0.7)fc。A点以后，由于微裂缝处的应力集中，裂缝开始有所延伸发展，产生部分塑性变形，应变增长开始加快，应力-应变曲线逐渐偏离直线。微裂缝的发展导致混凝土的横向变形增加。但该阶段微裂缝的发展是稳定的。混凝土在结硬过程中，由于水泥石的收缩、骨料下沉以及温度变化等原因，在骨料和水泥石的界面上形成很多微裂缝，成为混凝土中的薄弱部位。混凝土的最终破坏就是由于这些微裂缝的发展造成的。达到B点，内部一些微裂缝相互连通，裂缝发展已不稳定，横向变形突然增大，体积应变开始由压缩转为增加。在此应力的长期作用下，裂缝会持续发展最终导致破坏。取B点的应力作为混凝土的长期抗压强度。普通强度混凝土sB约为0.8fc，高强强度混凝土sB可达0.95fc以上。达到C点fc，内部微裂缝连通形成破坏面，应变增长速度明显加快，C点的纵向应变值称为峰值应变

e0，约为0.002。纵向应变发展达到D点，内部裂缝在试件表面出现第一条可见平行于受力方向的纵向裂缝。随应变增长，试件上相继出现多条不连续的纵向裂缝，横向变形急剧发展，承载力明显下降，混凝土骨料与砂浆的粘结不断遭到破，裂缝连通形成斜向破坏面。E点的应变e=(2~3)e0，应力s=(0.4~0.6)

fc。不同强度混凝土的应力-应变关系曲线强度等级越高，线弹性段越长，峰值应变也有所增大。但高强混凝土中，砂浆与骨料的粘结很强，密实性好，微裂缝很少，最后的破坏往往是骨料破坏，破坏时脆性越显著，下降段越陡。3.2混凝土的强度和变形

3.2.4混凝土的变形性能3.2混凝土的强度和变形

3.2.4混凝土的变形性能单轴受压时的应力-应变关系的数学模型u=0.00380=0.002ocfcc0.15fcu=0.00350=0.002ocfcc美国Hognestad模型德国Rüsch模型3.2混凝土的强度和变形

3.2.4混凝土的变形性能单轴受压时的应力-应变关系的数学模型----中国规范u0ocfcc3.2混凝土的强度和变形

3.2.4混凝土的变形性能侧向受约束时混凝土的变形特点cu约束混凝土非约束混凝土ccfccfcEsecEc

c02c0

sp

cco环箍断裂3.2混凝土的强度和变形

3.2.4混凝土的变形性能长期荷载作用下混凝土的变形性能----徐变P原因之一，胶凝体的粘性流动原因之二，混凝土内部微裂缝的不断发展混凝土在荷载的长期作用下，其变形随时间而不断增长的现象称为徐变。3.2混凝土的强度和变形

3.2.4混凝土的变形性能长期荷载作用下混凝土的变形性能----影响徐变的因素应力：c<0.5fc，徐变变形与应力成正比----线性徐变

0.5fc<c<0.8fc，非线性徐变

c>0.8fc，造成混凝土破坏，不稳定加荷时混凝土的龄期，越早，徐变越大水泥用量越多，水灰比越大，徐变越大骨料越硬，徐变越小3.2混凝土的强度和变形

3.2.4混凝土的变形性能徐变对混凝土结构的影响徐变对混凝土结构和构件的工作性能有很大影响:由于混凝土的徐变，会使构件的变形增加;在钢筋混凝土截面中引起应力重分布;在预应力混凝土结构中会造成预应力的损失。混凝土的徐变特性主要与时间参数有关。3.2混凝土的强度和变形

3.2.4混凝土的变形性能混凝土的收缩----结硬过程中混凝土体积缩小的性质（1）水泥的品种：水泥强度等级越高，制成的混凝土收缩越大。（2）水泥的用量：水泥用量多、水灰比越大，收缩越大。（3）骨料的性质：骨料弹性模量高、级配好，收缩就小。（4）养护条件：干燥失水及高温环境，收缩大。（5）混凝土制作方法：混凝土越密实，收缩越小。（6）使用环境：使用环境温度、湿度越大，收缩越小。（7）构件的体积与表面积比值：比值大时，收缩小。影响因素3.2混凝土的强度和变形

3.2.4混凝土的变形性能收缩对混凝土结构的影响收缩是混凝土在不受外力情况下体积变化产生的变形。当这种自发的变形受到外部（支座）或内部（钢筋）的约束时，将使混凝土中产生拉应力，甚至引起混凝土的开裂。混凝土收缩会使预应力混凝土构件产生预应力损失。3.2混凝土的强度和变形

3.2.4混凝土的变形性能混凝土的弹性模量和变形模量ccccep01原点切线模量（弹性模量）：拉压相同变形模量（割线模量、弹塑性模量）切线模量受压时，为0.4~1.0；受拉破坏时，为1.0弹性系数ν反映了混凝土的弹塑性性质3.2混凝土的强度和变形

3.2.4混凝土的变形性能混凝土的泊松比和剪切模量混凝土的泊松比，在压力较小时为0.15-0.18，接近破坏时可达0.5以上，一般可取0.2混凝土的剪切模量为3.3混凝土与钢筋的相互作用——粘结力

3.3.1共同工作的基本条件*混凝土和钢筋之间有良好的粘结力，两者可靠地结合在一起，可共同受力，共同变形

*两者的温度线膨胀系数很接近，避免产生较大的温度应力破坏两者的粘结力，混凝土：1.0×10-5－1.5×10-5，钢筋：1.2×10-5

*混凝土包裹在钢筋的外部，混凝土的弱碱性环境可使钢筋免于腐蚀主要原因材料本身固有属性保证其耐久性3.3混凝土与钢筋的相互作用——粘结力

3.3.2钢筋和混凝土之间的粘结钢筋和混凝土之间的粘结是保证这两种力学性能不同的材料在结构构件中形成整体而变形协调的共同工作的重要条件3.3混凝土与钢筋的相互作用——粘结力

3.3.3粘结力的组成

化学胶结力：由混凝土中水泥凝胶体和钢筋表面化学变化而产生的吸附作用力，这种作用力很弱，一旦钢筋与混凝土接触面上发生相对滑移即消失。摩阻力(握裹力)：混凝土收缩后紧紧地握裹住钢筋而产生的力。这种摩擦力与压应力大小及接触界面的粗糙程度有关，挤压应力越大、接触面越粗糙，则摩阻力越大。机械咬合力：由于钢筋表面凹凸不平与混凝土之间产生的机械咬合作用力。变形钢筋的横肋会产生这种咬合力。3.3混凝土与钢筋的相互作用——粘结力

3.3.4粘结强度