第三章 结构材料的力学性能

1第三章结构材料的力学性能第一节

建筑钢材第二节混凝土第三节钢筋与混凝土的相互作用-粘结力2第一节

建筑钢材

钢筋、钢丝、钢板和各种型钢统称钢材。一.钢材的力学性能（一）应力-应变曲线从力学特点来看，钢材可分为：有明显屈服点的钢筋和无明显屈服点的钢筋钢筋拉伸试验钢筋拉伸试验钢筋拉伸试验钢筋拉伸试验◆有明显屈服点的钢筋a为比例极限

s=Esede为强化段b为屈服上限c为屈服下限，即屈服强度fycd为屈服台阶e为极限抗拉强度fu

◆无明显屈服点的钢筋a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——条件屈服点残余应变为0.2%所对应的应力9钢材强度指标：屈服强度和极限强度（二）强度◆无明显屈服点的钢材包括：钢结构中高强螺栓；混凝土结构中预应力钢筋、钢丝。除此之外均为有明显屈服点钢材。质量检验强度指标：抗拉强度设计时指标：条件屈服强度s0.2=0.85fu◆有明显屈服点的钢材屈服强度是关键性的强度指标。抗震设计屈强比：屈服强度与抗拉强度之比不大于0.8抗拉强度是检验钢材质量的另一强度指标。10塑性是指钢材破坏前的变形能力。塑性性能指标：伸长率、冷弯性能（三）塑性◆伸长率定义：是指试件拉断后原标距的伸长值与原标距的比值(以百分率表式）：11l2延伸率大的钢筋，在拉断前有足够预兆，延性较好。光圆钢筋：dgt≥10%带肋钢筋：dgt≥7.5%◆总伸长率

dgt：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se残余变形er弹性变形ee◆冷弯性能弯心直径越小，弯过的角度越大，冷弯性能越好，钢筋的塑性性能越好。（四）弹性模量钢材的屈服强度、抗拉强度、伸长率和冷弯性能是检验有明显屈服点钢材的四项主要质量指标。对无明显屈服点的钢筋则只测定后三项。钢材受压与受拉弹性模量相等。15二、钢材的冷加工冷加工影响：强度提高、塑性降低，使钢材产生硬化，有增加钢结构脆性破坏的危险。但在钢筋混凝土凝土结构中，有时采用经控制的冷拉或冷拔后的钢筋以节约钢筋。（一）钢筋的冷拉冷拉：在常温下用机械方法将有明显流幅的钢筋拉到超过屈服强度的某一应力值，然后卸载至零。冷拉时效（时效硬化）：冷拉后停放一段时间，屈服强度提高并恢复了屈服台阶的现象。16冷拉强化经冷拉和冷拉时效后，强度提高，塑性降低注意：P3417（二）钢筋的冷拔冷拔：用强力将钢筋拔过比其直径略小的硬质合金拔丝模。钢筋受到纵向拉力和横向挤压力的作用，截面变小而长度仲长，内部结构发生变化。影响：强度可提高40％一90％，但塑性显著降低，且没有明显的屈服点。冷拔可以同时提高钢筋的抗拉强度和抗压强度。1819三、建筑钢材的品种我国目前常用的钢材由碳素结构钢及普通低合金钢制造。（一）钢筋按照生产加工工艺和力学性能的不同，分为：热轧钢筋、冷拉钢筋、预应力钢筋及钢丝、钢铰线等。其中热轧钢筋和冷拉钢筋属于有明显屈服点的钢筋，钢丝、钢绞线等届于无明显屈服点的钢筋。图

钢筋的外形（a)光圆钢筋；(b)螺旋纹钢筋；(c)人字纹钢筋；(d)月牙纹钢筋带肋的钢筋又称变形钢筋按外形分光圆和带肋两类直径小于5mm的钢筋称为钢丝热轧钢筋22钢筋强度等级和牌号依照屈服强度标准值分四个等级

HPB

—热轧光面钢筋；

HRB

—热轧带肋钢筋；HRBF—细晶粒热轧带肋钢筋；

RRB—余热处理钢。工程上常把上述4个强度等级的钢筋俗称为Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级和Ⅳ级钢筋，但在施工图和正式文件中，都不应采用此俗称。24（二）型钢钢结构构件一般直接选用型钢，当构件尺寸很大或型钢不合适时则用钢板制作。型钢种类：25钢板种类：厚板(厚度4.5—60mm)薄板(厚度0.35—4mm)

钢结构的钢材牌号：Q235（碳素结构钢）；Q345，Q390，Q420（后三种为低合金结构钢中）其屈服点在钢材厚度小于或等于16mm时分别为235、345、390和420N/mm2当厚度大于16mm时，屈服点随厚度的增加而降低)。1.强度采用较高强度的钢筋可以节省钢材，获得较好的经济效益。2.塑性要求钢筋在断裂前有足够的变形，能给人以破坏的预兆。因此，应保证钢筋的伸长率和冷弯性能合格。混凝土结构对钢筋性能的要求四、钢材的选用（一）钢筋273.可焊性好在很多情况下，钢筋的接长和钢筋之间的连接需通过焊接。钢筋焊接后不产生裂纹及过大的变形，保证接头性能良好。4.与混凝土的粘结锚固性能好为了使钢筋的强度能够充分被利用和保证钢筋与混凝土共同工作，二者之间应有足够的粘结力。在寒冷地区，对钢筋的低温性能也有一定的要求。

混凝土结构对钢筋性能的要求

在我国经济困难、物资短缺的年代，冷加工钢筋为我国的基本建设事业做出过极大的贡献。但是，冷加工钢筋在强度提高的同时，塑性大幅度地降低，导致结构构件的塑性减小，脆性加大。当前，我国的钢产量已位于世界之首，质优、价廉的钢材不断出现，为了提高结构构件的质量，应尽量选用强度较高、塑性较好、价格较低的钢材。规范强调淘汰低强度钢筋，应用高强、高性能钢筋，并建议选用下列牌号的钢筋：P36钢筋的选用原则29第二节

混凝土

一.混凝土强度（一）混凝土抗压强度1.立方体抗压强度与立方体抗压强度标准值立方体抗压强度定义：P37标准试块：150×150×150mm3非标准试块强度换算系数：200×200×200mm3:1.05,fcu,150=1.05fcu,100100×100×100mm3:0.95,

fcu,150=1.05fcu,200单位为“N/mm2”(Mpa)303132

1.立方体抗压强度与立方体抗压强度标准值立方体抗压强度标准值fcuk定义：P37强度等级：C50～C80属高强度混凝土范畴。C：Concretefcu,k=26N/mm2，

fcu,k=29N/mm2分别属于哪个强度等级？混凝土立方体抗压强度并不能代表混凝土在实际构件中的受力状态，因此不能作为设计时的强度指标，只能作为衡量混凝土质量及强度的一种标准。用来在同一标准条件下比较混凝土强度水平的高低和混凝土的品质标准（制作、测试方便）。342.轴心抗压强度标准试件：150mm×150mm×300mm的棱柱体。是最基本的强度指标，用于设计，但工程中一般不直接测。为棱柱体抗压强度与立方体抗压强度之比，对混凝土强度等级为C50及以下的取0.76，对C80取0.82，两者之间按直线规律变化取值。为高强度混凝土的脆性折减系数，对C40及以下取1.00，对C80取0.87，中间按直线规律变化取值。0.88为考虑实际构件与试件混凝土强度之间的差异而取用的折减系数。3536（二）混凝土抗拉强度轴心抗拉强度标准值ftk很低，大体为轴心抗压强度标准值的1/8~1/16轴心抗拉强度与立方体抗压强度的折算系数

试验离散性的影响系数

试验离散性系数

轴心抗拉强度标准值与立方体抗压强度标准值的关系：38二.混凝土变形1.应力-应变关系（一）混凝土短期加荷下的应力-应变关系其极限拉应受为受压极限应变的1／20左右，因而混凝土受拉时容易开裂2.混凝土的变形模量混凝土受压应力-应变关系是一条曲线，不符合胡克定律。变形模量：也称弹性模量2.混凝土的变形模量混凝土受压应力-应变关系是一条曲线，不符合胡克定律。也称弹性模量41（二）混凝土在荷载长期下的变形——徐变什么是徐变：在维持应力（荷载）不变的情况下，应变

（变形）随时间而增长的现象。42（二）混凝土在荷载长期下的变形——徐变特点：早期发展快，可以延续数年，sc/fc<0.8可收敛。影响因素：初始应力大小；

加载时的砼龄期；砼的组成材料及配合比；砼的制作养护条件。徐变对结构的影响：使构件变形增大；引起截面内力重分布（如在轴压构件中，使钢筋应力增加，砼应力减小）；在预应力构件中，使预应力发生损失；在超静定结构中，使构件内力发生重分布。43（二）混凝土的收缩

混凝土在空气中硬化时体积会缩小，这种现象称为混凝土的收缩。混凝土的收缩的影响44混凝土的初期收缩变形发展快：2周可完成全部收缩量的25％，1个月约完成50％。整个收缩过程可延续两年以上。减少收缩的措施：

限制水泥用量；减小水灰比；加强振捣和养护；采用坚硬骨料和级配好的混凝土；

构造钢筋数量加强；设置变形缝；掺膨胀剂。45三混凝土强度等级的选用原则46第三节

钢筋与混凝土的相互作用-粘结力

一.粘结力的概念粘结力是钢筋与混凝土共同工作的基础，是存在于钢筋与混凝土界面上的作用力。粘结力的组成：

摩擦力；胶合力；机械咬合力；粘结强度：(1)最大粘结应力在离开端部的果一份置出现，且随拔出力的大小而变化，粘结庇力沿钢筋长度是曲线分布的；

47第三节

钢筋与混凝土的相互作用-粘结力

一.粘结力的概念粘结强度试验结论：最大粘结应力在离开端部的某一位置出现，且随拔出力的大小而变化，粘结应力沿钢筋长度是曲线分布的；钢筋埋入长度越长，拔出力越大；但埋入长度过大时，则其尾部的粘结应力很小，基本不起作用；粘结强度随混凝上强度等级的提高而增大；

（4）带肋钢筋的粘结强度高于光面钢筋，而在光圆钢筋末端做弯钩可以大大提高拔出力

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二.保证钢筋与混凝土粘结力的措施1.足够的锚固长度受拉钢筋基本锚固长度lab49

二.保证钢筋与混凝土粘结力的措施1.足够的锚固长度la锚固长度1）当带肋钢筋的公称直径大于25mm时，取1.10；2）环氧树脂涂层带肋钢筋取1.25；3）施工过程中易扰动的钢筋取1.10；4）当纵向受力钢筋的实际面积大于其设计计算面积时，修正系数取设计计算面积与实际配筋面积的比值，但对有抗震设防要求及直接承受动力荷载的结构构件，不应考虑此项修正；5）锚固钢筋的保护层厚度为3d时修正系数可取0.80，保护层厚度为5d时修正系数可取0.70，中间按内插取值，此处d为锚固钢筋直径；6）当多于上述一项时，可按连乘计算，但不应小于0.6；对预应力筋，可取1.0。≥200mm锚固长度修正系数xa取值：≥0.6lab50图2-28弯钩和机械锚固的形式和技术要求(a)90°弯钩；（b）135°弯钩；（c）一侧贴焊锚筋；（d）两侧贴焊锚筋；（e）穿孔塞焊锚板；（f）螺栓锚头52受压钢筋的锚固混凝土结构中的纵向受压钢筋，当计算中充分利用其抗压强度时，锚固长度不应小于相应受拉锚固长度的70%。

受压钢筋不应采用末端弯钩