第三章结构的材料

学习目标与要求：

掌握钢筋与混凝土共同工作的原理，及保证二者粘结作用的措施；

重点掌握钢筋、混凝土、砌体的主要力学性能及材料选用的要求。本章重点：

钢筋、混凝土、砌体的主要力学性能及材料选用的要求。本章难点：

保证钢筋与混凝土粘结作用的措施。学习目标：掌握钢材的主要力学性能及材料选用要求。3.1.1钢材的品种与规格钢材按其化学成分的不同：碳素钢和普通低合金钢。碳素钢：低碳钢（含碳量小于0.25%）；中碳钢（含碳量0.25%~0.6%）；高碳钢（含碳量大于0.6%）。普通低合金钢：是在碳素钢的基础上，加入了少量的合金元素，如锰、硅等。普通低合金钢优点：使钢材强度提高，塑性影响不大。3.1钢材钢筋主要品种

3.1.1.1混凝土结构用钢筋1.按生产工艺和力学性能不同分类热轧钢筋、中高强钢丝和钢绞线、热处理钢筋、冷加工钢筋钢筋钢筋钢丝钢绞线

热轧钢筋：是在高温状态下轧制成型。强度由低到高分为HPB235（Ⅰ级钢，Q235）、HRB335（Ⅱ级钢）、HRB400（Ⅲ级钢）、HRB500（Ⅳ级钢）、HRB600。

钢筋的种类及符号说明热轧钢筋的符号说明HPB235

生产工艺：hotrolled表面形状：plain钢筋：bar屈服强度钢筋的种类及符号解释热轧钢筋的符号说明HRB335

hotrolledribbedbarRRB400

remainedheattreatmentribbedbar热轧钢筋的屈服强度

冷轧带肋钢筋是：由热轧圆盘条经冷拉后在其表面冷轧成带有斜肋的钢筋。强度由低到高分为CRB550、CRB650、CRB970、CRB1170。钢丝（d<6mm）分为碳素钢丝、刻痕钢丝、钢绞线（用光面钢丝绞在一起）、冷拔低碳钢丝和螺纹肋钢丝等几种。

钢丝直径愈细，其强度愈高。冷拉钢筋：是在常温条件下，以超过原来钢筋屈服点强度的拉应力，强行拉伸钢筋，使钢筋产生塑性变形以达到提高钢筋屈服点强度和节约钢材为目的。钢筋按外形分类光面钢筋变形钢筋钢筋的种类及符号说明预应力钢筋的符号说明钢绞线S—Strand光面钢丝P—Plain刻痕钢丝I—Indented螺旋肋钢丝H—Helix热处理钢筋HT—Heat-treated3.钢结构钢材的规格钢结构的轧制钢材：热轧成型的钢板和型钢两大类。热轧钢板分为毛边钢板和轧边钢板两种。钢板符号用口表示。如口200×12×1000

表示钢板200mm，厚12mm，长1000mm。

(2)热轧型钢

1)角钢等边角钢：以边宽和厚度表示。如：L100×12表示边宽100mm厚12mm的等边角钢。不等边角钢：则以两边宽度和厚度表示。如：L100×80×10

表示长边宽100mm、短边宽80mm、厚10mm的角钢。槽钢的型号以高度的cm数表示为5～40号。同一高度而宽度及厚度不相同时，则在型号的后面附加字母a、b、c以示区别。如：[40a，表示其高度为40cm、腿宽为100mm、腰厚为10.5mm。2)槽钢3)工字钢

工字钢的型号以其高度的cm数表示为10～63号。同一高度而宽度及厚度不相同时，则在型号的后面附加字母a、b、c以示区别。如：Ι25a表示工字钢的高度为25cm、腿宽116mm、腰厚为8mm。3.1.2建筑钢材的主要力学性能

3.1.2.1影响钢材力学性能的因素

1.化学成分的影响

铁含量达99%；其它为碳、硅、锰和硫、磷等，总和约1%。在低合金钢中还有其它合金元素，但其含量低于5%。硫和磷作用：钢材呈现脆性，因此应严格控制其含量。锰和硅作用：改善钢材的性能，增加钢材的塑性。

含碳量越高，钢材的强度就越大，但塑性、韧性、可焊性下降。少量的合金元素锰、硅、矾、钛等：能钢材强度提高，塑性影响不大。2.钢材缺陷的影响

(1)偏析偏析：钢材中化学成分的不均匀的现象。

偏析能恶化钢材的性能，如：塑性、冷弯性能、冲击韧性及可焊性变坏。

(2)非金属夹杂掺杂：在钢材中的非金属杂物(硫化物和氧化物)对钢材的性能有极为不利的影响。

硫化物在800～1200℃高温下，使钢材变脆(即热脆)。氧化物则严重地降低钢材的力学性能和工艺性能。(3)裂纹钢材的冷弯性能、冲击韧性及疲劳强度大大降低；使钢材抗脆性破坏的能力降低。

(4)分层分层：钢材在厚度方向不密合，分成多层的现象。

分层并不影响垂直于厚度方向的强度，但会严重降低冷弯性能。

3.钢材的硬化钢材的硬化对钢结构是不利的。

加工硬化或冷作硬化：钢材经过冲孔、剪切、冷压、冷弯等加工后，都会产生局部或整体硬化。4.温度的影响冷脆温度:钢材几乎完全处于脆性状态时的温度。温度超过85℃以后，随着温度的升高：钢材的抗拉强度屈服点及其弹性模量等均随着降低，而应变增大。温度在250℃左右，出现蓝脆现象，

蓝脆:钢材的抗拉强度反而略有提高，而塑性和冲击韧性下降，钢材会变脆。温度达到600℃时：其流限、极限强度及弹性模量等均下降至零。5.应力集中

应力集中：在截面突变处附近比较密集、曲折并出现局部的高峰应力。截面变化越急剧，应力集中愈严重，钢材变脆的程度越厉害。3.1.2.2建筑钢材的主要力学性能1.钢材受拉、受压及受剪时的性能钢材应力应变曲线是标准试件在室温环境（10～35℃）下，满足静力加载加速度一次拉伸所得。

低碳钢在整个拉伸试验过程中，大致分四个阶段：

第Ⅰ阶段应力—应变呈线性关系，弹性阶段；

第Ⅱ阶段当应力超过弹性极限后，应变较应力增加的较快，应力—应变曲线形成屈服台阶；工程上取屈服阶段的最低点作为规定计算强度的依据，称为屈服强度，以fy表示。对于无屈服台阶的钢材，通常采用相当于残余应变为0.2％时所对应的应力作为条件屈服点(或称协定屈服点)。

第Ⅲ阶段

强化阶段。对应于强化阶段最高点的应力就是钢材的极限强度，以fu表示。

第Ⅳ阶段

颈缩阶段，塑性变形迅速增大，拉应力随之下降，最后在颈缩处断裂。

混凝土结构材料的力学性能低碳钢的应力—应变曲线

a

——比例极限b

——弹性极限ob

——弹性阶段d

——极限抗拉强度bc

——屈服阶段cd

——强化阶段de

——破坏阶段e

——极限应变混凝土结构材料的力学性能硬钢的应力—应变曲线b——极限抗拉强度c——极限应变

条件屈服强度：取残余应变为0.2%所对应的应力作为无明显流幅钢筋的强度限值，通常称为条件屈服强度。混凝土结构材料的力学性能4钢筋的应力—应变简化模型

（1）理想弹塑性模型（2）三段线性模型小结：

1、钢材的屈服强度和极限强度是强度的主要指标；

2、钢材计算取屈服强度fy作为钢材的强度限值，抗拉强度极限fu作为钢材的强度储备；

3、钢材的延伸率δ=试件被拉断时最大绝对伸长值和试件原标距之比的百分数来表示。δ大则说明钢的塑性好。

4、钢材在单向受压(粗而短的试件)时，受力性能基本上和单向受拉时相同，其屈服强度和弹性模量的大小也与受拉时一样。5.抗剪强度比受拉时低；剪切模量Gs也低于弹性模量Es，《公路桥规》取Gs=0.81105MPa。混凝土结构材料的力学性能钢筋的塑性性能

延伸率：延伸率越大，钢筋的塑性和变形能力越好。2.冷弯性能

冷弯性能：钢材在冷加工(即在常温下加工)产生塑性变形时，对产生裂缝的抵抗能力。钢材冷弯性能目的：

a、显示钢材缺陷的程度。

b、鉴定钢材的塑性和可焊性。

冷弯性能合格是一项衡量钢材力学性能的综合指标。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。3.钢材的韧性

钢材的韧性：钢材在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力，也是表示钢材抵抗冲击荷载的能力。钢材的韧性：

a、强度与塑性的综合体现；

b、衡量钢材抵抗因低温、应力集中、冲击荷载作用发生脆性断裂的一项机械性能指标。4.可焊性钢材的可焊性是：在一定的工艺和结构条件下，钢材经过焊接后能够获得良好的焊接接头性能。

可焊性分为施工上的可焊性和使用性能上的可焊性。

施工上的可焊性：要求在一定的焊接工艺条件下，焊缝金属和近缝区的钢材不产生裂纹。

使用性能上的可焊性要求：焊接构件在施焊后的力学性能不低于母材的力学性能。3.1.2.3建筑钢材的设计指标1.钢筋

《公路桥规》规定，钢筋的强度标准值，取现行国家标准的钢筋屈服点，具有不小于95%的保证率。表3--1普通钢筋抗拉强度标准值（MPa）400KL400d=8～40335HRB335d=6～50400HRB400d=6～50235R235d=8～20fsk符号钢筋种类fsk符号钢筋种类钢筋的强度设计值则由钢筋强度标准值除以钢筋的材料分项系数得到，表3—2预应力钢筋抗拉强度标准值（MPa）540540、785、930JLd=4d=18、25、32精轧螺纹钢筋1470、1570d=5、7刻痕1470、1570、1670、17701570、16701470、1570d=4.5d=6d=7、8、9光面螺旋肋消除应力钢丝18601720、1860d=9.5、

11.1、12.7d=15.21×7（七股）1470、1570、1720、1860d=8.6、10.8d=12.91×3（三股）1470、1570、1720、1860d=8.0、10.0d=12.01×2（二股）钢绞线fpk符号钢筋种类表3—4普通钢筋抗拉、抗压强度设计值MPa钢筋种类fsdfsdˊ钢筋种类fsdfsdˊR235d=8～20195195HRB400d=6～50330330HRB335d=6～50280280KL400d=8～40330330注：⑴钢筋混凝土轴心受拉和小偏心受拉构件的钢筋抗拉强度设计值大于330MPa时，仍应按于330MPa取用；⑵构件中配有不同种类的钢筋时，每种钢筋应采用各自的强度设计值。钢筋种类fpdf‘pd钢绞线1×2（二股）1×3（三股）1×7（七股）fpk=14701000

390fpk=15701070fpk=17201170fpk=18601260消除应力光面钢丝和螺旋肋钢丝fpkpk=15701070fpk=16701140fpk=17701200消除应力刻痕钢丝fpkpk=15701070精轧螺纹钢筋fpk=540450400fpk=785650fpk=9307703.1.3钢材的疲劳

钢材在连续的反复荷载作用下，其应力虽然低于抗拉强度，甚至低于屈服点时，也往往会使构件发生突然破坏，这种现象叫做钢材的疲劳破坏。导致疲劳破坏的应力叫做疲劳强度。对于经常直接承受动力荷载重复作用的钢结构构件及其连接应进行疲劳计算。对只承受数值变动的压力构件和临时性结构物的构件可不必验算疲劳强度。3.1.4钢材的选用1.钢筋的选用公路桥涵的钢筋应按下列规定选用：

钢筋混凝土及预应力钢筋混凝土构件中的普通钢筋宜选用热轧HPB235、HRB335、HRB400及RRB400钢筋；预应力钢筋混凝土构件中箍筋应选用其中的带肋钢筋；按构造要求配置的钢筋网可采用冷轧带肋钢筋。预应力钢筋混凝土构件中的预应力钢筋应选用钢绞线、钢丝；中、小型构件或竖、横向预应力钢筋，也可选用精轧螺纹钢筋2.结构钢的选用结构钢选用的原则是：保证结构安全可靠，符合使用要求，节省钢材，降低工程费用。

混凝土结构的发展简况1824年，英国人J.Aspdin发明水泥；1850年，法国人L.Lambot制成铁丝网水泥船；1859年，转炉炼钢成功；1861年，法国人J.Monier取得钢筋混凝土板、管道、拱桥专利。与钢、木、砌体结构相比，历史最短，但发展最快，已经成为当今世界各国的主导结构。材料：朝轻质、高强方向发展。强度发展如：混凝土：C10→C25→C60→C80→C100→C200结构：高层大跨。如：哈利法塔（迪拜塔），162层，828m，钢筋混凝土结构；上海中心大厦，118（128）层，580（632）m，混合结构；台北101，101层，508m，钢结构；上海环球金融中心，104层，492m，钢-混凝土结构；香港环球贸易广场，118层，490m，混合结构；吉隆坡石油双塔，88层，452m，钢-混凝土结构；桥梁跨度叶越来越大。如万县长江大桥，跨度为420m。迪拜塔162层，828m上海塔128层，632m环球金融中心104层，492m台北101摩天大楼106层，509m万县长江大桥主跨420m，混合结构3.2混凝土学习目标：掌握混凝土的主要力学性能及材料选用要求。3.2.1混凝土的强度1.混凝土的立方体抗压强度标准（fcu,k）与强度等级

《公路桥规》规定：用边长为150mm的立方体试件，在标准条件下（温度为20℃±3℃，相对湿度不小于90%）养护28天，用标准试验方法加压至试件破坏，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，用符号fcu,k表示。

立方体抗压强度标准值fcu,k：衡量混凝土强度等级的指标。桥涵工程中混凝土强度等级分为14级：

C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75、C80。

《公路桥规》规定：

1）在钢筋混凝土结构中混凝土的强度等级不宜低于C20；

2）采用HRB400、RRB400钢筋以及承受重复荷载作用的构件时，混凝土强度等级不得低于C25；

3）预应力混凝土结构的混凝土强度等级不宜低于C40；

4）当建筑物对混凝土还有抗渗、抗冻、抗侵蚀、抗冲刷等技术要求时，混凝土的强度等级尚需根据具体技术要求确定。2.混凝土的轴心抗压强度标准值（fck）我国采用150mm×150mm×300mm的棱柱体试件为标准试件，用标准试验方法测得的混凝土棱柱体抗压强度即为混凝土的轴心抗压强度。试验表明：随试件高宽比h/b增大，混凝土抗压强度降低。

《规范》规定结构中混凝土轴心抗压强度与立方体抗压强度的关系为：

fck＝0.88fcu，k

式中C50以下混凝土=0.76,C50以上混凝土=0.78～0.82。3.混凝土的轴心抗拉强度标准值（ftk）轴心抗拉强度：常用轴心抗拉试验或劈裂试验来测。混凝土的轴心抗拉强度一般为其抗压强度的1/8～1/18，且不与抗压强度成正比例关系。

《混凝土规范》规定结构中混凝土轴心抗拉强度与立方体抗压强度的关系为：

ftk＝0.88×0.395fcu,k0.55（1－1.645δf150）0.454.混凝土的强度设计值混凝土的强度设计值（fcd）=混凝土的强度标准值除以混凝土材料分项系数1.45。表3—7混凝土强度标准值：(MPa)强度类型C15C20C25C30C35C40C45C50C55C60C65C70C75C80fck10.013.416.720.123.426.829.632.435.538.541.544.547.450.2ftk1.271.541.782.012.202.402.512.652.742.852.933.003.053.10表3—8混凝土强度设计值(MPa)强度类型C15C20C25C30C35C40C45C50C55C60C65C70C75C80fcd6.99.211.513.816.118.420.522.424.426.528.530.532.434.6ftd0.881.061.231.391.521.651.741.831.891.962.022.072.102.145．复合应力状态下的混凝土强度混凝土多是处于双向或三向受力状态。对于双向应力状态下，其强度变化特点如下：

当双向受压时，一向的混凝土强度随着另一向压应力的增加而增加。

当双向受拉时，实测破坏强度基本不变，双向受拉强度均接近于单向抗拉强度。

当一向受拉、一向受压时，混凝土的强度均低于单向受力(压或拉)的强度。3.2.2混凝土的变形混凝土的变形分类：受力变形；非外荷载因素（温度、湿度等的变化）引起的体积变形。1.混凝土在单调、短期荷载作用下的变形性能

图3-5混凝土一次短期加载时的应力应变曲线(1)上升段OC段：在OA段（σc≤0.3fc），应力较小时，混凝土处于弹性工作阶段，应力应变曲线接近于直线；在AB段（0.3fc＜σc＜0.8fc），当应力继续增大，其应变增长加快，混凝土塑性变形增大，应力应变曲线越来越偏离直线；在BC段（0.8fc＜σc＜fc）,随着应力的进一步增大，且接近fc

时，混凝土塑性变形急剧增大，C点的应力达到峰值应力fc

，试件开始破坏。C点应力值为混凝土的轴心抗压强度fc，与其相应的压应变为ε0（ε0约为0.002）。(2)下降段CE段：当应力超过fc后，试件承载能力下降，随着应变的增加，应力应变曲线在D点出现反弯。试件在宏观上已破坏，此时，混凝土已达到极限压应变εcu。

D点以后，通过骨料间的咬合力及摩擦力与块体还能承受一定的荷载。注：1、混凝土的极限压应变εcu越大，表示混凝土的塑性变形能力越大，即延性越好，混凝土极限压应变εcu约为0.003~0.005。

2、混凝土受拉时的应力应变曲线与受压时相似，但其峰值时的应力、应变都比受压时小得多。计算时，一般混凝土的最大拉应变可取1.5×10-4。

2.混凝土的弹性模量、变形模量和剪切模量图3—6混凝土的弹性模量Ec：原点弹性模量（简称弹性模量）Ecˊ：切线模量Ec〞：变形模量（又称割线模量）《规范》给出弹性模量Ec的经验公式为：

表3—9混凝土的弹性模量（Mpa）3.803.753.703.653.603.553.453.353.253.153.002.802.552.20Ec*104)C80C75C70C65C60C55C50C45C40C35C30C25C20C15混凝土强度等级（4）剪切模量混凝土的剪切模量可近似取Gc＝0.4Ec

3.混凝土在长期荷载作用下的变形

混凝土的徐变：是指在荷载的长期作用下，混凝土的变形将随时间而增加，亦即在应力不变的情况下，混凝土的应变随时间继续增长的现象。图3-7混凝土的徐变与时间的关系混凝土徐变的主要原因：

是在荷载长期作用下，混凝土凝胶体中的水分逐渐压出，水泥石逐渐粘性流动，微细空隙逐渐闭合，细晶体内部逐渐滑动，微细裂缝逐渐发生等各种因素的综合结果。影响徐变的因素很多，除时间外，还有下列因素：（1）应力条件；（2）加荷龄期；（3）周围环境；（4）水泥用量、水灰比；（5）材料质量和级配；（6）构件的体表比。4．混凝土的收缩收缩：混凝土在空气中结硬时体积减小的现象。图3—8混凝土的收缩变形与时间关系

引起混凝土收缩的原因：在硬化初期主要是水泥石在水化凝固结硬过程中产生的体积变化，后期主要是混凝土内自由水分蒸发而引起的干缩。影响混凝土收缩的因素主要有：（1）混凝土的组成和配比；（2）干燥失水是引起收缩；（3）构件的体表比。3.3钢筋与混凝土共同工作学习目标：掌握钢筋与混凝土共同工作的原理，及保证二者粘结作用的措施。钢筋和混凝土这两种力学性能不同的材料共同工作原因：（1）混凝土和钢筋之间有着良好的粘结力；（2）钢筋和混凝土的温度线膨胀系数也较为接近（钢筋为

1.2×10-5，混凝土为1.0×10-5～1.5×10-5）；（3）混凝土包在钢筋的外围，起保护钢筋免遭锈蚀的作用。3.3.2保证钢筋与混凝土间粘结作用的措施能承受由于变形差(相对滑移)沿钢筋与混凝土接触面上产生的剪应力，通常把这种剪应力称为粘结应力。钢筋与混凝土之间的粘结力，主要由以下三个部分组成：（1）胶着力；（2）摩阻力；（3）咬合力；其中机械咬合力作用最大，约占总粘结力的一半以上，变形钢筋比光面钢筋的机械咬合作用更大。

为了保证保证钢筋与混凝土间粘结作用，通常采取以下措施：

1.钢筋的锚固长度表3-10钢筋的最小锚固长度2.弯钩表3—11受拉钢筋端部钢筋弯钩3.可靠的钢筋的连接钢筋在出厂时多在6～12m左右。工程中接长钢筋常采用：绑扎搭接、焊接连接、机械连接。

绑扎搭接接头：是通过钢筋与混凝土之间的粘结应力来传递钢筋之间的内力，因此必须有足够的搭接长度。受拉钢筋直径d＞22mm，或受压钢筋直径d＞32mm时，不宜采用绑扎搭接接头。

钢筋混凝土强度等级C20C25>C25R23535d30d25dHRB33545d40d35dHRB400、KL400——50d45d表3—12受拉钢筋邦扎接头搭接长度《规范》规定,受拉钢筋邦扎接头搭接长度如表上表，受压钢筋的搭接长度取受拉钢筋的0.7倍。3.4砌体材料学习目标：掌握砌体的主要力学性能及材料选用要求砌体:是以石材或混凝土包括以其块件和砂浆或小石子混凝土结合而成的整体材料。

3.4.1砌体材料及砌体的种类1.石材工程上依据石料的开采方法、形状、尺寸和表面粗糙程度的不同，分为下列几类：（1)片石

(2)块石

(3)粗料石

(4)半细料石（5）细料石石材强度等级分为MU120、MU100、MU80、MU60、MU50、MU40和MU30七级。2.混凝土（1）混凝土预制块（2）片石混凝土（3）小石子混凝土

3.砂浆

砂浆是：由胶结料(水泥、石灰和粘土等)、粒料(砂)及水拌制而成的。砂浆按其胶结料的不同可分为：①水泥砂浆；②混合砂浆(如水泥石灰砂浆、水泥粘土砂浆等)；③石灰砂浆。砂浆的物理力学性能指标是砂浆的强度、和易性和保水性。

砂浆的强度用强度等级表示。砂浆的强度等级是以边长为70.7mm的标准立方体试块，在标准条件下养护28天，按统一的标准试验方法测得的极限抗压强度（单位为MPa）表示。3.4.1.2砌体材料的基本要求

圬工材料的最低强度等级

石材抗冻性指标3.4.1.3砌体的种类

1．片石砌体

2．块石砌体

3．粗料石砌体

4.半细料石砌体

5.细料石砌体

6．混凝土预制块砌体

3.4.2砌体的强度3.4.2.1砌体的抗压性能1.砌体中的实际应力状态通过试验观测和分析，在砌体的单块块材内产生复杂应力