第一章 钢筋混凝土结构的材料

水工钢筋混凝土结构第一章钢筋混凝土结构的材料第一节

钢筋

一、钢筋的品种

1、按化学成分分：

2、按生产加工工艺分：

3、按表面特征分：常用钢筋简介

二、钢筋的力学性能

(一)软钢的力学性能

(二)硬钢的力学性能

(三)冷拉钢筋的力学性能

一、钢筋的品种1、按化学成分分：碳素钢：低碳钢（含碳量低于0.25％）、中碳钢（含碳量为0.25％～0.6％）、高碳钢（含碳量为0.6％～1.4％）

普通低合金钢：炼钢过程中，在碳素钢中加入少量硅、锰、钒、钛等合金元素，就形成普通低合金钢含碳量增加，能使钢材强度提高，性质变硬，但塑性和韧性降低，焊接性能也会变差。

普通低合金钢强度高、塑性好、可焊性好，因而应用较为广泛。

一、钢筋的品种2、按生产加工工艺分：(1)热轧钢筋:其强度由低到高分为四级：I级、Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级。

(2)冷拉钢筋:由热轧钢筋在常温下用机械拉伸而成。(3)冷轧带肋钢筋:由热轧钢筋圆盘条经多道冷轧和冷拔减小直径，并在钢筋表面冷轧成斜肋。

(4)热处理钢筋:一、钢筋的品种3、按表面特征分：(1)

光面钢筋:(2)

变形钢筋:分等高肋（过去称螺纹钢，有纵肋和横肋）和月牙肋（无纵肋）。Ⅱ级钢筋和Ⅲ级钢筋为月牙肋钢筋，Ⅳ级钢筋为等高肋钢筋。图1—1钢筋表面及截面形状

图1—2冷轧带肋钢筋的表面及截面形状

二、钢筋的力学性能

(一)软钢的力学性能

I级钢筋从开始加载到钢筋被拉断划分为四个阶段：弹性阶段(ob段)、屈服阶段(bc段)、强化阶段(cd段)、破坏阶段(de段)。钢筋应力有三个特征值：比例极限、屈服极限、极限抗拉强度。屈服极限是软钢的主要强度指标。软钢以屈服极限作为钢筋强度限值。e点对应的应变称伸长率，伸长率大小反映钢筋的塑性，伸长率越大，钢筋塑性越好。图1—3I级钢筋的应力应变曲线

(一)软钢的力学性能不同级别的软钢分别做拉伸试验，其应力应变曲线如图1—4所示。钢筋级别越高，屈服极限、抗拉强度越高，伸长率越小，流幅也相应缩短，塑性越差。钢筋在弹性阶段应力与应变的比值，称为弹性模量，用符号Es表示。钢筋弹性模量大小根据拉伸试验测定，同一种钢筋受压弹性模量与受拉弹性模量相同。

二、钢筋的力学性能

图1—4不同级别钢筋的应力一应变曲线

(二)硬钢的力学性能硬钢强度高，但塑性差，脆性大，没有屈服阶段(流幅)。从加载到突然拉断,硬钢在破坏前没有明显预兆。应变曲线如图1—5所示。结构计算以“协定流限”作为强度标准，协定流限指经过加载及卸载后尚存有0.2％永久残余变形时的应力，用σ0.2表示。由于协定流限不容易测定，一般取极限抗拉强度σb的70%~85%。对硬钢进行质量检验，主要测定极限抗拉强度、伸长率、冷弯性能。

二、钢筋的力学性能

图1—5硬钢的应力—应变曲线

(三)冷拉钢筋的力学性能

冷拉是将钢筋拉伸超过它的屈服极限，然后卸掉荷载，经过一段时间后，钢筋的屈服极限比冷拉前提高19％～34％，如图1—6所示。钢筋冷拉后，屈服强度提高了，但流幅缩短了，伸长率也减少了，性质变脆，这对承受冲击荷载与重复荷载是不利的。钢筋冷拉后，抗拉强度提高了，抗压强度并没有提高。冷拉钢筋受到高温时，它的强度会降低。由于在很高的焊接温度下，钢筋冷拉强化效应会完全消失，因此，焊接冷拉钢筋时，应控制加热时间。

二、钢筋的力学性能

图1—6钢筋冷拉后的应力—应变曲线

第二节、混凝土

一、混凝土的强度

（一）立方体抗压强度fcu

（二）轴心抗压强度fc

（三）轴心抗拉强度ft

二、混凝土的变形（一）混凝土在一次短期加载时的应力应变曲线（二）混凝土的弹性模量EC

（三）混凝上在长期荷载作用下的变形（四）混凝上的温度变形和干缩变形

一、混凝土的强度

（一）立方体抗压强度fcu

水利水电工程所采用的混凝土强度等级分11级：C10、C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60。其中C表示混凝土，数字10～60表示立方体抗压强度标准值(N／mm2)。

水工钢筋混凝土结构中的混凝土强度等级不宜低于C15；当采用Ⅱ级钢筋、Ⅲ级钢筋、冷轧带肋钢筋时，混凝土强度等级不宜低于C2O；预应力混凝土结构中，混凝土强度不宜低于C30。

一、混凝土的强度（二）轴心抗压强度fc

实际工程中的混凝土受压构件并非是立方体而是棱柱体，它们的长度比截面尺寸大得多，从而立方体抗压强度并不能反映实际构件的强度。试验表明，用高宽比为3～4的棱柱体测得的抗压强度与以受压为主的混凝土构件中混凝土抗压强度基本一致。用棱柱体试件(150mm×l50mm×300mm)经标准养护后进行抗压试验，得到的抗压强度称轴心抗压强度，又称棱柱体抗压强度，用fc表示。棱柱体抗压强度与立方体抗压强度的对比试验表明，fc与fcu大致成线性关系：

(1—1)一、混凝土的强度(三)轴心抗拉强度ft

对构件进行抗裂验算、裂缝宽度验算需要混凝土轴心抗拉强度值。用棱柱体试件(100mm×100mm×500mm)，两端正中预埋Ⅱ级钢筋如图1—7所示，经标准养护后，用试验机夹紧钢筋，使混凝土试件受拉，测得构件破坏时的抗拉强度，称轴心抗拉强度，用ft表示。混凝土轴心抗拉强度与立方体抗压强度的关系：

（1—2）

图1—7混凝土轴心受拉试验

二、混凝土的变形(一)混凝土在一次短期加载时的应力应变曲线

混凝土在一次短期加载时的应力应变曲线

二、混凝土的变形(二)混凝土的弹性模量EC

混凝土应力应变曲线为一曲线，其弹性模量是一个变量。工程中，采用重复加载卸载，使应力应变曲线渐渐趋稳定并接近直线，该直线的斜率即为混凝土的弹性模量。混凝土弹性模量按下列经验公式计算：(N/mm2)

二、混凝土的变形(三)混凝土在长期荷载作用下的变形混凝土在长期荷载作用下，应力不变，应变随时间增长而增长，这种现象称为混凝土的徐变。

混凝土的徐变与时间的关系

影响徐变的主要因素有：

①内部因素。水泥用量越多，水灰比越大，徐变越大。②环境因素。构件振捣密实，养护时相对湿度越高，徐变越小。③应力条件。构件截面压应力越大，徐变就越大。④

加荷龄期。在同样的应力条件下，加荷越早，混凝土强度越低，徐变就越大。徐变对混凝土结构的不利影响：（1）徐变作用会使结构的变形增大。（2）在预应力混凝土结构中，它还会造成较大的预应力损失。（3）徐变还会使构件中混凝土和钢筋之间发生应力重分布，导致混凝土应力减小，钢筋应力增大，使得理论计算产生误差。

二、混凝土的变形(四)混凝上的温度变形和干缩变形

混凝土在空气中结硬时，由于温、湿度及本身化学变化的影响，体积随时间增长而减小的现象称为收缩。收缩对混凝土结构的不利影响：（1）收缩受到约束时会使混凝土产生拉应力，甚至使混凝土开裂。（2）混凝土收缩还会使预应力混凝土构件产生预应力损失。混凝土的收缩会带来危害，而膨胀变形一般是有利的，不予讨论。

第三节、钢筋与混凝土的黏结

一、钢筋与混凝土的黏结力

二、钢筋的锚固与接头

一、钢筋与混凝土的黏结力(一)黏结力的组成

黏结力主要有三部分组成：一是因为混凝土收缩将钢筋紧紧握固而产生的摩擦力；二是因为混凝土颗粒与钢筋表面产生的化学黏合力；三是由于钢筋表面凹凸不平与混凝土之间产生的机械咬合力。其中机械咬合力作用最大，约占总黏结力的—半以上。

拨出试验表明：混凝土强度越高，黏结应力也越高；埋人长度越大，需要的拔出力越大，但埋入长度尾部的黏结力很小，甚至为零；钢筋表面越粗糙，黏结力越大。

一、钢筋与混凝土的黏结力黏结力通过拔出试验确定，将钢筋(直径为d)一端埋入混凝土中(埋入长度为l)，另一端施加拉力，将钢筋拔出，如图1—10所示。平均黏结应力(1—3)式中P——拉力最大值，N；

d——钢筋直径，mm；

l——钢筋埋人长度，mm。图1—10钢筋的拔出试验

二、钢筋的锚固与绑扎搭接为了保证钢筋在混凝土中锚固可靠，设计时应使钢筋在混凝土中有足够的锚固长度。规范规定了纵向受拉钢筋最小锚固长度la见下表。对于受压钢筋，由于钢筋受压产生鼓胀，黏结力增大，受压钢筋锚固长度取受拉钢筋锚固长度la的70％。钢筋强度越高，直径越粗，混凝土强度越低，钢筋锚固长度要求越长。

钢筋类型混凝土强度等级C15C20C25C30≥C40I级钢筋40d30d25d20d20d月牙肋Ⅱ级钢筋50d40d35d30d25dⅢ级钢筋

45d40d35d30d冷轧带肋钢筋

40d35d30d25d二、钢筋的锚固与绑扎搭接为了保证光面钢筋锚固可靠，规范规定受力的光面钢筋两端必须做成半圆形弯钩。如图1—1l所示。Ⅱ级、Ⅲ级钢筋、冷轧带肋钢筋以及焊接骨架中的光面钢筋可不做端弯钩。

图1—11光面钢筋的弯钩

(a)机器弯钩；(b)人工弯钩

二、钢筋的锚固与绑扎搭接接长的方法有焊接、绑扎搭接、机械连接

绑扎搭接是通过钢筋与混凝土之间的黏结力传递钢筋与钢筋间的内力，要求绑扎接头必须有足够的搭接长度如图1—12所示。规范规定：（1）受拉钢筋的搭接长度不小于1.2la，且不小于300mm；（2）受压钢筋的搭接长度不小于0.85la，且不小于200mm。

图1—l2钢筋绑扎搭接接头

本

章

小

结

1．普通钢筋混凝土结构中，最常用的钢筋是I级钢筋、Ⅱ级钢筋。l、Ⅱ级钢筋属于软钢，以钢筋的屈服极限作为结构计算的强度限值。

2．混凝土立方体抗压强度是强度代表值；混凝土强度分11个等级，常用等级有C15、C20、C25、C30。混凝土轴心抗压强度，轴心抗拉强度可以由立方体抗压强度换算得到。

3．混凝土徐变使结构变形增大，在预应力混凝土结构中，徐变会引起较大的预应力损失。

4．钢筋锚固长度、绑扎搭接长度是为了保证钢筋与混凝土之间有足够的粘接力。

本

章

练习1.

对称配筋的钢筋混凝土构件，两端自由，由于混凝土收缩（未受外荷载），则

。A混凝土产生拉应力，钢筋无应力B混凝土产生拉应力，钢筋产生压应力