-材料性能课件

第一章钢筋和混凝土材料的力学性能主要内容一、钢筋的品种二、钢筋的应力-应变关系（力学性能）三、钢筋的塑性性能指标四、钢筋的冷加工五、钢筋的连接六、混凝土结构对钢筋性能的要求2.1钢筋1.1钢筋SteelReinforcement2.1钢筋1.1钢筋

SteelReinforcement一、钢筋的品种(P10)钢筋原材钢材——碳素钢和合金钢（改善性能)(高碳钢、中碳钢和低碳钢，碳高强度高、塑性、韧性、可焊性降低)普通低合金钢(合金量3%~5%,加入合金元素锰、硅钛等）→★。钢筋——按外形分为：钢筋——

按加工工艺分为：热轧钢筋、热处理钢筋、钢丝、钢绞线四种，冷加工钢筋2.1钢筋HPB235级(Ⅰ级)钢筋多为光面钢筋（PlainBar），低碳钢，多作为现浇楼板的受力钢筋和箍筋。HRB335级(Ⅱ级)和

HRB400级(Ⅲ级)外形制作成月牙肋或等高肋的变形钢筋（DeformedBar），低合金。钢筋强度较高，多作为钢筋混凝土构件的受力钢筋，尺寸较大的构件，也有用Ⅱ级钢筋作箍筋的为增强与混凝土的粘结（Bond）。RRB400级与HRB335成分相同，但强度高，性能不稳定，不适宜作为钢筋混凝土构件中的配筋，一般冷拉后作预应力筋。直径6~40mm。

热轧钢筋属软钢。(20MnSi)2.1钢筋2、钢丝根据母材不同分为： 1）冷拔低碳钢丝：

Φb

HPB235加工而成（中强钢丝）直径3、4、5mm，强度为800~1200MPa。 2）高强钢丝：高碳钢线材加工而成，直径3~9mm，

外形有光面Φp

、刻痕ΦI和螺旋肋ΦH三种，质量稳定。3、钢绞线Φs有二股、三股和七股钢绞线，外接圆直径9.5~15.2mm。强度为1470~1860MPa.

4、热处理钢筋ΦHT是将热扎钢筋牌号为40Si2Mn和

48Si2Mn通过加热、淬火和回火等调质工艺处理，使强度得到较大幅度的提高，而延伸率降低不多。热处理钢筋、高强钢丝和钢绞线属硬钢，只能用于预应力混凝土结构。5、冷拉钢筋是由热轧钢筋和盘条在常温下经冷拉，超过其屈服强度，然后卸载从而提高钢筋的抗拉强度，节约钢材。但经冷拉后，钢筋的延伸率降低。se2.1钢筋二、钢筋的应力-应变关系（力学性能-强度和变形，单向拉伸试验）1、有明显屈服点的钢筋Steelbarwithyieldpoint（软钢）a’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

ultimatetensilestrengthfyf强屈比反映钢筋的强度储备，fu/fy大于１.25，但也不宜过大。应力-应变曲线记住2个强度指标2.1钢筋三、钢筋的塑性性能指标延伸率（伸长率）elongationrate：钢筋拉断时的应变，是反映钢筋塑性性能的指标。延伸率大的钢筋，在拉断前有足够预兆，延性较好。冷弯性能Coldbendingperformance

：常温下的冷弯性能试验来决定，是将直径为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，就表示合格。钢辊的直径D越小、弯转角越大，说明钢筋的塑性越好。冷弯角度。

各级热轧钢筋的性能见下表1-1．D热轧钢筋等级、品种及主要力学性能指标2.1钢筋四、钢筋的冷加工将热轧钢筋和盘条在常温下进行冷拉、冷拔、冷轧、冷扭等加工。冷加工的目的是为了提高钢筋的强度，节约钢材。但经冷加工后，钢筋的延伸率降低。冷加工钢筋的品种很多，应根据专门规程使用（桥梁工程中不用）。热轧钢筋通过冷拉或冷拔提高其屈服强度，从而节约钢材。

2.1钢筋2、冷拔将钢筋用强力拔过比其直径还小的硬质合金拔丝模具，钢筋除受拉还要受到很大侧向挤压力。被拔成长度增加直径变细的钢丝。经多次冷拔后，钢筋的强度比原来提高很多，但塑性降低。图为一根Φ6钢筋经三次冷拔到Φ3钢丝应力－应变曲线。冷拉只提高钢筋的抗拉强度，不能作为受压钢筋。冷拔则同时提高钢筋的抗拉和抗压强度。2.1钢筋3、冷轧冷轧带肋钢筋是以低碳钢或低合金钢为原料，在常温下进行扎制而成的，表面具有纵肋和月牙横肋的钢筋，其强度提高幅度接近冷拔低碳钢丝，而塑性性能优于冷拔低碳钢丝。2.1钢筋五、钢筋的连接热扎钢筋主要有１、绑扎连接：是目前仍为钢筋连接的主要手段之一。钢筋的绑扎接头是采用20~22号火烧丝或镀锌丝，按规范规定的最小搭接钢筋长度，绑扎在一起而成的钢筋接头。采用绑扎连接时其位置和搭接长度必须满足《混凝土结构设计规范》规定，轴心受拉及小偏心受拉构件的纵向受力钢筋不得采用绑扎接头。当钢筋直径过大时不能采用绑扎连接，因为这样会产生偏心作用的不良效果。

２、焊接连接：混凝土结构设计规范规定，钢筋的接头宜优先采用焊接接头。焊接接头的焊接质量与钢材的焊接性、焊接工艺有关。焊接又分为闪光对焊、电弧焊、电渣压力、气压焊焊。其中闪光对焊以及电渣压力焊在工程上使用较为频繁。

３、机械连接：钢筋机械连接是通过机械手段将两钢筋端头连接连接在一起（套筒连接）。挤压套筒连接、锥螺纹套筒连接、辊轧直螺纹连接、镦粗直螺纹连接。（钢筋的应用向大直径、密集布置、高强度方向发展）

机械连接质量上会优于焊接，但成本较高。其他高强度钢筋用专门连接器。热轧钢筋等级、品种及主要力学性能指标主要内容：一、混凝土的强度二、混凝土的变形一）混凝土在单调荷载作用下混凝土的变形二）混凝土在多次重复荷载作用下混凝土的变形三）混凝土在长期荷载作用下混凝土的变形四）混凝土体积变形（收缩和膨胀等）三、混凝土的弹性模量

四、混凝土特殊性能要求1.2混凝土混凝土结构中，主要是利用它的抗压强度。抗压强度是混凝土力学性能中最主要和最基本的指标。

混凝土的强度等级是用立方体抗压强度来划分的。

混凝土强度等级：边长150mm立方体标准试件，在标准条件下（20±3℃，≥90%湿度）养护28天，用标准试验方法（加载速度0.15~0.3N/mm2/sec，两端不涂润滑剂）测得的具有95%保证率的立方体抗压强度，用符号C表示，C30表示fcu,k=30N/mm2

《规范》根据强度范围，从C15、C20、C25、C30、~C80共划分为14个强度等级，级差为5N/mm2。C50以上为高强混凝土。

混凝土等级选定要求？（P16）

1.2混凝土

一、混凝土的强度

（混凝土的强度指标）

分为抗压强度和抗拉强度

1、混凝土强度等级---（立方体抗压强度划分）用符号fcu表示2、轴心抗压强度-棱柱体抗压强度轴心抗压强度采用棱柱体试件测定，用符号fc表示。棱柱体试件高宽比一般为h/b=3~4，我国取150mm×150mm×450mm或，100×100×300试件。对于同一混凝土，棱柱体抗压强度小于立方体抗压强度，棱柱体抗压强度标准值和立方体抗压强度标准值的换算关系αc1――轴心抗压强度与立方体抗压强度的比值；αc2――对C40以上混凝土的脆性折减系数；fck――混凝土轴心抗压强度标准值；fcu,k――混凝土立方体抗压强度标准值。《规范》对小于C50级的混凝土取

=0.76，C80取

=0.82，其间按线性插值。对小于C40级的混凝土取=1，对C80取

=0.87，其间按线性插值。0.88修正系数2.2混凝土3、轴心抗拉强度用符号ft表示。混凝土构件开裂、裂缝、变形，以及受剪、受扭、受冲切等承载力均与抗拉强度有关。截面尺寸100X100mm

0.88的意义和αc2的取值同上。直接式试验劈拉试验PaP拉压压由于轴心受拉试验对中困难，也常常采用立方体或圆柱体劈拉试验测定混凝土的抗拉强度间接式试验02468102030s(MPa)e×10-32.2混凝土BACED混凝土受压破坏分析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发展造成的。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，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，微裂缝的发展导致混凝土的横向变形增加。微裂缝的发展是稳定的。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点应变e=(2~3)e0，应力s=(0.4~0.6)fc。二）多次重复荷载下应力-应变关系Stress-strainRelationship应力应变曲线如图当σ<fcf，越来越闭合,最终一斜线;当σ>fcf，最终由凸向应力轴转为应变轴,变形越来越大。疲劳强度由疲劳试验测试。采用100mm×100mm×300mm或150mm×150mm×450mm的棱柱体，把能使棱柱体试件承受200万次或其以上循环荷载而发生破坏的压力值称为混凝土的疲劳抗压强度fcf。fcf1、定义：混凝土在荷载的长期作用下，其应变随时间而不断增长的现象称为徐变。2、徐变对结构的影响（P18）：

徐变会使结构（构件）的（挠度）变形增大，引起预应力损失，在长期高应力作用下，甚至会导致破坏。不过，徐变有利于结构构件产生内（应）力重分布，降低结构的受力（如支座不均匀沉降），减小大体积混凝土内的温度应力，受拉徐变可延缓收缩裂缝的出现。混凝土的徐变

Creep(P16)三）在长期荷载下混凝土的变形cr3、徐变量：（ecr)在应力（≤0.5fc）作用瞬间，首先产生瞬时弹性应变e0,随荷载作用时间的延续，变形不断增长，前4个月徐变增长较快，6个月可达最终徐变的（70~80）%，以后增长逐渐缓慢，2~3年后趋于稳定。如在t1时刻把荷载卸去，变形会立即恢复一部分，属弹性变形。在卸载一段时间后，应变还可逐渐恢复一部分，称为徐回（弹性后效），剩下的变形不再恢复，成为永久变形。若以后再重行加载，则瞬时应变和徐变又会发生。4、影响徐变因素（1）内在因素是混凝土的组成和配比。骨料(aggregate)的刚度（弹性模量）越大，级配越好，徐变就越小。水灰比越小，徐变也越小。（2）环境影响包括持续的应力大小（？）、受荷时的龄期、养护和使用条件等。受荷前养护(curing)的温湿度越高，水泥水化作用月充分，徐变就越小。采用蒸汽养护可使徐变减少（20~35）%。受荷后构件所处的环境温度越高，相对湿度越小，徐变就越大。当初始应力水平si/fc≤0.5时，徐变值与初应力基本上成正比，这种徐变称为线性徐变。水泥凝胶体流动结果．当初应力si在(0.5~0.8)fc

范围时，徐变最终虽仍收敛，但最终徐变与初应力si不成比例，随si的增大而增大，这种徐变称为非线性徐变。内部微裂缝发展结果．当初应力si>0.8fc

时，混凝土内部微裂缝的发展已处于不稳定的状态，徐变的发展将不收敛，最终导致混凝土破坏。因此将0.8fc作为混凝土的长期抗压强度。构件长期处于高压状态是不安全的

高强混凝土的密实性好，在相同的s/fc比值下，徐变比普通混凝土小得多。但由于高强混凝土承受较高的应力值，初始变形较大，故两者总变形接近。高强混凝土线性徐变的范围可达0.65fc，长期强度约为0.85fc，也比普通混凝土大一些。徐变具有收敛性四）混凝土的体积变形（收缩与膨胀、温度与湿度变形）1.

体积变形

混凝土在空气中硬化时体积会缩小，混凝土在水中硬化时体积会膨胀;混凝土结构在使用过程中，随温度湿度变化，而出现。收缩和膨胀是混凝土在不受外力情况下体积变化产生的变形。2、收缩对结构的影响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。某些对跨度比较敏感的超静定结构（如拱结构），收缩会引起不利的内力。在钢筋混凝土中钢筋不产生收缩,则混凝土受到附加拉应力.热胀冷缩和湿胀干缩3、收缩量：混凝土的收缩是随时间而增长的变形，早期收缩变形发展较快，两周可完成全部收缩的25%，一个月可完成50%，以后变形发展逐渐减慢，整个收缩过程可延续两年以上。一般情况下，最终收缩应变值约为(2~5)×10-4

混凝土开裂应变为(0.5~2.7)×10-4混凝土的收缩受结构周围的温度、湿度、构件断面形状及尺寸、配合比、骨料性质、水泥性质、混凝土浇筑质量及养护条件等许多因素有关。

水泥用量多、水灰比越大，收缩越大。

骨料弹性模量高、级配好，收缩就小。

干燥失水及高温环境，收缩大。

小尺寸构件收缩大，大尺寸构件收缩小。高强混凝土收缩大。影响收缩的因素多且复杂，要精确计算尚有一定的困难。在实际工程中，一般常采取一定措施减小不利影响——避免盲目提高水灰比和水泥量、设置伸缩缝、预留施工缝。水池设计中，必要时应进行设计计算。4、影响因素三、混凝土的弹性模量

ElasticModulus）应力-应变曲线上任一点对应的应力和应变之比称为“变形模量”或“割线模量”原点切线模量ElasticModulus弹性模量割线模量SecantModulus切线模量TangentModulus弹性系数n

(coefficientofelasticity)

随应力增大而减小.n

=1~0.5◆弹性模量测定方法混凝土的泊松比一）耐久性结构的耐久性是对结构的功能要求之一。《规范》将混凝土结构所处的环境分为五类（表1-1）。四、给水排水构筑物对混凝土的特殊要求表1-1在一、二、三类环境中、设计年限为50年的结构混凝土其耐久性基本要求应符合表1-2。给水排水工程结构由于其使用功能和所处环境的特殊性，对混凝土的抗渗性能、抗冻性能及抗化学腐蚀性能要求较高。二）抗渗性定义：混凝土抵抗压力水渗透的性能。钢筋混凝土构筑物的抗渗宜以混凝土本身的密实性来满足要求。表示方法：混凝土的抗渗能力用抗渗等级表示，符号：Si

抗渗等级是指对龄期为28d天的混凝土抗渗试件,施加的水压后能满足不渗水指标。例如抗渗等级是S6的混凝土能在0.6MPa水压作用下满足不渗水。按照《给水排水工程构筑物结构设计规范》，给水排水构筑物所用混凝土的抗渗等级应按下表1-3采用。--确定最大作用水头与混凝土厚度之比。表1-3混凝土抗渗等级Si的规定三）抗冻性定义：指混凝土在吸水饱和状态下，抵抗多次冻融循环作用下而不破坏、也不严重降低强度的性能，称为混凝土的抗冻性。在寒冷地区（最冷月平均气温低于-3℃），外露的钢筋混凝土构筑物的混凝土应具有良好的抗冻性能，混凝土的抗冻性能一般用抗冻等级来衡量。表示方法：用抗冻等级符号Fi

---确定混凝土标号抗冻等级系指对龄期为28d天的混凝土试件,在进行相应要求冻融循环总次数i次作用后，其强度降低不大于25%，重量损失不超过5%。按《规范》，给水排水构筑物所用混凝土的抗冻等级应符合下表1-4要求采用。混凝土抗冻等级应进行实验确定。表1-4混凝土抗冻等级Fi的规定冻融循环总次数系指一年内气温从+3℃以上降至-3℃以下，然后回升到+3℃以上的交替次数；对于地表水取水头部，尚应考虑一年中月平均气温低于-3℃期间，因水位涨落而产生的冻融交替次数，此时水位每涨落一次按一次冻融计算；气温应根据连续5年以上的实测资料，统计其平均值确定。四）抗腐蚀性指混凝土抵抗酸碱盐腐蚀的性能。贮水或水处理构筑物、地下构筑物的混凝土当满足抗渗要求时，一般可不作防腐处理。对接触侵蚀性介质的混凝土，应按现行的有关规范或进行专门试验确定防腐措施。措施：如对于工业污水处理池，一般大量处理池仍采用钢筋混凝土结构。1）当介质腐蚀性很弱时---增加混凝土密实的方法来提高抗腐蚀能力；2）当介质腐蚀性很强时---需在池壁内侧、池底采取专门防腐措施（如涂刷沥青、涂刷耐酸漆等、玻璃钢面层等方法）来提高抗腐蚀能力。3）当地下水含有侵蚀介质时，埋入地下水以下的构筑物部分（池壁外和池底）的外表面也应采取防腐措施。酸性特别强的少量污水可用耐腐蚀材料建造专门用小型容池。五）其他混凝土耐热性、耐火性等。在实际使用环境中，有时混凝土结构还要经受高温状态，虽然一般混凝土结构具有较好的耐热性和耐火性，但如果结构长期处于高温状态，其性能会受到相当大的损害，应采取提高混凝土结构耐热性、耐火性的措施。1.3钢筋与混凝土共同工作 一、钢筋与混凝土共同工作的条件 二、钢筋与混凝土的粘结 三、粘结强度 四、锚固长度 五、钢筋搭接长度 六、保证粘接性能的构造措施钢筋（材）和混凝土两种材料的物理力学性能很不相同，它们可以结合在一起共同工作，是因为：⑴钢筋和混凝土之间存在有良好的粘结力，在荷载作用下，可以保证两种材料协调变形，共同受力；⑵钢材与混凝土具有基本相同的温度线膨胀系数（钢材为1.2×10-5，混凝土为(1.0~1.5)×10-5），因此当温度变化时，两种材料不会产生过大的变形差而导致两者间的粘结力破坏。⑶混凝土保护钢筋.？？粘结力——Bond一、钢筋与混凝土共同工作的条件二、钢筋与混凝土粘结BondofReinforcement（P28）钢筋与混凝土间具有足够的粘结是保证钢筋与混凝土共同受力变形的基本前提。◆粘结应力通常是指钢筋与混凝土界面间的沿钢筋轴向的剪应力。通过钢筋与混凝土界面的粘结应力(bondstress)，可实现钢筋与混凝土之间的应力传递，使两种材料结合在一起共同工作。◆粘结应力的类型有：

锚固粘结应力局部粘结应力钢筋与混凝土的粘结作用由三部分组成（P30）：⑴混凝土中水泥胶体与钢筋表面的胶结力；⑵混凝土因收缩将钢筋握紧而产生的钢筋与混凝土间的摩擦力；⑶钢筋表面与混凝土间的机械咬合力。当钢筋与混凝土产生相对滑动后，胶结作用即丧失。摩擦力的大小取决于握裹力和钢筋与混凝土表面的摩擦系数。光圆钢筋和变形钢筋的粘结性能特点？三、粘结强度BondStrength（P25）

拔出试验

Pullouttest粘结强度tu：粘结破坏（钢筋拔出或混凝土劈裂）时钢筋与混凝土界面上的最大平均粘结应力。设计应保证粘结应力小于粘结强度.影响粘结强度的主要因素

Influencefactors混凝土强度、保护层厚度和钢筋净间距、横向配筋、钢筋表面和外形特征、受力情况及锚固长度等。钢筋应力及粘结应力图(a)光圆钢筋；(b)变形钢筋四、钢筋的锚固长度（P30）1、基本锚固长度《规范》是以拔出试验为基础确定基