混凝土结构材料的物理和力学性能

混凝土结构材料的物理和力学性能第一页，共八十九页，2022年，8月28日

教学提示：

钢筋与混凝土材料的物理和力学性能是混凝土结构的计算理论、计算公式建立的基础。主要介绍混凝土在各种受力状态下的强度与变形性能；建筑工程中所用钢筋的品种、级别及其性能；钢筋与混凝土的粘结机理、钢筋的锚固与连接构造。

教学要求：

本章要求学生熟悉混凝土在各种受力状态下的强度与变形性能；掌握混凝土的选用原则；熟悉建筑工程中所用钢筋的品种、级别及其性能；掌握建筑工程对钢筋性能的要求及选用原则；了解钢筋与混凝土共同工作的原理，熟悉保证钢筋与混凝土之间协同工作的构造措施。第二页，共八十九页，2022年，8月28日

混凝土结构是由钢筋和混凝土这两种性质不相同的材料组成，它们共同承受和传递结构的荷载。混凝土结构的计算理论、计算公式的建立，都与这两种材料的力学性能密切相关。因此，了解钢筋和混凝土这两种材料的力学性能是非常重要的。本章主要介绍钢筋与混凝土的物理和力学性能、共同工作的原理及这两种材料在工程中的选用原则。第三页，共八十九页，2022年，8月28日●2.1混凝土●2.2钢筋●2.3钢筋与混凝土之间的粘结●2.4钢筋锚固与接头构造●2.5思考题●2.6习题本章内容第四页，共八十九页，2022年，8月28日2.1混凝土

普通混凝土是由水泥、石子和砂3种材料用水拌和经凝固硬化后形成的人造石材，是一种多相复合材料。混凝土中的孔隙、界面微裂缝等缺陷往往是混凝土受力破坏的起源，在荷载作用下，微裂缝的扩展对混凝土的力学性能有着极为重要的影响。由于水泥胶体的硬化过程需要多年才能完成，所以混凝土的强度和变形也随时间逐渐增长。第五页，共八十九页，2022年，8月28日2.1.1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2.1混凝土第六页，共八十九页，2022年，8月28日1.混凝土的基本强度指标1)立方体抗压强度

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fcu,k(N/mm2)。

2.1混凝土第七页，共八十九页，2022年，8月28日1.混凝土的基本强度指标1)立方体抗压强度《规范》规定，混凝土强度等级按立方体抗压强度标准值确定，用符号fcuk表示，共14个等级，即C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75、C80。例如，C40表示立方体抗压强度标准值为40N/mm2。其中，C50及C50以上为高强混凝土。

2.1混凝土第八页，共八十九页，2022年，8月28日立方体抗压强度受试件尺寸、试验方法和龄期因素的影响。不同尺寸的立方体试件所测得的强度不同。尺寸越大，测得的强度越低。边长为l00mm或200mm的立方体试件测得的强度要转换为边长150mm试件的强度时，应分别乘以尺寸效应换算系数0.95或1.05。其它形状和尺寸的混凝土试块的强度须乘不同的换算系数。2.1混凝土第九页，共八十九页，2022年，8月28日2.1混凝土不涂油脂(b)涂油脂图2.1立方体抗压强度试块图2.2混凝土立方体强度随龄期的变化第十页，共八十九页，2022年，8月28日混凝土的立方体强度与龄期有关

如图2.2所示。图中曲线1、2分别代表在潮湿环境和干燥环境下测得的数据。混凝土的立方体抗压强度随着龄期逐渐增长，增长速度开始时较快，后来逐渐缓慢，强度增长过程往往要延续几年，在潮湿环境中往往延续更长。2.1混凝土第十一页，共八十九页，2022年，8月28日

2)棱柱体轴心抗压强度

采用棱柱体比立方体能更好地反映混凝土结构的实际抗压能力。《规范》规定以150mm×150mm×300mm的棱柱体作为标准试件，测得的具有95%保证率的抗压强度为混凝土轴心抗压强度标准值，用符号fck表示。试件的高宽比一般取为3～4。2.1混凝土第十二页，共八十九页，2022年，8月28日如图2.4所示是根据我国所做的混凝土棱柱体与立方体抗压强度对比试验的结果。从图中可以看到，试验值与的统计平均值大致成一条直线，它们的比值大致为0.7～0.92，强度大的比值大些。2.1混凝土图2.3混凝土棱柱体抗压试验及试件破坏情况图2.4混凝土轴心抗压强度与立方体抗压强度的关系第十三页，共八十九页，2022年，8月28日轴心抗压强度标准值与立方体抗压强度标准值的关系，《规范》按下式确定： (2-1)式中，——棱柱体强度与立方体强度之比值，对C50及C50以下混凝土取=0.76，对C80混凝土取=0.82，中间按线性规律取值；——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，中间按线性规律取值。0.88——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。2.1混凝土第十四页，共八十九页，2022年，8月28日3)轴心抗拉强度抗拉强度也是混凝土的基本力学指标之一，用它可确定混凝土抗裂能力，也可间接地衡量混凝土的冲切强度等其他力学性能。混凝土轴心抗拉强度很低，且较离散，一般为立方体强度的1/18～1/10。按劈裂试验间接测定混凝土的轴心抗拉强度，其劈拉强度即为混凝土的轴心抗拉强度ftk，可按下式计算： (2-2)(2-3)

式中，Pu——破坏荷载；d——立方体试件的边长或圆柱体试件的直径；L——圆柱体试件的长度。2.1混凝土第十五页，共八十九页，2022年，8月28日试验表明，劈裂抗拉强度略大于直接受拉强度。轴心抗拉强度标准值ftk与立方体抗压强度标准值fcu,k的关系为:

(2-4)2.1混凝土图2.5混凝土劈裂试验示意图Ftk=0.395fcu,k0.55第十六页，共八十九页，2022年，8月28日2.混凝土复合受力强度在实际工程结构中，构件的受力情况中单向受力很少，而往往受轴力、弯矩、剪力、扭矩等不同组合力的作用，处于复杂的复合应力状态。1)双向受力对于双向应力状态，两个相互垂直的平面上作用有法向应力时，其混凝土强度变化曲线如图2.6所示。2.1混凝土图2.6双向受力下的应力状态第十七页，共八十九页，2022年，8月28日1、双向受压时(第Ⅲ象限)混凝土一向的强度随另一向压应力的增加而增加。双向受压混凝土的强度要比单向受压的强度最多可提高约27%。2、双向受拉时(第Ⅰ象限)混凝土一向的抗拉强度与另一向拉应力大小基本无关，即抗拉强度和单向应力时的抗拉强度基本相等。3、一向受拉，一向受压时(第Ⅱ、Ⅳ象限)混凝土的强度均低于单向受力的强度。2.1混凝土第十八页，共八十九页，2022年，8月28日2)三向受压混凝土在三向受压的情况下，由于受到侧向压力的约束作用，延迟和限制了沿轴线方向的内部微裂缝的发生和发展，因而混凝土受压后的极限抗压强度和极限应变均有显著的提高和发展。由试验得到的经验公式为：

(2-5)式中，——三轴受压状态混凝土圆柱体沿纵轴的抗压强度；——混凝土单轴受压时的抗压强度；

——侧向约束压应力。三轴受压时，混凝土的强度及变形能力均有较大的提高。在实际工程中，常利用此特性来提高混凝土构件的抗压强度和变形能力。例如采用螺旋箍筋、加密箍筋等。2.1混凝土第十九页，共八十九页，2022年，8月28日3)局部受压强度当构件的承压面积A大于荷载的局部传力面积Ac时(如图2.7所示)，承压混凝土局部受力，周围混凝土对核心混凝土受压后产生的侧向变形有约束作用，所以，局部承压强度比棱柱体强度要高。局部承压强度，以fcl表示。按公式(2-6)计算：

(2-6)式中，——局部承压强度提高系数，大于1，其值可用计算。2.1混凝土第二十页，共八十九页，2022年，8月28日图2.7混凝土局部承压示意图图2.8法向正应力和剪应力组合受力时的混凝土强度曲线2.1混凝土第二十一页，共八十九页，2022年，8月28日4)单轴正应力和剪应力共同作用时的强度图2.8所示为法向正应力和剪应力组合受力时的混凝土强度曲线。图中面积可分为3个区域：Ⅰ区为拉剪状态，随的加大，抗拉强度下降；Ⅱ区为压剪状态，随增大，抗剪强度增加；Ⅲ区为压剪状态，随进一步加大，抗剪能力反而开始下降。所以当结构中出现剪应力时，其抗压强度会有所降低，而且抗拉强度也会降低。2.1混凝土第二十二页，共八十九页，2022年，8月28日

2.1.2混凝土的变形

混凝土的变形一般有两种。一种是受力变形，如混凝土在一次短期加载、荷载长期作用和多次重复荷载作用下会产生变形。另一种是体积变形，如混凝土由于硬化过程中的收缩以及温度和湿度变化也会产生变形。变形也是混凝土的一个重要力学性能。2.1混凝土第二十三页，共八十九页，2022年，8月28日1.单轴向受压时混凝土应力-应变关系(1)一次短期加载下混凝土的变形性能图2.9所示为棱柱体试件一次短期加荷下混凝土受压应力-应变全曲线，反映了受荷各阶段混凝土内部结构变化及破坏机理，是研究混凝土结构极限强度理论的重要依据。曲线分为上升段OC和下降段CE两部分。上升段又可分为3段：OA段为第Ⅰ阶段，=(0.3～0.4)fc，应力-应变关系接近直线，称为弹性阶段。AB段为第Ⅱ阶段，=(0.3～0.8)fc，由于水泥凝胶体的塑性变形，应力-应变曲线开始凸向应力轴，随着加大，微裂缝开始扩展，并出现新的裂缝，=0.8fc可作为混凝土长期荷载作用下的极限强度。BC段为第Ⅲ阶段，>fc，此时，微裂缝发展贯通，应变增长更快，直至应力峰值点C，该峰值应力通常作为混凝土棱柱体的抗压强度fc，相应的应变称为峰值应变ε0，其值取0.0015～0.0025，通常取为0.002。2.1混凝土第二十四页，共八十九页，2022年，8月28日C点以后，进入下降段CE，裂缝继续扩展、贯通，变形快速发展，使应力-应变曲线出现拐点D，直至收敛点E，曲线平缓下降，这时贯通的主裂缝已经很宽。图2.9混凝土棱柱体受压应力-应变曲线2.1混凝土第二十五页，共八十九页，2022年，8月28日混凝土受压应力-应变曲线目前较常用的有美国E．Hognestad建议的方程(如图2.10所示)和德国Rusch建议的方程(如图2.11所示)。(1)E.Hognestad应力-应变曲线(如图2.10所示)：该模型上升段为二次抛物线，下降段为斜直线。上升段：≤ (2-7)下降段：≤≤ (2-8)式中，——峰值强度；——相应于峰值应力时的应变，取；——极限压应变，取。2.1混凝土第二十六页，共八十九页，2022年，8月28日(2)Rusch应力-应变曲线(如图2.11所示)：该模型上升段为二次抛物线，下降段为水平直线。上升段：≤ (2-9)下降段：≤≤ (2-10)(3)GB50010—2002采用的模型：GB50010—2002采用Rusch应力-应变曲线，但取。

图2.10E.Hognestad应力-应变曲线图2.11Rusch应力-应变曲线2.1混凝土第二十七页，共八十九页，2022年，8月28日2)混凝土的变形模量混凝土与弹性材料不同，受压应力-应变关系是一条曲线，在不同的应力阶段，应力与应变之比的变形模量不是一个常数。混凝土的变形模量有如下3种表示方法。(1)混凝土的初始弹性模量(原点模量)：如图2.12所示，为应力-应变曲线原点处的切线斜率，称为混凝土的初始弹性模量。

(2-11)式中,ao——砼应力-应变曲线原点处的切线与横坐标的夹角。2.1混凝土E0=tana0第二十八页，共八十九页，2022年，8月28日(2)混凝土的弹性模量由于初始弹性模量不易从试验中测定,目前通用的做法是采用棱柱体(150mm×150mm×300mm)试件，先加载至，然后卸载至零，再重复加载卸载。随着加载次数增加(5～10次)，应力-应变曲线渐趋稳定并基本上趋于直线，该直线的斜率即定为混凝土的弹性模量。统计得混凝土弹性模量与立方体强度的关系为：

x103

(2-12)混凝土进入塑性阶段后，初始的弹性模量已不能反映这时的应力-应变性质，因此，有时用变形模量或切线模量来表示这时的应力-应变关系。2.1混凝土第二十九页，共八十九页，2022年，8月28日图2.12混凝土变形模量的表示方法2.1混凝土第三十页，共八十九页，2022年，8月28日

(3)混凝土的变形模量：在图2.12中O点至曲线任一点应力为处割线的斜率，称为任意点割线模量或称变形模量。它的表达式为：

(2-13)由于总变形中包含弹性变形和塑性变形两部分。混凝土的变形模量是个变值，它与弹性模量的关系如下： (2-14)式中，——弹性系数，与混凝土所受的应力大小有关。2.1混凝土第三十一页，共八十九页，2022年，8月28日

(4)混凝土的切线模量：过混凝土应力-应变曲线上某一点作一切线，如图2.12所示，其切线的斜率称为该点的切线模量。

(2-15)可见，混凝土的切线模量是一个变值，它随着混凝土应力的增大而减小。2.1混凝土第三十二页，共八十九页，2022年，8月28日2.重复荷载下混凝土应力-应变关系(疲劳变形)图2.13(a)所示，是混凝土棱柱体(150mm×150mm×450mm)在多次重复荷载作用下的应力-应变曲线。当混凝土棱柱体一次短期加荷，其应力达到A点时，应力-应变曲线为OA，此时卸荷至零，其卸荷的应力-应变曲线为AB，如果停留一段时间，再量测试件的变形，发现变形恢复一部分而到达B'，则BB'恢复的变形称为弹性后效，而不能恢复的变形B'O称为残余变形。2.1混凝土第三十三页，共八十九页，2022年，8月28日图2.13(b)所示是混凝土棱柱体在多次重复荷载作用下的应力-应变曲线。若加荷、卸荷循环往复进行，当小于疲劳强度时，在一定循环次数内，应力-应变曲线也接近直线EF；如果大于，循环若干次以后，由于累积变形超过混凝土的变形能力而破坏，破坏时裂缝小但变形大，这种现象称为疲劳。塑性变形收敛与不收敛的界限，就是材料的疲劳强度，大致在(0.4～0.5)fc左右，此值与荷载的重复次数、荷载变化幅值及混凝土强度等级有关，通常以使材料破坏所需的荷载循环次数不少于200万次时的疲劳应力作为疲劳强度。2.1混凝土第三十四页，共八十九页，2022年，8月28日(a)(b)图2.13混凝土在重复荷载作用下的应力-应变曲线2.1混凝土第三十五页，共八十九页，2022年，8月28日混凝土的疲劳强度与重复作用时应力变化的幅度有关。在相同的重复次数下，疲劳强度随着疲劳应力比值的增大而增大，疲劳应力比值按下式计算： (2-16)式中，、——分别表示构件截面同一纤维上的混凝土最小应力及最大应力。2.1混凝土第三十六页，共八十九页，2022年，8月28日3.单轴受拉时混凝土应力-应变关系混凝土受拉时的应力-应变曲线形状与受压时是相似的，如图2.14所示：只不过其峰值应力和应变均比受压时小很多；受拉应力-应变曲线的原点切线斜率与受压时是基本一致的；当拉应力≤0.5ft时，应力-应变曲线接近于直线，随着应力的增大，曲线逐渐偏离直线，反映了混凝土受拉时塑性变形的发展。在构件计算中，取=1×10-4～1.5×10-4。当=ft时，弹性特征系数≈，相应于ft的变形模量为：2.1混凝土第三十七页，共八十九页，2022年，8月28日图2.14混凝土受拉时应力-应变曲线2.1混凝土第三十八页，共八十九页，2022年，8月28日4.混凝土的收缩混凝土在空气中结硬时体积减小的现象称为收缩；在水中结硬时体积增大的现象称为膨胀。图2.15所示混凝土自由收缩试验结果。最终收缩应变大约为(2～5)×10-4，一般取收缩应变值为3×10-4。引起收缩的重要因素：干燥失水。所以构件的养护条件、使用环境的温湿度都对混凝土的收缩有影响。使用环境的温度越高、湿度越低，收缩越大，蒸汽养护的收缩值要小于常温养护的收缩值，这是因为在高温、高湿条件下养护可加快水化和凝结硬化作用。2.1混凝土第三十九页，共八十九页，2022年，8月28日在工程中，养护不好、混凝土构件的四周受约束而阻止混凝土的收缩时，混凝土表面易出现收缩裂缝。试验还表明：水泥强度等级越高，收缩越大；水泥用量越多、水灰比越大，收缩越大；骨料的级配越好、弹性模量越大，收缩越小；养护时温、湿度越大，收缩越小；构件的体积与表面积比值大时，收缩小。图2.15混凝土的收缩2.1混凝土第四十页，共八十九页，2022年，8月28日

5.混凝土的徐变结构在荷载或应力保持不变的情况下，变形或应变随时间增长的现象称为徐变。徐变对于结构的变形和强度、预应力砼中的钢筋应力损失有重要的影响。如图2.16所示，当加荷应力达到0.5fc时，其加荷瞬间产生的应变为瞬时应变，若荷载保持不变，随着加荷时间的增长，应变也将继续增长，这就是混凝土的徐变应变，通常，徐变开始时增长较快，以后逐渐减慢，经过一定时间后，徐变趋于稳定，徐变应变值约为瞬时弹性应变的1～4倍。两年后卸载，能恢复的变形称为弹性后效，大部分不可恢复变形为残余应变。2.1混凝土第四十一页，共八十九页，2022年，8月28日图2.16混凝土的徐变2.1混凝土第四十二页，共八十九页，2022年，8月28日图2.17应力与徐变的关系2.1混凝土第四十三页，共八十九页，2022年，8月28日

影响徐变的主要因素：

混凝土的应力条件是影响徐变的主要因素。加荷时混凝土的龄期越长，徐变越小，混凝土的应力越大，徐变越大。图2.17所示：当应力≤0.5fc时，曲线接近等距离分布，说明徐变与初应力成正比，这种情况称为线性徐变。其加载初期徐变增长较快，6个月时，一般已完成徐变的大部分，后期徐变增长逐渐减小，一年以后趋于稳定，一般认为3年徐变基本终止；当=(0.5～0.8)fc时，徐变与应力不成正比，徐变变形增长较快，这种情况称为非线性徐变；当应力>0.8fc时，徐变的发展不再收敛，最终将导致混凝土破坏。实际工程中，=0.8fc即为混凝土的长期抗压强度。2.1混凝土第四十四页，共八十九页，2022年，8月28日影响混凝土徐变其它因素：水泥用量越多和水灰比越大，徐变也越大；骨料越坚硬、弹性模量越高，徐变就越小；骨料的相对体积越大，徐变越小；养护时温度高、湿度大、水泥水化作用充分，徐变就小。实践证明，采用蒸汽养护可使徐变减小约20%～35%；如环境温度为70℃的试件受荷一年后的徐变，要比温度为20℃的试件大1倍以上，因此，高温干燥环境将使徐变显著增大。2.1混凝土第四十五页，共八十九页，2022年，8月28日2.1.3混凝土的选用原则《规范》规定：钢筋混凝土构件的混凝土强度等级不应低于C15；当采用HRB335级钢筋时，混凝土强度等级不宜低于C20；当采用HRB400和RRB400级钢筋以及承受重复荷载的构件，混凝土强度等级不得低于C40；预应力混凝土构件的混凝土强度等级不应低于C30；当采用钢绞线、钢丝、热处理钢筋作预应力钢筋时，混凝土的强度等级不应低于C40。公路桥涵工程中，对混凝土强度等级的要求比建筑结构的要高。2.1混凝土第四十六页，共八十九页，2022年，8月28日2.2.1钢筋的品种和级别在钢筋混凝土结构中使用的钢筋品种很多，主要有两大类：一类是有明显屈服点(流幅)的钢筋，如热轧钢筋；另一类是无明显屈服点(流幅)的钢筋，如钢丝、钢铰线及热处理钢筋。按外形分，钢筋可分为光面钢筋和变形钢筋两种。变形钢筋有热轧螺纹钢筋、冷轧带肋钢筋等，如图2.18所示。2.2钢筋图2.18钢筋的外形示意图第四十七页，共八十九页，2022年，8月28日2.2.1钢筋的品种和级别光面钢筋直径为6～50mm，握裹性能稍差；变形钢筋直径一般大于10mm，握裹性能好，其直径是“标志尺寸”，即与光面钢筋具有相同重量的“当量直径”，其截面面积即按此当量直径确定。2.2钢筋图2.18钢筋的外形示意图第四十八页，共八十九页，2022年，8月28日

按化学成分划分：分为碳素钢和普通低合金钢两类。碳素钢根据含碳量的多少又可分为低碳钢(含碳量<0.25%)、中碳钢(含碳量为0.25%～0.6%)、高碳钢(含碳量为0.6%～1.4%)，含碳量越高，强度越高，但塑性与可焊性降低。普通低合金钢是在碳素钢的基础上添加小于5%的合金元素的钢材，具有强度高、塑性和低温冲击韧性好等特点。通常加入的合金元素有硅(Si)、锰(Mn)、钛(Ti)、钒(V)、铬(Gr)、铌(Nb)等。如目前我国生产的品种有20MnSi、20MnSiNb、40Si2Mn、45Si2Cr等，代号前边的数字表示含碳量的百分数，元素符号后的数字表示合金含量的百分数，如数字2表示含量1.5%～2.5%，元素符号后面无数字表示平均含量小于1.5%。2.2钢筋第四十九页，共八十九页，2022年，8月28日按钢筋的加工方法，又可将其分为热轧钢筋、热处理钢筋、冷加工钢筋、冷轧钢筋等。热轧钢筋是由低碳钢、普通低合金钢在高温状况下轧制而成，属于软钢。常用热轧钢筋的种类、代表符号和直径范围见表2-1。2.2钢筋强度等级代号钢种符号d/mmHPB235Q235820HRB33520MnSi650HRB40020MnSiV，20MnSiNb，20MnTi650RRB400K20MnSiR840表2-1常用热轧钢筋的种类、代表符号和直径范围第五十页，共八十九页，2022年，8月28日2.2钢筋(a)刻痕钢丝(b)钢绞线图2.19强度钢丝与钢绞线第五十一页，共八十九页，2022年，8月28日

2.2.2钢筋的强度与变形1.有明显屈服点的钢筋（如图2.20所示）其应力-应变曲线分四个阶段：OA：弹性阶段。A点对应的应力称为比例极限。AC：屈服阶段。曲线出现一个波动的屈服平台，B’点屈服上限，B点下屈服点，通常屈服强度是按下屈服点来确定的。CD：强化阶段。钢筋的抗拉能力达最高点D，相应的应力称为钢筋的极限强度。DE：局部变形阶段。试件发生较大的塑性变形，出现颈缩现象，直至E点断裂破坏。2.2钢筋第五十二页，共八十九页，2022年，8月28日

2.2.2钢筋的强度与变形1.有明显屈服点的钢筋（如图2.20所示）对有明显屈服点的钢筋，屈服点所对应的应力为屈服强度，是重要的力学指标。在钢筋混凝土结构中，当钢筋超过屈服强度时就会发生很大的塑性变形，此时混凝土结构构件也会出现较大变形或裂缝，导致构件不能正常使用。所以，在计算承载力时，以屈服点作为钢筋强度值。2.2钢筋第五十三页，共八十九页，2022年，8月28日

钢筋还应具有一定的塑性变形能力，通常用伸长率和冷弯性能指标衡量钢筋的塑性。钢筋拉断后的伸长值与原长的比率称为伸长率，表示材料在破坏时产生的应变大小，用公式表示为： (2-17)式中，——伸长率；——拉断时的钢筋长度；

——钢筋原长。2.2钢筋第五十四页，共八十九页，2022年，8月28日2.2钢筋图2.20有明显流幅的曲线图2.21钢筋冷弯试验示意图第五十五页，共八十九页，2022年，8月28日伸长率越大，材料的塑性越好。冷弯性能是指钢筋在常温下达到一定弯曲程度而不破坏的能力。冷弯试验是将直径为d的钢筋绕弯芯直径D弯曲到规定的角度，通过检查被弯曲后的钢筋试件是否发生裂纹、断裂及起层来判断合格与否，如图2.21所示。弯芯的直径D越小，弯转角越大，说明钢筋的塑性越好。2.2钢筋图2.22无明显流幅的-曲线第五十六页，共八十九页，2022年，8月28日

2.无明显屈服点的钢筋（图2.22所示）无明显流幅的钢筋应力-应变曲线，大约在极限抗拉强度的65%以前，应力-应变关系为直线，此后，钢筋表现出塑性性质，直至到曲线最高点之前都没有明显的屈服点，曲线最高点对应的应力称为极限抗拉强度。对无明显流幅的钢筋，如预应力钢丝、钢绞线、和热处理钢筋，《规范》规定设计时，取极限抗拉强度的85%作为条件屈服点，加载至该点后对应的残余应变为0.2%，钢筋强度的取值为0.85，称条件屈服强度，为国家标准规定的极限抗拉强度。钢筋的伸长率、冷弯性能的概念与有明显流幅的钢筋相同。2.2钢筋第五十七页，共八十九页，2022年，8月28日3.钢筋的弹性模量钢筋的弹性模量为钢筋拉伸应力-应变曲线在屈服点前的直线的斜率，即：

(2-18)4.钢筋的设计指标《规范》规定强度的标准值应具有不小于95%的保证率。热轧钢筋的强度标准值按屈服强度确定，符号为；预应力钢绞线和钢丝的强度标准值根据极限强度确定，符号为，见附表1-5。2.2钢筋第五十八页，共八十九页，2022年，8月28日

2.2.3钢筋的冷加工及塑性性能

钢筋的冷加工是指在常温下采用某种工艺对热轧钢筋进行加工而得到的钢筋。常用的工艺有：冷拉、冷拔、冷轧与冷轧扭四种。冷加工的目的主要是为了提高钢筋的强度和节约钢材，但经冷加工后的钢筋虽然强度提高了，但塑性明显降低，只有经冷拉的钢筋仍具有屈服点，其余的都无明显的屈服点。2.2钢筋第五十九页，共八十九页，2022年，8月28日

1.冷拉冷拉：是用超过屈服强度的应力对热轧钢筋进行拉伸。如图2.23所示。当拉伸到K点()后卸载，在卸载过程中，应力-应变曲线沿着直线KO’回到O’点，钢筋产生残余变形为OO’。如果立即重新加载张拉，则应力-应变曲线仍沿着O’KDE变化，即弹性模量不变。但屈服点却从原来的B点提高到K点，说明钢筋的屈服强度提高了，但没有出现流幅，尽管极限破坏强度没有变，但延性降低了，如图中的虚线所示。冷拉时效：如果停留一段时间后再进行张拉，则应力-应变曲线沿着O'KK'D'E'变化，屈服点从K又提高到K'点，即屈服强度进一步提高，且流幅较明显，这种现象称为时效硬化。但应注意，冷拉只能提高其抗拉强度，不能提高其抗压强度。2.2钢筋第六十页，共八十九页，2022年，8月28日2.2钢筋图2.23钢筋冷拉的曲线图2.24冷拔对钢筋曲线的影响第六十一页，共八十九页，2022年，8月28日2.冷拔

冷拔是将钢筋用强力数次拔过比其直径小的硬质合金模具。在冷拔的过程中，钢筋受到纵向拉力和横向压力的作用，其内部晶格发生变化，截面变小而长度增加，钢筋强度明显提高，但塑性则显著降低，且没有明显的屈服点，如图2.24所示。冷拔可以同时提高钢筋的抗拉强度和抗压强度。2.2钢筋第六十二页，共八十九页，2022年，8月28日3.冷轧带肋钢筋冷轧带肋钢筋是用热轧圆盘条经冷轧后，在其表面带有沿长度方向均匀分布的三面或二面横肋的钢筋，如图2.25所示。它的极限强度与冷拔低碳钢丝相近，但伸长率有明显提高。用这种钢筋逐步取代普通低碳钢筋和冷拔低碳钢丝，可以改善构件在正常使用阶段的受力性能且节省钢材。2.2钢筋第六十三页，共八十九页，2022年，8月28日2.2钢筋图2.25冷轧带肋钢筋示意图第六十四页，共八十九页，2022年，8月28日4.冷轧扭钢筋

冷轧扭钢筋是经专用钢筋冷轧扭机调直、冷轧并冷扭一次成型，具有规定截面形状和节距的连续螺旋状钢筋，如图2.26所示。(a)I型—矩形(b)Ⅱ型—菱形图2.26冷轧扭钢筋外形(t——轧扁厚度、l1——节距)2.2钢筋第六十五页，共八十九页，2022年，8月28日2.2.4钢筋的疲劳特性钢筋的疲劳是指钢筋在承受重复、周期性的动荷载作用下，经过一定次数后，突然脆性断裂，这种现象称为疲劳破坏。钢筋的疲劳强度与一次循环应力中的应力幅度有关，是指在某一规定应力幅度内，经受一定次数循环后发生疲劳破坏的最大应力值（小于正常值）。我国要求满足循环次数为200万次。钢筋疲劳断裂的原因：一般认为是首先从局部缺陷处形成细小裂纹，裂纹尖端处的应力集中使其逐渐扩展直至最后断裂。2.2钢筋第六十六页，共八十九页，2022年，8月28日2.2.5选用钢筋的原则钢砼结构及预应力砼结构的钢筋，应按下列规定选用：①钢砼结构中的钢筋和预应力砼结构中的非预应力钢筋宜优先采用HRB400级和HRB335级钢筋，以节省钢材，也可采用HPB235级和RRB400级热轧钢筋以及强度级别较低的冷拔、冷轧和冷轧扭钢筋。②预应力钢筋宜采用预应力钢绞线、中高强钢丝，也可以采用热处理钢筋，除此之外，还可以采用冷拉钢筋和强度级别较高的冷拔低碳钢丝和冷轧扭钢筋。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。2.2钢筋第六十七页，共八十九页，2022年，8月28日2.3.1粘结力钢筋与混凝土能够结合在一起共同工作，主要有两个因素：①二者具有相近的线膨胀系数；②由于混凝土硬化后，钢筋与混凝土之间产生了良好的粘结力。钢筋混凝土受力后会沿其接触面产生剪应力，通常把这种剪应力称为粘结应力。粘结作用可以用如图2.27所示的钢筋和其周围混凝土之间产生的粘结应力来说明。2.3钢筋与混凝土之间的粘结第六十八页，共八十九页，2022年，8月28日(a)锚固粘结应力(b)裂缝间的局部粘结应力图2.27钢筋和混凝土之间粘结应力示意图2.3钢筋与混凝土之间的粘结第六十九页，共八十九页，2022年，8月28日2.3.2粘结机理1.粘结力的组成一般粘结力由以下四部分组成：①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。②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。③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。④钢筋端部的锚固力：一般是通过钢筋端部的弯钩、弯折、在钢筋端部焊短钢筋或焊短角钢来提供的锚固力。2.3钢筋与混凝土之间的粘结第七十页，共八十九页，2022年，8月28日2.粘结强度钢筋的粘结强度通常采用如图2.28所示的直接拔出试验来测定，通常按下式计算平均粘结应力： (2-19)式中，P——拔出力；d——钢筋直径；——锚固长度。由拔出试验知，粘结应力和相对滑移曲线如图2.29所示，粘结性能与混凝土强度有关系，混凝土强度等级越高，粘结强度越大，相对滑移越小，粘结锚固性能越好，劈裂破坏粘结强度较高。2.3钢筋与混凝土之间的粘结第七十一页，共八十九页，2022年，8月28日图2.28钢筋拔出试验图2.29不同强度混凝土的黏结应力和相对滑移曲线2.3钢筋与混凝土之间的粘结第七十二页，共八十九页，2022年，8月28日2.3.3影响粘结性能的因素影响粘结强度的主要因素:混凝土强度、保护层厚度、钢筋净距、横向配筋、侧向压力以及浇注混凝土时钢筋的位置等。1.混凝土强度等级粘结强度与混凝土抗拉强度大致成正比关系。2.钢筋的外形、直径和表面状态变形钢筋的粘结强度较高;粗钢筋的粘结强度比细钢筋有明显降低。例如:d=32mm的钢筋比d=16mm的钢筋粘结强度约降低12%，设计中，对d>25mm的钢筋的锚固长度加以修正，其原因即在于此。2.3钢筋与混凝土之间的粘结第七十三页，共八十九页，2022年，8月28日3.混凝土保护层厚度与钢筋净距增大保护层厚度或钢筋之间保持一定的钢筋净距，可提高外围混凝土的抗劈裂能力，有利于粘结强度的充分发挥。4.横向钢筋箍筋能延迟和约束纵向裂缝的发展，阻止劈裂破坏，提高粘结强度。2.3钢筋与混凝土之间的粘结第七十四页，共八十九页，2022年，8月28日

5.侧向压力在侧向压力作用下，由于摩阻力和咬合力增加，粘结强度提高。但过大的侧压将导致混凝土裂缝提前出现，反而降低粘结强度。6.混凝土浇注状况若混凝土浇注方向与钢筋平行，粘结强度比浇注方向与钢筋垂直的情况有明显提高。2.3钢筋与混凝土之间的粘结第七十五页，共八十九页，2022年，8月28日2.4.1钢筋锚固与搭接的意义为了保证钢筋不被从混凝土中拔出或压出，除要求钢筋与混凝土之间有一定的粘结强度之外，还要求钢筋有良好的锚固。如：钢筋在端部设置弯钩、钢筋伸入支座一定的长度、钢筋搭接时有搭接长度等。所有这些构造要求，均是保证钢筋与混凝土之间的粘结。<规范>采取:不进行粘结计算，用构造措施来保证混凝土与钢筋的粘结。2.4钢筋锚固与接头构造第七十六页，共八十九页，2022年，8月28日通常采用的构造措施有：①对不同等级的混凝土和钢筋，规定了要保证最小搭接长度与锚固长度和考虑各级抗震设防时的最小搭接长度与锚固长度。②为了保证混凝土与钢筋之间有足够的粘结强度，必须满足混凝土保护层最小厚度和钢筋最小净距的要求。③在钢筋接头范围内应加密箍筋。④受力的光面钢筋端部应做弯钩。2.4钢筋锚固与接头构造第七十七页，共八十九页，2022年，8月28日2.4.2钢筋锚固的长度在钢筋与混凝土接触界面之间实现应力传递，建立结构承载所必须的工作应力的长度为钢筋的锚固长度。钢筋的基本锚固长度取决于钢筋强度及混凝土抗拉强度，并与钢筋的直径及外形有关。为了充分利用钢筋的抗拉强度，《规范》规定纵向受拉钢筋的锚固长度作为钢筋的基本锚固长度，可按式(2-20)计算。2.4钢筋锚固与接头构造第七十八页，共八十九页，2022年，8月28日普通钢筋： (2-20)预应力钢筋： (2-21)式中，——受拉钢筋的锚固长度；、——分别为普通钢筋、预应力钢筋的抗拉强度设计值；——混凝土轴心抗拉强度设计值；d——钢筋直径；——钢筋的外形系数，按表2-2取值。2.4钢筋锚固与接头构造第七十九页，共八十九页，2022年，8月28日钢筋类型光面钢筋带肋钢筋刻痕钢丝螺旋肋钢三股钢绞七股钢绞α0.160.140.190.130.160.17注：光面钢筋系指HPB235及盘条Q235级钢筋，其末端应做180°弯钩，弯后平直段长度不应小于3d，但作受压钢筋时可不做弯钩；带肋钢筋系指HRB335级、HRB400级钢筋及RRB400级余热处理钢筋。表2-2钢筋的外形系数2.4钢筋锚固与接头构造第八十页，共八十九页，2022年，8月28日钢筋的锚固可采用机械锚固的形式，主要有弯钩、贴焊钢筋及焊锚板等，如图2.30所示。采用机械锚固可以提高钢筋的锚固力，因此可以减少锚固长度，GB50010—2002规定的锚固长度修正系数(折减系数)为0.7，同时要有相应的配箍直径、间距及数量等构造措施。图2.30钢筋机械锚固的形式2.4钢筋锚固与接头构造第八十一页，共八十九页，2022年，8月28日2.4.3钢筋的连接钢筋长度不够时就需要把钢筋连接起来使用，但连接必