第1章钢筋和混凝土材料力学性能

第1章钢筋和混凝土材料力学性能第一页，共48页。一.用于普通钢筋混凝土的钢筋1.1.1钢筋的形式和品种混凝土结构中采用的钢筋有柔性钢筋和劲性钢筋两种。1柔性钢筋(线形的普通钢筋)热轧钢筋:

低碳钢、普通低合金钢在高温状态下轧制而成。

低碳钢指碳的质量分数小于0.25%，普通低合金钢中有少量合金元素。

HPB300（Ⅰ级钢）

HRB335（Ⅱ级钢）

HRB400（Ⅲ级钢）

HRB500（Ⅳ级钢）热轧低碳钢，光圆锚固差低合金钢，带肋（Ribbed），强度高，具有较好的延性、可焊性、锚固和机械连接性能及施工适应性

第二页，共48页。图2-20钢筋的外形（a)光圆钢筋；(b)螺旋纹钢筋；(c)人字纹钢筋；(d)月牙纹钢筋线形的普通钢筋统称为柔性钢筋，其外形有光圆和带肋两类。第三页，共48页。1.1.1钢筋的形式和品种余热处理钢筋:

由轧制钢筋经高温淬水，后余热处理而成。

RRB400（Ⅲ级钢）细晶粒带肋钢筋:

采用控温轧制工艺而成。

HRBF335、HRBF400、HRBF500300—钢筋屈服强度标准值

fyk

（N/mm2）（教材P383附表2）R—余热处理（Remainedheattreatment）

强度高，但延性、可焊性、机械连接性能及施工适应性降低（新规范首次列入）第四页，共48页。

劲性钢筋

劲性钢筋是指配置在混凝土中的各种型钢、钢轨或者用钢板焊成的钢骨架。劲性钢筋本身刚度很大，施工时模板及混凝土的重力可以由劲性钢筋本身来承担，因此能加速并简化支模工作。配置了劲性钢筋的混凝土结构具有较大的承载能力和变形能力，常用于高层建筑的框架梁、柱以及剪力墙和筒体结构中。第五页，共48页。二.用于预应力混凝土的钢筋中强度预应力钢丝（新增）：直径5、7、9mm，光面，螺旋肋

预应力螺纹钢筋（新增）：直径18—50mm消除应力钢丝：直径5、7、9mm，光面，螺旋肋钢绞线：由三股或七股高强钢丝捻制而成三.规范规定（1）根据修改后的钢筋产品标准，不再限制钢筋的化学成分和制作工艺，而按性能确定钢筋牌号和强度级别，并以相应符号表达；（2）根据“四节一环保”要求，提倡采用高强、高性能钢筋；（3）推广400、500级高强热轧钢筋作为纵向受力的主导钢筋，限制并准备淘汰335级热轧钢筋的应用；（4）用HPB300光圆筋逐渐取代HPB235作为箍筋；（5）不再列入冷加工钢筋和刻痕钢丝作为预应力筋。第六页，共48页。四钢材的选用原则钢材的选用原则应该是：即能使结构安全可靠和满足使用要求，又要最大可能节约钢材和降低造价。不同使用条件，应当有不同的质量要求。为保证承重结构的承载力和防止在一定条件下可能出现的脆性破坏，应综合考虑下列因素，选用合适的钢材牌号和级别。第七页，共48页。五工程应用

《混凝土结构设计规范》提出了推广高强度、高性能钢筋HRB400和HRB500的要求。因此，本教材的例题中，对梁、柱的纵向受力钢筋将主要采用这两种钢筋，特别是HRB400。箍筋宜采用HRB400、HRBF400、HRB335和HPB300。光圆钢筋HPB300虽然也可用作纵向受力钢筋，因其强度较低，故主要用作箍筋。当HRB500和HRBF500用作箍筋时，只能用于约束混凝土的间接钢筋，即螺旋箍筋或焊接环筋，见5.2.2节。细晶粒系列HRBF钢筋、HRB500和热处理钢筋RRB400都不能用作承受疲劳作用的钢筋，这时宜采用HRB400钢筋。工地上常把上述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。第八页，共48页。1.1.2钢筋的力学性能一.软钢（有明显屈服点）的应力应变曲线（热轧钢筋，单调拉伸试验）第九页，共48页。

四个阶段：

弹性阶段—oa段

a´点应力：比例极限

a点应力：弹性极限

屈服阶段—bf段

b，c两点：上，下屈服点

c点应力：屈服强度fy0

（或流限，

是确定钢筋强度设计值fy

（附表2）的依据）

c，f之间的ε值：流幅

强化阶段—fd段

d点应力：极限抗拉强度fst0

颈缩阶段—de段

标志即将破坏第十页，共48页。二.硬钢（无明显屈服点）的应力应变曲线（预应力钢丝、钢绞线）

规范规定：

取残余应变的0.2%所对应的应力作为设计强度指标，即条件屈服强度，取为σ0.2=0.85σb

规范为fptk规范为fpykfy0（试验值）fyk（标准值）fy（设计值）（规范表4.2.2-1、2）（规范表4.2.3-1、2）95%保证率除以材料分项系数（第三章）第十一页，共48页。第十二页，共48页。第十三页，共48页。第十四页，共48页。1.1.3钢筋的冷加工和热处理

一.冷拉与冷拔冷拉：冷拉热轧钢筋，抗拉强度提高（冷拉强化），塑性降低，仍有屈服点和流幅冷拔：冷拔低碳钢丝，抗拉强度、抗压强度均提高，塑性降低，没有明显的屈服点和流幅

（冷拉钢筋和冷拔钢丝不宜推广使用，规范已去除，但在满足特定标准时仍可使用。）第十五页，共48页。二.热处理

对特定钢号的钢筋进行淬火和回火处理不降低强度的前提下，消除由淬火产生的内力，改善塑性和韧性强度提高塑性降低第十六页，共48页。1.1.4对钢筋质量的要求（1）屈服强度fy(fpy)高

是钢筋最关键的质量指标。设计时取屈服强度(或条件屈服强度)作为可以利用的应力上限,也就是钢筋的强度。（2）极限抗拉强度fst(fpt)高当接近此强度时，产生较大的塑性变形。同屈服强度相比，极限强度越高，材料安全储备越大。要求fst

/fy

（强屈比）≥1.25，或fy

/fst（屈强比）≤0.8（3）伸长率大（最大力下总伸长率）

反映钢筋受拉时的塑性性质。伸长率大,塑性好。（规范新规定4.2.4条）（4）冷弯性能好

按规定的直径D,规定的弯心角α对试件弯曲,合格的标准是不出现裂纹或断裂。第十七页，共48页。第十八页，共48页。1.1.5钢筋的蠕变、松弛和疲劳蠕变应力不变，随时间增长应变继续增加松弛长度不变，随时间增长应力降低对结构，尤其是预应力结构，产生不利影响，需采取必要措施。疲劳钢筋在周期性重复荷载作用下发生疲劳破坏。疲劳强度是指在规定的应力幅度内，经一定次数的重复荷载后，发生疲劳破坏的最大应力值。对钢筋用不同疲劳应力比值时得疲劳应力幅限值表示疲劳强度(附表9)（新规范将区间取值改为插值取值）。f第十九页，共48页。第二十页，共48页。1.2混凝土的强度等级混凝土强度等级按立方体抗压强度标准值fcu,k确定，用符号C表示，如C30表示fcu,k=30N/mm2

。14个等级C15~C80，级差5N/mm2。C50以上为高强混凝土。新《规范》规定：（比原规范提高）钢筋混凝土结构的混凝土强度等级不应低于C20；当采用400级及以上的钢筋时，不应低于C25。承受重复荷载的构件，不应低于C30。

预应力混凝土结构的混凝土强度等级不宜低于C40，且不应低于C30。第二十一页，共48页。1.2.1混凝土的强度一.立方体抗压强度fcu承压板试块摩擦力不涂润滑剂涂润滑剂强度大于1.试验：边长150mm的立方体，标准养护条件、标准试验方法我国规范：

不涂润滑剂2.标准值fcu,k

：温度、湿度、龄期加载速度、是否涂润滑剂具有95%保证率的立方体抗压强度；是衡量混凝土强度大小的基本指标；是评定混凝土等级的标准；不能直接用于结构设计。第二十二页，共48页。3.影响强度的因素：龄期越长，强度越高（规范规定28d或设计规定的龄期）加载越快，强度越高试块尺寸越小，强度越高

尺寸效应：（非标试件试验值乘以换算系数，转换为标准试件的试验值）

200mm的试件×1.05，

100mm的试件×0.95

考虑到粉煤灰等矿物掺和料的应用及工程实际，可适当延长第二十三页，共48页。二.轴心抗压强度（棱柱体强度)fc

（P12)承压板试件标准试件：150×150×300非标准试件：100×100×300换算系数

0.95200×200×400换算系数

1.05考虑到承压板对试件的约束，

fcu0＞

fc0，且大致呈线性关系考虑到构件和试件的区别，取修正系数0.88不同混凝土等级的fck见附表1fck=0.88fcu,k第二十四页，共48页。三.混凝土的轴心抗拉强度ft（P13)（直接受拉试验、弯折试验、劈裂试验

）100100150150500不同混凝土等级的ftk见附表1

ftk

=0.88×0.395fcuk0.55(1-1.645)0.45×试验结果：ft0

＜＜

fcu0，且不成线性关系第二十五页，共48页。四.复杂受力状态下的混凝土的强度三向受压时的混凝土强度1=fcc’1=fcc’2=3=fLfL----侧向约束压应力（加液压）双轴应力下的强度1.01.01.21.2-0.2-0.22/fc1/fc拉压双向正应力下的强度曲线圆柱体试验抗压强度随侧压力增大而提高，工程中常用箍筋加强抗压强度随另一向压力增大而提高抗压（拉）强度随另一向拉（压）力增大而降低抗拉强度随另一向拉力改变而变化不大第二十六页，共48页。1.2.2荷载作用下混凝土的变形性能一.混凝土的应力-应变关系下降段（棱柱体单调短期轴压试验

）1.变形阶段时，弹性，微裂缝不开展时，非弹性，微裂缝稳定开展时，塑性明显，微裂缝不稳定开展应力逐渐减小,应变不断加大出现宏观裂缝有反弯点、收敛点ε0εmaxfc0反弯点收敛点上升段第二十七页，共48页。混凝土强度（图2-13）越高，

上升段影响不大，fc0越大，ε0越大，

下降段越陡峭，εmax越小，延性越差2.曲线特征值ε0εmaxfc0反弯点收敛点

fc0—应力峰值ε0—峰值应变一般取0.002εmax—极限压应变一般取0.00333.影响因素加载速度越快，fc0越大，ε0越小，

下降段越陡峭箍筋量越多，

fc0越大，ε0越大，

下降段越平缓一.混凝土的应力-应变关系第二十八页，共48页。二.混凝土在重复荷载下的应力-应变关系fcf321疲劳强度破坏当压应力不超过混凝土疲劳强度时,不会发生破坏。当压应力超过混凝土疲劳强度，多次重复加卸载后即会发生脆性的疲劳破坏。重复荷载是在一个方向加压、卸载、再加压、再卸载的循环过程。对吊车梁、桥梁等构件，应进行疲劳验算。承受200万次或以上循环重复荷载而发生疲劳破坏的压应力值疲劳强度——修正系数＜1，见规范第二十九页，共48页。三.混凝土的弹性模量原点切线模量（弹性模量）变形模量（割线模量、弹塑性模量）切线模量弹性系数：受压时为0.4~1.0；受拉时为1.010ccep原点切线割线切线拉压相同，适用于一般内力分析和设计适用于非线性内力分析适用于理论研究（附表3）第三十页，共48页。1.2.3混凝土的徐变和收缩一.荷载长期作用下的变形性能----徐变凝胶体粘性流动内部微裂缝开展c<0.5fc，线性徐变c<0.8fc，非线性徐变e’e’’cr’0.51.01.52.02.505101520253035(×10-3)(月)creP1.徐变概念混凝土在荷载长期作用下产生随时间而增长的变形2.徐变成因3.徐变规律前期增长快6个月完成70~80%以后徐变逐渐缓慢2~3年后趋于稳定

第三十一页，共48页。

应力：

c<0.5fc，徐变变形与应力成正比----线性徐变

0.5fc<c<0.8fc，非线性徐变

c>0.8fc，徐变不稳定，造成混凝土脆性破坏

加荷时混凝土的龄期越早，徐变越大

水泥用量越多，水灰比越高，徐变越大

骨料越硬，徐变越小

养护温度越高，湿度越大，徐变越小

构件体表比越小，徐变越大4.影响徐变的因素通常混凝土在长期荷载下的强度取0.8fc第三十二页，共48页。

s，c5.徐变对混凝土结构的影响增大构件变形2-4倍产生预应力损失在高应力下导致构件破坏有利于构件产生内力重分布减小支座不均匀沉降的内力减小大体积混凝土内的温度应力减少收缩裂缝第三十三页，共48页。二.混凝土的收缩

水泥等级越高，收缩越大水泥用量越多，水灰比越大，收缩越大

骨料越硬，收缩越小

养护条件、制作方法、使用环境、体表比等空气中结硬过程中混凝土体积缩小的性质1.收缩概念2.影响收缩的因素3.收缩对结构的影响

钢筋受压，混凝土受拉产生预应力损失不利于构件的内力重分布产生收缩应力和裂缝第三十四页，共48页。1.3.1钢筋和混凝土间的粘结一.粘结的概念粘结应力钢筋与混凝土界面沿纵向的剪应力τb由平衡条件得

存在钢筋应力变化的区段，就有粘结应力

由于存在粘结应力，钢筋应力才会在长度向变化粘结强度钢筋单位表面积上能承担的最大纵向剪应力第三十五页，共48页。

混凝土中的水泥胶体与钢筋表面的胶结力（钢筋和混凝土相对滑动后消失）。混凝土因收缩将钢筋握紧而产生的摩擦力。钢筋表面凹凸不平与混凝土的机械咬合力（光面钢筋凹凸程度较小，端部加弯钩阻止相对滑移）。粘结力胶结力摩擦力机械咬合力二.粘结力的组成对光圆钢筋，主要是胶结力对变形钢筋，主要是摩擦力当粘结力较小时，主要是胶结力当粘结力较大时，主要是摩擦力第三十六页，共48页。纵向分量径向分量径向分量产生内部径向裂缝，形成纵向劈裂型粘结破坏1.光面钢筋:钢筋自混凝土被拔出的剪切破坏2.变形钢筋:三.粘结破坏形态（拔出试验）混凝土保护层、钢筋间距较小时（配置横向钢筋或使保护层厚度较大，可阻止劈裂破坏）环向拉力第三十七页，共48页。纵向分量径向分量纵向分量引起混凝土撕裂纵向分量引起混凝土局部挤碎纵向分量引起刮出式破坏使钢筋周围混凝土轴向受拉、受剪产生内部斜向锥形裂缝第三十八页，共48页。1.锚固粘结(钢筋的锚固)

若锚固的深度较小时,在拉力作用下,钢筋会被拔出。锚固通过钢筋在一定长度上粘结应力的积累,将钢筋锚固在混凝土中。

2.裂缝附近的局部粘结(裂缝间应力的传递)

裂缝截面处，由于混凝土开裂，拉应力为零，钢筋应力最大，离开裂缝一段距离，由于粘结作用，混凝土逐渐承受拉力，钢筋承受的拉力渐小，离开裂缝截面的距离达到一定程度，拉应力达到最大值，钢筋的应力达到最小值，因此，粘结力使混凝土继续参加工作。四.按粘结的作用分类第三十九页，共48页。1.钢筋表面和外形特征变形钢筋高于光面钢筋2.混凝土的强度随混凝土强度的提高而提高,但不成正比。影响因素钢筋表面和外形特征混凝土强度保护层厚度和钢筋间距横向钢筋五.影响粘结强度的主要因素第四十页，共48页。4.横向钢筋横向钢筋的存在限制径向裂缝的发展。随厚度增大而提高，当c>d时，防止劈裂裂缝。当钢筋净距较小时(s<2c)，其外围混凝土将沿钢筋水平处发生贯穿整个梁宽的水平劈裂裂缝。3.保护层厚度和钢筋间距第四十一页，共48页。六.保证粘结力的构造措施钢筋的最小搭接长度钢筋最小锚固长度钢筋的最小间距混凝土保护层的最小厚度搭接范围内箍筋加密受力光面钢筋端部做弯钩规范不进行粘结计算，规定了若干构造措施:第四十二页，共48页。1.3.2钢筋混凝土的一般构造规定一.混凝土保护层厚度

受力钢筋：c≥d

或c≥deq（并筋的等效直径）最外层钢筋：满足规范表