钢筋混凝土的力学性能

3钢筋与混凝土的力学性能本章主要论述了混凝土的力学性能（混凝土的立方体抗压强度、轴心抗压强度、轴心抗拉强度；混凝土的变形和混凝土的选用）和钢筋的力学性能。重点讨论了钢筋与混凝土之间的相互作用——粘结力。它们是学习混凝土结构设计原理和构造要求的基础。

本章提要本章内容3.1

钢筋3.2

混凝土3.3

钢筋与混凝土的相互作用－粘结力3.1钢筋有屈服点的钢筋试件在试验机上进行拉伸试验得出的典型应力－应变曲线如图3.1所示。其中颈缩现象如图3.2。对于有明显屈服点的钢筋取其屈服强度作为钢筋强度的限值——强度指标。

3.1.1钢筋的力学性能3.1.1.1有屈服点的钢筋反映钢筋塑性性能的基本指标是伸长率和冷弯性能。

伸长率是钢筋试件拉断后的伸长值与原长的比率。应按下式计算：图3.1钢筋的应力－应变曲线图3.2钢筋的颈缩无明显屈服点的钢筋试件在试验机上进行拉伸试验得出的典型应力－应变曲线如图3.3所示。实际设计中通常取相应于残余应变ε=0.2%时的应力σ0.2作为名义屈服点，即条件屈服强度。对于无明显屈服点的钢筋，由于其条件屈服点不容易测定，因此，这类钢筋的质量检验以其极限强度作为主要指标。《混凝土结构设计规范》规定，条件屈服强度σ0.2取极限强度σb的0.8倍，即：

σ0.2=0.8σb

3.1.1.2无屈服点的钢筋图3.3无明显屈服点钢筋钢筋在常温下的加工称为冷加工，常用冷拉、冷拔等方法。其目的就是使钢筋的内部组织结构发生变化，从而提高钢筋的强度，达到节约钢筋的目的。1.冷拉冷拉是把钢筋张拉到应力超过屈服点的某一应力值，然后放松钢筋，经时效硬化后再张拉钢筋时，则应力－应变曲线将发生变化，如图3.4所示。2.冷拔冷拔是在常温下将钢筋（热轧HPB235）用强力拔过比它直径小的硬质合金拔丝模，如图3.5，拔成比原来直径小的钢丝。3.1.1.3钢筋的冷加工图3.4钢筋冷拉的应力－应变曲线图3.5钢筋冷拔示意图1.钢筋的强度标准值

《混凝土结构设计规范》（GB50010—2002）规定，材料强度的标准值应具有不少于95%保证率。热轧钢筋的强度标准值根据屈服强度确定，用fyk表示。预应力钢绞线、钢丝和热处理钢筋的强度标准值根据极限抗拉强度确定，用fptk表示。普通钢筋、预应力钢筋的强度标准值见附表2、附表3。3.1.1.4钢筋的计算指标2.钢筋的强度设计值在进行钢筋混凝土结构构件承载力设计计算时，钢筋应采用强度设计值。钢筋强度设计值等于钢筋强度标准值除以钢筋材料分项系数γs，按不同钢筋种类，分别取γs=1.10~1.20。钢筋的强度设计值见附表4、附表5。3.1.2钢筋的种类我国《混凝土结构设计规范》中推荐的钢筋由碳素结构钢和普通低合金钢制成。我国常用的钢筋品种有以下几类（见图3.6）：

1.热轧钢筋

2.冷加工钢筋

3.热处理钢筋

4.钢丝

5.钢绞线图3.6常用钢筋形式

（1）有较高的强度和适宜的屈强比。

（2）塑性。要求有良好的塑性，使结构构件在破坏前有明显的预兆。

（3）钢筋与混凝土之间有良好的粘结力。

（4）具有良好的可焊性。

（5）在寒冷地区，钢筋的低温性能也要符合一定要求，不宜采用冷加工钢筋，以免发生脆性破坏。3.1.3钢筋的选用3.1.3.1混凝土结构对钢筋性能的要求

钢筋混凝土结构及预应力混凝土结构的钢筋，应按下列规定采用：

（1）普通钢筋宜采用HRB400级和HRB335级钢筋，也可采用HPB235级和RRB400级钢筋；

（2）预应力钢筋宜采用预应力钢绞线、钢丝，也可采用热处理钢筋。具体工程中，现浇楼板的钢筋和梁柱的箍筋多采用HPB235级钢筋；梁柱的受力筋多采用HRB335、HRB400和RRB400级钢筋；尺寸较大的构件有时也采用HRB335级钢筋作箍筋。3.1.3.2钢筋的选用3.2混凝土

混凝土是由水泥、水、粗骨料（碎石、卵石）、细骨料砂等材料按一定配合比，经混合搅拌，入模浇捣并养护硬化后形成的人工石材。

影响混凝土的强度和变形的主要因素有：原材料的性能；各组成成分的比例，尤其是水灰比的大小；施工方法（搅拌程度、浇捣的密实性、对混凝土的养护方法）等。混凝土的基本强度指标有立方体抗压强度、轴心抗压强度和轴心抗拉强度三种。3.2.1混凝土的强度

强度是指结构材料所能承受的某种极限应力。混凝土的强度是靠水泥的水化、硬化获得的。水泥的水化硬化早期快、后期慢，故混凝土强度的增长也是早期快、后期慢，但到28d龄期时强度的增长就不明显而趋于稳定。因此，规范以28d龄期时混凝土的强度为基准。

1.混凝土强度等级——立方体抗压强度fcu混凝土强度等级应按立方体抗压强度标准值确定。我国混凝土强度等级的确定方法是：用边长为150mm的立方体标准试件，在标准试验条件下养护28d，并用标准试验方法（C30以下的加载速度控制在0.3~0.5MPa/s范围；C30以上的加载速度控制在0.5~0.8MPa/s范围。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fcuk表示。

3.2.1.1混凝土的抗压强度2.轴心抗压裹强度fc立方体抗塌压强度不报能代表混旱凝土在实治际构件中狠的受力状贼态，只是犬作为在同靠一标准条痒件下比较就混凝土强趣度水平和供品质的标赚准。试验表摔明：用赏高宽比吐为2~3的棱柱体纹测得的抗球压强度与给以受压为忠主的混凝拿土构件中洽的混凝土券抗压强度饱基本一致护。因此，惯棱柱体挡的抗压甘强度可疫以作为公以受压娘为主的悉混凝土注抗压强罪度，称戒为轴心颤抗压强茧度，用所符号fc表示。混凝土救的抗拉溪性能很判差。混称凝土的延抗拉强凤度一般轻只有抗视压强度模的1/2长0~1指/8，且不与佩抗压强度拣成正比。破混凝土轴血心抗拉强滴度取棱柱震体（100m黑m×100摇mm×筹500奋mm，两端埋鼻有钢筋）找的抗拉极吃限强度为拔轴心抗拉马强度。混怠凝土构件疼的开裂、使变形以及第受剪、受禁扭、受冲序切等承载其力均与抗邻拉强度有狮关。根据试靠验得知含，fcu、fc、ft三者之镜间的关懒系是fcu＞fc＞ft。3.2.坟1.2混凝土的笼轴心抗拉距强度1.混凝土葛的强度绣标准值经统计倘分析，协并考虑讨结构中批混凝土溜强度与帖试件强受度之间罢的差异厘，《混凝土结参构设计规乡丰范》给出了混缴凝土强度高标准值，朴详见附表6。2.混凝土测的强度巴设计值蛙混凝土催强度设吸计值为赞混凝土校强度标羡准值除粘以混凝趟土的材陆料分项多系数γc，规范规讨定γc=1.背4，即fc=fck/γc，ft=ftk/γc。ft、fc见附表7。3.2.软1.3混凝土的庭强度计算泥指标3.2.够2混凝土的极变形混凝土变度形有两类虹：一类是荷载作之用下的绍受力变践形，包蜂括一次哪短期加炸荷时的笛变形、束多次重滔复加荷动时的变光形和长棚期荷载眼作用下语的变形忘；另一类门是体积变形柏，包括收固缩、膨胀帝和温度变检形。1.混凝土比在一次像短期加杆荷时的抬应力－倘应变关含系混凝土谷在一次固短期加纹荷时的挂应力－棵应变关忙系可通赖过对混凯凝土棱码柱体的眯受压或张受拉试率验测定们。混凝土洪受压时歌典型的遥应力－渣应变曲叮线如图3.7所示，本不同强扯度等级恐混凝土换的应力予－应变氧曲线如挂图3.8所示。混凝土受酒拉时的应械力－应变担曲线的形雨状与受压责时相似。裁对应于抗尝拉强度ft的应变εct很小，项计算时名可取εct=0.0宏015。3.2.惧2.1混凝土的输弹性模量2.混凝土的涂弹性模量肚混凝土的私应力σ与其弹抬性应变εce之比值称朴为混凝土辛的弹性江模量，用符号Ec表示。根谣据大量试丹验结果，腰混凝土规却范采用以仪下公式计徐算混凝土山的弹性模隶量：混凝土的配剪变模量吸是指剪应找力τ和剪应插变γ的比值复，即：混凝土货受压后增除产生目瞬时压专应变外涝，在维躲持其外悦力不变饼的条件稍下（即龙荷载长胜期不变厅），应第变随时屈间继续染增长的预现象，酒叫做混凝土的困徐变。如图3.9所示为一施砖加的初睡始压力膨为σ=0.怎5fc时的徐变迎与时间的迎关系。混凝土行的徐变县对混凝夺土结构遣构件的伸受力性较能有重歼要的影谱响：它将使抗结构构胸件的变脚形增加错；轴心粗受压构药件中钢念筋的应极力增加仍而混凝纤土的压场应力减育小的应育力重分滋布现象领产生；宴在预应贷力混凝弓土结构球构件中豆引起预厦应力损旧失等。3.2.汇2.2混凝土跪的徐变影响混凝帅土徐变的节主要因素族有：（1）构件中截肤面上的应布力愈大，隶徐变就愈牺大；构件连承载前，窝混凝土的需强度越高带，徐变就晶越小。（2）配合比、液水灰比越南大，徐变唐越大；骨明料的级配倘愈好，含起量愈高，小徐变愈小逃。（3）构件浇掘捣愈密看实，养酱护条件没愈好，雀徐变愈料小；反贴之，徐载变愈大链。图3.9混凝土青的徐变凡曲线混凝土在车空气中凝年结硬化时摇，体积减持小的现象死称为收缩变禁形。其规闲律见图3.1际0所示。收缩变货形是一雾种非受捆力变形弹；而徐夫变变形贴只有在纵受力达童到一定寇数值并族且持续毫作用下级才产生撑。影响混竞凝土收胸缩的主精要因素槐有：（1）水泥用量宗愈多，水魔灰比愈大砖，收缩愈凳大。（2）高标号富水泥制堂成的混盏凝土构缎件收缩脱大。（3）骨料级案配好，锋含量高座，骨料突的弹性惊模量大疫，收缩变小。3.2童.2.极3混凝土冶的收缩点变形（4）养护条漂件好，疤使用环吉境湿度穗大，收聋缩小。（5）混凝土密躲实度好，伞收缩小。吓图3.10混凝土鼠的收缩初变形和其它版许多材挺料一样传，当温企度发生听变化时例混凝土勤的体积抚也具有槐热胀冷饲缩的性惩质。《混凝土抓结构设卡计规范》规定，巩当温度总在0℃到100℃秧范围内时侮，混凝土产线膨胀系藏数αc可采用1×1蔽0-5/℃。温度变形革能使混凝芬土开裂，胃在某些场脏合应认真别对待。3.2.位2.4温度变捡形3.2涉.3混凝土的墓选用《混凝土坦结构设驱计规范》规定：钢筋混驼凝土结楼构的混秆凝土强脚度等级棕不应低衔于C15；当采用HRB抖335级钢筋立时，混腿凝土强兴度等级镰不宜低誉于C20；当采乖用HRB4甲00和RRB盟400级钢筋筹以及承缘瑞受重复薪荷载的痛构件，厕混凝土怖强度等驰级不得巷低于C20。预应力混惧凝土结构议的混凝土融强度等级肠不应低于C30；当采奶用钢绞惊线、钢洲丝、热凳处理钢预筋作预昆应力筋弟时，混铸凝土强清度等级其不宜低械于C40。3.3钢筋与混葛凝土的相航互作用－析粘结力粘结力是存在于科钢筋与混云凝土界面纤上的作用夏力。它反土映的是钢沉筋与混凝攀土交界面疯上沿钢筋付纵向的抗科剪能力。如图3.11所示。产生粘结逐力的主要狸因素是：（1）混凝土骂收缩将市钢筋紧苹紧握固件而产生泰的摩擦岁力；（2）混凝土颗吩粒与钢筋处表面产生吊的化学粘学合力；（3）由于钢扁筋表面伏凹凸不迁平与混车凝土之治间产生抹的机械究咬合力逝。3.3葡.1粘结力的剥概念和作窄用图3.1井1钢筋与错混凝土序之间的留粘结3.3偶.2粘结力织的测定粘结力的掉测定一般什采用拔出线试验方法卫，如图3.12所示。粘结强度fτ可由下式部计算根据拔剧出试验妇可知：蠢（1）粘结应肆力按曲帅线分布蜻，最大添粘结应仿力在离扇开端部远的某一坊位置出翻现，且绪随拔出暮力的大虎小而变锈；（2）钢筋埋入社长度越长邪，拔出力崇越大，但暂埋入过长刑则尾部的侵粘结力很透小，甚至慌为零；（3）粘结强绕度随混饮凝土强趟度等级备的提高剩而增大言；（4）变形钢筋救的粘结强墨度比光面幻玉钢筋的大刻；但若在罚光面钢筋恩末端做弯驶钩，则拔丽出力大大晃提高。图3.1外2钢筋拔出愈试验中粘拘结应力分铃布图规范根稠据拔出努试验给句出受拉庭钢筋的络基本锚荣固长度馅为其中，锚押固钢筋的起外形系数北按表3.1取值。构件中钢背筋的实际幻玉锚固长度双，应根据寇钢筋的受联力情况、撑保护层厚贴度、钢筋谷形式等对做粘结强度圾的影响，摸采用基本也锚固长度苦乘以一定鹊修正系数央。3.3.补3保证钢尽筋和混乖凝土之穷间粘结孟力的措匠施3.3.亦3.1纵向受拉坚钢筋的基挎本锚固长局度表3.1锚固钢筋热的外形系袍数α钢筋类型光面钢筋带肋钢筋三面刻痕钢丝螺旋肋钢丝三股钢绞线七股钢绞线钢筋外形系数α0.160.140.190.130.160.17钢筋的翁连接可彼分为