钢筋和混凝土材料力学性能

钢筋和混凝土材料力学性能第一章钢筋和混凝土材料力学性能混凝土结构基本原理钢筋和混凝土材料力学性能全文共53页，当前为第1页。钢筋和混凝土材料力学性能第一章钢筋和混凝土材料力学钢筋普通混凝土钢筋与混凝土之间的粘结钢筋和混凝土材料力学性能全文共53页，当前为第2页。钢筋和混凝土材料力学性能一、钢筋的强度和变形

1.钢筋的成分、级别和品种按化学成分碳素钢（铁、碳、硅、锰、硫、磷等元素）低碳钢（含碳量<0.25%）中碳钢（含碳量0.25~0.6%）高碳钢（含碳量0.6~1.4%）普通低合金钢（另加硅、锰、钛、钒、铬等）硅系硅钒系硅钛系硅锰系20MnSiNb20：含碳量的万分数化学元素：表示其平均含量均不超过1.5%钢筋和混凝土材料力学性能全文共53页，当前为第3页。钢筋和混凝土材料力学性能钢筋热轧钢筋hotrolledsteelreinforcingbars

（软钢）：热轧光面钢筋（hotrolledplainbars）：HPB300（Ⅰ级）热轧带肋钢筋（hotrolledribbedbars）：

HRB335（Ⅱ级）、HRB400（Ⅲ级）、HRB500

（Ⅳ级）冷加工钢筋：由热轧钢筋在常温下采用某种工艺加工热处理钢筋（硬钢）：将屈服强度相当于HRB335钢筋通过加热、淬火、回火处理而成：RRB400（remainedheatribbedbars

）按加工方式钢丝碳素钢丝（硬钢）：高碳镇静钢通过多次冷拔、应力消除、矫正、回火处理而成刻痕钢丝（硬钢）

：在钢丝表面刻痕，以增强其与混凝土间的粘结力钢绞线（硬钢）

：多根相同直径的钢丝成螺旋状铰绕在一起，多为3股或7股冷拔低碳钢丝：由低碳钢冷拔而成钢筋和混凝土材料力学性能全文共53页，当前为第4页。钢筋和混凝土材料力学性能钢筋的符号说明HPB300屈服强度生产工艺：hotrolled表面形状：plain钢筋：barHRB335hotrolledribbedbarRRB400RemainedheattreatmentribbedbarHRBF500细晶粒：fine钢筋和混凝土材料力学性能全文共53页，当前为第5页。钢筋和混凝土材料力学性能按表面形状光圆钢筋变形钢筋钢筋和混凝土材料力学性能全文共53页，当前为第6页。钢筋和混凝土材料力学性能2.钢筋的应力-应变曲线上屈服点不稳定下屈服点极限抗拉强度D点以后出现颈缩拉断BC段为屈服平台CD段为强化段0.2%

0.2标距有明显流幅的钢筋无明显流幅的钢筋钢筋受压和受拉时的应力-应变曲线几乎相同

AB’BCDEA‘Es=σ/ε弹性极限比例极限条件屈服极限钢筋和混凝土材料力学性能全文共53页，当前为第7页。钢筋和混凝土材料力学性能

AB’BCDE明显流幅的钢筋（软钢）：屈服强度：下屈服点用途：设计时钢筋强度取值的主要依据原因：钢筋屈服后会产生大的塑性变形，钢筋混凝土构件会产生不可恢复的变形和不可闭合的裂缝极限强度：曲线最高点用途：强度储备屈强比=屈服强度/极限强度：不大于（抗震结构）0.2%

0.2无明显流幅的钢筋（硬钢）：极限强度屈服强度：残余应变为0.2%时所对应的应力。钢筋和混凝土材料力学性能全文共53页，当前为第8页。钢筋和混凝土材料力学性能强度指标的确定强度随机变量强度标准值根据统计资料，运用数理统计方法确定的具有一定保证率（钢筋为97.73%）（《建筑结构可靠度设计统一标准》要求不小于95%的保证率）的统计特征值：强度标准值=强度平均值-2×均方差概率密度材料强度强度平均值强度标准值钢筋和混凝土材料力学性能全文共53页，当前为第9页。钢筋和混凝土材料力学性能冷弯性能：钢材在常温下冷加工弯曲时产生塑性变形的能力

合格标准：在规定的弯心直径D和冷弯角度冷弯后的钢筋应无裂纹、鳞落或断裂

伸长率：钢筋拉断后的伸长与原长的比值均匀伸长率：对应于最大应力时的应变，包括了残余应变和弹性应变，反映了钢筋的真实变形能力钢筋和混凝土材料力学性能全文共53页，当前为第10页。钢筋和混凝土材料力学性能5.钢筋的冷加工和热处理冷拉

BKZ残余变形冷拉伸长率无时效经时效温度的影响：温度过高（450ºC以上）强度有所降低，温度超700ºC时恢复到冷拉前的状态，不会发生时效硬化。为了避免冷拉钢筋焊接时发生高温软化，先焊后拉特性：只提高抗拉强度，不提高抗压强度，屈服强度提高，塑性下降Z’K’冷拉控制应力冷拉率冷拉工艺：控制应力；控制应变钢筋和混凝土材料力学性能全文共53页，当前为第11页。钢筋和混凝土材料力学性能冷拔经过冷拔后钢筋没有明显的屈服点和流幅，属于硬钢冷拔既能提高抗拉强度又能提高抗压强度经过冷拔后钢筋强度显著提高，塑性显著下降钢筋和混凝土材料力学性能全文共53页，当前为第12页。钢筋和混凝土材料力学性能热处理对特定钢号的热轧钢筋进行加热、淬火和回火等工艺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，塑性降低钢筋和混凝土材料力学性能全文共53页，当前为第13页。钢筋和混凝土材料力学性能

6.钢筋的徐变和松弛徐变应力不变，随时间的增长应变继续增加松弛长度不变，随时间的增长应力降低对结构，尤其是预应力结构，产生不利的影响，需采取必要的措施钢筋和混凝土材料力学性能全文共53页，当前为第14页。钢筋和混凝土材料力学性能7.钢筋应力-应变曲线的数学模型

s

s

s=Es

s

y

s,hfy

s

s

s=Es

s

y

s,hfyfs,u

s,u

s,u

s

s

s=Es

s

yfy

s,hfs,u有明显流幅的钢筋无明显流幅的钢筋双直线（完全弹塑性模型）：适用于流幅较长的低强度钢筋。·

三折线（完全弹塑性加硬化模型）：适用于流幅较短的软钢。·

三斜线（弹塑性模型）：适用于没有流幅的高强钢筋。钢筋和混凝土材料力学性能全文共53页，当前为第15页。钢筋和混凝土材料力学性能

1）强度：要求钢筋有足够的强度和适宜的强屈比(极限强度与屈服强度的比值)。例如，对抗震等级为一、二级的框架结构，其纵向受力钢筋的实际强屈比不应小于1.25。

2）塑性：要求钢筋应有足够的变形能力。

3）可焊性：要求钢筋焊接后不产生裂缝和过大的变形，焊接接头性能良好。

4）与混凝土的粘结力：要求钢筋与混凝土之间有足够的粘结力，以保证两者共同工作。8钢筋混凝土结构对钢筋性能的要求钢筋和混凝土材料力学性能全文共53页，当前为第16页。钢筋和混凝土材料力学性能普通受力钢筋（钢筋混凝土结构中的钢筋和预应力混凝土结构中的非预应力钢筋）：宜采用HRB400、HRB500（主导钢筋），HRB335，也可采用HPB300，RRB400预应力钢筋：中强度预应力钢丝，钢绞线，预应力螺纹钢筋、热处理钢筋HPB300（光圆钢筋）：现浇楼板的受力钢筋；梁、柱等构件的箍筋HRB335、HRB400、RRB400（变形钢筋）：梁柱的受力钢筋；HRB335还可以用在梁柱等构件的箍筋；梁柱等构件的纵向受力钢筋宜优先选用HRB400、HRB500、RRB400钢筋和混凝土材料力学性能全文共53页，当前为第17页。钢筋和混凝土材料力学性能普通钢筋强度标准值（N/mm2）-新规范牌号符号公称直径mm屈服强度标准值极限强度标准值HPB300Φ6~22300420HRB335HRBF3356~50335455HRB400HRBF400RRB4006~50400540HRB500HRBF5006~50500630FRFF钢筋和混凝土材料力学性能全文共53页，当前为第18页。钢筋和混凝土材料力学性能2.1混凝土的物理力学性能混凝土的组成结构混凝土（砼）：由水泥、砂、石用水拌合经过凝结硬化后形成的人工石材。通常把混凝土的结构分为三种类型：Ａ.微观结构：骨料、界面、水泥凝胶、晶体骨架、未水化完的水泥颗粒和凝胶孔等多相复合材料。Ｂ.亚微观结构：骨料、界面、水泥砂浆三相复合材料。Ｃ.宏观结构：水泥砂浆和粗骨料两相复合材料。注意：1.骨料的分布及骨料与基相之间在界面的结合强度是影响混凝土强度的重要因素；

2.在荷载的作用下，微裂缝的扩展对混凝土的力学性能有着极为重要的影响。二、混凝土的强度和变形

钢筋和混凝土材料力学性能全文共53页，当前为第19页。钢筋和混凝土材料力学性能2.1混凝土混凝土结构中，主要是利用它的抗压强度。因此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抗压强度来划分的2.1混凝土的物理力学性能

1）立方体抗压强度：边长为150mm的混凝土立方体试件，在标准条件下（温度为20±3℃，湿度≥90%）养护28天，用标准试验方法（加载速度0.3~0.5N/mm2/s(混凝土强度等级<C30);0.5~0.8N/mm2/s(混凝土强度等级C30~C60);0.8~1.0N/mm2/s(混凝土强度等级>C60);两端不涂润滑剂）测得的具有95%保证率的抗压强度，用符号C表示。

二、混凝土的强度和变形

1.单轴受力状态下混凝土的抗压强度钢筋和混凝土材料力学性能全文共53页，当前为第20页。钢筋和混凝土材料力学性能标准试块：150×150×150非标准试块：100×100×100200×200×200立方体抗压强度是评定混凝土强度等级的指标，《规范》根据强度范围，从C15~C80共划分为14个强度等级，级差为5N/mm2。C15，C20，C25，C30，C35，C40，C45，C50，C55，C60，C65，C70，C75，C80（C50以上为高强混凝土）表示混凝土Concrete立方体抗压强度尺寸效应与换算系数钢筋和混凝土材料力学性能全文共53页，当前为第21页。钢筋和混凝土材料力学性能立方体抗压强度的影响因素承压板试块摩擦力不涂润滑剂涂润滑剂强度大于我国规范的方法：不涂润滑剂压力试件裂缝发展扩张整个体系解体，丧失承载力影响强度的因素：试验方法、龄期、加载速率、试块尺寸等试验录像钢筋和混凝土材料力学性能全文共53页，当前为第22页。钢筋和混凝土材料力学性能2)棱柱体抗压强度（轴心抗压强度）fc承压板试块标准试块：150×150×300非标准试块：100×100×300200×200×400考虑到承压板对试件的约束，立方体抗压强度大于棱柱体抗压强度，且有：fcfcu(试验结果)考虑到构件和试件的区别，取fcfcu国外（美国、日本、欧洲混凝土协会等）采用的圆柱体试件（d=150,h=300），有fc’=（）fcu圆柱体抗压强度试验录像钢筋和混凝土材料力学性能全文共53页，当前为第23页。钢筋和混凝土材料力学性能考虑到实际结构构件制作、养护和受力情况，实际构件强度与试件强度之间存在差异，《规范》基于安全取偏低值，规定轴心抗压强度标准值和立方体抗压强度标准值的换算关系为：

式中：k１为棱柱体强度与立方体强度之比，对不大于C50级的混凝土取0.76，对C80取0.82，其间按线性插值。k2为高强混凝土的脆性折减系数，对C40取1.0，对C80取0.87，中间按直线规律变化取值。0.88为考虑实际结构的砼强度与试件砼强度之间的差异而取用的折减系数。

fcu,k立方体抗压强度标准值即为混凝土强度等级C30表示fcu,k=30N/mm2钢筋和混凝土材料力学性能全文共53页，当前为第24页。钢筋和混凝土材料力学性能二、混凝土的强度和变形

2.单轴受力状态下混凝土的抗拉强度轴心抗拉强度ft试验结果：ftfcu2/3考虑到构件和试件的区别，尺寸效应，加荷速度等的影响，取ftfcu2/310010015015050016钢筋和混凝土材料力学性能全文共53页，当前为第25页。钢筋和混凝土材料力学性能劈拉强度fts根据试验结果回归分析劈拉强度平均值与抗压强度平均值之间的关系：ftsfcu3/4试验录像FftsdFFdF弧形钢垫条木质三合板垫层钢筋和混凝土材料力学性能全文共53页，当前为第26页。钢筋和混凝土材料力学性能2.1混凝土的物理力学性能

《混凝土结构设计规范》规定轴心抗拉强度标准值与立方体抗压强度标准值的换算关系为：混凝土轴心抗拉强度与立方体抗压强度的关系钢筋和混凝土材料力学性能全文共53页，当前为第27页。钢筋和混凝土材料力学性能二、混凝土的强度和变形

2.复合受力状态下混凝土的抗压强度双轴应力下的强度1.01.01.21.2-0.2-0.2

2/fc

1/fc拉压

/fc

/fc0.20.1-0.1

0.00.61.0单轴抗拉强度单轴抗压强度双向正应力下的强度曲线法向应力和剪应力下的强度曲线钢筋和混凝土材料力学性能全文共53页，当前为第28页。钢筋和混凝土材料力学性能二、混凝土的强度和变形

2.复合受力状态下混凝土的抗压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）圆柱体试验有等侧向压应力σ2时的圆柱体抗压强度无侧向约束时圆柱体的单轴抗压强度钢筋和混凝土材料力学性能全文共53页，当前为第29页。钢筋和混凝土材料力学性能二、混凝土的强度和变形

3.混凝土的疲劳强度破坏重复荷载下的应力-应变曲线fcf

3

2

1

疲劳强度<fcfcf的确定原则：100×100×300或150×150×450的棱柱体试块，加载应力fc，试件承受200万次（或以上）循环荷载时发生破坏的最大压应力值钢筋和混凝土材料力学性能全文共53页，当前为第30页。钢筋和混凝土材料力学性能

混凝土单轴受力时的应力-应变关系的重要性：反映了混凝土受力全过程的重要力学特征,是分析混凝土构件应力、建立承载力和变形计算理论的必要依据是利用计算机进行非线性分析的基础。试验方法：采用棱柱体试件，在普通试验机上采用等应力速度加载，达到轴心抗压强度fc时，试验机中集聚的弹性应变能大于试件所能吸收的应变能，会导致试件产生突然脆性破坏，只能测得应力-应变曲线的上升段。采用等应变速度加载，或在试件旁附设高弹性元件与试件一同受压，以吸收试验机内集聚的应变能，可以测得应力-应变曲线的下降段。二、混凝土的强度和变形4、单轴受压应力-应变关系（全曲线）钢筋和混凝土材料力学性能全文共53页，当前为第31页。钢筋和混凝土材料力学性能第二章钢筋和混凝土的材料性能2.1混凝土2.1混凝土的物理力学性能钢筋和混凝土材料力学性能全文共53页，当前为第32页。钢筋和混凝土材料力学性能02468102030s(MPa)e×10-3第二章钢筋和混凝土的材料性能2.2混凝土BACEDA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，由于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，应变增长开始加快，应力-应变曲线逐渐偏离直线。微裂缝的发展导致混凝土的横向变形增加。但该阶段微裂缝的发展是稳定的。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的发展造成的。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sBfc，高强强度混凝土sBfc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点的应变e=(2~3)e0，应力s=(0.4~0.6)fc。2.1混凝土的物理力学性能钢筋和混凝土材料力学性能全文共53页，当前为第33页。钢筋和混凝土材料力学性能第二章钢筋和混凝土的材料性能强度等级越高，线弹性段越长，峰值应变也有所增大。但高强混凝土中，砂浆与骨料的粘结很强，密实性好，微裂缝很少，最后的破坏往往是骨料破坏，破坏时脆性越显著，下降段越陡。试验录像不同混凝土强度等级的应力-应变曲线钢筋和混凝土材料力学性能全文共53页，当前为第34页。钢筋和混凝土材料力学性能二、混凝土的强度和变形

4.单轴受压应力-应变关系混凝土应力-应变曲线的数学模型（本构方程）

u=0.0038

0=0.002o

cfc

c0.15fc

u=0.0035

0=0.002o

cfc

c美国Hognestad模型德国Rüsch模型钢筋和混凝土材料力学性能全文共53页，当前为第35页。钢筋和混凝土材料力学性能混凝土应力-应变曲线的数学模型----中国规范

u

0o

cfc

c钢筋和混凝土材料力学性能全文共53页，当前为第36页。钢筋和混凝土材料力学性能混凝土的弹性模量

c

c

c

c

e

p

0

1原点切线模量（弹性模量）：拉压相同变形模量（割线模量、弹塑性模量）切线模量弹性特征系数：弹性应变与总应变的比值，与应力大小有关受压时，为0.4~1.0；钢筋和混凝土材料力学性能全文共53页，当前为第37页。钢筋和混凝土材料力学性能混凝土的弹性模量的试验方法（150×150×300标准试件）

c/fc

c0.55~10次此线和原点切线基本平行，取其斜率作为Ec钢筋和混凝土材料力学性能全文共53页，当前为第38页。钢筋和混凝土材料力学性能5.混凝土单轴受拉变形曲线形状与受压类似，也有上升段和下降段，但下降段很陡受拉时曲线的原点切线斜率与受压基本一致，受压受拉采用相同的弹性模量EcσΔσ/MPa变形/mm钢筋和混凝土材料力学性能全文共53页，当前为第39页。钢筋和混凝土材料力学性能长期荷载作用下混凝土的变形性能----徐变0.51.01.52.02.505101520253035(×10-3)(月)

cfc，线性徐变

cfc，非线性徐变

cr

e

e’

e’’

cr’P原因之一，胶凝体的粘性流动原因之二，混凝土内部微裂缝的不断发展徐变—荷载不变的情况下混凝土应变随时间增长的现象钢筋和混凝土材料力学性能全文共53页，当前为第40页。钢筋和混凝土材料力学性能影响徐变的因素内在因素：混凝土的组成和配比骨料刚度越大，徐变越小水泥用量越多，水灰比越大，徐变越大环境影响：养护和使用条件养护时温度高、湿度大，徐变小构件所处环境温度高、湿度小，徐变大应力条件：初应力水平和龄期

混凝土的应力越大，徐变越大

c，徐变变形与应力成正比----线性徐变0.5fc<c，非线性徐变

c，造成混凝土破坏，不稳定加荷时混凝土的龄期越长，徐变越小钢筋和混凝土材料力学性能全文共53页，当前为第41页。钢筋和混凝土材料力学性能混凝土的收缩----结硬过程中混凝土体积缩小的性质水泥品种：等级越高，收缩越大水泥用量：水泥用量越多，水灰比越大，收缩越大体表比越小，收缩越大养护条件、外加剂品种及用量、使用环境等骨料：骨料越硬，收缩越小钢筋和混凝土材料力学性能全文共53页，当前为第42页。钢筋和混凝土材料力学性能混凝土的温度变形大体积混凝土超长结构屋盖钢筋和混凝土材料力学性能全文共53页，当前为第43页。钢筋和混凝土材料力学性能徐变对混凝土结构的影响PAsPAs

s1

c1P

c2As

s2P卸去，钢筋受压混凝土受拉，可能会引起混凝土开裂受拉徐变可延缓收缩裂缝的出现徐变：

s

，c

钢筋和混凝土材料力学性能全文共53页，当前为第44页。钢筋和混凝土材料力学性能收缩对混凝土结构的影响As

sAs

s收缩：钢筋受压，混凝土受拉As钢筋和混凝土材料力学性能全文共53页，当前为第45页。钢筋和混凝土材料力学性能1.3混凝土与钢筋的粘结1粘结的意义

粘结是钢筋和混凝土形成整体、共同工作的基础，是一个综合概念。钢筋与混凝土之间粘结应力示意图（a）锚固粘结应力（b）裂缝间的局部粘结应力三、混凝土与钢筋的粘结性能钢筋和混凝土材料力学性能全文共53页，当前为第46页。钢筋和混凝土材料力学性能2.3混凝土与钢筋的粘结2粘结力的组成◆光圆钢筋与变形钢筋具有不同的粘结机理，其粘结作用主要由三部分组成：（１）钢筋与混凝土接触面上的化学吸附作用力（胶结力）。一般很小，仅在受力阶段的局部无滑移区域起作用，当接触面发生相对滑移时，该力即消失。（２）混凝土