钢筋与混凝土材料的力学性能

SUNMMARYOFBUILDING第三章

钢筋和混凝

土材料的力学性能钢筋第一节混凝土第二节钢筋与混凝土的粘结第三节是在混凝土结构中采用的最为广泛的加劲材料，常为圆棒状，简称为钢筋。柔性钢筋按直径大小可分为钢筋与钢丝。是指用于混凝土中的型钢，包括角钢、槽钢、工字钢等。1钢筋的形式钢筋的形式分为柔性钢筋和劲性钢筋两类。第一节、钢筋图3-1钢筋的类型第一节、钢筋2钢筋的成分、级别和品种普通低合金钢（另加硅、锰、钛、钒、铬等）锰系硅钒系硅钛系硅锰系硅铬系20MnSi40Si2MnV45SiMnTi40Si2Mn45Si2Cr第一节、钢筋2钢筋的成分、级别和品种光圆钢筋变形钢筋有明显屈服点钢筋（“软钢”）无明显屈服点钢筋（“硬钢”）普通钢筋预应力钢筋第一节、钢筋按加工方法钢筋钢丝热轧钢筋：由低碳钢和普通低合金钢在高温状态下轧制而成冷拉钢筋：由热轧钢筋在常温下用机械拉伸而成热处理钢筋：将HRB400、RRB400钢筋通过加热、淬火、回火而成碳素钢丝：钢筋通过多次冷拔、应力消除、矫正、回火处理而成刻痕钢丝：在钢丝表面刻痕，以增强其与混凝土间的粘结力钢绞线：几根相同直径的钢丝成螺旋状铰绕在一起第一节、钢筋第一节、钢筋表1-1常用热轧钢筋的种类、代表符号和直径范围

注：第一个字母H（hotrolled）表示热轧，R(Remainedheattreated)表示为余热处理；第二个字母P(Plain)表示光圆，R(ribbed)表示带肋；第三个字母B（Bar）代表钢筋；数字表示标准强度。

强度等级代号钢种符号d/mmHPB235Q235（低碳钢）6~20HRB33520MnSi（低合金钢）6~50HRB40020MnSiV,20MnSiNb,20MnTi（低合金钢）6~50RRB400K20MnSi（低合金钢）8~40第一节、钢筋HPB235为热轧光面钢筋，普通钢筋，“软钢”HRB335和HRB400是热轧变形钢筋，普通钢筋，“软钢”RRB400是余热处理钢筋，余热处理钢筋是将屈服强度相当于HRB335的钢筋在轧制后穿水冷却，然后利用芯部的余热对钢筋表面的淬水硬壳回火处理而成的变形钢筋。其性能接近于HRB400级钢筋，但不如HRB400级钢筋稳定，应用范围受到限制。3钢筋的强度与变形第一节、钢筋

AB’BCDE0.2%

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-应变曲线几乎相同第一节、钢筋

AB’BCDE

有明显流幅的钢筋：在建立钢筋混凝土构件截面承载力计算理论时，以下屈服点对应的强度作为设计时钢筋强度的取值（fy）。两点简化：

A.钢筋应力不大于屈服点时应力-应变关系-直服从胡克定律，处于理想弹性阶段；B.不利用应力强化阶段，假设钢筋混凝土构件截面达到破坏时，钢筋拉应力保持为屈服点应力。钢筋的极限强度作为一种安全储备。第一节、钢筋0.2%

0.2*无明显流幅的钢筋：残余应变为0.2%时所对应的应力作为其强度限值，称为条件屈服强度，混凝土规范取

0.2＝0.85

b，

b为极限抗拉强度。第一节、钢筋规范模型εsu=0.014钢筋应力应变曲线的数学模型描述完全弹塑性加硬化的三折线模型（适用于有屈服点的钢筋）第一节、钢筋描述弹塑性的双斜线模型（适用于没有明显流幅钢筋）第一节、钢筋5钢筋的疲劳4）钢筋疲劳试验有两种方法：一种是单根原状钢筋轴拉试验；另一种是将钢筋埋入混凝土中使其重复受拉或受弯的试验。我国采用的是前一种方法。135241）钢筋的疲劳：钢筋在承受重复的、周期性的动荷载作用下，经过一定次数后，发生突然性断裂的现象。2）钢筋的疲劳强度：是指在某一规定的应力幅度内，经过一定次数的循环荷载后（大约200万次）发生疲劳破坏的最大应力值。3）钢筋疲劳断裂的原因：一般认为是由于钢筋内部和外部的缺陷，在这些薄弱处容易引起应力集中。应力过高，钢筋晶粒滑移，产生疲劳裂纹，从而造成疲劳断裂。5）钢筋疲劳强度的影响因素：应力变化幅值、最小应力值的大小、钢筋外表面几何尺寸与形状、钢筋的直径、强度、加工和使用环境以及加载的频率等。第一节、钢筋5混凝土结构对钢筋性能的要求总之，钢筋的品种繁多，性能各异。在选用钢材时应在保证结构安全可靠的基础上经济合理的选用钢材，尽量节约钢材，降低造价。足够的塑性具有适当的屈强比可焊性

低温性能性与混凝土要有良好的粘结力第二节、混凝土1混凝土的强度《规范》规定以边长为150mm的立方体在20±3℃的温度和相对湿度在90％以上的潮湿空气中养护28d，依照标准试验方法测得的具有95％保证率的抗压强度标准值(以N／mm2计)作为混凝土的强度等级，并用符号fcu,k表示。fcu,k与平均值μf和标准差

f的关系为:

立方体抗压强度:第二节、混凝土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，丧失承载力另影响强度的因素还有：龄期、加载速率、试块尺寸等第二节、混凝土标准试块：150×150×150非标准试块：100×100×100换算系数0.95200×200×200换算系数1.05立方体抗压强度是区分混凝土强度等级的指标，我国规范混凝土的强度等级有：C15，C20，C25，C30，C35，C40，C45，C50，C55，C60，C65，C70，C75，C80数字表示立方体抗压强度C表示混凝土Concrete第二节、混凝土承压板试块标准试块：150×150×300mm

试验量测到fck值比fcu,k值小，并且棱柱体试件高宽比(即h/b)越大，它的强度越小。2棱柱体抗压强度

抗压强度与试件形状有关，实际构件往往不是立方体，而是棱柱体，可以用棱柱体测得的抗压强度作为轴心抗压强度，又称为棱柱体抗压强度。受压时试件中部横向变形不受端部摩擦力的约束，代表了混凝土处于单向全截面均匀受压的应力状态，比立方体试件能更好地反映混凝土的实际抗压能力。第二节、混凝土

轴心抗压强度(棱柱体强度)标准值fck与立方体抗压强度标准值fcu,k之间存在以下折算关系0.88——考虑结构中的混凝土强度与试块混凝土强度之间的差异等因素的修正系数。第二节、混凝土3混凝土轴心抗拉强度ft100100150150500

试验机夹紧两端伸出的钢筋，对试件施加拉力，破坏时裂缝产生在试件的中部，此时的平均破坏应力为轴心抗拉强度ft。

由于混凝土构件内部的不均匀性，加之安装试件偏差的原因，通过直接受拉试验测量抗拉强度是很困难的，试验数据离散性很大。第二节、混凝土劈裂试验ft,sddftsFFFF试件中间垂直截面除加力点附近很小的范围外，有均匀分布的水平拉应力。当拉应力达到混凝土的抗拉强度时，试件被劈成两半。根据弹性理论第二节、混凝土抗拉强度标准值ftk与立方体抗压强度标准值fcu,k之间的折算关系为0.88——考虑结构中的混凝土强度与试块混凝上强度之间的差异等因素的修正系数。(1-1.645δ)0.45反映了试验离散程度对标准值保证率的影响。第二节、混凝土混凝土抗压强度设计值fc和抗拉强度设计值ft与其对应的标准值的关系为

式中γc——混凝土的材料分项系数，建筑工程取γc=1.40，公路桥涵工程取γc=1.45。

第二节、混凝土4复合受力状态下混凝土的强度1.01.01.21.2-0.2-0.2

2/fc

1/fc拉压双向正应力下的强度曲线①双向受拉（第一象限），σ1与σ2的相互影响不大，双向受拉强度均接近于单向受拉强度。②一向受拉，另一向受压（第二、四象限），混凝土强度均低于单向拉伸或压缩的强度，即双向异号应力使强度降低③双向受压（第三象限），一项强度随另一项应力的增加而增加。双轴应力下的强度第二节、混凝土①抗剪强度随拉应力的增大而减小；②混凝土的抗压强度由于剪应力的存在而降低。③σ/fc<0.5~0.7时，抗剪强度随着压应力的增大而增大；但在σ/fc＞0.5～0.7时，由于内裂缝明显发展，抗剪强度反而随压应力的增大而减小平面法向应力和剪应力的组合强度法向应力和剪应力下的强度曲线第二节、混凝土三向受压强度

3=fcc’

3=fcc’

1=

2=fLfL----侧向约束压应力（加液压）圆柱体试验混凝土一向抗压强度随另两向侧压力的增加而提高。有侧向约束时的轴心抗压强度侧向压力第二节、混凝土

对于纵向受压的混凝土，如果约束混凝土的侧向变形，也可使混凝土的抗压强度有较大提高。如采用钢管混凝土柱、螺旋钢箍柱等能有效约束混凝土的侧向变形使混凝土的抗压强度、延性(承受变形的能力)有相应的提高。

第二节、混凝土2混凝土的变形混凝土的变形受力变形一次短期加载下的变形多次重复荷载作用下的变形荷载长期作用下的变形非受力变形硬化过程中的收缩变形温湿度变化引起的变形第二节、混凝土受压时的应力-应变关系①一次短期加载下的变形棱柱体试块第二节、混凝土①0~A:第I阶段(弹性阶段）(σ=0.3～0.4fck)，混凝土的变形主要是骨料和水泥结晶体的弹性变形，应力应变关系接近直线。②A～B:第II阶段(稳定裂缝扩展阶段），临界点B相对应的应力可作为长期受压强度的依据(一般取0.8fCk)③B~C：第III阶段（裂缝快速发展阶段），应力达到的最高点为fck，与其相应的应变称为峰值应变ε0，平均取0.002。④在fck以后，裂缝迅速发展，试件的平均应力强度下降；D后，曲线凸向水平方向发展，在曲线中曲率最大点E称为“收敛点”，E点以后主裂缝已很宽。结构内聚力几乎耗尽失去结构的意义。第二节、混凝土

(MPa)fco

0

(

10-3)abcd225201510546810影响因素混凝土强度对下降段影响很大，强度越高，下降段越陡峭，延性越差。加载速度越大，下降段越陡峭。第二节、混凝土受压时应力-应变关系的数学模型

u=0.0038

0=0.002o

cfc

c0.15fc美国Hognestad模型

u=0.0035

0=0.002o

cfc

c德国Rüsch模型第二节、混凝土中国规范

u

0o

cfc

c第二节、混凝土受拉时混凝土的应力-应变关系

t

to

t0

tu

ft理论模型第二节、混凝土混凝土的弹性模量原点切线模量（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，与应力值有关受压时，为0.4~1.0；受拉ft时，为0.5是材料变形性能的主要指标，在计算构件变形、截面应力和预应力构件的预应力损失等时用。

1

c

c

c

c

p

e

0第二节、混凝土混凝土弹性模量的试验方法

c/fc

c0.55~10次（150×150×300标准试件）取应力上限为0.5fc重复加载5～10次。试验结果回归第二节、混凝土混凝土的泊松比和剪切模量混凝土的剪变模量为第二节、混凝土破坏重复荷载下的应力-应变曲线fcf

3

2

1

fcf的确定原则：100×100×300或150×150×450的棱柱体试块承受200万次（或以上）循环荷载时发生破坏的最大压应力值疲劳强度与重复作用时应力变化的幅度有关，随疲劳应力比的增大而增大第二节、混凝土0.51.01.52.02.505101520253035(×10-3)(月)

cr

ela

ela’

ela’’

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：荷载保持不变，随时间而增长的变形第二节、混凝土应力：

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，造成混凝土破坏，不稳定0.51.01.52.02.505101520253035(×10-3)(月)

cr

ela

e’

e’’

cr’0.5fc<c<0.8fc，非线性徐变

c<0.5fc，线性徐变影响徐变的因素：加荷时混凝土的龄期，越早，徐变越大水泥用量越多，水灰比越大，徐变越大骨料越硬，徐变越小；构件尺寸越小，徐变越大养护温度越高、湿度越大，水化越充分，徐变越小受荷后温度越高、湿度越低，徐变越大第二节、混凝土混凝土的收缩产生的变形，----在空气中结硬时混凝土体积缩小的性质干燥失水是引起收缩的重要因素：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；骨料：骨料越硬，收缩越小；骨料粒径越大，收缩越小；养护条件、制作方法、使用环境、体积与表面积的比值等。第二节、混凝土混凝土的温度变化产生的变形

当温度变化时，混凝土的体积有热胀冷缩的性质。当温度变形受到外界的约束而不能自由发生时，将在构件内产生温度应力。在大体积混凝土中，由于混凝土表面较内部的收缩量大，再加上水泥水化热使混凝土的内部温度比表面温度高，如果把内部混凝土视为相对不变形体，它将对试图缩小体积的表面混凝土形成约束，在表面混凝土形成拉应力，如果内外变形差较大，将会造成表层混凝土开裂。第三节、钢筋与混凝土的粘结1.粘结力的概念及作用当钢筋与混凝土之间产生相对变形（滑移），在钢筋和混凝土的交界面上产生沿钢筋轴线方向的相互作用力，此作用力称为粘结力。定义：钢筋与混凝土之间的粘结是这两种材料共同工作的保证，通过粘结应力，可以实现钢筋与混凝土之间的应力传递，从而使两种材料能共同承受外力、共同变形、抵抗相互间的滑移。作用：第三节、钢筋与混凝土的粘结2.粘结力的组成①化学胶结力——钢筋与混凝土接触面上的化学吸附作用力（一般很小，一旦产生相对滑移即消失）。组成：②摩擦力——混凝土收缩后将钢筋紧握产生的摩擦力，钢筋表面越粗糙，摩擦力越大。（钢筋表面