第二章钢筋和混凝土的力学性能

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1、第二章钢筋和混凝土的力学性能主要内容：2.1 钢筋的力学性能2.2 混凝土的力学性能2.3 钢筋与混凝土之间的粘结作用重难点： 钢筋的种类及力学指标； 混凝土的力学指标及力学性能； 钢筋与混凝土共同工作的原理 2.1 钢筋的力学性能一、钢筋的品种 （Reinforcement types） 表面形状：光圆钢筋、带肋钢筋 化学成份：碳素钢（低碳钢）普通低合金钢 供货方式：直条式（d三10mm）6、9、12m盘圆式 生产工艺和强度：热轧钢筋、中高强钢丝、钢绞线、冷加工钢筋 普通混凝土结构中采用较多的是热轧钢筋。力学性能不同：软钢一一有明显屈服台阶的钢筋（热轧钢筋、冷拉 钢筋） 硬钢一一无明显屈服台

2、阶的钢筋（钢丝、热处理钢筋）1、热轧钢筋 (Hot Rolled St eel Reinforcing Bar)HPB300 级、HRB335 级、HRB400 级、HRB500 级HPBHRBI I 1一吕迅钢筋I I 1一 BarIPlain% 圆IRibbed#Hot rollBd IHot rolled热轧HRB59一强度圾别为TOON血#的曹通幣轧带肪钢融HRBF4D0一 度级丽400N/mm2的钿品粒拡吐帶肪钢躺RR1厠一度圾别为4DONW余热处理HPB300一唯區级刖为3D0Mtnn?的惑亂光网钢血IIRMIME度圾别为400N.Liun2且百旗高抗奩性能喪求的習適描乳晋肋卅屈服

3、强度fyk （标准值）HPB300： fyk = 300 N/mm2HRB400： fyk = 400 N/mm2HPB300钢筋（I级）多为光面钢筋，多作为现浇楼板的受力钢筋和各种构件中 的箍筋。HRB335 （II级）、HRB400（RRB400）（III级）强度较高，为表面带肋的钢筋, 多作为钢筋混凝土构件的受力钢筋。2、钢丝（Wire）:中强钢丝的强度为8001200MPa,高强钢丝、钢绞线的强 度为1470 1860MPa；钢丝的直径39mm；外形有光面、刻痕和螺旋肋三种，另有 二股、三股和七股钢绞线，外接圆直径9.515.2 mm。中高强钢丝和钢绞线均用于 预应力混凝土结构。3、冷

4、加工钢筋Cold working rebar :是由热轧钢筋和盘条经冷拉、冷拔、 冷轧、冷扭加工后而成。冷加工的目的是为了提高钢筋的强度，节约钢材。但经冷 加工后，钢筋的延伸率降低。近年来，冷加工钢筋的品种很多，应根据专门规程使 用。4、热处理钢筋Heat treatment ：是将W级钢筋通过加热、淬火和回火等调 质工艺处理，使强度得到较大幅度的提高，而延伸率降低不多。用于预应力混凝土 结构。二、钢筋的强度和变形（重点）强度和变形性能可以用拉伸试验得到的s-e曲线来说明：（一）有明显屈服点的钢筋（对应还存在无明显屈服点的情况）*为比例根限为弹性极阪b为屈服上限c为坯服下限.即屈服遇度Kc-d

5、为屈服台阶che强化段e为极限抗拉强度1、几个指标（有明显屈服点）（1）强度指标屈服强度yield st reng th：是钢筋强度的设计依据，因为钢筋屈服后将 很大的塑性变形，且卸载时这部分变形不可恢复，这会使钢筋混凝土构件产生很大 的变形和不可闭合的裂缝。屈服上限与加载速度有关，不太稳定，一般取屈服下限作为屈服强度fy。普通啊牺度设计值牌号扰拉M设计值/；EffPBJDDMMI1用E細h IIRHF迦a(2)变形指标 延伸率elongation rate：钢筋拉断时的应变，是反映钢筋塑性性能的 指标。延伸率大的钢筋，在拉断前有足够预兆，延性较好。均匀延伸率对应最大应力时应变，包括了残余应变

6、和弹性应变，反映了钢筋 真实的变形能力(2.5%) 冷弯性能：将直径为d的钢筋绕直径为D的弯芯弯曲到规定的角度后无裂 纹断裂及起层现象。弯芯的直径越小，弯转角越大，说明钢筋的塑性越好。2、有明显屈服点钢筋的应力-应变关系的简化一般可采用双线性的理想弹塑性关系Bilinear elasto-plastic relation& = E苫&空= fy2%（二）无明显屈服点的钢筋Rebar wi thout yield pointa点：比例极限，约为0.65fua点前：应力-应变关系为线弹性a点后：应力-应变关系为非线性，有一定塑性变形，且没有明显的屈服点 强度设计指标一一条件屈服点:残余应变为0.2

7、%所对应的应力规范取s0.2 =0.85 fuII0.2%三、钢筋的选用原则强度高、变形性能好、可焊性性好、与混凝土有良好的粘结、经济性。1纵向覺力普適钢筋宜采阳HRB400. HREbOO* HKBF400, HRBF53钢师也可采用 HRB335, HRBF335、HPB300, RRB4D0 啣筋；2 箍筋宜采用 HRB400. HRHF4W. HPB旳叽 HRB5D0、IIRBF500 钢甌也町釆用HRB$35、HRBF335tW筋：3预应力筋毎茱用预应力钢建、烟绞践和顶应力撰奴钢筋.it： RRBJDO詢励不宣用作甫耍部忖的受力m.接車受喪苦荷栽的枸札四节一环保：建筑节能、建筑节地、

8、建筑节水、建筑节材、环境保护。2.2混凝土的力学性能一、混凝土的组成结构（一）混凝土普通混凝土是由水泥、砂、石材用水拌和硬化后形成的人工石材，是多相复 合材料。（二）混凝土的组成结构1、微观结构（水泥石结构）混凝土由水泥胶、晶体骨架、未水化完的水泥颗粒和凝胶孔组成。从微观结构来看，其物理性能取决于水泥的化学矿物成分、粉磨细度、水灰 比和凝结硬化条件等。2、亚微观结构混凝土中的水泥砂浆结构。3、宏观结构混凝土由砂浆和粗骨料两组体系组成。混凝土中的砂、石、水泥胶体中的晶体、未水化的水泥颗粒组成了错综复杂 的弹性骨架，主要承受外力，并使混凝土具有弹性变形的特点。水泥胶体中的凝胶、孔隙和界面初始微裂缝

9、等，在外力作用下使混凝土产生 塑性变形。混凝土中的孔隙、界面微裂缝等缺陷是混凝土受力破坏的起源。二、混凝土的强度1、混凝土强度等级、立方体抗压强度混凝土的强度等级是用立方体抗压强度来划分的。抗压强度是混凝土力学性 能中最主要和最基本的指标。混凝土立方体抗压强度：边长 150mm 立方体标准试件，在标准条件下（203C,90%湿度）养护28天，用标准试验方法（加载速度 0.150.3N/mm2/sec,两端不涂润滑剂）测得的具有95%保证率的立方体抗压强度 fcu,k，用符号 C 表示，如 C30 表示 fcu,k=30N/mm2。规范根据强度范围，从C15C80共划分为14个强度等级，级差为

10、5N/mm2。混凝土强度等级范围达到C80，C50以上称为高强混凝土。混凝土立方体的破坏情况（左图）试件表面无润滑剂，产生套箍效应，工程中常采用这种方法。（右图）试件表面涂有润滑剂，摩擦阻力小，测得的抗压强度小，工程中一 般不采用。“套箍”效应：压力机钢板对混凝土试块横向变形的约束作用称为“套箍效应”。该效应使 混凝土试块不易破坏，因而测定的抗压强度高于混凝土构件的轴心抗压强度。立方体抗压强度影响因素：试验方法。标准试验方法不涂润滑剂。试件尺寸。人（150） = 0.95心 100） | ； J150） = 1.05200） 加载速度：混凝土强度强度等级低于C30时，取每秒0.30.5MPa；

11、混凝 土强度强度等级高于或等于C30时，取每秒0.50.8MPa；龄期。美国、日本、欧洲混凝土协会（CEB）采用圆柱体（直径152mm，高305 mm）标准试件测定的抗压强度来划分强度等级，符号记为fc。圆柱体强度与我国标准立方体抗压强度的换算关系为：注意：立方体和圆柱体抗压试验都不能代表混凝土在实际构件中的受力状态，只是用来在同一标准条件下比较混凝土强度水平和品质的标准（制作、测试方 便）。规范规定：素臟土黠的混凝土强度等级不觎于CI5；钢魏疑土郡啲顋土强度等圾不擁于采用强度级別4血1旳朋上的筋忆啟土册等级不应低于C25承受輟荷载的娜混殺二构也甌土勰翻不应低于C地師力橫土谿馳混嚴二狀飄不亂于

12、3,牀颐丸呱2、混凝土轴心抗压强度轴心抗压强度采用棱柱体试件测定，用符号fc,k表示，采用150mmxl50mmx300mm棱柱体作为轴心抗压强度的标准试件。轴心抗压强度?c,k与立方体抗压强度?cu,k的关系为：式中：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。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为考虑实际构件与试 件混凝土强度之间的差异而取用的折减系数。侧向应力对混凝土轴心抗压强度的影响 侧向压应力使混凝土轴心抗压强度提高 原因：侧向压应力约束了混凝土的横向变形，形成了约

13、束混凝土，从而延 迟和限制了混凝土的内部裂缝发展与发展，使试件不易破坏。 螺旋钢箍柱和钢管混凝土柱，利用该原理提高柱的承载能力。3、混凝土轴心抗拉强度 混凝土的抗拉强度比抗压强度低得多，一般只有抗压强度5%10% ，用符 号 ft, k 表示 混凝土抗拉强度试验方法a：拉伸试验；b劈裂试验混凝土的轴心抗拉强度可以采用直接轴心受拉的试验方法来测定，但由于试验中轴向拉力的对中比较困难，目前国内外主要采用圆柱体或立方体的劈裂试验来间接测试混凝土的轴心抗拉强度= 0.637 劈裂试骑F砸坏荷载:r.柱悴直径和立方体辻袪素翩土结軸嗾土殲翱砸耐血卅勰谨土籍的啟二 赧鄴不郴于耕勰鹅4Mh则上删蒯,彌土厳等

14、SWfC25o輟重簸瓢麻鞠二梅件,砺力赣土繃邮跚二皺翱磁肝C40. IWf C30,小Jc混凝土轴心抗压强度标准值r没计值; “;混凝土轴心抗拉强度标准值、设计值; 畑牍普通钢筋、馆应力筋强度标准值： X、f:晋通钢筋抗拉、抗压强度设计值； 几、人:预应力筋抗拉r抗压强度设计值；三、混凝土的变形混凝土的变形分为两类:1、混凝土在荷载作用下的受力变形:一次短期加荷时的变形;多次重复加载时的变形；长期荷载作用下的变形。2、混凝土的体积变形：收缩、膨胀变形。（一）、混凝土在一次短期加荷时的变形1、受压混凝土一次短期加荷的应力一应变曲线混凝土在一次短期加荷时的应力一应变关系可通过对混凝土棱柱体的受压或

15、 受拉试验测定。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。2、混凝土的横向变形系数混凝土纵向压缩时，横向会伸长，横向伸长值与纵向压缩值之比称为横向变 形系数，用符号YC表示。在弹性阶段，该值又称泊松比，其大小规范取为 0.2。3、混凝土的弹性模量（原点模量）混凝土的应力。与其弹性应变ece之比值称为混凝土的弹性模量，用符号 Ec表示。根据大量试验结果，混凝土规范采用以下公式计算混凝土的弹性模量：混凝土的剪变模量G是指剪应力和剪应变的比值。105.E严（N/mm2）2.2

16、 + （二）、混凝土在重复荷载下的变形重复荷载下的变形就是混凝土的疲劳性能。通常把试件在承受200万次（或更多次数）重复荷载时发生破坏的压应力 时，称为混凝土的疲劳强度。疲劳破坏归因于混凝土微裂缝、孔隙、弱骨料等内部缺陷，在承受重复荷载 之后，应力集中，导致裂缝发展，贯通，引起骨料与砂浆间的粘结破坏，没有明显 预兆，属于脆性破坏。级配良好的混凝土，加强振捣提高混凝土的密实度，并注意养护，利于混凝 土疲劳强度的提高。（三）、混凝土的徐变混凝土受压后除产生瞬时压应变外，在维持其外力不变的条件下（即荷载长 期不变），应变随时间继续增长的现象，叫做混凝土的徐变。混凝土的徐变对混凝土结构构件的受力性能有

17、重要的影响：它将使结构构件的变形增加； 轴心受压构件中钢筋的应力增加而混凝土的压应力减小的应力重分布现象 产生； 在预应力混凝土结构构件中引起预应力损失等。一施加的初始压力为O=0.5fc时的徐变与时间的关系在应力W0.5fc作用瞬间，首先产生瞬时弹性应变el。随荷载作用时间的延续，变形不断增长，前4个月徐变增长较快，6个月可 达最终徐变的（7080） %，以后增长逐渐缓慢，23年后趋于稳定。A*11lOOmuX lOJN/mmOfhuTii|凄。=0,i10152025Hie （月）5ftw _EJ Lo. clxwa出影响混凝土徐变的主要因素有:内在因素：水泥含量少、水灰比小，骨料弹性模量

18、大、骨料的级配愈好，含 量愈高，徐变愈小。环境因素：混凝土养护的温度和湿度越高，受荷龄期越大，徐变越小；工作 环境温度越高，湿度越小，徐变越大；构件体表比越大，徐变越小。应力因素：构件中截面上的应力越大，徐变就越大；持续时间越长，徐变越 大（四）、混凝土的收缩与膨胀混凝土在空气中硬化时体积会缩小，这种现象称为混凝土的收缩。混凝土在水中硬化时体积会膨胀。收缩和膨胀是混凝土在不受外力情况下体积变化产生的变形。当这种自发的变形受到外部（支座）或内部（钢筋）的约束时，将使混凝土 中产生拉应力，甚至引起混凝土的开裂。混凝土收缩会使预应力混凝土构件产生预 应力损失。1卜(2-5)X10-4!14d2&i混

19、凝土的收缩是随时间而增长的变形，早期收缩变形发展较快，两周可完 成全部收缩的25%，一个月可完成 50%，以后变形发展逐渐减慢，整个收缩过程可 延续两年以上。影响收缩的因素 混凝土的收缩受结构周围的温度、湿度、构件断面形状及尺寸、配合比、骨 料性质、水泥性质、混凝土浇筑质量及养护条件等许多因素有关。 水泥用量多、水灰比越大，收缩越大 骨料弹性模量高、级配好，收缩就小 干燥失水及高温环境，收缩大 小尺寸构件收缩大，大尺寸构件收缩小 高强混凝土收缩大影响收缩的因素多且复杂，要精确计算尚有一定的困难。 在实际工程中，要 采取一定措施减小收缩应力的不利影响施工缝2.3 钢筋与混凝土之间的粘结作用 钢筋

20、与混凝土之间的粘结是这两种材料组成混凝土结构或构件并能共同工作 的保证，使之能共同承受外力、共同变形、抵抗相互之间的滑移，该作用称为钢筋 与混凝土的粘结作用。一、粘结力的定义及组成1、粘结力的定义 若钢筋和混凝土有相对变形（滑移），就会在钢筋和 混凝土交界面上产生沿钢筋轴线方向的相互作用力，这种力称为钢筋与混凝土的粘 结力。2、粘结力的组成：化学胶着力：混凝土凝结时，由于水泥的水化作用在钢筋与混凝土接触面上 产生的化学吸附作用力。摩擦力：混凝土收缩后将钢筋紧紧地握裹住而产生的力。机械咬合力：钢筋表面凹凸不平与混凝土产生的机械咬合作用而产生的力。当钢筋与混凝土产生相对滑动后，胶结作用即丧失。光面

21、钢筋以摩擦力（握 裹力）为主，带肋钢筋以咬合力为主。对于光面钢筋，表面轻度锈蚀有利于增加摩擦力，但摩擦作用也很有限。由于光面钢筋表面的自然凹凸程度很小，机械咬合作用也不大。因此，光 面钢筋与混凝土的粘结强度是较低的。 为保证光面钢筋的锚固，通常需在钢筋端部弯钩、弯折或加焊短钢筋以阻 止钢筋与混凝土间产生较大的相对滑动。 将钢筋表面轧制出肋形成带肋钢筋，即变形钢筋，可显著增加钢筋与混凝 土的机械咬合作用，从而大大增加了粘结强度。 对于强度较高的钢筋，均需作成变形钢筋，以保证钢筋与混凝土间具有足 够的粘结强度使钢筋的强度得以充分发挥。二、粘结强度钢筋与混凝土的粘结强度通常采用拔出试验来测定。设拔出

22、力为F,则以粘 结破坏（钢筋拔出或混凝土劈裂）时钢筋与混凝土截面上的最大平均粘结应力作为 粘结强度。F钢筋的锚固：钢筋伸入支座或在连续梁顶部负弯矩区段的钢筋截断时，应将 钢筋延伸一定的长度。只有钢筋有足够的锚固长度，才能积累足够的粘结力，使钢筋承受拉力。分 布在锚固长度上的粘结应力是锚固粘结应力。锚固设计的基本原则是必须保证足够的锚固粘结强度以使钢筋强度得以充分 利用钢筋的锚固定义：钢筋混凝土构件中，某根钢筋若要发挥其在某个截面的强度，则必须 从该截面向前延伸一个长度，以借助该长度上钢筋与混凝土的粘结力把钢筋锚固在 混凝土中，这一长度称为锚固长度。钢筋的锚固长度取决于钢筋强度及混凝土强 度，并

23、与钢筋外形有关。普通受拉钢筋的锚固长度la计算式:三、影响粘结强度的因素混凝土强度越高，锚固强度越好，相对滑移越小混凝土保护层厚度和钢筋净距保护层越厚，对钢筋的约束越大，锚固强度越高；钢筋的净间距越大，锚固 强度越高横向配筋（如箍筋）的设置可以延缓裂缝的发展和限制劈裂裂缝的宽度，提高锚固强度浇筑位置取决于构件的浇筑高度、混凝土的坍落度、水灰比、水泥用量等锚固长度钢筋的基本锚固长度取决于钢筋的强度及混凝土抗拉强度，并与钢筋的外形 有关。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。四、保证可靠粘结的构造措施钢筋的间距和混凝土的保护层不能太小优先采用小直径的变形钢筋，光面钢筋末端应设弯钩钢筋伸入支座应有足够的锚固长度 钢筋不宜在混凝土的拉区截断 在大直径钢筋的搭接和锚固区域内宜设置横向钢筋 对高度较大的梁应该分层浇筑与二次振捣