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1、第一章 钢筋混凝土材料的力学性能,1.1 钢筋 1.2 混凝土 1.3 钢筋与混凝土间的粘结锚固及钢筋的连接,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（级钢 ）HRB335 （级钢）HRB400（级钢）HRB500 （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,图2-20 钢
2、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。,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（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（Remained heat treatment）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）,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
3、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。,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1850mm 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”
4、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。,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。,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
5、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级、级、级和级钢筋，但在施工图和正式文件中，都不应采用此俗称。,1.1.2 钢筋的力学性能,一.软钢（有明显屈服点）
6、的应力应变曲线（热轧钢筋，单调拉伸试验）,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,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0.2= 0.85b,规范为fptk,规范 为fpyk,（规范表4.2.2-1、2）,（规范表4.2.3-1、2）,1.1
7、.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。）,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,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 (fp
8、t )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,规定的弯心角对试件弯曲,合格的标准是不出现裂纹或断裂。,1.1.5 钢筋的蠕变、松弛和疲劳,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、9)（新规范将区间取值改为插值取值）。, f,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C15C80，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。,1.2.1 混凝土的强度,一.立方体抗压强度 fcu,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
10、： 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。,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,二. 轴心抗压强度（棱柱体强度) fc （P12),标准试件：150150 300,非标准试件：1001
11、00 300 换算系数 0.95200200 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 fc k 见附表 1,fck=0.88 fcu,k,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 ）,不同混凝土等级的 ft k 见附表1,ftk = 0.880.395fcuk0.55(1-1.645 )0.45,试验结果：ft0 fcu0，且不成线性关系,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,双轴应力下的强度,双向正应力下的强度曲线,圆柱体
12、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,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,反弯点,收敛点,上升段,混凝土强度（图2-13）越高，上升段影响不大，fc0越大，0 越大， 下降段越陡峭，max越小，延性越差,2.曲线特征值,fc0 应力峰值 0
13、 峰值应变 一般取0.002 max 极限压应变 一般取0.0033,3.影响因素,加载速度越快，fc0 越大，0 越小，下降段越陡峭,箍筋量越多， fc0 越大， 0 越大，下降段越平缓,一.混凝土的应力-应变关系,二.混凝土在重复荷载下的应力-应变关系,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,三.混凝土的弹性模量,原点切线模量（弹性模量）,变形模
14、量（割线模量、弹塑性模量）,切线模量,弹性系数： 受压时为0.41.0； 受拉时为1.0,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）,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,1.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7080% 以后徐变逐渐缓慢 23年后趋于稳定,应力： c 0.8 fc，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
15、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0.8 fc,s， c,5.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,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,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b,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,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）。,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,
