钢筋与混凝土的力学性能

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1、3钢筋与混凝土的力学性能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讨论了钢筋与混凝土之间的相互作用粘结力。它粘结力。它们是学习混凝土结构设计原理和构造要求的基础。们是学习混凝土结构设计原理和构造要求的基础。 本章提要本章提要本本 章章 内内 容容3.1 钢筋钢筋3.2 混凝土混凝土3.3 钢筋与混凝土的相互作用钢筋与混

2、凝土的相互作用粘结力粘结力3.1 钢筋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 钢筋的力学性能钢筋的力学性能3.1.1.1 有屈服点的钢筋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=0.2%时的应力0.2作为名义屈服点，

3、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0.2取极限强度b的0.8倍，即：0.2=0.8b 3.1.1.2 无屈服点的钢筋无屈服点的钢筋图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

4、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（GB 500102002）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

5、设计值等于钢筋强度标准值除以钢筋材料分项系数s，按不同钢筋种类，分别取s=1.101.20。钢筋的强度设计值见附表4、附表5。 3.1.2 钢筋的种类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

6、，以免发生脆性破坏。 3.1.3 钢筋的选用钢筋的选用3.1.3.1 混凝土结构对钢筋性能的要求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 钢筋的选用钢筋的选用3.2 混凝土混凝土混凝土是由水泥、

7、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。

8、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0.30.5MPa/s范围；C30以上的加载速度控制在0.50.8MPa/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 混凝土的抗压强度混凝土的抗压强度2.轴心抗压强度fc立方体抗压强度不能代表混凝土在实际构件中的受力状态，只是作为在同一标准条件下比较混凝土强度水平和品质的标准。试验表明：用高宽比为23的棱柱体测得的抗压

9、强度与以受压为主的混凝土构件中的混凝土抗压强度基本一致。因此，棱柱体的抗压强度可以作为以受压为主的混凝土抗压强度，称为轴心抗压强度，用符号fc表示。 混凝土的抗拉性能很差。混凝土的抗拉强度一般只有抗压强度的1/201/8，且不与抗压强度成正比。混凝土轴心抗拉强度取棱柱体（100mm100mm500mm，两端埋有钢筋）的抗拉极限强度为轴心抗拉强度。混凝土构件的开裂、变形以及受剪、受扭、受冲切等承载力均与抗拉强度有关。根据试验得知，fcu、fc、ft三者之间的关系是fcufcft。 3.2.1.2 混凝土的轴心抗拉强度混凝土的轴心抗拉强度1.混凝土的强度标准值经统计分析，并考虑结构中混凝土强度与试

10、件强度之间的差异，混凝土结构设计规范给出了混凝土强度标准值，详见附表6。2.混凝土的强度设计值混凝土强度设计值为混凝土强度标准值除以混凝土的材料分项系数c，规范规定c=1.4，即fc=fck/c，ft=ftk/c。ft、fc见附表7。3.2.1.3 混凝土的强度计算指标混凝土的强度计算指标3.2.2 混凝土的变形混凝土的变形混凝土变形有两类：一类是荷载作用下的受力变形，包括一次短期加荷时的变形、多次重复加荷时的变形和长期荷载作用下的变形；另一类是体积变形，包括收缩、膨胀和温度变形。 1.混凝土在一次短期加荷时的应力应变关系混凝土在一次短期加荷时的应力应变关系可通过对混凝土棱柱体的受压或受拉试验

11、测定。混凝土受压时典型的应力应变曲线如图3.7所示，不同强度等级混凝土的应力应变曲线如图3.8所示。 混凝土受拉时的应力应变曲线的形状与受压时相似。对应于抗拉强度ft的应变ct很小，计算时可取ct=0.0015。3.2.2.1 混凝土的弹性模量混凝土的弹性模量2.混凝土的弹性模量混凝土的应力与其弹性应变ce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： 混凝土的剪变模量是指剪应力和剪应变的比值，即： 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。如图3.9所示为

12、一施加的初始压力为=0.5fc时的徐变与时间的关系。混凝土的徐变对混凝土结构构件的受力性能有重要的影响：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。 3.2.2.2 混凝土的徐变混凝土的徐变影响混凝土徐变的主要因素有：（1） 构件中截面上的应力愈大，徐变就愈大；构件承载前，混凝土的强度越高，徐变就越小。（2） 配合比、水灰比越大，徐变越大；骨料的级配愈好，含量愈高，徐变愈小。（3） 构件浇捣愈密实，养护条件愈好，徐变愈小；反之，徐变愈大。图3.9混凝土的徐变曲线 混凝土在空气中凝结硬化时，体积减小的现

13、象称为收缩变形。其规律见图3.10所示。 收缩变形是一种非受力变形；而徐变变形只有在受力达到一定数值并且持续作用下才产生。 影响混凝土收缩的主要因素有：（1） 水泥用量愈多，水灰比愈大，收缩愈大。（2） 高标号水泥制成的混凝土构件收缩大。（3） 骨料级配好，含量高，骨料的弹性模量大，收缩小。3.2.2.3 混凝土的收缩变形混凝土的收缩变形（4） 养护条件好，使用环境湿度大，收缩小。（5） 混凝土密实度好，收缩小。 图3.10混凝土的收缩变形 和其它许多材料一样，当温度发生变化时混凝土的体积也具有热胀冷缩的性质。混凝土结构设计规范规定，当温度在0到100范围内时，混凝土线膨胀系数c可采用110-

14、5/。温度变形能使混凝土开裂，在某些场合应认真对待。 3.2.2.4 温度变形温度变形3.2.3 混凝土的选用混凝土的选用混凝土结构设计规范规定：钢筋混凝土结构的混凝土强度等级不应低于C15；当采用HRB335级钢筋时，混凝土强度等级不宜低于C20；当采用HRB400和RRB400级钢筋以及承受重复荷载的构件，混凝土强度等级不得低于C20。预应力混凝土结构的混凝土强度等级不应低于C30；当采用钢绞线、钢丝、热处理钢筋作预应力筋时，混凝土强度等级不宜低于C40。 3.3 钢筋与混凝土的相互作用粘结力钢筋与混凝土的相互作用粘结力粘结力是存在于钢筋与混凝土界面上的作用力。它反映的是钢筋与混凝土交界面

15、上沿钢筋纵向的抗剪能力。如图3.11所示。 产生粘结力的主要因素是：（1） 混凝土收缩将钢筋紧紧握固而产生的摩擦力；（2） 混凝土颗粒与钢筋表面产生的化学粘合力；（3）由于钢筋表面凹凸不平与混凝土之间产生的机械咬合力。3.3.1 粘结力的概念和作用粘结力的概念和作用图3.11钢筋与混凝土之间的粘结 3.3.2 粘结力的测定粘结力的测定粘结力的测定一般采用拔出试验方法，如图3.12所示。粘结强度f可由下式计算根据拔出试验可知：（1） 粘结应力按曲线分布，最大粘结应力在离开端部的某一位置出现，且随拔出力的大小而变； （2） 钢筋埋入长度越长，拔出力越大，但埋入过长则尾部的粘结力很小，甚至为零；（3

16、） 粘结强度随混凝土强度等级的提高而增大；（4） 变形钢筋的粘结强度比光面钢筋的大；但若在光面钢筋末端做弯钩，则拔出力大大提高。 图3.12钢筋拔出试验中粘结应力分布图 规范根据拔出试验给出受拉钢筋的基本锚固长度为其中，锚固钢筋的外形系数按表3.1取值。构件中钢筋的实际锚固长度，应根据钢筋的受力情况、保护层厚度、钢筋形式等对粘结强度的影响，采用基本锚固长度乘以一定修正系数。 3.3.3 保证钢筋和混凝土之间粘结力的措施保证钢筋和混凝土之间粘结力的措施3.3.3.1 纵向受拉钢筋的基本锚固长度纵向受拉钢筋的基本锚固长度表表3.1锚固钢筋的外形系数锚固钢筋的外形系数 钢筋类型光面钢筋带肋钢筋三面刻

17、痕钢丝螺旋肋钢丝三股钢绞线七股钢绞线 钢筋外形系数 0.160.140.190.130.160.17钢筋的连接可分为两类：绑扎搭接、机械连接或焊接。规范规定，位于同一连接区段内的受拉钢筋搭接接头百分率不宜大于25%，当工程中确有必要增大时，对于梁内构件也不应大于50%，对板类、墙类及柱类构体，可根据实际情况放宽。纵向受拉钢筋绑扎搭接的搭接长度按下式计算（但不小于300mm）： l1=la 纵向受拉钢筋搭接长度修正系数按表3.2采用。 3.3.3.2 纵向受力钢筋的连接纵向受力钢筋的连接规范规定，两搭接接头的中心距应不小于1.3l1（见图3.14），否则，则认为两搭接接头属于同一搭接范围。 对于纵向受压钢筋，其搭接长度不应少于0.7l1，且不小于200mm。 近年来采用机械方式进行钢筋连接的技术已很成熟，如锥螺连接、挤压连接等。 在纵向受力钢筋搭接长度范围内应加密配置箍筋，见图3.15，其直径不应小于搭接钢筋较大直径的0.25倍。 表表3.2纵向受拉钢筋搭接长度修正系数纵向受拉钢筋搭接长度修正系数 同一搭接范围内搭接钢筋面积百分率 25%50%100% 1.21.41.6图3.14钢筋搭接接头的间距 图3.15受力钢筋搭接处箍筋加密