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1、1.1 1.1 钢筋的品种和力学性能钢筋的品种和力学性能1.1.1.1.1.1.钢筋的品种钢筋的品种 按化学成分区分按化学成分区分低碳钢：（含碳量低碳钢：（含碳量0.25%0.6%0.6%）强度高、塑性差）强度高、塑性差低合金钢：碳素钢基础上加入少量合金元素而成，强度高、塑性好低合金钢：碳素钢基础上加入少量合金元素而成，强度高、塑性好第第1 1章章 混凝土结构材料的物理力学性能混凝土结构材料的物理力学性能按外形区分按外形区分v光圆钢筋光圆钢筋v带肋（变形）钢筋带肋（变形）钢筋 月牙肋月牙肋 等高肋等高肋热轧钢筋（普通钢筋混凝土结构）：热轧钢筋（普通钢筋混凝土结构）： 由低碳钢、普通低合金钢或细
2、晶粒钢在高温下轧制而成。由低碳钢、普通低合金钢或细晶粒钢在高温下轧制而成。 按其强度不同分为：按其强度不同分为：HPB300、HRB335（HRBF335）、）、 HRB400（HRBF400、RRB400）、）、HRB500（HRBF500）。）。预应力钢筋（预应力钢筋混凝土结构）：钢丝、钢绞线、预应力螺纹钢筋预应力钢筋（预应力钢筋混凝土结构）：钢丝、钢绞线、预应力螺纹钢筋 1.1.2. 1.1.2. 钢筋的力学性能钢筋的力学性能 1.1.2.1 1.1.2.1 1.1.2.1 1.1.2.1 软钢的力学性能软钢的力学性能 a为比例极限为比例极限 cdcd为强化段为强化段b为屈服强度为屈服强
3、度 fybcbc为屈服台阶为屈服台阶d d为抗拉强度为抗拉强度软钢：软钢：有明显屈服点的钢筋，如热轧钢筋。有明显屈服点的钢筋，如热轧钢筋。HPB300钢筋的应力钢筋的应力-应变曲线应变曲线 e e对应横坐标为伸对应横坐标为伸长率长率v屈服强度屈服强度：是钢筋强度的设计依据是钢筋强度的设计依据v伸伸 长长 率率：钢筋拉断时应变，反映钢筋：钢筋拉断时应变，反映钢筋塑性性能塑性性能的指标。伸的指标。伸长率大的钢筋，延性较好。长率大的钢筋，延性较好。 含碳量含碳量越越高高，屈服强度和抗拉强度，屈服强度和抗拉强度越越高高，伸长率，伸长率越越小小，流，流幅幅缩短缩短。1.1.2.2 硬钢的力学性能硬钢的力
4、学性能 硬钢硬钢：没有明显屈服点的预应力钢丝、没有明显屈服点的预应力钢丝、钢绞线、螺纹钢筋、钢棒钢绞线、螺纹钢筋、钢棒 协定流限协定流限：强度设计指标，强度设计指标，指经加载及卸指经加载及卸载后尚存有载后尚存有0.2%0.2%永久残余变形时的应力，用永久残余变形时的应力，用0.20.2表示。表示。 0.20.2一般相当于抗拉强度的一般相当于抗拉强度的70% 70% 90% 90%。硬硬钢钢强强度高，但塑性差，脆性大度高，但塑性差，脆性大。 比例极限比例极限1.1.2.3 1.1.2.3 钢筋的钢筋的疲劳强度疲劳强度v钢筋的疲劳强度与应力特性钢筋的疲劳强度与应力特性 有关，有关， 为重复荷载作用
5、时钢筋受到为重复荷载作用时钢筋受到的最小应力与最大应力的比值。的最小应力与最大应力的比值。 越小，越小， 越低。越低。 1.1.2.4 钢筋的弹性模量钢筋的弹性模量钢筋在弹性阶段的应力应变的比值，称为弹性模量钢筋在弹性阶段的应力应变的比值，称为弹性模量 。1.1.3 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的钢筋的强度强度 钢筋的钢筋的塑性塑性 钢筋的钢筋的可焊性可焊性 钢筋与混凝土之间的钢筋与混凝土之间的粘结力粘结力 1.2 1.2 混凝土的物理力学性能混凝土的物理力学性能 1.2.1 1.2.1 混凝土的强度混凝土的强度1.2.1.1 1.2.1.1 砼立方体抗压强度砼立方
6、体抗压强度f fcucu与强度等级与强度等级v砼结构主要利用其砼结构主要利用其抗压强度抗压强度，因此抗压强度是最主要和最基本的指标。，因此抗压强度是最主要和最基本的指标。v标准立方体强度：标准立方体试件测得的抗压强度，用标准立方体强度：标准立方体试件测得的抗压强度，用f fcucu表示。表示。v砼强度等级：砼强度等级：边长边长150mm150mm立方体，温度为立方体，温度为202033、相对湿度不小于、相对湿度不小于90%90%的条件下养护的条件下养护2828天，用天，用标准试验方法标准试验方法测得的测得的具有具有95%95%保证率保证率的立方体抗的立方体抗压强度标准值压强度标准值f fcuk
7、cuk作为砼的强度等级，以符号作为砼的强度等级，以符号C C表示，单位为表示，单位为N/mmN/mm2 2。水利水电工程用砼分水利水电工程用砼分1010个强度等级，即个强度等级，即C15C15、C20C20、C25C25、C30C30、C35C35、C40C40、C45C45、C50C50、C55C55、C60C60，级差为，级差为5N/mm5N/mm2 2。 1.2.1.2 1.2.1.2 轴心抗压强度轴心抗压强度f fc cv150mm150mm150mm150mm300mm300mm的的棱柱体棱柱体试件测定，试件测定，fc表示，较接近表示，较接近实际构件中砼的受压情况。实际构件中砼的受压
8、情况。vfc fcuv考虑到实际结构构件与试件制作及养护条件的差异、尺寸考虑到实际结构构件与试件制作及养护条件的差异、尺寸效应及加荷速度等因素的影响，规范偏安全地取：效应及加荷速度等因素的影响，规范偏安全地取：1.2.1.3 1.2.1.3 轴心抗拉强度轴心抗拉强度f ft t混凝土轴心抗拉强度远低于立方体抗压强度，仅相当于的1/91/18，当混凝土强度等级越高时， 的比值越低。国内外也常用国内外也常用劈裂法劈裂法测测定混凝土的定混凝土的抗拉抗拉强强度度。（1）双向受压时（）双向受压时（区），一向抗压强区），一向抗压强度随另一向压应力的增加而增加。度随另一向压应力的增加而增加。（2）双向受拉时
9、（）双向受拉时（区），双向受拉时区），双向受拉时的混凝土抗拉强度与单向受拉强度基本的混凝土抗拉强度与单向受拉强度基本一样。一样。（3）一向受拉一向受压时（）一向受拉一向受压时（区），区），混凝土的抗拉强度随另一向的压应力的混凝土的抗拉强度随另一向的压应力的增加而降低。增加而降低。 实际结构中，砼很少处于单向受力状态。更多的是处于实际结构中，砼很少处于单向受力状态。更多的是处于双双向向或或三向三向受力状态。受力状态。1.2.1.4 1.2.1.4 复合应力状态下的砼强度复合应力状态下的砼强度构件受剪或受扭时常遇到剪应力构件受剪或受扭时常遇到剪应力t t 和正应力和正应力s s 共同作用下的复共同
10、作用下的复合受力情况。合受力情况。砼的抗剪强度：随拉应力增大而减小，砼的抗剪强度：随拉应力增大而减小， 随压应力增大而增大；随压应力增大而增大；当压应力在当压应力在0.6fc左右时，抗剪强度达到最大，左右时，抗剪强度达到最大，压应力继续增大，内裂缝发展明显，抗剪强度随压应力的增大压应力继续增大，内裂缝发展明显，抗剪强度随压应力的增大而减小。而减小。1.2.2 混凝土混凝土的变形的变形 外荷载作用产生的外荷载作用产生的受力变形受力变形, ,温度和干湿变化引起的温度和干湿变化引起的体积变形体积变形。1.2.2.1 1.2.2.1 砼在一次短期加载时的应力砼在一次短期加载时的应力应变曲线应变曲线应力
11、应力- -应变曲线中最大应力值应变曲线中最大应力值fc c与其与其相应的应变值相应的应变值 ，以及破坏时的极，以及破坏时的极限压应变（限压应变（E E点）是曲线的三大特征。点）是曲线的三大特征。极限压应变极限压应变越大，表示混凝土的塑越大，表示混凝土的塑性变形能力越大，也就是延性（指性变形能力越大，也就是延性（指构件最终破坏之前经受非弹性变形构件最终破坏之前经受非弹性变形的能力）越好。的能力）越好。 随着混凝土强度的提高，曲线上升段和峰值应变的变化不是很显著，随着混凝土强度的提高，曲线上升段和峰值应变的变化不是很显著，而下降段形状有较大的差异。而下降段形状有较大的差异。强度越高，下降段越陡，材
12、料的延性越差强度越高，下降段越陡，材料的延性越差 应力不大，重复应力不大，重复5 5 1010次后，加载和卸载的应力次后，加载和卸载的应力应变曲应变曲线合并接近一直线，同弹性体一样工作。线合并接近一直线，同弹性体一样工作。 应力超过某一限值，经多次循环，应力应变关系成为直线应力超过某一限值，经多次循环，应力应变关系成为直线后，重新变弯，试件很快破坏。该限值为砼的后，重新变弯，试件很快破坏。该限值为砼的疲劳强度疲劳强度1.2.2.2 1.2.2.2 混凝土在重复载荷下的应力混凝土在重复载荷下的应力- -应变曲线应变曲线1.2.2.3 混凝土的弹性模量混凝土的弹性模量 目前规范采用的弹性模量是利用
13、多次重复加载卸载后的应力目前规范采用的弹性模量是利用多次重复加载卸载后的应力应变关系趋于直线的性质来确定的应变关系趋于直线的性质来确定的。该公式被现行水工混凝土结构设该公式被现行水工混凝土结构设计规范采用，按上式计算的值列计规范采用，按上式计算的值列于本教材附录于本教材附录2表表2。混凝土的变形模量混凝土的变形模量：实际上常采用原点与某点连线（即割线）：实际上常采用原点与某点连线（即割线）的斜率，即该点的应力与应变之比作为混凝土的变形模量，的斜率，即该点的应力与应变之比作为混凝土的变形模量，也称为割线模量也称为割线模量混凝土的剪切模量混凝土的剪切模量，目前还不易通过试验得出，由弹性理论求得，目
14、前还不易通过试验得出，由弹性理论求得均均匀匀匀匀受压的受压的cucu计算取为计算取为0.0020.002。n偏心受压边缘的偏心受压边缘的cucu大多在大多在0.0025 0.0025 0.005 0.005范围内，范围内，计算取为计算取为0.0030.003。n受拉极限应变受拉极限应变tutu比受压极限应变小得多，计算时比受压极限应变小得多，计算时一般取为一般取为0.00010.0001。1.2.2.4 1.2.2.4 砼的极限变形砼的极限变形 混凝土在荷载长期持续作用下，应力不变，变形也会随着时混凝土在荷载长期持续作用下，应力不变，变形也会随着时间而增长。这种现象，称为混凝土的徐变。间而增长
15、。这种现象，称为混凝土的徐变。徐变与塑性变形不同。徐变与塑性变形不同。塑性变形主要是混凝土中结合面裂缝的扩展延伸引起的，只有当应力超过塑性变形主要是混凝土中结合面裂缝的扩展延伸引起的，只有当应力超过了材料的弹性极限后才发生，而且是不可恢复的。了材料的弹性极限后才发生，而且是不可恢复的。徐变不仅部分可恢复，而且在较小的应力时就能发生。徐变不仅部分可恢复，而且在较小的应力时就能发生。1.2.2.5 1.2.2.5 混凝土在长期荷载作用下的变形混凝土在长期荷载作用下的变形徐变徐变 产生徐变的原因：产生徐变的原因：v1.1.是因为混凝土受力后，水泥石中的凝胶体产生的粘性流动（颗粒间的是因为混凝土受力后
16、，水泥石中的凝胶体产生的粘性流动（颗粒间的相对滑动）要延续一个很长的时间，因此沿混凝土的受力方向会继续发生相对滑动）要延续一个很长的时间，因此沿混凝土的受力方向会继续发生随时间而增长的变形。随时间而增长的变形。v2.2.另一原因是混凝土内部的微裂缝在荷载长期作用下不断发另一原因是混凝土内部的微裂缝在荷载长期作用下不断发展和增加，从而导致变形的增加。展和增加，从而导致变形的增加。在应力较小时，徐变以第一种原因为主；在应力较小时，徐变以第一种原因为主；应力较大时，以第二种原因为主。应力较大时，以第二种原因为主。试验表明，徐变与下列因素有关：试验表明，徐变与下列因素有关：v（1）水泥用量越多，水灰比
17、越大，徐变越大。当水灰比在）水泥用量越多，水灰比越大，徐变越大。当水灰比在0.40.6范围变化时，单位应力作用下的徐变与水灰比成正比；范围变化时，单位应力作用下的徐变与水灰比成正比；v（2）增加混凝土骨料的含量，徐变减小。当骨料的含量由）增加混凝土骨料的含量，徐变减小。当骨料的含量由60%增增大到大到75%时，徐变将减小时，徐变将减小50%；v（3）养护条件好，水泥水化作用充分，徐变就小；）养护条件好，水泥水化作用充分，徐变就小；v（4）构件加载前混凝土的强度越高，徐变就越小。）构件加载前混凝土的强度越高，徐变就越小。混凝土在空气中结硬时体积减小的现象称为混凝土在空气中结硬时体积减小的现象称为
18、收缩收缩。混凝土的收缩对钢筋混凝土构件会产生十分有害的影响。混凝土的收缩对钢筋混凝土构件会产生十分有害的影响。试验表明，混凝土的收缩与下列一些因素有关：试验表明，混凝土的收缩与下列一些因素有关：（1 1）水泥用量越多，水灰比越大，收缩越大；）水泥用量越多，水灰比越大，收缩越大；（2 2）强度高的水泥制成的混凝土构件收缩大；）强度高的水泥制成的混凝土构件收缩大；（3 3）骨料的弹性模量大，收缩小；）骨料的弹性模量大，收缩小；（4 4）在结硬过程中养护条件好，收缩小；）在结硬过程中养护条件好，收缩小；（5 5）混凝土振捣密实，收缩小；）混凝土振捣密实，收缩小；(6)(6)使用环境湿度大，收缩小使用
19、环境湿度大，收缩小1.2.2.6 1.2.2.6 混凝土的收缩混凝土的收缩 v钢筋与砼间具有钢筋与砼间具有足够的粘结足够的粘结。v通通过过钢钢筋筋与与砼砼界界面面的的粘粘结结应应力力，可可以以实实现现钢钢筋筋与与砼砼之之间间的的应力传递，从而使两种材料可以结合在一起应力传递，从而使两种材料可以结合在一起共同工作共同工作。v粘结应力通常是指钢筋与砼界面间的粘结应力通常是指钢筋与砼界面间的剪应力剪应力。 1.3 1.3 钢筋与砼的粘结钢筋与砼的粘结1.3.1 1.3.1 钢筋与砼之间的粘结力钢筋与砼之间的粘结力 拔出试验拔出试验 粘结应力粘结应力 光面钢筋光面钢筋光面钢筋光面钢筋的粘结力由三部分组
20、成：的粘结力由三部分组成：水泥凝胶体与钢筋表面之间的胶着力；水泥凝胶体与钢筋表面之间的胶着力；砼收缩，将钢筋紧紧握固而产生的摩擦力；砼收缩，将钢筋紧紧握固而产生的摩擦力；钢筋表面不平整与砼之间产生的机械咬合力。钢筋表面不平整与砼之间产生的机械咬合力。影响粘结力影响粘结力的主要因素的主要因素 砼强度砼强度 保护层厚度保护层厚度 受力情况受力情况 钢筋表面和外形特征钢筋表面和外形特征1.3.2 1.3.2 钢筋的锚固与接头钢筋的锚固与接头为保证光圆钢筋的锚固，为保证光圆钢筋的锚固，规范规定受力的光圆钢筋末端必须作成半圆弯钩。规范规定受力的光圆钢筋末端必须作成半圆弯钩。 接长钢筋有三种办法：绑扎搭接；焊接；机械连接。接长钢筋有三种办法：绑扎搭接；焊接；机械连接。
