混凝土结构材料物理力学性能

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1、南京理工大学泰州科技学院土木工程学院南京理工大学泰州科技学院土木工程学院袁 继 峰混凝土结构设计原理混凝土结构设计原理混凝土结构设计原理混凝土结构设计原理Concrete Concrete Concrete Concrete StructureStructureStructureStructureCompany Logo混凝土结构设计原理材料的物理力学性能材料的物理力学性能2第二章第二章 混凝土结构材料混凝土结构材料 物理力学性能物理力学性能主要内容：主要内容：u混凝土的物理力学性能混凝土的物理力学性能u钢筋的物理力学性能钢筋的物理力学性能u钢筋与混凝土的粘结钢筋与混凝土的粘结u钢筋的锚固和连

2、接钢筋的锚固和连接重点：重点：u混凝土的强度和变形性能混凝土的强度和变形性能u钢筋的级别、强度和变形性能钢筋的级别、强度和变形性能u粘结破坏机理粘结破坏机理Company Logo混凝土结构设计原理材料的物理力学性能材料的物理力学性能3 2.1 2.1 混凝土的物理力学性能混凝土的物理力学性能一、混凝土的组成结构一、混凝土的组成结构 普通混凝土是由水泥、石、砂、水按一定的配合比拌制，普通混凝土是由水泥、石、砂、水按一定的配合比拌制，经过凝固硬化后做成的人工石材，是多相复合材料。经过凝固硬化后做成的人工石材，是多相复合材料。微观结构：即水泥石结构，包括水泥凝胶、晶体骨架、未微观结构：即水泥石结构

3、，包括水泥凝胶、晶体骨架、未水化完的水泥颗粒和凝胶孔水化完的水泥颗粒和凝胶孔亚微观结构：即水泥砂浆结构亚微观结构：即水泥砂浆结构宏观结构：即砂浆和粗骨料两组分体系宏观结构：即砂浆和粗骨料两组分体系 骨料的分布及骨料与基相之间在界面的骨料的分布及骨料与基相之间在界面的结合强度结合强度是影是影响混凝土强度的重要因素。在荷载的作用下，响混凝土强度的重要因素。在荷载的作用下，微裂缝的扩展微裂缝的扩展对混凝土的力学性能有着极为重要的影响。对混凝土的力学性能有着极为重要的影响。Company Logo混凝土结构设计原理材料的物理力学性能材料的物理力学性能4二、混凝土的强度二、混凝土的强度 立方体试件的抗压

4、强度比较稳定，我国把立方体试件的抗压强度比较稳定，我国把立方体抗压强度立方体抗压强度作为评定混凝土强度等级的标准作为评定混凝土强度等级的标准。1、混凝土立方体抗压强度混凝土立方体抗压强度fcu,k 混凝土结构中，主要是利用它的抗压强度。因此抗压强度混凝土结构中，主要是利用它的抗压强度。因此抗压强度是混凝土力学性能中最主要和最基本的指标。是混凝土力学性能中最主要和最基本的指标。 混凝土强度等级：边长混凝土强度等级：边长150mm立方体标准试件，在标准立方体标准试件，在标准条件下（条件下（203，90%湿度）养护湿度）养护28天，用标准试验方法测天，用标准试验方法测得的具有得的具有95%保证率的立

5、方体抗压强度，用符号保证率的立方体抗压强度，用符号C表示，表示，C30表示表示fcu,k=30N/mm2 Company Logo混凝土结构设计原理材料的物理力学性能材料的物理力学性能5承压板承压板试块试块1、混凝土立方体抗压强度混凝土立方体抗压强度fcu,k二、混凝土的强度二、混凝土的强度不涂润滑剂不涂润滑剂涂润滑剂涂润滑剂强度大于强度大于压压力力试试件件裂裂缝缝发发展展扩扩张张整整个个体体系系解解体体，丧丧失失承承载力载力另另影影响响强强度度的的因因素素还还有有：龄龄期期、加加载载速率、试块尺寸等速率、试块尺寸等我国规范采取的方法：我国规范采取的方法：不涂润滑剂不涂润滑剂摩擦力摩擦力Com

6、pany Logo混凝土结构设计原理材料的物理力学性能材料的物理力学性能61、混凝土立方体抗压强度混凝土立方体抗压强度fcu,k二、混凝土的强度二、混凝土的强度标准试块：标准试块：150150 150非标准试块：非标准试块：100100 100 换算系数换算系数 1.05 200200 200 换算系数换算系数 0.95混凝土结构设计规范混凝土结构设计规范(GB50010-2010)规定的强度等级有：规定的强度等级有：C15，C20，C25，C30，C35，C40，C45，C50，C55，C60，C65，C70，C75，C80，共共1414该个等级该个等级表示混凝土表示混凝土Concrete立

7、方体抗压强度立方体抗压强度Company Logo混凝土结构设计原理材料的物理力学性能材料的物理力学性能7u钢筋混凝土结构的混凝土强度等级不应低于钢筋混凝土结构的混凝土强度等级不应低于C20；u当采用强度等级当采用强度等级400MPa及以上的钢筋时混凝土强度等级不应低于钢筋时混凝土强度等级不应低于C25；u承受重复荷载的钢筋混凝土构件，混凝土强度等级承受重复荷载的钢筋混凝土构件，混凝土强度等级不应低于不应低于C30 ；u预应力混凝土结构的混凝土强度等级不宜低于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，且不应低于C30。混凝土结构设计规范混凝土结构设计规范规定：规定：Compa

8、ny Logo混凝土结构设计原理材料的物理力学性能材料的物理力学性能8 对于同一混凝土，棱柱体抗压强度对于同一混凝土，棱柱体抗压强度小小于于立方体抗压强度。棱柱体抗压强度标准立方体抗压强度。棱柱体抗压强度标准值和立方体抗压强度标准值的换算关系为值和立方体抗压强度标准值的换算关系为二、混凝土的强度二、混凝土的强度2、混凝土轴心抗压强度混凝土轴心抗压强度 轴轴心心抗抗压压强强度度采采用用棱棱柱柱体体试试件件测测定定，用用符符号号fck表表示示，它它比较接近实际构件中混凝土的受压情况。比较接近实际构件中混凝土的受压情况。 标准试块：标准试块：150150 300承压板承压板试试块块Company L

9、ogo混凝土结构设计原理材料的物理力学性能材料的物理力学性能9二、混凝土的强度二、混凝土的强度fck Company Logo混凝土结构设计原理材料的物理力学性能材料的物理力学性能10二、混凝土的强度二、混凝土的强度3、混凝土轴心抗拉强度混凝土轴心抗拉强度u直接受拉试验直接受拉试验 u劈裂试验劈裂试验 由于轴心受拉试验对中困难，由于轴心受拉试验对中困难，常常采用立方体或圆柱体劈拉试验常常采用立方体或圆柱体劈拉试验测定混凝土的抗拉强度测定混凝土的抗拉强度Company Logo混凝土结构设计原理材料的物理力学性能材料的物理力学性能11强度种类强度种类符号符号混混 凝凝 土土 强强 度度 等等 级

10、级C15C20C25C30C35轴心抗压强度轴心抗压强度fck10.013.416.720.123.4轴心抗拉强度轴心抗拉强度ftk1.271.541.782.012.20混混 凝凝 土土 强强 度度 等等 级级C40C45C50C55C60C65C70C75C8026.829.632.435.538.541.544.547.450.22.392.512.642.742.852.932.993.053.11混凝土强度标准值（混凝土强度标准值（N/mm2）Company Logo混凝土结构设计原理材料的物理力学性能材料的物理力学性能12双向受拉，接近单轴抗拉强度；双向受拉，接近单轴抗拉强度； 一

11、拉一压，加速了混凝土内部一拉一压，加速了混凝土内部 微裂缝的发展微裂缝的发展 ，抗拉、抗压强，抗拉、抗压强 度均降低。度均降低。 双向受压，混凝土的侧向变形双向受压，混凝土的侧向变形 受到约束，强度提高受到约束，强度提高 ； 实际结构中，混凝土很少处于单向受力状态。更多的是处实际结构中，混凝土很少处于单向受力状态。更多的是处于双向或三向受力状态。如剪力和扭矩作用下的构件、弯剪扭于双向或三向受力状态。如剪力和扭矩作用下的构件、弯剪扭和压弯剪扭构件等。和压弯剪扭构件等。二、混凝土的强度二、混凝土的强度4 4、复杂受力状态下混凝土的强度、复杂受力状态下混凝土的强度Company Logo混凝土结构设

12、计原理材料的物理力学性能材料的物理力学性能13 当混凝土当混凝土三向受压三向受压时，混凝土时，混凝土一向的抗压强度随另两向压应力的一向的抗压强度随另两向压应力的增加而增大，并且混凝土的极限压增加而增大，并且混凝土的极限压应变也大大增加。因为侧向压力约应变也大大增加。因为侧向压力约束了混凝土的横向变形，抑制了混束了混凝土的横向变形，抑制了混凝土内部裂缝的出现和开展，使得凝土内部裂缝的出现和开展，使得混凝土的强度和延性均有明显提高混凝土的强度和延性均有明显提高 在工程中常采用密排箍筋柱、在工程中常采用密排箍筋柱、螺旋箍筋柱和钢管混凝土柱螺旋箍筋柱和钢管混凝土柱, ,其核芯其核芯区形成区形成“约束混

13、凝土约束混凝土”，可使构件，可使构件承载力和延性得到明显提高。承载力和延性得到明显提高。Company Logo混凝土结构设计原理材料的物理力学性能材料的物理力学性能14剪压或剪拉复合应力状态剪压或剪拉复合应力状态 随着拉应力的增大随着拉应力的增大 ，混凝土的抗剪强度降低。，混凝土的抗剪强度降低。随着压应力的增大随着压应力的增大 ，混凝土的抗剪强度逐渐增大；当压应，混凝土的抗剪强度逐渐增大；当压应力超过某一数值后，抗剪强度随压应力增大而减小。力超过某一数值后，抗剪强度随压应力增大而减小。Company Logo混凝土结构设计原理材料的物理力学性能材料的物理力学性能15二、混凝土的强度二、混凝土

14、的强度5 5、混凝土的疲劳强度、混凝土的疲劳强度破坏破坏重复荷载下的应力重复荷载下的应力- -应变曲线应变曲线fcf 3 2 1 疲劳强疲劳强度度fcfcf的确定原则：的确定原则：100100 300或或150150 450 的棱的棱柱体试块承受柱体试块承受200万万次（或以上）循环荷次（或以上）循环荷载时发生破坏的载时发生破坏的最大最大压应力值压应力值 混凝土的疲劳强度与混凝土的疲劳强度与疲劳应力比疲劳应力比pcf有关，疲劳应力比有关，疲劳应力比pcf越大，疲劳强度越高。越大，疲劳强度越高。Company Logo混凝土结构设计原理材料的物理力学性能材料的物理力学性能16三、混凝土的变形三、

15、混凝土的变形混凝土的变形可分为两类：混凝土的变形可分为两类： （1）荷载作用下的）荷载作用下的受力变形受力变形，如单调短期加载的变形、，如单调短期加载的变形、荷载长期作用下的变形以及多次重复加载的变形。荷载长期作用下的变形以及多次重复加载的变形。 （2）与受力无关，称为）与受力无关，称为体积变形体积变形，如混凝土收缩以及温，如混凝土收缩以及温度变化引起的变形。度变化引起的变形。Company Logo混凝土结构设计原理材料的物理力学性能材料的物理力学性能17三、混凝土的变形三、混凝土的变形(MPa)fc00(10-3)abcd225201510546810混凝土强度提高混凝土强度提高加载速度减

16、慢加载速度减慢作用是作用是: :峰值应峰值应力后力后, ,吸收试验吸收试验机的变形能机的变形能, ,测测出下降段出下降段1 1、单轴受压时的应力、单轴受压时的应力- -应变关系应变关系Company Logo混凝土结构设计原理材料的物理力学性能材料的物理力学性能18三、混凝土的变形三、混凝土的变形0(MPa) BAD0 cu fc s COA段弹性变形，段弹性变形，A点混凝点混凝土的弹性极限土的弹性极限AB段应变增长较应力快，段应变增长较应力快，内部微裂缝有所发展但稳定，内部微裂缝有所发展但稳定，B点临界应力点点临界应力点BC段应变增长速度进一步段应变增长速度进一步加快，内部微裂缝不稳定，加快

17、，内部微裂缝不稳定，C点轴心抗压强度点轴心抗压强度CD段位应力段位应力-应变下降段。应变下降段。C点后承载能力随应变增长点后承载能力随应变增长逐渐减小逐渐减小(应变软化应变软化)。Company Logo混凝土结构设计原理材料的物理力学性能材料的物理力学性能19三、混凝土的变形三、混凝土的变形1 1、单轴受压时的应力、单轴受压时的应力- -应变关系应变关系u=0.00380=0.0020cfcc0.15fcu=0.00350=0.0020cfcc美国美国Hognestad模型模型德国德国Rsch模型模型Company Logo混凝土结构设计原理材料的物理力学性能材料的物理力学性能20三、混凝土

18、的变形三、混凝土的变形1 1、单轴受压时的应力、单轴受压时的应力- -应变关系应变关系我国规范采用的模型我国规范采用的模型cuc0fc s 0.5fc s Company Logo混凝土结构设计原理材料的物理力学性能材料的物理力学性能21三、混凝土的变形三、混凝土的变形2 2、侧向受约束时混凝土的变形特点、侧向受约束时混凝土的变形特点Company Logo混凝土结构设计原理材料的物理力学性能材料的物理力学性能22三、混凝土的变形三、混凝土的变形3 3、轴向受拉时应力、轴向受拉时应力- -应变关系应变关系我国规范采用的模型我国规范采用的模型t0ft s Company Logo混凝土结构设计原

19、理材料的物理力学性能材料的物理力学性能23三、混凝土的变形三、混凝土的变形4 4、混凝土的模量、混凝土的模量原点切线模量（弹性模量）：原点切线模量（弹性模量）：拉压相同拉压相同变形模量（割线模量、变形模量（割线模量、弹塑性模量）弹塑性模量）切线模量切线模量受压时受压时,为为0.41.0受拉破坏时受拉破坏时,为为1.0cccce p01Company Logo混凝土结构设计原理材料的物理力学性能材料的物理力学性能24混凝土混凝土弹性模量弹性模量与与立方体抗压强度立方体抗压强度之间的关系：之间的关系：三、混凝土的变形三、混凝土的变形4 4、混凝土的模量、混凝土的模量Company Logo混凝土结

20、构设计原理材料的物理力学性能材料的物理力学性能25三、混凝土的变形三、混凝土的变形5 5、长期荷载作用下混凝土的变形性能、长期荷载作用下混凝土的变形性能-徐变徐变 在荷载长期作用下在荷载长期作用下, ,混凝土的变形随时间而徐徐增长的现混凝土的变形随时间而徐徐增长的现象。象。 徐变的特点徐变的特点: :开始增长较快，以后逐渐减慢，最后趋于稳开始增长较快，以后逐渐减慢，最后趋于稳定。主要与时间参数有关。定。主要与时间参数有关。 混凝土徐变的主要原因是在荷载长期作用下，混凝土凝混凝土徐变的主要原因是在荷载长期作用下，混凝土凝胶体中的水分逐渐压出，水泥石逐渐粘性流动，微细空隙逐胶体中的水分逐渐压出，水

21、泥石逐渐粘性流动，微细空隙逐渐闭合，细晶体内部逐渐滑动，微细裂缝逐渐发生等各种因渐闭合，细晶体内部逐渐滑动，微细裂缝逐渐发生等各种因素的综合结果。素的综合结果。Company Logo混凝土结构设计原理材料的物理力学性能材料的物理力学性能26三、混凝土的变形三、混凝土的变形5 5、长期荷载作用下混凝土的变形性能、长期荷载作用下混凝土的变形性能-徐变徐变c0.5fc，徐变变形与应，徐变变形与应力成正比力成正比线性徐变线性徐变 0.5fcc0.8fc，造成混凝土，造成混凝土破坏，不稳定破坏，不稳定 c=0.8fc作为混凝土作为混凝土长期抗压强度长期抗压强度Company Logo混凝土结构设计原理

22、材料的物理力学性能材料的物理力学性能27三、混凝土的变形三、混凝土的变形5 5、长期荷载作用下混凝土的变形性能、长期荷载作用下混凝土的变形性能-徐变徐变影响混凝土徐变的因素主要有以下几方面：影响混凝土徐变的因素主要有以下几方面：u内在因素：骨料越坚硬，徐变越小；水灰比越大，水泥用内在因素：骨料越坚硬，徐变越小；水灰比越大，水泥用量越多，徐变越大。量越多，徐变越大。u环境因素：受荷前养护的温度越高，湿度越大，水泥水化环境因素：受荷前养护的温度越高，湿度越大，水泥水化作用就越充分，徐变就越小；加荷期间温度越高，湿度越作用就越充分，徐变就越小；加荷期间温度越高，湿度越低，徐变就越大。低，徐变就越大。

23、u应力条件：初始加荷应力越大，徐变越大；加载时混凝土应力条件：初始加荷应力越大，徐变越大；加载时混凝土的龄期越短，徐变越大。在实际工程中，应加强养护使混的龄期越短，徐变越大。在实际工程中，应加强养护使混凝土尽早结硬可减小徐变。凝土尽早结硬可减小徐变。Company Logo混凝土结构设计原理材料的物理力学性能材料的物理力学性能28徐变会使结构（构件）的（挠度）变形增大，引起预应力徐变会使结构（构件）的（挠度）变形增大，引起预应力损失，在长期高应力作用下，甚至会导致破坏。损失，在长期高应力作用下，甚至会导致破坏。徐变有利于结构构件产生内（应）力重分布，降低结构的徐变有利于结构构件产生内（应）力重

24、分布，降低结构的受力（如支座不均匀沉降），减小大体积混凝土内的温度应受力（如支座不均匀沉降），减小大体积混凝土内的温度应力，受拉徐变可延缓收缩裂缝的出现。力，受拉徐变可延缓收缩裂缝的出现。三、混凝土的变形三、混凝土的变形5 5、长期荷载作用下混凝土的变形性能、长期荷载作用下混凝土的变形性能-徐变徐变混凝土徐变对结构的影响：混凝土徐变对结构的影响：Company Logo混凝土结构设计原理材料的物理力学性能材料的物理力学性能29三、混凝土的变形三、混凝土的变形5 5、长期荷载作用下混凝土的变形性能、长期荷载作用下混凝土的变形性能-徐变徐变混凝土徐变对结构的影响：混凝土徐变对结构的影响：P拆去，钢

25、筋受拆去，钢筋受压混凝土受拉，压混凝土受拉，可能会引起混凝可能会引起混凝土开裂土开裂徐变：徐变： s， cCompany Logo混凝土结构设计原理材料的物理力学性能材料的物理力学性能30破破坏坏重复荷载下的应力重复荷载下的应力- -应变曲线应变曲线fcf 3 2 1 当重复作用应力值当重复作用应力值小于小于混混凝土疲劳强度，其加荷、卸荷凝土疲劳强度，其加荷、卸荷的应力的应力应变曲线形成了一个应变曲线形成了一个环状。在多次加荷、卸荷作用环状。在多次加荷、卸荷作用下，应力下，应力应变环越来越闭合，应变环越来越闭合，最后闭合成最后闭合成一条直线一条直线。 当重复作用应力值当重复作用应力值大于大于混

26、混凝土疲劳强度，则其加卸载不凝土疲劳强度，则其加卸载不能再形成闭合环。至荷载重复能再形成闭合环。至荷载重复到某一定次数时，构件会因到某一定次数时，构件会因严严重开裂或变形过大而破坏重开裂或变形过大而破坏。三、混凝土的变形三、混凝土的变形6 6、重复荷载作用下混凝土的变形、重复荷载作用下混凝土的变形Company Logo混凝土结构设计原理材料的物理力学性能材料的物理力学性能31三、混凝土的变形三、混凝土的变形7 7、混凝土的收缩和膨胀、混凝土的收缩和膨胀 混混凝凝土土在在空空气气中中硬硬化化时时体体积积会会缩缩小小，这这种种现现象象称称为为混混凝凝土的收缩；而在水中硬化时体积则会膨胀。土的收缩

27、；而在水中硬化时体积则会膨胀。 引起混凝土收缩的原因，在硬化初期主要是水泥石在水引起混凝土收缩的原因，在硬化初期主要是水泥石在水化凝固结硬过程中产生的体积变化，后期主要是混凝土内自化凝固结硬过程中产生的体积变化，后期主要是混凝土内自由水分蒸发而引起的干缩。由水分蒸发而引起的干缩。 收收缩缩和和膨膨胀胀是是混混凝凝土土在在不不受受外外力力情情况况下下体体积积变变化化产产生生的的变形。变形。Company Logo混凝土结构设计原理材料的物理力学性能材料的物理力学性能32三、混凝土的变形三、混凝土的变形7 7、混凝土的收缩和膨胀、混凝土的收缩和膨胀收缩的性质收缩的性质自由收缩自由收缩约束收缩约束收

28、缩来自内部的钢筋约束来自内部的钢筋约束来自支座的外部约束来自支座的外部约束自由收缩自由收缩一般不会引起拉应力，故不会开裂一般不会引起拉应力，故不会开裂约束收缩约束收缩产生收缩应力甚至开裂产生收缩应力甚至开裂Company Logo混凝土结构设计原理材料的物理力学性能材料的物理力学性能33三、混凝土的变形三、混凝土的变形7 7、混凝土的收缩和膨胀、混凝土的收缩和膨胀 影响混凝土收缩的因素主要有以下几方面：影响混凝土收缩的因素主要有以下几方面： 混混凝凝土土的的收收缩缩受受结结构构周周围围的的温温度度、湿湿度度、构构件件断断面面形形状状及及尺尺寸寸、配配合合比比、骨骨料料性性质质、水水泥泥性性质质

29、、混混凝凝土土浇浇筑筑质质量量及及养护条件等许多因素有关。养护条件等许多因素有关。u水泥用量多、水灰比越大，收缩越大；水泥用量多、水灰比越大，收缩越大；u骨料弹性模量高、级配好，收缩就小；骨料弹性模量高、级配好，收缩就小；u干燥失水及高温环境，收缩大；干燥失水及高温环境，收缩大；u小尺寸构件收缩大，大尺寸构件收缩小；小尺寸构件收缩大，大尺寸构件收缩小；u高强混凝土收缩大；高强混凝土收缩大；Company Logo混凝土结构设计原理材料的物理力学性能材料的物理力学性能34三、混凝土的变形三、混凝土的变形7 7、混凝土的收缩和膨胀、混凝土的收缩和膨胀 混凝土收缩对结构的影响：混凝土收缩对结构的影响

30、：u会使混凝土中产生拉应力，甚至引起混凝土的开裂。会使混凝土中产生拉应力，甚至引起混凝土的开裂。u会使预应力混凝土构件产生预应力损失。会使预应力混凝土构件产生预应力损失。u对跨度比较敏感的超静定结构对跨度比较敏感的超静定结构(如拱结构如拱结构)会引起不利的内力会引起不利的内力.AscAs s收缩：收缩： 钢筋受压，钢筋受压， 混凝土受拉混凝土受拉AsCompany Logo混凝土结构设计原理材料的物理力学性能材料的物理力学性能35三、混凝土的变形三、混凝土的变形7 7、混凝土的收缩和膨胀、混凝土的收缩和膨胀墙板干燥收缩裂缝墙板干燥收缩裂缝与边框架的变形与边框架的变形 混凝土收缩对结构的影响：混

31、凝土收缩对结构的影响：Company Logo混凝土结构设计原理材料的物理力学性能材料的物理力学性能36 2.2 2.2 钢筋的物理力学性能钢筋的物理力学性能一、一、钢筋的种类及符号说明钢筋的种类及符号说明按化学成分按化学成分碳素钢（铁、碳、碳素钢（铁、碳、硅、锰、硫、磷硅、锰、硫、磷等元素）等元素）低碳钢（含碳量低碳钢（含碳量0.25%）中碳钢（含碳量中碳钢（含碳量0.250.6%）高碳钢（含碳量高碳钢（含碳量0.61.4%）普通低合金钢普通低合金钢（另加硅、锰、（另加硅、锰、钛、钒、铬等）钛、钒、铬等）锰系（锰系（20MnSi、25Mnsi）硅钒系（硅钒系（ 40Si2MnV、 45SiM

32、nV ）硅钛系（硅钛系（ 45Si2MnTi ）硅锰系（硅锰系（ 40Si2Mn、 45Si2Mn ）硅铬系（硅铬系（ 45Si2Cr ）Company Logo混凝土结构设计原理材料的物理力学性能材料的物理力学性能37一、一、钢筋的种类及符号说明钢筋的种类及符号说明钢筋钢筋热轧钢筋：热轧光面钢筋热轧钢筋：热轧光面钢筋HPB300，热轧带肋钢筋，热轧带肋钢筋HRB335、HRB400，余热处理钢筋，余热处理钢筋RRB400冷拉钢筋：由热轧钢筋在常温下用机械拉伸而成冷拉钢筋：由热轧钢筋在常温下用机械拉伸而成热处理钢筋：将热处理钢筋：将HRB400、RRB400钢筋通过加热、淬钢筋通过加热、淬火、

33、回火而成火、回火而成按加工按加工钢丝钢丝碳素钢丝：高碳镇静钢通过多次冷拔、应力消除、矫正、碳素钢丝：高碳镇静钢通过多次冷拔、应力消除、矫正、回火处理而成回火处理而成刻痕钢丝：在钢丝表面刻痕增强其与混凝土间的粘结力刻痕钢丝：在钢丝表面刻痕增强其与混凝土间的粘结力钢绞线：六根相同直径的钢丝成螺旋状铰绕在一起钢绞线：六根相同直径的钢丝成螺旋状铰绕在一起冷拔低碳钢丝：由低碳钢冷拔而成冷拔低碳钢丝：由低碳钢冷拔而成Company Logo混凝土结构设计原理材料的物理力学性能材料的物理力学性能38一、一、钢筋的种类及符号说明钢筋的种类及符号说明按表面形状按表面形状光圆钢筋光圆钢筋变形钢筋变形钢筋钢筋的应用

34、范围钢筋的应用范围非预应力钢筋：非预应力钢筋：HPB300，HRB335，HRB400，RRB400预应力钢筋：碳素钢丝，刻痕钢丝，钢绞线，热处理预应力钢筋：碳素钢丝，刻痕钢丝，钢绞线，热处理钢筋，冷拉钢筋钢筋，冷拉钢筋Company Logo混凝土结构设计原理材料的物理力学性能材料的物理力学性能39一、一、钢筋的种类及符号说明钢筋的种类及符号说明 热轧钢筋热轧钢筋Company Logo混凝土结构设计原理材料的物理力学性能材料的物理力学性能40一、一、钢筋的种类及符号说明钢筋的种类及符号说明预应力钢筋预应力钢筋Company Logo混凝土结构设计原理材料的物理力学性能材料的物理力学性能41

35、一、一、钢筋的种类及符号说明钢筋的种类及符号说明热轧钢筋的符号说明热轧钢筋的符号说明HPB300 生产工艺：生产工艺： Hot rolled 表面形状：表面形状：Plain 钢筋：钢筋：Bar 屈服强度标准值屈服强度标准值Company Logo混凝土结构设计原理材料的物理力学性能材料的物理力学性能42一、一、钢筋的种类及符号说明钢筋的种类及符号说明HRB400 Hot rolledRibbed-steel Bar RRB400 余热处理余热处理Remained heat treatment热轧钢筋的符号说明热轧钢筋的符号说明HRBF400 细晶粒细晶粒FineCompany Logo混凝土结

36、构设计原理材料的物理力学性能材料的物理力学性能43热轧钢筋的屈服强度热轧钢筋的屈服强度种类种类符号符号fyf y热轧热轧钢筋钢筋HPB 300270270HRB 335HRBF335300300HRB 400HRBF400RRB400360360HRB 500HRBF500 435435一、一、钢筋的种类及符号说明钢筋的种类及符号说明FFRFCompany Logo混凝土结构设计原理材料的物理力学性能材料的物理力学性能44二、钢筋的应力二、钢筋的应力- -应变关系应变关系有明显屈服点的钢筋有明显屈服点的钢筋 热轧低碳钢、普通热轧低合金钢热轧低碳钢、普通热轧低合金钢 a 为比例极限为比例极限pr

37、oportional limit =Esaa 为弹性极限为弹性极限elastic limitad-e 强化段强化段strain hardening stagebb 为屈服上限为屈服上限upper yield strengthc 为屈服下限，即屈服强度为屈服下限，即屈服强度 fy lower yield strengthcdc-d 为屈服台阶为屈服台阶yield plateauefue 为极限抗拉强度为极限抗拉强度 fu ultimate tensile strengthfyfCompany Logo混凝土结构设计原理材料的物理力学性能材料的物理力学性能45二、钢筋的应力二、钢筋的应力- -应变

38、关系应变关系极极限限强强度度：材材料料能能承承受受的的最最大大应应力力反反映映安安全全储备储备屈强比：屈服强度屈强比：屈服强度/ /极限强度极限强度= =0.60.7 钢材的强度指标钢材的强度指标屈服强度：设计时钢材允许达到的最大应力屈服强度：设计时钢材允许达到的最大应力 有明显流幅的钢材：取屈服点的应力；有明显流幅的钢材：取屈服点的应力； 无无有有明明显显流流幅幅的的钢钢材材：取取条条件件屈屈服服强强度度（残残余应变为余应变为0.2%对应的应力）对应的应力）0.2%0.2Company Logo混凝土结构设计原理材料的物理力学性能材料的物理力学性能46二、钢筋的应力二、钢筋的应力- -应变关

39、系应变关系钢材的塑性指标钢材的塑性指标伸伸长长率率elongation rate：钢钢筋筋拉拉断断时时的的应应变变，是是反反映映钢钢筋筋塑塑性性性性能能的的指指标标。伸伸长长率率大大的的钢钢筋，在拉断前有足够预兆，延性较好筋，在拉断前有足够预兆，延性较好截面收缩率：拉断后面积缩小率截面收缩率：拉断后面积缩小率 冷冷弯弯性性能能：是是将将直直径径为为d的的钢钢筋筋绕绕直直径径为为D的的弯弯芯芯弯弯曲曲到到规规定定的的角角度度后后无无裂裂纹纹及及起起层层现现象象，表表示示合合格格。弯弯芯芯的的直直径径D越越小小，弯弯转转角角越大，塑性越好。越大，塑性越好。Company Logo混凝土结构设计原理

40、材料的物理力学性能材料的物理力学性能47二、钢筋的应力二、钢筋的应力- -应变关系应变关系钢筋应力钢筋应力- -应变曲线的数学模型应变曲线的数学模型（1）理想弹塑性模型）理想弹塑性模型（2）三段线性模型）三段线性模型Company Logo混凝土结构设计原理材料的物理力学性能材料的物理力学性能48三、钢筋的冷加工和热处理三、钢筋的冷加工和热处理冷加工冷加工的方法：冷拉、冷拔、冷轧。的方法：冷拉、冷拔、冷轧。冷加工的目的：改变钢材内部结构，提高钢材强度，节约钢冷加工的目的：改变钢材内部结构，提高钢材强度，节约钢筋。筋。热处理热处理: :对特定钢号的钢筋进行淬火和回火处理。对特定钢号的钢筋进行淬火

41、和回火处理。强度提高，塑强度提高，塑性降低性降低不降低强度的前提下不降低强度的前提下, ,消除由淬火产生的内力消除由淬火产生的内力, ,改善塑性和韧性改善塑性和韧性Company Logo混凝土结构设计原理材料的物理力学性能材料的物理力学性能49三、钢筋的冷加工和热处理三、钢筋的冷加工和热处理o冷拉控制应力冷拉控制应力(N/mm2)冷拉率冷拉率残余变形残余变形oabkkdd冷拉无时效冷拉无时效冷拉经时效冷拉经时效冷拉冷拉在常温下用机械方法将有在常温下用机械方法将有明显流幅的钢筋拉到超过明显流幅的钢筋拉到超过屈服强度的某一应力值，屈服强度的某一应力值，然后卸载至零。然后卸载至零。冷拉后，冷拉后，

42、未经时效前未经时效前，没，没有明显的屈服台阶。有明显的屈服台阶。经过经过停放或加热后进经过经过停放或加热后进一步提高了屈服强度并恢一步提高了屈服强度并恢复了屈服台阶，称为复了屈服台阶，称为冷拉冷拉时效硬化时效硬化Company Logo混凝土结构设计原理材料的物理力学性能材料的物理力学性能50三、钢筋的冷加工和热处理三、钢筋的冷加工和热处理 k点的选择可采用点的选择可采用控制应力控制应力和和控制冷拉率控制冷拉率两种方法。两种方法。 冷拉时应力值必须超过钢筋的屈服强度。冷拉时应力值必须超过钢筋的屈服强度。 温度的影响：温度达温度的影响：温度达700C时恢复到冷拉前的状态，时恢复到冷拉前的状态，先

43、焊先焊后拉后拉。 特性：只提高抗拉强度，不提高抗压强度，强度提高，特性：只提高抗拉强度，不提高抗压强度，强度提高，塑性下降。塑性下降。冷拉冷拉Company Logo混凝土结构设计原理材料的物理力学性能材料的物理力学性能51三、钢筋的冷加工和热处理三、钢筋的冷加工和热处理冷拔冷拔 将将6的光园的光园热轧钢筋强行拔过小于其直径的硬质合金热轧钢筋强行拔过小于其直径的硬质合金拔丝模具。拔丝模具。 经过几次经过几次冷拔的钢丝，冷拔的钢丝，抗拉、抗压强抗拉、抗压强度均大大提高，度均大大提高，但塑性降低。但塑性降低。Company Logo混凝土结构设计原理材料的物理力学性能材料的物理力学性能52三、钢筋

44、的冷加工和热处理三、钢筋的冷加工和热处理冷轧冷轧 在在常常温温下下将将热热轧轧钢钢筋筋表表面面轧轧制制成成不不同同的的形形状状，其其材材料料内内部部组组织织变变得得更更加加密密实实，钢钢筋筋的的强强度度及及与与混混凝凝土土的的粘粘结结力力有有所所提高，但塑性性能有所下降。提高，但塑性性能有所下降。 目前常用的冷轧钢筋有冷轧带肋钢筋和冷轧扭钢筋两种。目前常用的冷轧钢筋有冷轧带肋钢筋和冷轧扭钢筋两种。Company Logo混凝土结构设计原理材料的物理力学性能材料的物理力学性能53四、钢筋的徐变和松弛四、钢筋的徐变和松弛徐变徐变应力不变，随时间的应力不变，随时间的增长应变继续增加增长应变继续增加松

45、弛松弛长度不变，随时间的长度不变，随时间的增长应力降低增长应力降低对结构对结构, ,尤其尤其是预应力结构是预应力结构, ,产生不利的影产生不利的影响响, ,需采取必需采取必要的措施要的措施Company Logo混凝土结构设计原理材料的物理力学性能材料的物理力学性能54五、钢筋的疲劳五、钢筋的疲劳 重复荷载作用下，钢筋的强度重复荷载作用下，钢筋的强度 静载作用下的强度静载作用下的强度 规定的应力幅度内，经一定次数的重复荷载后，发生疲规定的应力幅度内，经一定次数的重复荷载后，发生疲劳破坏的最大应力值称为疲劳强度。劳破坏的最大应力值称为疲劳强度。 我国规范要求满足循环次数为我国规范要求满足循环次数

46、为200200万次，即对不同的疲劳万次，即对不同的疲劳应力比值满足循环次数为应力比值满足循环次数为200200万次条件下的钢筋最大应力值为万次条件下的钢筋最大应力值为钢筋的疲劳强度。钢筋的疲劳强度。 影响钢筋疲劳强度的因素很多，除应力变化幅值外，还影响钢筋疲劳强度的因素很多，除应力变化幅值外，还有最小应力值大小、钢筋外表面的几何形状、钢筋直径、钢有最小应力值大小、钢筋外表面的几何形状、钢筋直径、钢筋等级和使用环境以及加载的频率等。筋等级和使用环境以及加载的频率等。Company Logo混凝土结构设计原理材料的物理力学性能材料的物理力学性能55六、六、混凝土结构对钢筋性能的要求混凝土结构对钢筋

47、性能的要求强度要求：屈服强度和极限强度，抗震设计时还要求有一强度要求：屈服强度和极限强度，抗震设计时还要求有一定的屈强比；定的屈强比；足够的塑性：避免发生脆性破坏；足够的塑性：避免发生脆性破坏；可焊性：要求钢筋具备良好的焊接性能；可焊性：要求钢筋具备良好的焊接性能；耐久性和耐火性：必要的混凝土保护层厚度以满足对构件耐久性和耐火性：必要的混凝土保护层厚度以满足对构件耐火极限的要求；耐火极限的要求； 与混凝土具有良好的粘结；与混凝土具有良好的粘结；寒冷地区，防止钢筋低温冷脆导致破坏。寒冷地区，防止钢筋低温冷脆导致破坏。Company Logo混凝土结构设计原理材料的物理力学性能材料的物理力学性能5

48、6 2.3 2.3 混凝土与钢筋的粘结混凝土与钢筋的粘结 钢筋和混凝土这两种材料能够结合在一起共同工作，除钢筋和混凝土这两种材料能够结合在一起共同工作，除了两者具有相近的线膨胀系数外，更主要的是由于混凝土硬了两者具有相近的线膨胀系数外，更主要的是由于混凝土硬化后，钢筋和混凝土之间产生良好的粘结力。为了保证钢筋化后，钢筋和混凝土之间产生良好的粘结力。为了保证钢筋不被从混凝土中拔出或压出，与混凝土更好地共同工作，还不被从混凝土中拔出或压出，与混凝土更好地共同工作，还要求钢筋有良好的锚固。要求钢筋有良好的锚固。粘结和锚固粘结和锚固是钢筋和混凝土形成整是钢筋和混凝土形成整体、共同工作的基础。体、共同工

49、作的基础。 粘结应力通常是指钢筋与混凝土界面间的剪应力。粘结应力通常是指钢筋与混凝土界面间的剪应力。Company Logo混凝土结构设计原理材料的物理力学性能材料的物理力学性能57粘结强度：粘结失效时的最大（平均）粘结应力。粘结强度：粘结失效时的最大（平均）粘结应力。粘结强度的测试粘结强度的测试 Company Logo混凝土结构设计原理材料的物理力学性能材料的物理力学性能58钢筋与混凝土的粘结作用由三部分组成：钢筋与混凝土的粘结作用由三部分组成： 混凝土中水泥胶体与钢筋表面的胶结力；混凝土中水泥胶体与钢筋表面的胶结力； 混凝土因收缩将钢筋握紧而产生的摩擦力；混凝土因收缩将钢筋握紧而产生的摩

50、擦力； 机械咬合力。机械咬合力。当钢筋与混凝土产生相对滑动后，胶结作用即丧失。当钢筋与混凝土产生相对滑动后，胶结作用即丧失。摩擦力的大小取决于握裹力和钢筋与混凝土表面的摩擦系数。摩擦力的大小取决于握裹力和钢筋与混凝土表面的摩擦系数。一、粘结的机理一、粘结的机理Company Logo混凝土结构设计原理材料的物理力学性能材料的物理力学性能59光圆钢筋的粘结破坏：光圆钢筋的粘结破坏：二、粘结破坏机理二、粘结破坏机理 光面钢筋的粘结能力来源于胶结和摩擦。由中心拉拔光面钢筋的粘结能力来源于胶结和摩擦。由中心拉拔试验可知，在加荷初期，试验可知，在加荷初期，胶结力胶结力承担了全部拉拔力，随着承担了全部拉拔

51、力，随着拉力增大，首先在加载端出现滑移线，此时粘结力主要靠拉力增大，首先在加载端出现滑移线，此时粘结力主要靠钢筋和混凝土之间的摩擦力提供。钢筋和混凝土之间的摩擦力提供。Company Logo混凝土结构设计原理材料的物理力学性能材料的物理力学性能60变形钢筋的粘结破坏：变形钢筋的粘结破坏：二、粘结破坏机理二、粘结破坏机理 变形钢筋的粘结能力主要来源于摩擦力和机械咬合力。变形钢筋的粘结能力主要来源于摩擦力和机械咬合力。钢筋开始滑移后，粘结力主要由钢筋凸肋对混凝土的钢筋开始滑移后，粘结力主要由钢筋凸肋对混凝土的斜向挤斜向挤压力压力和界面上的和界面上的摩擦力摩擦力组成。组成。 若钢筋外围混凝土很薄且

52、没有环向箍筋约束，形成纵向若钢筋外围混凝土很薄且没有环向箍筋约束，形成纵向劈裂裂缝，沿钢筋纵向产生劈裂破坏。劈裂裂缝，沿钢筋纵向产生劈裂破坏。 影响变形钢筋粘结力的主要因素有混凝土强度、锚固长影响变形钢筋粘结力的主要因素有混凝土强度、锚固长度、保护层相对厚度、锚筋外形特征、混凝土浇注状况以及度、保护层相对厚度、锚筋外形特征、混凝土浇注状况以及锚筋受力情况等。锚筋受力情况等。Company Logo混凝土结构设计原理材料的物理力学性能材料的物理力学性能61三、影响粘结强度的主要因素三、影响粘结强度的主要因素 混凝土强度：粘结强度均随混凝土强度的提高而增加混凝土强度：粘结强度均随混凝土强度的提高而

53、增加保护层厚度和钢筋净间距：相对保护层厚度保护层厚度和钢筋净间距：相对保护层厚度c/d 越大越大, ,粘结强粘结强度越高。钢筋净距度越高。钢筋净距s与钢筋直径与钢筋直径d的比值越大的比值越大, ,粘结强度也越高粘结强度也越高横向钢筋：横向钢筋的存在限制了径向裂缝的发展，使粘结横向钢筋：横向钢筋的存在限制了径向裂缝的发展，使粘结强度得到提高。强度得到提高。 钢筋表面和外形特征：变形钢筋较光园具有较高的粘结强度钢筋表面和外形特征：变形钢筋较光园具有较高的粘结强度受力情况：支座处的横向压力可提高粘结强度受力情况：支座处的横向压力可提高粘结强度浇筑时钢筋所处的位置浇筑时钢筋所处的位置 Company

54、Logo混凝土结构设计原理材料的物理力学性能材料的物理力学性能62四、保证粘结的构造措施四、保证粘结的构造措施对不同等级的混凝土和钢筋，保证最小对不同等级的混凝土和钢筋，保证最小搭接长度搭接长度和和锚固长度锚固长度必须满足钢筋最小间距和混凝土保护层最小厚度的要求必须满足钢筋最小间距和混凝土保护层最小厚度的要求在钢筋搭接接头范围内应加密箍筋在钢筋搭接接头范围内应加密箍筋为了保证足够的粘结在钢筋端部应设置弯钩为了保证足够的粘结在钢筋端部应设置弯钩对厚度较大的混凝土构件应分层浇筑或二次浇捣对厚度较大的混凝土构件应分层浇筑或二次浇捣除重度锈蚀的钢筋外，可以不必除锈除重度锈蚀的钢筋外，可以不必除锈Com

55、pany Logo混凝土结构设计原理材料的物理力学性能材料的物理力学性能63五、五、钢筋的锚固和搭接钢筋的锚固和搭接 钢筋受拉会产生向外的膨胀力，并导致拉力传送到构件钢筋受拉会产生向外的膨胀力，并导致拉力传送到构件表面。为了保证钢筋与混凝土之间有可靠的粘结，钢筋必须表面。为了保证钢筋与混凝土之间有可靠的粘结，钢筋必须有一定的有一定的锚固长度锚固长度，通过钢筋埋置段或机械措施将钢筋所受通过钢筋埋置段或机械措施将钢筋所受的力传给混凝土。的力传给混凝土。混凝土结构设计规范混凝土结构设计规范是以拔出试验为是以拔出试验为基础确定基本锚固长度基础确定基本锚固长度la, 它与混凝土抗拉强度它与混凝土抗拉强度

56、 ft、钢筋强度、钢筋强度fy、钢筋外径及外形有关。钢筋外径及外形有关。 钢筋长度不够时，或需要采用施工缝或后浇带等构造措钢筋长度不够时，或需要采用施工缝或后浇带等构造措施时，钢筋就需要搭接。搭接是指将两根概况的端头在一定施时，钢筋就需要搭接。搭接是指将两根概况的端头在一定长度长度( (搭接长度搭接长度) )内并放，并采用适当的连接将一根钢筋的力内并放，并采用适当的连接将一根钢筋的力传给另一根钢筋。传给另一根钢筋。Company Logo混凝土结构设计原理材料的物理力学性能材料的物理力学性能64 受拉钢筋锚固长度：受拉钢筋锚固长度： 锚固长度的修正：锚固长度的修正： 直径大于直径大于25mm的

57、带肋钢筋，取的带肋钢筋，取1.1la。 钢筋表面有环氧树脂涂层，取钢筋表面有环氧树脂涂层，取 1.25la 。 锚固区混凝土保护层厚度大于钢筋直径的锚固区混凝土保护层厚度大于钢筋直径的3 倍，且配有倍，且配有箍筋时，取箍筋时，取0.8la 。 施工中易受扰动的钢筋（滑模施工），取施工中易受扰动的钢筋（滑模施工），取 1.1la。五、五、钢筋的锚固和搭接钢筋的锚固和搭接Company Logo混凝土结构设计原理材料的物理力学性能材料的物理力学性能65修正后的锚固长度：修正后的锚固长度：机械锚固的形式机械锚固的形式 依靠钢筋自身的性能无法满足锚固要求，采用机械锚固措施。依靠钢筋自身的性能无法满足锚

58、固要求，采用机械锚固措施。五、五、钢筋的锚固和搭接钢筋的锚固和搭接Company Logo混凝土结构设计原理材料的物理力学性能材料的物理力学性能66五、五、钢筋的锚固和搭接钢筋的锚固和搭接 钢筋搭接的原则是：接头应设置在受力较小处，同一根钢筋搭接的原则是：接头应设置在受力较小处，同一根钢筋上应尽量少设接头。机械连接接头能产生较牢固的连接钢筋上应尽量少设接头。机械连接接头能产生较牢固的连接力，故应力，故应优先采用机械连接优先采用机械连接。 钢筋的连接可分为三类：绑扎搭接连接、机械连接（锥钢筋的连接可分为三类：绑扎搭接连接、机械连接（锥螺纹套筒、钢套筒挤压连接等）或焊接连接。其中绑扎搭接螺纹套筒、

59、钢套筒挤压连接等）或焊接连接。其中绑扎搭接完全是靠钢筋与混凝土之间的粘结力来传递内力的，若搭接完全是靠钢筋与混凝土之间的粘结力来传递内力的，若搭接长度不够，则可能造成粘结力的破坏，使构件失效。搭接长长度不够，则可能造成粘结力的破坏，使构件失效。搭接长度度ll按下式计算：按下式计算：Company Logo混凝土结构设计原理材料的物理力学性能材料的物理力学性能67锥螺纹钢筋连接锥螺纹钢筋连接Company Logo混凝土结构设计原理材料的物理力学性能材料的物理力学性能68Company Logo混凝土结构设计原理材料的物理力学性能材料的物理力学性能69思考题：思考题：1.1.钢筋混凝土结构有哪些优点和缺点。钢筋混凝土结构有哪些优点和缺点。2.2.钢筋混凝土结构是由两种物理力学性质不同的材料组成的，钢筋混凝土结构是由两种物理力学性质不同的材料组成的，为什么能共同工作？为什么能共同工作？3.3.学习本课程要注意哪些问题？学习本课程要注意哪些问题？4.4.现阶段钢筋混凝土结构最新发展特征有哪些？现阶段钢筋混凝土结构最新发展特征有哪些？Company Logo混凝土结构设计原理材料的物理力学性能材料的物理力学性能70