第一章鋼筋和混凝土材料的力學性能

陳紅霞

三江學院土木工程學院工程管理系建筑結(jié)構(gòu)總目錄緒論第1章鋼筋和混凝土的力學性能第2章鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的基本設(shè)計原則第3章受彎構(gòu)件正截面承載力第4章受彎構(gòu)件斜截面承載力第5章受扭構(gòu)件承載力第6章鋼筋混凝土軸向受力構(gòu)件承載力第7章鋼筋混凝土構(gòu)件變形及裂縫寬度驗算總目錄第8章預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)第9章鋼筋混凝土現(xiàn)澆樓蓋設(shè)計第10章多層框架結(jié)構(gòu)第11章砌體結(jié)構(gòu)第12章鋼結(jié)構(gòu)第13章建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計基本知識緒論0.1建筑結(jié)構(gòu)的分類0.2各類結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點及其應(yīng)用0.3本課程的學習方法和需要注意的問題第1章鋼筋和混凝土的力學性能1.1鋼筋的力學性能1.2混凝土的力學性能1.3鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)作用1.1鋼筋的力學性能1.鋼筋的分類混凝土結(jié)構(gòu)用鋼筋按化學成分可分為碳素鋼和普通合金鋼。根據(jù)含碳量的不同，碳素鋼分為：低碳鋼(含碳量<0.25%)、中碳鋼(0.25%<=含碳量<=0.6%)、高碳鋼(含碳量>0.6%)。含碳量越高，強度越高，但塑性和可焊性下降。工程中常用低碳鋼。普通低合金鋼是在碳素鋼的基礎(chǔ)上，再加人微量的合金元素，如硅、錳、釩、欽、鋸等，目的是提高鋼材的強度，改善鋼材的塑性性能。我國常見鋼筋外形1.鋼筋的分類強度高，塑性低強度高鋼筋熱軋鋼筋冷拉鋼筋冷軋、冷拔鋼筋熱處理鋼筋HPB300HRB335HRB400HRB500光圓鋼筋變形鋼筋變形鋼筋變形鋼筋非預(yù)應(yīng)力鋼筋強度塑性弱強高低強度高1.鋼筋的分類鋼筋的種類

及選用比例極限屈服強度極限強度o(N/mm2)fyfted流幅abcbc－屈服階段a－比例極限b－屈服強度cd－強化階段d－極限強度de－頸縮階段有明顯流幅鋼筋的－曲線2.鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系oa－彈性階段無明顯流幅鋼筋的－曲線0.2%0.2(N/mm2)o0.2－條件屈服強度（鋼筋經(jīng)過加載和卸載后永久殘余變形為0.2%時所對應(yīng)的應(yīng)力值。0.2

=0.85b

）2.鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系伸長率3.鋼筋的塑性性能

鋼筋除需有足夠的強度外，還應(yīng)具有一定的塑性變形（plasticdeformation)能力，鋼筋的塑性通常用伸長率和冷彎性能兩個指標來衡量。冷彎試驗3.鋼筋的塑性性能

冷彎是將直徑為d的鋼筋繞直徑為D的鋼輥，彎成一定的角度而不發(fā)生斷裂，就表示合格。3.鋼筋的塑性性能

延性要求，即鋼筋在最大力下的總伸長率應(yīng)不小于規(guī)范規(guī)定的值。（P10）4.鋼筋的冷加工冷加工的方法：冷拉、冷拔、冷軋鋼筋在常溫下的加工稱為冷加工。其目的就是使鋼筋的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而提高鋼筋的強度，達到節(jié)約鋼筋的目的。新規(guī)范不再列入冷加工鋼筋。

4.鋼筋的冷加工和熱處理冷加工的方法：冷拉、冷拔、冷軋冷拉：常溫下，把熱軋鋼筋拉伸至強化階段所得到的鋼筋。冷拉后可提高鋼材的抗拉強度，但其屈服臺階變短，塑性較差。

冷拔：冷拔可同時提高鋼材的抗拉和抗壓強度。塑性降低很多。冷軋：冷軋后，鋼筋表面軋成帶肋，強度與冷拔低碳絲接近，塑性要好一些。

d1d2Pd2d14.鋼筋的冷加工和熱處理對某些特定鋼號（40Si2Mn、48Si2Mn、45Si2Cr）的熱軋鋼筋進行淬火和回火處理，鋼筋強度大幅度提高。熱處理鋼筋雖然可提高強度，但因其延性、焊接性、機械連接性能及施工適應(yīng)性的降低，應(yīng)用受到一定限制。5.鋼筋的松弛和疲勞鋼筋的松弛是指鋼筋受力后，在保持長度不變的情況下，其應(yīng)力隨時間的增長而逐步降低的現(xiàn)象。鋼筋的松弛對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的影響不大，一般可以忽略。但在預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中，則會引起預(yù)應(yīng)力的損失，需予以考慮。鋼筋的疲勞破壞是指鋼筋在多次重復(fù)荷載作用下發(fā)生脆性的突然斷裂的現(xiàn)象。鋼筋的疲勞強度低于靜載作用下的極限強度。在鋼筋混凝土吊車梁、橋梁、軌枕、海洋采油平臺等設(shè)計時，需考慮鋼筋的疲勞強度問題。6.

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)對鋼筋性能的要求有較高的強度有較好的塑性具有較好的可焊性與混凝土之間有良好的粘結(jié)力在寒冷地區(qū)，鋼筋的低溫性能也要符合一定要求，不宜采用冷加工鋼筋，以免發(fā)生脆性破壞。7.

鋼筋的選用普通鋼筋宜采用HRB400級,HRBF400級,HRB500級和HRBF500級鋼筋；預(yù)應(yīng)力鋼筋宜采用預(yù)應(yīng)力鋼絞線、鋼絲，也可采用熱處理鋼筋。增加強度為500MPa級的熱軋帶肋鋼筋；推廣400MPa、500MPa級高強熱軋帶肋鋼筋作為縱向受力的主導鋼筋；限制并準備逐步淘汰335MPa級熱軋帶肋鋼筋的應(yīng)用；用300MPa級光圓鋼筋取代235MPa級光圓鋼筋。推廣具有較好的延性、可焊性、機械連接性能及施工適應(yīng)性的HRB系列普通熱軋帶肋鋼筋。列入采用控溫軋制工藝生產(chǎn)的HRBF系列細晶粒帶肋鋼筋。RRB系列余熱處理鋼筋由軋制鋼筋經(jīng)高溫淬水，余熱處理后提高強度。其延性、可焊性、機械連接性能及施工適應(yīng)性降低，一般可用于對變形性能及加工性能要求不高的構(gòu)件中，如基礎(chǔ)、大體積混凝土、樓板、墻體以及次要的中小結(jié)構(gòu)構(gòu)件等。

混凝土是由水泥、水、粗骨料（碎石、卵石）、細骨料(砂)等材料按一定配合比，經(jīng)混合攪拌，入模澆搗并養(yǎng)護硬化后形成的人工石材。

影響混凝土的強度和變形的主要因素有：原材料的性能；各組成成分的比例，尤其是水灰比的大??；施工方法（攪拌程度、澆搗的密實性、對混凝土的養(yǎng)護方法）等?；炷恋幕緩姸戎笜擞辛⒎襟w抗壓強度、軸心抗壓強度和軸心抗拉強度三種。1.2混凝土的力學性能1.混凝土的強度強度是指結(jié)構(gòu)材料所能承受的某種極限應(yīng)力。

混凝土的強度是靠水泥的水化、硬化獲得的。水泥的水化硬化早期快、后期慢，故混凝土強度的增長也是早期快、后期慢，但到28d齡期時強度的增長就不明顯而趨于穩(wěn)定。因此，規(guī)范以28d齡期時混凝土的強度為基準。

150mm150mm150mm1）混凝土強度等級——

立方體抗壓強度fcu

混凝土強度等級應(yīng)按立方體抗壓強度標準值確定。我國混凝土強度等級的確定方法是：用邊長為150mm的立方體標準試件，在標準試驗條件下養(yǎng)護28d，并用標準試驗方法（C30以下的加載速度控制在0.3~0.5MPa/s范圍；C30以上的加載速度控制在0.5~0.8MPa/s范圍。兩端不涂潤滑劑）測得的立方體抗壓強度，用符號fcuk表示。強度等級：C15,C20,C25,C30,C35,C40,C45,C50~C80共14級C—混凝土15—立方體抗壓強度的標準值為15N/mm22）軸心抗壓強度（棱柱體抗壓強度）fc定義：軸心抗壓強度fc是指按照標準方法制作養(yǎng)護的截面為150mm×150mm高300mm的棱柱體，在28天齡期，用標準試驗方法測得的抗壓強度?！S心抗壓強度與立方體抗壓強度比值—高強混凝土脆性折減系數(shù)0.88—經(jīng)驗折減系數(shù)抗壓強度隨試件高度增大而降低2）軸心抗壓強度fc

立方體抗壓強度不能代表混凝土在實際構(gòu)件中的受力狀態(tài)，只是作為在同一標準條件下比較混凝土強度水平和品質(zhì)的標準。試驗表明：用高寬比為2~3的棱柱體測得的抗壓強度與以受壓為主的混凝土構(gòu)件中的混凝土抗壓強度基本一致。因此，棱柱體的抗壓強度可以作為以受壓為主的混凝土抗壓強度，稱為軸心抗壓強度，用符號fc表示。3）混凝土的軸心抗拉強度ft

混凝土的抗拉性能很差。混凝土的抗拉強度一般只有抗壓強度的1/18~1/9，且不與抗壓強度成正比?；炷凛S心抗拉強度取棱柱體（100mm×

100mm×500mm，兩端埋有鋼筋）的抗拉極限強度為軸心抗拉強度?；炷翗?gòu)件的開裂、變形以及受剪、受扭、受沖切等承載力均與抗拉強度有關(guān)。根據(jù)試驗得知，fcu、fc、ft三者之間的關(guān)系是fcu＞fc＞ft。2.混凝土的變形

混凝土變形有兩類：一類是荷載作用下的受力變形，包括一次短期加荷時的變形、多次重復(fù)加荷時的變形和長期荷載作用下的變形；另一類是體積變形，包括收縮、膨脹和溫度變形。

2.混凝土的變形

混凝土在結(jié)硬過程中，由于水泥石的收縮、骨料下沉以及溫度變化等原因，在骨料和水泥石的界面上形成很多微裂縫，成為混凝土中的薄弱部位?；炷恋淖罱K破壞就是由于這些微裂縫的發(fā)展造成的。

2.混凝土的變形02468102030s(MPa)e×10-3BACEDA點以前，微裂縫沒有明顯發(fā)展，混凝土的變形主要彈性變形，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系近似直線。A點應(yīng)力隨混凝土強度的提高而增加，對普通強度混凝土sA約為(0.3~0.4)fc

，對高強混凝土sA可達(0.5~0.7)fc。

2.混凝土的變形02468102030s(MPa)e×10-3BACEDA點以后，由于微裂縫處的應(yīng)力集中，裂縫開始有所延伸發(fā)展，產(chǎn)生部分塑性變形，應(yīng)變增長開始加快，應(yīng)力-應(yīng)變曲線逐漸偏離直線。微裂縫的發(fā)展導致混凝土的橫向變形增加。但該階段微裂縫的發(fā)展是穩(wěn)定的。

2.混凝土的變形02468102030s(MPa)e×10-3BACED達到B點，內(nèi)部一些微裂縫相互連通，體積應(yīng)變開始由壓縮轉(zhuǎn)為增加。取B點的應(yīng)力作為混凝土的長期抗壓強度。普通強度混凝土sB約為0.8fc。

2.混凝土的變形02468102030s(MPa)e×10-3BACED達到C點fc，內(nèi)部微裂縫連通形成破壞面，C點的縱向應(yīng)變值稱為峰值e0，約為0.002?？v向應(yīng)變發(fā)展達到D點，內(nèi)部裂縫在試件表面出現(xiàn)第一條可見平行于受力方向的縱向裂縫。3.混凝土的彈性模量

混凝土的應(yīng)力σ與其彈性應(yīng)變εce之比值稱為混凝土的彈性模量，用符號Ec表示。根據(jù)大量試驗結(jié)果，混凝土規(guī)范采用以下公式計算混凝土的彈性模量：

4.混凝土的徐變混凝土受壓后除產(chǎn)生瞬時壓應(yīng)變外，在維持其外力不變的條件下（即荷載長期不變），應(yīng)變隨時間繼續(xù)增長的現(xiàn)象，叫做混凝土的徐變?；炷恋男熳儗炷两Y(jié)構(gòu)構(gòu)件的受力性能有重要的影響：它將使結(jié)構(gòu)構(gòu)件的變形增加；軸心受壓構(gòu)件中鋼筋的應(yīng)力增加而混凝土的壓應(yīng)力減小的應(yīng)力重分布現(xiàn)象產(chǎn)生；在預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件中引起預(yù)應(yīng)力損失等。5.混凝土的收縮變形定義：混凝土在空氣中凝結(jié)硬化時，體積減小的現(xiàn)象稱為收縮變形。收縮變形是一種非受力變形；而徐變變形只有在受力達到一定數(shù)值并且持續(xù)作用下才產(chǎn)生。5.混凝土的非荷載作用變形——干縮濕漲影響混凝土干縮濕漲的主要因素有：混凝土在結(jié)硬干燥的過程中，由于毛細孔水的蒸發(fā)，使毛細孔中形成負壓，隨著空氣濕度的降低，負壓逐步增大，產(chǎn)生收縮力，造成混凝土收縮。另外，水泥凝膠體顆粒的吸附水也發(fā)生部分蒸發(fā)，凝膠體因失水而發(fā)生收縮。另一方面，混凝土在水中硬化時，體積會有輕微膨脹，這是由于凝膠體粒子的吸附水膜增厚，使膠體粒子之間的距離增大所致。一般濕漲的變形量很小，不會對工程造成破壞。而干燥收縮能使混凝土的表面產(chǎn)生拉應(yīng)力，進而導致開裂，影響混凝土的耐久性。5.混凝土的非荷載作用變形——熱脹冷縮和其它許多材料一樣，當溫度發(fā)生變化時混凝土的體積也具有熱脹冷縮的性質(zhì)?！痘炷两Y(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，當溫度在0℃到100℃范圍內(nèi)時，混凝土線膨脹系數(shù)αc可采用1×10-5/℃?；炷猎诮Y(jié)硬初期，水泥的水化會放出較多的熱量，使得混凝土內(nèi)外溫差很大，造成混凝土的內(nèi)漲外縮，混凝土外表產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力。嚴重時混凝土將產(chǎn)生裂縫。溫度變形對大體積、大面積混凝土結(jié)構(gòu)極為不利。

5.混凝土的非荷載作用變形——化學收縮混凝土的化學收縮是由于水泥在水化結(jié)硬的過程中體積將變小，從而引起混凝土的收縮?；瘜W收縮不可恢復(fù)，數(shù)值一般很小。

1.3鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)作用粘結(jié)作用的組成粘結(jié)力是存在于鋼筋與混凝土界面上的作用力。它反映的是鋼筋與混凝土交界面上沿鋼筋縱向的抗剪能力。鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)1.粘結(jié)作用的組成產(chǎn)生粘結(jié)力的主要原因：（1）混凝土顆粒與鋼筋表面產(chǎn)生的化學粘合力；（2）混凝土收縮將鋼筋緊緊握固而產(chǎn)生的摩擦力；（3）由于鋼筋表面凹凸不平與混凝土之間產(chǎn)生的機械咬合力。2.粘結(jié)強度及其影響因素粘結(jié)力的測定一般采用拔出試驗方法2.粘結(jié)強度及其影響因素

影響粘結(jié)強度的因素主要有：（1）混凝土的強度（2）鋼筋表面的形狀