鋼筋與混凝土的力學(xué)性能

1、3鋼筋與混凝土的力學(xué)性能鋼筋與混凝土的力學(xué)性能本章主要論述了混凝土的力學(xué)性能（混凝土本章主要論述了混凝土的力學(xué)性能（混凝土的立方體抗壓強度、軸心抗壓強度、軸心抗拉強的立方體抗壓強度、軸心抗壓強度、軸心抗拉強度；混凝土的變形和混凝土的選用）和鋼筋的力度；混凝土的變形和混凝土的選用）和鋼筋的力學(xué)性能。重點討論了鋼筋與混凝土之間的相互作學(xué)性能。重點討論了鋼筋與混凝土之間的相互作用用粘結(jié)力。它們是學(xué)習(xí)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理和粘結(jié)力。它們是學(xué)習(xí)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理和構(gòu)造要求的基礎(chǔ)。構(gòu)造要求的基礎(chǔ)。 本章提要本章提要本本 章章 內(nèi)內(nèi) 容容3.1 鋼筋鋼筋3.2 混凝土混凝土3.3 鋼筋與混凝土的相互作用鋼筋與混

2、凝土的相互作用粘結(jié)力粘結(jié)力3.1 鋼筋鋼筋有屈服點的鋼筋試件在試驗機上進行拉伸試驗得出的典型應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖3.1所示。其中頸縮現(xiàn)象如圖3.2。對于有明顯屈服點的鋼筋取其屈服強度作為鋼筋強度的限值強度指標(biāo)。 3.1.1 鋼筋的力學(xué)性能鋼筋的力學(xué)性能3.1.1.1 有屈服點的鋼筋有屈服點的鋼筋121100%lll反映鋼筋塑性性能的基本指標(biāo)是伸長率和冷彎性能。伸長率是鋼筋試件拉斷后的伸長值與原長的比率。應(yīng)按下式計算： 圖3.1鋼筋的應(yīng)力應(yīng)變曲線 圖3.2鋼筋的頸縮 無明顯屈服點的鋼筋試件在試驗機上進行拉伸試驗得出的典型應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖3.3所示。 實際設(shè)計中通常取相應(yīng)于殘余應(yīng)變=0.2%時的應(yīng)力0

3、.2作為名義屈服點，即條件屈服強度。對于無明顯屈服點的鋼筋，由于其條件屈服點不容易測定，因此，這類鋼筋的質(zhì)量檢驗以其極限強度作為主要指標(biāo)?；炷两Y(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范規(guī)定，條件屈服強度0.2取極限強度b的0.8倍，即：0.2=0.8b 3.1.1.2 無屈服點的鋼筋無屈服點的鋼筋圖3.3無明顯屈服點鋼筋 鋼筋在常溫下的加工稱為冷加工，常用冷拉、冷拔等方法。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。 1.冷拉冷拉是把鋼筋張拉到應(yīng)力超過屈服點的某一應(yīng)力值，然后放松鋼筋，經(jīng)時效硬化后再張拉鋼筋時，則應(yīng)力應(yīng)變曲線將發(fā)生變化，如圖3.4所示。2.冷拔冷拔是在常溫下將鋼筋（熱軋

4、HPB235）用強力拔過比它直徑小的硬質(zhì)合金拔絲模，如圖3.5，拔成比原來直徑小的鋼絲。 3.1.1.3 鋼筋的冷加工鋼筋的冷加工圖3.4鋼筋冷拉的應(yīng)力應(yīng)變曲線 圖3.5鋼筋冷拔示意圖 1.鋼筋的強度標(biāo)準(zhǔn)值混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范（GB 500102002）規(guī)定，材料強度的標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)具有不少于95%保證率。熱軋鋼筋的強度標(biāo)準(zhǔn)值根據(jù)屈服強度確定，用fyk表示。預(yù)應(yīng)力鋼絞線、鋼絲和熱處理鋼筋的強度標(biāo)準(zhǔn)值根據(jù)極限抗拉強度確定，用fptk表示。普通鋼筋、預(yù)應(yīng)力鋼筋的強度標(biāo)準(zhǔn)值見附表2、附表3。 3.1.1.4 鋼筋的計算指標(biāo)鋼筋的計算指標(biāo)2.鋼筋的強度設(shè)計值在進行鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力設(shè)計計算時，鋼筋應(yīng)采用

5、強度設(shè)計值。鋼筋強度設(shè)計值等于鋼筋強度標(biāo)準(zhǔn)值除以鋼筋材料分項系數(shù)s，按不同鋼筋種類，分別取s=1.101.20。鋼筋的強度設(shè)計值見附表4、附表5。 3.1.2 鋼筋的種類鋼筋的種類我國混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中推薦的鋼筋由碳素結(jié)構(gòu)鋼和普通低合金鋼制成。我國常用的鋼筋品種有以下幾類（見圖3.6）：1.熱軋鋼筋 2.冷加工鋼筋 3.熱處理鋼筋 4.鋼絲 5.鋼絞線 圖3.6常用鋼筋形式 （1） 有較高的強度和適宜的屈強比。 （2） 塑性。要求有良好的塑性，使結(jié)構(gòu)構(gòu)件在破壞前有明顯的預(yù)兆。（3） 鋼筋與混凝土之間有良好的粘結(jié)力。 （4） 具有良好的可焊性。（5） 在寒冷地區(qū)，鋼筋的低溫性能也要符合一定要求

6、，不宜采用冷加工鋼筋，以免發(fā)生脆性破壞。 3.1.3 鋼筋的選用鋼筋的選用3.1.3.1 混凝土結(jié)構(gòu)對鋼筋性能的要求混凝土結(jié)構(gòu)對鋼筋性能的要求鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的鋼筋，應(yīng)按下列規(guī)定采用：（1） 普通鋼筋宜采用HRB400級和HRB335級鋼筋，也可采用HPB235級和RRB400級鋼筋；（2） 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。具體工程中，現(xiàn)澆樓板的鋼筋和梁柱的箍筋多采用HPB235級鋼筋；梁柱的受力筋多采用HRB335、HRB400和RRB400級鋼筋；尺寸較大的構(gòu)件有時也采用HRB335級鋼筋作箍筋。 3.1.3.2 鋼筋的選用鋼筋的選用3.2 混凝土混

7、凝土混凝土是由水泥、水、粗骨料（碎石、卵石）、細(xì)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。混凝土的基本強度指標(biāo)有立方體抗壓強度、軸心抗壓強度和軸心抗拉強度三種。 3.2.1 混凝土的強度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

8、凝土的強度為基準(zhǔn)。 1.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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)試件，在標(biāo)準(zhǔn)試驗條件下養(yǎng)護28d，并用標(biāo)準(zhǔn)試驗方法（C30以下的加載速度控制在0.30.5MPa/s范圍；C30以上的加載速度控制在0.50.8MPa/s范圍。兩端不涂潤滑劑）測得的具有95%保證率的立方體抗壓強度，用符號fcuk表示。 3.2.1.1 混凝土的抗壓強度混凝土的抗壓強度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(biāo)準(zhǔn)條件下比較混凝土強度水平和品質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)。試驗表明：用高寬比為2

9、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。 混凝土的抗拉性能很差?；炷恋目估瓘姸纫话阒挥锌箟簭姸鹊?/201/8，且不與抗壓強度成正比?；炷凛S心抗拉強度取棱柱體（100mm100mm500mm，兩端埋有鋼筋）的抗拉極限強度為軸心抗拉強度。混凝土構(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fcufcft。 3.2.1.2 混凝土的軸心抗拉強度混凝土的軸心抗拉強度1.混凝土的強度標(biāo)準(zhǔn)值經(jīng)統(tǒng)計分析，并考慮

10、結(jié)構(gòu)中混凝土強度與試件強度之間的差異，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范給出了混凝土強度標(biāo)準(zhǔn)值，詳見附表6。2.混凝土的強度設(shè)計值混凝土強度設(shè)計值為混凝土強度標(biāo)準(zhǔn)值除以混凝土的材料分項系數(shù)c，規(guī)范規(guī)定c=1.4，即fc=fck/c，ft=ftk/c。ft、fc見附表7。3.2.1.3 混凝土的強度計算指標(biāo)混凝土的強度計算指標(biāo)3.2.2 混凝土的變形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。 1.混凝土在一次短期加荷時的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系混凝土在一次短期加荷時的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系可通過對混凝土棱

11、柱體的受壓或受拉試驗測定?；炷潦軌簳r典型的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖3.7所示，不同強度等級混凝土的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖3.8所示。 混凝土受拉時的應(yīng)力應(yīng)變曲線的形狀與受壓時相似。對應(yīng)于抗拉強度ft的應(yīng)變ct很小，計算時可取ct=0.0015。3.2.2.1 混凝土的彈性模量混凝土的彈性模量2.混凝土的彈性模量混凝土的應(yīng)力與其彈性應(yīng)變ce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： 混凝土的剪變模量是指剪應(yīng)力和剪應(yīng)變的比值，即： 5210(/)2.234.7/ccuEN mmfcG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

12、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。如圖3.9所示為一施加的初始壓力為=0.5fc時的徐變與時間的關(guān)系?；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。 3.2.2.2 混凝土的徐變混凝土的徐變影響混凝土徐變的主要因素有：（1） 構(gòu)件中截面上的應(yīng)力愈大，徐變就愈大；構(gòu)件承載前，混凝土的強度越高，徐變就越小。（2） 配合比、水灰比越大，徐變越大；骨料的級配愈好，含量愈高，徐變愈小。（3） 構(gòu)件澆搗愈密實，養(yǎng)護條件愈好，徐變愈小；反之，徐

13、變愈大。圖3.9混凝土的徐變曲線 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。其規(guī)律見圖3.10所示。 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。 影響混凝土收縮的主要因素有：（1） 水泥用量愈多，水灰比愈大，收縮愈大。（2） 高標(biāo)號水泥制成的混凝土構(gòu)件收縮大。（3） 骨料級配好，含量高，骨料的彈性模量大，收縮小。3.2.2.3 混凝土的收縮變形混凝土的收縮變形（4） 養(yǎng)護條件好，使用環(huán)境濕度大，收縮小。（5） 混凝土密實度好，收縮小。 圖3.10混凝土的收縮變形 和其它許多材料一樣，當(dāng)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)?；炷两Y(jié)構(gòu)設(shè)

14、計規(guī)范規(guī)定，當(dāng)溫度在0到100范圍內(nèi)時，混凝土線膨脹系數(shù)c可采用110-5/。溫度變形能使混凝土開裂，在某些場合應(yīng)認(rèn)真對待。 3.2.2.4 溫度變形溫度變形3.2.3 混凝土的選用混凝土的選用混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范規(guī)定：鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的混凝土強度等級不應(yīng)低于C15；當(dāng)采用HRB335級鋼筋時，混凝土強度等級不宜低于C20；當(dāng)采用HRB400和RRB400級鋼筋以及承受重復(fù)荷載的構(gòu)件，混凝土強度等級不得低于C20。預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的混凝土強度等級不應(yīng)低于C30；當(dāng)采用鋼絞線、鋼絲、熱處理鋼筋作預(yù)應(yīng)力筋時，混凝土強度等級不宜低于C40。 3.3 鋼筋與混凝土的相互作用粘結(jié)力鋼筋與混凝土的相互作用粘結(jié)

15、力粘結(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。如圖3.11所示。 產(chǎn)生粘結(jié)力的主要因素是：（1） 混凝土收縮將鋼筋緊緊握固而產(chǎn)生的摩擦力；（2） 混凝土顆粒與鋼筋表面產(chǎn)生的化學(xué)粘合力；（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。3.3.1 粘結(jié)力的概念和作用粘結(jié)力的概念和作用圖3.11鋼筋與混凝土之間的粘結(jié) 3.3.2 粘結(jié)力的測定粘結(jié)力的測定粘結(jié)力的測定一般采用拔出試驗方法，如圖3.12所示。粘結(jié)強度f可由下式計算根據(jù)拔出試驗可知：（1） 粘結(jié)應(yīng)力按曲線分布，最大粘結(jié)應(yīng)力在離開端部的某一位置出現(xiàn)，且隨拔出力的大小而變； Pfdl（

16、2） 鋼筋埋入長度越長，拔出力越大，但埋入過長則尾部的粘結(jié)力很小，甚至為零；（3） 粘結(jié)強度隨混凝土強度等級的提高而增大；（4） 變形鋼筋的粘結(jié)強度比光面鋼筋的大；但若在光面鋼筋末端做彎鉤，則拔出力大大提高。 圖3.12鋼筋拔出試驗中粘結(jié)應(yīng)力分布圖 規(guī)范根據(jù)拔出試驗給出受拉鋼筋的基本錨固長度為其中，錨固鋼筋的外形系數(shù)按表3.1取值。構(gòu)件中鋼筋的實際錨固長度，應(yīng)根據(jù)鋼筋的受力情況、保護層厚度、鋼筋形式等對粘結(jié)強度的影響，采用基本錨固長度乘以一定修正系數(shù)。 3.3.3 保證鋼筋和混凝土之間粘結(jié)力的措施保證鋼筋和混凝土之間粘結(jié)力的措施3.3.3.1 縱向受拉鋼筋的基本錨固長度縱向受拉鋼筋的基本錨固長

17、度yatfldf表表3.1錨固鋼筋的外形系數(shù)錨固鋼筋的外形系數(shù) 鋼筋類型光面鋼筋帶肋鋼筋三面刻痕鋼絲螺旋肋鋼絲三股鋼絞線七股鋼絞線 鋼筋外形系數(shù) 0.160.140.190.130.160.17鋼筋的連接可分為兩類：綁扎搭接、機械連接或焊接。規(guī)范規(guī)定，位于同一連接區(qū)段內(nèi)的受拉鋼筋搭接接頭百分率不宜大于25%，當(dāng)工程中確有必要增大時，對于梁內(nèi)構(gòu)件也不應(yīng)大于50%，對板類、墻類及柱類構(gòu)體，可根據(jù)實際情況放寬。縱向受拉鋼筋綁扎搭接的搭接長度按下式計算（但不小于300mm）： l1=la 縱向受拉鋼筋搭接長度修正系數(shù)按表3.2采用。 3.3.3.2 縱向受力鋼筋的連接縱向受力鋼筋的連接規(guī)范規(guī)定，兩搭接接頭