鋼筋與混凝土材料的力學性能

1、SUNMMARY OF BUILDING第三章鋼筋第一節(jié)混凝土第二節(jié)鋼筋與混凝土的粘結第三節(jié)是在混凝土結構中采是在混凝土結構中采用的最為廣泛的加勁用的最為廣泛的加勁材料，常為圓棒狀，材料，常為圓棒狀，簡稱為鋼筋。柔性鋼簡稱為鋼筋。柔性鋼筋按直徑大小可分為筋按直徑大小可分為鋼筋與鋼絲。鋼筋與鋼絲。是指用于混凝土中是指用于混凝土中的型鋼，包括角鋼、的型鋼，包括角鋼、槽鋼、工字鋼等。槽鋼、工字鋼等。1鋼筋的形式鋼筋的形式鋼筋的形式分為柔性鋼筋和勁性鋼筋兩類。鋼筋的形式分為柔性鋼筋和勁性鋼筋兩類。第一節(jié)、鋼筋圖圖3-1 3-1 鋼筋的類型鋼筋的類型第一節(jié)、鋼筋2鋼筋的成分、級別和品種鋼筋的成分、級別和

2、品種普通低合金鋼普通低合金鋼（另加硅、錳、鈦、釩、鉻等）錳系硅釩系硅鈦系硅錳系硅鉻系20MnSi40Si2MnV45SiMnTi40Si2Mn45Si2Cr第一節(jié)、鋼筋2鋼筋的成分、級別和品種鋼筋的成分、級別和品種光圓鋼筋變形鋼筋有明顯屈服點鋼筋（“軟鋼”）無明顯屈服點鋼筋（“硬鋼”）普通鋼筋預應力鋼筋第一節(jié)、鋼筋按加工方法按加工方法鋼筋鋼絲熱軋鋼筋：熱軋鋼筋：由低碳鋼和普通低合金鋼在高溫狀態(tài)下軋制而成冷拉鋼筋：冷拉鋼筋：由熱軋鋼筋在常溫下用機械拉伸而成熱處理鋼筋：熱處理鋼筋：將HRB400、RRB400鋼筋通過加熱、淬火、回火而成碳素鋼絲：碳素鋼絲：鋼筋通過多次冷拔、應力消除、矯正、回火處理

3、而成刻痕鋼絲：刻痕鋼絲：在鋼絲表面刻痕，以增強其與混凝土間的粘結力鋼絞線：鋼絞線：幾根相同直徑的鋼絲成螺旋狀鉸繞在一起第一節(jié)、鋼筋第一節(jié)、鋼筋表1-1 常用熱軋鋼筋的種類、代表符號和直徑范圍 注：第一個字母注：第一個字母H H（hot rolledhot rolled）表示熱軋，）表示熱軋，R(Remained heat treated)R(Remained heat treated)表示為余熱處理；第二個字母表示為余熱處理；第二個字母P(Plain)P(Plain)表示光圓，表示光圓，R(ribbed)R(ribbed)表示帶肋；表示帶肋；第三個字母第三個字母B B（BarBar）代表鋼筋；

4、數(shù)字表示標準強度。）代表鋼筋；數(shù)字表示標準強度。 強度等級代號強度等級代號鋼種鋼種符號符號d d/mm/mmHPB235HPB235Q235Q235（低碳鋼）（低碳鋼）620620HRB335HRB33520MnSi20MnSi（低合金鋼）（低合金鋼）650650HRB400HRB40020MnSiV,20MnSiNb,20MnT20MnSiV,20MnSiNb,20MnTi i（低合金鋼）（低合金鋼）650650RRB400RRB400K20MnSiK20MnSi（低合金鋼）（低合金鋼）840840第一節(jié)、鋼筋HPB235為熱軋光面鋼筋，普通鋼筋，“軟鋼”HRB335和HRB400是熱軋變形

5、鋼筋，普通鋼筋，“軟鋼”RRB400是余熱處理鋼筋，余熱處理鋼筋是將屈服強度相當于HRB335的鋼筋在軋制后穿水冷卻，然后利用芯部的余熱對鋼筋表面的淬水硬殼回火處理而成的變形鋼筋。其性能接近于 HRB400級鋼筋，但不如 HRB400級鋼筋穩(wěn)定，應用范圍受到限制。3鋼筋的強度與變形鋼筋的強度與變形第一節(jié)、鋼筋ABBCDE0.2%0.2標距有明顯流幅的鋼筋無明顯流幅的鋼筋鋼筋受壓和受拉時的應力-應變曲線幾乎相同第一節(jié)、鋼筋ABBCDE 有明顯流幅的鋼筋：有明顯流幅的鋼筋：在建立鋼筋混凝土構件在建立鋼筋混凝土構件截面承載力計算理論時，以截面承載力計算理論時，以下屈服點對應的強度下屈服點對應的強度作

6、為設計時鋼筋強度的取值（作為設計時鋼筋強度的取值（ f fy y ）。）。兩點簡化：兩點簡化： A. A. 鋼筋應力不大于屈服點時應力鋼筋應力不大于屈服點時應力- -應變關應變關系系- -直服從胡克定律，處于理想彈性階段；直服從胡克定律，處于理想彈性階段； B. B.不利用應力強化階段，假設鋼筋混凝土不利用應力強化階段，假設鋼筋混凝土構件截面達到破壞時，鋼筋拉應力保持為屈服點構件截面達到破壞時，鋼筋拉應力保持為屈服點應力。應力。鋼筋的極限強度鋼筋的極限強度作為一種安全儲備。作為一種安全儲備。第一節(jié)、鋼筋0.2%0.2* 無明顯流幅的鋼筋：殘余應變無明顯流幅的鋼筋：殘余應變?yōu)闉?.2%0.2%時

7、所對應的應力作為其強時所對應的應力作為其強度限值，稱為條件屈服強度度限值，稱為條件屈服強度 ，混，混凝土規(guī)范取凝土規(guī)范取0.20.85 b， b為為極限抗拉強度。極限抗拉強度。第一節(jié)、鋼筋,sysssE當時,yss hsyf當時,()tans hss usyss hf當時tan0.01ssEE規(guī)范模型su=0.014鋼筋應力應變曲線的數(shù)學模型鋼筋應力應變曲線的數(shù)學模型描述完全彈塑性加硬化的三折線模型（適用于有屈服點的鋼筋）描述完全彈塑性加硬化的三折線模型（適用于有屈服點的鋼筋）第一節(jié)、鋼筋描述彈塑性的雙斜線模型（適用于沒有明顯流幅鋼筋）描述彈塑性的雙斜線模型（適用于沒有明顯流幅鋼筋）,syss

8、sE當時y,()tantanss usysys uyss uyfffE當時第一節(jié)、鋼筋5鋼筋的疲勞鋼筋的疲勞4）鋼筋疲勞試驗有兩種方法：一種是單根原狀鋼筋軸拉試驗；另一種是將鋼筋埋入混凝土中使其重復受拉或受彎的試驗。我國采用的是前一種方法。13524 1）鋼筋的疲勞：鋼筋在承受重復的、周期性的動荷載作用下，經(jīng)過一定次數(shù)后，發(fā)生突然性斷裂的現(xiàn)象。 2）鋼筋的疲勞強度：是指在某一規(guī)定的應力幅度內(nèi)，經(jīng)過一定次數(shù)的循環(huán)荷載后（大約200萬次）發(fā)生疲勞破壞的最大應力值。3）鋼筋疲勞斷裂的原因：一般認為是由于鋼筋內(nèi)部和外部的缺陷，在這些薄弱處容易引起應力集中。應力過高，鋼筋晶粒滑移，產(chǎn)生疲勞裂紋，從而造成

9、疲勞斷裂。 5）鋼筋疲勞強度的影響因素：應力變化幅值、最小應力值的大小、鋼筋外表面幾何尺寸與形狀、鋼筋的直徑、強度、加工和使用環(huán)境以及加載的頻率等。第一節(jié)、鋼筋5混凝土結構對鋼筋性能的要求混凝土結構對鋼筋性能的要求總之，鋼筋的品種繁多，性能各異。在選用鋼材時應在保證結構安全可靠的基礎上經(jīng)濟合理的選用鋼材，盡量節(jié)約鋼材，降低造價。足夠的塑性足夠的塑性具具有適當?shù)那鼜姳扔羞m當?shù)那鼜姳瓤珊感钥珊感?低溫性能性低溫性能性與混凝土要有良好的粘結力與混凝土要有良好的粘結力第二節(jié)、混凝土ffkcuf645. 1,kcuf, 規(guī)范規(guī)定以邊長為150mm的立方體在 203的溫度和相對濕度在 90以上的潮濕空氣中

10、養(yǎng)護28d，依照標準試驗方法測得的具有95保證率的抗壓強度標準值(以Nmm2計)作為混凝土的強度等級，并用符號fcu,k表示。 fcu,k與平均值f和標準差f的關系為: 立方體抗壓強度:第二節(jié)、混凝土承壓板試塊摩擦力不涂潤滑劑涂潤滑劑強度大于我國規(guī)范的方法：不涂潤滑劑壓力試件裂縫發(fā)展擴張整個體系解體，喪失承載力另影響強度的因素還有：齡期、加載速率、試塊尺寸等第二節(jié)、混凝土標準試塊：150150 150非標準試塊：100100 100 換算系數(shù) 0.95200200 200 換算系數(shù) 1.05立方體抗壓強度是區(qū)分混凝土強度等級的指標，我國規(guī)范混凝土的強度等級有：C15，C20，C25，C30，C

11、35，C40，C45，C50，C55，C60，C65，C70，C75，C80數(shù)字表示立方體抗壓強度C 表示混凝土Concrete第二節(jié)、混凝土承壓板試塊標準試塊：150150 300mm 試驗量測到fck值比fcu,k值小，并且棱柱體試件高寬比(即h/b)越大，它的強度越小。 抗壓強度與試件形狀有關，實際構件往往不是立方體，而是棱柱體，可以用棱柱體測得的抗壓強度作為軸心抗壓強度，又稱為棱柱體抗壓強度。受壓時試件中部橫向變形不受端部摩擦力的約束，代表了混凝土處于單向全截面均勻受壓的應力狀態(tài)，比立方體試件能更好地反映混凝土的實際抗壓能力。第二節(jié)、混凝土kcuckff,2188.0 軸心抗壓強度軸心

12、抗壓強度( (棱柱體強度棱柱體強度) )標準值標準值f fckck與立方體抗壓強度標準值與立方體抗壓強度標準值f fcu,kcu,k之間存在以下折算關系之間存在以下折算關系 0.88 0.88考慮結構中的混凝土強度與試塊混凝土強度之間的差異等因素考慮結構中的混凝土強度與試塊混凝土強度之間的差異等因素的修正系數(shù)。的修正系數(shù)。第二節(jié)、混凝土100100150150500 試驗機夾緊兩端伸出的鋼筋，對試件施加拉力，破壞時裂縫產(chǎn)生在試件的中部，此時的平均破壞應力為軸心抗拉強度f t。 由于混凝土構件內(nèi)部的不均勻性，加之安裝試件偏差的原因，通過直接受拉試驗測量抗拉強度是很困難的，試驗數(shù)據(jù)離散性很大。第二

13、節(jié)、混凝土劈裂試驗劈裂試驗f ft,st,sdlFft20ddftsFFFF 試件中間垂直截面除加力試件中間垂直截面除加力點附近很小的范圍外，有均勻點附近很小的范圍外，有均勻分布的水平拉應力。當拉應力分布的水平拉應力。當拉應力達到混凝土的抗拉強度時，試達到混凝土的抗拉強度時，試件被劈成兩半。件被劈成兩半。根據(jù)彈性理論第二節(jié)、混凝土抗拉強度標準值ftk與立方體抗壓強度標準值fcu,k之間的折算關系為 45. 055. 0,2)645. 11 (395. 088. 0kcutkff 0.88考慮結構中的混凝土強度與試塊混凝上強度之間的差異等因素的修正系數(shù)。(1-1.645)0.45反映了試驗離散程

14、度對標準值保證率的影響。第二節(jié)、混凝土cckcffctktff第二節(jié)、混凝土1.01.01.21.2-0.2-0.22/fc1/fc拉壓雙向正應力下的強度曲線雙向受拉雙向受拉（第一象（第一象限），限），1 1與與2 2的相互影的相互影響不大，雙響不大，雙向受拉強度向受拉強度均接近于單均接近于單向受拉強度。向受拉強度。一向受拉，另一向受拉，另一向受壓（第二、一向受壓（第二、四象限），混凝四象限），混凝土強度均低于單土強度均低于單向拉伸或壓縮的向拉伸或壓縮的強度，即雙向異強度，即雙向異號應力使強度降號應力使強度降低低雙向受壓雙向受壓（第三象（第三象限），一項限），一項強度隨另一強度隨另一項應力的增

15、項應力的增加而增加加而增加。雙軸應力下的強度第二節(jié)、混凝土抗剪強度隨拉應力的增大而減??；混凝土的抗壓強度由于剪應力的存在而降低。 /fc0.50.7時，抗剪強度隨著壓應力的增大而增大；但在/fc0.50.7時，由于內(nèi)裂縫明顯發(fā)展，抗剪強度反而隨壓應力的增大而減小平面法向應力和剪應力的組合強度法向應力和剪應力下的強度曲線第二節(jié)、混凝土三向受壓強度3=fcc3=fcc1= 2= fLfL-側(cè)向約束壓應力（加液壓）圓柱體試驗Lcccfff）（7.04.5混凝土一向抗壓強度隨另兩向側(cè)壓力的增加而提高。有側(cè)向約束時的軸心抗壓強度側(cè)向壓力第二節(jié)、混凝土對于縱向受壓的混凝土，如果約束混凝土的側(cè)向變形，也可使

16、混凝土的抗對于縱向受壓的混凝土，如果約束混凝土的側(cè)向變形，也可使混凝土的抗壓強度有較大提高。如采用鋼管混凝土柱、螺旋鋼箍柱等能有效約束混凝土的壓強度有較大提高。如采用鋼管混凝土柱、螺旋鋼箍柱等能有效約束混凝土的側(cè)向變形使混凝土的抗壓強度、延性側(cè)向變形使混凝土的抗壓強度、延性( (承受變形的能力承受變形的能力) )有相應的提高。有相應的提高。 第二節(jié)、混凝土混凝土的變形混凝土的變形第二節(jié)、混凝土受壓時的應力受壓時的應力- -應變關系應變關系一次短期加載下的變形一次短期加載下的變形棱柱體試塊第二節(jié)、混凝土0A:第第I階段階段(彈性階段）彈性階段） (=0.30.4fck)，混凝土的變形主要是骨料和

17、水泥結晶體的彈混凝土的變形主要是骨料和水泥結晶體的彈性變形，應力應變關系接近直線。性變形，應力應變關系接近直線。AB:第第II 階段階段(穩(wěn)定裂縫擴展階段），臨穩(wěn)定裂縫擴展階段），臨界點界點B相對應的應力可作為長期受壓強度的相對應的應力可作為長期受壓強度的依據(jù)依據(jù)(一般取一般取0.8 fCk)BC：第：第III階段（裂縫快速發(fā)展階段），應階段（裂縫快速發(fā)展階段），應力達到的最高點為力達到的最高點為fck，與其相應的應變稱為峰，與其相應的應變稱為峰值應變值應變0，平均取，平均取0.002。在在fck以后以后 ，裂縫迅速發(fā)展，試件的平均，裂縫迅速發(fā)展，試件的平均應力強度下降；應力強度下降；D后，曲

18、線凸向水平方向發(fā)后，曲線凸向水平方向發(fā)展，在曲線中曲率最大點展，在曲線中曲率最大點E稱為稱為 “收斂點收斂點”，E點以后主裂縫已很寬。結構內(nèi)聚力幾乎耗點以后主裂縫已很寬。結構內(nèi)聚力幾乎耗盡失去結構的意義。盡失去結構的意義。第二節(jié)、混凝土(MPa)fco0(10-3)abcd225201510546810影響因素影響因素 混凝土強度對下降段影響很大，強度越高，下降段越陡峭，混凝土強度對下降段影響很大，強度越高，下降段越陡峭，延性越差。加載速度越大，下降段越陡峭。延性越差。加載速度越大，下降段越陡峭。第二節(jié)、混凝土受壓時應力受壓時應力-應變關系的數(shù)學模型應變關系的數(shù)學模型 u=0.0038 0=0

19、.002o cfc c0.15fc2011cccf0015. 01ucccf美國美國HognestadHognestad模型模型u=0.00350=0.002ocfcc2011cccf德國德國RschRsch模型模型第二節(jié)、混凝土中國規(guī)范中國規(guī)范 u 0ocfccncccf01122n)50(6012,nfnkcu時，取大于當5,010505 . 0002. 0kcuf5,10500033. 0kcuuf第二節(jié)、混凝土受拉時混凝土的應力受拉時混凝土的應力-應變關系應變關系 t to t0 tu ft理論模型理論模型第二節(jié)、混凝土混凝土的彈性模量混凝土的彈性模量原點切線模量（彈性模量）：拉壓相同

20、原點切線模量（彈性模量）：拉壓相同0tgEc變形模量（割線模量、彈塑性模量）變形模量（割線模量、彈塑性模量）切線模量cccddtgE ccctgE/1cccecEEE彈性特征系數(shù)，與應力值有關受壓時，為0.41.0；受拉 f ft t 時，為0.5是材料變形性能的主要指標，是材料變形性能的主要指標，在計算構件變形、在計算構件變形、截面應力和預應力構件的預應力損失等時用。截面應力和預應力構件的預應力損失等時用。ec/1 c c ccpe0第二節(jié)、混凝土混凝土彈性模量的試驗方法混凝土彈性模量的試驗方法c/fcc0.5510次)/(7 .342 . 2102,5mmNfEkcuc（150150 30

21、0標準試件）取應力上限為取應力上限為0.50.5fc 重復加載重復加載5 51010次。次。試驗結果回歸試驗結果回歸第二節(jié)、混凝土混凝土的泊松比和剪切模量混凝土的泊松比和剪切模量混凝土的剪變模量為混凝土的剪變模量為ccccEEG4 . 0)1 (2cG第二節(jié)、混凝土破壞重復荷載下的應力-應變曲線fcf321 fcf的確定原則：100100 300或150150 450 的棱柱體試塊承受200萬次（或以上）循環(huán)荷載時發(fā)生破壞的最大壓應力值 疲勞強度與重復作用時應力變化的幅度有關，隨疲勞應力比的增大而增大fcfcfcmax,min,第二節(jié)、混凝土0.51.01.52.02.505101520253

22、035(10-3)(月) cr ela ela ela crP原因之一，膠凝體的粘性流動原因之二，混凝土內(nèi)部微裂縫的不斷發(fā)展徐變：荷載保持不變，隨時間而增長的變形荷載保持不變，隨時間而增長的變形第二節(jié)、混凝土應力應力： c c0.5f0.5fc c，徐變變形與應力成正比，徐變變形與應力成正比-線性徐變線性徐變 0.5f 0.5fc c c c0.8f0.8f0.8fc c，造成混凝土破壞，不穩(wěn)定，造成混凝土破壞，不穩(wěn)定0.51.01.52.02.505101520253035(10-3)(月)crelaeecr0.5fcc0.8fc，非線性徐變c0.5fc，線性徐變影響徐變的因素：影響徐變的因

23、素：加荷時混凝土的齡期，越早，徐變越加荷時混凝土的齡期，越早，徐變越大大水泥用量越多，水灰比越大，徐變越水泥用量越多，水灰比越大，徐變越大大骨料越硬，徐變越小；構件尺寸越小，骨料越硬，徐變越??；構件尺寸越小，徐變越大徐變越大養(yǎng)護溫度越高、濕度越大，水化越充養(yǎng)護溫度越高、濕度越大，水化越充分，徐變越小分，徐變越小受荷后溫度越高、濕度越低，徐變越受荷后溫度越高、濕度越低，徐變越大大第二節(jié)、混凝土混凝土的收縮產(chǎn)生的變形，混凝土的收縮產(chǎn)生的變形，-在空氣中在空氣中結硬時混凝土體積結硬時混凝土體積縮小的性質(zhì)縮小的性質(zhì)干燥失水是引起收縮的重要因素：干燥失水是引起收縮的重要因素：l 水泥品種：等級越高，收縮

24、越大；l 水泥用量：水泥用量越多，水灰比越大，收縮越大；l 骨料：骨料越硬，收縮越小；骨料粒徑越大，收縮越小；l 養(yǎng)護條件、制作方法、使用環(huán)境、體積與表面積的比值等。第二節(jié)、混凝土混凝土的溫度變化產(chǎn)生的變形混凝土的溫度變化產(chǎn)生的變形l 當溫度變化時，混凝土的體積有熱脹冷縮的性質(zhì)。l 當溫度變形受到外界的約束而不能自由發(fā)生時，將在構件內(nèi)產(chǎn)生溫度應力。l 在大體積混凝土中 ，由于混凝土表面較內(nèi)部的收縮量大，再加上水泥水化熱使混凝土的內(nèi)部溫度比表面溫度高，如果把內(nèi)部混凝土視為相對不變形體，它將對試圖縮小體積的表面混凝土形成約束，在表面混凝土形成拉應力， 如果內(nèi)外變形差較大，將會造成表層混凝土開裂。

25、第三節(jié)、鋼筋與混凝土的粘結 當鋼筋與混凝土之間產(chǎn)生相對變形（滑移），在鋼筋和混凝土的交界面上產(chǎn)生沿鋼筋軸線方向的相互作用力，此作用力稱為粘結力。定義：定義：鋼筋與混凝土之間的粘結是這兩種材料共同工作的保證，通過粘結應力，可以實現(xiàn)鋼筋與混凝土之間的應力傳遞，從而使兩種材料能共同承受外力、共同變形、抵抗相互間的滑移。作用：作用：第三節(jié)、鋼筋與混凝土的粘結化學膠結力化學膠結力鋼筋與混凝土接觸面上的化學吸附作用力（一般鋼筋與混凝土接觸面上的化學吸附作用力（一般很小，一旦產(chǎn)生相對滑移即消失）。很小，一旦產(chǎn)生相對滑移即消失）。組成：組成：摩擦力摩擦力混凝土收縮后將鋼筋緊握產(chǎn)生的摩擦力，鋼筋表面越混凝土收縮后將鋼筋緊握產(chǎn)生的摩擦力，鋼筋表面越粗糙，摩擦力越大。（鋼筋表面微銹摩擦力增加）。粗糙，摩擦力越大。（鋼筋表面微銹摩擦力增加）。機械咬合力機械咬合力鋼筋表面凹凸不平與混凝土產(chǎn)生的機械咬合作用鋼筋表面