混凝土結(jié)構(gòu)基本原理第三章

1第三章混凝土結(jié)構(gòu)材料的力學性能

1.掌握土建工程中常用鋼筋的品種、強度等級和表示符號。

2.掌握鋼筋的強度性能和變形特點及設(shè)計強度取值。

3.了解冷加工鋼筋的性能和工程結(jié)構(gòu)對鋼筋性能的要求。

4.了解混凝土的強度等級及其他強度指標的確定方法。理解混凝土在荷載作用和溫濕度變化時的變形特點以及對工程結(jié)構(gòu)的影響。

5.了解鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)性能，理解保證黏結(jié)的工程構(gòu)造措施。學習目標

2第一節(jié)鋼筋第二節(jié)混凝土第三節(jié)鋼筋與混凝土的粘結(jié)

17第三章鋼筋和混凝土材料的力學性能第一節(jié)混凝土的力學性能一、單軸應力狀態(tài)下混凝土的強度

1.立方體抗壓強度

《規(guī)范》根據(jù)立方體抗壓強度標準值確定混凝土強度等級。立方體抗壓強度標準值是指按照標準方法制作養(yǎng)護（20℃±2℃、相對濕度為95%以上）的邊長為150mm的立方體試件，在28d齡期用標準試驗方法測得的具有95%保證率的抗壓強度，以fcu,k表示，單位N/mm2(也可記作MPa)。

18第三章鋼筋和混凝土材料的力學性能混凝土強度等級用符號C和混凝土立方體抗壓強度標準值表示。例如C20，即表示fcu,k=20MPa。

《規(guī)范》根據(jù)立方體抗壓強度標準值，按級差5MPa，將混凝土從C15到C80共劃分為14個強度等級。C60級以上的混凝土為高強度混凝土。對邊長100mm的非標準立方體試件須將其抗壓強度實測平均值乘以系數(shù)μ=0.95換算為標準立方體試件的強度；邊長為200mm的立方體試件，取μ=1.05。

19第三章鋼筋和混凝土材料的力學性能2.軸心抗壓強度采用棱柱體試件（100×100×300mm或150×150×450mm），按照測定立方體抗壓強度的條件和方法測得的抗壓強度，稱為棱柱體抗壓強度或軸心抗壓強度。棱柱體抗壓強度能較好地反映實際工程中混凝土的實際受壓強度。棱柱體抗壓強度因受摩擦力的橫向約束影響較小，故較立方體強度小。

20第三章鋼筋和混凝土材料的力學性能3.軸心抗拉強度軸心抗拉強度是確定混凝土構(gòu)件的抗裂度和變形等的重要力學性能指標。（1）軸心拉伸試驗法

（2）劈拉試驗法混凝土軸心抗拉強度較立方體抗壓強度小的多。因此，混凝土主要用于承受壓力。二復合應力狀態(tài)下混凝土的強度1雙向應力狀態(tài)下2拉剪或壓剪復合應力狀態(tài)3三向受壓

21第三章鋼筋和混凝土材料的力學性能混凝土強度等級的選擇

《規(guī)范》對混凝土強度等級規(guī)定的最低限值要求見課本12頁所述。注意表中規(guī)范用語“不應”、“不宜”、“不得”。用于基礎(chǔ)墊層的混凝土強度等級可采用C10。三、混凝土的變形混凝土的變形分受力變形：由荷載作用產(chǎn)生。體積變形：溫濕度變化引起。1.混凝土在一次短期荷載下的變形

棱柱體試件在一次短期壓力荷載作用下的應力－應變曲線。

22第三章鋼筋和混凝土材料的力學性能(1)上升段OC

1）壓應力σ≤0.3fc

的OA段，應力與應變關(guān)系基本為直線，混凝土表現(xiàn)為彈性性質(zhì)；混凝土中的骨料和水泥結(jié)晶體的彈性變形起決定因素。

2）壓應力σ接近0.8fc，即B點時，應變增加更快；混凝土表現(xiàn)出明顯的塑性性質(zhì)。主要是混凝土內(nèi)部微裂縫的擴展延伸和水泥凝膠體的粘性流動所致。

23第三章鋼筋和混凝土材料的力學性能

3）壓應力σ達到最大值fc，即C

點時，混凝土內(nèi)部微裂縫不斷產(chǎn)生，并相互貫通，試件表面出現(xiàn)明顯的縱向裂縫而開始破壞。相應于最大壓應力值fc的應變ε0一般為0.002。(2)下降段CE

1）應變過C點后，隨著緩慢的卸荷，應力逐漸減小而應變卻持續(xù)增加，在D點出現(xiàn)反彎點，相應的應變稱為混凝土的極限壓應變εcu。εcu值越大，表示混凝土的塑性變形能力越大，構(gòu)件的延性越好，抗震能力較強。εcu值一般可取0.0033。

2）反彎點D之后，因試件壓碎后各塊體間存在咬合力或摩擦力，故曲線仍能繼續(xù)延伸。

24第三章鋼筋和混凝土材料的力學性能（3）影響受壓應力與應變曲線的因素

1）混凝土的強度越高，曲線越陡，εcu越小。

2）受側(cè)向約束的混凝土，隨著約束作用的增大，混凝土的強度有較大的提高，εcu亦增大。

26第三章鋼筋和混凝土材料的力學性能計算混凝土構(gòu)件的變形、預應力混凝土構(gòu)件的預應力以及超靜定結(jié)構(gòu)的內(nèi)力等時，需要確定混凝土的彈性模量?；炷恋氖軌鹤冃文Ａ靠砂慈缦路椒ù_定：

1）原點切線模量。又稱混凝土的彈性模量。在混凝土棱柱體受壓應力－應變曲線的原點作一切線，則該切線的斜率即為原點切線模量，用Ec表示。即

Ec=tanα0

混凝土的彈性模量

27第三章鋼筋和混凝土材料的力學性能

2）割線模量。又稱混凝土的變形模量。即通過混凝土棱柱體受壓應力－應變曲線上任一點A的割線斜率，用E’c表示。

E’c=υEc

υ稱為混凝土的受壓彈性系數(shù)，一般在0.5~1.0之間變化。

3）切線模量。指混凝土棱柱體受壓應力－應變曲線上任一點A的切線斜率,用表示。即

28第三章鋼筋和混凝土材料的力學性能《規(guī)范》采用對棱柱體試件重復加荷卸荷后的直線斜率作為混凝土的受壓彈性模量Ec，通過試驗統(tǒng)計分析得出

《規(guī)范》給定了混凝土受壓彈性模量Ec?；炷恋氖芾瓘椥粤磕Ｈ≈低軌簭椥阅Ａ??；炷恋募糇兡Ａ縂c取0.4Ec。

29第三章鋼筋和混凝土材料的力學性能2.

混凝土的徐變(1)徐變的定義混凝土在荷載長期作用下，應力不變，應變隨時間不斷增長的現(xiàn)象稱為混凝土的徐變。(2)徐變應變εcr與時間t的變化曲線混凝土棱柱體試件在荷載長期作用下，應變ε與時間t的變化曲線。

30第三章鋼筋和混凝土材料的力學性能徐變在初期發(fā)展較快，經(jīng)過很長時間后趨于穩(wěn)定。徐變應變εcr與彈性應變εce的比值可達2～4。(3)徐變的分類當σ≤0.5

fc時，εcr與σ成正比，稱為線性徐變；當σ＞0.5

fc時，εcr較σ增長更快，稱為非線性徐變。當σ>0.8

fc時，徐變變形將導致試件破壞，因此

σ=0.8

fc可作為混凝土的長期抗壓強度。(4)徐變產(chǎn)生的主要原因混凝土中水泥凝膠體的粘性流動和內(nèi)部微裂縫的發(fā)展所致。

31第三章鋼筋和混凝土材料的力學性能(5)影響徐變大小的因素加荷應力越大，徐變越大；水泥用量多或水灰比大，徐變就增大；骨料的彈性模量大，徐變就?。火B(yǎng)護條件好，齡期長，則徐變就小；使用環(huán)境干燥、高溫，則徐變就較大。(6)徐變對結(jié)構(gòu)的影響使混凝土結(jié)構(gòu)的變形增大；在預應力混凝土構(gòu)件中產(chǎn)生較大的預應力損失；可引起構(gòu)件的截面應力重分布。

第三章鋼筋和混凝土材料的力學性能3.混凝土在重復荷載作用下的變形

混凝土棱柱體試件在多次重復荷載作用下的應力-應變關(guān)系曲線與加荷時的應力大小有關(guān)。當應力不超過某一限值時，經(jīng)過多次重復加荷后，試件如同彈性體一樣工作而不破壞，則此限值稱為混凝土的疲勞強度。用表示?；炷恋膹姸鹊燃壴礁?，疲勞強度也越高；荷載重復次數(shù)越多，疲勞強度越低；疲勞應力比值越小，疲勞強度越低。

25

32第三章鋼筋和混凝土材料的力學性能4.混凝土的體積變形(1)混凝土的收縮混凝土在空氣中結(jié)硬時體積會縮小的現(xiàn)象稱為混凝土的收縮。混凝土的收縮變形早期發(fā)展較快，之后逐漸減慢，較長時間后趨于穩(wěn)定。當混凝土的收縮變形受到約束時，將在混凝土中產(chǎn)生拉應力，可導致混凝土構(gòu)件開裂或使預應力混凝土構(gòu)件產(chǎn)生預應力損失。為減小混凝土的收縮，應采取增加混凝土的密實度、加強對混凝土的早期養(yǎng)護或設(shè)置施工縫等措施。

33第三章鋼筋和混凝土材料的力學性能(2)混凝土的溫度變形混凝土在溫度變化時，體積熱脹冷縮，稱為溫度變形?；炷恋臏囟染€膨脹系數(shù)一般可取1×10-5/℃。當混凝土的溫度變形受到約束時，將產(chǎn)生溫度應力，可使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫。故可采取在結(jié)構(gòu)的適當部位設(shè)置伸縮縫等措施減小溫度變形的不利影響。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)伸縮縫的最大間距見《規(guī)范》。第二節(jié)混凝土的性能指標取值1混凝土的軸心抗拉（壓）強度附錄B附表12混凝土的彈性常數(shù)附錄B附表3剪變模量=40%彈模泊松比0.23混凝土的疲勞性能指標4混凝土的熱工參數(shù)

3一、鋼筋的品種1、鋼筋的品種及等級（1）按化學成分不同分類1）碳素結(jié)構(gòu)鋼低碳鋼（含碳量小于0.25%）；中碳鋼（含碳量0.25%~0.6%）；高碳鋼（含碳量0.6%~1.4%）。

特點：隨著含碳量增加，強度提高，塑性降低。2）普通低合金鋼在碳素鋼化學元素的基礎(chǔ)上，再加入少量的合金元素，如錳（Mn）、硅（Si）、釩（V）、鈦（Ti）等組成。目的：提高鋼筋的強度，保證其塑性和可焊性。第三節(jié)鋼筋的種類及其性能

4(2)按生產(chǎn)加工工藝不同分類

1)熱軋鋼筋加工工藝：由低碳鋼、普通低合金鋼在高溫下直接軋制而成。

2)熱處理鋼筋加工工藝：由普通低合金鋼40Si2Mn、48Si2Mn、45Si2Cr經(jīng)淬火和回火處理后制成。力學性能；強度高（強度標準值1470MPa）,塑性較好。強度等級及符號：HPB300—

、HRB335—、

HRB400—和RRB400—R。以及HRB500-工程應用：鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)或預應力混凝土結(jié)構(gòu)中的非預應力鋼筋。

5

表示符號：φHT；工程應用：預應力混凝土結(jié)構(gòu)。

3）鋼絲鋼絲品種：光面鋼絲、螺旋肋鋼絲和三面刻痕的消除應力鋼絲。力學性能：強度高（強度標準值1570MPa～1770MPa）。表示符號：相應符號分別為φP、φH、φI。工程應用：預應力混凝土結(jié)構(gòu)。

4）鋼絞線加工工藝：由光面鋼絲絞織而成。力學性能:強度高（強度標準值1570MPa-1860MPa）。

6表示符號：φs。工程應用：預應力混凝土結(jié)構(gòu)。（3）按鋼筋的形式外形分類：光圓鋼筋（圖a）和變形鋼筋（圖b.c.d）。變形鋼筋：包括月牙肋鋼筋、等高肋鋼筋等，其特點是與混凝土黏結(jié)性好。工程中常用月牙肋鋼筋。

12（4）鋼筋的冷加工1、冷加工鋼筋概念為提高鋼筋的強度，節(jié)約鋼材，在常溫下通過拉伸等方法對熱軋鋼筋進行機械加工制成的鋼筋。2、冷加工鋼筋品種及性能1）冷拉鋼筋加工工藝：將熱軋鋼筋拉伸超過其屈服階段進入強化階段的某一應力，然后卸荷至零所得到的鋼筋。力學性能：抗拉強度有一定的提高，抗壓強度維持不變，伸長率減少，塑性降低。

132）冷拔鋼絲

加工工藝：將熱軋鋼筋用強力拔過比其直徑小的硬質(zhì)合金拔絲模而成的。力學性能：多次冷拔后，抗拉強度和抗壓強度都有大幅度的提高，伸長率顯著的減小。3）冷軋鋼筋

加工工藝：指以熱軋圓盤條為母材，經(jīng)冷拉或冷拔減徑后，在其表面軋制具有兩面或三面月牙紋橫肋的冷軋帶肋鋼筋。力學性能：與冷拔鋼絲的強度基本接近，但塑性較好。

144）冷軋扭鋼筋

加工工藝：將低碳鋼熱軋圓盤條經(jīng)專用鋼筋冷軋扭機調(diào)直、冷軋并冷扭一次成型，具有規(guī)定截面形狀和節(jié)距的連續(xù)螺旋狀鋼筋。力學性能：抗拉強度比軋制前母材的強度有很大的提高，但伸長率也減少較多。近年來已生產(chǎn)出多種新品種鋼筋，例如，環(huán)氧樹脂涂層鋼筋。

15（5）結(jié)構(gòu)對鋼筋性能的要求1）選用強度較高的鋼筋目的：減少構(gòu)件的配筋量，節(jié)約鋼材。避免配筋密集給設(shè)計、施工造成困難。減少鋼筋的運輸、加工、現(xiàn)場綁扎等工作量。要求：優(yōu)先選用HRB400級和HRB335級，也可采用

HPB235級和RRB400級鋼筋。2）有足夠大的塑性變形能力目的：便于鋼筋施工制作。有利于提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件的延性，增強結(jié)構(gòu)的抗震性能。

163）與混凝土的粘結(jié)好

目的：保證鋼筋和混凝土有效地共同工作。要求：對強度較高的鋼筋，一般均在其表面軋制月牙紋橫肋、螺旋肋或者刻痕等，以提高粘結(jié)強度。4）良好的可焊性能

目的：保證鋼筋焊接后的質(zhì)量。鋼筋的可焊性：HRB400、HRB335級主導鋼筋均具有較好的焊接性能，RRB400級鋼筋焊接受熱回火后強度可能降低。

注意：在嚴寒地區(qū)尚應考慮對鋼筋低溫性能方面的要求。

7二、鋼筋的強度和變形

按鋼筋受拉的應力－應變關(guān)系不同分:

有明顯屈服點鋼筋，例如熱軋鋼筋。

無明顯屈服點鋼筋，例如鋼絲和熱處理鋼筋。1、有明顯屈服點鋼筋（1）受拉應力－應變曲線

a點對應的應力稱為比例極限，a點之前的應力與應變關(guān)系為σ＝ESε,鋼筋處于彈性階段。

8

b點對應的應力稱為屈服強度fy

，b點到c點的水平段稱為流幅或屈服階段，此時鋼筋的應力保持不變，應變急劇增加。

d

點的應力稱為極限強度fu，cd段稱為強化階段；d點后，試件產(chǎn)生頸縮現(xiàn)象，斷面減小，變形迅速增大，應力明顯降低，直至e點試件斷裂。（2）鋼筋強度設(shè)計取值的依據(jù)有明顯屈服點鋼筋的應力達到屈服強度后，將在荷載基本不變的情況下產(chǎn)生較大的塑性變形，引起鋼筋混凝土構(gòu)件產(chǎn)生很大的變形與不可閉合的裂縫。因此，對有明顯屈服點的鋼筋，在構(gòu)件設(shè)計中以屈服強度作為鋼筋強度設(shè)計取值的依據(jù)。

9（3）鋼筋塑性性能

伸長率和冷彎性能是反映鋼筋塑性性能的基本指標。

1）伸長率是鋼筋試件拉斷后標距間的伸長值與拉伸前相應標距間長度的比值。鋼筋的伸長率越大，則塑性性能越好，破壞前的預兆越明顯，屬于延性破壞

2）冷彎是將鋼筋圍繞規(guī)定直徑D的鋼輥彎曲達到規(guī)定的角度α后，鋼筋無裂紋或斷裂現(xiàn)象。鋼筋繞過的鋼輥直徑D越小，彎曲角度α越大，表明其塑性性能越好。

10（4）鋼筋質(zhì)量檢驗的主要力學技術(shù)指標

屈服強度、極限強度、伸長率和冷彎性能是對鋼筋進行質(zhì)量檢驗的主要指標。

說明：鋼筋受壓的壓應力與壓應變的變化曲線在屈服階段之前與鋼筋受拉基本相同。2、無明顯屈服點鋼筋（1）受拉應力—應變曲線由圖可見，鋼筋無屈服階段，強度較高，最大拉應力

σb稱為極限抗拉強度，伸長率很小，塑性變形能力較差。

11（2）鋼筋強度設(shè)計取值的依據(jù)一般取相應于殘余應變?yōu)?.2%時的應力σ0.2作為鋼筋強度設(shè)計取值的依據(jù)，稱為條件屈服強度。《規(guī)范》對預應力鋼絲、鋼絞線和熱處理鋼筋，取條件屈服強度為0.85σb。（3）鋼筋質(zhì)量檢驗的主要力學技術(shù)指標

極限抗拉強度、伸長率和冷彎性能作為質(zhì)量檢驗的指標。3、鋼筋的彈性模量鋼筋的強度相差較大，但其彈性模量較為接近。用于工程設(shè)計的鋼筋彈性模量Es見表1-1。三、鋼筋的本構(gòu)關(guān)系四、鋼筋的疲勞

15五、結(jié)構(gòu)對鋼筋性能的要求1）選用強度較高的鋼筋目的：減少構(gòu)件的配筋量，節(jié)約鋼材。避免配筋密集給設(shè)計、施工造成困難。減少鋼筋的運輸、加工、現(xiàn)場綁扎等工作量。要求：優(yōu)先選用HRB400級和HRB335級，也可采用

HPB235級和RRB400級鋼筋。2）有足夠大的塑性變形能力目的：便于鋼筋施工制作。有利于提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件的延性，增強結(jié)構(gòu)的抗震性能。

163）與混凝土的粘結(jié)好

目的：保證鋼筋和混凝土有效地共同工作。要求：對強度較高的鋼筋，一般均在其表面軋制月牙紋橫肋、螺旋肋或者刻痕等，以提高粘結(jié)強度。4）良好的可焊性能

目的：保證鋼筋焊接后的質(zhì)量。鋼筋的可焊性：HRB400、HRB335級主導鋼筋均具有較好的焊接性能，RRB400級鋼筋焊接受熱回火后強度可能降低。

注意：在嚴寒地區(qū)尚應考慮對鋼筋低溫性能方面的要求。第四節(jié)鋼筋的性能指標取值第四節(jié)鋼筋的性能指標取值

34第三章鋼筋和混凝土材料的力學性能第五節(jié)鋼筋與混凝土的粘結(jié)一、粘結(jié)的作用及產(chǎn)生的原因1.粘結(jié)的作用保證混凝土與鋼筋共同受力變形的最基本條件。2.粘結(jié)產(chǎn)生的原因及組成混凝土中水泥凝膠與鋼筋表面之間的膠結(jié)力?；炷潦湛s，將鋼筋緊緊握裹而產(chǎn)生的摩擦力。鋼筋表面凹凸不平與混凝土之間產(chǎn)生的機械咬合力。機械咬合力較大，約占總粘結(jié)力的50%以上。光圓鋼筋的機械咬合力較變形鋼筋要小。

35第三章鋼筋和混凝土材料的力學性能二、粘結(jié)強度的測定及影響因素1.粘結(jié)強度的測定鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)強度可用拔出試驗測定。2.粘結(jié)應力的分布粘結(jié)應力的分布為曲線，最大粘結(jié)應力發(fā)生在距拔出端一定距離處；當鋼筋埋入混凝土中較長時，埋入的尾部區(qū)段上粘結(jié)應力為零；

36第一章鋼筋和混凝土材料的力學性能3.影響粘結(jié)強度的因素變形鋼筋的粘結(jié)強度高；混凝土的強度等級高，則粘結(jié)強度也高；鋼筋周圍的混凝土越厚，則粘結(jié)強度也越高；實際工程中為保證鋼筋與混凝土能夠共同工作，必須采取可靠的工程構(gòu)造措施。

37第三章鋼筋和混凝土材料的力學性能三、保證粘結(jié)的構(gòu)造措施

1.鋼筋的基本錨固長度基本錨固長度是指鋼筋的拉應力σs達到屈服強度fy時，尚未產(chǎn)生粘結(jié)破壞所需的錨固長度。

《規(guī)范》規(guī)定，當計算中充分利用鋼筋的抗拉強度時（如懸壁梁的上部受力鋼筋），受拉鋼筋的基本錨固長度la為

38第三章鋼筋和混凝土材料的力學性能對普通鋼筋對預應力鋼筋式中fy——普通鋼筋的抗拉強度設(shè)計值；

ft

——混凝土的軸心抗拉強度設(shè)計值，當混凝土強度等級大于C40時，按C40級取值；

d——鋼筋的公稱直徑；

α——鋼筋的外形系數(shù)。

39第三章鋼筋和混凝土材料的力學性能2.基本錨固長度la的修正按公式計算出的基本錨固長度la應乘以如下修正系數(shù)：

1)當HRB335、HRB400和RRB400級鋼筋的直徑大于25mm時，錨固長度應乘以修正系數(shù)1.1。

2)具有環(huán)氧樹脂涂層的HRB335、HRB400和RRB400級鋼筋，錨固長度應乘以修正系數(shù)1.25。

3)在混凝土施工過程中鋼筋易受擾動（如滑模施工）時，錨固長度應乘以修正系數(shù)1.1。

4)當HRB335、HRB400和RRB400級鋼筋在錨固區(qū)的混凝土保護層厚度大于鋼筋直徑的3倍且配有箍筋時，其錨固長度可乘以修正系數(shù)0.8。

40第三章鋼筋和混凝土材料的力學性能

5)除構(gòu)造需要的錨固長度外，當縱向受力鋼筋的實際配筋面積大于設(shè)計計算面積時，如有充分依據(jù)和可靠措施，錨固長度可乘以設(shè)計計算面積與實際配筋面積的比值。對有抗震設(shè)防要求及直接承受動力荷載的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，不得考慮此項修正。上述各項修正系數(shù)可以連乘，但經(jīng)以上修正后的錨固長度不應小于按公式計算出的基本錨固長度la的0.7倍，且不應小于250mm。

6)當HRB335、HRB400和RRB400級縱向受拉鋼筋末端采用如下圖所示機械錨固措施時，包括附加錨固端頭在內(nèi)的錨固長度可取基本錨固長度la的0.7倍。

41第三章鋼筋和混凝土材料的力學性能在計算中充分利用鋼筋的抗壓強度時，受壓鋼筋的錨固長度不應小于受拉鋼筋基本錨固長度la的0.7倍。

42第三章鋼筋和混凝土材料的力學性能3.鋼筋的連接鋼筋連接接頭的類型綁扎搭接接頭機械連接接頭對焊接頭電壓焊接頭

《規(guī)范》對鋼筋連接的主要規(guī)定為：

1）受力鋼筋的接頭宜設(shè)置在構(gòu)件受力較小的部位，同一根鋼筋上宜少設(shè)接頭。

43第三章鋼筋和混凝土材料的力學性能

2)軸心受拉構(gòu)件及小偏心受拉構(gòu)件（如桁架或拱的拉桿）的縱向受力鋼筋不得采用綁扎搭接接頭。當受拉