第二章建筑結構材料

第二章建筑材料鋼筋的品種和力學性能混凝土的物理力學性能鋼筋與混凝土的粘結一、鋼筋的品種和力學性能1.鋼筋的品種熱軋鋼筋HPB235HRB335、HRB400、RRB400熱處理鋼筋冷加工鋼筋鋼絲冷拔鋼筋冷軋鋼筋冷拉鋼筋鋼筋碳素鋼絲、刻痕鋼絲、鋼絞線A.按加工工藝分類B.按化學成分分類碳素鋼低合金鋼（合金含量不超過3.5%）鋼筋由含碳量不同分為高碳鋼、中碳鋼、低碳鋼低碳鋼：（含碳量<0.25%）強度低、塑性好中碳鋼：（0.25%≤含碳量≤0.6%）高碳鋼：（含碳量>0.6%）強度高、塑性差低合金鋼：碳素鋼基礎上加入少量合金元素而成，強度高、塑性好C.按表面形狀不同分類光面鋼筋:光滑的外表面，多為小直徑的Ⅰ級鋼筋。變形鋼筋:外表有凹凸不平的縱橫肋，以增加與砼的粘結。鋼筋月牙肋——

紋路與肋不相交，不易產(chǎn)生應力集中，粘結強度略低于等高肋鋼筋。等高肋——（螺旋紋、人字紋）與鋼筋砼粘結力好，紋路與肋相交，易產(chǎn)生應力集中。鋼筋混凝土結構材料的力學性能常用鋼筋形式多股鋼絞線鋼筋混凝土結構材料的力學性能D.熱軋鋼筋

★HPB235（Q235）以符號“φ”表示光圓鋼筋，低碳鋼，質(zhì)量穩(wěn)定，塑性及焊接性能很好，但強度稍低。多作為現(xiàn)澆樓板受力鋼筋和箍筋。

★

HRB335（20Mnsi）以符號“”表示，

★

HRB400以符號“”表示，

★

RRB400以符號“”表示。HRB335、HRB400、RRB400都屬于變形帶肋鋼筋，強度較高，塑性和可焊性能較好，與混凝土之間的粘結性能也較好，在工程中應用較廣。第一個字母是鋼筋的加工工藝的英文縮寫，

H——為熱軋、R為余熱處理；第二個字母是鋼筋的表面形狀的英文縮寫，

P——為光圓、R為變形帶肋；第三個字母是鋼筋（Bar）的英文縮寫縮寫；數(shù)字表示鋼筋的強度標準值（單位：N/mm2）?！柤皵?shù)字的含義：2.鋼筋的力學性能熱軋鋼筋的－曲線

oa－彈性階段b－屈服強度fy（受拉強度限值）bc—流幅cd－強化階段de－頸縮階段a－比例極限d－抗拉強度A.軟鋼的力學性能軟鋼：有明顯屈服點的鋼筋，如熱軋Ⅰ~Ⅳ級鋼筋。屈服強度：是鋼筋強度的設計依據(jù)，在混凝土中的鋼筋，應力達到屈服強度，荷載不增加，應變繼續(xù)增大，裂縫開展過寬，構件變形過大，結構不能正常使用。伸長率：鋼筋拉斷時應變，反映鋼筋塑性性能的指標。伸長率大的鋼筋，拉斷前有足夠預兆，延性較好。彎曲試驗：鋼筋圍繞直徑為D的鋼輥彎轉α角而不發(fā)生裂紋，是反映鋼筋塑性性能的另一指標。D越小，α越大，冷彎性能越好。鋼筋混凝土結構材料的力學性能

★含碳量高，屈服強度和抗拉強度高，伸長率小，流幅縮短。鋼筋混凝土結構材料的力學性能硬鋼的－曲線硬鋼沒有明確的屈服臺階（流幅），所以計算中以“協(xié)定流限”作為強度標準以0.2表示，一般0.2相當于抗拉極限強度70%~90%。B.硬鋼的力學性能如熱處理鋼筋及高強鋼絲。a點：比例極限協(xié)定流限（條件屈服強度）：強度設計指標，指經(jīng)加載及卸載后尚存有0.2%永久殘余變形時的應力。鋼筋混凝土結構材料的力學性能～曲線形式：有明顯流幅的：分為彈性、屈服、強化和破壞等四個階段。

無明顯流幅的：沒有明顯的屈服階段。

注：鋼筋受壓和受拉時的應力-應變曲線幾乎相同～的曲線簡化：屈服前：完全彈性的；屈服后：完全塑性的。★強度指標

A.有明顯流幅的鋼筋：以下屈服點對應的強度作為設計強度的依據(jù)，因為，鋼筋屈服后的塑性變形導致構件產(chǎn)生不可恢復的變形和不可閉合的裂縫，以至不能使用。

B.無明顯流幅的鋼筋：以殘余應變?yōu)?.2%時所對應的應力值作為鋼筋條件屈服強度。

鋼筋混凝土結構材料的力學性能C.冷加工鋼筋的力學性能鋼筋混凝土結構材料的力學性能冷拉鋼筋

將鋼筋拉伸超過其屈服強度，放松，經(jīng)一段時間之后，鋼筋會獲得比原來屈服強度更高的屈服強度值。冷拉加工的目的改變鋼材內(nèi)部結構，提高鋼材強度，節(jié)約鋼材。鋼筋冷拉后的－曲線冷拉后，屈服強度提高了，流幅縮短，伸長率降低（塑性下降），鋼材性質(zhì)變硬變脆。冷拉后，抗拉強度提高但抗壓強度沒有提高，計算仍取用原來的抗壓強度。特性：冷拔：將鋼筋強力拔過硬合金模（直徑小于鋼筋）。溫度的影響：高溫時恢復到原狀態(tài)，先焊后拉。特性：冷拔鋼筋沒有屈服點和流幅；冷拔可同時提高抗拉、壓強度（強度提高，塑性降低）。4.鋼筋的焊接性能工程中常采用焊接方式接長鋼筋；鋼筋的焊接性能與鋼筋的化學成分有關，不同品種的鋼筋應采用不同的焊接方法。常用的焊接方法有:電弧焊、閃光對焊、電渣壓力焊。

3.鋼筋的疲勞重復荷載作用下，鋼筋在低應力下產(chǎn)生的斷裂稱為鋼筋的疲勞；在規(guī)定的應力幅度內(nèi)，經(jīng)規(guī)定次數(shù)的重復荷載后，發(fā)生疲勞破壞的最大應力值稱為疲勞強度。

試驗方法：鋼筋埋入混凝土中重復受拉或受彎與單根鋼筋的軸拉疲勞。

影響因素：應力特征值，荷載重復次數(shù)，鋼筋強度。鋼筋混凝土結構材料的力學性能5.混凝土結構對鋼筋的要求

強度：鋼筋有足夠的強度和適宜的強屈比(極限強度與屈服強度的比值)；變形能力：鋼筋的伸長率和冷彎性能均應達到規(guī)范要求；

可焊性：焊接處的強度、變形應能滿足規(guī)范要求；與混凝土的粘結性

：鋼筋與混凝土之間應有足夠的粘結力，以保證兩者共同工作。鋼筋混凝土結構材料的力學性能二、混凝土的物理力學性能

混凝土是各向不均勻、內(nèi)部存在裂縫和空隙的多相復合材料；壓力主要由其中的骨料傳遞，水泥凝膠體起粘結和擴散壓力的作用。1.單向受力狀態(tài)下的混凝土強度

a.立方體抗壓強度

fcu

在標準條件下養(yǎng)護28天的標準試件（150×150×150mm），在壓力機按標準加載方式進行試驗，所測得的具有95%保證率的承載強度為立方體抗壓強度

。溫度為20±3℃、相對濕度不小于95%涂潤滑劑試驗情況:壓力試件裂縫發(fā)展擴張喪失承載力影響強度的因素：齡期、加載速率、試塊尺寸等涂刷潤滑劑來消除試件與壓力機間的摩擦力，測得的抗壓強度較低；我國規(guī)范的方法：不涂潤滑劑。承壓板試塊摩擦力不涂潤滑劑強度大于PP鋼筋混凝土結構材料的力學性能不同尺寸的試件，測得的立方體抗壓強度是不同的，當采用非標準試件進行試驗，其結果應按下述強度換算方法進行換算。

標準試塊：150×150×150mm

（強度換算系數(shù)為1.00）

非標試塊：100×100×100mm

（強度換算系數(shù)為0.95）

200×200×200mm

（強度換算系數(shù)為1.05）試件的立方體抗壓強度與其齡期是有關系的，一般而言，齡期長，試件的立方體抗壓強度就高；某些工程因建設周期長，混凝土澆注至其受載的時間遠超過28天，此時可按混凝土的后期強度進行設計。鋼筋混凝土結構材料的力學性能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：

C10，

C15，C20，C25，C30，C35，C40，C50，C60，C70，C80

如果實測到的混凝土立方體抗壓強度處于兩等級之間，則混凝土的強度等級按較低的一級采用。表示混凝土Concrete立方體抗壓強度鋼筋混凝土結構材料的力學性能★水利水電工程用砼分11個強度等級，即C10、C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60，級差為5N/mm2。

b.棱柱體抗壓強度

fc

（軸心抗壓強度）

因構件長度遠大于其截面尺寸，立方體強度不能很好地反映構件中混凝土的受力狀態(tài)；規(guī)范采用高寬比h／b不同棱柱體試件的抗壓強度來衡量。h／b過小時，加荷板與混凝土表面間摩擦力會約束混凝土的變形，但h／b過大則會在試件加載時由于產(chǎn)生較大的附加偏心而引起測量誤差，而當棱柱體的h／b取2時可基本上消除上述兩方面的影響。我國標準棱柱體尺寸為150×l50×300mm。標準試塊：150×150×300mm

（強度換算系數(shù)為1.00）

非標準試塊：100×100×300mm

（強度換算系數(shù)為0.95）

200×200×400mm

（強度換算系數(shù)為1.05）鋼筋混凝土結構材料的力學性能由于承壓板對試件的約束，立方體抗壓強度大于棱柱體抗壓強度，且有：fc=0.76fcu考慮到構件和試件的區(qū)別，取fc=0.67fcu（水工規(guī)范）。

國外一般采用圓柱體試件（d=150,h=300），有fc=0.79fcu圓柱體抗壓強度承壓板試塊PP鋼筋混凝土結構材料的力學性能棱柱體抗拉強度是混凝土的基本強度指標，它遠小于混凝土的立方體抗壓強度。一般條件下，其值相當于棱柱體抗壓強度的1／9～1／18。測量棱柱體抗拉強度：(1)直接受拉法；(2)劈裂法。A.直接受拉時的棱柱體抗拉強度：c.軸心抗拉強度ft試驗結果：ft=0.26fcu2/3

考慮到構件和試件的區(qū)別，尺寸效應，加荷速度等的影響，取

ft=0.225fcu

2/3

。鋼筋混凝土結構材料的力學性能B.劈裂受拉時的抗拉強度：軸心受拉試驗對中困難，常采用立方體或圓柱體劈裂試驗測定砼的抗拉強度。我國根據(jù)100mm立方體的劈裂與抗壓試驗結果對比有：

fts=0.19fcu

3/4鋼筋混凝土結構材料的力學性能立方體試件通過墊條施加線載荷P，垂直截面上除墊條附近外，產(chǎn)生均勻拉應力，當拉應力達到ft時，試件對半劈裂。3.混凝土的變形性能

混凝土的變形：(1)受力變形；(2)環(huán)境條件變形。

（一）混凝土的受力變形混凝土的受力變形：(1)一次短期加載下的變形；(2)重復加載下的變形；(3)長期加載下的變形。

A．混凝土在一次短期加載下的變形性能混凝土完整的應力－應變曲線大致可由三階段組成。

①近似直線段（近似彈性階段）②上升曲線段（彈塑性＋裂縫擴展階段）③下降曲線段（裂縫失穩(wěn)擴展＋破壞階段）影響應力—應變曲線的因素有混凝土強度、加載速度等。應力小于fc的20%～30%時（a點），應力應變關系接近直線。當應力，呈現(xiàn)塑性。應力增大到fc

的80%左右（b點），應變增長更快。應力達到fc

（c點）時，試件表面出現(xiàn)縱向裂縫，試件開始破壞。達到的最大應力σo稱為砼棱柱體抗壓強度fc，相應的應變?yōu)棣舘一般為0.002左右。εcu最大壓應變(MPa)fco0(10-3)abcd225201510546810加載速度快砼強度提高加載速度慢砼強度降低作用是：加載至峰值應力后，吸收試驗機的變形能，測出下降段PP★影響應力—應變曲線形狀因素砼強度低，曲線平坦；強度高，曲線陡，εcu小；加載速度快，最大應力提高，曲線陡；加載速度慢，曲線平緩，εcu增大。圖1-9不同強度的混凝土的－曲線εcu越大，表示混凝土的塑性變形能力越大，也就是延性(指構件最終破壞之前經(jīng)受非彈性變形的能力)越好?；炷恋膹姸鹊燃壴礁?，上升段長，峰點越高，峰值應變也有所增大；下降段越陡。εcu最大壓應變B.混凝土在重復荷載下的變形性能因混凝土是彈塑性材料，當進行加載后再卸載，其部分應變立即或經(jīng)過一段時間后恢復（彈性應變），而另一部分應變則不能恢復（殘余應變），一次加載、卸載循環(huán)中混凝土的應力－應變曲線形成一閉合環(huán)。在較高應力水平下對混凝土施加重復荷載，其應力—應變曲線環(huán)逐漸靠近，退化成一條直線，再經(jīng)過數(shù)次的重復加載，應力—應變關系曲線由“凸”向應力軸變?yōu)椤巴埂毕驊冚S且不再形成閉合環(huán)；最終混凝土試件因裂縫過寬或變形過大而破壞。pe重復荷載下的應力-應變曲線破壞fcf321疲勞強度<fc

因重復荷載作用引起的破壞稱之為疲勞破壞,混凝土的疲勞破壞強度與其上應力最小值與最大值的比值r和荷載的重復次數(shù)有直接關系。0c<0.5fc，線性徐變；c>0.5fc

，非線性徐變。P彈變徐回t0t1t彈變e徐變cr永久變形總變形最終徐變C.混凝土長期荷載作用下的變形性能

現(xiàn)象：荷載長時間持續(xù)作用下，盡管混凝土上的應力不變，其變形也會隨時間的延長而增大（徐變）。原因：1.膠凝體的粘性流動；

2.混凝土內(nèi)部微裂縫的不斷發(fā)展。

影響因素：

1.應力：c<0.5fc，線性徐變；0.5fc<c<0.8fc，非線性徐變；c>0.8fc，混凝土破壞；

2.齡期：加荷時混凝土的齡期越早，徐變越大；

3.環(huán)境濕度：濕度愈大，徐變愈小；

4.水泥用量及水灰比：徐變與水泥用量及水灰比成正比；部分徐變可恢復（彈性徐回）；大部分徐變不可恢復（殘余變形）。徐變對混凝土結構的影響有利：徐變造成結構內(nèi)力的重新分布，降低高應力，提高低應力，改善了結構的內(nèi)力分布；徐變改善鋼筋與混凝土之間的應力分布，使結構最終內(nèi)力分布和材料的利用趨向合理。不利：徐變降低構件的剛度，加大構件的變形；徐變增大預應力混凝土構件中預應力鋼筋的應力損失，降低預應力效果；徐變對構件中的裂縫有增大作用。PAsPAss1c1Ps2Ass2P拆去，鋼筋受壓，混凝土受拉.徐變：s，c在實際工程中，需要通過對結構構件的內(nèi)力分析以及對混凝土徐變性質(zhì)的認識，來利用或控制徐變對結構的影響。（二）混凝土的溫度變形和干縮變形現(xiàn)象：因外界溫度變化及內(nèi)部水化熱等產(chǎn)生的溫度變形；因外界濕度變化及凝固結硬中失水等產(chǎn)生的變形。

原因：1.固體材料的熱脹冷縮；

2.水泥凝膠體失水后轉換為水泥石的體積縮小。

影響因素：

1.水泥品種：等級越高，收縮越大

2.水泥用量：水泥用量與水灰比越大，收縮越大

3.骨料：骨料越硬，收縮越小

4.其他：養(yǎng)護條件、環(huán)境條件、體積與表面積比。收縮對混凝土結構的影響：

在結構中產(chǎn)生溫度或干縮拉應力；AssAss收縮：鋼筋受壓，混凝土受拉As導致混凝土開裂，影響結構承載能力和耐久性。cccecp01

b.變形模量（割線模量）應變系數(shù)，受壓時，為0.4~1.0；受拉破壞時，為1.04.混凝土的彈性模量、泊松比、剪切模量

1）.混凝土的彈性模量

a.原點切線模量（彈性模量）：拉壓相同混凝土彈性模量的測試方法（150×150×300標準試件）c/fcc0.5加、卸5~10次載PP低應力高應力

2）混凝土的泊松比

混凝土拉、壓應變的比值稱為其泊松比;壓力較小時泊松比為0.12～0.18，接近破壞時達0.5以上，一般可取1/6。

3）剪切模量混凝土剪切模量是將混凝土視為彈性材料，按彈性理論求出(當n取為1/6時，混凝土剪切模量為0.43Ec)：5.混凝土的重力密度混凝土的重力密度與所采用的骨料的重力密度及混凝土的密實度有關，可按下列數(shù)值采用：骨料為一般重力密度巖石的混凝土，取23kN／m3（人工振搗）；24kN／m3（機械振搗）。骨料為大重力密度巖石的混凝土，在上述數(shù)值上再增加1.0kN／m3。

鋼筋混凝土的重力密度一般取為25kN／m3

。三、鋼筋與混凝土的粘結

1.鋼筋與混凝土之間的粘結力光圓鋼筋粘附力摩擦力機械咬合力有滑移時粘附力即消失鋼筋受力較大時粘結力主要由此二部分組成變形鋼筋粘附力摩擦力機械咬合力主要作用作用：保證力的相互傳遞，是兩者共同工作的基礎。

（鋼筋表面不平、微銹時可顯著提高咬合力）PP★影響粘結力的主要因素

◆

砼強度：粘結強度隨砼強度的提高而增加，但并不與立方體強度fcu成正比，而與抗拉強度ft成正比?！舯Ｗo層厚度：變形鋼筋，粘結強度主要取決于劈裂破壞。相對保護層厚度c/d

越大，砼抵抗劈裂破壞的能力也越大，粘結強度越高?！羰芰η闆r：受壓鋼筋由于直徑增大會增加對砼的擠壓，從而使摩擦作用增加。◆鋼筋表面和外形特征：

●

光面鋼筋表面凹凸較小，機械咬合作用小，粘結強度低。

●月牙肋和螺紋肋變形鋼筋，機械咬合作用大，粘結強度高。光面鋼筋τb峰值隨P增加，由加荷端移至自由端，

τb圖形長度（有效埋長）達到自由端。變形鋼筋τb峰值始終在加荷端附近，有效埋長增加緩慢，粘結力大于光面鋼筋。粘結力峰值關于機械咬合力◆光圓鋼筋——咬合力來自表面的粗糙不平?！糇冃武摻睢冃武摻畹臋M肋對混凝土的擠壓如同一個楔，會產(chǎn)生很大的機械咬合力，從而提高了變形鋼筋的粘結能力粘