第一章 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的材料

水工鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)第一章鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的材料第一節(jié)

鋼筋

一、鋼筋的品種

1、按化學(xué)成分分：

2、按生產(chǎn)加工工藝分：

3、按表面特征分：常用鋼筋簡(jiǎn)介

二、鋼筋的力學(xué)性能

(一)軟鋼的力學(xué)性能

(二)硬鋼的力學(xué)性能

(三)冷拉鋼筋的力學(xué)性能

一、鋼筋的品種1、按化學(xué)成分分：碳素鋼：低碳鋼（含碳量低于0.25％）、中碳鋼（含碳量為0.25％～0.6％）、高碳鋼（含碳量為0.6％～1.4％）

普通低合金鋼：煉鋼過(guò)程中，在碳素鋼中加入少量硅、錳、釩、鈦等合金元素，就形成普通低合金鋼含碳量增加，能使鋼材強(qiáng)度提高，性質(zhì)變硬，但塑性和韌性降低，焊接性能也會(huì)變差。

普通低合金鋼強(qiáng)度高、塑性好、可焊性好，因而應(yīng)用較為廣泛。

一、鋼筋的品種2、按生產(chǎn)加工工藝分：(1)熱軋鋼筋:其強(qiáng)度由低到高分為四級(jí)：I級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)。

(2)冷拉鋼筋:由熱軋鋼筋在常溫下用機(jī)械拉伸而成。(3)冷軋帶肋鋼筋:由熱軋鋼筋圓盤(pán)條經(jīng)多道冷軋和冷拔減小直徑，并在鋼筋表面冷軋成斜肋。

(4)熱處理鋼筋:一、鋼筋的品種3、按表面特征分：(1)

光面鋼筋:(2)

變形鋼筋:分等高肋（過(guò)去稱(chēng)螺紋鋼，有縱肋和橫肋）和月牙肋（無(wú)縱肋）。Ⅱ級(jí)鋼筋和Ⅲ級(jí)鋼筋為月牙肋鋼筋，Ⅳ級(jí)鋼筋為等高肋鋼筋。圖1—1鋼筋表面及截面形狀

圖1—2冷軋帶肋鋼筋的表面及截面形狀

二、鋼筋的力學(xué)性能

(一)軟鋼的力學(xué)性能

I級(jí)鋼筋從開(kāi)始加載到鋼筋被拉斷劃分為四個(gè)階段：彈性階段(ob段)、屈服階段(bc段)、強(qiáng)化階段(cd段)、破壞階段(de段)。鋼筋應(yīng)力有三個(gè)特征值：比例極限、屈服極限、極限抗拉強(qiáng)度。屈服極限是軟鋼的主要強(qiáng)度指標(biāo)。軟鋼以屈服極限作為鋼筋強(qiáng)度限值。e點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變稱(chēng)伸長(zhǎng)率，伸長(zhǎng)率大小反映鋼筋的塑性，伸長(zhǎng)率越大，鋼筋塑性越好。圖1—3I級(jí)鋼筋的應(yīng)力應(yīng)變曲線

(一)軟鋼的力學(xué)性能不同級(jí)別的軟鋼分別做拉伸試驗(yàn)，其應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖1—4所示。鋼筋級(jí)別越高，屈服極限、抗拉強(qiáng)度越高，伸長(zhǎng)率越小，流幅也相應(yīng)縮短，塑性越差。鋼筋在彈性階段應(yīng)力與應(yīng)變的比值，稱(chēng)為彈性模量，用符號(hào)Es表示。鋼筋彈性模量大小根據(jù)拉伸試驗(yàn)測(cè)定，同一種鋼筋受壓彈性模量與受拉彈性模量相同。

二、鋼筋的力學(xué)性能

圖1—4不同級(jí)別鋼筋的應(yīng)力一應(yīng)變曲線

(二)硬鋼的力學(xué)性能硬鋼強(qiáng)度高，但塑性差，脆性大，沒(méi)有屈服階段(流幅)。從加載到突然拉斷,硬鋼在破壞前沒(méi)有明顯預(yù)兆。應(yīng)變曲線如圖1—5所示。結(jié)構(gòu)計(jì)算以“協(xié)定流限”作為強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，協(xié)定流限指經(jīng)過(guò)加載及卸載后尚存有0.2％永久殘余變形時(shí)的應(yīng)力，用σ0.2表示。由于協(xié)定流限不容易測(cè)定，一般取極限抗拉強(qiáng)度σb的70%~85%。對(duì)硬鋼進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)，主要測(cè)定極限抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、冷彎性能。

二、鋼筋的力學(xué)性能

圖1—5硬鋼的應(yīng)力—應(yīng)變曲線

(三)冷拉鋼筋的力學(xué)性能

冷拉是將鋼筋拉伸超過(guò)它的屈服極限，然后卸掉荷載，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，鋼筋的屈服極限比冷拉前提高19％～34％，如圖1—6所示。鋼筋冷拉后，屈服強(qiáng)度提高了，但流幅縮短了，伸長(zhǎng)率也減少了，性質(zhì)變脆，這對(duì)承受沖擊荷載與重復(fù)荷載是不利的。鋼筋冷拉后，抗拉強(qiáng)度提高了，抗壓強(qiáng)度并沒(méi)有提高。冷拉鋼筋受到高溫時(shí)，它的強(qiáng)度會(huì)降低。由于在很高的焊接溫度下，鋼筋冷拉強(qiáng)化效應(yīng)會(huì)完全消失，因此，焊接冷拉鋼筋時(shí)，應(yīng)控制加熱時(shí)間。

二、鋼筋的力學(xué)性能

圖1—6鋼筋冷拉后的應(yīng)力—應(yīng)變曲線

第二節(jié)、混凝土

一、混凝土的強(qiáng)度

（一）立方體抗壓強(qiáng)度f(wàn)cu

（二）軸心抗壓強(qiáng)度f(wàn)c

（三）軸心抗拉強(qiáng)度f(wàn)t

二、混凝土的變形（一）混凝土在一次短期加載時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變曲線（二）混凝土的彈性模量EC

（三）混凝上在長(zhǎng)期荷載作用下的變形（四）混凝上的溫度變形和干縮變形

一、混凝土的強(qiáng)度

（一）立方體抗壓強(qiáng)度f(wàn)cu

水利水電工程所采用的混凝土強(qiáng)度等級(jí)分11級(jí)：C10、C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60。其中C表示混凝土，數(shù)字10～60表示立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(N／mm2)。

水工鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的混凝土強(qiáng)度等級(jí)不宜低于C15；當(dāng)采用Ⅱ級(jí)鋼筋、Ⅲ級(jí)鋼筋、冷軋帶肋鋼筋時(shí)，混凝土強(qiáng)度等級(jí)不宜低于C2O；預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中，混凝土強(qiáng)度不宜低于C30。

一、混凝土的強(qiáng)度（二）軸心抗壓強(qiáng)度f(wàn)c

實(shí)際工程中的混凝土受壓構(gòu)件并非是立方體而是棱柱體，它們的長(zhǎng)度比截面尺寸大得多，從而立方體抗壓強(qiáng)度并不能反映實(shí)際構(gòu)件的強(qiáng)度。試驗(yàn)表明，用高寬比為3～4的棱柱體測(cè)得的抗壓強(qiáng)度與以受壓為主的混凝土構(gòu)件中混凝土抗壓強(qiáng)度基本一致。用棱柱體試件(150mm×l50mm×300mm)經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，得到的抗壓強(qiáng)度稱(chēng)軸心抗壓強(qiáng)度，又稱(chēng)棱柱體抗壓強(qiáng)度，用fc表示。棱柱體抗壓強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度的對(duì)比試驗(yàn)表明，fc與fcu大致成線性關(guān)系：

(1—1)一、混凝土的強(qiáng)度(三)軸心抗拉強(qiáng)度f(wàn)t

對(duì)構(gòu)件進(jìn)行抗裂驗(yàn)算、裂縫寬度驗(yàn)算需要混凝土軸心抗拉強(qiáng)度值。用棱柱體試件(100mm×100mm×500mm)，兩端正中預(yù)埋Ⅱ級(jí)鋼筋如圖1—7所示，經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后，用試驗(yàn)機(jī)夾緊鋼筋，使混凝土試件受拉，測(cè)得構(gòu)件破壞時(shí)的抗拉強(qiáng)度，稱(chēng)軸心抗拉強(qiáng)度，用ft表示?；炷凛S心抗拉強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度的關(guān)系：

（1—2）

圖1—7混凝土軸心受拉試驗(yàn)

二、混凝土的變形(一)混凝土在一次短期加載時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變曲線

混凝土在一次短期加載時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變曲線

二、混凝土的變形(二)混凝土的彈性模量EC

混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲線為一曲線，其彈性模量是一個(gè)變量。工程中，采用重復(fù)加載卸載，使應(yīng)力應(yīng)變曲線漸漸趨穩(wěn)定并接近直線，該直線的斜率即為混凝土的彈性模量?；炷翉椥阅Ａ堪聪铝薪?jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：(N/mm2)

二、混凝土的變形(三)混凝土在長(zhǎng)期荷載作用下的變形混凝土在長(zhǎng)期荷載作用下，應(yīng)力不變，應(yīng)變隨時(shí)間增長(zhǎng)而增長(zhǎng)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為混凝土的徐變。

混凝土的徐變與時(shí)間的關(guān)系

影響徐變的主要因素有：

①內(nèi)部因素。水泥用量越多，水灰比越大，徐變?cè)酱?。②環(huán)境因素。構(gòu)件振搗密實(shí)，養(yǎng)護(hù)時(shí)相對(duì)濕度越高，徐變?cè)叫?。③?yīng)力條件。構(gòu)件截面壓應(yīng)力越大，徐變就越大。④

加荷齡期。在同樣的應(yīng)力條件下，加荷越早，混凝土強(qiáng)度越低，徐變就越大。徐變對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的不利影響：（1）徐變作用會(huì)使結(jié)構(gòu)的變形增大。（2）在預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中，它還會(huì)造成較大的預(yù)應(yīng)力損失。（3）徐變還會(huì)使構(gòu)件中混凝土和鋼筋之間發(fā)生應(yīng)力重分布，導(dǎo)致混凝土應(yīng)力減小，鋼筋應(yīng)力增大，使得理論計(jì)算產(chǎn)生誤差。

二、混凝土的變形(四)混凝上的溫度變形和干縮變形

混凝土在空氣中結(jié)硬時(shí)，由于溫、濕度及本身化學(xué)變化的影響，體積隨時(shí)間增長(zhǎng)而減小的現(xiàn)象稱(chēng)為收縮。收縮對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的不利影響：（1）收縮受到約束時(shí)會(huì)使混凝土產(chǎn)生拉應(yīng)力，甚至使混凝土開(kāi)裂。（2）混凝土收縮還會(huì)使預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力損失?；炷恋氖湛s會(huì)帶來(lái)危害，而膨脹變形一般是有利的，不予討論。

第三節(jié)、鋼筋與混凝土的黏結(jié)

一、鋼筋與混凝土的黏結(jié)力

二、鋼筋的錨固與接頭

一、鋼筋與混凝土的黏結(jié)力(一)黏結(jié)力的組成

黏結(jié)力主要有三部分組成：一是因?yàn)榛炷潦湛s將鋼筋緊緊握固而產(chǎn)生的摩擦力；二是因?yàn)榛炷令w粒與鋼筋表面產(chǎn)生的化學(xué)黏合力；三是由于鋼筋表面凹凸不平與混凝土之間產(chǎn)生的機(jī)械咬合力。其中機(jī)械咬合力作用最大，約占總黏結(jié)力的—半以上。

撥出試驗(yàn)表明：混凝土強(qiáng)度越高，黏結(jié)應(yīng)力也越高；埋人長(zhǎng)度越大，需要的拔出力越大，但埋入長(zhǎng)度尾部的黏結(jié)力很小，甚至為零；鋼筋表面越粗糙，黏結(jié)力越大。

一、鋼筋與混凝土的黏結(jié)力黏結(jié)力通過(guò)拔出試驗(yàn)確定，將鋼筋(直徑為d)一端埋入混凝土中(埋入長(zhǎng)度為l)，另一端施加拉力，將鋼筋拔出，如圖1—10所示。平均黏結(jié)應(yīng)力(1—3)式中P——拉力最大值，N；

d——鋼筋直徑，mm；

l——鋼筋埋人長(zhǎng)度，mm。圖1—10鋼筋的拔出試驗(yàn)

二、鋼筋的錨固與綁扎搭接為了保證鋼筋在混凝土中錨固可靠，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使鋼筋在混凝土中有足夠的錨固長(zhǎng)度。規(guī)范規(guī)定了縱向受拉鋼筋最小錨固長(zhǎng)度la見(jiàn)下表。對(duì)于受壓鋼筋，由于鋼筋受壓產(chǎn)生鼓脹，黏結(jié)力增大，受壓鋼筋錨固長(zhǎng)度取受拉鋼筋錨固長(zhǎng)度la的70％。鋼筋強(qiáng)度越高，直徑越粗，混凝土強(qiáng)度越低，鋼筋錨固長(zhǎng)度要求越長(zhǎng)。

鋼筋類(lèi)型混凝土強(qiáng)度等級(jí)C15C20C25C30≥C40I級(jí)鋼筋40d30d25d20d20d月牙肋Ⅱ級(jí)鋼筋50d40d35d30d25dⅢ級(jí)鋼筋

45d40d35d30d冷軋帶肋鋼筋

40d35d30d25d二、鋼筋的錨固與綁扎搭接為了保證光面鋼筋錨固可靠，規(guī)范規(guī)定受力的光面鋼筋兩端必須做成半圓形彎鉤。如圖1—1l所示。Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)鋼筋、冷軋帶肋鋼筋以及焊接骨架中的光面鋼筋可不做端彎鉤。

圖1—11光面鋼筋的彎鉤

(a)機(jī)器彎鉤；(b)人工彎鉤

二、鋼筋的錨固與綁扎搭接接長(zhǎng)的方法有焊接、綁扎搭接、機(jī)械連接

綁扎搭接是通過(guò)鋼筋與混凝土之間的黏結(jié)力傳遞鋼筋與鋼筋間的內(nèi)力，要求綁扎接頭必須有足夠的搭接長(zhǎng)度如圖1—12所示。規(guī)范規(guī)定：（1）受拉鋼筋的搭接長(zhǎng)度不小于1.2la，且不小于300mm；（2）受壓鋼筋的搭接長(zhǎng)度不小于0.85la，且不小于200mm。

圖1—l2鋼筋綁扎搭接接頭

本

章

小

結(jié)

1．普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，最常用的鋼筋是I級(jí)鋼筋、Ⅱ級(jí)鋼筋。l、Ⅱ級(jí)鋼筋屬于軟鋼，以鋼筋的屈服極限作為結(jié)構(gòu)計(jì)算的強(qiáng)度限值。

2．混凝土立方體抗壓強(qiáng)度是強(qiáng)度代表值；混凝土強(qiáng)度分11個(gè)等級(jí)，常用等級(jí)有C15、C20、C25、C30?；炷凛S心抗壓強(qiáng)度，軸心抗拉強(qiáng)度可以由立方體抗壓強(qiáng)度換算得到。

3．混凝土徐變使結(jié)構(gòu)變形增大，在預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中，徐變會(huì)引起較大的預(yù)應(yīng)力損失。

4．鋼筋錨固長(zhǎng)度、綁扎搭接長(zhǎng)度是為了保證鋼筋與混凝土之間有足夠的粘接力。

本

章

練習(xí)1.

對(duì)稱(chēng)配筋的鋼筋混凝土構(gòu)件，兩端自由，由于混凝土收縮（未受外荷載），則

。A混凝土產(chǎn)生拉應(yīng)力，鋼筋無(wú)應(yīng)力B混凝土產(chǎn)生拉應(yīng)力，鋼筋產(chǎn)生壓應(yīng)力