第一章鋼筋和混凝土材料的力學(xué)性能

陳紅霞

三江學(xué)院土木工程學(xué)院工程管理系建筑結(jié)構(gòu)總目錄緒論第1章鋼筋和混凝土的力學(xué)性能第2章鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的基本設(shè)計(jì)原則第3章受彎構(gòu)件正截面承載力第4章受彎構(gòu)件斜截面承載力第5章受扭構(gòu)件承載力第6章鋼筋混凝土軸向受力構(gòu)件承載力第7章鋼筋混凝土構(gòu)件變形及裂縫寬度驗(yàn)算總目錄第8章預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)第9章鋼筋混凝土現(xiàn)澆樓蓋設(shè)計(jì)第10章多層框架結(jié)構(gòu)第11章砌體結(jié)構(gòu)第12章鋼結(jié)構(gòu)第13章建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)基本知識(shí)緒論0.1建筑結(jié)構(gòu)的分類0.2各類結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)及其應(yīng)用0.3本課程的學(xué)習(xí)方法和需要注意的問(wèn)題第1章鋼筋和混凝土的力學(xué)性能1.1鋼筋的力學(xué)性能1.2混凝土的力學(xué)性能1.3鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)作用1.1鋼筋的力學(xué)性能1.鋼筋的分類混凝土結(jié)構(gòu)用鋼筋按化學(xué)成分可分為碳素鋼和普通合金鋼。根據(jù)含碳量的不同，碳素鋼分為：低碳鋼(含碳量<0.25%)、中碳鋼(0.25%<=含碳量<=0.6%)、高碳鋼(含碳量>0.6%)。含碳量越高，強(qiáng)度越高，但塑性和可焊性下降。工程中常用低碳鋼。普通低合金鋼是在碳素鋼的基礎(chǔ)上，再加人微量的合金元素，如硅、錳、釩、欽、鋸等，目的是提高鋼材的強(qiáng)度，改善鋼材的塑性性能。我國(guó)常見(jiàn)鋼筋外形1.鋼筋的分類強(qiáng)度高，塑性低強(qiáng)度高鋼筋熱軋鋼筋冷拉鋼筋冷軋、冷拔鋼筋熱處理鋼筋HPB300HRB335HRB400HRB500光圓鋼筋變形鋼筋變形鋼筋變形鋼筋非預(yù)應(yīng)力鋼筋強(qiáng)度塑性弱強(qiáng)高低強(qiáng)度高1.鋼筋的分類鋼筋的種類

及選用比例極限屈服強(qiáng)度極限強(qiáng)度o(N/mm2)fyfted流幅abcbc－屈服階段a－比例極限b－屈服強(qiáng)度cd－強(qiáng)化階段d－極限強(qiáng)度de－頸縮階段有明顯流幅鋼筋的－曲線2.鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系oa－彈性階段無(wú)明顯流幅鋼筋的－曲線0.2%0.2(N/mm2)o0.2－條件屈服強(qiáng)度（鋼筋經(jīng)過(guò)加載和卸載后永久殘余變形為0.2%時(shí)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值。0.2

=0.85b

）2.鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系伸長(zhǎng)率3.鋼筋的塑性性能

鋼筋除需有足夠的強(qiáng)度外，還應(yīng)具有一定的塑性變形（plasticdeformation)能力，鋼筋的塑性通常用伸長(zhǎng)率和冷彎性能兩個(gè)指標(biāo)來(lái)衡量。冷彎試驗(yàn)3.鋼筋的塑性性能

冷彎是將直徑為d的鋼筋繞直徑為D的鋼輥，彎成一定的角度而不發(fā)生斷裂，就表示合格。3.鋼筋的塑性性能

延性要求，即鋼筋在最大力下的總伸長(zhǎng)率應(yīng)不小于規(guī)范規(guī)定的值。（P10）4.鋼筋的冷加工冷加工的方法：冷拉、冷拔、冷軋鋼筋在常溫下的加工稱為冷加工。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(qiáng)度，達(dá)到節(jié)約鋼筋的目的。新規(guī)范不再列入冷加工鋼筋。

4.鋼筋的冷加工和熱處理冷加工的方法：冷拉、冷拔、冷軋冷拉：常溫下，把熱軋鋼筋拉伸至強(qiáng)化階段所得到的鋼筋。冷拉后可提高鋼材的抗拉強(qiáng)度，但其屈服臺(tái)階變短，塑性較差。

冷拔：冷拔可同時(shí)提高鋼材的抗拉和抗壓強(qiáng)度。塑性降低很多。冷軋：冷軋后，鋼筋表面軋成帶肋，強(qiáng)度與冷拔低碳絲接近，塑性要好一些。

d1d2Pd2d14.鋼筋的冷加工和熱處理對(duì)某些特定鋼號(hào)（40Si2Mn、48Si2Mn、45Si2Cr）的熱軋鋼筋進(jìn)行淬火和回火處理，鋼筋強(qiáng)度大幅度提高。熱處理鋼筋雖然可提高強(qiáng)度，但因其延性、焊接性、機(jī)械連接性能及施工適應(yīng)性的降低，應(yīng)用受到一定限制。5.鋼筋的松弛和疲勞鋼筋的松弛是指鋼筋受力后，在保持長(zhǎng)度不變的情況下，其應(yīng)力隨時(shí)間的增長(zhǎng)而逐步降低的現(xiàn)象。鋼筋的松弛對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的影響不大，一般可以忽略。但在預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中，則會(huì)引起預(yù)應(yīng)力的損失，需予以考慮。鋼筋的疲勞破壞是指鋼筋在多次重復(fù)荷載作用下發(fā)生脆性的突然斷裂的現(xiàn)象。鋼筋的疲勞強(qiáng)度低于靜載作用下的極限強(qiáng)度。在鋼筋混凝土吊車梁、橋梁、軌枕、海洋采油平臺(tái)等設(shè)計(jì)時(shí)，需考慮鋼筋的疲勞強(qiáng)度問(wèn)題。6.

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)對(duì)鋼筋性能的要求有較高的強(qiáng)度有較好的塑性具有較好的可焊性與混凝土之間有良好的粘結(jié)力在寒冷地區(qū)，鋼筋的低溫性能也要符合一定要求，不宜采用冷加工鋼筋，以免發(fā)生脆性破壞。7.

鋼筋的選用普通鋼筋宜采用HRB400級(jí),HRBF400級(jí),HRB500級(jí)和HRBF500級(jí)鋼筋；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。增加強(qiáng)度為500MPa級(jí)的熱軋帶肋鋼筋；推廣400MPa、500MPa級(jí)高強(qiáng)熱軋帶肋鋼筋作為縱向受力的主導(dǎo)鋼筋；限制并準(zhǔn)備逐步淘汰335MPa級(jí)熱軋帶肋鋼筋的應(yīng)用；用300MPa級(jí)光圓鋼筋取代235MPa級(jí)光圓鋼筋。推廣具有較好的延性、可焊性、機(jī)械連接性能及施工適應(yīng)性的HRB系列普通熱軋帶肋鋼筋。列入采用控溫軋制工藝生產(chǎn)的HRBF系列細(xì)晶粒帶肋鋼筋。RRB系列余熱處理鋼筋由軋制鋼筋經(jīng)高溫淬水，余熱處理后提高強(qiáng)度。其延性、可焊性、機(jī)械連接性能及施工適應(yīng)性降低，一般可用于對(duì)變形性能及加工性能要求不高的構(gòu)件中，如基礎(chǔ)、大體積混凝土、樓板、墻體以及次要的中小結(jié)構(gòu)構(gòu)件等。

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(hù)硬化后形成的人工石材。

影響混凝土的強(qiáng)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?。皇┕し椒ǎ〝嚢璩潭?、澆搗的密實(shí)性、對(duì)混凝土的養(yǎng)護(hù)方法）等?；炷恋幕緩?qiáng)度指標(biāo)有立方體抗壓強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度和軸心抗拉強(qiáng)度三種。1.2混凝土的力學(xué)性能1.混凝土的強(qiáng)度強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度的增長(zhǎng)也是早期快、后期慢，但到28d齡期時(shí)強(qiáng)度的增長(zhǎng)就不明顯而趨于穩(wěn)定。因此，規(guī)范以28d齡期時(shí)混凝土的強(qiáng)度為基準(zhǔn)。

150mm150mm150mm1）混凝土強(qiáng)度等級(jí)——

立方體抗壓強(qiáng)度f(wàn)cu

混凝土強(qiáng)度等級(jí)應(yīng)按立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值確定。我國(guó)混凝土強(qiáng)度等級(jí)的確定方法是：用邊長(zhǎng)為150mm的立方體標(biāo)準(zhǔn)試件，在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下養(yǎng)護(hù)28d，并用標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法（C30以下的加載速度控制在0.3~0.5MPa/s范圍；C30以上的加載速度控制在0.5~0.8MPa/s范圍。兩端不涂潤(rùn)滑劑）測(cè)得的立方體抗壓強(qiáng)度，用符號(hào)fcuk表示。強(qiáng)度等級(jí)：C15,C20,C25,C30,C35,C40,C45,C50~C80共14級(jí)C—混凝土15—立方體抗壓強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值為15N/mm22）軸心抗壓強(qiáng)度（棱柱體抗壓強(qiáng)度）fc定義：軸心抗壓強(qiáng)度f(wàn)c是指按照標(biāo)準(zhǔn)方法制作養(yǎng)護(hù)的截面為150mm×150mm高300mm的棱柱體，在28天齡期，用標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法測(cè)得的抗壓強(qiáng)度?！S心抗壓強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度比值—高強(qiáng)混凝土脆性折減系數(shù)0.88—經(jīng)驗(yàn)折減系數(shù)抗壓強(qiáng)度隨試件高度增大而降低2）軸心抗壓強(qiáng)度f(wàn)c

立方體抗壓強(qiáng)度不能代表混凝土在實(shí)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(qiáng)度水平和品質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)表明：用高寬比為2~3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)件中的混凝土抗壓強(qiáng)度基本一致。因此，棱柱體的抗壓強(qiáng)度可以作為以受壓為主的混凝土抗壓強(qiáng)度，稱為軸心抗壓強(qiáng)度，用符號(hào)fc表示。3）混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度f(wàn)t

混凝土的抗拉性能很差?；炷恋目估瓘?qiáng)度一般只有抗壓強(qiáng)度的1/18~1/9，且不與抗壓強(qiáng)度成正比?；炷凛S心抗拉強(qiáng)度取棱柱體（100mm×

100mm×500mm，兩端埋有鋼筋）的抗拉極限強(qiáng)度為軸心抗拉強(qiáng)度?；炷翗?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(qiáng)度有關(guān)。根據(jù)試驗(yàn)得知，fcu、fc、ft三者之間的關(guān)系是fcu＞fc＞ft。2.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(shí)的變形、多次重復(fù)加荷時(shí)的變形和長(zhǎng)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。

2.混凝土的變形

混凝土在結(jié)硬過(guò)程中，由于水泥石的收縮、骨料下沉以及溫度變化等原因，在骨料和水泥石的界面上形成很多微裂縫，成為混凝土中的薄弱部位?；炷恋淖罱K破壞就是由于這些微裂縫的發(fā)展造成的。

2.混凝土的變形02468102030s(MPa)e×10-3BACEDA點(diǎn)以前，微裂縫沒(méi)有明顯發(fā)展，混凝土的變形主要彈性變形，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系近似直線。A點(diǎn)應(yīng)力隨混凝土強(qiáng)度的提高而增加，對(duì)普通強(qiáng)度混凝土sA約為(0.3~0.4)fc

，對(duì)高強(qiáng)混凝土sA可達(dá)(0.5~0.7)fc。

2.混凝土的變形02468102030s(MPa)e×10-3BACEDA點(diǎn)以后，由于微裂縫處的應(yīng)力集中，裂縫開始有所延伸發(fā)展，產(chǎn)生部分塑性變形，應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)開始加快，應(yīng)力-應(yīng)變曲線逐漸偏離直線。微裂縫的發(fā)展導(dǎo)致混凝土的橫向變形增加。但該階段微裂縫的發(fā)展是穩(wěn)定的。

2.混凝土的變形02468102030s(MPa)e×10-3BACED達(dá)到B點(diǎn)，內(nèi)部一些微裂縫相互連通，體積應(yīng)變開始由壓縮轉(zhuǎn)為增加。取B點(diǎn)的應(yīng)力作為混凝土的長(zhǎng)期抗壓強(qiáng)度。普通強(qiáng)度混凝土sB約為0.8fc。

2.混凝土的變形02468102030s(MPa)e×10-3BACED達(dá)到C點(diǎn)fc，內(nèi)部微裂縫連通形成破壞面，C點(diǎn)的縱向應(yīng)變值稱為峰值e0，約為0.002?？v向應(yīng)變發(fā)展達(dá)到D點(diǎn)，內(nèi)部裂縫在試件表面出現(xiàn)第一條可見(jiàn)平行于受力方向的縱向裂縫。3.混凝土的彈性模量

混凝土的應(yīng)力σ與其彈性應(yīng)變?chǔ)與e之比值稱為混凝土的彈性模量，用符號(hào)Ec表示。根據(jù)大量試驗(yàn)結(jié)果，混凝土規(guī)范采用以下公式計(jì)算混凝土的彈性模量：

4.混凝土的徐變混凝土受壓后除產(chǎn)生瞬時(shí)壓應(yīng)變外，在維持其外力不變的條件下（即荷載長(zhǎng)期不變），應(yīng)變隨時(shí)間繼續(xù)增長(zhǎng)的現(xiàn)象，叫做混凝土的徐變?；炷恋男熳儗?duì)混凝土結(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。5.混凝土的收縮變形定義：混凝土在空氣中凝結(jié)硬化時(shí)，體積減小的現(xiàn)象稱為收縮變形。收縮變形是一種非受力變形；而徐變變形只有在受力達(dá)到一定數(shù)值并且持續(xù)作用下才產(chǎn)生。5.混凝土的非荷載作用變形——干縮濕漲影響混凝土干縮濕漲的主要因素有：混凝土在結(jié)硬干燥的過(guò)程中，由于毛細(xì)孔水的蒸發(fā)，使毛細(xì)孔中形成負(fù)壓，隨著空氣濕度的降低，負(fù)壓逐步增大，產(chǎn)生收縮力，造成混凝土收縮。另外，水泥凝膠體顆粒的吸附水也發(fā)生部分蒸發(fā)，凝膠體因失水而發(fā)生收縮。另一方面，混凝土在水中硬化時(shí)，體積會(huì)有輕微膨脹，這是由于凝膠體粒子的吸附水膜增厚，使膠體粒子之間的距離增大所致。一般濕漲的變形量很小，不會(huì)對(duì)工程造成破壞。而干燥收縮能使混凝土的表面產(chǎn)生拉應(yīng)力，進(jìn)而導(dǎo)致開裂，影響混凝土的耐久性。5.混凝土的非荷載作用變形——熱脹冷縮和其它許多材料一樣，當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)混凝土的體積也具有熱脹冷縮的性質(zhì)。《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，當(dāng)溫度在0℃到100℃范圍內(nèi)時(shí)，混凝土線膨脹系數(shù)αc可采用1×10-5/℃?；炷猎诮Y(jié)硬初期，水泥的水化會(huì)放出較多的熱量，使得混凝土內(nèi)外溫差很大，造成混凝土的內(nèi)漲外縮，混凝土外表產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力。嚴(yán)重時(shí)混凝土將產(chǎn)生裂縫。溫度變形對(duì)大體積、大面積混凝土結(jié)構(gòu)極為不利。

5.混凝土的非荷載作用變形——化學(xué)收縮混凝土的化學(xué)收縮是由于水泥在水化結(jié)硬的過(guò)程中體積將變小，從而引起混凝土的收縮?；瘜W(xué)收縮不可恢復(fù)，數(shù)值一般很小。

1.3鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)作用粘結(jié)作用的組成粘結(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。鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)1.粘結(jié)作用的組成產(chǎn)生粘結(jié)力的主要原因：（1）混凝土顆粒與鋼筋表面產(chǎn)生的化學(xué)粘合力；（2）混凝土收縮將鋼筋緊緊握固而產(chǎn)生的摩擦力；（3）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。2.粘結(jié)強(qiáng)度及其影響因素粘結(jié)力的測(cè)定一般采用拔出試驗(yàn)方法2.粘結(jié)強(qiáng)度及其影響因素

影響粘結(jié)強(qiáng)度的因素主要有：（1）混凝土的強(qiáng)度（2）鋼筋表面的形狀