武漢某大學(xué)建筑結(jié)構(gòu)講義上7

3鋼筋與混凝土的力學(xué)性能本章主要論述了混凝土的力學(xué)性能（混凝土的立方體抗壓強度、軸心抗壓強度、軸心抗拉強度；混凝土的變形和混凝土的選用）和鋼筋的力學(xué)性能。重點討論了鋼筋與混凝土之間的相互作用——粘結(jié)力。它們是學(xué)習(xí)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理和構(gòu)造要求的基礎(chǔ)。

本章提要本章內(nèi)容3.1

鋼筋3.2

混凝土3.3

鋼筋與混凝土的相互作用－粘結(jié)力3.1鋼筋有屈服點的鋼筋試件在試驗機上進行拉伸試驗得出的典型應(yīng)力－應(yīng)變曲線如圖3.1所示。其中頸縮現(xiàn)象如圖3.2。對于有明顯屈服點的鋼筋取其屈服強度作為鋼筋強度的限值——強度指標(biāo)。

3.1.1鋼筋的力學(xué)性能3.1.1.1有屈服點的鋼筋反映鋼筋塑性性能的基本指標(biāo)是伸長率和冷彎性能。

伸長率是鋼筋試件拉斷后的伸長值與原長的比率。應(yīng)按下式計算：圖3.1鋼筋的應(yīng)力－應(yīng)變曲線圖3.2鋼筋的頸縮無明顯屈服點的鋼筋試件在試驗機上進行拉伸試驗得出的典型應(yīng)力－應(yīng)變曲線如圖3.3所示。實際設(shè)計中通常取相應(yīng)于殘余應(yīng)變ε=0.2%時的應(yīng)力σ0.2作為名義屈服點，即條件屈服強度。對于無明顯屈服點的鋼筋，由于其條件屈服點不容易測定，因此，這類鋼筋的質(zhì)量檢驗以其極限強度作為主要指標(biāo)。《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，條件屈服強度σ0.2取極限強度σb的0.8倍，即：

σ0.2=0.8σb

3.1.1.2無屈服點的鋼筋圖3.3無明顯屈服點鋼筋鋼筋在常溫下的加工稱為冷加工，常用冷拉、冷拔等方法。其目的就是使鋼筋的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而提高鋼筋的強度，達(dá)到節(jié)約鋼筋的目的。1.冷拉冷拉是把鋼筋張拉到應(yīng)力超過屈服點的某一應(yīng)力值，然后放松鋼筋，經(jīng)時效硬化后再張拉鋼筋時，則應(yīng)力－應(yīng)變曲線將發(fā)生變化，如圖3.4所示。2.冷拔冷拔是在常溫下將鋼筋（熱軋HPB235）用強力拔過比它直徑小的硬質(zhì)合金拔絲模，如圖3.5，拔成比原來直徑小的鋼絲。3.1.1.3鋼筋的冷加工圖3.4鋼筋冷拉的應(yīng)力－應(yīng)變曲線圖3.5鋼筋冷拔示意意圖1.鋼筋的強度標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)設(shè)計規(guī)范》（GB50010—2002）規(guī)定，材料料強度的標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)值應(yīng)具有不不少于95%保證率。熱軋鋼筋的強強度標(biāo)準(zhǔn)值根根據(jù)屈服強度度確定，用fyk表示。預(yù)應(yīng)力力鋼絞線、鋼鋼絲和熱處理理鋼筋的強度度標(biāo)準(zhǔn)值根據(jù)據(jù)極限抗拉強強度確定，用用fptk表示。普通鋼筋、預(yù)預(yù)應(yīng)力鋼筋的的強度標(biāo)準(zhǔn)值值見附表2、附表3。3.1.1.4鋼筋的計算指指標(biāo)2.鋼筋的強度設(shè)設(shè)計值在進行鋼筋混混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)構(gòu)件承載力設(shè)設(shè)計計算時，，鋼筋應(yīng)采用用強度設(shè)計值值。鋼筋強度設(shè)計計值等于鋼筋筋強度標(biāo)準(zhǔn)值值除以鋼筋材材料分項系數(shù)數(shù)γs，按不同鋼筋筋種類，分別別取γs=1.10~1.20。鋼筋的強度設(shè)設(shè)計值見附表表4、附表5。3.1.2鋼筋的種類我國《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)設(shè)計規(guī)范》中推薦的鋼筋筋由碳素結(jié)構(gòu)構(gòu)鋼和普通低低合金鋼制成成。我國常用的鋼鋼筋品種有以以下幾類（見圖3.6）：1.熱軋鋼筋2.冷加工鋼筋3.熱處理鋼筋4.鋼絲5.鋼絞線圖3.6常用鋼筋形式式（1）有較高的強度度和適宜的屈屈強比。（2）塑性。要求有有良好的塑性性，使結(jié)構(gòu)構(gòu)構(gòu)件在破壞前前有明顯的預(yù)預(yù)兆。（3）鋼筋與混凝土土之間有良好好的粘結(jié)力。。（4）具有良好的可可焊性。（5）在寒冷地區(qū)，，鋼筋的低溫溫性能也要符符合一定要求求，不宜采用用冷加工鋼筋筋，以免發(fā)生生脆性破壞。。3.1.3鋼筋的選用3.1.3.1混凝土結(jié)構(gòu)對對鋼筋性能的的要求鋼筋混凝土結(jié)結(jié)構(gòu)及預(yù)應(yīng)力力混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)的鋼筋，應(yīng)應(yīng)按下列規(guī)定定采用：（1）普通鋼筋宜采采用HRB400級和HRB335級鋼筋，也可可采用HPB235級和RRB400級鋼筋；（2）預(yù)應(yīng)力鋼筋宜宜采用預(yù)應(yīng)力力鋼絞線、鋼鋼絲，也可采采用熱處理鋼鋼筋。具體工程中，，現(xiàn)澆樓板的的鋼筋和梁柱柱的箍筋多采采用HPB235級鋼筋；梁柱柱的受力筋多多采用HRB335、HRB400和RRB400級鋼筋；尺寸寸較大的構(gòu)件件有時也采用用HRB335級鋼筋作箍筋筋。3.1.3.2鋼筋的選用3.2混凝土混凝土是由水泥、水水、粗骨料（（碎石、卵石石）、細(xì)骨料料砂等材料按按一定配合比比，經(jīng)混合攪攪拌，入模澆澆搗并養(yǎng)護硬硬化后形成的的人工石材。。影響混凝土的的強度和變形形的主要因素素有：原材料的性能能；各組成成成分的比例，，尤其是水灰灰比的大??；；施工方法（（攪拌程度、、澆搗的密實實性、對混凝凝土的養(yǎng)護方方法）等?；炷恋幕颈緩姸戎笜?biāo)有有立方體抗壓強強度、軸心抗壓強度度和軸心抗拉強度度三種。3.2.1混凝土的強度度強度是指結(jié)構(gòu)材料料所能承受的的某種極限應(yīng)應(yīng)力。混凝土的強度度是靠水泥的的水化、硬化化獲得的。水水泥的水化硬硬化早期快、、后期慢，故故混凝土強度度的增長也是是早期快、后后期慢，但到到28d齡期時強度的的增長就不明明顯而趨于穩(wěn)穩(wěn)定。因此，，規(guī)范以28d齡期時混凝土土的強度為基基準(zhǔn)。1.混凝土強度等等級——立方體抗壓強強度fcu混凝土強度等等級應(yīng)按立方方體抗壓強度度標(biāo)準(zhǔn)值確定定。我國混凝凝土強度等級級的確定方法法是：用邊長長為150mm的立方體標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)試件，在標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)試驗條件件下養(yǎng)護28d，并用標(biāo)準(zhǔn)試試驗方法（C30以下的加載速速度控制在0.3~0.5MPa/s范圍；C30以上的加載速速度控制在0.5~0.8MPa/s范圍。兩端不不涂潤滑劑））測得的具有有95%保證率的立方方體抗壓強度度，用符號fcuk表示。3.2.1.1混凝土的抗壓壓強度2.軸心抗壓強度度fc立方體抗壓強強度不能代表表混凝土在實實際構(gòu)件中的的受力狀態(tài)，，只是作為在在同一標(biāo)準(zhǔn)條條件下比較混混凝土強度水水平和品質(zhì)的的標(biāo)準(zhǔn)。試驗表明：用用高寬比為2~3的棱柱體測得得的抗壓強度度與以受壓為為主的混凝土土構(gòu)件中的混混凝土抗壓強強度基本一致致。因此，棱柱柱體的抗壓壓強度可以以作為以受受壓為主的的混凝土抗抗壓強度，，稱為軸心心抗壓強度度，用符號號fc表示?；炷恋目箍估阅芎芎懿??；炷恋目估瓘姸纫话惆阒挥锌箟簤簭姸鹊?/20~1/8，且不與抗抗壓強度成成正比。混混凝土軸心心抗拉強度度取棱柱體體（100mm×100mm×500mm，兩端埋有有鋼筋）的的抗拉極限限強度為軸軸心抗拉強強度。混凝凝土構(gòu)件的的開裂、變變形以及受受剪、受扭扭、受沖切切等承載力力均與抗拉拉強度有關(guān)關(guān)。根據(jù)試驗得得知，fcu、fc、ft三者之間的的關(guān)系是fcu＞fc＞ft。3.2.1.2混凝土的軸軸心抗拉強強度1.混凝土的強強度標(biāo)準(zhǔn)值值經(jīng)統(tǒng)計分析析，并考慮慮結(jié)構(gòu)中混混凝土強度度與試件強強度之間的的差異，《混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)設(shè)計規(guī)范范》給出了混凝凝土強度標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值，詳詳見附表6。2.混凝土的強強度設(shè)計值值混凝土強度度設(shè)計值為為混凝土強強度標(biāo)準(zhǔn)值值除以混凝凝土的材料料分項系數(shù)數(shù)γc，規(guī)范規(guī)定定γc=1.4，即fc=fck/γc，ft=ftk/γc。ft、fc見附表7。3.2.1.3混凝土的強強度計算指指標(biāo)3.2.2混凝土的變變形混凝土變形形有兩類：一類是荷載作用下下的受力變變形，包括括一次短期期加荷時的的變形、多多次重復(fù)加加荷時的變變形和長期期荷載作用用下的變形形；另一類是體積變形，，包括收縮縮、膨脹和和溫度變形形。1.混凝土在一一次短期加加荷時的應(yīng)應(yīng)力－應(yīng)變變關(guān)系混凝土在一一次短期加加荷時的應(yīng)應(yīng)力－應(yīng)變變關(guān)系可通通過對混凝凝土棱柱體體的受壓或或受拉試驗驗測定?；炷潦軌簤簳r典型的的應(yīng)力－應(yīng)應(yīng)變曲線如如圖3.7所示，不同同強度等級級混凝土的的應(yīng)力－應(yīng)應(yīng)變曲線如如圖3.8所示?；炷潦芾瓡r的應(yīng)力力－應(yīng)變曲曲線的形狀狀與受壓時時相似。對對應(yīng)于抗拉拉強度ft的應(yīng)變εct很小，計算算時可取εct=0.0015。3.2.2.1混凝土的彈彈性模量2.混凝土的彈彈性模量混凝土的應(yīng)應(yīng)力σ與其彈性應(yīng)應(yīng)變εce之比值稱為為混凝土的彈彈性模量，用符號Ec表示。根據(jù)據(jù)大量試驗驗結(jié)果，混混凝土規(guī)范范采用以下下公式計算算混凝土的的彈性模量量：混凝土的剪剪變模量是是指剪應(yīng)力力τ和剪應(yīng)變γ的比值，即即：混凝土受壓壓后除產(chǎn)生生瞬時壓應(yīng)應(yīng)變外，在在維持其外外力不變的的條件下（（即荷載長長期不變）），應(yīng)變隨隨時間繼續(xù)續(xù)增長的現(xiàn)現(xiàn)象，叫做做混凝土的徐徐變。如圖3.9所示為一施加的的初始壓力力為σ=0.5fc時的徐變與與時間的關(guān)關(guān)系?；炷恋男煨熳儗炷两Y(jié)構(gòu)構(gòu)構(gòu)件的受力力性能有重重要的影響響：它將使結(jié)構(gòu)構(gòu)構(gòu)件的變變形增加；；軸心受壓壓構(gòu)件中鋼鋼筋的應(yīng)力力增加而混混凝土的壓壓應(yīng)力減小小的應(yīng)力重重分布現(xiàn)象象產(chǎn)生；在在預(yù)應(yīng)力混混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)構(gòu)件中引引起預(yù)應(yīng)力力損失等。。3.2.2.2混凝土的徐徐變影響混凝土土徐變的主主要因素有有：（1）構(gòu)件中截面面上的應(yīng)力力愈大，徐徐變就愈大大；構(gòu)件承承載前，混混凝土的強強度越高，，徐變就越越小。（2）配合比、水水灰比越大大，徐變越越大；骨料料的級配愈愈好，含量量愈高，徐徐變愈小。。（3）構(gòu)件澆搗愈愈密實，養(yǎng)養(yǎng)護條件愈愈好，徐變變愈??；反反之，徐變變愈大。圖3.9混凝土的徐徐變曲線混凝土在空空氣中凝結(jié)結(jié)硬化時，，體積減小小的現(xiàn)象稱稱為收縮變形。其規(guī)律見圖3.10所示。收縮變形是是一種非受受力變形；；而徐變變變形只有在在受力達(dá)到到一定數(shù)值值并且持續(xù)續(xù)作用下才才產(chǎn)生。影響混凝土土收縮的主主要因素有有：（1）水泥用量愈愈多，水灰灰比愈大，，收縮愈大大。（2）高標(biāo)號水泥泥制成的混混凝土構(gòu)件件收縮大。。（3）骨料級配好好，含量高高，骨料的的彈性模量量大，收縮縮小。3.2.2.3混凝土的收收縮變形（4）養(yǎng)護條件好好，使用環(huán)環(huán)境濕度大大，收縮小小。（5）混凝土密實實度好，收收縮小。圖3.10混凝土的收收縮變形和其它許多多材料一樣樣，當(dāng)溫度度發(fā)生變化化時混凝土土的體積也也具有熱脹脹冷縮的性性質(zhì)?！痘炷两Y(jié)構(gòu)構(gòu)設(shè)計規(guī)范范》規(guī)定，當(dāng)溫溫度在0℃到100℃范圍內(nèi)時，，混凝土線線膨脹系數(shù)數(shù)αc可采用1×10-5/℃。溫度變形能能使混凝土土開裂，在在某些場合合應(yīng)認(rèn)真對對待。3.2.2.4溫度變形3.2.3混凝土的選選用《混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)設(shè)計規(guī)范范》規(guī)定：鋼筋混凝土土結(jié)構(gòu)的混混凝土強度度等級不應(yīng)應(yīng)低于C15；當(dāng)采用HRB335級鋼筋時，，混凝土強強度等級不不宜低于C20；當(dāng)采用HRB400和RRB400級鋼筋以及及承受重復(fù)復(fù)荷載的構(gòu)構(gòu)件，混凝凝土強度等等級不得低低于C20。預(yù)應(yīng)力混凝凝土結(jié)構(gòu)的的混凝土強強度等級不不應(yīng)低于C30；當(dāng)采用鋼鋼絞線、鋼鋼絲、熱處處理鋼筋作作預(yù)應(yīng)力筋筋時，混凝凝土強度等等級不宜低低于C40。3.3鋼筋與混凝凝土的相互互作用－粘粘結(jié)力粘結(jié)力是存在于鋼鋼筋與混凝凝土界面上上的作用力力。它反映映的是鋼筋筋與混凝土土交界面上上沿鋼筋縱縱向的抗剪剪能力。如圖3.11所示。產(chǎn)生粘結(jié)力力的主要因因素是：（1）混凝土收縮縮將鋼筋緊緊緊握固而而產(chǎn)生的摩摩擦力；（2）混凝土顆粒粒與鋼筋表表面產(chǎn)生的的化學(xué)粘合合力；（3）由于鋼筋表表面凹凸不不平與混凝凝土之間產(chǎn)產(chǎn)生的機械械咬合力。。3.3.1粘結(jié)力的概概念和作用用圖3.11鋼筋與混凝凝土之間的的粘結(jié)3.3.2粘結(jié)力的測測定粘結(jié)力的測測定一般采采用拔出試試驗方法，，如圖3.12所示。粘結(jié)強度fτ可由下式計計算根據(jù)拔出試試驗可知：：（1）粘結(jié)應(yīng)力按按曲線分布布，最大粘粘結(jié)應(yīng)力在在離開端部部的某一位位置出現(xiàn)，，且隨拔出出力的大小小而變；（2）鋼筋埋入長長度越長，，拔出力越越大，但埋埋入過長則則尾部的粘粘結(jié)力很小小，甚至為為零；（3）粘結(jié)強度隨隨混凝土強強度等級的的提高而增增大；（4）變形鋼筋的的粘結(jié)強度度比光面鋼鋼筋的大；；但若在光光面鋼筋末末端做彎鉤鉤，則拔出出力大大提提高。圖3.12鋼筋拔出試試驗中粘結(jié)結(jié)應(yīng)力分布布圖規(guī)范根據(jù)拔拔出試驗給給出受拉鋼鋼筋的基本本錨固長度度為其中，錨固固鋼筋的外外形系數(shù)按按表3.1取值。構(gòu)件中鋼筋筋的實際錨錨固長度，，應(yīng)根據(jù)鋼鋼筋的受力力情況、保保護層厚度度、鋼筋形形式等對粘粘結(jié)強度的的影響，采采用基本錨錨固長度乘乘以一定修修正系數(shù)。。3.3.3保證鋼筋和和混凝土之之間粘結(jié)力力的措施3.3.3.1縱向受拉鋼鋼筋的基本本錨固長度度表3.1錨固鋼筋的的外形系數(shù)數(shù)α鋼筋類型光面鋼筋帶肋鋼筋三面刻痕鋼絲螺旋肋鋼絲三股鋼絞線七股鋼絞線鋼筋外形系數(shù)α0.160.140.190.130.160.17