鋼筋與混凝土材料的力學(xué)性能

SUNMMARYOFBUILDING第三章

鋼筋和混凝

土材料的力學(xué)性能鋼筋第一節(jié)混凝土第二節(jié)鋼筋與混凝土的粘結(jié)第三節(jié)是在混凝土結(jié)構(gòu)中采用的最為廣泛的加勁材料，常為圓棒狀，簡(jiǎn)稱為鋼筋。柔性鋼筋按直徑大小可分為鋼筋與鋼絲。是指用于混凝土中的型鋼，包括角鋼、槽鋼、工字鋼等。1鋼筋的形式鋼筋的形式分為柔性鋼筋和勁性鋼筋兩類。第一節(jié)、鋼筋圖3-1鋼筋的類型第一節(jié)、鋼筋2鋼筋的成分、級(jí)別和品種普通低合金鋼（另加硅、錳、鈦、釩、鉻等）錳系硅釩系硅鈦系硅錳系硅鉻系20MnSi40Si2MnV45SiMnTi40Si2Mn45Si2Cr第一節(jié)、鋼筋2鋼筋的成分、級(jí)別和品種光圓鋼筋變形鋼筋有明顯屈服點(diǎn)鋼筋（“軟鋼”）無(wú)明顯屈服點(diǎn)鋼筋（“硬鋼”）普通鋼筋預(yù)應(yīng)力鋼筋第一節(jié)、鋼筋按加工方法鋼筋鋼絲熱軋鋼筋：由低碳鋼和普通低合金鋼在高溫狀態(tài)下軋制而成冷拉鋼筋：由熱軋鋼筋在常溫下用機(jī)械拉伸而成熱處理鋼筋：將HRB400、RRB400鋼筋通過(guò)加熱、淬火、回火而成碳素鋼絲：鋼筋通過(guò)多次冷拔、應(yīng)力消除、矯正、回火處理而成刻痕鋼絲：在鋼絲表面刻痕，以增強(qiáng)其與混凝土間的粘結(jié)力鋼絞線：幾根相同直徑的鋼絲成螺旋狀鉸繞在一起第一節(jié)、鋼筋第一節(jié)、鋼筋表1-1常用熱軋鋼筋的種類、代表符號(hào)和直徑范圍

注：第一個(gè)字母H（hotrolled）表示熱軋，R(Remainedheattreated)表示為余熱處理；第二個(gè)字母P(Plain)表示光圓，R(ribbed)表示帶肋；第三個(gè)字母B（Bar）代表鋼筋；數(shù)字表示標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度。

強(qiáng)度等級(jí)代號(hào)鋼種符號(hào)d/mmHPB235Q235（低碳鋼）6~20HRB33520MnSi（低合金鋼）6~50HRB40020MnSiV,20MnSiNb,20MnTi（低合金鋼）6~50RRB400K20MnSi（低合金鋼）8~40第一節(jié)、鋼筋HPB235為熱軋光面鋼筋，普通鋼筋，“軟鋼”HRB335和HRB400是熱軋變形鋼筋，普通鋼筋，“軟鋼”RRB400是余熱處理鋼筋，余熱處理鋼筋是將屈服強(qiáng)度相當(dāng)于HRB335的鋼筋在軋制后穿水冷卻，然后利用芯部的余熱對(duì)鋼筋表面的淬水硬殼回火處理而成的變形鋼筋。其性能接近于HRB400級(jí)鋼筋，但不如HRB400級(jí)鋼筋穩(wěn)定，應(yīng)用范圍受到限制。3鋼筋的強(qiáng)度與變形第一節(jié)、鋼筋

AB’BCDE0.2%

0.2標(biāo)距有明顯流幅的鋼筋無(wú)明顯流幅的鋼筋鋼筋受壓和受拉時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線幾乎相同第一節(jié)、鋼筋

AB’BCDE

有明顯流幅的鋼筋：在建立鋼筋混凝土構(gòu)件截面承載力計(jì)算理論時(shí)，以下屈服點(diǎn)對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度作為設(shè)計(jì)時(shí)鋼筋強(qiáng)度的取值（fy）。兩點(diǎn)簡(jiǎn)化：

A.鋼筋應(yīng)力不大于屈服點(diǎn)時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系-直服從胡克定律，處于理想彈性階段；B.不利用應(yīng)力強(qiáng)化階段，假設(shè)鋼筋混凝土構(gòu)件截面達(dá)到破壞時(shí)，鋼筋拉應(yīng)力保持為屈服點(diǎn)應(yīng)力。鋼筋的極限強(qiáng)度作為一種安全儲(chǔ)備。第一節(jié)、鋼筋0.2%

0.2*無(wú)明顯流幅的鋼筋：殘余應(yīng)變?yōu)?.2%時(shí)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力作為其強(qiáng)度限值，稱為條件屈服強(qiáng)度，混凝土規(guī)范取

0.2＝0.85

b，

b為極限抗拉強(qiáng)度。第一節(jié)、鋼筋規(guī)范模型εsu=0.014鋼筋應(yīng)力應(yīng)變曲線的數(shù)學(xué)模型描述完全彈塑性加硬化的三折線模型（適用于有屈服點(diǎn)的鋼筋）第一節(jié)、鋼筋描述彈塑性的雙斜線模型（適用于沒(méi)有明顯流幅鋼筋）第一節(jié)、鋼筋5鋼筋的疲勞4）鋼筋疲勞試驗(yàn)有兩種方法：一種是單根原狀鋼筋軸拉試驗(yàn)；另一種是將鋼筋埋入混凝土中使其重復(fù)受拉或受彎的試驗(yàn)。我國(guó)采用的是前一種方法。135241）鋼筋的疲勞：鋼筋在承受重復(fù)的、周期性的動(dòng)荷載作用下，經(jīng)過(guò)一定次數(shù)后，發(fā)生突然性斷裂的現(xiàn)象。2）鋼筋的疲勞強(qiáng)度：是指在某一規(guī)定的應(yīng)力幅度內(nèi)，經(jīng)過(guò)一定次數(shù)的循環(huán)荷載后（大約200萬(wàn)次）發(fā)生疲勞破壞的最大應(yīng)力值。3）鋼筋疲勞斷裂的原因：一般認(rèn)為是由于鋼筋內(nèi)部和外部的缺陷，在這些薄弱處容易引起應(yīng)力集中。應(yīng)力過(guò)高，鋼筋晶?；疲a(chǎn)生疲勞裂紋，從而造成疲勞斷裂。5）鋼筋疲勞強(qiáng)度的影響因素：應(yīng)力變化幅值、最小應(yīng)力值的大小、鋼筋外表面幾何尺寸與形狀、鋼筋的直徑、強(qiáng)度、加工和使用環(huán)境以及加載的頻率等。第一節(jié)、鋼筋5混凝土結(jié)構(gòu)對(duì)鋼筋性能的要求總之，鋼筋的品種繁多，性能各異。在選用鋼材時(shí)應(yīng)在保證結(jié)構(gòu)安全可靠的基礎(chǔ)上經(jīng)濟(jì)合理的選用鋼材，盡量節(jié)約鋼材，降低造價(jià)。足夠的塑性具有適當(dāng)?shù)那鼜?qiáng)比可焊性

低溫性能性與混凝土要有良好的粘結(jié)力第二節(jié)、混凝土1混凝土的強(qiáng)度《規(guī)范》規(guī)定以邊長(zhǎng)為150mm的立方體在20±3℃的溫度和相對(duì)濕度在90％以上的潮濕空氣中養(yǎng)護(hù)28d，依照標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法測(cè)得的具有95％保證率的抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(以N／mm2計(jì))作為混凝土的強(qiáng)度等級(jí)，并用符號(hào)fcu,k表示。fcu,k與平均值μf和標(biāo)準(zhǔn)差

f的關(guān)系為:

立方體抗壓強(qiáng)度:第二節(jié)、混凝土承壓板試塊摩擦力不涂潤(rùn)滑劑涂潤(rùn)滑劑強(qiáng)度大于我國(guó)規(guī)范的方法：不涂潤(rùn)滑劑壓力試件裂縫發(fā)展擴(kuò)張整個(gè)體系解體，喪失承載力另影響強(qiáng)度的因素還有：齡期、加載速率、試塊尺寸等第二節(jié)、混凝土標(biāo)準(zhǔn)試塊：150×150×150非標(biāo)準(zhǔn)試塊：100×100×100換算系數(shù)0.95200×200×200換算系數(shù)1.05立方體抗壓強(qiáng)度是區(qū)分混凝土強(qiáng)度等級(jí)的指標(biāo)，我國(guó)規(guī)范混凝土的強(qiáng)度等級(jí)有：C15，C20，C25，C30，C35，C40，C45，C50，C55，C60，C65，C70，C75，C80數(shù)字表示立方體抗壓強(qiáng)度C表示混凝土Concrete第二節(jié)、混凝土承壓板試塊標(biāo)準(zhǔn)試塊：150×150×300mm

試驗(yàn)量測(cè)到fck值比f(wàn)cu,k值小，并且棱柱體試件高寬比(即h/b)越大，它的強(qiáng)度越小。2棱柱體抗壓強(qiáng)度

抗壓強(qiáng)度與試件形狀有關(guān)，實(shí)際構(gòu)件往往不是立方體，而是棱柱體，可以用棱柱體測(cè)得的抗壓強(qiáng)度作為軸心抗壓強(qiáng)度，又稱為棱柱體抗壓強(qiáng)度。受壓時(shí)試件中部橫向變形不受端部摩擦力的約束，代表了混凝土處于單向全截面均勻受壓的應(yīng)力狀態(tài)，比立方體試件能更好地反映混凝土的實(shí)際抗壓能力。第二節(jié)、混凝土

軸心抗壓強(qiáng)度(棱柱體強(qiáng)度)標(biāo)準(zhǔn)值fck與立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fcu,k之間存在以下折算關(guān)系0.88——考慮結(jié)構(gòu)中的混凝土強(qiáng)度與試塊混凝土強(qiáng)度之間的差異等因素的修正系數(shù)。第二節(jié)、混凝土3混凝土軸心抗拉強(qiáng)度f(wàn)t100100150150500

試驗(yàn)機(jī)夾緊兩端伸出的鋼筋，對(duì)試件施加拉力，破壞時(shí)裂縫產(chǎn)生在試件的中部，此時(shí)的平均破壞應(yīng)力為軸心抗拉強(qiáng)度f(wàn)t。

由于混凝土構(gòu)件內(nèi)部的不均勻性，加之安裝試件偏差的原因，通過(guò)直接受拉試驗(yàn)測(cè)量抗拉強(qiáng)度是很困難的，試驗(yàn)數(shù)據(jù)離散性很大。第二節(jié)、混凝土劈裂試驗(yàn)ft,sddftsFFFF試件中間垂直截面除加力點(diǎn)附近很小的范圍外，有均勻分布的水平拉應(yīng)力。當(dāng)拉應(yīng)力達(dá)到混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，試件被劈成兩半。根據(jù)彈性理論第二節(jié)、混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值ftk與立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fcu,k之間的折算關(guān)系為0.88——考慮結(jié)構(gòu)中的混凝土強(qiáng)度與試塊混凝上強(qiáng)度之間的差異等因素的修正系數(shù)。(1-1.645δ)0.45反映了試驗(yàn)離散程度對(duì)標(biāo)準(zhǔn)值保證率的影響。第二節(jié)、混凝土混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fc和抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值ft與其對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)值的關(guān)系為

式中γc——混凝土的材料分項(xiàng)系數(shù)，建筑工程取γc=1.40，公路橋涵工程取γc=1.45。

第二節(jié)、混凝土4復(fù)合受力狀態(tài)下混凝土的強(qiáng)度1.01.01.21.2-0.2-0.2

2/fc

1/fc拉壓雙向正應(yīng)力下的強(qiáng)度曲線①雙向受拉（第一象限），σ1與σ2的相互影響不大，雙向受拉強(qiáng)度均接近于單向受拉強(qiáng)度。②一向受拉，另一向受壓（第二、四象限），混凝土強(qiáng)度均低于單向拉伸或壓縮的強(qiáng)度，即雙向異號(hào)應(yīng)力使強(qiáng)度降低③雙向受壓（第三象限），一項(xiàng)強(qiáng)度隨另一項(xiàng)應(yīng)力的增加而增加。雙軸應(yīng)力下的強(qiáng)度第二節(jié)、混凝土①抗剪強(qiáng)度隨拉應(yīng)力的增大而減小；②混凝土的抗壓強(qiáng)度由于剪應(yīng)力的存在而降低。③σ/fc<0.5~0.7時(shí)，抗剪強(qiáng)度隨著壓應(yīng)力的增大而增大；但在σ/fc＞0.5～0.7時(shí)，由于內(nèi)裂縫明顯發(fā)展，抗剪強(qiáng)度反而隨壓應(yīng)力的增大而減小平面法向應(yīng)力和剪應(yīng)力的組合強(qiáng)度法向應(yīng)力和剪應(yīng)力下的強(qiáng)度曲線第二節(jié)、混凝土三向受壓強(qiáng)度

3=fcc’

3=fcc’

1=

2=fLfL----側(cè)向約束壓應(yīng)力（加液壓）圓柱體試驗(yàn)混凝土一向抗壓強(qiáng)度隨另兩向側(cè)壓力的增加而提高。有側(cè)向約束時(shí)的軸心抗壓強(qiáng)度側(cè)向壓力第二節(jié)、混凝土

對(duì)于縱向受壓的混凝土，如果約束混凝土的側(cè)向變形，也可使混凝土的抗壓強(qiáng)度有較大提高。如采用鋼管混凝土柱、螺旋鋼箍柱等能有效約束混凝土的側(cè)向變形使混凝土的抗壓強(qiáng)度、延性(承受變形的能力)有相應(yīng)的提高。

第二節(jié)、混凝土2混凝土的變形混凝土的變形受力變形一次短期加載下的變形多次重復(fù)荷載作用下的變形荷載長(zhǎng)期作用下的變形非受力變形硬化過(guò)程中的收縮變形溫濕度變化引起的變形第二節(jié)、混凝土受壓時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系①一次短期加載下的變形棱柱體試塊第二節(jié)、混凝土①0~A:第I階段(彈性階段）(σ=0.3～0.4fck)，混凝土的變形主要是骨料和水泥結(jié)晶體的彈性變形，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系接近直線。②A～B:第II階段(穩(wěn)定裂縫擴(kuò)展階段），臨界點(diǎn)B相對(duì)應(yīng)的應(yīng)力可作為長(zhǎng)期受壓強(qiáng)度的依據(jù)(一般取0.8fCk)③B~C：第III階段（裂縫快速發(fā)展階段），應(yīng)力達(dá)到的最高點(diǎn)為fck，與其相應(yīng)的應(yīng)變稱為峰值應(yīng)變?chǔ)?，平均取0.002。④在fck以后，裂縫迅速發(fā)展，試件的平均應(yīng)力強(qiáng)度下降；D后，曲線凸向水平方向發(fā)展，在曲線中曲率最大點(diǎn)E稱為“收斂點(diǎn)”，E點(diǎn)以后主裂縫已很寬。結(jié)構(gòu)內(nèi)聚力幾乎耗盡失去結(jié)構(gòu)的意義。第二節(jié)、混凝土

(MPa)fco

0

(

10-3)abcd225201510546810影響因素混凝土強(qiáng)度對(duì)下降段影響很大，強(qiáng)度越高，下降段越陡峭，延性越差。加載速度越大，下降段越陡峭。第二節(jié)、混凝土受壓時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的數(shù)學(xué)模型

u=0.0038

0=0.002o

cfc

c0.15fc美國(guó)Hognestad模型

u=0.0035

0=0.002o

cfc

c德國(guó)Rüsch模型第二節(jié)、混凝土中國(guó)規(guī)范

u

0o

cfc

c第二節(jié)、混凝土受拉時(shí)混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

t

to

t0

tu

ft理論模型第二節(jié)、混凝土混凝土的彈性模量原點(diǎn)切線模量（彈性模量）：拉壓相同變形模量（割線模量、彈塑性模量）切線模量彈性特征系數(shù)，與應(yīng)力值有關(guān)受壓時(shí)，為0.4~1.0；受拉ft時(shí)，為0.5是材料變形性能的主要指標(biāo)，在計(jì)算構(gòu)件變形、截面應(yīng)力和預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的預(yù)應(yīng)力損失等時(shí)用。

1

c

c

c

c

p

e

0第二節(jié)、混凝土混凝土彈性模量的試驗(yàn)方法

c/fc

c0.55~10次（150×150×300標(biāo)準(zhǔn)試件）取應(yīng)力上限為0.5fc重復(fù)加載5～10次。試驗(yàn)結(jié)果回歸第二節(jié)、混凝土混凝土的泊松比和剪切模量混凝土的剪變模量為第二節(jié)、混凝土破壞重復(fù)荷載下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線fcf

3

2

1

fcf的確定原則：100×100×300或150×150×450的棱柱體試塊承受200萬(wàn)次（或以上）循環(huán)荷載時(shí)發(fā)生破壞的最大壓應(yīng)力值疲勞強(qiáng)度與重復(fù)作用時(shí)應(yīng)力變化的幅度有關(guān)，隨疲勞應(yīng)力比的增大而增大第二節(jié)、混凝土0.51.01.52.02.505101520253035(×10-3)(月)

cr

ela

ela’

ela’’

cr’P原因之一，膠凝體的粘性流動(dòng)原因之二，混凝土內(nèi)部微裂縫的不斷發(fā)展徐變：荷載保持不變，隨時(shí)間而增長(zhǎng)的變形第二節(jié)、混凝土應(yīng)力：

c<0.5fc，徐變變形與應(yīng)力成正比----線性徐變0.5fc<

c<0.8fc，非線性徐變

c>0.8fc，造成混凝土破壞，不穩(wěn)定0.51.01.52.02.505101520253035(×10-3)(月)

cr

ela

e’

e’’

cr’0.5fc<c<0.8fc，非線性徐變

c<0.5fc，線性徐變影響徐變的因素：加荷時(shí)混凝土的齡期，越早，徐變?cè)酱笏嘤昧吭蕉?，水灰比越大，徐變?cè)酱蠊橇显接?，徐變?cè)叫。粯?gòu)件尺寸越小，徐變?cè)酱箴B(yǎng)護(hù)溫度越高、濕度越大，水化越充分，徐變?cè)叫∈芎珊鬁囟仍礁?、濕度越低，徐變?cè)酱蟮诙?jié)、混凝土混凝土的收縮產(chǎn)生的變形，----在空氣中結(jié)硬時(shí)混凝土體積縮小的性質(zhì)干燥失水是引起收縮的重要因素：水泥品種：等級(jí)越高，收縮越大；水泥用量：水泥用量越多，水灰比越大，收縮越大；骨料：骨料越硬，收縮越小；骨料粒徑越大，收縮越小；養(yǎng)護(hù)條件、制作方法、使用環(huán)境、體積與表面積的比值等。第二節(jié)、混凝土混凝土的溫度變化產(chǎn)生的變形

當(dāng)溫度變化時(shí)，混凝土的體積有熱脹冷縮的性質(zhì)。當(dāng)溫度變形受到外界的約束而不能自由發(fā)生時(shí)，將在構(gòu)件內(nèi)產(chǎn)生溫度應(yīng)力。在大體積混凝土中，由于混凝土表面較內(nèi)部的收縮量大，再加上水泥水化熱使混凝土的內(nèi)部溫度比表面溫度高，如果把內(nèi)部混凝土視為相對(duì)不變形體，它將對(duì)試圖縮小體積的表面混凝土形成約束，在表面混凝土形成拉應(yīng)力，如果內(nèi)外變形差較大，將會(huì)造成表層混凝土開(kāi)裂。第三節(jié)、鋼筋與混凝土的粘結(jié)1.粘結(jié)力的概念及作用當(dāng)鋼筋與混凝土之間產(chǎn)生相對(duì)變形（滑移），在鋼筋和混凝土的交界面上產(chǎn)生沿鋼筋軸線方向的相互作用力，此作用力稱為粘結(jié)力。定義：鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)是這兩種材料共同工作的保證，通過(guò)粘結(jié)應(yīng)力，可以實(shí)現(xiàn)鋼筋與混凝土之間的應(yīng)力傳遞，從而使兩種材料能共同承受外力、共同變形、抵抗相互間的滑移。作用：第三節(jié)、鋼筋與混凝土的粘結(jié)2.粘結(jié)力的組成①化學(xué)膠結(jié)力——鋼筋與混凝土接觸面上的化學(xué)吸附作用力（一般很小，一旦產(chǎn)生相對(duì)滑移即消失）。組成：②摩擦力——混凝土收縮后將鋼筋緊握產(chǎn)生的摩擦力，鋼筋表面越粗糙，摩擦力越大。（鋼筋表面