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1、2 钢筋混凝土材料的力学性能,本章主要内容,钢筋 混凝土 钢筋与混凝土共同作用,土木工程用钢筋的品种、级别、性能及其选用原则；,混凝土在各种受力状态下的强度与变形性能及其选用原则,1.1 钢 筋,一、钢筋的分类,二、钢筋的品种,三、钢筋的钢筋的强度和变形,四、钢筋的冷加工,五、钢筋的选用,一. 钢筋的分类,按直径分 ：钢丝（d6mm)、钢筋（ d 6mm） 按表面形状分 ：光圆钢筋（I级钢和光圆钢丝）、变形钢筋（II级） 按加工方法分 ：热轧钢筋 、热处理钢筋、冷加工钢筋（冷轧、冷拉、冷拔） 按力学特性分 ：软钢、硬钢 按组成形式分：单根钢筋（丝）、钢绞线,二. 钢筋的品种 热轧钢筋、高强钢丝
2、、钢绞线、热处理钢筋和冷加工钢筋,1. 热轧钢筋,将碳素钢和普通低合金钢在高温下轧制而成。分为：,1、HPB235(R235)：（光圆）235指该种钢筋的屈服强度标准值。fyk=235M/mm2；（建筑结构已不适用、桥梁结构为箍筋）,2、HRB335：fyk=335N/mm2；带肋筋为桥梁结构仍主要受力筋；建筑结构采用此光圆钢筋作箍筋,3、 HRB400(细晶粒热轧带肋钢筋) ：fyk=400N/mm2；建筑结构推广使用的受力筋，桥梁结构使用很少,4、RRB400(余热处理钢筋)： fyk=400N/mm2；余热可提高强度，但延性、可焊性等有所降低，应用于对变形要求不高的构件，如大体积混凝土等
3、,符号表示 R235（HPB235） ，d = 820mm， HRB335 ,d = 650mm HRB400 , d = 650mm RRB400 R , d = 840mm HRB500 , d = 650mm,5、 HRB500(普通热轧带肋钢筋) ：fyk=500N/mm2；建筑结构推广使用的受力筋，桥梁结构使用很少,2. 预应力钢筋,预应力钢筋的种类：高强钢丝、钢绞线和精轧螺纹钢3种，且高强钢丝和钢绞线均为没有明显屈服点的钢筋即硬钢。 可供货规格： 高强钢丝：4、5、6、7、8、9mm 精轧螺纹钢：18、25、32、40mm 钢绞线的股数：12、13和17,三、钢筋的强度和变形,钢筋
4、力学性能四项指标：,屈服强度； 极限强度； 伸长率； 冷弯性能。,（一）、热轧钢筋（HPB235、HRB335、HRB400、RRB400）,钢筋的受压性能在到达屈服强度之前与受拉时的应力应变规律相同，其屈服强度也与受拉时基本一样。 在达到屈服强度之后，由于试件发生明显的塑性压缩，截面积增大，因而难以给出明确的抗压极限强度。,受压 曲线,取具有95%的保证率的屈服强度值,强度标准值取值依据：,屈服强度下限值。,钢筋强度标准值fyk,2、强度取值,极限强度作为安全储备，是检验钢筋质量的另一强度指标。,3、伸长率、冷弯性能要求,弯心直径,冷弯角度,反映衡量钢筋塑性性能的一个指标，伸长率越大，塑性越
5、好,是检验钢筋塑性的另一种方法，可反映钢材脆化的倾向。将直径为d的钢筋浇过直径为D的钢辊弯成一定角度，而不发生断裂、裂缝或起层。,4、热轧钢筋 曲线的数学模型,A模型采用了两点简化 1、应力小于屈服点应力时为直线关系 2、不利用应力强化阶段。超过屈服应力点后处于流幅内。,（二）、钢丝、钢绞线,2）条件屈服强度0.2的定义：,相应于残余应变 = 0.2%时的应力,1）名义屈服点,1、受拉 曲线,伸长率：100=3.5%4%，很小, 0.2=0.85 b,强度标准值取值依据：,取条件屈服强度 0.2作为强度设计依据。,2、设计强度取值,3、伸长率、冷弯性能要求,规范取值,对弯曲半径和弯曲次数有要求
6、。,屈服强度、极限强度、伸长率和冷弯性能是对软钢进行质量检验的四项主要指标，而对无明显屈服点的钢筋，则只测后三项。应满足钢筋混凝土用热轧带肋钢筋GB1499、预应力混凝土用钢绞线GB/T5224等要求。,4、硬钢 曲线的数学模型,四.钢筋的冷加工和热处理,冷加工方法：冷拉、冷拔、冷轧和冷轧扭 钢筋冷加工后的力学性能变化：强度提高、塑性降低 钢筋的冷加工均以热轧钢筋为母材。,冷拉,无时效,经时效,特性：只提高抗拉强度，不提高抗压强度，强度提高，塑性下降,冷拔,经过冷拔后钢筋没有明显的屈服点和流幅,冷拔既能提高抗拉强度又能提高抗压强度,热处理,对特定钢号的钢筋进行淬火和回火处理,强度提高，塑性降低
7、,不降低强度的前提下，消除由淬火产生的内力，改善塑性和韧性,五.钢筋的选用,混凝土结构对钢筋性能的要求：强度高、塑性好、可焊性好、与混凝土的粘结锚固性能好。 普通钢筋：钢筋混凝土及预应力混凝土构件中的普通钢筋宜选用热轧R235、HRB335、HRB400钢筋，预应力混凝土构件中的箍筋应选用带肋钢筋。 预应力钢筋：应选用高强钢丝、钢绞线，中、小型构件或横、竖向预应力筋，可选用精轧螺纹钢筋。,1.2 混凝土,一、混凝土的组成,二、单轴受力下混凝土的强度,三、荷载作用下混凝土的变形性能,一. 混凝土的组成,混凝土是用水泥、集料和水按一定配合比配合经振捣、凝固而形成的人造石材. 混凝土为非匀质、非连续
8、、非单一的材料并表现出非线性、非弹性的力学性能. 混凝土强度和变形与时间有明显的关系.,二.单轴受力下混凝土的强度,混凝土结构中，主要是利用混凝土的抗压强度，因此抗压强度是混凝土力学性能中最主要和最基本的力学指标。 1. 混凝土的强度等级fcuk 确定依据：混凝土的强度等级是根据边长150mm的混凝土立方体试块的抗压强度来标准值确定。 强度等级的定义 边长150mm立方体标准试件，在标准养护条件下（养护温度203，相对湿度95%）养护28天，用标准试验方法（加载速率0.150.3N/mm2/sec，两端不涂润滑剂）测得的具有95%保证率的立方体抗压强度，记为fcu,k， fcu,k与平均值f
9、和标准差f的关系为： fcu,k f 1.645 f,混凝土立方体抗压强度试验录像,规范规定的强度等级划分 C15、C20、C25、 C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75和C80，即从C15C80共划分为14个强度等级，级差为5N/mm2。（铁路规范无C15） C50的意义 C50中的C表示混凝土，50表示混凝土的强度等级fcu,k50N/mm2=50MPa. 普通强度混凝土和高强混凝土的界限 C50及以下为普通强度混凝土； C50以上为高强混凝土。,RC构件对混凝土强度等级的要求： HPB235钢筋： 混凝土等级不低于C15 HRB335钢筋： 混凝
10、土等级不低于C20 HRB400、RRB400钢筋：混凝土等级不低于C20 预应力构件钢筋：混凝土等级不低于C30 采用钢丝、热处理筋作预应筋：混凝土等级不低于 C40,尺寸效应 立方体试块尺寸愈小，则试验测出的混凝土抗压强度愈高。其统计关系为： fcu,150=0.95fcu,100 fcu,150=1.05fcu,200,可能原因：初始缺陷、试块端部与承压 板间的摩擦影响。 尺寸效应系数还与混凝土强度有关,如100mm立方体强度与标准立方体强度之间的换算关系: fcu,150=k fcu,100 小于C50的混凝土，修正系数k =0.95。随混凝土强度的提高，k 值有所降低。当fcu,10
11、0=100N/mm2时，换算系数k 约为0.9。,圆柱体抗压强度fc 美国、日本、加拿大等国家，采用圆柱体（直径150mm， 高300 mm）标准试件测定的抗压强度来划分强度等级， 符号记为 fc。 圆柱体强度与我国标准立方体抗压强度的换算关系： fc0.83 fcu,150， fcu,1501.2 fc,2. 轴心抗压强度标准值 fc,轴心抗压强度采用棱柱体试件测定，用符号fc 表示，它比 较接近实际构件中混凝土的受压情况。 试件高宽比的影响。 当h/b2时，h/b对混凝土强度的影响较小，因此可取h/b=2 或3。 标准试件 棱柱体试件高宽比一般为h/b=23，我国通常取 150mm150m
12、m300mm 和150150450的棱柱体试件。,混凝土轴心抗压强度试验录像,强度换算 对于同一混凝土，棱柱体抗压强度小于立方体抗压强度。棱柱体抗压强度和立方体抗压强度的换算关系： 规范对小于C50级的混凝土取 =0.76，对C80取 =0.82，其间按线性插值。 对小于C40级的混凝土取 =1.0，对C80取 =0.87，其间按线性插值。,3. 混凝土轴心抗拉强度 ft,混凝土轴心抗拉强度也是其基本力学性能， 用符号 ft 表示。混凝土构件开裂、裂缝、变 形，以及受剪、受扭、受冲切等的承载力均 与抗拉强度有关。 轴拉试验标准试件,混凝土轴心抗拉强度试验录像,劈裂试验 由于轴心受拉试验对中困难
13、，也常常采用立方体或圆柱体劈拉试验测定混凝土的抗拉强度,4.混凝土强度的标准值,三、荷载作用下混凝土的变形性能,混凝土的变形,（一）单轴（单调）受压应力-应变关系,标准棱柱体短时加载试验,试验录像,Hognestad 建议的应力-应变曲线,Rush 建议的应力-应变曲线,混凝土结构规范应力-应变关系,上升段：,下降段：,2. 混凝土的弹性模量,原点切线模量,割线模量(铁路规范采用),瞬时切线模量,弹性系数n 随应力增大而减小： n =10.5,弹性模量测定方法（混凝土结构设计规范）,（二）复合受力状态下混凝土的强度,混凝土构件单向受力并不多见，多处于复合受力。,双向正应力下的强度曲线,双轴应力
14、下的强度,双向受拉（第一象限） 1、 2 影响不大； 双向受压（第三象限）一个方向砼强度随另一个方向压应力增大而提高； 一向受压、一向受拉（二、四象限），两个方向强度低于单轴受拉或单轴受压的砼强度。,三向受压时的混凝土强度,轴向受压圆柱体，如果侧向受到均匀压力，抗压强度将有较大提高,有侧向约束时的抗压强度,无侧向约束时圆柱体的单轴抗压强度,柱的周围布置螺旋筋，约束砼侧向变形，可提高承载力。,（三） 混凝土的收缩和徐变,1. 混凝土的收缩 混凝土在空气中硬化时体积会缩小，这种现象称为混凝土的收缩。 收缩是混凝土在不受外力情况下体积变化产生的变形。即收缩是一种物理变形而非受力变形。 当这种自发的变
15、形受到外部（支座）或内部（钢筋）的约束时，将使混凝土中产生拉应力，甚至引起混凝土的开裂。混凝土收缩会使预应力混凝土构件产生预应力损失。,混凝土的收缩是随时间而增长的变形，早期收缩变形发展较快，两周可完成全部收缩的25%，一个月可完成50%，以后变形发展逐渐减慢，整个收缩过程可延续两年以上。 一般情况下，最终收缩应变值约为(25)10-4 混凝土开裂应变为(0.52.7)10-4,2.混凝土的徐变 混凝土在荷载的长期作用下，其变形随时间增长而不断增长, 这种现象称为混凝土的徐变。混凝土徐变是一种受力变形。 徐变对结构的影响 使结构（构件）的（挠度）变形增大； 引起预应力损失； 在长期高应力作用下
16、，甚至会导致破坏； 在结构内产生内（应）力重分布。,在应力（0.5fc）作用瞬间，首先产生瞬时弹性应变eel（= si/Ec(t0)，t0加荷时的龄期）。 随荷载作用时间的延续，变形不断增长，前4个月徐变增长较快，6个月可达最终徐变的（7080）%，以后增长逐渐缓慢，23年后趋于稳定。,记(t-t0)时间后的总应变为e c(t,t0)，此时混凝土的收缩应变为esh(t，t0)，则徐变为， ecr (t,t0) = ec(t,t0)- e c(t0)- esh(t,t0)= ec(t,t0)- eel- esh(t,t0),如在时间t 卸载，则会产生瞬时弹性恢复应变eel。由于混凝土弹性模量随时
17、间增大，故弹性恢复应变eel小于加载时的瞬时弹性应变 eel。再经过一段时间后，还有一部分应变eel可以恢复，称为弹性后效或徐变恢复，但仍有不可恢复的残留永久应变ecr,徐变系数j (t，t0),当初始应力小于0.5fc时，徐变在2年以后可趋于稳定，最终的徐变系数j =24。,1.3 钢筋与混凝土 之间的共同工作,钢筋和混凝土两种性能不同 的材料能共同工作的先决条件,钢筋与混凝土之间有可靠的粘结强度； 钢筋与混凝土之间有相近的线膨胀系数； 混凝土对钢筋有良好的保护作用,1.1 粘结的意义,若梁中的钢筋与混凝土没有粘结（图 (a)），则在荷载作用下，钢筋不受力，该梁如同素混凝土梁。 若梁中的钢筋
18、仅设置机械锚固（图 (b)），则钢筋应力沿全长相等，其受力犹如二铰拱，不是梁的受力状态。 结论：只有梁中的钢筋沿全长与混凝土有可靠的粘结，并在端部有可靠的锚固，才符合梁的受力特点,钢筋与混凝土之间的粘结性能是钢筋混凝土构件必不可少的第三个材料性能，是配筋构造的基础。,拔出试验,半梁试验,一般用拔出试验测出钢筋与混凝土间的平均粘结强度,钢筋直径,埋置长度,拔出拉力,1.2 粘结试验,混凝土强度 强度等级越高。粘结强度越高，大体与砼抗拉强度成正比。 钢筋表面和外形特征 带肋钢筋的粘结强度比光面钢筋高出12倍。带肋钢筋的肋高随钢筋直径增大相对变矮，所以粘结强度下降。 保护层厚度和钢筋净间距 试验表明
19、：混凝土保护层厚度对光面钢筋的粘结强度没有明显影响，但对带肋钢筋的影响却十分明显。当保护层厚度c/d56(c为保护层厚度，d为钢筋直径)，带肋钢筋不会发生劈裂粘结破坏。 保持一定的钢筋间距，可以提高钢筋周围混凝土的抗劈裂能力。 横向配筋 横向钢筋的存在限制了径向裂缝的发展，使粘结强度得到提高。,1.2 影响粘结强度的主要因素,1.2 保证粘结力的措施：,保证锚固长度和搭接长度；, 保证钢筋周围的混凝土有足够的厚度；(保护层厚度及钢筋净距),光圆筋在端部做成弯钩。,混凝土强度等级不宜太低,受力较大钢筋采用变形钢筋,接头部位、锚固区箍筋加密,2. 两者具有相近的温度线膨胀系数,钢：1.210-5/oC， 砼：1.01.410-5/oC 因此当温度变化时，二者间不会产生较大的相对变形，使粘结力遭到破坏。,3 砼对钢筋的保护作用,使得钢筋的耐久、耐火性均得到极大提高,3.2 砼结构的环境类别,混凝土的耐久性根据环境类别和设计使用年限决定。,