钢筋和混凝土材料的力学性能

1、.°. °. °. °. ° 装 订 线 °. °. °. °. °。装 订 线 。 西安思源学院教案首页授课时间2009年9月17日2009年9月18日年 月 日授课班级2008级建工统招162008级建工统招7、8授课类型讲授目的要求掌握单向受压作用下混凝土的强度指标的确定及性质熟悉复合应力作用下混凝土的强度的性质重 点难 点单轴应力作用下混凝土的强度指标的确定方法及性质教 学媒 体授课内容1、上节重点回顾 （10） 1）钢筋与混凝土的受力性能2）配筋的作用3）钢筋混凝土能够结合在一起共同工

2、作的原因2、混凝土的抗压强度 1）立方体抗压强度 立方体抗压强度是确定混凝土强度等级的标准 （10） 试验方法对混凝土的f cu 有的影响 （10） 2）轴心抗压强度 是混凝土构件承载力计算的基本指标 （5） 测定方法 （10） 3、混凝土的抗拉强度 1）混凝土抗拉强度时混凝土的基本力学指标之一 （5）2）试验方法 （15）4、混凝土在复合应力作用下的强度 1）混凝土的双向受力强度 （20）2）混凝土在法向应力和剪应力的作用下的复合强度 （10）3）混凝土的三向受压强度 （10）时间分配作 业阅读参考书教研室主任审批: 年 月 日 签名: 课程名称 混凝土与砌体结构 第一章 1 节 授课教师

3、秦 艳 第1课时 混凝土的强度指标上节回顾：1、和学生一块回顾钢筋和混凝土的受力特点；2、和学生一块回顾素混凝土中配钢筋的作用;3、请学生回答：钢筋和混凝土结合在一起共同工作的原因？在实际工程中，单向受力构件是极少见的，一般均处于复合应力状态，复合应力作用下混凝土的强度应引起足够的重视。研究复合应力作用下混凝土的强度必须以单向应力作用下的强度为基础，复合应力作用下混凝土的强度实验需要复杂的设备，理论分析也较难，还处以研究之中。因此，单向受力状态下混凝土的强度指标就很重要，它是结构构件分析、建立强度理论公式的重要依据。混凝土的强度以水泥标号、水灰比、骨料品种、混凝土配合比、硬化条件和龄期等有很大

4、关系。在实验室还因试件的尺寸及形状、试验方法和加载时间的不同，所测得的强度也不同。一、混凝土的抗压强度 1、立方体抗压强度（f cu） 1）立方体抗压强度是确定混凝土强度等级的标准规范规定以边长为 150mm 的立方体在 20±3的温度和相对湿度在90%以上的潮湿空气中养护28天，依照标准试验方法测得的具有 95%保证率的抗压强度（以 N/mm 计）作为混凝土的立方体抗压强度，并用符号f cu 表示。根据立方体抗压强度的不同将混凝土强度分为：C15 C20 C25 C30 C35 C40 C45 C50 C55 C60 C65C70 C75 C80十四个级别。2）试验方法对混凝土的f

5、 cu 有的影响A、试验机对试件的影响试件在试验机上受压时，纵向要压缩，横向要膨胀，由于混凝土与压力机垫板弹性模量与横向变形的差异，压力机垫板的横向变形明显小于混凝土的横向变形。当试件承压接触面上不涂润滑剂时，混凝土的横向变形受到摩擦力的约束，形成“箍套”的作用。在“箍套”的作用下，试件与垫板的接触面局部混凝土处于三向受压应力状态。 试件破坏时形成两个对顶的角锥形破坏面,如图1.1（a）所示。如果在试件承压面上涂一些润滑剂，这时试件与压力机垫板间的摩擦力大大减小， 试件沿着力的作用方向平行地产生几条裂缝而破坏，所测得的抗压极限强度较低，如图 1.1(b)所示。规范规定的标准试验方法是不加润滑剂

6、。 图1.1 混凝土立方体的破坏情况 B、试件尺寸实验结果证明，立方体尺寸愈小则试验测出的抗压强度愈高，这个现象称为尺寸效应。对此现象有多种不同的分析原因和理论解释，但还没有得出一致的结论。一种观点认为是材料自身的原因，认为试件内部缺陷（裂纹）的分布，粗、细粒径的大小和分布，材料内摩擦角的不同和分布，试件表面与内部硬化程度有差异等因素有关。另一种观点认为是试验方法的原因,认为试块受压面与试验机之间摩擦力分布(四周较大,中央较小)、试验机垫板刚度有关。 过去我国曾长期采用以 200mm 边长的立方体作为标准试件。在试验研究也采用 100mm 的立方体试件。用这两种尺寸试件测得的强度与用 150m

7、m 立方体标准试件测得的强度有一定差距，这归结于尺寸效应的影响。所以非标准试件强度应乘以一个换算系数后，就可变成标准试件强度f cu 。根据大量实测数据，规范规定，如采用 200mm 或100mm 的立方体试块时，其换算系数分别取 1.05和 0.95。 C、加载速度 混凝土的抗试验时加载速度对立方体抗压强度也有影响，加载速度越快，测的的强度越高。通常规定加载速度：混凝土的强度等级低于C30时，取每秒钟 0.30.5N/mm2 ; 混凝土的强度等级高于或等于C30 时; 取每秒钟 0.50.8N/mm 。 D、试验时混凝土的龄期随着试验时混凝土的龄期增长，混凝土的极限抗压强度逐渐增大，开始时强

8、度增长速度较快，然后逐渐减缓，这个强度增长的过程往往要延续几年，在潮湿环境中延续的增长时间更长。如图1.2所示 图1.2混凝土强度随龄期增长的曲线实线在潮湿环境 虚线在干燥环境2、轴心抗压强度（f c） 1）是混凝土构件承载力计算的基本指标由于实际结构和构件往往不是立方体，而是棱柱体，所以用棱柱体试件比立方体试件能更好地反映混凝土的实际抗压能力。试验证实，轴心抗压钢筋混凝土短柱中的混凝土抗压强度基本上和棱柱体抗压强度相同。可以用棱柱体测得的抗压强度作为轴心抗压强度，又称为棱柱体心抗压强度标准值，棱柱体的抗压试验及试件破坏情况如图 1.3所示。 图1.3混凝土棱柱体抗压试验 棱柱体试件是在与立方

9、体试件相同的条件下制作的，试件承压面不涂润滑剂且高度比立方体试件高，因而受压时试件中部横向变形不受端部摩擦力的约束，代表了混凝土处于单项 全截面均匀受压的应力状态。试验量测到f c值比f cu 值小，并且棱柱体试件高宽比（即 h/b）越大，它的强度越小。2） 我国采用 150mm×150mm×300mm 棱柱体作为轴心抗压强度的标准试件,如确有必要，也可采用非标准试件，但要考虑换算系数的问题。 考虑到实际结构构件制作、养护和受力情况，实际构件强度与试件强度之间存在差异，规范基于安全取偏低值，规定轴心抗压强度标准值和立方体抗压强度标准值的换算关系为： c1为棱柱体强度与立方体

10、强度之比，对不大于C50级的混凝土取0.76，对C80取0.82，其间按线性插值。 c为高强混凝土的脆性折减系数，对C40取1.0，对C80取0.87，中间按直线规律变化取值。0.88为考虑实际构件与试件混凝土强度之间的差异而取用的折减系数。 二、混凝土的抗拉强度f t1、混凝土抗拉强度时混凝土的基本力学指标之一混凝土的抗拉强度f t比抗压强度低得多，一般只有抗压强度的 5%10%，f cu 越大f t 值越小，混凝土的抗拉强度取决于水泥石的强度和水泥石与骨料的粘接强度。采用表面粗糙的骨料及较好的养护条件可提高f t 。轴心抗拉强度是混凝土的基本力学性能，也可间接地衡量混凝土的其它力学性能，如

11、混凝土的抗冲切强度。2、试验方法（a）轴心受拉试验 （b）劈裂受拉试验图1.4轴心抗拉强度试验轴心抗拉强度可采用如图1.4 （a）的试验方法，试件尺寸为100mm ×100mm×500mm的柱体，两端埋有伸出长度为150 mm的变形钢筋（d=16mm）, 钢筋位于试件轴线上。试验机夹紧两端伸出的钢筋，对试件施加拉力，破坏时裂缝产生在试件的中部，时间的平均破坏应力为轴心抗拉强度f t。 在测定混凝土抗拉强度时，上述试验方法是相当困难的。故国内外多采用立方体或圆柱体劈拉试验测定混凝土的抗拉强度，如图1.4（b）所示。在立方体或圆柱体上的垫条施加一条压力线荷载，这样试件中间垂直截

12、面除加力点附近很小的范围外，有均匀分布的水平拉应力。当拉应力达到混凝土的抗拉强度时，试件被劈成两半。根据弹性理论， 劈裂抗拉强度ft可按下式计算： 式中： F破坏荷载； d圆柱直径或立方体边长 l圆柱体长度或立方体三、混凝土在复合应力作用下的强度 混凝土结构和构件通常受到轴力、弯矩、剪力和扭矩的不同组合作用，混凝土很少处于理想的单向受力状态，而更多的是处于双向或三向受力状态，分析混凝土在复合应力作用下的强度就很有必要。由于混凝土的特点，在复合应力作用下的强度至今尚未建立起完善的强度理论，目前仍只有借助有限的试验资料，推荐一些近似方法作为计算的依据。 1、混凝土的双向受力强度图 1.5为混凝土方

13、形薄板试件在双向受力试验结果。在板平面内受到法向应力1及2 的作用，另一方向法向应力为零。第一象限为双向受拉情况,无论应力比值1 /2 如何, 1、2影响不大，双向受拉强度均接近于单向受拉强度。第二、四象限为拉、压应力状态，在这种情况下，混凝土强度均低于单向拉伸或压缩的强度，即双向异号应力使强度降低，这一现象符合混凝土的破坏机理。在第三象限为双向受压区，最大受压强度发生在1/2 等于 2 或 0 .5 时，大致上一向的强度随另一向的压力增加而增加，混凝土双向受压强度比单相受压强度最多可提高 27%。图1.5混凝土双向受力强度2、混凝土在法向应力和剪应力的作用下的复合强度当混凝土受到剪力、扭矩引

14、起的剪应力和轴力引起的法向应力共同作用时，形成“拉剪”和“压剪”复合应力状态，图1.6 为混凝土法向应力与剪应力的关系曲线。从图中可以看出：抗剪强度随拉应力的增大而减小；随着压应力的增大，抗剪强度增大，但大约在/ f c 0.6 时，由于内裂缝的明显发展抗剪强度反而随压应力的增大而减小。从抗压强度的角度来分析，由于剪应力的存在，混凝土的抗压强度要低于单向抗压强度。图1.6混凝土的复合受力强度 3、混凝土的三向受压强度混凝土在三向受压的情况下，其最大主压应力方向的抗压强度，取决于侧向压应力的约束程度。图 1.7 所示为圆柱体三轴受压（侧向压应力均为3）的试验，随侧向压应力的增共同作用的复合强度加

15、，微裂缝的发展受到了极大的限制，大大地提高了混凝土纵向抗压强度，并时混凝土的变形性能接近理想的弹塑性体。试验（图1.7 ）给出的经验公式为： （a）三向受压 关系 （b） 和的关系；图1.7 圆柱体三向受压试验在纵向受压的混凝土，如约束混凝土的侧向变形，也可使混凝土的混凝土的抗压强度有较大提高。如采用钢管混凝土柱、螺旋钢箍柱等，能有效约束混凝土的侧向变形，使混凝土的抗压强度、延性（耐受变形的能力）有相应的提高。 °. °. °. °. ° 装 订 线 °. °. °. °. °。装 订 线 。

16、西安思源学院教案首页授课时间2009年9月18日2009年9月19日年 月 日授课班级2008级建工统招7、82008级建工统招16授课类型讲授目的要求掌握混凝土在一次短期加荷时的变形性能了解混凝土在重复荷载作用下的变形性能掌握长期荷载作用下的变形性能（徐变）熟悉混凝土的弹性模量 重 点难 点混凝土在一次短期加荷时的变形性能混凝土的弹性模量教 学媒 体多媒体授课内容1、上节内容回顾单向受力状态下混凝土的强度指标的作用及确定方法 （5）2、混凝土的受力变形 1）受压混凝土一次短期加荷的变形 （25） 混凝土的-曲线 受压混凝土的-曲线模型2）混凝土在荷载重复作用下的变形（疲劳变形） （15） 疲

17、劳强度 混凝土在重复荷载作用下的变形曲线3）混凝土在长期荷载作用下的变形 （25）徐变的定义影响因素4）混凝土的弹性模量、变形模量 （15）初始弹性模量 割线模量 实用弹性模量 变形模量3、混凝土的体积变形 （15） 1）收缩2）温度变形时间分配作 业阅读参考书教研室主任审批: 年 月 日 签名: 课程名称 混凝土与砌体结构 第一章 2节 授课教师 秦 艳第2课时 混凝土的变形性能上节回顾：提问：1）立方体抗压强度、轴心抗压强度、轴心抗拉强度的表示方法、换算及其作用？2）立方体抗压强度的测定要求？3）举例提问实验条件对立方体抗压强度的影响？混凝土的变形可以分为两类来研究：一类为混凝土的受力变形

18、；另一类为混凝土的体积变形。一、混凝土的受力变形1、受压混凝土一次短期加荷的变形混凝土的-曲线是混凝土力学性能的一个重要方面，它是钢筋混凝土构件应力分析、建立强度和变形计算理论必不可少的依据。1）受压混凝土在一次短期加荷的变形过程（-曲线） 图1.8受压混凝土棱柱体的-曲线 第一阶段：从加荷载至 A点（=0.30.4 f c ），由于试件应力较小，混凝土的变形主要是骨料和水泥结晶体的弹性变形，应力应变关系接近直线，A 点称为比例极限点。第二阶段：超过A 点后，进入稳定裂缝扩展的第阶段，由于微裂缝处的应力集中，裂缝开始有所延伸发展，产生部分塑性变形，应变增长开始加快，应力-应变曲线逐渐偏离直线。

19、微裂缝的发展导致混凝土的横向变形增加。但该阶段微裂缝的发展是稳定的。至临界点B，内部一些微裂缝相互连通，裂缝发展已不稳定，横向变形突然增大，体积应变开始由压缩转为增加。在此应力的长期作用下，裂缝会持续发展最终导致破坏。取B点的应力作为混凝土的长期抗压强度。普通强度混凝土约为0.8fc，高强强度混凝土可达0.95fc以上。第三阶段：此后试件中所积蓄的弹性应变能始终保持大于裂缝发展所需的能量，形成裂缝快速发展的不稳定状态直至C 点，即第阶段，应力达到的最高点为fc ，f c 相对应的应变称为峰值应变 ,一般 =0.00150.0025，平均取 =0.002。在fc以后，裂缝迅速发展，结构内部的整体

20、性受到愈来愈严重的破坏，试件的平均应力强度下降，当曲线下降到拐点D 后，-曲线有凸向水平方向发展。第四阶段：纵向应变发展达到D点，内部裂缝在试件表面出现第一条可见平行于受力方向的纵向裂缝。随应变增长，试件上相继出现多条不连续的纵向裂缝，横向变形急剧发展，承载力明显下降，混凝土骨料与砂浆的粘结不断遭到破，裂缝连通形成斜向破坏面。E点的应变 = (23) 0，应力= (0.40.6) fc。在拐点 D 之后-曲线中曲率最大点 E 称为“收敛点”。E 点以后主裂缝已很宽，结构内聚力已几乎耗尽，对于无侧向约束的混凝土已失去结构的意义。2）影响混凝土-曲线的因素 图1.9不同强度混凝土的-曲线强度等级越

21、高，线弹性段越长，峰值应变也有所增大。但高强混凝土中，砂浆与骨料的粘结很强，密实性好，微裂缝很少，最后的破坏往往是骨料破坏，破坏时脆性越显著，下降段越陡。3）受压混凝土的-曲线的数学表达式 为了理论分析的需要，许多学者对实测的受压混凝土的-曲线加以模式化，并写出其数学表达式，国内外已经提出十多种不同的计算模式，其目的是分析计算尽量简单，又基本符合试验结果，上升段假定为抛物线、下降段假定为直线的居多。我国规范采用的是前西德Rüsh 建议模型，上升段为二次抛物线，下降段为直线，图1.10 所示。 图 1.10 Rüsch 建议模型-曲线 2、混凝土在荷载重复作用下的变形（疲劳变

22、形） 1）疲劳强度混凝土的疲劳强度由疲劳试验测定。采用100mm×100mm×300mm 或着150mm×150mm×450mm的棱柱体，把棱柱体试件承受200万次或其以上循环荷载而发生破坏的压应力值称为混凝土的疲劳抗压强度。2）混凝土在重复荷载作用下的变形曲线图1.11混凝土在荷载重复作用下的应力-应变关系如图所示，混凝土棱柱体经过一次加载卸载时，其应力应变曲线。OA段为加荷曲线，AB段为卸荷曲线，其中应变部分包括：卸荷后立即恢复的应变；停留一段时间还能恢复的应变;不能恢复的应变混凝土棱柱体试件在多次重复荷载下的应力应变曲线，这时曲线的形状和加荷时的应

23、力大小有关。当循环荷载图中CD和EF：经过多次重复加荷，卸荷，其应力应变曲线越来越闭合，使原来才呈环状的的曲线闭合趋于一条直线，且与原点的切线基本平行，此时试件并未破坏，混凝土如同弹性体一样工作。当循环荷载经过多次循环后，应力应变曲线也成为直线，但在继续经过多次重复加、卸荷，曲线从凸向应力轴逐渐凸向应变轴，以致加卸载不能形成封闭环，这标志混凝土内部微裂缝的发展加剧。因此施加荷载时的应力大小是影响应力-应变曲线不同的发展和变化的关键因素，介于上述两者之间的界限应力就作为确定混凝土疲劳极限强度的指标。即混凝土的疲劳强度与重复作用时应力变化的幅度有关。在相同的重复次数下，疲劳强度随着疲劳应力比值的增

24、大而增大。3、混凝土在长期荷载作用下的变形1）混凝土在荷载的长期作用下，其变形随时间而不断增长的现象称为徐变。 徐变对混凝土结构和构件的工作性能有很大影响。由于混凝土的徐变，会使构件的变形增加，在钢筋混凝土截面中引起应力重分布，在预应力混凝土结构中会造成预应力的损失。 混凝土的徐变特性主要与时间参数有关。图1.12混凝土徐变与时间的关系在应力（0.5fc）作用瞬间，首先产生瞬时弹性应变，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。如在时间t 卸载，则会产生瞬时弹性恢复应变。由于混凝土弹性模量随时间增大，故弹性

25、恢复应变小于加载时的瞬时弹性应变。再经过一段时间后，还有一部分应变可以恢复，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2）影响因素A、混凝土的组成和配比是影响徐变的内在因素。水泥用量越多和水灰比越大，徐变也越大。骨料越坚硬、弹性模量越高，徐变就越小。骨料的相对体积越大，徐变越小。另外，构件形状及尺寸，混凝土内钢筋的面积和钢筋应力性质，对徐变也有不同的影响。 B、养护及使用条件下的温湿度是影响徐变的环境因素。养护时温度高、湿度大、水泥水化作用充分，徐变就小，采用蒸汽养护可使徐变减小约（2035）%。受荷后构件所处环境的温度越高、湿度越低，则徐变越大。如环境温度为 70的试件受荷一年后的

26、徐变，要比温度为 20的试件大一倍以上，因此，高温干燥环境将使徐变显著增大。C、混凝土的应力条件是影响徐变的非常重要因素。加荷时混凝土的龄期越长，徐变越小。混凝土的应力越大，徐变越大。随着混凝土应力的增加，徐变将发生不同的情况。 4、混凝土的弹性模量、变形模量 在计算混凝土构件的截面应力、变形、预应力混凝土构件的预压应力，以及由于温度变化、制作沉降产生的内力时，需要利用混凝土的弹性模量。由于一般情况下受压混凝土的-曲线是非线性的，应力和应变的关系并不是常数，这就产生了“模量”的取值问题。1）初始弹性模量图1.11 中通过原点O的受压混凝土的-曲线的切线的斜率为混凝土的初始弹性模量E0，但是它的

27、稳定数值不易从试验中测得。2）割线模量在-曲线的弹性阶段取某点，做其与原点0的割线，其斜率为割线弹模，不精确。3) 实用弹性模量 目前我国规范中弹性模量Ec值是用下列方法确定的：采用棱柱体试件，取应力上限为0.5fc重复加荷510次。由于混凝土的塑性性质，每次卸载为零时，存在有残余变形。但随荷载多次重复，残余变形逐渐减小，重复加荷 510 次后，变形趋于稳定，混凝土的-曲线接近于直线（图2.24），该直线的斜率为混凝土的弹性模量。根据混凝土不同强度等级的弹性模量实验值的统计分析，Ec 与f cu的经验关系为： 图1.11混凝土弹性模量Ec的测定方法 4) 变形模量混凝土的-曲线上任一点a与原点

28、0的连线0a（割线）的斜率，称为混凝土的变形模量Ec'。设弹性应变el与总应变的比值为弹性系数。这时，由于总变形中包含弹性变形el和塑性变形pl两部分，由此所确定的模量也可称为弹塑性模量或割线模量。即弹性系数反映了混凝土的弹塑性性质，随着混凝土的增大 减小。则任一点的变形模量Ec ' 可用Ec和乘积来表示。 图1.12混凝土变形模量的表示方法二、混凝土的体积变形（收缩和膨胀）1、混凝土的收缩A、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。混凝土在水中或处于饱和湿度情况下，结硬时体积增大的现象称为膨胀。一般情况下混凝土

29、的收缩值比膨胀值大很多，所以分析研究收缩和膨胀的现象以收缩为主。 混凝土的收缩是随时间而增长的变形，结硬初期收缩较快，一个月大约可完成 1/2 的收缩，三个月后增长缓慢，一般两年后趋于稳定，最终收缩应变大约为（25）×10-4，一般取收缩应变值为 3×10-4。B、收缩的影响因素干燥失水是引起收缩的重要因素，所以构件的养护条件，使用环境的温湿度，及影响混凝土水分保持的因素，都对收缩有影响。使用环境的温度越高、湿度越低，收缩越大。蒸汽养护的收缩值要小于常温养护的收缩值，这是因为高温高湿可加快水化作用，减少混凝土的自由水分，加速了凝结与硬化的时间。 通过试验还表明，水泥用量越多

30、、水灰比越大，收缩越大；骨料的级配好、弹性模量大，收缩越小；构件的体积与表面积比值大时，收缩小。对于养护不好的混凝土构件，表面在受荷前可能产生收缩裂缝。需要说明，混凝土的收缩对处于完全自由状态的构件，只会引起构件的缩短而不开裂。对于周边有约束而不能自由变形的构件，收缩会引起构件内产生拉应力，甚至会有裂缝产生。 在不受约束混凝土结构中，钢筋和混凝土由于粘接力的作用，相互之间变形是协调的。混凝土具有收缩的性质，而钢筋并没有这种性质，钢筋的存在限制了混凝土的自由收缩，使混凝土受拉、钢筋受压，如果截面的配筋率较高时会导致混凝土开裂。 2、混凝土的温度变形 当温度变化时，混凝土的体积同样也有热胀冷缩的性

31、质。混凝土的温度线膨胀系数一般为(1.21.5)×10-5,用这个值去度量混凝土的收缩，则最终收缩量大致为温度降低 1530时的体积变化。 当温度变形受到外界的约束而不能自由发生时，将在构件内产生温度应力。在大体积混凝土中，由于混凝土表面较内部的收缩量大，再加上水泥水化热使混凝土的内部温度比表面温度高，如果把内部混凝土视为相对不变形体，它将对试图缩小体积的表面混凝土形成约束，在表面混凝土形成拉应力，如果内外变形差较大，将会造成表层混凝土开裂。西安思源学院教案首页授课时间2009年9月22日2009年9月23日年 月 日授课班级2008级建工统招142008级建工统招58授课类型讲授目

32、的要求了解钢筋的组成、品种和类型掌握钢筋的强度和变形性能熟悉混凝土对钢筋的要求重 点难 点钢筋的强度和变形性能混凝土对钢筋的要求教 学媒 体多媒体授课内容1、重点知识回顾 （10）1）钢筋混凝土在一次加荷时的受力工程的特点2）钢筋混凝土在长期荷载作用下的变形（徐变）的概念及其影响因素1、钢筋的品种与级别 （15）2、钢筋的强度与变形 1）有明显屈服点的钢筋应力应变曲线 （15）2）钢筋的屈服强度和极限强度 （10）3）没有明显屈服点的钢筋的强度和应力应变曲线 (20)4)有明显屈服点钢筋应力应变关系的数学模型（理想弹塑性模型） (15)3、混凝土结构对钢筋性能的要求 (15) 1）强度 2）塑

33、性性能 3）可焊性4）与混凝土的粘结时间分配作 业阅读参考书教研室主任审批: 年 月 日 签名: 课程名称 混凝土与砌体结构 第一章 3节 授课教师 秦 艳第3课时钢筋的物理力学性能上节回顾1）提问：钢筋混凝土在短期一次荷载作用下的受力过程。2）和学生共同回忆徐变的概念一、钢筋的品种与级别目前我国用于混凝土结构的钢筋主要有：热轧钢筋、冷拉钢筋、冷轧带肋钢筋、碳素钢丝、刻痕钢丝、钢绞线和冷拔低碳钢丝。非热轧钢筋主要用于预应力混凝土结构。目前我国生产的热轧钢筋分为 HPB235级、HRB400 级和HRB335 级。 HPB235 级钢筋属低碳钢筋，强度低，外形为光面钢筋，它与混凝土粘结强度较低，

34、主要用作板的受力钢筋，梁、柱的箍筋及构造钢筋。HRB400级 和HRB335 级钢筋均为合金钢，外形为变形钢筋由于表面凹凸不平，与混凝土有较好的机械咬合作用，具有较高的粘结强度。HRB400 级和HRB335 级钢筋一般用作普通混凝土结构中的受力钢筋和预应力混凝土结构中的非预应力钢筋。 按照钢筋的直径大小，可分为钢筋和钢丝。常用钢筋直径（mm）：6、8、10、12、14、16、18、20、22和 25，光面钢筋的截面面积按直径计算， 变形钢筋根据标称直径按圆面积计算确定。钢丝常用的直径有 2.5、3、4 和 5mm 等几种，预应力混凝土构件可采用较细的钢丝组成的钢绞线。市面上供应的常用热轧钢筋

35、有盘圆钢筋（直径 6mm、8mm）和单根钢筋（直径 10mm 或更粗的钢筋）。 热轧钢筋由强度的大小来反映它的运用，较高强度的钢筋常用于预应力混凝土构件的预应力钢筋，一般强度的钢筋用作普遍混凝土的受力钢筋或构造钢筋。 二、 钢筋的强度与变形 钢筋的强度与变形可通过拉伸试验曲线-关系说明，有的钢筋有明显流幅（如图1.14）；有的钢筋没有明显的流幅(如图1.15）。一般的混凝土构件常用有明显流幅的钢筋，没有明显流幅的钢筋主要用在预应力混凝土构件上。1、有明显屈服点的钢筋应力应变曲线图1.14 所示为有明显流幅的典型拉伸应力-应变关系曲线（-曲线）。1）A 点以前与成线性关系，称为弹性阶段；2）AB

36、段是弹塑性阶段，一般认为 B点以前应力和应变接近为线性关系，B点是不稳定的（称为曲服上限），称为屈服阶段；3）B点以后曲线降到B点（称为曲服下限），这时相应的应力称为屈服强度f y 。B点以后应力不增加而应变急剧增长，钢筋经过较大的应变到达C 点，一般级钢筋的C 点应变是B点应变的十几倍，称为流幅阶段；4）过 C点后钢筋应力又继续上升，但钢筋变形明显增大，钢筋进入强化阶段。钢筋应力达到最高应力 D 点，D 点相应的峰值应力f u 称为钢筋的极限抗拉强度，称为强化阶段；5）D 点以后钢筋发生颈缩现象，应力开始下降，应变增加，到达 E 点时钢筋被拉断。E点相对应的钢筋平均应变称为钢筋的延伸率，颈缩

37、阶段。 图 1.14 有明显流幅钢筋的-曲线 图 1.15 无明显流幅钢筋的-曲线 2、钢筋的屈服强度从图1.14的-关系曲线中可以得出三个重要参数：屈服强度f y 、抗拉强度ft 和延伸率。在钢筋混凝土构件设计计算时，对有明显流幅的钢筋，一般取屈服强度fy作为钢筋强度的设计依据，这是因为 钢筋应力达到屈服后将产生很大的塑性变形，卸载后塑性变形不可恢复，使钢筋混凝土构件产生很大变形和不可闭合的裂缝。设计上一般不用抗拉强度ft这一指标，抗拉强度f t可度量钢筋的强度储备。延伸率反映了钢筋拉断前的变形能力，它是衡量钢筋塑性的一个重要指标，延伸率大的钢筋在拉断前变形明，构件破坏前有足够的预兆，属于延

38、性破坏；延伸率小的钢筋拉断前没有预兆，具有脆性破坏的特征。 3、没有明显屈服点钢筋的应力应变曲线 没有明显流幅的拉伸钢筋-曲线如图 1.15 所示。当应力很小时，具有理想弹性性质；应力超过0.2之后钢筋表现出明显的塑性性质，直到材料破坏时曲线上没有明显的流幅，破坏时它的塑性变形比有明显流幅钢筋的塑性变形要小得多。对无明显流幅钢筋，在设计时一般取残余应变的0.2%相对应的应力0.2为假定的屈服点，称为“条件屈服强度”。由于0.2不易测定，故极限抗拉强度就作为钢筋检验的唯一强度指标，0.2为极限抗拉强度的 0.8 倍。4、有明显屈服点钢筋应力应变关系的数学模型为了便于结构设计和进行理论分析，需对-

39、曲线加以适当简化，对不同性能的钢筋建立与拉伸试验应力应变关系尽量吻合的模型曲线。常用的数学模型为理想弹塑性模型。将钢筋-曲线简化为两根直线，如图 1.16所示。这个模型适用于流幅较长的低强度钢筋，OB段为完全弹性阶段，B 点为屈服下限，B 点相应的应力和应变分别为f y 和y ，弹性模量Es 为 OB 段的斜率。BC 段为完全塑形阶段，C 点为应力强化阶段的起点，C 点相对应的应变为 。过 C 点以后，认为钢筋变形过大不能正常使用。数学表达式为：图1.16钢筋应力应变曲线的数学模型 三、混凝土结构对钢筋性能的要求 1、强度 强度是指钢筋的屈服强度和抗拉强度。屈服强度f y是设计计算的主要依据，

40、对无明显屈服点的钢筋的屈服强度取条件屈服强度0.2。采用高强度钢筋可以节约钢材，取得较好的经济效果。抗拉强度ft不是设计强度依据，但它也是一项强度指标，抗拉强度愈高，钢筋的强度储备愈大，反之则强度储备愈小。提高使用钢筋强度的方法，除采用市场上有供给的较高强度钢筋外，还可以对钢筋进行冷加工获得较高强度钢筋，但应保证一定的强屈比（抗拉强度与屈服强度之比），使结构有一定的可靠性潜力。2、塑性塑性是指钢筋在受力过程中的变形能力，混凝土结构要求钢筋在断裂前有足够的变形，使结构在将要破坏前有明显的预兆。塑性指标是要求伸长率5 （或10）满足要求和冷弯性能合格来衡量的。伸长率5和10分别表示标距L=5d和L

41、=10d的伸长率；冷弯性能是以冷弯试验来判断的，冷弯试验是将直径为d的钢筋绕直径为D的钢辊，弯成一定角度而不发生断裂就表示合格。钢筋的f y、fu、5（或10）和冷弯性能是施工单位验收钢筋是否合格的四个主要指标。3、可焊性 在一定的工艺条件下要求钢筋焊接后不产生裂纹及过大的变形，保证钢筋焊接后的接头性能良好。对于冷拉钢筋的焊接，应先焊接好以后再进行冷拉，这样可以避免高温使冷拉钢筋软化，丧失冷拉作用。4. 与混凝土的粘结力 钢筋与混凝土的粘结力是保证钢筋混凝土构件在使用过程中，钢筋和混凝土能共同工作的主要原因。钢筋的表面形状及粗糙程度对粘接力有重要的影响。 另外，在寒冷地区，为了避免钢筋发生低温

42、冷脆破坏，对钢筋的低温性能也有一定要求。 授课时间2009年9月24日2009年9月25日年 月 日授课班级2008级建工统招162008级建工统招7、8授课类型讲授目的要求理解粘结力的定义、其分布规律及组成掌握影响粘结强度的因素掌握保证一些粘结的构造措施重 点难 点粘结力的分布规律影响粘结强度的因素教 学媒 体多媒体授课内容1、重点知识回顾有明显屈服点钢筋的应力应变曲线特点2、粘结力的定义 （20）3、粘结强度 1）定义 （5）2）影响粘结强度的因素 （10）4、粘结力的组成 1）粘结力的组成 （10） 2）光面钢筋的粘结性能 （15）3）变形钢筋的粘结性能 （15）5、保证可靠粘结的构造措

43、施 （25）1）对不同等级的混凝土和钢筋，要保证最小搭接长度和锚固长度2）应使钢筋之间的距离和混凝土保护层不能太小3）为保证钢筋伸入支座的粘结力，钢筋伸入支座有足够的锚固长度4）横向钢筋的存在约束了径向内裂缝发展，使混凝土的粘结强度提高时间分配作 业阅读参考书教研室主任审批: 年 月 日 签名: 西安思源学院教案首页课程名称 混凝土与砌体结构 第一章 4节 授课教师 秦 艳第4课时钢筋与混凝土的粘结上节知识回顾：和学生共同回忆有明显屈服点钢筋应力应变曲线的特点。 钢筋和混凝土之间的粘接，是保证钢筋和混凝土这两种力学性能截然不同的材料在结构中共同工作的基本前提。粘接包含了水泥胶体对钢筋的粘着力、

44、钢筋与混凝土之间的摩擦力、钢筋表面凹凸不平与混凝土的机械咬合作用、钢筋端部在混凝土内的锚固作用的一个综合概念。一、粘结力的定义 1、粘结力的定义若钢筋和混凝土有相对变形（滑移），就会在钢筋和混凝土交界面上，产生的沿钢筋轴线方向的相互作用力，这种力称为钢筋和混凝土的粘接力。 2、粘结力的分布正因为粘接力的存在，使钢筋和混凝土能够共同工作。在设计中尽量发挥材料各自的优点，也要使粘接力不超过粘接强度。图1.17为钢筋混凝土轴心受拉构件，轴力N通过钢筋施加在构件端部截面，端部钢筋应力s=N/A， 混凝土应力c=0 。轴力N进入构件以后，由于粘接力的存在限制了钢筋的自由拉伸，将钢筋承受的部分拉力传给混凝

45、土，使混凝土受拉。粘接力的大小取决于钢筋与混凝土的应变差sc的大小。随着距端部的距离增大，钢筋应力s减小，混凝土的拉应力c增大，二者的应变差逐渐减小。在距端部处 sc 的值为零，钢筋和混凝土的相对变形（滑移）消失，粘结力=0。至构件端部处取微段的平衡图。设钢筋直径为d，截面面积为，则 或上式表明，粘结应力使钢筋应力s发生变化，或者说没有就不会有ds ;反之，没有钢筋应力的变化就不存在。因此，在构件中间距离端部超的各个截面上=0，s 和c 均不不再改变。 图1.17轴心受拉构件的粘结应力分布3、粘结强度粘结强度通常采用图1.18所示标准拔出试件来测定，设拔出力为 F，钢筋中的总拉力，则钢筋与混凝

46、土界面上的平均粘结应力为。试验中可同时量测加荷端滑移和自由端滑移，由于l/d较短。可认为达到最大荷载时，粘结应力沿埋长近乎相等，以粘结破坏时的最大平均粘结应力代表钢筋与混凝土的粘结强度。4、影响粘结强度的因素 1）混凝土强度 钢筋的粘结强度均随混凝土的强度提高而提高。实验表明：当其它条件基本相同时，粘结强度u与混凝土的劈裂抗拉强度f t,s 成正比。 2）混凝土保护层厚度混凝土保护层c和钢筋之间净距离越大，劈裂抗力越大，因而粘结强度越高；但当 c/d5 时，u/ f t,s不再增长，也就是说粘结强度不由劈裂破坏来决定，而是沿钢筋外径圆柱面上发生剪切破坏。3) 横向钢筋及侧向压力作用 横向钢筋限

47、制了纵向内裂缝的发展，可使粘结强度提高。因而在钢筋锚固区和搭接长度范围内，加强横向钢筋（如箍筋加密等）可提高混凝土的粘结强度。在直接支撑的支座处，横向压应力约束了混凝土的横向变形，可以提高粘结强度。 4）钢筋端部的锚固钢筋端部的弯钩、弯折及附加锚固措施（如焊钢筋和焊钢板等）可以提高良好的锚固粘结能力，锚固区内侧向压力的约束对粘结强度也有提高作用。5）浇筑混凝土时钢筋的位置浇筑混凝土时钢筋所处的位置也会影响粘结强度。二、粘结力的组成 1、粘结力的组成光面钢筋的粘结性能试验表明，钢筋和混凝土的粘结力主要有下面四种构成。（1）化学胶结力：钢筋与混凝土接触面上化学吸附作用力。这种力一般很小，当接触面发生相对滑移时就消失，仅在局部无滑移区内起作用。 （2）摩擦力：混凝土收缩后将钢筋紧紧地握裹住而产生的力。钢筋和混凝土之间的挤压力越大、接触面越粗糙，则摩擦力越大。光面钢筋压入试验得到的粘结强度比拉拔试验要大，这是因为钢筋受压变粗，增大对混凝土的挤压力，从而使摩擦力增大所致。 （3）机械咬合力：钢筋表面凹凸不平与混凝土产生的机械咬合作用而产生的力。变形钢筋的横勒会产