钢筋和混凝土的力学性能

1、第2章 钢筋和混凝土的力学性能 第一节：钢筋 第二节：混凝土 第三节：钢筋与混凝土的粘结 21 钢筋 2.1.1钢筋的种类 钢筋在钢筋混凝土和预应力混凝土结构中采用的棒状或 丝状钢材，是钢筋混凝土结构和预应力混凝土结构中主要用于受 拉的材料。 目前我国用于钢筋混凝土结构和预应力混凝土结构的钢 筋主要品种有钢筋、钢丝和钢绞线。 钢筋主要品种 钢 筋钢 绞 线 钢 筋 钢 丝 钢筋的分类 按化学成分按化学成分 碳素钢碳素钢 普通低合金普通低合金 钢钢 锰系锰系 硅矾系硅矾系 低碳钢低碳钢 中碳钢中碳钢 高碳钢高碳钢 硅钛系硅钛系 硅锰系硅锰系 硅铬系硅铬系 C0.25% C0.8fcsh时，混凝土

2、内 部的微裂缝进入非稳态发展，导致 混凝土破坏。取=0.8fcsh作为混凝 土的长期抗压强度。初应力越大， 徐变也越大。 加载时混凝土的龄期越长，徐变越小。 为了减少徐变，应避免过早地给结构施加长期荷载，例如 在施工期内避免过早地撤除构件的模板支柱等，也可以采取加快混 凝土硬结的措施来减小龄期对徐变的影响。 2)龄期影响 在混凝土的组成成 分中，水灰比愈大，水泥水 化后残余的游离水愈多，徐 变也愈大；水泥用量愈多， 凝胶体在混凝土中所占比重 也愈大，徐变也愈大；骨料 愈坚硬，弹性模量愈大以及 骨料所占体积比愈大，则由 凝胶体流动后传给骨料压力 所引起的变形也愈小，徐变 也愈小。 养护环境湿度愈

3、大， 温度愈高，则水泥水化作用 愈充分，徐变就愈小，混凝 土在使用期间处于高温、干 燥条件下所产生的徐变比低 温、潮湿时明显增大。此外， 由于混凝土中水分的挥发逸 散与构件的体积与表面积之 比有关，因而构件尺寸愈大， 表面积相对愈小，徐变就愈 小。 3)材料组成 4)外部环境 混凝土的收缩 混凝土在空气中结硬时，体积要缩小，混凝土的收缩量可达 310-4；混凝土的收缩是一种随时间而增长的变形，结硬初期收缩变 形发展较快，两周完成收缩的1/4，一个月完成1/2，三个月后增长缓 慢，一般2年后趋于稳定，最终收缩应变约为(25)10-4。 影响混凝土收缩的因素 水泥用量越多、水灰比越大，收缩就越大。

4、骨料的级配好、 弹性模量高，可减小混凝土的收缩。此外，水泥品种、混凝土的密实 度、构件的体表比等都会对混凝土的收缩有影响。 收缩的不利影响 梁板或其他构件，由于养护不好，在使用前就可能因混凝土 收缩而产生裂缝；整片大面积的混凝土地面或楼面，在施工后就可能 因混凝土的收缩而产生裂缝；在预应力混凝土结构中，混凝土的收缩 会导致预应力的损失。收缩也对超静定结构（如拱）产生不利的内力， 导致钢筋混凝土结构出现过大裂缝，造成不利影响。 混凝土的膨胀 在水中结硬时，则体积膨胀。 混凝土的膨胀特性对混凝土构件往往是有利的，故一般不予考虑。 收缩和膨胀是在混凝土不受力的情况下而产生的变形，一 般来说，收缩值比

5、膨胀值大得多。 23 钢筋与混凝土的粘结 通过粘结力钢筋和混凝土传递二者之间的应力，使钢筋和 混凝土变形协调、共同工作。粘结应力分为钢筋端部的锚固粘结应 力和裂缝之间的局部粘结应力。 钢筋混凝土受力后，钢筋与混凝土之间出现变形差(相对滑 移)，会沿钢筋和混凝土接触面上存在剪应力，称为粘结应力。 通过粘结力钢筋和混凝土传递二者之间的应力，使钢筋和 混凝土变形协调、共同工作。 钢筋和混凝土粘结的类型 是指钢筋伸入支座或支座负 弯矩钢筋在跨间截断时，必须具有足 够的锚固长度。 按钢筋所处部位和所起作用 不同受压、受拉、支座、节点及钢筋 截断时，锚固长度各异。 1锚固粘结应力 锚固粘结锚固粘结 anc

6、horage la M 图 Mmax 钢筋截断 梁柱节点 7.2 钢筋与混凝土的粘结 柱脚 裂缝之间的局部粘结应 力，是指相邻两个开裂截面之间 产生的钢筋拉力，通过裂缝两侧 的粘结应力部分地向混凝土传递， 使未开裂的混凝土受拉。 2局部粘结应力 粘结力组成 -混凝土中的水泥凝胶体在钢筋表面产生的化学粘着力或吸附力， 来源于浇注时水泥浆体向钢筋表面氧化层的渗透和养护过程中水泥 晶体的生长和硬化。 -混凝土收缩后将钢筋紧紧地握裹住，当钢筋和混凝土产生相 对滑移时，在钢筋和混凝土界面上将产生摩擦力。 1化学胶结力 2摩擦力 取决于水泥的性质和钢筋表面的粗糙程度。这种力一般很 小，只在钢筋和混凝土界面

7、存在，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。 -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，即混 凝土对钢筋表面斜向压力的纵向分力，取决于混凝土的抗剪强度。 各种粘结力中，化学胶结力较小；光面钢筋以摩擦力为主；变 形钢筋以机械咬合力为主。 它取决于混凝土发生收缩、荷载和反力等对钢筋的径向压应力、 钢筋和混凝土之间的粗糙程度等。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。 3机械咬合力 变形钢筋的横肋会产生这种咬合力，它的咬合作用往往很大， 是变形钢筋粘结力的主要来源，是锚固作用的主要成份。 1光面钢筋的粘结破坏 光面钢筋的粘结力主要是化 学胶结力、

8、摩擦力和钢筋表面凹凸不 平的机械咬合力。 粘结机理 粘结强度通常采用标准抗拔 试验（如图2-35） 钢筋和混凝土之间 的平均粘结应力 2变形钢筋的粘结破坏 粘结强度仍由化学胶结力、摩擦力和钢筋表面凹凸不平的 机械咬合力组成，但主要是钢筋表面突出肋与混凝土之间的机械咬 合力。变形钢筋和光圆钢筋的主要区别是钢筋表面具有不同形状的 横肋或斜肋 钢筋的锚固是指通过混凝土中钢筋埋置段或机械措施将钢 筋所受的力传给混凝土，使钢筋锚固于混凝土而不滑出，包括直钢 筋的锚固、带弯钩或弯折钢筋的锚固，以及采用机械措施的锚固等。 锚固抗力等于钢筋屈服 强度fy时，相应的锚固长度就是临 界锚固长度lcra，这是保证受

9、力钢 筋直到屈服也不会发生锚固破坏 的最小长度。钢筋屈服后强化， 随锚固长度的延长，锚固抗力还 能增长，到锚固抗力等于钢筋拉 断强度fu时，相应的锚固长度就是 极限锚固长度l ua。 影响粘结强度的因素 (1)混凝土强度 (2)保护层厚度和钢筋的净距 (3)钢筋的直径和外形 (4)横向箍筋 (5)横向压应力 (6)浇筑混凝土时钢筋位置 钢筋的锚固和连接 钢筋的锚固 (1)锚固机理 1)强度极限状态-钢筋与混凝土之间的粘结应力达到粘 结强度，直钢筋在混凝土中的锚固、搭接和延伸要考虑这种状态。 2)刚度极限状态-钢筋与混凝土之间的相对滑移增长过 速的状态，带弯钩钢筋和弯折钢筋在混凝土中锚固时要考虑

10、这种状 态。 锚固长度 受拉钢筋的最大拉力为d2fy/4，锚固长度la的平均粘结 强度为，锚固力dla，由平衡条件可得 混凝土结构设计规范的锚固长度 锚固长度的修正 3)施工中易受扰动（如滑模施工），影响钢筋的粘结锚固， 锚固长度应乘以修正系数1.1； 1)带肋钢筋直径较大时，其肋高相对值减小，使粘结力减 小，当HRB335、HRB400和RRB400级钢筋直径大于25mm时，锚固长度 应乘以修正系数1.1 2)寒冷地区，撒盐融冰，但盐对混凝土中钢筋的侵蚀作用 大。为此，采取在钢筋表面上涂一层环氧树脂的方法。试验表明， 涂层使钢筋锚固强度降低20%左右，因此，HRB335、HRB400和RRB

11、400 级涂环氧树脂钢筋，其锚固长度应乘以修正系数1.25； 4)规范规定的锚固长度是按保护层厚度等于钢筋直径的最不 利条件确定的，当HRB335、HRB400和RRB400级钢筋保护层厚度大于钢 筋直径的3倍且配置有箍筋时，锚固长度可乘以修正系数0.8； 5)锚固长度是按照充分利用钢筋设计强度的条件确定的，实 际设计中，锚固钢筋的实际应力可能小于设计强度，因此，可按配筋 余量修正，当纵筋的实际配筋面积大于设计值，有充分依据和可靠措 施，锚固长度可乘以设计计算面积与实际配筋面积的比值。但对有抗 震要求和动荷载要求的构件，不得采用此项修正。 经过上述修正，锚固长度不得小于计算锚固长度的0.7倍，

12、且 不应小于250mm，这是锚固长度的最低限值。 钢 筋 的 机 械 锚 固 末端带135弯钩 末端与短钢筋双面贴焊末端与钢板穿孔塞焊 钢筋连接 (1)连接的基本要求 1)承载力(强度)-被连接的钢筋应能完成应力的可靠传递 2)刚度(变形性能)-连接区域的钢筋段抵抗变形的能力(弹 性模量)应接近未被连接的钢筋(弹性模量) 3)延性(断裂形态)-被连接的热轧钢筋均具有良好的延性， 均匀伸长率都在10以上，且在发生颈缩变形后才可能被拉断，具有 明显的破坏预兆。 4)恢复性能-当钢筋未屈服时，卸载后钢筋的弹性回缩可 以基本闭合裂缝。钢筋的连接接头应具有相似的性能。 5)疲劳性能-反复次数多的荷载作用

13、下，钢筋的连接段应 具有必要的抵抗疲劳的能力。 (2)钢筋连接的基本类型 搭接、机械连接、焊接 (3)钢筋连接的机理 1)绑扎搭接传力的机理 绑扎搭接传力的基础是粘结锚固。但是搭接钢筋之间的 缝间混凝土会因剪切而迅速破碎，握裹力受到削弱。因此，搭接 钢筋的锚固强度减小，与锚固长度相比，搭接长度应以予加长。 由于锥楔作用造成的 径向力引起了两根钢筋之间的 分离趋势。因此，搭接钢筋之 间容易发生纵向劈裂裂缝，必 须有较强的围箍约束以维持锚 固。 2)机械连接的传力机理 钢筋的机械连接通过连贯于两根钢筋外的套筒来实现传 力。套筒与钢筋之间力的过渡是通过机械咬合作用。 3)焊接传力的机理 钢筋的焊接接

14、头是利用电阻、电弧或者燃烧的气体加热 钢筋端头使之熔化并用加压或填加熔融的金属焊接材料，使之连 成一体的连接方式。 在钢筋连接设计时应遵循以下原则：接头应尽量设置在 受力较小处；在同一受力钢筋上宜少设连接接头；接头位置应互 相错开；在钢筋连接区域应采取必要的构造措施。 (4)绑扎搭接措施 1)较粗钢筋绑扎搭接不便，且容易出现过宽裂缝。应控 制其直径和使用条件 2)应控制搭接接头面积百分率，同一位置搭接接头过多， 虽然传力性能可以保证，但刚度降低过大，搭接处裂缝过宽。 3)受压纵向钢筋的搭接长度不应小于纵筋受拉钢筋搭接 长度的0.7倍，且在任何情况下，搭接长度均不应小于200mm 4)为了防止缺乏侧向约束，导致纵筋劈裂分离，应规定 搭接区的构造措施。 (5)机械连接措施 纵向受力钢筋机械连接接头宜相互错开。 钢筋机械连接接头连接区段的长度为35d 在受力较大处设置机械连接接头时，位于同一连接区段 内的