混凝土结构材料及其力学性能

1、 2 2 混凝土结构材料及其力学性能混凝土结构材料及其力学性能 钢筋 2.1 混凝土 2.2 2.3 混凝土结构的耐久性 2.4 钢筋与混凝土之间的粘结2.1 2.1 钢筋钢筋 2.1.12.1.1钢筋的种类及规格1、热轧钢筋：热轧钢筋是在高温状态下轧制成型的。 HPB235HRB335HRB400高强钢丝(Mpa)0热轧光面钢筋（HPB）热轧带肋钢筋（HRB）细晶粒热轧带肋钢筋（HRBF）2、余热处理钢筋：余热处理钢筋是钢筋热轧后穿水冷却，利用芯部余热自身完成回火处理而成的带肋钢筋 。图1 月牙纹钢筋2.1 2.1 钢筋钢筋 2.1.12.1.1钢筋的种类及规格3、中强度预应力钢丝：钢丝经冷

2、加工或冷加工后热处理制成。4、预应力螺纹钢筋：表面为螺旋纹。5、消除应力钢丝：由高碳镇静钢轧制成光面盘条钢筋，经冷拔和回火处理消除残余应力后制成。6、钢绞线：多股消除应力钢丝围绕一根直径较粗的钢丝用绞盘绞接而成。2.1 2.1 钢筋钢筋 2.1.12.1.1钢筋的种类及规格 建筑结构中所用的钢筋，按其应力应变曲线特性的不同分为两类：一类是有明显屈服点的钢筋，另一类是无明显屈服点的钢筋。 有明显屈服点的钢筋习惯上称为软钢，包括热轧钢筋和冷拉钢筋。 无明显屈服点的钢筋习惯上称为硬钢，包括热处理钢筋、冷轧带肋钢筋、钢丝及钢绞线。2.1 2.1 钢筋钢筋 2.1.22.1.2钢筋的受力特点(Mpa)a

3、bcde比例极限屈服强度极限强度流幅1、有明显屈服点的钢筋 对有明显流幅的钢筋，把屈服点所对应的强度作为设计强度的依据。强度强度1.两个强度指标：屈服强度极限抗拉强度2.1 2.1 钢筋钢筋 2.1.22.1.2钢筋的受力特点(Mpa)0.85b b 0.2%2、无明显屈服点的钢筋 对无明显流幅的钢筋，把残余应变为0.2%时所对应的应力作为条件屈服强度。强度强度1.一个强度指标：极限抗拉强度2.1 2.1 钢筋的性能及要求钢筋的性能及要求塑性塑性变形变形2. 2.1.22.1.2钢筋的受力特点伸长率是钢筋拉断后的伸长值与原长的比率，即211lll100% 伸长率( %)； l1试件拉伸前的标距

4、长度，一般短试件 l1 5d，长试件l1 10d，d为试件的直径； l2试件拉断后的标距长度。1、伸长率 伸长率越大的钢筋塑性越好，即拉伸前有足够的伸长，使构件的破坏有预兆；反之构件的破坏具有突发性而呈现脆性。 2.1 2.1 钢筋的性能及要求钢筋的性能及要求塑性塑性变形变形2. 2.1.22.1.2钢筋的受力特点2、冷弯性能 将直径为d的钢筋绕某一规定直径为D的钢辊进行弯曲，在达到规定的冷弯角度时钢筋不发生裂纹、鳞落或断裂，就表示合格。表1-1 各种钢筋冷弯试验要求钢筋种类HPB235HRB335HRB400冷弯要求冷弯角度180018001800钢筋的冷弯2.1 2.1 钢筋钢筋 2.1.

5、32.1.3钢筋的设计指标牌号符号公称直径d(mm)屈服强度标准值fyk(N/mm2)极限强度标准值fstk(N/mm2)抗拉强度设计值fy(N270/mm2)抗压强度设计值fy(N/mm2)HPB300A622300420270270HRB335HRBF335BBF650335455300300HRB400HRBF400RRB400CCFCR650400540360360HRB500HRBF500DDF6505006304354351、材料强度标准值：进行正常使用极限状态设计时使用2、材料强度设计值：进行承载能力极限状态设计时使用2.1 2.1 钢筋钢筋 2.1.32.1.3钢筋的设计指标3

6、、弹性模量 钢筋弹性阶段的应力与应变的比值称为钢筋的弹性模量，用符号Es表示。牌号或种类弹性模量ESHPB300钢筋2.10HRB335、HRB400、HRB500钢筋HRBF335、 HRBF400、 HRBF500钢筋RRB400钢筋预应力螺纹钢筋、中强度预应力钢筋2.00消除应力钢丝2.05钢绞线1.952.1 2.1 钢筋钢筋 2.1.42.1.4混凝土结构对钢筋性能的要求（1）有较高的强度和适宜的屈强比。（3）具有较好的焊接性能。（2）有较好的塑性。（4）与混凝土之间有良好的黏结力。2.1 2.1 钢筋钢筋 2.1.52.1.5钢筋的选用 对于混凝土结构的钢筋，混凝土结构设计规范（G

7、B 500102010）规定如下： （1）纵向受力普通钢筋宜采用HRB400、HRB500、HRBF400、HRBF500钢筋，也可采用HPB300、HRB335、HRBF335、RRB400钢筋。 （2）梁、柱纵向受力普通钢筋应采用HRB400、HRB500、HRBF400、HRBF500钢筋。 （3）箍筋宜采用HRB400、HRBF400、HPB300、HRB500、HRBF500钢筋，也可采用HRB335、HRBF335钢筋。 （4）预应力筋宜采用预应力钢丝、钢绞线和预应力螺纹钢筋。2.2 2.2 混凝土混凝土 2.2.12.2.1混凝土的强度混凝土立方体抗压强度（混凝土立方体抗压强度（

8、fcufcu）及强度等级）及强度等级1. 混凝土结构中，主要是利用它的抗压强度。因此抗压强度是混凝土力学性能中最主要和最基本的指标。混凝土的强度等级是用抗压强度来划分的 混凝土强度等级：边长150mm立方体标准试件，在标准条件下（203，90%湿度）养护28天，用标准试验方法（加载速度0.150.25N/mm2/s，两端不涂润滑剂）测得的具有95%保证率的立方体抗压强度，用符号C表示，C30表示fcu,k=30N/mm2 ， fcu,k混凝土强度标准值，注意： fcu与fcu,k的区别在于是否具有95%的保证率。 根据规范强度范围，从C15C80共划分为14个强度等级，级差为5N/mm2。C5

9、0以上为高强混凝土。2.2 2.2 混凝土混凝土混凝土轴心抗压强度混凝土轴心抗压强度2. 实际工程中，一般的受压构件不是立方体而是棱柱体，即构件的高度要比截面的尺寸大。一般用h/b=34的棱柱体抗压强度来代表混凝土单向均匀受压时的抗压强度。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，我国通常取150mm150mm450mm的棱柱体试件，也常用100100300试件。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为： k ,cu2C1Cckf88. 0f混凝土的轴心抗压设计强度：fc=fck/c2.2 2.2

10、混凝土混凝土混凝土轴心抗拉强度混凝土轴心抗拉强度3. 混凝土轴心抗拉强度ft是采用100mm100mm500mm的棱柱体，两端设有螺纹钢筋(如图)，在实验机上受拉来测定的。当试件拉裂时测得的平均拉应力即为混凝土的轴心抗拉强度。实验表明，混凝土的抗拉强度比抗压强度低得多，混凝土轴心抗拉强度只是混凝土立方体抗压强度的1/191/9倍,而且随混凝土强度等级的提高而减小。通过实验，新规范按下式计算： 500 150 15010016轴心受拉试验245.055.0,)645.11(395.088.0ckcutkffctktff/2.2 2.2 混凝土混凝土 2.2.22.2.2混凝土的变形混凝土在一次短

11、期荷载作用下的变形混凝土在一次短期荷载作用下的变形1. 混凝土在单向短期加荷作用下的应力-应变曲线是其最基本的力学性能，曲线的特征是研究钢筋混凝土构件的强度、变形、延性（承受变形的能力）和进行受力全过程分析的依据。图2-4 混凝土棱柱体试件在受压时的应力2.2 2.2 混凝土混凝土 上升段Oc。上升段Oc大致可分为以下三段： 曲线Oa段（c0.3fc）。此时混凝土受到的压应力较小，基本处于弹性阶段，应力-应变关系呈直线，卸载后应变可恢复到零。 曲线ab段（0.3fcc0.8fc）。随着混凝土受到的压应力继续增大，应变增加的速度比应力快，混凝土呈现塑性性质，应力-应变关系偏离直线；此阶段混凝土内

12、部的微裂缝开始延伸、扩展。 下降段ce。当压应力达到c点峰值应力后，曲线开始下降，试件的承载力逐渐降低，应变继续增大，并在d点出现拐点，d点相应的应变称为混凝土的极限压应变cu（一般为0.003 3）。cu值越大，说明混凝土的塑性变形能力越强，即材料的延性越好，抗震性能越好。 2.2.22.2.2混凝土的变形混凝土在一次短期荷载作用下的变形混凝土在一次短期荷载作用下的变形1.2.2 2.2 混凝土混凝土 混凝土的应力与其弹性应变之比称为混凝土的弹性模量，用符号Ec表示。根据大量试验统计结果，混凝土结构设计规范（GB 500102010）采用经验公式计算混凝土的弹性模量，即 2.2.22.2.2

13、混凝土的变形混凝土的弹性模量、变形模量混凝土的弹性模量、变形模量2.kcu,5c7 .342 . 210fE 混凝土的弹性模量2.2 2.2 混凝土混凝土 混凝土的应力与其弹塑性总应变之比称为混凝土的变形模量，用符号Ec表示。该值小于混凝土的弹性模量Ec。混凝土的变形模量Ec与弹性模量Ec的关系为ccvEE 2.2.22.2.2混凝土的变形混凝土的弹性模量、变形模量混凝土的弹性模量、变形模量2. 混凝土的变形模量2.2 2.2 混凝土混凝土混凝土在荷载长期作用下的变形混凝土在荷载长期作用下的变形徐变徐变3.(3)环境因素应力条件是指混凝土初始加荷应力和加载时混凝土的龄期，这是影响徐变的最主要因

14、素。（2）内在因素（1）应力条件 内在因素是指混凝土的组成成分和配比。环境因素是指养护和使用时的温度与湿度。 2.2.22.2.2混凝土的变形2.2 2.2 混凝土混凝土混凝土的收缩变形混凝土的收缩变形4.（1）内在因素。水泥强度高、用量多、水灰比大，则收缩量大；骨料粒径大、级配好、弹性模量大，则收缩量小；混凝土越密实，收缩量就越小。（2）环境影响。混凝土在养护和使用期间的环境湿度大，则收缩量小；采用高温蒸汽养护时，收缩量减小。 2.2.22.2.2混凝土的变形2.2 2.2 混凝土混凝土混凝土的温度变形混凝土的温度变形5. 混凝土随温度的升降会产生胀缩，这种现象称为温度变形。混凝土的温度线膨

15、胀系数c为（1.01.5）10-5/，混凝土结构设计规范（GB 500102010）取为1.010-5/，它与钢筋的线膨胀系数1.210-5/相近。因此，当温度发生变化时，在混凝土和钢筋之间引起的内应力很小，不会影响到钢筋与混凝土之间的黏结。但对结构构件来说，当温度应力过大时，则可能造成混凝土结构出现裂缝。 2.2.22.2.2混凝土的变形2.2 2.2 混凝土混凝土混凝土混凝土强度标准值强度标准值1. 2.2.32.2.3混凝土的设计指标fck 混凝土轴心抗压强度标准值ftk 混凝土轴心抗拉强度标准值2.2 2.2 混凝土混凝土混凝土混凝土强度设计值强度设计值2. 2.2.32.2.3混凝土

16、的设计指标fc 混凝土轴心抗压强度设计值ft 混凝土轴心抗拉强度设计值2.2 2.2 混凝土混凝土混凝土混凝土弹性模量弹性模量EcEc3. 2.2.32.2.3混凝土的设计指标混凝土强度等级混凝土强度等级C15C20C25C30C35C40C45EC2.202.552.803.003.153.253.35混凝土强度等级混凝土强度等级C50C55C60C65C70C75C80EC3.453.553.603.653.703.753.80表：混凝土弹性模量（104N/mm2）2.2.3 3 混凝土混凝土结构的耐久性结构的耐久性 混凝土的耐久性，与其抗渗、抗冻、抗冲刷、抗碳化和抗腐蚀等性能有密切关系。

17、为了保证混凝土的耐久性，根据建筑物所处环境条件的类别，满足不同的控制要求。环境条件划分为五个类别:环境类别环境类别条件条件一室内干燥环境；无侵蚀性静水浸没环境二a室内潮湿环境；非严寒和非寒冷地区的露天环境；非严寒和非寒冷地区与无侵蚀性的水或土壤直接接触的环境；严寒和寒冷地区的冰冻线以下与无侵蚀性的水或土壤直接接触的环境二b干湿交替环境；水位频繁变动环境；严寒和寒冷地区的露天环境；严寒和寒冷地区冰冻线以上与无侵蚀性的水或土壤直接接触的环境三a严寒和寒冷地区冬季水位变动区环境；受除冰盐影响环境；海风环境三b盐渍土环境；受除冰盐作用环境；海岸环境四海水环境五受人为或自然的侵蚀性物质影响的环境2.2.

18、4 4 钢筋与混凝土之间的钢筋与混凝土之间的粘结粘结 2.4.12.4.1钢筋与混凝土共同作用的基础(3)环境因素因水泥颗粒的水化作用形成的凝胶体对钢筋表面产生的胶结力。（2）内在因素（1）胶结力。 因混凝土结硬时体积收缩，将钢筋紧紧握裹而产生的摩擦力。由于钢筋表面的凹凸不平而与混凝土之间产生的机械咬合力。2.2.4 4 钢筋与混凝土之间的钢筋与混凝土之间的粘结粘结 2.4.22.4.2钢筋的锚固yabtfldfablyftfd1.1.钢筋的锚固长度钢筋的锚固长度钢筋的锚固是指通过混凝土中钢筋埋置段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。为了保证钢筋在混凝土中锚固可靠，设计时应该

19、使钢筋在混凝土中有足够的锚固长度。混凝土结构中纵向受拉钢筋的基本锚固长度基本锚固长度为：受拉钢筋的基本锚固长度；普通钢筋、预应力筋的抗拉强度设计值；混凝土轴心抗拉强度设计值，当混凝土强度等级高于C60时，按C60取值；锚固钢筋的直径；锚固钢筋的外形系数，按表取用。2.2.4 4 钢筋与混凝土之间的钢筋与混凝土之间的粘结粘结 2.4.22.4.2钢筋的锚固aa abllala 受拉钢筋的锚固长度应根据具体锚固条件按下式计算，且不应小于200mm：受拉钢筋的锚固长度；锚固长度修正系数。钢筋类型光面钢筋带肋钢筋刻痕钢筋螺旋肋钢筋三股钢绞线七股钢绞线0.160.140.190.130.160.17表 钢筋的外形系数2.2.4 4 钢筋与混凝土之间的钢筋与混凝土之间的粘结粘结 2.4.22.4.2钢筋的锚固钢筋弯钩和机械锚固的形式和技术要求钢筋弯钩和机械锚固的形式和技术要求 钢筋弯钩和机械锚固的形式和技术要求应符合下图规定。 2.2.4 4 钢筋与混凝土之间的钢筋与混凝土之间的粘结粘结 2.4.32.4.3钢筋的连接 钢筋的接头可分为三种：绑扎搭接、机械连接或焊接。接头宜设在受力较小处，同一根