第三章 钢筋混凝土材料力学性质

1、第二章 钢筋和混凝土的材料性能2 钢筋混凝土材料的力学性能第二章 钢筋和混凝土的材料性能第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.1 2.1 钢筋的形式和品种钢筋的形式和品种1 钢筋的成分钢筋的成分（1）碳素钢：）碳素钢：低碳钢低碳钢（含（含C量少于量少于0.25%）；）；高碳钢高碳钢（含（含C量量0.6%-1.4%）。）。*钢筋含钢筋含C量越高强度越高，但塑性和可焊性降低。量越高强度越高，但塑性和可焊性降低。（2）普通低合金钢）普通低合金钢：在钢材中除在钢材中除C元素外加入元素外加入Mn（锰）、（锰）、Si（硅）、（硅）、V（矾）、（矾）、Nb（铌）、（铌）、Ti（钛）、（钛）、Cr（铬）等合金元（

2、铬）等合金元素，既能使钢筋的强度提高，又能保持一定的塑性。素，既能使钢筋的强度提高，又能保持一定的塑性。第二章 钢筋和混凝土的材料性能第二章 钢筋和混凝土的材料性能2 钢筋的品种和级别钢筋的品种和级别第二章 钢筋和混凝土的材料性能（1）热轧钢筋：）热轧钢筋：第二章 钢筋和混凝土的材料性能第二章 钢筋和混凝土的材料性能第二章 钢筋和混凝土的材料性能RRB400 （KL400）级(级) （钢筋混凝土用余热处理钢筋GB1499-1998）钢筋强度太高，不适宜作为钢钢筋强度太高，不适宜作为钢筋混凝土构件中的配筋，一般冷拉后作预应力筋。筋混凝土构件中的配筋，一般冷拉后作预应力筋。第二章 钢筋和混凝土的材

3、料性能第二章 钢筋和混凝土的材料性能（2）冷拉钢筋：）冷拉钢筋：由热轧钢筋和盘条经冷拉、冷拔、冷轧、冷扭由热轧钢筋和盘条经冷拉、冷拔、冷轧、冷扭加工后而成。加工后而成。l冷加工的目的：冷加工的目的：为了提高钢筋的强度，节约钢材。为了提高钢筋的强度，节约钢材。但经冷加但经冷加工后，钢筋的延伸率降低。工后，钢筋的延伸率降低。近年来，冷加工钢筋的品种很多，近年来，冷加工钢筋的品种很多，应根据专门规程使用。应根据专门规程使用。（3）钢丝、钢绞线：）钢丝、钢绞线：高强钢丝（高强钢丝（1570Mpa、1860Mpa），中强），中强钢丝（钢丝（800-1370Mpa），钢绞线（），钢绞线（1570Mpa、1

4、860Mpa，分，分为为7股、股、3股等）。股等）。第二章 钢筋和混凝土的材料性能第二章 钢筋和混凝土的材料性能（4）热处理钢筋：）热处理钢筋：是将是将级钢筋通过级钢筋通过加热、淬火和回火加热、淬火和回火等调质等调质工艺处理，使强度得到较大幅度的提高，而延伸率降低不多。工艺处理，使强度得到较大幅度的提高，而延伸率降低不多。用于预应力混凝土结构。用于预应力混凝土结构。第二章 钢筋和混凝土的材料性能第二章 钢筋和混凝土的材料性能柔性钢筋和劲性钢筋柔性钢筋和劲性钢筋(1)劲性钢筋：劲性钢筋：由各种型钢或型钢与钢筋焊成骨架，施工由各种型钢或型钢与钢筋焊成骨架，施工时模板及混凝土的重量由钢筋本身承担。时

5、模板及混凝土的重量由钢筋本身承担。 (2)柔性钢筋：柔性钢筋：由钢筋经绑扎或焊接成钢筋网及空间骨架，由钢筋经绑扎或焊接成钢筋网及空间骨架，便于固定在模板中浇注混凝土。便于固定在模板中浇注混凝土。第二章 钢筋和混凝土的材料性能第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 2.2 钢筋的力学性能钢筋的力学性能1 1 钢筋的应力钢筋的应力- -应变关系应变关系 Stress-Strain Relation 有明显屈服点的钢筋（软钢）有明显屈服点的钢筋（软钢） 第二章 钢筋和混凝土的材料性能残余变形r弹性变形e第二章 钢筋和混凝土的材料性能 比例极限比例极限，应力和应变成比例，卸，应力和应变成比例，卸荷后应变

6、恢复为零，荷后应变恢复为零， 弹性极限弹性极限，超过比例极限后应变增，超过比例极限后应变增长速度比应力增长速度略快，但卸长速度比应力增长速度略快，但卸荷后应变仍能恢复为零，荷后应变仍能恢复为零， 上屈服点上屈服点（其值不够稳定），（其值不够稳定）， 下屈服点下屈服点（其值稳定），对有明显（其值稳定），对有明显屈服点的钢筋，下屈服点的应力值屈服点的钢筋，下屈服点的应力值称为钢筋的称为钢筋的屈服强度屈服强度或或流限流限， 屈服台阶屈服台阶或或流幅流幅， 强化阶段强化阶段，d点的应力称为点的应力称为极限抗极限抗拉强度拉强度， 颈缩阶段。颈缩阶段。第二章 钢筋和混凝土的材料性能残余变形r弹性变形e第二

7、章 钢筋和混凝土的材料性能几个指标：几个指标：屈服强度屈服强度：是钢筋强度的设计依据是钢筋强度的设计依据。？。？因为钢筋屈服后将发生很大的塑性变形，且卸载时这部分变形因为钢筋屈服后将发生很大的塑性变形，且卸载时这部分变形不不可恢复可恢复，这会使钢筋混凝土构件产生很大的变形和不可闭合的裂，这会使钢筋混凝土构件产生很大的变形和不可闭合的裂缝。缝。延延 伸伸 率：率：钢筋拉断后的伸长值与原长的比率，是反映钢筋塑性钢筋拉断后的伸长值与原长的比率，是反映钢筋塑性性能的指标。延伸率大的钢筋，在拉断前有足够预兆，延性较好。性能的指标。延伸率大的钢筋，在拉断前有足够预兆，延性较好。/115 or 101lll

8、屈屈 强强 比：比：反映钢筋的强度储备，反映钢筋的强度储备，fy/fu=0.60.7。在抗震结构中：在抗震结构中： fy/fu不小于不小于0.8残余变形r弹性变形e第二章 钢筋和混凝土的材料性能第二章 钢筋和混凝土的材料性能有明显屈服点钢筋的应力有明显屈服点钢筋的应力- -应变关系应变关系一般可采用双线性的一般可采用双线性的理想弹塑性理想弹塑性关系关系 syyyEf fy y1Es钢筋的弹性模量(N/mm2)种 类EsHPB235 级钢筋2.1105HRB335 级钢筋、HRB400 级钢筋、RRB400 级钢筋、热处理钢筋2.0105消除应力钢丝、螺旋肋钢丝、刻痕钢丝2.05105钢绞线1.

9、95105第二章 钢筋和混凝土的材料性能第二章 钢筋和混凝土的材料性能（2）无明显屈服点的钢筋（硬钢）无明显屈服点的钢筋（硬钢）a点：比例极限，约为点：比例极限，约为0.65fua点前：应力点前：应力-应变关系为线弹性应变关系为线弹性a点后：应力点后：应力-应变关系为非线性，应变关系为非线性，有一定塑性变形，且没有明显的屈有一定塑性变形，且没有明显的屈服点服点强度设计指标强度设计指标条件屈服点条件屈服点(Equivalent yield point)残余应变为残余应变为0.2%所对应的应力所对应的应力规范取规范取 0.2 =0.85 fu第二章 钢筋和混凝土的材料性能第二章 钢筋和混凝土的材料

10、性能2.3 2.3 钢筋的冷加工和热处理钢筋的冷加工和热处理钢筋的冷加工（冷拉、冷拔、冷轧、冷轧扭）钢筋的冷加工（冷拉、冷拔、冷轧、冷轧扭）（1）冷拉）冷拉u 冷拉（所有冷加工钢筋）一般情况下不能焊接，如必须焊接，冷拉（所有冷加工钢筋）一般情况下不能焊接，如必须焊接，应先焊后拉。应先焊后拉。 冷拉只能提高钢材的抗拉强度冷拉只能提高钢材的抗拉强度第二章 钢筋和混凝土的材料性能第二章 钢筋和混凝土的材料性能（2）冷拔）冷拔*冷拔可同时提高钢筋的抗拉屈服强度和抗压屈服强度。冷拔可同时提高钢筋的抗拉屈服强度和抗压屈服强度。(3) 冷轧：冷轧带肋钢筋冷轧：冷轧带肋钢筋(4) 冷轧扭：冷轧扭钢筋冷轧扭：冷

11、轧扭钢筋2.钢筋的热处理钢筋的热处理 对某些特定钢号（对某些特定钢号（40Si2Mn、48Si2Mn、45Si2Cr）的热轧钢）的热轧钢筋进行淬火和回火处理，钢筋强度大幅度提高，并保留较好的塑筋进行淬火和回火处理，钢筋强度大幅度提高，并保留较好的塑性和韧性，成为较理想的预应力钢筋。性和韧性，成为较理想的预应力钢筋。 第二章 钢筋和混凝土的材料性能第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.4 对钢筋质量的要求对钢筋质量的要求1 强度强度 钢筋的钢筋的屈服强度屈服强度是设计依据，是设计依据，极限强度极限强度表示钢筋拉断时的实表示钢筋拉断时的实际强度。际强度。2 塑性塑性（1）伸长率（伸长率越大，表示钢筋塑

12、性或延性越好）伸长率（伸长率越大，表示钢筋塑性或延性越好）钢筋的断后伸长率：钢筋的断后伸长率：（2）冷弯性能）冷弯性能111lll 第二章 钢筋和混凝土的材料性能第二章 钢筋和混凝土的材料性能 =90,180 ,反复弯曲反复弯曲要要求：冷弯过程中无裂缝、鳞求：冷弯过程中无裂缝、鳞落或断裂。落或断裂。D 愈小，要求愈高。愈小，要求愈高。反复次数愈高，要求愈高。反复次数愈高，要求愈高。Dd 冷弯是检验钢筋局部变形能力的指标。冷弯是检验钢筋局部变形能力的指标。钢筋塑性愈好，构件破坏前预兆愈明显。钢筋塑性愈好，构件破坏前预兆愈明显。 冷弯冷弯第二章 钢筋和混凝土的材料性能第二章 钢筋和混凝土的材料性能

13、*对有明显屈服点的钢筋：检验对有明显屈服点的钢筋：检验屈服强度、极限抗拉强度、伸长屈服强度、极限抗拉强度、伸长率、冷弯性能率、冷弯性能四项指标，四项指标，*对没有明显屈服点的钢筋：只须检验对没有明显屈服点的钢筋：只须检验极限抗拉强度、伸长率、极限抗拉强度、伸长率、冷弯性能冷弯性能三项指标。三项指标。 可焊性可焊性 第二章 钢筋和混凝土的材料性能第二章 钢筋和混凝土的材料性能l 松弛：松弛：钢筋受力后，若保持长度不变，其应力随时间钢筋受力后，若保持长度不变，其应力随时间增长而降低的现象。增长而降低的现象。l 钢筋的疲劳：钢筋的疲劳：指钢筋在重复、周期荷载作用下，经指钢筋在重复、周期荷载作用下，经

14、过一定次数后，从塑性破坏的性质转变为脆性突然过一定次数后，从塑性破坏的性质转变为脆性突然断裂的现象。断裂的现象。l 蠕变：蠕变：钢筋钢筋在高应力作用下在高应力作用下，随时间的增长其应变，随时间的增长其应变继续增长的现象为蠕变。继续增长的现象为蠕变。2.52.5钢筋的蠕变、松弛和疲劳钢筋的蠕变、松弛和疲劳第二章 钢筋和混凝土的材料性能第二章 钢筋和混凝土的材料性能v 钢筋的直径钢筋的直径常用：常用： 6mm，6.5mm，8mm，8.2mm，10mm，12mm， 14mm，16mm，18mm，20mm，22mm，25mm， 28mm，32mm，36mm，40mm，50mm。其中，其中， 8.2mm

15、仅适用有纵肋的热处理钢筋。仅适用有纵肋的热处理钢筋。v 钢筋的选用钢筋的选用d=650mm第二章 钢筋和混凝土的材料性能第二章 钢筋和混凝土的材料性能公路桥涵应按下列规定采用：公路桥涵应按下列规定采用：1.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HRB300、HRB335、HRB400及及KL400钢筋，预应力混凝土构钢筋，预应力混凝土构件中的箍筋应选用其中的带肋钢筋；按构造要求配置的钢筋网件中的箍筋应选用其中的带肋钢筋；按构造要求配置的钢筋网可采用冷轧带肋钢筋。可采用冷轧带肋钢筋。2.预应力混凝土构件中的预应力钢筋应选用钢绞线、钢丝

16、；中预应力混凝土构件中的预应力钢筋应选用钢绞线、钢丝；中小型构件或竖、横向预应力钢筋，也可选用精轧螺纹钢筋。小型构件或竖、横向预应力钢筋，也可选用精轧螺纹钢筋。注意：注意：上述上述“钢筋钢筋”系指系指普通钢筋普通钢筋和和预应力钢筋预应力钢筋的统称，的统称，“普通钢筋普通钢筋”指钢筋混凝土构件中钢筋和预应力混凝土构件中指钢筋混凝土构件中钢筋和预应力混凝土构件中的的非非预应力钢筋。预应力钢筋。第二章 钢筋和混凝土的材料性能第二章 钢筋和混凝土的材料性能第二章 钢筋和混凝土的材料性能规范根据强度范围，规范根据强度范围，从从C15C80共划分为共划分为14个强度等级个强度等级，级差为级差为5N/mm2

17、。与原规范与原规范GBJ10-89相比，混凝土强度等级范围由相比，混凝土强度等级范围由C60提提高到高到C80，C50以上为以上为高强混凝土高强混凝土。非标准试块强度换算系数：非标准试块强度换算系数： 200mm200mm200mm:1.05； 100mm100mm100mm:0.95。 2.6 2.6 混凝土的强度等级混凝土的强度等级第二章 钢筋和混凝土的材料性能第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.7 2.7 混凝土的强度混凝土的强度(Strength of concrete)(Strength of concrete)1、立方体抗压强度（强度等级）（、立方体抗压强度（强度等级）（ Stren

18、gth Grade ） 混凝土结构中，混凝土结构中，主要是利用它的主要是利用它的抗压强度抗压强度(Compressive Strength) )。因此抗压强度是混凝土力学性能中最主要和最基本。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。的指标。混凝土的强度等级是用抗压强度来划分的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混凝土强度等级：边长：边长150mm立方体标准试件，在立方体标准试件，在标准条件标准条件下下203，90%湿度湿度(Degree of humidity)养护养护(curing)28天，天，用用标准试验方法标准试验方法（加载速度（加载速度0.150.3N/mm2

19、/sec，两端不涂润滑，两端不涂润滑剂剂(lubricant)）测得的）测得的具有具有95%保证率保证率的立方体抗压强度的立方体抗压强度(Cube Strength)，用符号，用符号C表示。表示。 C30：fcu,k=30N/mm2 第二章 钢筋和混凝土的材料性能第二章 钢筋和混凝土的材料性能美国、日本、加拿大等国家，采用圆柱体（直径美国、日本、加拿大等国家，采用圆柱体（直径150mm，高高300 mm）标准试件测定的抗压强度来划分强度等级，符）标准试件测定的抗压强度来划分强度等级，符号记为号记为 fc。圆柱体强度圆柱体强度( Cylinder strength )与我国标准立方体抗压强度与我

20、国标准立方体抗压强度( Unfactored cube strength )的换算关系为，的换算关系为，cucff)81. 079. 0(立方体和圆柱体抗压试验都不能代表混凝土在实际构件中的立方体和圆柱体抗压试验都不能代表混凝土在实际构件中的受力状态，只是用来在同一标准条件下比较混凝土强度水平受力状态，只是用来在同一标准条件下比较混凝土强度水平和品质的标准（和品质的标准（制作、测试方便制作、测试方便）。）。第二章 钢筋和混凝土的材料性能第二章 钢筋和混凝土的材料性能2、轴心抗压强度、轴心抗压强度Axial Compressive Strength 轴心抗压强度采用棱柱体试件轴心抗压强度采用棱柱

21、体试件(Prism sample)测定，用符号测定，用符号fc表示，它比较接近实际构件中混凝土的受压情况。棱柱体试件表示，它比较接近实际构件中混凝土的受压情况。棱柱体试件高宽比一般为高宽比一般为h/b=34，国家标准普通混凝土力学性能试验国家标准普通混凝土力学性能试验方法规定采用方法规定采用100100300试件。试件。fckfcu,kh b1.00.5012345bbh第二章 钢筋和混凝土的材料性能0012ccccuff 脆性影响脆性影响系数系数 棱柱体强度棱柱体强度与立方体强与立方体强度之比值度之比值对于同一混凝土，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小于立方体抗

22、压强度。棱柱体抗压强度和立方体抗压强度的换算关系为：棱柱体抗压强度和立方体抗压强度的换算关系为：第二章 钢筋和混凝土的材料性能第二章 钢筋和混凝土的材料性能混凝土混凝土强度强度等级等级C40C45C50C55C60C65C70C75C80 c10.760.760.760.770.780.790.800.810.82 c21.000.9840.9680.9510.9350.9190.9030.8870.87 c1 和和 c2 值值第二章 钢筋和混凝土的材料性能第二章 钢筋和混凝土的材料性能第二章 钢筋和混凝土的材料性能 规范对混凝土试件强度取修正系数规范对混凝土试件强度取修正系数0.88，则结构

23、中混凝土轴，则结构中混凝土轴心抗压强度平均值心抗压强度平均值fc0为：为：00120.88ccccuff 在钢筋混凝土结构中，计算轴心受压构件时，要采用混凝土的在钢筋混凝土结构中，计算轴心受压构件时，要采用混凝土的轴心抗压强度。轴心抗压强度。第二章 钢筋和混凝土的材料性能第二章 钢筋和混凝土的材料性能3、轴心抗拉强度、轴心抗拉强度Axial Tensile Strength也是其基本力学性能，用符号也是其基本力学性能，用符号 ft 表示。混凝土构件开裂、裂缝、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。变形，以及受剪、受扭、受冲切等的承载力均与抗拉强度有

24、关。 500 150 15010016轴心受拉试验0102030405060708090100123456 ft fcuGBJ10-89 规范轴心受拉强度与立方体强度间的换算关系3/226. 0cutff 00.5520.395tcucff第二章 钢筋和混凝土的材料性能第二章 钢筋和混凝土的材料性能劈拉试验PaP拉压压由于轴心受拉试验对中困难，也常常采用立方体或圆柱体劈拉由于轴心受拉试验对中困难，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试验测定混凝土的抗拉强度(Splitting Strength )第二章 钢筋和混凝土的材料性能第二章 钢筋和混凝土的材料性能考虑到结构中混凝土的工

25、作条件与试件的工作条件的差异，规考虑到结构中混凝土的工作条件与试件的工作条件的差异，规范乘以修正系数范乘以修正系数0.88，则结构中混凝土轴心抗拉强度值，则结构中混凝土轴心抗拉强度值ft0为：为：00.550.55220.88 0.3950.348tcuccucfff各个强度等级混凝土的轴心抗压、轴心抗拉强度，我国规范已各个强度等级混凝土的轴心抗压、轴心抗拉强度，我国规范已经给出具体设计计算数值，进行结构计算时，可以直接查用。经给出具体设计计算数值，进行结构计算时，可以直接查用。第二章 钢筋和混凝土的材料性能第二章 钢筋和混凝土的材料性能第二章 钢筋和混凝土的材料性能第二章 钢筋和混凝土的材料

26、性能三轴应力状态三轴应力状态 Triaxial Stress State三轴应力状态有多种组合，实际工程遇到较多的螺旋箍筋柱和三轴应力状态有多种组合，实际工程遇到较多的螺旋箍筋柱和钢管混凝土柱中的混凝土为三向受压状态。一般采用圆柱体在钢管混凝土柱中的混凝土为三向受压状态。一般采用圆柱体在等侧压条件下的试验测定抗压强度。等侧压条件下的试验测定抗压强度。第二章 钢筋和混凝土的材料性能第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.8荷载作用下混凝土的变形性能荷载作用下混凝土的变形性能不涂润滑剂不涂润滑剂涂润滑剂涂润滑剂混凝土的破坏机理混凝土的破坏机理第二章 钢筋和混凝土的材料性能02468102030(MPa)

27、 10-3第二章 钢筋和混凝土的材料性能混凝土在结硬过程中，混凝土在结硬过程中，由于水泥石的收缩、骨由于水泥石的收缩、骨料下沉以及温度变化等料下沉以及温度变化等原因，在骨料和水泥石原因，在骨料和水泥石的界面上形成很多的界面上形成很多微裂微裂缝缝 Micro-fissure，成为，成为混凝土中的薄弱部位。混凝土中的薄弱部位。混凝土的最终破坏就是混凝土的最终破坏就是由于这些微裂缝的发展由于这些微裂缝的发展造成的。造成的。BACED第二章 钢筋和混凝土的材料性能02468102030(MPa) 10-3第二章 钢筋和混凝土的材料性能AA点以前点以前，微裂缝没有，微裂缝没有明显发展，混凝土的变明显发展

28、，混凝土的变形主要是弹性变形，应形主要是弹性变形，应力力-应变关系近似为直应变关系近似为直线。线。A点应力随混凝土点应力随混凝土强度的提高而增加，对强度的提高而增加，对普通强度混凝土普通强度混凝土 A约为约为 (0.30.4)fc ，对高强混，对高强混凝土凝土 A可达可达(0.50.7)fc。BCED第二章 钢筋和混凝土的材料性能02468102030(MPa) 10-3第二章 钢筋和混凝土的材料性能BAA点以后点以后，由于微裂缝，由于微裂缝处的应力集中，裂缝开处的应力集中，裂缝开始有所延伸发展，产生始有所延伸发展，产生部分塑性变形，应变增部分塑性变形，应变增长开始加快，应力长开始加快，应力-

29、应应变曲线逐渐偏离直线。变曲线逐渐偏离直线。微裂缝的发展导致混凝微裂缝的发展导致混凝土的土的横向变形增加横向变形增加 Expansion。但该阶段。但该阶段微裂缝的发展是稳定的。微裂缝的发展是稳定的。CED第二章 钢筋和混凝土的材料性能02468102030(MPa) 10-3第二章 钢筋和混凝土的材料性能BA达到达到B点，内部一些微点，内部一些微裂缝相互连通，裂缝发裂缝相互连通，裂缝发展已不稳定，横向变形展已不稳定，横向变形突然增大，体积应变开突然增大，体积应变开始由压缩转为增加。在始由压缩转为增加。在此应力的长期作用下，此应力的长期作用下，裂缝会持续发展最终导裂缝会持续发展最终导致破坏。取

30、致破坏。取B点的应力点的应力作为混凝土的作为混凝土的长期抗压长期抗压强度强度。普通强度混凝土。普通强度混凝土 B约为约为0.8fc，高强度混，高强度混凝土凝土 B可达可达0.95fc以上。以上。CED第二章 钢筋和混凝土的材料性能02468102030(MPa) 10-3第二章 钢筋和混凝土的材料性能BACED达到达到C点点fc，内部微裂缝，内部微裂缝连通形成破坏面，应变连通形成破坏面，应变增长速度明显加快，增长速度明显加快，C点的纵向应变值称为点的纵向应变值称为峰峰值应变值应变 0，约为约为0.002。纵向应变发展达到纵向应变发展达到D点，点，内部裂缝在试件表面出内部裂缝在试件表面出现第一条

31、可见平行于受现第一条可见平行于受力方向的纵向裂缝。力方向的纵向裂缝。第二章 钢筋和混凝土的材料性能02468102030(MPa) 10-3第二章 钢筋和混凝土的材料性能BACED随应变增长，试件上相随应变增长，试件上相继出现多条不连续的纵继出现多条不连续的纵向裂缝，横向变形急剧向裂缝，横向变形急剧发展，承载力明显下降。发展，承载力明显下降。第二章 钢筋和混凝土的材料性能02468102030(MPa) 10-3第二章 钢筋和混凝土的材料性能BACED混凝土骨料与砂浆的粘混凝土骨料与砂浆的粘结不断遭到破坏，裂缝结不断遭到破坏，裂缝连通形成斜向破坏面。连通形成斜向破坏面。E点的应变点的应变 =

32、(23) 0，应力应力 = (0.40.6) fc。第二章 钢筋和混凝土的材料性能02468102030(MPa) 10-3第二章 钢筋和混凝土的材料性能BACEDE点以后，纵向裂缝形成点以后，纵向裂缝形成一斜向破坏面，此破坏面一斜向破坏面，此破坏面受正应力和剪应力的作用受正应力和剪应力的作用继续扩展，形成一破坏带。继续扩展，形成一破坏带。此时试件的强度由斜向破此时试件的强度由斜向破坏面上的骨料间的摩阻力坏面上的骨料间的摩阻力提供。提供。随应变继续发展，随应变继续发展，摩阻力和粘结力不断下降，摩阻力和粘结力不断下降，但即使在很大的应变下，但即使在很大的应变下，骨料间仍有一定摩阻力，骨料间仍有一

33、定摩阻力，残余强度，约为残余强度，约为(0.10.4) fc。第二章 钢筋和混凝土的材料性能第二章 钢筋和混凝土的材料性能由上述混凝土的破坏机理可知，由上述混凝土的破坏机理可知，微裂缝的发展导致横向变微裂缝的发展导致横向变形的增大。形的增大。对横向变形加以约束对横向变形加以约束(Lateral Constraint )，就可，就可以限制微裂缝的发展，从而可提高混凝土的抗压强度。立以限制微裂缝的发展，从而可提高混凝土的抗压强度。立方体试件受约束范围大，而棱柱体试件中部未受约束，因方体试件受约束范围大，而棱柱体试件中部未受约束，因此造成了不同受压试件强度的差别和破坏形态的不同。此造成了不同受压试件

34、强度的差别和破坏形态的不同。第二章 钢筋和混凝土的材料性能第二章 钢筋和混凝土的材料性能了解混凝土的破坏机理，不仅可以解释各种不同试验混凝土强了解混凝土的破坏机理，不仅可以解释各种不同试验混凝土强度的差别，还可以通过约束混凝土的度的差别，还可以通过约束混凝土的横向变形横向变形来提高混凝土的来提高混凝土的抗压强度。如图采用配置螺旋箍筋形成所谓抗压强度。如图采用配置螺旋箍筋形成所谓“约束混凝土约束混凝土”，可显著提高混凝土的抗压强度，并且可以提高混凝土变形能力。可显著提高混凝土的抗压强度，并且可以提高混凝土变形能力。螺旋箍筋约束混凝土螺旋箍筋约束混凝土第二章 钢筋和混凝土的材料性能螺旋箍筋约束混凝

35、土螺旋箍筋约束混凝土第二章 钢筋和混凝土的材料性能由螺旋箍筋约束混凝土的应力由螺旋箍筋约束混凝土的应力-应变曲线可见，应变曲线可见，当应力较小时当应力较小时，横向变形很小，箍筋的约束作用不明显；横向变形很小，箍筋的约束作用不明显；当应力超过当应力超过B点的应力点的应力时时，由于混凝土的横向变形开始显著增大，侧向膨胀使螺旋箍筋，由于混凝土的横向变形开始显著增大，侧向膨胀使螺旋箍筋产生环向拉应力，其反作用力使混凝土的横向变形受到约束，从产生环向拉应力，其反作用力使混凝土的横向变形受到约束，从而使混凝土的而使混凝土的强度强度和和变形能力变形能力都得到提高。都得到提高。第二章 钢筋和混凝土的材料性能第

36、二章 钢筋和混凝土的材料性能“约束混凝土约束混凝土(Confined Concrete) )”的概念在工程中的概念在工程中许多地方都有应用，如螺旋箍筋柱、后张法预应力锚许多地方都有应用，如螺旋箍筋柱、后张法预应力锚具下局部受压区域配置的钢筋网或螺旋筋等。具下局部受压区域配置的钢筋网或螺旋筋等。钢管混凝土钢管混凝土(Concrete Filled Tube)对内部混凝土的约对内部混凝土的约束效果更好，因此近年来在我国工程中得到许多应用。束效果更好，因此近年来在我国工程中得到许多应用。约束混凝土可以提高混凝土的强度，约束混凝土可以提高混凝土的强度，但更值得注意的但更值得注意的是可以提高混凝土的是可

37、以提高混凝土的变形能力变形能力(Deformation Capacity)，这一点对于抗震结构非常重要。这一点对于抗震结构非常重要。在抗震结构对于可能出现塑性铰的区域，均要求加密在抗震结构对于可能出现塑性铰的区域，均要求加密箍筋配置来提高构件的变形能力，达到箍筋配置来提高构件的变形能力，达到坏而不倒坏而不倒的目的目的。的。第二章 钢筋和混凝土的材料性能第二章 钢筋和混凝土的材料性能1.1.混凝土的应力混凝土的应力- -应变关系应变关系Stress- strain Stress- strain RelationshipRelationship 混凝土单轴受力时的应力混凝土单轴受力时的应力-应变关

38、系反映了混凝土受力全过程应变关系反映了混凝土受力全过程的重要力学特征的重要力学特征是分析混凝土构件应力、建立承载力和变形计是分析混凝土构件应力、建立承载力和变形计算理论的必要依据算理论的必要依据，也是利用计算机进行非线性分析的基础。，也是利用计算机进行非线性分析的基础。 混凝土单轴受压应力混凝土单轴受压应力-应变关系曲线，常采用棱柱体试件来应变关系曲线，常采用棱柱体试件来测定。测定。 在普通试验机上采用在普通试验机上采用等应力速度等应力速度加载，达到轴心抗压加载，达到轴心抗压强度强度fc时，试验机中集聚的弹性应变能大于试件所能吸收的应时，试验机中集聚的弹性应变能大于试件所能吸收的应变能，会导致

39、试件产生突然脆性破坏，变能，会导致试件产生突然脆性破坏，只能测得应力只能测得应力-应变曲应变曲线的线的上升段上升段(Ascending Curve)。 采用采用等应变速度等应变速度加载，或在试件旁附设高弹性元件与试件一加载，或在试件旁附设高弹性元件与试件一同受压，以吸收试验机内集聚的应变能，可以测得应力同受压，以吸收试验机内集聚的应变能，可以测得应力-应变应变曲线的曲线的下降段下降段(Descending Curve) 。第二章 钢筋和混凝土的材料性能第二章 钢筋和混凝土的材料性能第二章 钢筋和混凝土的材料性能第二章 钢筋和混凝土的材料性能不同强度混凝土的应力不同强度混凝土的应力- -应变关系

40、曲线应变关系曲线l强度等级越高，线弹性段强度等级越高，线弹性段越长，峰值应变也有所增越长，峰值应变也有所增大。大。l高强混凝土中，砂浆与骨高强混凝土中，砂浆与骨料的粘结很强，密实性好，料的粘结很强，密实性好，微裂缝很少，最后的破坏微裂缝很少，最后的破坏往往是骨料破坏，破坏时往往是骨料破坏，破坏时脆性越显著，下降段越陡。脆性越显著，下降段越陡。第二章 钢筋和混凝土的材料性能第二章 钢筋和混凝土的材料性能Hognestad建议的应力建议的应力-应变曲线应变曲线uuccff0000200 15. 010 200.0020.0038 fc0.15 fc0u第二章 钢筋和混凝土的材料性能第二章 钢筋和混

41、凝土的材料性能规范应力规范应力-应变关系应变关系上升段：)1 (1 0ncccf0下降段：ccfu050512(50)600.0020.5(50) 100.0033(50) 10cucuucunfff00.0010.0020.0030.00410203040506070C80C60C40C20规范混凝土应力-应变曲线参数fcuC50C60C70C80n21.831.671.500.0020.002050.00210.00215u0.00330.00320.00310.003第二章 钢筋和混凝土的材料性能影响混凝土应力影响混凝土应力应变曲线形状的因素应变曲线形状的因素: a).混凝土强度混凝土强

42、度 b).组成材料的性质及配合比组成材料的性质及配合比 c).试验方法试验方法: 如如:加荷速度加荷速度 d).约束情况约束情况: 如如:横向钢筋的约束横向钢筋的约束第二章 钢筋和混凝土的材料性能第二章 钢筋和混凝土的材料性能第二章 钢筋和混凝土的材料性能3 3、混凝土的弹性模量、混凝土的弹性模量 Modulus of ElasticityEc= tan 原点切线模量原点切线模量Initial Modulus0ddEcEc= tan 割线模量割线模量Secant ModuluscEEc= tan 切线模量切线模量Tangent ModulusddEc el第二章 钢筋和混凝土的材料性能第二章

43、钢筋和混凝土的材料性能弹性模量测定方法弹性模量测定方法0.5fc510 次5210(N/mm )34.72.2ccuEfcccE取取10次加载循环后应力次加载循环后应力差与应变差的比值差与应变差的比值弹性模量与抗压强度弹性模量与抗压强度之间的关系之间的关系第二章 钢筋和混凝土的材料性能混凝土的泊松比和剪切模量混凝土的泊松比和剪切模量混凝土的泊松比，在压力较小时为0.150.18，接近破坏时可达0.5以上，一般可取0.2混凝土的剪切模量：混凝土的剪切模量：0.42(1)ccccEGE第二章 钢筋和混凝土的材料性能第二章 钢筋和混凝土的材料性能第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.92.9混凝土的收缩

44、和徐变混凝土的收缩和徐变Shrinkage and Creep1 1、混凝土的徐变、混凝土的徐变 Creep: Creep:在荷载在荷载长期长期作用下，混凝土的作用下，混凝土的变变形形随时间而随时间而徐徐增长徐徐增长的现象。的现象。徐变的特点徐变的特点：u开始增长较快，以后逐渐减慢，最后趋于稳定。开始增长较快，以后逐渐减慢，最后趋于稳定。 混凝土的徐变混凝土的徐变 第二章 钢筋和混凝土的材料性能第二章 钢筋和混凝土的材料性能u在应力（在应力（0.5fc）作用瞬间，首先产生瞬时）作用瞬间，首先产生瞬时弹性应变弹性应变 ce 。u随荷载作用时间的延续，变形不断增长，前随荷载作用时间的延续，变形不断

45、增长，前4个月徐变增长个月徐变增长较快，较快，6个月可达最终徐变的（个月可达最终徐变的（7080）%，以后增长逐渐缓，以后增长逐渐缓慢，慢，23年后趋于稳定。年后趋于稳定。u弹性后效：弹性后效：第二章 钢筋和混凝土的材料性能徐变的原因：徐变的原因：水泥凝胶体的黏性流动，使骨料应力增大。水泥凝胶体的黏性流动，使骨料应力增大。 混凝土中内部微裂缝的发展。混凝土中内部微裂缝的发展。 影响徐变的因素：影响徐变的因素： 应力的大小；应力的大小；应力大徐变小；应力大徐变小；混凝土的龄期；混凝土的龄期； 加荷时龄期长，徐变小；加荷时龄期长，徐变小；混凝土的制作、养护环境；混凝土的制作、养护环境； 温度、湿度

46、；温度、湿度；水灰比与水泥用量；水灰比与水泥用量；水泥用量多，徐变大；水泥用量多，徐变大；骨料用量及力学性能。骨料用量及力学性能。骨料强度高，用量多，徐变小；骨料强度高，用量多，徐变小；第二章 钢筋和混凝土的材料性能第二章 钢筋和混凝土的材料性能徐变对结构设计的影响：徐变对结构设计的影响： 使钢筋混凝土构件截面产生使钢筋混凝土构件截面产生内力重分布内力重分布； 使受弯构件和偏压构件的使受弯构件和偏压构件的变形加大变形加大 ； 使预应力混凝土构件产生使预应力混凝土构件产生预应力损失预应力损失 。第二章 钢筋和混凝土的材料性能第二章 钢筋和混凝土的材料性能第二章 钢筋和混凝土的材料性能2、混凝土的

47、收缩、混凝土的收缩 Shrinkage 混凝土混凝土在空气中在空气中硬化硬化(hardening)时体积会缩小，这种现象时体积会缩小，这种现象称为混凝土的收缩。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。收缩是混凝土在不受外力情况下体积变化产生的变形。 当这种自发的变形受到外部（支座）或内部（钢筋）的约当这种自发的变形受到外部（支座）或内部（钢筋）的约束时，束时，将使混凝土中产生拉应力，甚至引起混凝土的开裂。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。混凝土收缩会使预应力混凝土构件产生预应力损失。 某些某些对跨度比较敏感的

48、超静定结构对跨度比较敏感的超静定结构（如拱结构），收缩也（如拱结构），收缩也会引起不利的内力。会引起不利的内力。第二章 钢筋和混凝土的材料性能墙板干燥收缩裂缝与边框架的变形第二章 钢筋和混凝土的材料性能第二章 钢筋和混凝土的材料性能第二章 钢筋和混凝土的材料性能混凝土的收缩是随时间而增长的变形，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早期收缩变形发展较快，两周可完成全部收缩的快，两周可完成全部收缩的25%，一个月可完成，一个月可完成50%，以后，以后变形发展逐渐减慢，整个收缩过程可延续两年以上。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一般情况下，

49、最终收缩应变值约为(25)10-4 混凝土开裂应变为混凝土开裂应变为(0.52.7)10-414d 28dtsh(25)10-425%50%第二章 钢筋和混凝土的材料性能第二章 钢筋和混凝土的材料性能影响因素影响因素 混凝土的收缩受结构周围的温度、湿度、构件断面形状及混凝土的收缩受结构周围的温度、湿度、构件断面形状及尺寸、配合比、骨料性质、水泥性质、混凝土浇筑质量及养尺寸、配合比、骨料性质、水泥性质、混凝土浇筑质量及养护条件等许多因素有关。护条件等许多因素有关。u 水泥用量多、水灰比越大水泥用量多、水灰比越大，收缩越大，收缩越大u 骨料弹性模量高、级配好，收缩就小骨料弹性模量高、级配好，收缩就

50、小u 干燥失水及高温环境，收缩大干燥失水及高温环境，收缩大u 小尺寸构件收缩大，大尺寸构件收缩小小尺寸构件收缩大，大尺寸构件收缩小u 高强混凝土收缩大高强混凝土收缩大 影响收缩的因素多且复杂，要精确计算尚有一定的困难。影响收缩的因素多且复杂，要精确计算尚有一定的困难。减少收缩的措施：减少收缩的措施：限制水泥用量；减小水灰比；加强振捣和限制水泥用量；减小水灰比；加强振捣和养护；构造钢筋数量加强；设置变形缝；掺膨胀剂。养护；构造钢筋数量加强；设置变形缝；掺膨胀剂。第二章 钢筋和混凝土的材料性能混凝土的选用原则混凝土的选用原则v 钢筋混凝土结构中钢筋混凝土结构中 混凝土强度等级混凝土强度等级不应不应

51、低于低于C15。 用用HRB335级钢筋时，级钢筋时，不宜不宜低于低于C20； 用用HRB400和和RRB400级钢筋时，级钢筋时，不得不得低于低于C20。v 预应力混凝土结构中预应力混凝土结构中 混凝土强度等级不应低于混凝土强度等级不应低于C30。 当采用钢丝、钢绞线、热处理钢筋时，不宜低于当采用钢丝、钢绞线、热处理钢筋时，不宜低于C40。 第二章 钢筋和混凝土的材料性能1、表示严格，非这样做不可的用词：正面采用、表示严格，非这样做不可的用词：正面采用“必须必须”，反，反面采用面采用“禁止禁止”。2、表示严格，在正常情况下均应这样做，正面采用、表示严格，在正常情况下均应这样做，正面采用“应应

52、 ”，反面采用反面采用“不应不应”或或“不得不得”。3、表示允许稍有选择，在条件允许时首先这样做的词：正面、表示允许稍有选择，在条件允许时首先这样做的词：正面采用采用“宜宜 ”，反面采用，反面采用“不宜不宜”。表示有选择，在一定条件。表示有选择，在一定条件下可以这样做的，采用下可以这样做的，采用“可可” 。第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.10 2.10 钢筋与混凝土的粘结钢筋与混凝土的粘结 钢筋和混凝土之间的粘结，是保证钢筋和混凝土这两钢筋和混凝土之间的粘结，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。前提。粘结力的

53、定义及组成粘结力的定义及组成1.1.定义：定义：当钢筋于混凝土之间产生相对变形（滑移），当钢筋于混凝土之间产生相对变形（滑移），在钢筋和混凝土的交界面上产生沿钢筋轴线方向的相在钢筋和混凝土的交界面上产生沿钢筋轴线方向的相互作用力，此作用力称为粘结力。互作用力，此作用力称为粘结力。2.2.组成：组成：化学胶结力化学胶结力钢筋与混凝土接触面上的化学吸附钢筋与混凝土接触面上的化学吸附作用力（一般很小，一旦产生相对滑移即消失）。作用力（一般很小，一旦产生相对滑移即消失）。第二章 钢筋和混凝土的材料性能第二章 钢筋和混凝土的材料性能摩擦力摩擦力混凝土收缩后将钢筋紧握产生的摩擦混凝土收缩后将钢筋紧握产生的

54、摩擦力，钢筋表面越粗糙，摩擦力越大。（钢筋表面微锈力，钢筋表面越粗糙，摩擦力越大。（钢筋表面微锈摩擦力增加）。摩擦力增加）。机械咬合力机械咬合力钢筋表面凹凸不平与混凝土产生钢筋表面凹凸不平与混凝土产生的机械咬合作用（是变形钢筋粘结力的主要组成部的机械咬合作用（是变形钢筋粘结力的主要组成部分）。分）。 钢筋端部的锚固作用钢筋端部的锚固作用钢筋端部的弯钩、弯折，钢筋端部的弯钩、弯折，在钢筋端部焊短钢筋、短角钢等措施（布置不当，会在钢筋端部焊短钢筋、短角钢等措施（布置不当，会产生较大的钢筋与混凝土的相对滑移、混凝土内部裂产生较大的钢筋与混凝土的相对滑移、混凝土内部裂缝和局部混凝土破碎）。缝和局部混凝

55、土破碎）。粘结强度：粘结强度：钢筋单位表面积上所能承担的最大纵向剪应力。钢筋单位表面积上所能承担的最大纵向剪应力。第二章 钢筋和混凝土的材料性能第二章 钢筋和混凝土的材料性能第二章 钢筋和混凝土的材料性能第二章 钢筋和混凝土的材料性能第二章 钢筋和混凝土的材料性能ssdASdxsssssSdxAdA 得得上式表明，粘结应力上式表明，粘结应力使钢筋应力使钢筋应力s发生变化，或者说没有发生变化，或者说没有就不会有此就不会有此ds 。反之，没有钢筋应力的变化。反之，没有钢筋应力的变化就不存在就不存在。因此。因此 在构件中间距离在构件中间距离端部超过端部超过lt的各个截面上的各个截面上=0，s和和c均

56、不再改变。均不再改变。钢筋混凝土梁在荷载作用使混钢筋混凝土梁在荷载作用使混凝土凝土的下部受拉，粘结应力的下部受拉，粘结应力将混凝土将混凝土承受的部分拉力传给钢筋承受的部分拉力传给钢筋，使钢筋使钢筋受拉受拉。第二章 钢筋和混凝土的材料性能局部粘结：局部粘结：梁开裂后，混凝土开裂前承受的拉力通过粘结应力梁开裂后，混凝土开裂前承受的拉力通过粘结应力传传递给钢筋、从而使裂缝处钢筋应力增大、这种粘结应力递给钢筋、从而使裂缝处钢筋应力增大、这种粘结应力称为称为局部粘结应力局部粘结应力，其作用是使裂缝之间的混凝土参与，其作用是使裂缝之间的混凝土参与受拉。受拉。锚固粘结：锚固粘结：钢筋在支座处的锚固粘结应力是

57、构件承载力至关重要的钢筋在支座处的锚固粘结应力是构件承载力至关重要的因素。梁、柱和屋架的支座因素。梁、柱和屋架的支座. .受拉钢筋在支座处必须要有受拉钢筋在支座处必须要有足够的锚固长度才能通过在锚固长度上粘结应力的积累，足够的锚固长度才能通过在锚固长度上粘结应力的积累，受钢筋中建立能发挥钢筋强度的应力。如锚固粘结长度受钢筋中建立能发挥钢筋强度的应力。如锚固粘结长度不够，将会造成锚固粘结应力的丧失使构件提前破坏。不够，将会造成锚固粘结应力的丧失使构件提前破坏。 第二章 钢筋和混凝土的材料性能第二章 钢筋和混凝土的材料性能 钢筋的粘结性能钢筋的粘结性能 1.1.光面钢筋的粘结性能光面钢筋的粘结性能

58、粘结作用在钢筋与混凝土间出现粘结作用在钢筋与混凝土间出现相对滑移相对滑移前主要取决于前主要取决于化学胶着力化学胶着力，发生滑移后则由，发生滑移后则由摩擦力摩擦力和和机械咬合力机械咬合力提供。提供。粘结强度通常采用粘结强度通常采用标准拔出试件标准拔出试件来测定，设拔出力来测定，设拔出力为为F，钢筋中的总拉力，钢筋中的总拉力F=sAs，则钢筋与混凝土界面，则钢筋与混凝土界面上的平均粘结应力上的平均粘结应力为为F/(dl) 试验中可同时量测加荷端滑移和自由端滑移，由于试验中可同时量测加荷端滑移和自由端滑移，由于埋入长度埋入长度l较短较短。可认为达到最大荷载时粘结应力沿可认为达到最大荷载时粘结应力沿埋

59、长近乎相等，可用粘结破坏时的最大平均粘结应埋长近乎相等，可用粘结破坏时的最大平均粘结应力代表钢筋与混凝士的粘结强度。力代表钢筋与混凝士的粘结强度。 第二章 钢筋和混凝土的材料性能第二章 钢筋和混凝土的材料性能第二章 钢筋和混凝土的材料性能第二章 钢筋和混凝土的材料性能u上上图为典型的光面钢筋拔出试验曲线图为典型的光面钢筋拔出试验曲线(-sl曲线曲线)。u光面钢筋的粘结强度较低，光面钢筋的粘结强度较低，u=(0.41.4)ft，到达，到达最大粘结应力后，加荷端滑移最大粘结应力后，加荷端滑移sl急剧增大。曲线出现急剧增大。曲线出现下降段、试件的破坏是钢筋徐徐被拔出的剪切破坏下降段、试件的破坏是钢筋

60、徐徐被拔出的剪切破坏 ，滑移可达数毫米。滑移可达数毫米。u很大程度上取决于钢筋的表面状况，表面越凹很大程度上取决于钢筋的表面状况，表面越凹凸不平，则凸不平，则u越高。越高。u光面钢筋的主要问题是强度低滑移大。光面钢筋的主要问题是强度低滑移大。 第二章 钢筋和混凝土的材料性能第二章 钢筋和混凝土的材料性能l粘结强度仍由粘结强度仍由胶着力胶着力、摩擦力摩擦力和和机械咬合力机械咬合力组成。组成。但主要为但主要为机械咬合力机械咬合力。l钢筋开始钢筋开始滑移滑移后，粘结力主要由钢筋后，粘结力主要由钢筋凸肋凸肋对混凝土对混凝土的的斜向挤压力斜向挤压力和界面上的和界面上的摩擦力摩擦力组成。组成。l若钢筋外围