钢筋和混凝土材料的力学性能

钢筋和混混凝土材材料的力力学性能能为了合理理地进行行混凝土土结构设设计，需需要深入入地了解解混凝土土和钢筋筋的受力力性能。。对混凝凝土和钢钢筋力学性能能、相互作用用和共同工作作的了解，，是掌握握混凝土土结构构构件性能能并对其其进行分分析与设设计的基基础。概述述本章重点点熟悉土木木工程用用钢筋的的品种、、级别、、性能及及其选用用原则；；熟悉混凝土在在各种受受力状态态下的强强度与变变形性能能及其选选用原则则；了解钢筋与混混凝土的的粘结性性能。1.定义义：在混凝土土结构中中采用的的棒状、、丝状钢钢材。一、钢筋筋的物理理力学性性能一、钢筋筋的物理理力学性性能按化学成成分碳素钢（铁、碳碳、硅、、锰、硫硫、磷等等元素））低碳钢（（含碳量量<0.25%）中碳钢（（含碳量量0.25~0.6%）高碳钢（（含碳量量0.6~1.4%））普通低合合金钢（另加硅硅、锰、、钛、钒钒、铬等等）锰系硅钒系硅钛系硅锰系硅铬系2.钢钢筋的的成分、、级别和和品种含碳量越越高，强强度越高高，但塑塑性和可可焊性减减低钢筋热轧钢筋筋：由低碳钢钢和普通通低合金金钢在高高温状态态下轧制制而成冷加工钢钢筋：由热轧钢钢筋在常常温下用用机械加加工而成成热处理钢钢筋：将HRB400、RRB400钢筋筋通过加加热、淬淬火、回回火而成成按加工方方法钢丝碳素钢丝丝：钢筋通过过多次冷冷拔、应应力消除除、矫正正、回火火处理而而成刻痕钢丝丝：在钢丝表表面刻痕痕，以增增强其与与混凝土土间的粘粘结力钢绞线：：几根相同同直径的的钢丝成成螺旋状状铰绕在在一起一、钢筋筋的物理理力学性性能冷加工钢筋热轧钢筋筋低合金钢钢筋冷拉、冷冷拔、冷冷轧、冷冷轧扭冷加工钢筋提高强度度塑性降低低光圆钢丝钢丝、钢钢绞线预应力钢筋4mm、、5mm、6mm、7mm、、8mm、9mm2股、3股、7股1570MPa～1770MPa一、钢筋筋的物理理力学性性能按表面形状光圆钢筋变形钢筋无明显屈服点点钢筋（“硬硬钢”）按力学性能有明显屈服点点钢筋（“软软钢”）按使用用途普通钢筋预应力钢筋螺旋纹人字纹月牙纹一、钢筋的物物理力学性能能强度等级代号钢种符号d/mmHPB235Q235（低碳钢）6~20HRB33520MnSi（低合金钢）6~50HRB40020MnSiV,20MnSiNb,20MnTi（低合金钢）6~50RRB400K20MnSi（低合金钢）8~40表1-1常常用热轧钢筋筋的种类、代代表符号和直直径范围注：第一个字母H（hotrolled）表示热热轧，R(Remainedheattreated)表示为余余热处理；第二个字母P(Plain)表示光光圆，R(ribbed)表示带肋肋；第三个字母B（Bar））代表钢筋；；数字表示标准强度度。钢厂提供的钢钢筋直径为6mm，6.5mm，8mm，8.2mm，10mm，12mm，14mm，16mm，18mm，20mm，22mm，25mm，28mm，32mm，36mm，40mm和50mm。其中，，d=8.2mm的钢钢筋仅适用于于有纵肋的热热处理钢筋。。设计时，应应在表1-1的直径范围围和上述提供供的直径内选选择钢筋。当当采用直径大大于40mm的钢筋时时，应有可靠靠的工程经验验。一、钢筋的物物理力学性能能一、钢筋的物物理力学性能能AB’BCDE上屈服点不稳稳定下屈服点出现颈缩拉断BC段为屈服平台台CD段为强化段0.2%0.2标距有明显流幅的的钢筋无明显流幅的的钢筋钢筋受压和受受拉时的应力力-应变曲线线几乎相同2.钢筋筋的应力-应应变曲线AB’BCDE强度指标*有明显流幅的的钢筋：在建立钢筋混混凝土构件截截面承载力计计算理论时，，以下屈服点对应的强度作作为设计时钢钢筋强度的取取值（fy）。一、钢筋的物物理力学性能能两点简化：A.钢筋应力不大大于屈服点时时应力-应变变关系-直服服从胡克定律律，处于理想想弹性阶段；；B.不利用应力强强化阶段，假假设钢筋混凝凝土构件截面面达到破坏时时，钢筋拉应应力保持为屈屈服点应力。。钢筋的极限强强度作为一种安全全储备。0.2%0.2强度指标*无明显流幅的的钢筋：残余应变为0.2%时所所对应的应力力作为其强度度限值，称为为条件屈服强度度，混凝土规范范取0.2＝0.85b，b为极限抗拉强强度。一、钢筋的物物理力学性能能s,usss=Essyfys,hfs,u一、钢筋的物物理力学性能能强度指标的确确定强度随机变量强度标准值根据统计资料料，运用数理理统计方法确确定的具有95％以上保保证率（钢筋为97.73%）的统计特征值值：强度标准值（（fyk）=强度平均均值-2×均均方差概率密度材料强度强度平均值强度标准值钢筋强度用标准值和设计值表示。钢筋强度的设设计值fy等于钢筋强度度标准值除以以材料分项系系数γs，即钢筋变形指标标一、钢筋的物物理力学性能能变形指标*伸长率：：钢筋拉断后的的伸长与原长长的比值*冷弯性能：将直径为d的的钢筋绕直径径为D的钢辊辊弯成一定的的角度而不发发生断裂及起起层现象为防止在弯折折加工时断裂裂和使用过程程中脆断，钢钢筋还应具有有一定的塑性性变形能力。。伸长率越大，，塑性越好。。伸长率用δ表示，用钢筋筋试样拉断后后断口两侧的的残留应变(用百分率表表示)作伸长长率，即弯芯的直径越越小，弯转角角越大，塑性性越好钢筋的力学性性能指标fyfu--屈服强度---极限抗抗拉强度fy/fu---屈强比比强度指标强度储备塑性指标延伸率冷弯性能一、钢筋的物物理力学性能能一、钢筋的物物理力学性能能冷拉BKZZ’K’残余变形冷拉伸长率无时效经时效K点的选择：：应力控制和和应变控制温度的影响：：温度达700ºC时恢恢复到冷拉前前的状态，先先焊后拉特性：只提高高抗拉强度，，不提高抗压压强度，强度度提高，塑性性下降冷加工钢筋的的力学性能指指标一、钢筋的物物理力学性能能冷拔经过冷拔后钢钢筋强度提高高，塑性降低低，没有明显显的屈服点和和流幅冷拔既能提高高抗拉强度又又能提高抗压压强度冷轧带肋钢筋以低碳钢筋或低合金钢筋为原材料，在常温下进行轧制而成的表面带有纵肋和月牙纹横肋的钢筋。它的极限强度与冷拔低碳钢丝相近，但伸长率比冷拔低碳钢丝有明显提高。冷轧扭钢筋

以热轧光面钢筋HPB235为原材料，按规定的工艺参数，经钢筋冷轧扭机一次加工轧扁扭曲呈连续螺旋状。一、钢筋的物物理力学性能能徐变应力不变，随随时间的增长长应变继续增增加松弛长度不变，随随时间的增长长应力降低对结构，尤其其是预应力结结构，产生不不利的影响一、钢筋的物物理力学性能能3.钢筋的徐徐变与松弛强度要求：保证经济性性。屈服强度度和极限强度度，抗震设计计时还要求求有一定的屈屈强比塑性要求：保证结构延延性，给人以以破坏的预兆兆。伸长率和和冷弯要求可焊性：钢筋焊接后不不产生裂纹及及过大的变形形，保证焊接接后的接头性性能良好。与混凝土的粘结结性：保证钢筋和和混凝土共同同工作。4.混凝凝土结构对钢钢筋的要求一、钢筋的物物理力学性能能一、钢筋的物物理力学性能能普通钢筋宜优优先采用HRB400级和HRB335级钢筋，以节省省钢筋用量。。也可以采用用HPB235级和RRB400级热轧钢筋以以及强度级别别较低的冷拔拔、冷轧和冷冷轧扭钢筋。。预应力钢筋宜宜采用预应力力钢绞线、中高高强钢丝，也可以采用用热处理钢筋筋。还可以采采用冷拉钢筋筋和强度级别别较高的冷拔拔低碳钢丝和和冷轧扭钢筋筋。5.钢筋的的选用原则混凝土的组成特特点混凝土＝水泥泥＋水＋砂＋＋石混凝土是多空隙、不均匀的物体，内部存在许多微裂纹水化过程长，，性能需较长长时间才能稳稳定二、混凝土的的物理力学性性能重点：混凝土的强度立方体抗压强强度轴心抗压强度度轴心抗拉强度度复合应力状态态下的强度二、混凝土的的物理力学性性能二、混凝土的的物理力学性性能立方体抗压强强度fcu1）单轴受受力状态下混混凝土的抗压压强度1.混凝土土的强度承压板试块温度：20±3℃湿度：90％％边长为150mm的标准立方体试块标准条件养护28d标准试验方法加载速度：0.15～0.25MPa/s全截面受力，表面不涂润滑剂抗压强度内部微裂纹的扩展混凝土破坏实质：二、混凝土的的物理力学性性能fcu,k与平均值μf和标准差f的关系为混凝土的强度度等级:具有95％％保证率的抗抗压强度标准准值(以N/mm2计)14级C15C20C25C30C35C40C45C50C55C60C65C70C75C80高强混凝土混凝土强度等级的选用：采用HRB335、HRB400/RRB400级钢筋时时,不得低于C20；承受重复荷载载构件的混凝凝土，不得低于C20；预应力混凝土土结构，不应低于C30；采用高强钢丝丝作预应力钢钢筋时，不宜低于C40。表示混凝土Concrete立方体抗压强度标准值二、混凝土的的物理力学性性能立方体抗压强强度的影响因因素1）单轴受受力状态下混混凝土的抗压压强度1.混凝土土的强度承压板试块温度：20±3℃湿度：90％％边长为150mm的标准立方体试块标准条件养护28d标准试验方法加载速度：0.15～0.25MPa/s全截面受力，表面不涂润滑剂抗压强度影响一：润滑剂摩擦力不涂润滑剂涂润滑剂试块受压、纵纵向压缩，横横向扩张，试试块表面与垫垫板间的摩擦擦力约束了横横向扩张，限限制了微裂缝缝的开展，从从而提高试件件抗压强度。。套箍效应强度大于二、混凝土的的物理力学性性能立方体抗压强强度的影响因因素影响二：尺寸尺寸效应标准试块150×150×150非标准试块100×100×100非标准试块200×200×2001.05:1:0.95尺寸越大,内部缺陷较多;尺寸越大，套箍作用越不明显。试块尺寸越大，实测破坏强度越低。二、混凝土的的物理力学性性能影响三：加载速度加载速度快，，内部微裂纹纹来不及扩展展，实测强度提高二、混凝土的的物理力学性性能棱柱体抗压强强度fc承压板试块标准试块：150×150××300mm二、混凝土的的物理力学性性能抗压强度与试试件形状有关关，实际构件件往往是棱柱柱体，棱柱体体抗压强度比比立方体试件件能更好地反反映混凝土的的实际抗压能能力。中部横向变形形不受端部摩摩擦力的约束束，代表了混凝土处于单单向全截面均均匀受压的应应力状态。试验量测到fc值比fcu值小，并且棱棱柱体试件高高宽比(即h/b)越大，它的的强度越小。。真实反映混凝土的的实际工作状状态。①摆脱端部摩擦力的影响；②试件不致失稳。fc与fcu的关系：立方体抗压强强度脆性折减系数：C40以下：C80：考虑实际构件件的工作条件件与试件所处处条件的差异异引入的修正正系数二、混凝土的的物理力学性性能混凝土轴心抗抗拉强度ft2）单轴受力力状态下混凝凝土的抗拉强强度二、混凝土的的物理力学性性能由于混凝土构构件内部的不均匀匀性，加之安装试件偏差的原因，通过过直接受拉试试验测量抗拉拉强度是很困困难的，试验验数据离散性性很大。100100150150500

直接测试法误差大难实现劈裂试验ft,sddftsFFFF二、混凝土的的物理力学性性能根据弹性理论论试件中间垂直直截面除加力力点附近很小小的范围外，，有均匀分布布的水平拉应应力。当拉应应力达到混凝凝土的抗拉强强度时，试件件被劈成两半半。抗拉强度ft与立方体抗压压强度fcu之间的折算关关系为二、混凝土的的物理力学性性能——混凝土的脆性系数，当混凝土的强度等级不大于C40时，=1.0；当混凝土的强度等级为C80时，=0.87；其间按线性插值；0.88———考虑结构中中的混凝土强强度与试块混混凝上强度之之间的差异等等因素的修正正系数。为轴心抗拉强度与立方体抗压强度的折算关系双轴应力下的的强度3）复合受力力状态下混凝凝土的强度二、混凝土的的物理力学性性能①双向受拉，，σ1与σ2的相互影响不不大，双向受受拉强度均接接近于单向受受拉强度。②一向受拉，，另一向受压压，混凝土强强度均低于单单向拉伸或压压缩的强度，，即双向异号应力力使强度降低低③双向受压，，一向强度随随另一向应力力的增加而增增加。三向受压时的的混凝土强度度3=fcc’3=fcc’1=2=fLfL----侧向约束压应力（加液压）圆柱体试验有侧向约束时时的抗压强度度无侧向约束时时圆柱体的单单轴抗压强度度二、混凝土的的物理力学性性能混凝土一向抗抗压强度随另另两向侧压力力的增加而提提高。对于纵向受压压的混凝土，，约束混凝土土的侧向变形形，可使混凝凝土的抗压强强度有较大提提高。钢管混混凝土柱、螺螺旋钢箍柱二、混凝土的的物理力学性性能二、混凝土的的物理力学性性能2.混凝土土的变形性能能混凝土的变形形非受力变形受力变形一次短期加载载下的变形荷载长期作用用下的变形多次重复荷载载作用下的变变形硬化过程中的的收缩变形温湿度变化引引起的变形二、混凝土的的物理力学性性能受压时的应力力-应变关系系作用是：峰值应力后，吸收试验机的变形能，测出下降段1）一次短期期加载下的变变形棱柱体试块骨料和水泥结晶体弹性变形内部微裂缝稳定扩展内部微裂缝非稳定扩展峰值应变ε0取0.002。裂缝迅速发展展，内部整体体性严重破坏坏二、混凝土的的物理力学性性能(MPa)fco0(10-3)abcd225201510546810混凝土强度提高加载速度减慢影响因素混凝土强度对对下降段影响响很大，强度度越高，下降降段越陡峭，，延性越差。。加载速度越大大，下降段越越陡峭。横向箍筋中国规范u0ocfcc二、混凝土的的物理力学性性能受压时应力-应变关系的的数学模型cc受压时应力-应变关系的的数学模型u=0.00380=0.002ocfcc0.15fc美国Hognestad模型二、混凝土的的物理力学性性能u=0.00350=0.002ocfcc德国Rüsch模型二、混凝土的的物理力学性性能受压时应力-应变关系的的数学模型二、混凝土的的物理力学性性能受拉时混凝土土的应力-应应变关系tto

t0

tu

ft理论模型破坏重复荷载下的应力-应变曲线fcf321fcf的确定原则：100×100××300或150×150××450的棱柱体试块块承受200万次（或以上上）循环荷载载时发生破坏坏的最大压应应力值二、混凝土的的物理力学性性能2）重复荷载载下混凝土的的变形性能1二、混凝土的的物理力学性性能3)混凝土的的弹性模量ccccpe原点切线模量量（弹性模量量）：拉压相相同变形模量———弹塑性模量量（割线模量量、切线模量量）切线模量是材料变形性性能的主要指指标，计算构件变形形、截面应力力和预应力构构件的预应力力损失等时用用。0二、混凝土的的物理力学性性能混凝土弹性模模量的试验方方法——重复复加载试验c/fcc0.55~10次此线和原点切线基本平行，取其斜率作为Ec（150×150×300标准准试件）取应力上限为为0.5fc重复加载5～～10次。试验结果回归归cc0破坏重复荷载下的应力-应变曲线fcf321二、混凝土的的物理力学性性能混凝土的泊松松比和剪切模模量混凝土的剪变变模量为混凝土的泊松比（试件的横向应变与纵向应变之比），在压力较小时为0.15~0.18，接近破坏时可达0.5以上，规范取0.2二、混凝土的的物理力学性性能4）长期荷载载作用下混凝凝土的变形性性能----徐变变0.51.01.52.02.505101520253035(×10-3)(月)crcece’ce’’cr’P荷载保持不变变，随时间而而增长的变形形加荷瞬时变形徐变变形原因之一，胶凝体的粘粘性流动原因之二，混凝土内部部微裂缝的不不断发展徐变对结构设设计的影响：：①使钢筋混凝土土构件截面产产生内力重分布；②使钢筋混凝土土构件变形加大；③使预应力混凝凝土构件产生生预应力损失；在高应力作用用下还会使构件破坏。二、混凝土的的物理力学性性能有利的二、混凝土的的物理力学性性能徐变对混凝土土结构的影响响PAsPAss1c1Pc2Ass2P拆去，钢筋受受压混凝土受受拉，可能会会引起混凝土土开裂徐变：s，c二、混凝土的的物理力学性性能影响徐变的因因素应力：c<0.5fc，徐变变形与应应力成正比----线性徐变0.5fc<c<0.8fc，非线性徐变c>0.8fc，造成混凝土破破坏，不稳定定加荷时混凝土的龄期期，越早，徐徐变越大水泥用量越多多，水灰比越越大，徐变越越大0.51.01.52.02.505101520253035(×10-3)(月)crelae’e’’cr’0.5fc<c<0.8fc，非线性徐变变c<0.5fc，线性徐变养护温度越高高、湿度越大大，水化越充充分，徐变越越小受荷后温度越越高、湿度越越低，徐变越越大二、混凝土的的物理力学性性能5）混凝土的的收缩----在空气中结硬时混凝土土体积缩小的的性质水泥品种：等等级越高，收收缩越大水泥用量：水水泥用量越多多，水灰比越越大，收缩越越大骨料：骨料越越硬，收缩越越小；骨料粒粒径越大，收收缩越小养护条件、制制作方法、使使用环境等由凝缩和干缩缩组成（干燥失水是引起收缩的的重要因素））二、混凝土的的物理力学性性能收缩对混凝土土结构的影响响AssAss收缩：钢筋受压，混混凝土受拉拉As混凝土的收缩缩对处于完全全自由状态的的构件只会引引起构件的缩缩短而不开裂裂。对于周边边有约束而不不能自由变形形的构件，收收缩会引起起构件内混凝凝土产生拉应应力，甚至会会有裂缝产生生。热胀冷缩当温度变形受受到外界的约约束而不能自自由发生时，，将在构件内内产生温度应应力。大体积混凝土土中，内部部混凝土对试试图缩小体积积的表面混凝凝土形成约束束，在表面混混凝土形成拉拉应力。6）混凝土的温度度变形二、混凝土的的物理力学性性能三、钢筋与混混凝土的粘结结1.粘结力力的定义及分分类当钢筋与混凝凝土之间产生生相对变形（（滑移），在在钢筋和混凝凝土的交界面面上产生沿钢钢筋轴线方向向的相互作用用力，此作用用力称为粘结结力。粘结力：与素混凝土梁梁无异三、钢筋与混混凝土的粘结结弯曲粘结应力力粘结应力分类类局部粘结应力力锚固粘结应力力粘结应力大小小与M沿纵向向钢筋分布规律有关，和和力学中剪力力分布规律相同，此粘结结应力称弯曲粘结应力力。钢筋两端不存存在拉力差，，就不存在粘粘结力即粘结应力存存在，钢筋应应力沿长度才才发生变化。。三、钢筋与混混凝土的粘结结弯曲粘结应力力粘结应力分类类局部粘结应力力钢筋在支座处处的锚固粘结结应力是构件件承载力至关关重要的因素素。钢筋的端头应应力为零，在在经过不长的的粘结距离(称锚固长度度)后，钢筋筋的应力应能能达到其设计计强度。锚固粘结应力力三、钢筋与混混凝土的粘结结弯曲粘结应力力粘结应力分类类局部粘结应力力梁开裂后，混混凝土开裂前前承受的拉力力通过粘结应应力τ传递给给钢筋、从而而使裂缝处钢钢筋应力增大大、这种粘结结应力称为局局部粘结应力力，其作用是是使裂缝之间间的混凝土参参与受拉。锚固粘结应力力三、钢筋与混混凝土的粘结结①化学胶结力——钢筋与混凝土土接触面上的的化学吸附作作用力（一般般很小，一旦旦产生相对滑滑移即消失））。2、粘结力的的组成：②摩擦力——混凝土收缩后后将钢筋紧握握产生的摩擦擦力，钢筋表表面越粗糙，，摩擦力越大大。（钢筋表表面微锈摩擦擦力增加）。。③机械咬合力——钢筋表面凹凸凸不平与混凝凝土产生的机机械咬合作用用（是变形钢钢筋粘结力的的主要组成部部分）。④钢筋端部的锚锚固作用——钢筋端部部的弯钩、弯弯折，在钢筋筋端部焊短钢钢筋、短角钢钢等措施。化学胶着力3粘结破坏坏机理（1）光圆钢钢筋的粘结破破坏：三、钢筋与混混凝土的粘结结摩擦力