水工钢筋混凝土材料

水工钢筋混凝土结构学2021-2021第二学期重庆交通大学土木建筑学院张江涛博士(Hydraulic)(Reinforced)ConcreteStructure

简称RCStructure第一节钢筋的品种和力学性能一.钢筋的品种★按化学成分区分低碳钢：〔含碳量<0.25%〕强度低、塑性好中碳钢：〔0.25%≤含碳量≤0.6%〕高碳钢：〔含碳量>0.6%〕强度高、塑性差低合金钢：碳素钢根底上参加少量合金元素而成，强度高、塑性好

第一章钢筋砼结构的材料1.1钢筋的品种和力学性能第一章砼结构材料的物理力学性能熟铁、钢和生铁都是铁碳合金，以碳的含量多少来区别。铁分为生铁和熟铁。一般含碳量小于0.03%的叫熟铁〔软〕或纯铁含量在0.03~2.0%的叫钢含量在2~4.3%以上的叫生铁〔硬〕熟铁软，塑性好，容易变形，强度和硬度均较低，用途不广；生铁含碳很多，硬而脆，几乎没有塑性；钢具有生铁和熟铁两种优点，为人们广泛利用。★按化学成分区分★按外形区分光面钢筋变形钢筋月牙肋——纹路与肋不相交，不易产生应力集中，粘结强度略低于等高肋钢筋。等高肋——〔螺旋纹、人字纹〕与钢筋砼粘结力好，纹路与肋相交，易产生应力集中。

第一章钢筋砼结构的材料1.1钢筋的品种和力学性能光面圆钢筋螺旋纹钢筋人字纹钢筋月牙纹钢筋第一章钢筋砼结构的材料1.1钢筋的品种和力学性能热轧钢筋HPB235HRB335、HRB400、RRB400热处理钢筋冷加工钢筋钢丝冷拔钢筋冷轧钢筋冷拉钢筋钢筋碳素钢丝、刻痕钢丝、钢绞线★按加工工艺分类热轧钢筋★HPB235(Hot-rolledPlainsteelBar)，以符号“Φ〞表示光圆钢筋，低碳钢，质量稳定，塑性及焊接性能很好，但强度稍低。多作为现浇楼板受力钢筋和箍筋。

★

HRB335(Hot-rolledRibbedsteelBar)，以符号“”表示，

★

HRB400(Hot-rolledRibbedsteelBar)，以符号“”表示，

★

RRB400(Rementalhot-rolledRibbedsteelBar)，以符号“”表示。★按加工工艺分类Ⅰ级钢筋Ⅱ级钢筋

Ⅳ级钢筋Ⅲ级钢筋HRB335、HRB400、RRB400都属于变形带肋钢筋，强度较高，塑性和可焊性能较好，与混凝土之间的粘结性能也较好，在工程中应用较广。第一个字母是钢筋的加工工艺的英文缩写，

H——为热轧、R为余热处理；第二个字母是钢筋的表面形状的英文缩写，

P——为光圆、R为变形带肋；第三个字母是钢筋（Bar）的英文缩写缩写；数字表示钢筋的强度标准值（单位：N/mm2）。※符号及数字的含义：冷加工钢筋

热轧钢筋常温下经冷拉、冷拔、冷轧、冷扭加工后而成。冷加工提高钢筋的强度，节约钢材。冷加工后，强度提高，塑性降低。一般用于预应力砼结构。热处理钢筋

等高肋低合金钢，Ⅳ级钢经加热、淬火和回火等调质工艺而成，强度提高，塑性降低不多。用于预应力砼结构。钢丝

直径＜6mm，外形有光面、刻痕和螺旋肋三种，另有二股、三股和七股钢绞线，外接圆直径9.5~15.2mm。用于预应力砼结构。

钢绞线钢棒

第一章钢筋砼结构的材料1.1钢筋的品种和力学性能

第一章钢筋砼结构的材料二.钢筋的力学性能(mechanicalperformance)〔一〕软钢的力学性能a为比例极限

cd为强化段b为屈服强度

fybc为屈服台阶d为抗拉强度1.1钢筋的品种和力学性能软钢：有明显屈服点的钢筋，如热轧Ⅰ~Ⅳ级钢筋。

第一章钢筋砼结构的材料1.1钢筋的品种和力学性能屈服强度：是钢筋强度的设计依据，在混凝土中的钢筋，应力到达屈服强度，荷载不增加，应变继续增大，裂缝开展过宽，构件变形过大，结构不能正常使用。伸长率：钢筋拉断时应变，反映钢筋塑性性能的指标。伸长率大的钢筋，拉断前有足够预兆，延性较好。弯曲试验：钢筋围绕直径为D

的钢辊弯转α角而不发生裂纹，是反映钢筋塑性性能的另一指标。屈强比：反映钢筋的强度储藏，fy/fu=0.6~0.7。

★含碳量高，屈服强度和抗拉强度高，伸长率小，流幅缩短。第一章钢筋砼结构的材料1.1钢筋的品种和力学性能

第一章钢筋砼结构的材料〔二〕硬钢的力学性能a点：比例极限协定流限：强度设计指标，指经加载及卸载后尚存有0.2%永久剩余变形时的应力，用σ0.2表示。σ0.2一般相当于抗拉强度的70%~90%。硬钢：没有明显屈服点的钢筋，如热处理钢筋及高强钢丝。1.1钢筋的品种和力学性能

σε〔三〕钢筋的冷加工冷拉钢筋将钢筋拉伸超过其屈服强度，放松，经一段时间之后，钢筋会获得比原来屈服强度更高的屈服强度值。如以下图。冷拉后，屈服强度提高了，流幅缩短，伸长率降低，钢材性质变硬变脆。冷拉后，抗压强度没有提高，计算仍取用原来的抗压强度。

第一章钢筋砼结构的材料1.1钢筋的品种和力学性能

第一章钢筋砼结构的材料1.1钢筋的品种和力学性能冷拔将钢筋用强力拔过硬质合金拔丝模，截面变小而长度增加，强度提高，塑性降低。冷轧将热轧钢筋在常温下外表轧制成不同的形状，强度提高，塑性降低。冷轧带肋钢筋—采用低碳热轧盘圆进行冷轧减径，外表轧出月牙纹。冷轧扭钢筋—钢筋经冷轧并经扭转而成。（四）钢筋的疲劳原因-内部缺陷在重复应力作用下，由微观裂纹发展成为宏观裂缝，导致钢筋低于静力强度(44~55%)发生的破坏。一般水工结构，不容易出现疲劳问题。但在采油平台等海工结构受到海浪的冲击，需考虑材料和结构的疲劳。

第一章钢筋砼结构的材料1.1钢筋的品种和力学性能（五）钢筋的弹性模量概念：钢筋在弹性节段应力与应变的比值。用E表示大小：应力应变曲线的斜率。

第一章钢筋砼结构的材料三.混凝土结构对于钢筋性能的要求〔一〕强度：有足够的承载能力。〔二〕塑性：钢筋断裂前有足够的变形。〔三〕可焊性：可评定钢筋焊接后的连接性能。〔四〕粘结性:混凝土与钢筋之间的粘结力，以便控制好裂缝开展宽度。1.1钢筋的品种和力学性能第二节砼的物理力学性能一．砼的强度〔一〕立方体抗压强度fcu砼结构主要利用其抗压强度，因此抗压强度是最主要和最根本的指标。标准立方体强度：标准立方体试件测得的抗压强度，用fcu表示。砼强度等级：边长150mm立方体，温度为20±3℃、相对湿度不小于95%的条件下养护28天，用标准试验方法测得的具有95%保证率的立方体抗压强度标准值fcuk作为砼的强度等级，以符号C表示，单位为N/mm2。第一章钢筋砼结构的材料1.2砼的物理力学性能b.承压面不涂油破坏形式c.承压面涂油破坏形式a.立方体试件受力图示混凝土立方体抗压强度试验水工混凝土强度范围，从C15~C60共划分为10个强度等级，级差为5N/mm2。影响砼强度的因素①试验方法。②试件尺寸。③加载速度。④龄期。第一章钢筋砼结构的材料1.2砼的物理力学性能尺寸效应修正未采取减摩措施采取减摩措施后加载速度：加载速度越快，测得的强度越高。通常取每秒0.2~0.3N/mm2。加载龄期：立方体抗压强度随着加载龄期的增长，开始增长较快，后期较慢。★水利水电工程用砼分10个强度等级，即C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60，级差为5N/mm2。

第一章钢筋砼结构的材料1.2砼的物理力学性能〔二〕轴心抗压强度fc150mm×150mm×300mm的棱柱体试件测定，fc表示，较接近实际构件中砼的受压情况。fc<fcufc与fcu成线性关系，fc/fcu比值平均为0.76。考虑到实际结构构件与试件制作及养护条件的差异、尺寸效应及加荷速度等因素的影响，标准偏平安地取：第一章钢筋砼结构的材料1.2砼的物理力学性能〔三〕轴心抗拉强度ft砼根本力学性能指标，ft表示。砼构件开裂、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。根据与轴心受压强度相同的理由，标准取用关系式：第一章钢筋砼结构的材料1.2砼的物理力学性能劈拉试验PdP拉压压轴心受拉试验对中困难，常采用立方体或圆柱体劈裂试验测定砼的抗拉强度。立方体试件通过垫条施加线载荷P，垂直截面上除垫条附近外，产生均匀拉应力，当拉应力到达ft时，试件对半劈裂。第一章钢筋砼结构的材料1.2砼的物理力学性能☼双轴应力状态

实际结构中，砼很少处于单向受力状态。更多的是处于双向或三向受力状态。双向受压强度大于单向受压强度，即一向强度随另一向压应力的增加而增加。〔四〕复合应力状态下的砼强度第一章钢筋砼结构的材料1.2砼的物理力学性能☼双轴应力状态

实际结构中，砼很少处于单向受力状态。更多的是处于双向或三向受力状态。在双向受拉区，其强度与单向受拉时差异不大，即一向抗拉强度根本上与另一向拉应力的大小无关。〔四〕复合应力状态下的砼强度第一章钢筋砼结构的材料1.2砼的物理力学性能☼双轴应力状态

实际结构中，砼很少处于单向受力状态。更多的是处于双向或三向受力状态。〔四〕复合应力状态下的砼强度第一章钢筋砼结构的材料1.2砼的物理力学性能在一轴受压一轴受拉状态下，抗压强度或抗拉强度均随另一方向拉应力或压应力的增加而减小。☼三向受压应力状态

实际结构中，砼很少处于单向受力状态。更多的是处于双向或三向受力状态。〔四〕复合应力状态下的砼强度第一章钢筋砼结构的材料1.2砼的物理力学性能砼一向抗压强度随另两向压应力的增加而增加。☼构件受剪或受扭时常遇到剪应力t和正应力s共同作用下的复合受力情况。☼砼的抗剪强度：随拉应力增大而减小，一开始随压应力增大而增大；当压应力在0.6fc左右时，抗剪强度到达最大，压应力继续增大，内裂缝开展明显，抗剪强度随压应力的增大而减小。第一章钢筋砼结构的材料1.2砼的物理力学性能二．砼的变形

第一章钢筋砼结构的材料1.2砼的物理力学性能〔一〕砼在一次短期加载时的应力—应变曲线砼的变形有两类:外荷载作用产生的受力变形,温度和干湿变化引起的体积变形。砼单轴受力应力-应变关系是反映砼受力全过程的重要力学特征，是分析砼构件应力、建立承载力和变形计算理论的必要依据，也是利用计算机进行非线性分析的根底。砼单轴受压应力-应变关系曲线，常采用棱柱体试件来测定。普通试验机采用等应力速度加载，到达fc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，导致试件突然脆性破坏，只能测得应力-应变曲线的上升段。采用等应变速度加载，或在试件旁附设高弹性元件与试件一同受压，吸收试验机内集聚的应变能，可测得应力-应变曲线的下降段。第一章钢筋砼结构的材料1.2砼的物理力学性能第一章钢筋砼结构的材料1.2砼的物理力学性能应力小于fc的30%∼40%时〔a点〕，应力应变关系接近直线。当应力，呈现塑性。应力增大到fc的80%左右〔b点〕，应变增长更快。应力到达fc〔c点〕时，试件外表出现纵向裂缝，试件开始破坏。到达的最大应力σo称为砼棱柱体抗压强度fc，相应的应变为εo一般为0.002左右。第一章钢筋砼结构的材料1.2砼的物理力学性能★影响应力—应变曲线形状因素砼强度低，曲线平坦；强度高，曲线陡，εcu小；加载速度快，最大应力提高，曲线陡；加载速度慢，曲线平缓，εcu增大。第一章钢筋砼结构的材料1.2砼的物理力学性能★标准建议的应力-应变曲线第一章钢筋砼结构的材料1.2砼的物理力学性能★砼受拉应力-应变关系第一章钢筋砼结构的材料1.2砼的物理力学性能〔二〕砼在重复载荷下的应力-应变曲线应力不大，重复5∼10次后，加载和卸载的应力—应变曲线合并接近一直线，同弹性体一样工作。应力超过某一限值，经屡次循环，应力应变关系成为直线后，重新变弯，试件很快破坏。该限值为砼的疲劳强度1.2砼的物理力学性能第一章钢筋砼结构的材料〔三〕砼的弹性模量初始弹性模量：通过原点0的切线的斜率tgα0。割线弹性模量：应力不大时，应力应变关系近似于直线，弹性模量可用应力σc除以其相应的应变εc来表示：Ec=tgα1=σc/εc第一章钢筋砼结构的材料1.2砼的物理力学性能弹性模量测定方法se0.4fc5~10次利用屡次重复加载卸载后应力应变关系趋于直线的性质求弹性模量。加载至0.4fc，卸载至零，重复加载卸载5～10次，应力—应变曲线渐趋稳定并接近于一直线，该直线的正切tgα即为砼的弹性模量。第一章钢筋砼结构的材料1.2砼的物理力学性能弹性模量经验公式：砼的变形模量应力较大时，砼的塑性变形显著，此时砼的应力与应变之比称为变形模量Ec’〔类似割线模量〕Ec’

与Ec的关系用弹性系数n表示,n随应力增大而减小，n

=1~0.4。第一章钢筋砼结构的材料1.2砼的物理力学性能〔四〕砼的极限变形砼受压极限应变εcu与其本身性质、试验方法和应力状态有关。砼强度等级越高，εcu越小。不同受力情况εcu不同：均匀受压取0.002；非均匀受压取0.0033。受拉极限应变εtu比受压极限应变小得多，计算时一般取为0.0001。第一章钢筋砼结构的材料1.2砼的物理力学性能〔五〕砼的徐变在荷载长期持续作用下，应力不变，变形随时间而增长。这种现象，称为砼的徐变。徐变与塑性变形不同。徐变是砼受力后，水泥石中的凝胶体产生的粘性流动。徐变局部可恢复。徐变在较小的应力时就发生。第一章钢筋砼结构的材料1.2砼的物理力学性能〔五〕砼的徐变在荷载长期持续作用下，应力不变，变形随时间而增长。这种现象，称为砼的徐变。徐变与塑性变形不同。塑性变形是砼中结合面裂缝扩展引起的。应力超过材料弹性极限后发生。不可恢复。第一章钢筋砼结构的材料1.2砼的物理力学性能εcr,∞=(2∼3)ε0★影响徐变的因素内在因素：砼的组成和配比。骨料的刚度〔弹性模量〕越大，体积比越大，徐变就越小。水灰比越小，徐变也越小。应力大小：砼应力越大，徐变越大。sc≤(0.5~0.55)fc时，徐变与应力成正比，称为线性徐变。徐变是稳定的。sc>(0.5~0.55)fc时，最终徐变与应力不成正比，称为非线性徐变。当sc>0.8fc时，砼内部微裂缝的开展处于不稳定状态，徐变的开展不收敛，导致砼的破坏。加载龄期：砼的龄期越短，凝胶体的粘性流动越大，徐变越大。环境影响：外界相对湿度越高，结构内部水分不易外逸，徐变越小。第一章钢筋砼结构的材料1.2砼的物理力学性能★徐变对结构的作用徐变有利于结构构件产生内〔应〕力重分布，减小应力集中现象。减小大体积砼内的温度应力。徐变会使结构〔构件〕的〔挠度〕变形增大。引起预应力损失。在长期高应力作用下，会导致破坏。★松弛当结构受外界约束而无法变形，结构的应力会随时间的增长而降低，这种现象称为松弛。第一章钢筋砼结构的材料1.2砼的物理力学性能〔六〕砼的温度变形和干湿变形砼因温度和湿度变化引起的体积变化称为温度变形和干湿变形。大体积砼结构温度变形十分重要，当变形受到约束，温度变化引起的应力可能引起开裂。计算温度变形或应力时，砼温度线膨胀系数取为1.0×10-5。大体积砼结构中，用钢筋来防止温度裂缝或干缩裂缝是不可能的。〔降温差！〕适当布置钢筋，可分散裂缝，减小裂缝宽度。为减小温度应力和干缩应力，可设置伸缩缝。〔堵与导〕第一章钢筋砼结构的材料1.2砼的物理力学性能砼因外界湿度变化产生干缩与湿胀。湿胀常产生有利的影响，设计中一般可不考虑。干缩变形受到约束时，结构产生干缩裂缝。干缩变形影响因素：水泥用量多、水灰比越大，收缩越大；骨料弹性模量高、级配好，收缩就小；枯燥失水及高温环境，收缩大；小尺寸构件收缩大，大尺寸构件收缩小。第一章钢筋砼结构的材料1.2砼的物理力学性能三．砼的其他性能〔一〕重力密度〔或重度〕设计一般钢筋砼结构时，其重力密度可近似地采用为25kN/m3。〔二〕砼的耐久性水工砼的耐久性，与其抗渗、抗冻、抗冲刷、抗碳化和抗腐蚀等性能有密切关系。第一章钢筋砼结构的材料1.2砼的物理力学性能第三节钢筋与砼的粘结一.钢筋与砼之间的粘结力钢筋与砼间具有足够的粘结是保证两者共同受力变形的根本前提。通过钢筋与砼界面的粘结应力，可以实现钢筋与砼之间的应力传递，从而使两种材料可以结合在一起共同工作。粘结应力通常是指钢筋与砼界面间的剪应力。第一章钢筋砼结构的材料1.3钢筋与砼的粘结第一章钢筋砼结构的材料1.3钢筋与砼的粘结拔出试验粘结应力

第一章钢筋砼结构的材料1.3钢筋与砼的粘结光面钢筋τb峰值随P增加，由加荷端移至自由端，τb图形长度〔有效埋长〕到达自由端。变形钢筋τb峰值始终在加荷端附近，有效埋长增加缓慢，粘结力大于光面钢筋。同样力下的：应力大小？峰值位置？粘结应力长度？应力分布形状？

★光面钢筋的粘结力由三局部组成：水泥凝胶体与钢筋外表之间的胶着力；砼收缩，将钢筋紧紧握固而产生的摩擦力；钢筋外表不平整与砼之间产生的机械咬合力。第一章钢筋砼结构的材料★变形钢筋的粘结力除了胶着力与摩擦力等以外，更主要的是钢筋外表突出的横肋对砼的挤压力。1.3钢筋与砼的粘结★影响粘结力的主要因素◆砼强度：粘结强度随砼强度的提高而增加，但并不与立方体强度fcu成正比，而与抗拉强度ft成正比。◆保护层厚度：变形钢筋，粘结强度主要取决于劈裂破坏。相对保护层厚度c/d越大，砼抵抗劈裂破坏的能力也越大，粘结强度越高。◆受力情况：受压钢筋由于直径增大会增加对砼的挤压，从而使摩擦作用增加。◆钢筋外表和外形特征：●光面钢筋外表凹凸较小，机械咬合作用小，粘结强度低。●月牙肋和螺纹肋变形钢筋，机械咬合作用大，粘结强度高。第一章钢筋砼结构的材料1.3钢筋与砼的粘结二．钢筋的锚固与接头锚固长度根据钢筋的应力到达fy时，钢筋被拔动确定。第一章钢筋砼结构的材料1.3钢筋与砼的粘结钢筋强度越高，直径越粗，砼强度越低，锚固长度越长。二．钢筋的锚固与接头在设计中，如截面上钢筋的强度被充分利用，那么钢筋从该截面起的锚固长度不应小于下表中规定的数值：受拉钢筋的最小锚固长度la第一章钢筋砼结构的材料1.3钢筋与砼的粘结钢筋类型砼强度等级C15C20C25C30≥C40HPB23540d35d30d25d20dHRB335—40d35d30d25dHRB400,RRB400—50d40d35d30d

光面钢筋外表凹凸程度小，机械