第3章-混凝土结构材料的物理力学性能

第三章 混凝土结构材料的物理力学性能 钢筋混凝土两者间的粘结强度变形粘结破坏的过程和机理常用钢筋分为四类热轧钢筋冷拉钢筋钢丝热处理钢筋3.1钢筋的种类及其力学性能1钢筋的种类•热轧钢筋按其强度由低到高分为HPB235、HRB335、HRB400和RRB400•冷拉钢筋和冷拔钢筋是通过对某些等级的热轧钢筋进行冷加工而成，热处理钢筋是对某些特定型号的热轧钢筋进行处理得到的。光面钢筋螺纹钢筋月牙纹钢筋人字纹钢筋热轧钢筋、中高强钢丝和钢绞线、热处理钢筋和冷加工钢筋的形式—3DA—公称直径股钢绞线量测尺寸钢绞线图2-1常用钢筋形式刻痕钢丝螺旋肋钢丝钢丝是由热轧钢筋经冷拔而成，根据原材料不同又分为冷拔低碳钢丝和碳素钢丝，钢丝可刻痕(刻痕钢丝)和铰成钢绞线，故钢丝有：冷拉低碳钢丝φb

碳素钢丝φs

刻痕钢丝φk

钢绞线φj

热处理钢筋是对某些特定钢号的热轧钢筋进行热处理得到的。热轧钢筋的分类HPB235级、HRB335级、HRB400级、RRB400级屈服强度fyk（标准值=钢材废品限值，保证率97.73%）

fy（设计值）

HPB235级：fyk=235N/mm2、fy=210N/mm2HRB335级：fyk=335N/mm2、fy

=300N/mm2HRB400级、RRB400级：

fyk=400N/mm2、fy=400N/mm2

HPB235级(Ⅰ级)钢筋多为光面钢筋，多作为现浇楼板的受力钢筋和箍筋。

HRB335级(Ⅱ级)和

HRB400级(Ⅲ级)钢筋强度较高，多作为钢筋混凝土构件的受力钢筋，尺寸较大的构件，也有用Ⅱ级钢筋作箍筋以增强与混凝土的粘结，外形制作成月牙肋或等高肋的变形钢筋。

RRB400级(Ⅳ级)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。延伸率d5=25、16、14、10%，直径8~40。

钢筋的－曲线lPPA2钢筋的力学性能由力学性能不同分成：软钢：有明显屈服台阶的钢筋(热轧钢筋、冷拉钢筋)硬钢：无明显屈服台阶的钢筋(钢丝、热处理钢筋)对于有明显屈服台阶的软钢取屈服强度

fy

作为强度设计依据。对于无明显屈服台阶的硬钢取条件屈服强度0.2作为强度设计依据。比例极限屈服强度极限强度o(N/mm2)fyfted流幅abcoa－弹性阶段a－比例极限b－屈服强度cd－强化阶段0.2%0.2(N/mm2)od－极限强度de－颈缩阶段0.2－条件屈服强度b

或0.85b屈服强度、极限强度、伸长率、冷弯性能、可焊性、粘结性等。3钢筋的力学性能指标取相应于残余应变

=0.2%时的应力0.2或取0.85b作为条件屈服强度。伸长率：冷弯性能：弯心直径冷弯角度…1－10.2的定义：混凝土的组份：骨料水泥结晶体水泥凝胶体弹性变形的基础塑性变形的基础砼的强度及变形随时间、随环境的变化而变化。水泥、石、砂、水按一定的配合比制成不同等级的砼。3.2

混凝土的强度和变形（1）立方体的抗压强度fcu影响立方体强度的因素：试件尺寸、温度、湿度、试验方法。由于尺寸效应的影响：fcu(150)=0.95fcu(100)

fcu(150)=1.05fcu(200)1

混凝土的强度用标准制作方式制成的150×150mm的立方体试块，在28天龄期，用标准试验方法测得具有95％保证率的抗压强度。混凝土强度等级：立方体抗压强度是区分混凝土强度等级的指标，我国规范混凝土的强度等级有：C15，C20，C25，C30，C35，C40，C45，C50，C55，C60，C65，C70，C75，C80表示混凝土Concrete立方体抗压强度强度指标的确定强度随机变量强度标准值根据统计资料，运用数理统计方法确定的具有一定保证率（95%）的统计特征值：强度标准值=强度平均值-1.645×均方差概率密度材料强度强度平均值强度标准值

按标准方法制作的150mm×l50mm×300mm的棱柱体试件，在温度为20土3℃和相对湿度为90％以上的条件下养护28d，用标准试验方法测得的具有95％保证率的抗压强度。对于同一混凝土，棱柱体抗压强度小于立方体抗压强度。考虑到实际结构构件制作、养护和受力情况，实际构件强度与试件强度之间存在差异，《规范》基于安全取偏低值，规定轴心抗压强度标准值和立方体抗压强度标准值的换算关系为：（2）混凝土轴心抗压强度fc

式中：

α１为棱柱体强度与立方体强度之比，对不大于C50级的混凝土取0.76，对C80取0.82，其间按线性插值。α2为高强混凝土的脆性折减系数，对C40取1.0，对C80取0.87，中间按直线规律变化取值。0.88为考虑实际构件与试件混凝土强度之间的差异而取用的折减系数。

fcu,k立方体强度标准值即为混凝土强度等级fcu。劈拉试验FdF

混凝土的轴心抗拉强度可以采用直接轴心受拉的试验方法来测定，但由于试验比较困难，目前国内外主要采用圆柱体或立方体的劈裂试验来间接测试混凝土的轴心抗拉强度。拉压压（3）轴心抗拉强度ft（4）复合应力状态下混凝土强度双向正应力作用(如图)1,2(压－压)强度增加1,2(拉－压)强度降低1,2(拉－拉)强度基本不变三轴受压：(如图)工程应用：约束混凝土钢管砼密配螺旋箍筋2003=50N/mm235N/mm213310N/mm21501005005101520251—2(N/mm2)1(‰)(1)混凝土的应力－应变关系OA–––弹性阶段A:0.3fcAB–––弹塑性阶段:0.3fc～0.8fc

裂缝稳定阶段BC–––裂缝不稳定阶段:0.8fc～1.0fcCBDEfc00•••Acu••2荷载作用下混凝土的变形性能特征点：0

–––对应于峰值点应变《规范》0

=0.002cu

–––混凝土极限压应变《规范》cu

=0.0033fc–––轴心抗压强度应力应变曲线影响因素：混凝土强度、加载速度与轴心抗压强度的关系：到轴心抗压强度值时开始出现裂缝，到极限压应变时才破坏。(2)混凝土在多次重复荷载下的应力－应变关系•如果我们将混凝土棱柱体试块加荷使其压应力达到某个数值σ，然后卸荷至零，并把这一循环多次重复下去，就称为多次重复荷载。•我们通常把能使试件循环200万次或次数稍多时发生破坏的压应力称为混凝土的疲劳抗压强度，用符号表示。kcc0cecp0h原点弹性模量：…1－7…1－6

(3)混凝土的弹性模量割线模量：…1－9切线模量：

–––弹性系数0～1.0…1－10剪切模量：c=ce

+cp…1－8G=0.4Ec(4)混凝土的徐变和收缩混凝土在受到荷载作用后，在荷载(应力)不变的情况下，变形(应变)随时间而不断增长的现象。161284369121518212427•Acecr徐变ce弹性变形ch收缩ceaeerBCD(10–4)t(月)0徐变：混凝土的级配、水灰比、初始加载龄期、初应力大小，养护使用条件等。徐变性质：线性徐变初应力c0.5fc徐变与初应力呈正比非线性徐变c>0.5fc当c>0.8fc，徐变发展最终导致破坏作为混凝土的长期抗压强度。徐变的影响因素：0.8fc徐变对结构的影响：使构件的变形增加；在截面中引起应力重分布；在预应力混凝土结构中引起预应力损失。徐变的影响因素：龄期；水灰比；骨料弹性模量；环境温度；构件尺寸等。混凝土在空气中结硬体积减小的现象。蒸汽养护常温养护051015200.10.20.30.4收缩(10–3)时间(月)收缩：收缩的性质自由收缩约束收缩来自内部的钢筋约束来自支座的外部约束收缩对结构的影响自由收缩一般不会引起拉应力，故不会开裂约束收缩产生收缩应力甚至开裂收缩的影响因素：水灰比、骨料弹性模量、环境温度、湿度、构件体积与表面积比值等。引起预应力损失1、产生钢筋和混凝土粘结强度的主要原因：

混凝土收缩将钢筋紧紧握固而产生的摩擦力；混凝土颗料的化学作用产生的混凝土与钢筋之间的胶合力；

钢筋表面凹凸不平与混凝土之间产生的局部粘结应力。3.3钢筋与混凝土间的粘结2、粘结应力的类型：

由弯曲引起粘结应力；

两相邻裂缝间钢筋应力不均匀引起的局部粘结应力；

锚固粘结应力。（1）由应力原因分类沿钢筋长度的粘结；钢筋端部的锚固。（2）由在构件中的位置分类3、粘结力的组成◆光圆钢筋与变形钢筋具有不同的粘结机理，其粘结作用主要由三部分组成：（１）钢筋与混凝土接触面上的化学吸附作用力（胶结力）（２）混凝土收缩握裹钢筋而产生的摩阻力。（摩阻力）（３）钢筋表面凹凸不平与混凝土之间产生的机械咬合作用力（咬合力）。◆变形钢筋与混凝土之间的机械咬合作用主要是由于变形钢筋肋间嵌入混凝土而产生的。变形钢筋和混凝土的机械咬合作用4、保证粘结力的措施：

保证锚固长度和搭接长度；

保证钢筋周围的混凝土有足够的厚度；(保护层厚度及钢筋净距)

光圆筋在端部做成弯钩。一般除重锈钢筋外，可不必除锈。。laTdmax

锚固长度的计算u锚固设计的基本原则是必须保证足够的锚固粘结强度以使钢筋强度得以充分利用，即5、钢筋的锚固钢筋的基本锚固长度取决于钢筋的强度及混凝土抗拉强度，并与钢筋的外形有关。《规范》规定纵向受拉钢筋的锚固长度作为钢筋的基本锚固长度，采用上述计算公式。机械锚固措施。变形钢筋及焊接骨架中的光圆钢筋、轴心受压构件中的光圆钢筋可不做弯钩。6、钢筋的搭接钢筋搭接的原则是：接头应设置在受力较小处，同一根钢筋上应尽量少设接头，机械连接接头能产生较牢固的连接力，应优先采用机械连接。受拉钢筋绑扎搭接接头