钢筋混凝土材料的力学性能课件

第二章

钢筋混凝土材料的力学性能

1．钢筋

(1)熟悉钢筋的品种和级别。

(2)掌握钢筋的应力一应变全曲线特性及其数学模型。

(3)了解钢筋的冷加工性能以及混凝土结构对钢筋性能的要求。

2．混凝土

(1)熟悉混凝土的立方体强度、轴心抗压强度、轴心抗拉强度及相互间的关系。

(2)掌握单轴向受压下混凝土的应力一应变全曲线及其数学模型。

(3)熟悉混凝土弹性模量、变形模量的概念。

(4)了解重复荷载下混凝土的疲劳性能以及复合应力状态下混凝土强度的概念。

(5)熟悉混凝土徐变、收缩的概念。

3．钢筋与混凝土的粘结性能

(1)掌握粘结的定义、粘结力的组成、粘结应力的分布、粘结应力与相对滑移的关系等概念。

(2)掌握基本锚固长度的计算以及保证可靠粘结的构造要求。

主要内容及要求第二章钢筋混凝土材料的力学性能 1.1钢筋1.2混凝土1.3钢筋与混凝土之间的粘结1.4保证可靠粘结的具体构造措施1.5砼对钢筋的保护作用1.6砼结构的环境类别按化学成分碳素结构钢（含碳量在0.8%以下）低碳钢含碳量≤0.25%中碳钢含碳量0.25%~0.6%高碳钢含碳量0.65%~1.4%普通低合金钢(合金元素总含量<5%）随着含碳量的增加，钢筋的强度提高，塑性降低。在低碳钢中，加入少Mn、Si，铌、钛、钒、铬等合金元素，便成为普通低合金钢，提高钢材的强度和保持一定的延性。改善钢材的性能一、钢筋成分、品种、级别按加工工艺和力学性能热轧钢筋中、高强钢丝和钢绞线热处理钢筋冷加工钢筋

按表面形状光面钢筋变形钢筋光面钢筋螺纹钢筋月牙纹钢筋人字纹钢筋钢筋表面形状取决于钢筋的强度注意：1、等级代号2、等级表示符号3、直径范围及常用直径4、外形

冷加工钢筋

常温下采用某种工艺对某些等级的热轧钢筋进行加工而成。热处理钢筋是对某些特定型号的热轧钢筋进行加热、淬火和回火等工艺处理，使钢筋其强度大幅度提高，但塑性降低率不多得到的钢筋中、高强钢丝和钢绞线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

二、钢筋的强度和变形钢筋力学性能四项指标：屈服强度；极限强度；伸长率；冷弯性能。（一）、热轧钢筋（HPB235、HRB335、HRB400、RRB400）1、受拉－曲线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d－极限强度de－颈缩阶段bc－屈服阶段钢筋的受压性能在到达屈服强度之前与受拉时的应力应变规律相同，其屈服强度也与受拉时基本一样。在达到屈服强度之后，由于试件发生明显的塑性压缩，截面积增大，因而难以给出明确的抗压极限强度。受压－曲线伸长率：冷弯性能：弯心直径冷弯角度反映衡量钢筋塑性性能的一个指标，伸长率越大，塑性越好是检验钢筋塑性的另一种方法，可反映钢材脆化的倾向。将直径为d的钢筋浇过直径为D的钢辊弯成一定角度，而不发生断裂、裂缝或起层。

αd热轧钢筋的力学及工艺性能4、热轧钢筋－曲线的数学模型

A模型采用了两点简化1、应力小于屈服点应力时－为直线关系2、不利用应力强化阶段。超过屈服应力点后处于流幅内。规范模型εsu=0.01伸长率：δ100=3.5%~4%，很小0.2=0.85b强度标准值取值依据：取条件屈服强度0.2作为强度设计依据。2、设计强度取值3、伸长率、冷弯性能要求规范取值对弯曲半径和弯曲次数有要求。屈服强度、极限强度、伸长率和冷弯性能是对软钢进行质量检验的四项主要指标，而对无明显屈服点的钢筋，则只测后三项。应满足《钢筋混凝土用热轧带肋钢筋》GB1499、《预应力混凝土用钢绞线》GB/T5224等要求。4、硬钢－曲线的数学模型

冷加工的方法：在常温下对热轧钢筋冷拉、冷拔、冷轧和冷轧扭等加工。冷加工的目的：改变钢材内部结构，提高

钢材强度，节约钢筋。冷加工对钢材性能的影响:强度提高，塑性降低。•热处理是对某些特定型号的热轧钢进行淬火和回火处理。

三、钢筋的冷加工和热处理(a)为冷拉，可采用冷拉控制应力和冷拉率控制。冷拉后可提高钢材的抗拉强度，但其屈服台阶变短。(b)为冷拔，可同时提高钢材的抗拉和抗压强度。塑性降低很多。冷轧后，钢筋表面轧成带肋，强度与冷拔低碳

丝接近，塑性要好一些。采用冷加工钢筋，应符合专门的规程1.强度高：钢筋的屈服强度和极限强度，钢筋强屈比适宜（有足够安全储备）2.塑性好：伸长率、冷弯性能3.可焊性好：保证焊接后接头性能良好，不产生裂纹或过大变形4.与混凝土间有足够的粘结力：钢筋的外形、锚固措施和锚固长度。另外在低温地区：防止发生脆性破坏四、钢筋混凝土构件对钢筋的性能要求一、混凝土的组成：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。1.2混凝土1、立方体的抗压强度fcu和混凝土强度等级（一）、混凝土抗压强度二、混凝土的强度砼在结构中主要承压，抗压强度指标是最重要的指标。规范规定用边长为150mm的标准立方体试块，在标准养护室（温度20±3℃，相对湿度不小于90%）养护28天后，以大约每秒0.5~0.25N/mm2的速度在试验机上加压至破坏，所测得的具有95%保证率的单轴抗压强度，用符号fcu,k表示。砼的立方体抗压强度标准值：是混凝土各种力学指标的代表值按砼立方体抗压强度标准值划分的强度级别，采用符号C与立方体抗压强度标准值（以N/mm2）表示。14个等级：C15,C20,C25,C30,C35,C40,C45,C50,C55,C60,C65,C70,C75,C80.混凝土强度等级：C40表示？影响立方体强度的因素：试件尺寸：试件的尺寸越小，其抗压强度值越高；温度：温度越高，砼的早期强度越高；水灰比：水灰比愈大，砼的强度愈低；湿度：试验方法：加载速度、表面是否涂润滑剂。尺寸效应的影响：

fcu(150)=0.95fcu(100)

fcu(150)=1.05fcu(200)RC构件对混凝土强度等级的要求：HPB235钢筋：

混凝土等级不低于C15HRB335钢筋：

混凝土等级不低于C20HRB400、RRB400钢筋：混凝土等级不低于C20预应力构件钢筋：混凝土等级不低于C30采用钢丝、热处理筋作预应筋：混凝土等级不低于

C40

2.轴心抗压强度fc（棱柱体抗压强度）以150×150×300mm（450）棱柱体试块测得的抗压强度。是混凝土最重要的强度指标。为消除端部约束的影响实际受压构件混凝土抗压强度的取值依据与立方体强度的关系：0.88——鉴于实际构件与试件制作和养护的差异

——棱柱体强度与立方体强度之比≤C50=0.76（普通混凝土）

┋

线性内插C80=0.82 ——考虑混凝土脆性的修正系数，混凝土强度越高，脆性越明显）≤C40=1.0（C40以下混凝土）┋线性内插C80=0.87

混凝土的抗拉强度比抗压强度小得多，为抗压强度。直接测试方法间接测试方法(弯折，劈裂)试验方法（二）、轴心抗拉强度ft轴心抗拉强度标准值ftk与立方体强度fcu，k的关系为

：对C40以上混凝土的强度折减系数δ：混凝土立方体强度的变异系数

=1、双向正应力作用2、正应力和剪应力作用3、三轴受压三、复合应力状态下混凝土强度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1、双向正应力作用2、正应力和剪应力作用①

压应力影响：压应力小于0.6时，随压应力的增大，抗剪强度增长；压应力大于0.6，随压应力的增大，抗剪强度减小。②

拉应力影响：随拉应力的增长，抗剪强度减小混凝土抗拉和抗压强度剪应力存在，抗拉和抗压强度降低。抗剪强度σ↑τ↑σ↑τ↓轴压轴拉纯剪剪压拉压3、三轴受压：工程应用：约束混凝土钢管砼密配螺旋箍筋fcc’——有侧向约束时试件的轴向抗压强度fc——单向受压试件的轴向抗压强度σr——侧向约束力局部受压混凝土σ3↑2003=35N/mm225N/mm213310N/mm21501005005101520251(N/mm2)1(‰)0N/mm2σ1↑ε1↑三、荷载作用下混凝土的变形性能混凝土的变形混凝土的受力变形

混凝土的非受力变形

混凝土一次短期加荷的变形

混凝土长期作用的变形

多次重复荷载作用下的变形

收缩变形

温度引起的变形

峰点C临界点B拐点D收敛点Efc00•••比例极限Acu•••F0.3~0.5fc0.75~0.9fc标准棱柱体短时加载试验应力－应变关系曲线分析（一） 一次短期荷载作用下混凝土的变形性能混凝土的应力－应变关系：不稳定裂缝扩展阶段上升段：下降段：裂缝迅速发展，试件表面出现与加压方向平行的纵向裂缝，承载能力下降。至D点，试件从宏观上已充分破碎，此时砼达到极限压应变εcu。D点应变为极限应变：弹性阶段OA稳定裂缝扩展阶段AB，应变增长＞应力增加。B点应力为长期受压控制应力：弹塑性阶段AB塑形变形显著增加。裂缝迅速扩展。峰值应力为轴心抗压强度。特征点：0

–––对应于峰值点应变cu

–––混凝土极限压应变fc–––轴心抗压强度

影响应力——应变曲线的因素混凝土的强度应变速率横向钢筋约束配箍率增加，间距加密→σ0↑，εcu↑速率↑σmax↑εcu↓强度↑延性↓①Hognestad公式σ-ε关系的数学模型（本构关系）②Rűsh公式③《砼结构设计规范》采用的模型kcc0cecp0h

混凝土的弹性模量表示应力与应变的比值1、原点弹性模量：表示测定方法1）取应力上限0.5fc重复加载卸载后的σ-ε图形斜率，得2）采用σc=0.3fc时的割线模量建筑和公路规范采用铁路规范采用2、割线模量：3、切线模量：

–––弹性系数0～1.0c=ce

+cp注：只有在应力较低时，才有表示任意点应力大，弹性系数小表示应力增量与应变增量的比值有三种模量的大小关系？2、混凝土剪切模量：G=0.4Ec1、泊松比νc混凝土横向应变与纵向应变的比值。随应力增大而增大。当规范取由弹性理论求出：把代入得G=0.417Ec规范取混凝土的泊松比与剪切模量

受拉变形模量E’ct、弹性模量Ect弹性模量取与受压时相同的。受拉时的弹性系数νt当即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：徐变的时间：6个月完成大部分；一年趋于稳定，三年完成。（建筑物维修期一年）

（二）混凝土的徐变（长期荷载下的变形）a.应力不大时，水泥凝胶体向水泥结晶体应力垂分布的结果；b.应力较大时，内部微裂缝长期积累的结果。

徐变的原因徐变的影响因素：内在因素

——混凝土的组成和配比。骨料的刚度越大，体积比越大，徐变就越小；水灰比越小，徐变也越小。

环境影响

——养护条件和使用条件。受荷前养护的温湿度越高，徐变就越小；受荷后构件所处的环境温度越高，相对湿度越小，徐变就越大

应力条件

——初应力水平σci/fc

和加荷时混凝土的龄期t0，它们是影响徐变的主要因素。线性徐变初应力c0.5fc徐变与初应力呈正比,徐变系数ψ成常数。非线性徐变初应力c>0.5fc徐变最终仍收敛，但徐变系数ψ随σci的增大而增大。

徐变将不收敛当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。0.8fc定义徐变变形εcr与初始应变εci的比值为徐变系数ψ，即

徐变的性质徐变对结构的影响：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。（三）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。多次重复荷载下应力应变曲线

1.混凝土一次加荷卸荷时：曲线与横坐标成一环状2.混凝土在多次重复荷载作用下的曲线a.加荷应力时，每次卸荷时，塑性变形（不可恢复变形）逐渐减小，曲线越来越闭合成一直线；b.加荷应力（某一应力）时，曲线由凸向应力轴逐渐转为凸向应变轴，标志混凝土内部微裂缝发展加剧趋近破坏。（疲劳破坏）

由上述a、b可以得出，曲线不同的变化过程取决于施加应力的大小

疲劳抗压强度能使试件循环200万次或次数稍多时发生破坏的压应力影响疲劳抗压强度的因素1、荷载重复次数和砼强度等级2、重复荷载应力变化幅度在相同的重复次数下，砼的疲劳强度随增加而增大。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)四、混凝土的非受力变形收缩混凝土的收缩随时间发展的规律

※混凝土的收缩随时间而增长

※两周可完成全部收缩的25%，一个月可完成50%

※整个收缩过程可延续两年以上

混凝土开裂时应变约为(0.5~2.7)×10-4，而收缩应变终极值约为(2~5)×10-4，故收缩应变如受到约束，极易导致开裂。

◆

混凝土收缩的影响因素

※环境的温度湿度

※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、养护条件

收缩的性质自由收缩：对结构没影响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a.构件未受荷之前产生裂缝；b.预应力构件中预应力损失（预应力筋与混凝土一同回缩引起预应力损失）；c.超静定结构产生内力实际工程中，一般采用设置施工缝和构造钢筋等措施来减小收缩应力的不利影响。

混凝土的膨胀混凝土在水中硬结过程体积膨胀的现象

水下建筑物

1.3钢筋与混凝土之间的粘结一、粘结的意义二、粘结的概念三、粘结的分类四、粘结的机理五、光圆钢筋与变形钢筋的粘结性能六、保证粘结力的措施一、粘结的意义

若梁中的钢筋与混凝土没有粘结（图(a)），则在荷载作用下，钢筋不受力，该梁如同素混凝土梁。若梁中的钢筋仅设置机械锚固（图(b)），则钢筋应力沿全长相等，其受力犹如二铰拱，不是梁的受力状态。结论：只有梁中的钢筋沿全长与混凝土有可靠的粘结，并在端部有可靠的锚固，才符合梁的受力特点

钢筋与混凝土之间的粘结性能是钢筋混凝土构件必不可少的第三个材料性能，是配筋构造的基础。

二、粘结的概念1、轴心受拉构件端部的受力分析

（轴向拉力N施加在端部的钢筋上）

※端部截面钢筋应力σs=N/As，混凝土应力σc=0,二者存在着很大的应变差，变形协调关系εs=εc不成立；

※随着距端部截面距离的增加，拉力通过粘结作用逐渐向混凝土传递，应变差εs-εc逐渐减小※经过一定距离lt的粘结作用力传递后，应变差εs-εc=0，变形协调关系成立，二者共同受力。

由上述分析可知

——钢筋与混凝土之间具有足够的粘结是保证二者共同受力、变形协调的前提。

2、粘结应力的概念和表达式

※粘结应力τ的概念

单位界面面积上粘结作用力沿钢筋轴线方向的分力，即钢筋与混凝土界面上的粘结剪应力

※粘结应力τ的表达式

由图钢筋隔离体的平衡可得

整理可得粘结应力

从上式我们可以看出

钢筋应力的变化产生粘结应力粘结应力的大小取决于二者的相对变形（滑移）

三、粘结的分类

1、锚固粘结

对于存在锚固粘结应力的地方，必须保证足够的锚固长度，必要时采取机械锚固措施，避免产生脆性粘结破坏。

2、裂缝间粘结

轴心受拉构件开裂前，粘结应力仅发生在构件端部。开裂后（见图），粘结应力发生在裂缝截面两侧粘结应力可以减小裂缝宽度、提高构件的刚度

四、粘结的机理1、粘结作用的组成

（1）

水泥胶体与钢筋表面的胶结力

砼中水泥砂浆的胶结作用——当钢筋与混凝土产生相对滑动后，胶结作用即丧失

（2）

混凝土与钢筋间的摩擦力

砼收缩紧紧握裹而产生的摩擦力

——取决于握裹力和钢筋与混凝土表面的摩擦系数

（3）

机械咬合力

由于钢筋表面凸凹不平而产生的机械咬合力——变形钢筋可显著增加钢筋与混凝土的机械咬合作用

2、机械咬合作用的受力机理

※变形钢筋受力后，其凸出的肋对混凝土产生斜向挤压力※水平分力（轴向拉力和剪力）使产生内部斜向锥形裂缝，径向分力（环向拉力）使产生内部径向裂缝。

3、变形钢筋的粘结破坏形态

劈裂式粘结破坏当混凝土保护层、钢筋间距较小时，径向裂缝可发展达到构件表面，且相互贯通，产生劈裂式粘结破坏。剪切型粘结破坏当混凝土保护层厚度较大或者配置有横向钢筋时，径向裂缝的发展受到限制，肋前部的混凝土在水平分力和剪力作用下最终将被挤碎，产生所谓“刮犁式”的剪切型粘结破坏1、粘结强度的试验测定平均粘结应力五、粘结强度2、影响粘结强度的主要因素1）混凝土强度：2）相对保护层厚度：3）钢筋净间距

：4）横向配筋

：5）钢筋表面特征和外形特征

：6）受力情况

：混凝土的粘结强度与混凝土抗拉强度成正比；相对保护层c/d→大，混凝土的侧向约束作用增大，混凝土抵抗劈裂破坏的能力也越大，粘结强度越高。横向钢筋的存在限制了径向裂缝的发展，阻止了劈裂破坏的发生，使粘结强度得到提高。※光面钢筋表面凹凸较小，机械咬合作用小，粘结强度低。※变形钢筋肋的相对受力面积（挤压混凝土的面积与钢筋截面积的比值）越大，其粘结强度越大。※若在锚固范围内存在侧压力，则可增大钢筋与混凝土界面的摩擦力，从而提高粘结强度；※若在锚固范围内存在剪力，则其产生的斜裂缝会使锚固钢筋受到销栓作用而降低粘结强度；

※受反复荷载作用的钢筋，肋前肋后的混凝土会被挤碎，导致咬合作用降低，从而降低粘结强度。钢筋的粘结破坏形态还与钢筋净距s有关。※当钢筋净距较大时（s>2c），可能是保护层劈裂；※当钢筋净距较小时（s<2c），可能沿钢筋连线劈裂，导致粘结强度降低。六、光圆钢筋与变形钢筋的粘结性能1、光圆钢筋粘结力：主要是胶结力和摩擦力。破坏过程：没有产生滑移前，只有化学吸附作用，一旦混凝土和钢筋产生滑移有摩擦力，但粘结强度较小，易拔出。措施：端部做弯钩和足够的锚固长度（受压时，可不做弯钩）

粘结力：胶结力、摩擦力、机械咬合力

破坏过程：先有胶结力，滑移产生之后，有摩擦力、机械咬合力。当混凝土较薄时，肋间挤压力引起的环向拉应力或斜向拉应力大于混凝土抗拉强度，混凝土破坏，产生劈裂破坏。当混凝土较厚时，或布置箍筋时，产生刮犁式破坏，钢筋被拨出。措施：变形钢筋端部可不做弯响，应有足够的锚固长度。2、变形钢筋七、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。混凝土强度等级不宜太低受力较大钢筋采用变形钢筋接头部位、锚固区箍筋加密1.4保证可靠粘结的具体构造措施一、钢筋的混凝土保护层二、钢筋的锚固三、钢筋的连接1.4保证可靠粘结的具体构造措施一、钢筋的混凝土保护层：

不能太小ccC≮钢筋直径d

板：C≮15mm梁：C≮25mm柱：C≮25mm