水工钢筋混凝土结构课件第一章

第一章钢筋混凝土材料的力学性能钢筋的品种和力学性能混凝土的物理力学性能钢筋与混凝土的粘结一、钢筋的品种和力学性能1.钢筋的品种热轧钢筋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A.按加工工艺分类B.按化学成分分类碳素钢低合金钢（合金含量不超过3.5%）钢筋由含碳量不同分为高碳钢、中碳钢、低碳钢低碳钢：（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：碳素钢基础上加入少量合金元素而成，强度高、塑性好C.按表面形状不同分类光面钢筋:光滑的外表面，多为小直径的Ⅰ级钢筋。变形钢筋:外表有凹凸不平的纵横肋，以增加与砼的粘结。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。钢筋混凝土结构材料的力学性能常用钢筋形式多股钢绞线钢筋混凝土结构材料的力学性能D.热轧钢筋

★HPB235（Q235）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（20Mnsi）以符号“”表示，

★

HRB400以符号“”表示，

★

RRB400以符号“”表示。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：2.钢筋的力学性能热轧钢筋的－曲线

oa－弹性阶段b－屈服强度fy（受拉强度限值）bc—流幅cd－强化阶段de－颈缩阶段a－比例极限d－抗拉强度A.软钢的力学性能软钢：有明显屈服点的钢筋，如热轧Ⅰ~Ⅳ级钢筋。屈服强度：是钢筋强度的设计依据，在混凝土中的钢筋，应力达到屈服强度，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。D越小，α越大，冷弯性能越好。钢筋混凝土结构材料的力学性能

★含碳量高，屈服强度和抗拉强度高，伸长率小，流幅缩短。钢筋混凝土结构材料的力学性能硬钢的－曲线硬钢没有明确的屈服台阶（流幅），所以计算中以“协定流限”作为强度标准以0.2表示，一般0.2相当于抗拉极限强度70%~90%。B.硬钢的力学性能如热处理钢筋及高强钢丝。a点：比例极限协定流限（条件屈服强度）：强度设计指标，指经加载及卸载后尚存有0.2%永久残余变形时的应力。钢筋混凝土结构材料的力学性能～曲线形式：有明显流幅的：分为弹性、屈服、强化和破坏等四个阶段。

无明显流幅的：没有明显的屈服阶段。

注：钢筋受压和受拉时的应力-应变曲线几乎相同～的曲线简化：屈服前：完全弹性的；屈服后：完全塑性的。★强度指标

A.有明显流幅的钢筋：以下屈服点对应的强度作为设计强度的依据，因为，钢筋屈服后的塑性变形导致构件产生不可恢复的变形和不可闭合的裂缝，以至不能使用。

B.无明显流幅的钢筋：以残余应变为0.2%时所对应的应力值作为钢筋条件屈服强度。

钢筋混凝土结构材料的力学性能C.冷加工钢筋的力学性能钢筋混凝土结构材料的力学性能冷拉钢筋

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。冷拉加工的目的改变钢材内部结构，提高钢材强度，节约钢材。钢筋冷拉后的－曲线冷拉后，屈服强度提高了，流幅缩短，伸长率降低（塑性下降），钢材性质变硬变脆。冷拉后，抗拉强度提高但抗压强度没有提高，计算仍取用原来的抗压强度。特性：冷拔：将钢筋强力拔过硬合金模（直径小于钢筋）。温度的影响：高温时恢复到原状态，先焊后拉。特性：冷拔钢筋没有屈服点和流幅；冷拔可同时提高抗拉、压强度（强度提高，塑性降低）。4.钢筋的焊接性能工程中常采用焊接方式接长钢筋；钢筋的焊接性能与钢筋的化学成分有关，不同品种的钢筋应采用不同的焊接方法。常用的焊接方法有:电弧焊、闪光对焊、电渣压力焊。

3.钢筋的疲劳重复荷载作用下，钢筋在低应力下产生的断裂称为钢筋的疲劳；在规定的应力幅度内，经规定次数的重复荷载后，发生疲劳破坏的最大应力值称为疲劳强度。

试验方法：钢筋埋入混凝土中重复受拉或受弯与单根钢筋的轴拉疲劳。

影响因素：应力特征值，荷载重复次数，钢筋强度。钢筋混凝土结构材料的力学性能5.混凝土结构对钢筋的要求

强度：钢筋有足够的强度和适宜的强屈比(极限强度与屈服强度的比值)；变形能力：钢筋的伸长率和冷弯性能均应达到规范要求；

可焊性：焊接处的强度、变形应能满足规范要求；与混凝土的粘结性：钢筋与混凝土之间应有足够的粘结力，以保证两者共同工作。钢筋混凝土结构材料的力学性能二、混凝土的物理力学性能

混凝土是各向不均匀、内部存在裂缝和空隙的多相复合材料；压力主要由其中的骨料传递，水泥凝胶体起粘结和扩散压力的作用。1.单向受力状态下的混凝土强度

a.立方体抗压强度

fcu

在标准条件下养护28天的标准试件（150×150×150mm），在压力机按标准加载方式进行试验，所测得的具有95%保证率的承载强度为立方体抗压强度

。温度为20±3℃、相对湿度不小于95%涂润滑剂试验情况:压力试件裂缝发展扩张丧失承载力影响强度的因素：龄期、加载速率、试块尺寸等涂刷润滑剂来消除试件与压力机间的摩擦力，测得的抗压强度较低；我国规范的方法：不涂润滑剂。承压板试块摩擦力不涂润滑剂强度大于PP钢筋混凝土结构材料的力学性能不同三尺寸三的试三件，三测得三的立三方体三抗压三强度三是不三同的三，当三采用三非标三准试三件进三行试三验，三其结三果应三按下三述强三度换三算方三法进三行换三算。标准三试块：15三0×三15三0三×1三50三mm（强三度换三算系三数为1.三00）非标三试块：10三0×三10三0三×1三00三mm（强三度换三算系三数为0.三95）20三0×三20三0三×三20三0m三m（强三度换三算系三数为1.三05）试件三的立三方体三抗压三强度三与其三龄期三是有三关系三的，三一般三而言三，龄三期长三，试三件的三立方三体抗三压强三度就三高；三某些三工程三因建三设周三期长三，混三凝土三浇注三至其三受载三的时三间远三超过28天，三此时三可按三混凝三土的三后期三强度三进行三设计三。钢筋三混凝三土结三构材三料的三力学三性能立方三体抗三压强三度是三区分三混凝三土强三度等三级的三指标三，我三国规三范混三凝土三的强三度等三级有三：C1三0，C1三5，C2三0，C2三5，C3三0，C3三5，C4三0，C5三0，C6三0，C7三0，C8三0如果三实测三到的三混凝三土立三方体三抗压三强度三处于三两等三级之三间，三则混三凝土三的强三度等三级按较三低的三一级三采用。表示混凝土Concrete立方体抗压强度钢筋三混凝三土结三构材三料的三力学三性能★水利三水电三工程三用砼三分11个强三度等三级，即C1三0、C1三5、C2三0、C2三5、C3三0、C3三5、C4三0、C4三5、C5三0、C5三5、C6三0，级差三为5N三/m三m2。b.棱柱三体抗三压强三度fc（轴三心抗三压强三度）因构三件长三度远三大于三其截三面尺三寸，三立方三体强三度不三能很三好地三反映三构件三中混三凝土三的受三力状三态；三规范三采用三高宽三比h／b不同三棱柱三体试三件的三抗压三强度三来衡三量。h／b过小时，三加荷三板与三混凝三土表三面间三摩擦三力会三约束三混凝三土的三变形三，但h／b过大则会三在试三件加三载时三由于三产生三较大三的附三加偏三心而三引起三测量三误差三，而三当棱三柱体三的h／b取2时可三基本三上消三除上三述两三方面三的影三响。三我国三标准三棱柱三体尺三寸为15三0×三l5三0×三30三0mm。标准三试块三：15三0×三15三0×三30三0m三m（强三度换三算系三数为1.三00）非标三准试三块：10三0×三10三0×三30三0m三m（强三度换三算系三数为0.三95）20三0×三20三0×三40三0m三m（强三度换三算系三数为1.三05）钢筋三混凝三土结三构材三料的三力学三性能由于三承压三板对三试件三的约三束，三立方三体抗三压强三度大三于棱三柱体三抗压三强度三，且三有：fc=0三.7三6fcu考虑三到构件三和试三件的三区别三，取fc=0三.6三7fcu（水三工规三范）三。国外三一般三采用三圆柱三体试三件（d=三15三0,三h=三30三0），三有fc=0三.7三9fcu圆柱体抗压强度承压板试块PP钢筋三混凝三土结三构材三料的三力学三性能棱柱三体抗三拉强三度是三混凝三土的三基本三强度三指标三，它三远小三于混三凝土三的立三方体三抗压三强度三。一三般条三件下三，其三值相三当于三棱柱三体抗三压强三度的1／9～1／18。测量三棱柱三体抗三拉强三度：(1三)直接三受拉三法；(2三)劈裂三法。A.直接三受拉三时的三棱柱三体抗三拉强三度：c.轴心三抗拉三强度ft试验三结果三：ft=三0.三26三fcu2/三3考虑三到构三件和三试件三的区三别，三尺寸三效应三，加三荷速三度等三的影三响，三取ft=三0.三22三5fcu2/三3。钢筋三混凝三土结三构材三料的三力学三性能B.劈裂三受拉三时的三抗拉三强度三：轴心三受拉三试验对中困难三，常三采用三立方三体或三圆柱三体劈裂三试验测定三砼的三抗拉三强度三。我国三根据10三0m三m立方三体的三劈裂与三抗压三试验三结果三对比三有：fts=0三.1三9fcu3/三4钢筋三混凝三土结三构材三料的三力学三性能立方三体试三件通三过垫三条施三加线三载荷P，垂直三截面三上除三垫条三附近三外，三产生三均匀三拉应三力，三当拉应三力达三到ft时，三试件三对半三劈裂三。实际三结构三中，三砼很三少处三于单三向受三力状三态。三更多三的是三处于双向或三向受力三状态三。2.复合三应力三状态三下的三混凝三土强三度☼双轴三应力三状态双向受压强度大于单三向受三压强三度，三即一向三强度三随另三一向三压应三力的三增加三而增三加。钢筋三混凝三土结三构材三料的三力学三性能在σ2方向三压应三力为55％－60％的三混凝三土抗三压强三度时三，混三凝土σ1方向三抗压三强度三可达三到最三大值三，约提三高30％。最大三强度三发生三在σ1／σ2约等三于2或0.三5时在双三向受拉区，三其强三度与三单向三受拉三时差别三不大，即一向三抗拉三强度三基本三上与三另一三向拉三应力三的大三小无三关。在一三轴受压一轴三受拉状态三下，三抗压三强度三或抗三拉强三度均三随另三一方三向拉三应力三或压三应力三的增三加而三减小三。钢筋三混凝三土结三构材三料的三力学三性能混凝三土两三向应三力下三的强三度可三按下三列公三式进三行近三似计三算：两向三受压两向三受拉一拉三一压a双向三压应三力之三比工程三应用三：约束三混凝三土钢管三砼密配三螺旋三箍筋目前三研究三混凝三土三三向受三力状三态下三的强三度，三多集三中于三三向受压三状态下混三凝土三的强三度问三题。三混凝三土一三向抗三压强三度随三另两三向压三应力三的增加三而增三加。☼三向三受压三时的三混凝三土强三度无侧三向约三束时三的单三轴抗三压强三度有侧三向约三束时三的抗三压强三度混凝三土在三三向三受压三状态三下的三极限三强度三可用三下式三表示1=f*C1=f*Cr

----侧向约束压应力rr混凝三土在三三向三受压三时，三不仅三其强三度得三到很三大的三提高三，同三时混三凝土三的变三形能三力也三有较三好的三改善三；k为侧三压效三应系三数，三通常三取4.三0。☼构件三受剪三或受三扭时三常遇三到剪三应力t和正三应力s共同三作用三下的三复合三受力三情况三。☼砼的三抗剪三强度三：随拉应力三增大三而减三小，随压应力三增大三而增三大；当压三应力三在0.三6fc左右三时，三抗剪三强度三达到三最大三，压应三力继三续增三大，三内裂三缝发三展明三显，三抗剪三强度三随压三应力三的增三大而三减小三。3.混凝三土的三变形三性能混凝三土的三变形三：(1三)受力三变形；(2三)环境三条件三变形。（一三）混三凝土三的受三力变三形混凝三土的三受力三变形三：(1三)一次三短期三加载三下的三变形三；(2三)重复三加载三下的三变形三；(3三)长期三加载三下的三变形三。A．混三凝土三在一三次短三期加三载下三的变三形性三能混凝三土完三整的三应力三－应三变曲三线大三致可三由三三阶段三组成三。①近似三直线三段（三近似三弹性三阶段三）②上升三曲线三段（三弹塑三性＋三裂缝三扩展三阶段三）③下降三曲线三段（三裂缝三失稳三扩展三＋破三坏阶三段）影响三应力—应变三曲线三的因三素有三混凝三土强三度、三加载三速度三等。应力三小于fc的20三%∼30三%时（a点），应三力应三变关三系接三近直线。当应三力，呈三现塑性。应三力增三大到fc的80三%左右三（b点）三，应三变增三长更三快。应力三达到fc（c点）时三，试三件表三面出三现纵三向裂三缝，三试件三开始三破坏三。达三到的三最大三应力σo称为砼棱柱三体抗三压强三度fc，相应三的应三变为εo一般三为0.三00三2左右三。εcu最大三压应三变(MPa)fco0(10-3)abcd225201510546810加载速度快砼强度提高加载速度慢砼强度降低作用是：加载至峰值应力后，吸收试验机的变形能，测出下降段PP★影响三应力—应变三曲线三形状三因素砼强三度低，三曲线三平坦三；强度三高，曲三线陡三，εcu小；加载三速度快，三最大三应力三提高三，曲三线陡三；加三载速三度慢三，曲三线平三缓，εcu增大三。图1-三9不同三强度三的混三凝土三的－曲线εcu越大三，表三示混三凝土三的塑三性变三形能三力越大，也三就是三延性(指构三件最三终破三坏之三前经三受非三弹性三变形三的能三力)越好。混凝三土的三强度三等级越高，上三升段长，峰三点越高，峰三值应三变也三有所三增大；下三降段三越陡。εcu最大三压应三变B.混凝三土在三重复三荷载三下的三变形三性能因混三凝土三是弹三塑性三材料三，当三进行三加载三后再三卸载三，其三部分三应变三立即三或经三过一三段时三间后三恢复（弹三性应三变）三，而另三一部三分应三变则三不能三恢复（残三余应三变）三，一次三加载三、卸三载循三环中三混凝三土的三应力三－应三变曲三线形三成一三闭合三环。在较三高应三力水三平下三对混三凝土三施加三重复三荷载三，其三应力—应变三曲线三环逐三渐靠三近，三退化三成一三条直三线，三再经三过数三次的三重复三加载三，应三力—应变三关系三曲线三由“凸”向应三力轴三变为“凸三”向应三变轴且不再三形成三闭合三环；最三终混三凝土三试件三因裂缝三过宽或变形三过大而破三坏。pe重复荷载下的应力-应变曲线破坏fcf321疲劳强度<fc因重三复荷三载作三用引三起的三破坏三称之三为疲劳三破坏,混凝三土的三疲劳三破坏三强度三与其三上应三力最小三值与三最大三值的三比值r和荷载三的重三复次三数有直三接关三系。0c<0.5fc，线性徐变；c>0.5fc

，非线性徐变。P弹变徐回t0t1t弹变e徐变cr永久变形总变形最终徐变C.混凝三土长三期荷三载作三用下三的变三形性三能现象：荷载三长时三间持三续作三用下三，尽三管混三凝土三上的三应力三不变三，其三变形三也会三随时三间的三延长三而增三大（徐变）。原因：1.胶凝三体的三粘性三流动；2.混凝三土内三部微裂三缝的三不断三发展。影响三因素：1.应力：c<0三.5三fc，线三性徐三变；0.三5fc<c<0三.8三fc，非三线性三徐变三；c>0三.8三fc，混三凝土三破坏三；2.龄期：加三荷时三混凝三土的三龄期三越早三，徐三变越三大；3.环境三湿度：湿三度愈三大，三徐变三愈小三；4.水泥三用量三及水三灰比：徐变三与水三泥用三量及三水灰三比成三正比三；部分三徐变三可恢三复（三弹性三徐回三）；三大部三分徐三变不三可恢三复（三残余三变形三）。徐变三对混三凝土三结构三的影三响有利三：徐变三造成三结构三内力三的重三新分三布，三降低三高应三力，三提高低应三力，三改善三了结三构的三内力三分布三；徐变三改善三钢筋三与混三凝土三之间三的应三力分三布，三使结三构最终内三力分三布和三材料三的利三用趋三向合三理。不利三：徐变三降低三构件三的刚三度，三加大三构件三的变三形；徐变三增大三预应三力混三凝土三构件三中预三应力三钢筋三的应三力损失，三降低三预应三力效三果；徐变三对构三件中三的裂三缝有三增大三作用三。PAsPAss1c1Ps2Ass2P拆去，钢筋受压，混凝土受拉.徐变：s，c在实三际工三程中三，需三要通三过对三结构三构件三的内三力分三析以三及对三混凝三土徐三变性三质的三认识三，来三利用三或控三制徐三变对三结构三的影三响。（二三）混三凝土三的温三度变三形和三干缩三变形现象：因三外界三温度三变化三及内三部水三化热三等产三生的三温度三变形三；因外三界湿三度变三化及三凝固三结硬三中失三水等三产生三的变三形。原因：1.固体三材料三的热三胀冷三缩；2.水泥三凝胶三体失三水后三转换三为水三泥石三的体三积缩三小。影响三因素：1.水泥三品种三：等三级越三高，三收缩三越大2.水泥三用量三：水三泥用三量与三水灰三比越三大，三收缩三越大3.骨料三：骨三料越三硬，三收缩三越小4.其他三：养三护条三件、三环境三条件三、体三积与三表面三积比三。收缩三对混三凝土三结构三的影三响：在结三构中三产生三温度三或干三缩拉三应力三；AssAss收缩：钢筋受压，混凝土受拉As导致三混凝三土开三裂，三影响三结构三承载三能力三和耐三久性三。cccecp01b.变形三模量（割线三模量）应变系数，受压时，为0.4~1.0；受拉破坏时，为1.04.混凝三土的三弹性三模量三、泊松比、剪切三模量1）.混凝三土的三弹性三模量a.原点三切线三模量（弹性三模量）：三拉压三相同混凝三土弹三性模三量的三测试三方法三（15三0×15三0×30三0标准三试件）c/fcc0.5加、卸5~10次载PP低应三力高应三力2）混凝三土的三泊松三比混凝三土拉三、压三应变三的比三值称三为其泊松三比;压力三较小三时泊三松比三为0.三12～0.三18，接三近破三坏时三达0.三5以上三，一三般可三取1/三6。3）剪切三模量混凝三土剪三切模三量是三将混三凝土三视为三弹性三材料三，按三弹性三理论三求出(当n取为1/三6时，三混凝三土剪三切模三量为0.三43三Ec)：5.混凝三土的三重力三密度混凝三土的三重力三密度三与所三采用三的骨三料的三重力三密度三及混三凝土三的密三实度三有关三，可三按下三列数三值采三用：骨料三为一三般重三力密三度岩三石的三混凝三土，三取23三kN／m3（人三工振三捣）；24三kN／m3（机三械振三捣）三。骨料三为大三重力三密度三岩石三的混三凝土三，在三上述三数值三上再三增加1.三0k三N／m3。钢筋三混凝三土的三重力三密度三一般三取为25三kN／m3。三、三钢筋三与混三凝土三的粘三结1.钢筋三与混三凝土三之间三的粘三结力光圆三钢筋粘附三力摩擦三力机械三咬合三力有滑移三时粘附力三即消三失钢筋三受力三较大时三粘结三力主要三由此三二部分三组成变形三钢筋粘附三力摩擦三力机械三咬合三力主要三作用作用三：保证三力的三相互三传递三，是三两者三共同三工作三的基三础。（钢筋表面不平、微锈时可显著提高咬合力）PP★影响三粘结三力的三主要三因素◆砼强三度：粘结三强度三随砼三强度三的提三高而三增加三，但并三不与三立方三体强三度fcu成正三比，而三与抗三拉强三度ft成正三比。◆保护三层厚三度：变形三钢筋三，粘三结强三度主三要取三决于三劈裂三破坏三。相三对保三护层三厚度c/三d越大三，砼三抵抗三劈裂三破坏三的能三力也三越大三，粘三结强三度越三高。◆受力三情况：受压三钢筋三由于三直径三增大三会增三加对三砼的三挤压三，从三而使三摩擦三作用三增加三。◆钢筋三表面三和外三形特三征：●光面三钢筋三表面三凹凸三较小三，机三械咬三合作三用小三，粘三结强三度低三。●月牙三肋和三螺纹三肋变三形钢三筋，三机械三咬合三作用三大，三粘结三强度三高。光面三钢筋τb峰值三随P增加三，由三加荷三端移三至自三由端三，τb图形三长度（有效三埋长三）达三到自三由端三。变形三钢筋τb峰值三始终三在加三荷端三附近三，有三效埋三长增三加缓慢三，粘三结力三大于三光面三钢筋三。粘结三力峰三值关于三机械三咬合三力◆光圆三钢筋——咬合三力来三自表三面的三粗糙三不平三。◆变形三钢筋——变形三钢筋三的横三肋对三混凝三土的三挤压三如同三一个三楔，三会产三生很三大的三机械三咬合三力，三从而三提高三了变三形钢三筋的三粘结三能力粘结三破坏三形式变形三钢筋三的粘三结破三坏：＊横肋三挤压三混凝三土使三钢筋三周围三混凝三土开三裂滑三移变三形加三快，＊肋间三混凝三土剪三切强三度不三够，三发生三“刮三梨式三”三拔出三破坏三。图钢筋三横肋三对混三凝土三的挤三压力1-钢筋三凸肋三上的三挤压三力；2-内部三裂缝钢筋三即将三拔出三时的极限三状