第2章 钢筋和混凝土的力学性能

1、第2章钢筋和混凝土的力学性能,第一节：钢筋,第二节：混凝土,第三节：钢筋与混凝土的粘结,21钢筋,钢筋在钢筋混凝土和预应力混凝土结构中采用的棒状或丝状钢材，是钢筋混凝土结构和预应力混凝土结构中主要用于受拉的材料。,目前我国用于钢筋混凝土结构和预应力混凝土结构的钢筋主要品种有钢筋、钢丝和钢绞线。,钢筋主要品种,钢筋的分类,按化学成分,碳素钢,普通低合金钢,锰系,硅矾系,低碳钢,中碳钢,高碳钢,硅钛系,硅锰系,硅铬系,C0.25%,C=0.25%0.6%,C=0.6%1.4%,有无物理屈服点,有,无,钢绞线,钢筋,钢丝,热轧钢筋,软钢,软钢,冷加工钢筋,轧制和加工工艺,HPB300,HRB335,

2、HRB400,RRB400,混凝土结构设计规范未列入热处理钢筋和冷加工钢筋。,冷拉钢筋,冷拨钢丝,冷轧带肋钢筋,冷轧扭钢筋,钢筋的分类,热处理钢筋,热轧钢筋,钢筋混凝土结构中的钢筋和预应力混凝土结构中的非预应力普通钢筋。,热轧光面钢筋HPB300，用于钢筋混凝土板和小型构件的受力钢筋以及各种构件的构造钢筋。,热轧带肋钢筋HRB335，用于大中型钢筋混凝土结构构件的受力钢筋和构造钢筋以及预应力混凝土结构构件中的非预应力钢筋。,热轧钢筋,热轧带肋钢筋HRB400，用于大中型钢筋混凝土结构和高强混凝土结构构件的受力钢筋。,余热处理钢筋RRB400。,热处理钢筋又称调质钢筋，是用中碳低合金带肋钢筋通过

3、加热、淬火和回火等调质工艺处理的钢筋。热处理后，钢筋强度能得到较大幅度提高，塑性降低不多。,热处理钢筋是硬钢，其应力应变曲线没有明显的屈服点，伸长率小，质地硬脆。,热处理钢筋,冷加工钢筋是指在常温下采用冷加工工艺对热轧钢筋进行加工得到的钢筋。,以强度较低的钢筋盘条经冷拨、冷拉、冷轧、冷扭后截面缩小、外形改变而形成的冷拉钢筋、冷拨钢丝、冷轧带肋钢筋、冷轧扭钢筋统称为冷加工钢筋。,混凝土结构设计规范中未列入各类冷加工钢筋（冷拉、冷拔、冷轧、冷扭），采用冷加工钢筋时，应当执行相应的行业技术规程。,冷加工钢筋,冷拉钢筋,冷拉钢筋由热轧钢筋在常温下经机械拉伸而成，冷拉应力值应超过钢筋的屈服强度。冷拉钢筋

4、有、四个级别。,钢筋经冷拉后，抗拉屈服强度提高，但塑性降低，这种现象称为冷拉强化。冷拉后，经过一段时间钢筋的屈服点比原来的屈服点有所提高，这种现象称为时效硬化。,冷拔钢筋,冷拔钢丝是将钢筋用强力拔过比它本身直径还小的硬质合金拔丝模而成的钢丝。分为甲级和乙级两个级别。,可提高钢筋的抗拉强度和抗压强度，但塑性降低很多，冷拔低碳钢丝的延性较差，且表面光滑，与混凝土粘结性差。,冷轧带肋钢筋是以普通低碳钢、优质碳素钢或低合金钢热轧圆盘条为母材，在表面冷轧成具有三面或两面月牙形横肋的钢筋，分为五个级别（CRB550、CRB650、CRB800、CRB970和CRB1170），极限强度与冷拔低碳钢丝相近，但

5、伸长率比冷拔低碳钢丝有明显提高。,冷轧带肋钢筋,钢筋形式,钢筋的形式分为柔性钢筋和劲性钢筋。,普通钢筋可作为钢筋混凝土结构各种构件的受力钢筋和构造钢筋以及预应力混凝土结构构件的非预应力钢筋。,劲性钢筋是指各种型钢、钢轨或者用型钢与钢筋焊成的骨架。,普通钢筋,普通钢筋有光面钢筋和变形钢筋两种。,HPB300钢筋是光面钢筋，HRB335、HRB400、RRB400钢筋是带肋变形钢筋。,光面钢筋,螺纹钢筋,人字纹钢筋,月牙纹钢筋,常见的劲性钢筋混凝土结构为型钢钢筋混凝土结构，型钢钢筋混凝土结构是以型钢周围配置钢筋并浇注混凝土的埋入式组合构件作为柱、梁、板、壳的结构。,内埋的钢骨架使构件承载力大为提高

6、，且具有较大的延性，抗震性能好；此外，型钢骨架在施工阶段可作为支架结构。,劲性钢筋,由于外包混凝土的约束，可以防止钢构件的局部失稳并提高构件的整体刚度，从而使钢材的强度得到充分利用，节省钢材；外包混凝土还能提高构件的耐火性及耐久性。,预应力钢筋必须采用高强度材料，可分为高强度钢筋、预应力钢丝和钢绞线。,高强度钢筋分为冷拉热轧低合金钢筋和热处理低合金钢筋。预应力钢丝是以优质高碳钢盘条经等温淬火再拉拔而成的钢丝。,预应力钢筋,规范的预应力钢丝是采用消除应力的矫直回火钢丝，预应力钢丝经过矫直回火后，可消除钢丝冷拔中产生的残余应力，提高钢丝的比例极限、屈服强度和弹性模量，并改善塑性。消除应力钢丝按外形

7、分为光面钢丝、刻痕钢丝和螺旋肋钢丝等。,钢绞线是用一种稍粗的直钢丝为中心，其余钢丝围绕其进行螺旋状绞合，再经低温回火处理。,预应力混凝土钢绞线规格有2股、3股、7股等，常用的是3股、7股钢绞线。,刻痕钢丝,螺旋肋钢丝,钢筋的力学性能,1）弹性阶段2）屈服阶段3）强化阶段4）破坏阶段,有物理屈服点的钢筋,应力应变曲线,颈缩图,弹性阶段,A点以前应力应变呈直线关系，故A点对应的应力称为比例极限。,钢筋的弹性模量是根据拉伸实验中测得弹性阶段的应力应变关系确定的。弹性模量是弹性段应力应变的比值,OA直线的斜率。,钢筋的受压弹性模量与受拉时相同。,进入屈服阶段B上B段，应力应变不再成正比例关系，屈服阶段

8、B上B段呈锯齿形，应力在一个很小范围内波动，应变却自动增长，犹如停止了对外力的抵抗，或者说屈服于外力，所以叫做屈服阶段。,B上B段称为流幅或屈服平台。,钢筋到达屈服阶段时，虽尚未断裂，但一般已不能满足结构的设计要求，所以设计时是以这一阶段的应力值为依据，为了安全起见，取其下限值B下，屈服下限也叫屈服强度或屈服点y。,屈服阶段,在应力超过B点后，钢筋进入强化阶段，钢筋的应力重新开始增长，应力应变曲线的斜率变得远比弹性阶段小，而且随着应力的增长越来越小，这种塑性变形可一直延续到最高点C，称为强化阶段BC。,对应的最高点C的应力为抗拉强度b。,强化阶段,当试件强度达到C点后，在试件内部某个薄弱部位的

9、截面将突然急剧缩小，发生局部颈缩现象。,出现颈缩现象后，应力是逐渐降低的，至D点试件在颈缩处被拉断，D点对应的应变称为钢筋的极限应变。,破坏阶段,有物理屈服点的钢筋有两个强度指标,B下点的屈服强度：这是钢筋混凝土构件设计时钢筋强度取值的依据，因为钢筋屈服后产生了较大的塑性变形，这将使构件变形和裂缝宽度大大增加以致无法使用，所以在设计中采用屈服强度作为钢筋的强度极限。,C点的钢筋极限强度：一般用作钢筋的实际破坏强度。,有物理屈服点的钢筋应力应变力学模型,应力应变曲线,无物理屈服点的钢筋,极限抗拉强度的0.65倍之前达到比例极限点。,屈服强度取残余应变为0.2%所对应的应力0.2,规范统一取0.2

10、=0.85b，其中b为无物理屈服点的钢筋的极限抗拉强度。,应力应变曲线,无物理屈服点的钢筋应力应变力学模型,一般采用Ramberg-Osgood模型,钢筋的塑性性能,钢筋的延伸率是指钢筋试件上标距为10d、5d(d为钢筋的试件直径)或100mm范围内的极限伸长率，记为10、5和100。,钢筋的塑性指标主要有两个：延伸率和冷弯性能。这两个指标反映了钢筋的塑性性能和变形能力。,(1)延伸率,延伸率反映了钢筋拉断前的变形能力，它是衡量钢筋塑性性能的一个指标，含碳量越低的钢筋，屈服台阶越长，延伸率也越大，塑性性能越好。,均匀伸长率gt由非颈缩断口区域标距的残余应变r与恢复的弹性应变e组成。,均匀伸长率

11、,冷弯性能是将钢筋围绕某个规定的直径D(D规定为1d,2d,3d等)的辊轴弯曲成一定的角度（90或180），弯曲后的钢筋应无裂纹或断裂现象。,(2)延伸率,钢辊的直径越小，弯转角度越大，钢筋的冷弯性能就越好，冷弯是反映钢筋塑性性能的另一项指标，它与延伸率对钢筋塑性的标志是一致的。,钢筋的松弛,钢筋受力后，长度保持不变，钢筋应力随时间增长而降低的现象称为松弛。,钢筋的包兴格效应,当受拉（或受压）超过弹性极限而产生塑性变形后，其反向受压（或受拉）的弹性极限将显著降低的软化现象，称为包兴格效应。,钢筋的疲劳性能,1.钢筋的疲劳破坏是指钢筋在承受重复、周期动荷载作用下，一定次数后，钢材发生脆性的突然断

12、裂破坏。,2.钢筋的疲劳强度是指在某一规定应力变化幅度内，经受一定次数循环荷载后，才发生疲劳破坏的最大应力值。,3.影响钢筋疲劳强度的因素:如应力变化幅度，最小应力大小，钢筋外表面的几何形状、钢筋直径、钢筋等级等。,4.混凝土结构设计规范(GB50010)钢筋在不同的应力比值sf=fmin/fmax(重复荷载作用下载面同一纤维上最小应力和最大应力的比值)时，疲劳强度设计值。,设计对钢筋性能的要求,热轧钢筋的强度标准值根据屈服强度确定,钢筋的强度标准值,钢筋的强度标准值,预应力钢筋的强度标准值,钢筋的抗拉强度设计值是钢筋的强度标准值除以钢筋的材料分项系数。,钢筋的强度设计值,钢筋的强度设计值,预

13、应力钢筋的强度设计值,钢筋的弹性模量,钢筋有两大强度指标，一是钢筋的屈服强度（或条件屈服强度），是构件承载力计算的主要依据，屈服强度高则材料用量省；另一个是钢筋的极限抗拉强度。,(2)钢筋的强度,屈服强度与极限抗拉强度之比称为屈强比，代表了钢筋的强度储备，也在一定程度上代表了结构的强度储备。,屈强比愈小，钢材在超过屈服点以后的强度储备能力愈大，安全性愈高；屈强比大，钢材的利用率提高，但其安全可靠性降低。,对于抗震结构，为了满足抗震要求，对钢筋的抗拉强度实测值与屈服强度实测值不应小于1.25。,钢筋混凝土结构对钢筋性能的要求,1、强度的要求和适当的屈服比,-它代表了钢筋的强度储备。,2、足够的塑

14、性,-要求钢筋混凝土结构承载能力极限状态为具有明显预兆的塑性破坏。,3、可焊性,-焊接后不应产生裂纹及过大的变形，以保证焊接接头性能良好。,4、与混凝土具有良好的粘结,22混凝土,混凝土是由水泥、砂子和石子三种材料及水按一定配合比拌合，经过凝固硬化后做成的人工石材；它是一种各组份具有不同性质的多相复合材料。,主要讲述混凝土的组成结构、混凝土的单轴受力强度、混凝土的复合受力强度、混凝土的变形和混凝土设计强度等级的选用原则等内容。,微观结构,亚微观结构,宏观结构,水泥石结构,水泥砂浆结构,砂浆粗骨料体系,混凝土组成结构,1.水泥凝胶2.晶体骨架3.未水化完的水泥颗粒4.凝胶孔,1.水泥石为基相2.

15、砂子为分散相,水泥看作是基相，粗骨料分布在砂浆中，砂浆与粗骨料的结合面是薄弱面。,由水泥、砂子和石子三种材料及水按一定配合比拌合，经过凝固硬化后做成的人工石材,混凝土受压破坏机理可概括为：随着应力的增大，沿粗骨料界面和砂浆内部的微裂缝逐渐延伸和扩展，导致砂浆的损伤不断积累；裂缝贯通后，混凝土的连续性遭到破坏，逐渐丧失其承载力，破坏的实质是由连续材料逐步变成不连续材料的过程。,混凝土的单轴受力强度,立方体抗压强度,普通混凝土力学性能试验方法标准规定：边长为150mm的标准立方体试件在标准条件（温度203，相对湿度90%）下养护28天后，以标准试验方法(中心加载，加载速度为0.31.0N/mm2s

16、)，试件上、下表面不涂润滑剂，连续加载直至试件破坏，测得混凝土抗压强度为混凝土标准立方体的抗压强度fcc，单位N/mm2。,1、试验的方法,-试件两端因受承受钢板与试件端面间横向摩擦力的作用，膨胀受到约束限制的程度随离端部的距离而逐渐减小，致使裂缝大可能沿加载方向上下延伸发展，而是成斜向随荷载增长，最终形成角锥面破坏。,2、尺寸影响,-混凝土立方体试块尺寸愈大，实测破坏强度愈低，反之愈高，这种现象称为尺寸效应。,3、加载速度,-加载速度过快，强度较高。反之，加载速度过慢，则强度有所降低。,4、龄期,-在一定的温度和湿度条件下，混凝土的强度开始增长较快，后来逐渐减慢。,用边长为150mm的标准立

17、方体试块在标准条件下养护28天后，在压力机上以标准试验方法，试件上、下表面不涂润滑剂，测得的破坏时的平均压力作为混凝土的立方体抗压强度，混凝土的立方体抗压强度标准值指按上述规定所测得的具有95%，保证率的立方体抗压强度：fcuk=fcu-1.645fcu,将混凝土强度分为十四级，称为混凝土强度等级，它是按立方体抗压强度标准的大小划分的，即C15,C20,C25,C30,C35,C40,C45,C50,C55,C60,C65,C70,C75,C80,混凝土结构设计规范(GB50010)规定,轴心抗压强度,普通混凝土力学性能试验方法标准（GB/T50081-2002）采用150mm150mm300

18、mm棱柱体作为混凝土轴心抗压强度试验的标准试件，混凝土试件轴心抗压强度。,采用棱柱体试件比立方体试件更能反映混凝土的实际工作状态。,轴心抗拉强度,混凝土的抗拉强度是混凝土的基本力学特征之一，一般只有抗压强度的5%10%，混凝土的抗拉强度取决于水泥石的强度和水泥石与骨料间的粘结强度。增加水泥量、减少水灰比、采用表面粗糙的骨料及良好的养护条件都可提高混凝土的抗拉强度。,在实际工程中，虽然很少直接用混凝土作为受拉材料，但混凝土抗拉强度对构件的许多性能有重要影响，而且在构件的抗剪、抗扭、抗冲切计算中还直接运用混凝土的抗拉强度指标。,试件尺寸100mm100mm500mm，两端各埋入一根16的变形钢筋，

19、埋深为150mm，置于轴线上。用试验机夹头夹住两端外伸的钢筋施加拉力，破坏时试件在没有钢筋的中部截面被拉断，平均拉应力即为混凝土的轴心抗拉强度。,直接受拉试验,普通混凝土力学性能试验方法标准（GB/T50081-2002）采用边长为150mm的立方体标准试件，劈裂抗拉强度为,劈裂抗拉试验,普通混凝土力学性能试验方法标准（GB/T50081-2002）选用简支梁进行试验，采用三分点对称加载。,抗折强度,抗剪强度试验采用常见的试件有矩形梁直接剪切试件、Z字形试件、8字形试件。,抗剪强度,在实际工程结构中，经常遇到的是复杂受力状态，如钢筋混凝土梁弯剪段的剪压区、框架的梁柱节点区、牛腿、深梁等。复杂受

20、力状态下混凝土的强度，亦称为混凝土的复合受力强度。,混凝土的复合受力强度,由于问题比较复杂，目前尚未建立比较完善的混凝土强度理论，因而混凝土的复合受力强度主要是依赖于试验结果。所以，研究混凝土在复合应力状态下的强度，不仅对认识强度极限状态有重要的意义，而且对工程实践也有重要的意义。,双轴受力试验一般采用正方形试件，试验时沿板平面内的两对应边分别作用法向应力1和2，沿板厚方向的法向应力3=0，板处于平面应力状态。,双向受压,双轴应力状态,双向受拉,拉压受力,由于同时拉压时，增加了试件另一方向的受拉变形，加速了内部微裂缝的发展，使混凝土强度降低。混凝土的强度均低于单轴受力（拉或压）强度。,在剪压应

21、力状态下，压应力达到0.6fc*前，混凝土的抗剪强度随压应力增大而提高，超过0.6fc*后，抗剪强度随压应力增大反而减小，当压应力达到混凝土轴心抗压强度时，抗剪强度为零。,剪压、剪拉受力,在剪拉应力状态下，随着拉应力绝对值的增加，混凝土抗剪强度降低，当拉应力约为0.1fc*时，混凝土受拉开裂，抗剪强度降低为零。,三轴受压试验有三种加载组合方式，最典型的是侧向等压2=3=r的三轴受压，即所谓常规三轴。试验时先通过液体静压力对混凝土圆柱体施加径向等压应力，然后对试件施加纵向压应力直到破坏。这种受力状态下，试件由于侧压限制，其内部裂缝的产生和发展受到阻碍，因此当侧向压力增大时，破坏时的轴向抗压强度相

22、应地增大。,三轴受压状态,在实际工程中，采用横向钢筋约束混凝土提高混凝土的抗压强度。在柱中采用密排螺旋钢筋，这种钢筋有效地约束了混凝土的横向变形，使混凝土的强度和延性都有较大的提高。,混凝土的变形,混凝土的变形可分为两类：一类是荷载作用下的受力变形，包括单轴短期加载，多次重复加载以及荷载长期作用下的变形；另一类是体积变形，一般指混凝土收缩、膨胀以及由于温度变化产生的变形等。,混凝土轴心受压时的应力应变关系,在单轴短期荷载作用下，轴心受压混凝土的应力应变关系是混凝土材料最基本的力学性能，是对混凝土进行理论分析的基本依据，是研究和建立混凝土构件的承载力、变形、延性以及应用计算机进行构件的非线性全过

23、程分析的重要依据。,0,fcs,u,0.3fcs,0.8fcs,曲线ab段：水泥凝胶体的粘性流动和内部微裂缝的扩展使混凝土表现出越来越明显的塑性，应力应变关系偏离直线，应变的增长速度比应力增长快。内部微裂缝有所发展，但处于稳定状态，故b点称为临界应力点，相应的应力相当于的条件屈服强度。,曲线bc段：应变增长速度进一步加快，应力应变曲线的斜率急剧减小，混凝土内部微裂缝进入非稳定发展阶段,0a段：应力应变关系接近于直线a点相当于混凝土的弹性极限。变形主要取决于骨料和水泥石的弹性变形，内部的初始微裂没有发展.,曲线cd段：下降段的存在表明受压破坏后的混凝土仍保持一定的承载能力，它主要是由滑移面上的摩

24、擦咬合力和为裂缝所分割成的混凝土小柱体的残余强度所提供。,混凝土轴心受压时的应力应变关系,峰值应变0随混凝土强度等级不同约在0.00150.0025之间变动，结构计算中一般取0=0.002,结构计算中一般取u=0.0030.0035，我国混凝土结构设计规范(GB50010)取u=0.0033。,0,混凝土轴心受压时应力应变曲线的数学模型,美国E.Hognestad建议的模型,西德Rsch建议的模型,规范推荐的模型,混凝土轴心受拉时的应力应变关系,当拉应力0.5ft*时，应力应变关系接近于直线；当约为0.8ft*时，反映受拉时塑性变形的发展。试件断裂时的极限拉应变一般取t=1.510-4。,混凝

25、土在复合应力下的应力应变关系,重复荷载作用下的变形性能,200万次重复荷载时发生破坏的压应力值，称为混凝土的疲劳抗压强度fcf。,弹性模量、泊松比及剪变模量,混凝土的弹性模量Ec=tg0,混凝土的割线模量Ec=tg1=c/c,混凝土的切线模量Ec=tg=d/d,混凝土进入弹塑性阶段后，总变形c包含了弹性变形ela和塑性变形pla两部分。,割线模量和弹性模量的关系,混凝土的割线模量和弹性模量的关系可用下式表示,弹性特征系数,当混凝土达到极限抗拉强度即将开裂时，割线模量可取其受拉弹性模量为0.5Ec。,泊松比是指一次短期加载(受压)时试件的横向应变与纵向应变之比。,混凝土的泊松比c,当取泊松比c=

26、0.2时，由上式可得Gc=0.417Ec，所以我国规范规定，混凝土的剪变模量为,混凝土的剪变模量,当压应力较小时，约为0.150.18；接近破坏时，可达0.5以上。规范取c=0.2。,混凝土在荷载长期作用下的变形性能(徐变),在不变的应力长期持续作用下，混凝土的变形随时间而缓慢增长的现象称为混凝土的徐变。,混凝土的徐变对钢筋混凝土结构的影响,-在某种情况下，徐变有利于防止结构裂缝形成；有利于构件的应力重分布，减少应力集中现象及减少温度应力等。,-由于混凝土的徐变使构件变形增大；在预应力混凝土构件中，徐变会导致预应力损失；徐变使受弯和偏心受压构件的受压区变形加大，故而使受弯构件挠度增加，使偏压构

27、件的附加偏心距增大而导致构件承载力的降低。,有利影响,不利影响,总之，弊多利少，应尽量减少徐变。,混凝土徐变产生的原因,1是混凝土中的水泥凝胶体在荷载作用下产生粘性流动，并把它所承受的压力逐渐转给骨料颗粒，使骨料压应力增大，试件变形也随之增大；,2是混凝土内部的微裂缝在荷载长期作用下不断发展和增加，也使徐变增大。,当应力不大时，徐变的发展以第一个原因为主；当应力较大时，则以第二个原因为主。,影响徐变的因素,当0.5fcsh时，徐变与应力成正比，这种情况称为线性徐变。,1)应力大小,当=(0.50.8)fcsh时，徐变的增长速度比应力的增长速度快，为非线性徐变。,当0.8fcsh时，混凝土内部的

28、微裂缝进入非稳态发展，导致混凝土破坏。取=0.8fcsh作为混凝土的长期抗压强度。初应力越大，徐变也越大。,加载时混凝土的龄期越长，徐变越小。,为了减少徐变，应避免过早地给结构施加长期荷载，例如在施工期内避免过早地撤除构件的模板支柱等，也可以采取加快混凝土硬结的措施来减小龄期对徐变的影响。,2)龄期影响,在混凝土的组成成分中，水灰比愈大，水泥水化后残余的游离水愈多，徐变也愈大；水泥用量愈多，凝胶体在混凝土中所占比重也愈大，徐变也愈大；骨料愈坚硬，弹性模量愈大以及骨料所占体积比愈大，则由凝胶体流动后传给骨料压力所引起的变形也愈小，徐变也愈小。,3)材料组成,养护环境湿度愈大，温度愈高，则水泥水化

29、作用愈充分，徐变就愈小，混凝土在使用期间处于高温、干燥条件下所产生的徐变比低温、潮湿时明显增大。此外，由于混凝土中水分的挥发逸散与构件的体积与表面积之比有关，因而构件尺寸愈大，表面积相对愈小，徐变就愈小。,4)外部环境,混凝土的收缩,混凝土在空气中结硬时，体积要缩小，混凝土的收缩量可达310-4；混凝土的收缩是一种随时间而增长的变形，结硬初期收缩变形发展较快，两周完成收缩的1/4，一个月完成1/2，三个月后增长缓慢，一般2年后趋于稳定，最终收缩应变约为(25)10-4。,影响混凝土收缩的因素,水泥用量越多、水灰比越大，收缩就越大。骨料的级配好、弹性模量高，可减小混凝土的收缩。高温蒸养，收缩减少

30、；使用环境的温度越高，相对湿度越低，收缩就越大。此外，水泥品种、混凝土的密实度、构件的体表比等都会对混凝土的收缩有影响。,梁板或其他构件，由于养护不好，在使用前就可能因混凝土收缩而产生裂缝；整片大面积的混凝土地面或楼面，在施工后就可能因混凝土的收缩而产生裂缝；在预应力混凝土结构中，混凝土的收缩会导致预应力的损失。收缩也对超静定结构（如拱）产生不利的内力，导致钢筋混凝土结构出现过大裂缝，造成不利影响。,收缩的不利影响,混凝土的膨胀,在水中结硬时，则体积膨胀。,温度变形,温度变形也是混凝土在非荷载状态下，产生内力的一个重要因素。混凝土的线膨胀系数随骨料性质及配合比而变化，约为(11.5)10-5，

31、一般取1.010-5。,混凝土的膨胀特性对混凝土构件往往是有利的，故一般不予考虑。,收缩和膨胀是在混凝土不受力的情况下而产生的变形，一般来说，收缩值比膨胀值大得多。,混凝土与钢筋的线膨胀系数是相近的。温度变化时，在混凝土和钢筋之间引起的内应力很小，不致产生相对的变形。,温度变形的影响,水泥在水化作用时排出的热量导致构件内部的温度上升，构件表面由于便于散热而温度相对较低。构件内外的这种温差就会引起应力，从而导致混凝土开裂。,温度的变化与水泥种类、水泥含量、新拌混凝土的温度、混凝土硬化速度、构件尺寸等因素有关。,大体积混凝土结构以及水池、烟囱等结构由温度变化引起的温度应力必须予以考虑。,混凝土设计

32、强度等级的选用原则,混凝土强度等级应按立方体抗压强度标准值确定，混凝土立方体抗压强度标准值fcu,k，我国混凝土结构设计规范规定，立方体抗压强度标准值系指按标准方法制作养护的边长为150mm150mm150mm的立方体试件，在28天龄期用标准试验测得的具有95%保证率的抗压强度。,混凝土强度等级,规范将混凝土强度分为十四级，按立方体抗压强度标准的大小划分，即C15，C20,C25，C30，C35，C40，C45，C50，C55，C60，C65，C70，C75，C80，各个等级中的数字部分是以N/mm2为量纲的立方体抗压强度标准值。,混凝土的其他设计强度指标，都可根据试验分析与立方体抗压强度标准

33、值建立起相应的换算关系。轴心抗压强度标准值与立方体抗压强度标准值的关系如下,轴心抗压强度和轴心抗拉强度标准值,混凝土的其他设计强度指标，都可根据试验分析与立方体抗压强度标准值建立起相应的换算关系。混凝土的轴心抗拉强度标准值与立方体抗压强度标准值的关系如下,轴心抗压强度和轴心抗拉强度设计值,轴心抗压强度和轴心抗拉强度设计值是相应的标准值除以材料分项系数，具体如下,弹性模量,经统计分析,混凝土强度等级的选用,钢筋混凝土结构的混凝土强度等级不应低于C15；当采用HRB335级钢筋时，混凝土强度等级不宜低于C20；当采用HRB400和RRB400级钢筋以及承受重复荷载的构件，混凝土强度等级不得低于C2

34、0。预应力混凝土结构的混凝土强度等级不应低于C30；当采用钢绞线、钢丝、热处理钢筋作预应力钢筋时，混凝土强度等级不宜低于C40。,混凝土结构设计规范规定,选择混凝土，还必须是根据混凝土构件的受力和耐久性等方面的要求确定的。,23钢筋与混凝土的粘结,粘结应力分为钢筋端部的锚固粘结应力和裂缝之间的局部粘结应力。,钢筋混凝土受力后，钢筋与混凝土之间出现变形差(相对滑移)，会沿钢筋和混凝土接触面上存在剪应力，称为粘结应力。,通过粘结力钢筋和混凝土传递二者之间的应力，使钢筋和混凝土变形协调、共同工作。,钢筋和混凝土粘结的类型,是指钢筋伸入支座或支座负弯矩钢筋在跨间截断时，必须具有足够的锚固长度，通过锚固

35、长度积累的粘结力。,按钢筋所处部位和所起作用不同受压、受拉、支座、节点及钢筋截断时，锚固长度各异。,1锚固粘结应力,裂缝之间的局部粘结应力，是指相邻两个开裂截面之间产生的钢筋拉力，通过裂缝两侧的粘结应力部分地向混凝土传递，使未开裂的混凝土受拉。,2局部粘结应力,粘结力组成,-混凝土中的水泥凝胶体在钢筋表面产生的化学粘着力或吸附力，来源于浇注时水泥浆体向钢筋表面氧化层的渗透和养护过程中水泥晶体的生长和硬化。,1化学胶结力,取决于水泥的性质和钢筋表面的粗糙程度。这种力一般很小，只在钢筋和混凝土界面存在，当接触面发生相对滑移时就消失，仅在局部无滑移区内起作用。,2摩擦力,-混凝土收缩后将钢筋紧紧地握

36、裹住，当钢筋和混凝土产生相对滑移时，在钢筋和混凝土界面上将产生摩擦力。,它取决于混凝土发生收缩、荷载和反力等对钢筋的径向压应力、钢筋和混凝土之间的粗糙程度等。钢筋和混凝土之间的挤压力越大、接触面越粗糙，则摩擦力越大。,-钢筋表面凹凸不平与混凝土产生的机械咬合作用而产生的力，即混凝土对钢筋表面斜向压力的纵向分力，取决于混凝土的抗剪强度。,各种粘结力中，化学胶结力较小；光面钢筋以摩擦力为主；变形钢筋以机械咬合力为主。,3机械咬合力,变形钢筋的横肋会产生这种咬合力，它的咬合作用往往很大，是变形钢筋粘结力的主要来源，是锚固作用的主要成份。,1光面钢筋的粘结破坏,光面钢筋的粘结力主要是化学胶结力、摩擦力

37、和钢筋表面凹凸不平的机械咬合力。,粘结机理,粘结强度通常采用标准抗拔试验（如图2-35）,钢筋和混凝土之间的平均粘结应力,2变形钢筋的粘结破坏,粘结强度仍由化学胶结力、摩擦力和钢筋表面凹凸不平的机械咬合力组成，但主要是钢筋表面突出肋与混凝土之间的机械咬合力。变形钢筋和光圆钢筋的主要区别是钢筋表面具有不同形状的横肋或斜肋。,钢筋的锚固是指通过混凝土中钢筋埋置段或机械措施将钢筋所受的力传给混凝土，使钢筋锚固于混凝土而不滑出，包括直钢筋的锚固、带弯钩或弯折钢筋的锚固，以及采用机械措施锚固等。,锚固抗力等于钢筋屈服强度fy时，相应的锚固长度就是临界锚固长度lcra，这是保证受力钢筋直到屈服也不会发生锚

38、固破坏的最小长度。钢筋屈服后强化，随锚固长度的延长，锚固抗力还能增长，到锚固抗力等于钢筋拉断强度fu时，相应的锚固长度就是极限锚固长度lua。,影响粘结强度的因素,(1)混凝土的强度等级高，粘结强度高,(2)保护层厚度大，钢筋的净距大，粘结强度高,(3)钢筋的直径小，粘结强度高；螺纹钢筋比月牙钢筋高,(4)横向箍筋，提高粘结强度,(5)横向压应力，提高粘结强度,(6)浇筑混凝土时钢筋位置,钢筋的锚固和连接,钢筋的锚固,(1)锚固机理,1)强度极限状态-钢筋与混凝土之间的粘结应力达到粘结强度，直钢筋在混凝土中的锚固、搭接和延伸要考虑这种状态。,2)刚度极限状态-钢筋与混凝土之间的相对滑移增长过速

39、的状态，带弯钩钢筋和弯折钢筋在混凝土中锚固时要考虑这种状态。,钢筋的锚固是指通过混凝土中钢筋埋置段或机械措施将钢筋所受的力传给混凝土，使钢筋锚固于混凝土而不滑出，包括直钢筋的锚固、带弯钩或弯折钢筋的锚固，以及采用机械措施的锚固等。,锚固抗力等于钢筋屈服强度fy时，相应的锚固长度就是临界锚固长度lcra，这是保证受力钢筋直到屈服也不会发生锚固破坏的最小长度。钢筋屈服后强化，随锚固长度的延长，锚固抗力还能增长，到锚固抗力等于钢筋拉断强度fu时，相应的锚固长度就是极限锚固长度lua。,锚固长度,受拉钢筋的最大拉力为d2fy/4，锚固长度la的平均粘结强度为，锚固力dla，由平衡条件可得,混凝土结构设

40、计规范的锚固长度,锚固长度的修正,1)带肋钢筋直径较大时，其肋高相对值减小，使粘结力减小，当HRB335、HRB400和RRB400级钢筋直径大于25mm时，锚固长度应乘以修正系数1.1,2)寒冷地区，撒盐融冰，但盐对混凝土中钢筋的侵蚀作用大。为此，采取在钢筋表面上涂一层环氧树脂的方法。试验表明，涂层使钢筋锚固强度降低20%左右，因此，HRB335、HRB400和RRB400级涂环氧树脂钢筋，其锚固长度应乘以修正系数1.25；,3)施工中易受扰动（如滑模施工），影响钢筋的粘结锚固，锚固长度应乘以修正系数1.1；,4)规范规定的锚固长度是按保护层厚度等于钢筋直径的最不利条件确定的，当HRB335、HRB400和RRB400级钢筋保护层厚度大于钢筋直径的3倍且配置有箍筋时，锚固长度可乘以修正系数0.8；,5)锚固长度是按照充分利用钢筋设计强度的条