第二章 钢筋与混凝土材料的力学性能

第二章钢筋与混凝土材料的力学性能1.钢筋的品种、规格、力学性能及强度设计指标；2.钢结构用钢材的品种、规格、力学性能及强度设计指标；3.混凝土的强度、变形指标；混凝土结构耐久性规定。本章主要内容1.了解建筑钢材的品种、规格及选用要求；2.理解建筑钢材的力学性能。3.理解混凝土结构的耐久性规定；4.掌握混凝土的各项力学指标及变形性能。教学目标：重点1.建筑钢材的力学性能;2.混凝土的强度指标；3.混凝土的变形；4.混凝土结构耐久性规定。难点1.建筑钢材的力学性能;2.混凝土的强度指标；3.混凝土的变形。2.1.1混凝土结构对钢筋的要求①应具有较高的强度和良好的塑性；②便于加工和焊接；③并应与混凝土之间具有足够的粘接力。§2.1建筑钢材钢筋按外形分类光面钢筋变形钢筋2.1.2钢筋的种类热轧钢筋热处理钢筋冷拉钢筋冷轧钢筋冷拔低碳消除应力钢丝钢绞线钢筋按加工方法不同分类钢筋按在结构中是否施加预应力分类普通钢筋钢丝（1）普通钢筋1）热轧钢筋由低碳钢或普通合金钢在高温下轧制而成。用于钢筋混凝土结构的热轧钢筋分为四个级别HPB235、HRB335、HRB400和RRB400。2）热处理钢筋淬火、回火HPB235级钢筋：光圆钢筋，公称直径范围为8～20mm，推荐直径为8、10、12、16、20mm。实际工程中只用作板、基础和荷载不大的梁、柱的受力主筋、箍筋以及其他构造钢筋。HRB335级钢筋：月牙纹钢筋，公称直径范围为6～50mm，推荐直径为6、8、10、12、16、20、25、32、40和50mm。实际工程中主要用作结构构件中的受力主筋。HRB400级钢筋：月牙纹钢筋，公称直径范围和推荐直径同HRB335钢筋。是混凝土结构的主导钢筋，实际工程中主要用作结构构件中的受力主筋。RRB400级钢筋：月牙纹钢筋，公称直径范围为8～40mm，推荐直径为8、10、12、16、20、25、32和40mm。强度虽高，但疲劳性能、冷弯性能以及可焊性均较差，其应用受到一定限制。（2）钢丝钢丝主要用于预应力混凝土结构中，主要是消除应力钢丝，其外形有光面、螺旋肋、三面刻痕三种。（3）钢绞线由多根高强钢丝绞织在一起而形成的，有3股和7股两种，多用于后张法大型构件。2.1.3钢筋的冷拉和冷拔延性降低（1）冷拉将钢筋拉到超过钢筋屈服强度的某一应力值，目的是提高钢筋的抗拉强度，节约钢材。伸长钢筋、节省钢材、调直钢筋、自动除锈、检查焊接质量。（2）冷拔将HPB235的钢筋，用强力从直径较小的硬质合金拔丝模拔出使它产生塑性变形，拔成较细的钢丝，目的是提高强度。塑性降低较大。se（1）有明显屈服点的钢筋a’abcdefua´为比例极限oa为弹性阶段de为强化阶段b为屈服上限c为屈服下限，即屈服强度fycd为屈服台阶e为极限抗拉强度fufyfef为颈缩阶段o2.1.4钢筋的强度和变形把ƒy取为计算构件的强度标准，以ƒu作为材料的强度储备。软钢有两个强度指标：一是屈服台阶的下限点（较稳定）所对应的应力称为钢筋屈服强度，即钢筋的强度设计指标；另一个强度指标是e点的钢筋极限强度，这是钢筋的最大强度。整个强化阶段作为钢筋强度的安全储备。（2）无明显屈服点的钢材对于没有明显屈服点的钢材，以残余变形为0.2%时的应力作为条件屈服点，其值约等于极限强度85%。（3）钢筋的塑性伸长率：钢筋拉断后的伸长值与原长的比率。%100110lll伸长率越大的钢筋塑性越好，拉断前有明显的预兆。冷弯性能冷弯是在常温下将钢筋绕一定直径的钢辊弯曲。弯成一定角度后，然后卸除外力，检查试样弯曲部分的外面、里面和侧面，若弯曲处无裂纹、起层或断裂现象，即可认为冷弯性能合格。2.1.5钢材的选用（1）钢筋混凝土结构以HRB400级热轧钢筋为主导钢筋。实际工程中，普通钢筋采用HRB400级和HRB335级钢筋，也可以采用HPB235和RRB400级钢筋。（2）预应力混凝土结构以高强、低松弛钢丝、钢绞线为主导钢筋。预应力钢筋宜采用预应力钢丝、钢绞线，也可采用热处理钢筋。§2.2混凝土2.2.1混凝土的强度轴心抗拉强度轴心抗压强度立方体抗压强度混凝土强度1.混凝土的立方抗压强度及强度等级。（1）混凝土的立方体抗压强度(fcu)用边长为150mm的标准立方体试件，在标准养护条件下（温度20±3℃，相对湿度不小于90%）养护28天后，按标准试验方法（试件的承压面不涂润滑剂，加荷速度约每秒0.15-0.3N/mm2）测得的平均抗压强度。混凝土的立方抗压强度标准值(fcu,k)：具有95%保证率的抗压强度。（2）混凝土的强度等级根据立方体抗压强度标准值fcu,k的大小，混凝土强度等级分C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75、C80共14级。其中，C60~C80属高强混凝土。（3）结构混凝土强度等级的要求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Ｃ20。预应力混凝土结构的混凝土强度等级不应低于Ｃ30；当采用钢丝、钢绞线、热处理钢筋作为预应力钢筋时，混凝土强度等级不宜低于Ｃ40。2.轴心抗压强度采用150×150×300mm棱柱体试件测得的强度作为混凝土的轴心抗压强度。3.混凝土的抗拉强度采用100×100×500mm的柱体试件，进行直接轴心受拉试验，测得的试件拉裂时的平均拉应力作为混凝土的轴心抗拉强度。试验表明：混凝土抗拉性能远远低于抗压性能，并且强度等级越高抗拉强度越低。4.混凝土的复合受力强度2.2.2混凝土的变形混凝土的变形有两类：一类是受力变形；另一类是体积变形，包括收缩、膨胀和温度变形。1.混凝土的受力变形（1）棱柱体一次短期加压的应力—应变曲线A点以前，微裂缝没有明显发展，应力-应变关系近似直线。A点应力随混凝土强度的提高而增加。OA为弹性阶段，A点称为比例极限。AB为稳定裂缝扩展阶段；达到B点，内部一些微裂缝相互连通，裂缝发展已不稳定，横向变形突然增大，体积应变开始由压缩转为增加。在此应力的长期作用下，裂缝会持续发展最终导致破坏。B点以后内部微裂缝连通形成破坏面，应变增长速度明显加快，从而形成裂缝快速发展的不稳定状态直至峰点C，BC为不稳定裂缝扩展阶段，峰点C对应的最大应力为fc，相应的应变称为峰值应变，通常取为0.002。C点以后为破坏阶段。不同强度等级的混凝土应力应变曲线比较：混凝土的变形模量取混凝土棱柱体一次加载的应力应变曲线的原点切线模量作为混凝土的弹性模量。混凝土不是弹性材料，其应力和应变不呈线性关系，在不同应力阶段的变形模量（应力与应变之比）不同，原点切线很难准确地作出。实用中，所以通常的做法是对标准尺寸为150315033000mm的棱柱体试件，先加载至应力为0.5fc，然后卸载到0，反复5-10次。每次卸载到0时存在残余变形，随加载次数的增加，应力－应变曲线渐趋于稳定的直线，该直线的斜率就是混凝土的弹性模量。混凝土的弹性模量测定：)(7.342.2105MPafEcuc（2）混凝土在长期荷载作用下的变形——徐变徐变：混凝土在长期不变荷载作用下，应变随时间继续增长的现象。对结构构件的不利影响：增大混凝土构件的变形，在预应力混凝土构件中引起预应力损失等；有利影响：有利于结构内力重分布，减小应力集中现象和减小温度应力。影响因素：构件截面的应力大小，时间长短，混凝土所处环境条件和混凝土的组成。养护条件越好，周围环境的湿度越大，构件加载前混凝土的强度愈高，水泥用量愈少，水灰比越小，混凝土越密实，集料含量越大，集料刚度越大，则徐变越小。2.收缩与膨胀在空气中硬化，体积收缩；在水中，体积膨胀。一般来说，收缩比膨胀的影响大得多。收缩是混凝土在硬结过程中产生硬结收缩和自由水蒸发的结果。收缩对结构构件的不利影响：当构件受到约束时，混凝土的收缩就会使构件中产生收缩应力，收缩应力过大，就会使构件产生裂缝，以致影响结构的正常使用；在预应力混凝土构件中混凝土收缩将引起钢筋预应力值损失，等等。收缩的影响因素：水泥强度越高、水泥越多、水灰比越大、骨料越少、硬化使用过程中周围温湿度越小、混凝土越疏松、构件的体积与表面积的比值越大，收缩越小；反之，收缩越大。§2.3钢筋与混凝土的共同工作钢筋与混凝土之间的粘结与锚固：钢筋与混凝土之间的粘结是这两种材料共同工作的保证，使之能共同承受外力、共同变形、抵抗相互之间的滑移。钢筋能否可靠地锚固在混凝土中则直接影响到这两种材料的共同工作，从而关系到结构和构件的安全和材料强度的充分利用粘结力定义：若钢筋和混凝土有相对变形（滑移），就会在钢筋和混凝土交界面上产生沿钢筋轴线方向的相互作用力，这种力称为钢筋与混凝土的粘结力.胶结力摩擦力机械咬合力钢筋端部的锚固力粘结力的组成胶结力：混凝土凝结时，由于水泥的水化作用在钢筋与混凝土接触面上产生的化学吸附作用力。摩擦力：混凝土收缩后将钢筋紧紧地握裹住而产生的力。机械咬合力：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钢筋端部的锚固力：采取锚固措施后所造成的机械锚固力。进行拔出试验时，受拉钢筋达到屈服的同时发生粘结破坏，该临界情况的锚固长度称为基本锚固长度，用la表示。普通钢筋预应力钢筋dffltya锚固长度dffltpya保证可靠粘结的构造措施：钢筋的间距和混凝土的保护层不能太小；优先采用小直径变形钢筋，光面钢筋末端应设弯钩；钢筋伸入支座应有足够的锚固长度；钢筋不宜在混凝土的拉区截断；在大直径钢筋的搭接和锚固区域内宜设置横向钢筋；根据钢筋的位置采取正确的浇注和振捣方式。结束