第三章 结构材料的力学性能及选用

3结构材料的力学性能及选用本章主要论述了建筑钢材中钢筋的力学性能和混凝土的力学性能（混凝土的立方体抗压强度、轴心抗压强度、轴心抗拉强度；混凝土的变形和混凝土的选用）。重点讨论了钢筋与混凝土之间的相互作用——粘结力。了解结构构件所用材料的力学性能，是掌握结构构件的受力性能的基础。本章提要本章内容3.1建筑钢材3.2混凝土3.3钢筋与混凝土的相互作用－粘结力3.1建筑钢材有屈服点的钢材试件在试验机上进行拉伸试验得出的典型应力－应变曲线如图3.1所示。其中颈缩现象如图3.2。对于有明显屈服点的钢材取其屈服强度作为钢材强度限值（钢材强度的设计依据）—关键性的强度指标。一、钢材的力学性能（一）应力-应变曲线1.有屈服点的钢材图3-1钢材的应力－应变曲线图3-2钢材的颈缩2.无明显屈服点的钢材无明显屈服点的钢材试件在试验机上进行拉伸试验得出的典型应力－应变曲线如图3-3所示。实际设计中通常取相应于残余应变ε=0.2%时的应力σ0.2作为名义屈服点，即条件屈服强度对于无明显屈服点的钢材，由于其条件屈服点不容易测定，因此，这类钢材的质量检验以其极限抗拉强度作为主要强度指标。《混凝土结构设计规范》规定，条件屈服强度σ0.2取极限强度σb的0.85σ0.2=0.85σb3.1建筑钢材图3-3无明显屈服点钢材121100%lll反映钢材塑性性能的基本指标是伸长率和冷弯性能。伸长率是钢材试件拉断后的伸长值与原长的比3.1建筑钢材1)屈服强度fy到达屈服点后，产生很大的塑性变形，导致结构构件可能在钢材尚未进入强化阶段就发生破坏或产生很大的变形和过宽的裂缝，以致不能使用，所以对有明显流幅的钢材，在计算承载力时以屈服强度作为钢材强度限值。2)极限强度ft在抗震结构设计中，要求结构在罕遇地震下“裂而不倒”，钢材应力可考虑进入强化段,要求ft实≥1.25fy实；(构件出现塑性铰时，塑性铰有足够的变形能力和耗能能力)，同时fy实≤1.3fy标；（保证强柱弱梁、强剪弱弯能够实现）。（二）强度1.有屈服点的钢材3.1建筑钢材对于无明显屈服点的钢材，其条件屈服强度不易测定，这类钢材在质量检验时以其抗拉强度作为主要强度指标，并以极限抗拉强度σb的0.85倍作为条件屈服强度。（二）强度1.无明显屈服点的钢材3.1建筑钢材(1）伸长率伸长率是指试件拉断后原标距的伸长值与原标距的比值(以百分率表示)(2)冷弯性能冷弯性能是指钢材在常温下承受弯曲时产生塑性变形的能力。对于同直径或厚度的钢材，要求按规定的弯心直径弯曲一定的角度而不发生裂纹。冷弯性能可间接反映钢材的塑性性能和内在质量，钢材的冷弯性能必须合格。钢材的屈服强度、抗拉强度、伸长率和冷弯性能是检验有明显屈服点钢材的四项主要质量指标，对无明显屈服点的钢筋则只测定后三项。（三）塑性钢材破坏前的变形能力。121100%lll3.1建筑钢材钢材在弹性阶段的应力和相应应变的比值为常量，该比值即钢材的弹性模量。Es＝σs/εs钢材的弹性模量可由拉伸试验测定。钢结构采用钢筋。（四）弹性模量52.0610E52.010E3.1建筑钢材二、钢材的冷加工钢材在常温下的加工称为冷加工，常用冷拉、冷拔等方法。其目的就是使钢材的内部组织结构发生变化，从而提高钢材的强度，达到节约钢材的目的。1.钢筋的冷拉冷拉是把钢筋张拉到超过屈服点的某一应力值，然后卸荷，以提高钢筋强度的方法，冷拉后应力－应变曲线将发生变化，如图3-4所示。2.钢筋的冷拔冷拔是在常温下将钢筋（热轧HPB235）用强力拔过比它直径小的硬质合金拔丝模，如图3-5，拔成比原来直径小的钢丝。图3-4钢筋冷拉的应力－应变曲线图3-5钢筋冷拔示意图1.钢筋经冷拉和时效硬化后，强度有所提高，但塑性降低，但冷拉只能提高钢筋的抗拉强度而不能提高钢筋的抗压强度。2.钢筋冷拔后强度较大幅度提高，塑性显著降低；冷拔可以同时提高钢筋的抗拉强度和抗压强度。结论3.1建筑钢材三、建筑钢材的品种按化学成分为碳素结构钢及普通低合金钢（一）钢筋我国《混凝土结构设计规范》中推荐的钢筋由碳素结构钢和普通低合金钢制成。我国常用的钢筋品种有以下几类（见图3-6）：1.热轧钢筋2.冷加工钢筋1.光圆钢筋3.热处理钢筋2.带肋钢筋4.钢丝5.钢绞线二、钢筋的种类及选用强度高，塑性低强度高，粘结性好强度高预应力钢筋钢筋热轧钢筋钢丝钢绞线热处理钢筋HPB235HRB335HRB400RRB400光圆钢筋变形钢筋变形钢筋变形钢筋非预应力钢筋强度塑性弱强高低图3-6常用钢筋形式3.1建筑钢材三、建筑钢材的品种（二）型钢和钢板钢结构构件一般直接选用型钢，当构件尺寸很大或型钢不合适时则用钢板制作。型钢有角钢(包括等边角钢和不等边角钢)、槽钢、工字钢等；钢板有厚板(厚度4.5～60mm)和薄板(厚度0.35～4mm)之分。根据规范规定，用于钢结构的钢材牌号为碳素结构钢中的Q235和低合金结构钢中的Q345、Q390和Q420。鸟巢采用的是Q460（目前全国仅有一栋建筑）图3-7各种型钢（1）有较高的强度。（2）塑性。要求有良好的塑性，使结构构件在破坏前有明显的预兆。（3）具有良好的可焊性。（4）钢筋与混凝土之间有良好的粘结力。钢筋和混凝土共同工作的原因。1.混凝土结构对钢筋性能的要求3.1建筑钢材四、钢材的选用（一）钢筋（1）普通钢筋宜采用HRB400级和HRB335级钢筋，也可采用HPB235级和RRB400（2）预应力钢筋宜采用预应力钢绞线、钢丝，具体工程中，现浇楼板的钢筋和梁柱的箍筋多采用HPB235级钢筋；梁柱的受力筋多采用HRB335、HRB400钢筋；尺寸较大的构件有时也采用HRB335、HRB400级钢筋作箍筋。2.钢筋的选用原则3.1建筑钢材选用钢材时，应根据的重要性、荷载特征、连接3.1建筑钢材四、钢材的选用（二）钢结构的钢材3.2混凝土混凝土是由水泥、水、粗骨料（碎石、卵石）、细骨料砂等材料按一定配合比，经混合搅拌，入模浇捣并养护硬化后形成的人工石材。影响混凝土的强度和变形的主要因素有：原材料的性能；各组成成分的比例，尤其是水灰比的大小；施工方法（搅拌程度、浇捣的密实性、对混凝土的养护方法）等。3.2.1混凝土的强度强度是指结构材料所能承受的某种极限应力。混凝土的强度是靠水泥的水化、硬化获得的。水泥的水化硬化早期快、后期慢，故混凝土强度的增长也是早期快、后期慢，但到28d龄期时强度的增长就不明显而趋于稳定。因此，规范以28d龄期时混凝土的强度为基准。混凝土的基本强度指标有立方体抗压强度、轴心抗压强度和轴心抗拉强度三种。（一）混凝土的抗压强度1.混凝土强度等级——立方体抗压强度fcuk混凝土强度等级应按立方体抗压强度标准值确定。我国混凝土强度等级的确定方法是：用边长为150mm的立方体标准试件，在标准试验条件下养护28d，并用标准试验方法（C30以下的加载速度控制在0.3~0.5MPa/s范围；C30以上的加载速度控制在0.5~0.8MPa/s范围。两端不涂润滑剂）测得的具有95%保证率的立方体抗压强度，用符号fcuk表示。规范规定砼强度等级按立方体抗压强度标准值确定。一、混凝土的强度2.轴心抗压强度fc和fck立方体抗压强度不能代表混凝土在实际构件中的受力状态，只是作为在同一标准条件下比较混凝土强度水平和品质的标准。试验表明：用高宽比为2~3的棱柱体测得的抗压强度与以受压为主的混凝土构件中的混凝土抗压强度基本一致。因此，棱柱体的抗压强度可以作为以受压为主的混凝土抗压强度，称为轴心抗压强度，用符号fc和fck表示。一、混凝土的强度混凝土的抗拉性能很差。混凝土的抗拉强度一般只有抗压强度的1/20~1/8，且不与抗压强度成正比。混凝土轴心抗拉强度取棱柱体（100mm×100mm×500mm，两端埋有钢筋）的抗拉极限强度为轴心抗拉强度。混凝土构件的开裂、变形以及受根据试验得知，fcuk、fck、ftk三者之间的关系是fcuk＞fck＞ftk。(二）混凝土的轴心抗拉强度ft和ftk1.混凝土的强度标准值经统计分析，并考虑结构中混凝土强度与试件强度之间的差异，《混凝土结构设计规范》给出了混凝土强度标准值，详见附表22.混凝土强度设计值为混凝土强度标准值除以混凝土的材料分项系数γc，规范规定γc=1.4，即fc=fck/γc，ft=ftk/γc。ft、fc见附表3(三）混凝土的强度计算指标3.2.2混凝土的变形混凝土变形有两类：一类是荷载作用下的受力变形，包括一次短期加荷时的变形、多次重复加荷时的变形和长期荷载作用下的变形；另一类是体积变形，包括收缩、膨胀和温度变形。1.混凝土在一次短期加荷时的应力－应变关系可通过对混凝土棱柱体的受压或受拉试验测定。混凝土受压时典型的应力－应变曲线如图3.7所示，不同强度等级混凝土的应力－应变曲线如图3.8所示。混凝土受拉时的应力－应变曲线的形状与受压时相似。对应于抗拉强度ft的应变εct很小，计算时可取εct=0.0015。（一）混凝土短期加荷下的应力－应变关系二、混凝土的变形3.2.2混凝土的变形2.（1）弹性模量混凝土的应力σ与其弹性应变εce之比值称为混凝土的弹性模量Ec＝σ/εce＝tgα0根据大量试验结果，混凝土规范采用以下公式计算混凝土的弹性模量：3.2.2混凝土的变形)/(/7.342.21025mmNfEcukc2.（2）变形模量原点O点至曲线任一点应力为σc处割线的斜率，称为任意点割线模量或称变形模量。Ec′＝tgα1(3)混凝土的切线模量在混凝土应力--应变曲线上某一应力σc处作一切线，其应力增量与应变增量之比值称为相应于应力σc时混凝土的切线模量。Ec′′＝tgα3.2.2混凝土的变形混凝土受压后除产生瞬时压应变外，在维持其外力不变的条件下（即荷载长期不变），应变随时间继续增长的现象，叫做混凝土的徐变如图3-11所示为一施加的初始压力为σ=0.5fc时的徐变与时间的关系。混凝土的徐变对混凝土结构构件的受力性能有重要的影响：它将使结构构件的变形增加；轴心受压构件中钢筋的应力增加而混凝土的压应力减小的应力重分布现象产生；在预应力混凝土结构构件中引起预应力损失等。（二）混凝土的徐变（1）内在因素-混凝土组成配合比。水灰比越大，徐变越大；骨料的级配愈好，弹性模量越大。（2）环境影响-养护及使用条件下的温度、湿度。养护条件温度、湿度越高，徐变愈小；反之，徐变愈大。使用时温度高、湿度低，徐变愈大。（3）应力条件-施加初应力水平和加荷时混凝土的龄期。应力愈大，徐变就愈大；加荷时龄期越长，混凝土的强度越高，徐变就越小。3.2.2混凝土的变形图3-11混凝土的徐变曲线混凝土在空气中凝结硬化时，体积减小的现象称为收缩变形。其规律见图所示。收缩变形是一种非受力变形；而徐变变形只有在受力达到一定数值并且持续作用下才产生。（三）混凝土的收缩变形影响混凝土收缩的主要因素有：（1）水泥用量愈多，水灰比愈大，收缩愈大。（2）（3）骨料级配好，含量高，骨料的弹性模量大，收缩小。（4）养护条件好，使用环境湿度大，收缩小。（5）3.2.2混凝土的变形收缩会引起开裂3.2.3混凝土的选用《混凝土结构设计规范》规定：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；当采用钢绞线、钢丝、热处理钢筋作预应力筋时，混凝土强度等级不宜低于C403.3钢筋与混凝土的相互作用－粘结力粘结力是存在于钢筋与混凝土界面上的作用力。它反映的是钢筋与混凝土交界面上沿钢筋纵向的抗剪能力。如图3-12所示。产生粘结力的主要因素是：（1）混凝土收缩将钢筋紧紧握固而产生的摩擦力；（2）混凝土颗粒与钢筋表面产生的化学胶合力；（3）由于钢筋表面凹凸不平与混凝土之间产生的机械咬合力。一、粘结力的概念和作用图3-12钢筋与混凝土之间的粘结二、粘结力的测定粘结力的测定一般采用拔出试验方法，如图3-12所示图3-12钢筋拔出试验