钢筋与混凝土材料的基本性能

第2章钢筋与混凝土材料的基本性能要点——钢筋与混凝土的主要物理力学性能包括：钢筋的物理力学性能；混凝土的物理力学性能；等等。主要内容§2.1钢筋的强度和变形§2.2混凝土的强度和变形2.1.1钢筋的形式和成型§2.1钢筋的强度和变形1.劲性钢筋与柔性钢筋柔性钢筋劲性钢筋——是由各种型钢、钢轨或者用型钢与钢筋焊成的骨架。2.钢筋外形光圆带肋等高肋月牙肋Ⅰ级钢筋Ⅱ级、Ⅲ级钢筋，统称变形钢筋钢丝通常为光圆，也有在表面刻痕的伸长率冷弯性能——钢筋拉断后的伸长值与原长的比率——将直径为d的钢筋绕直径为D的弯芯弯曲到规定的角度后无裂纹断层及起层现象，则表示合格☆伸长率越大塑性越好。▲钢筋除了要有足够的强度外，还应具有一定的塑性变形性能。▲钢筋的塑性通常用伸长率和冷弯性能两个指标来衡量。☆弯转角越大塑性越好。3.钢筋骨架2.1.2单调荷载下钢筋的强度和变形1.钢筋应力-应变试验曲线钢筋的强度和变形性能可以用拉伸试验得到的应力-应变曲线来说明。有明显流幅的钢筋的应力-应变曲线无明显流幅的钢筋的应力-应变曲线2.钢筋的成分、级别和品种碳素钢普通低合金钢——含有铁元素外还含有少量的碳、硅、锰、硫、磷等元素低碳钢（含碳量0.25%)中碳钢（含碳量0.25%~0.6%)高碳钢（含碳量0.6%~1.4%）——除碳素钢已有的成分外，再加入少量的硅、锰、钛、钒、铬等合金元素▲碳素钢的含碳量越高强度越高，但塑性和可焊性会降低锰系硅钒系硅钛系硅锰系硅铬系▲普通低合金钢——加入合金元素后可有效地提高钢材的强度和改善钢材的其他性能▲用于钢筋混凝土结构的国产普通钢筋可使用热轧钢筋▲用于预应力混凝土结构的国产预应力钢筋可使用消除应力钢丝、螺旋肋钢丝、刻痕钢丝、钢绞线和热处理钢筋⑴热轧钢筋——是低碳钢、普通低合金钢在高温状态下轧制而成HPB235级（Ⅰ级）根据其力学性能指标的高低HRB335级（Ⅱ级）HRB400级（Ⅲ级）RRB400级（余处理Ⅲ级）☆钢筋混凝土结构中的纵向受力钢筋宜优先采用HRB400级钢筋。☆Ⅰ级钢筋的强度最低，Ⅱ级钢筋的次之，Ⅲ级钢筋的最高。⑵消除应力钢丝⑷刻痕钢丝⑸钢绞线⑹热处理钢筋——是将钢筋拉拔后，校直，经中温回火消除应力并稳定化处理的光面钢丝。——是以普通低碳钢或低合金钢热轧的圆盘条为母材，经冷轧减径后在其表面冷轧成二面或三面有月牙肋的钢筋。⑶螺旋肋钢丝——是在光面钢丝的表面上进行机械刻痕处理，以增加与混凝土的粘结能力。——是由多根高强钢丝捻制在一起经过低温回火处理清除内应力后而制成。——是将特定强度的热轧钢筋再经过加热、淬火和回火等调质工艺处理的钢筋。☆热轧钢筋是软钢，热处理钢筋是硬钢。3.钢筋强度值4.钢筋应力-应变关系的理论模型1）描述完全弹塑性的双直线模型ys时，当sssE(2-1)时，当hssy,yysfE（）ysf(2-1)2）描述完全弹塑性加硬化的三折线模型时，当yshssy,，表达式同式(2-1)；时，当usshs,,tgfhssys,ssEEtg01.03）描述弹塑性的双斜线模型ys时，当sssEyysfE（）时，当ussy,tgfysysyusyussffEtg,,2.1.3钢筋的冷加工和热处理1.钢筋的冷加工方法冷拉冷拔——可提高热轧钢筋强度——只能提高钢筋的抗拉强度——可同时提高钢筋的抗拉和抗压强度2.钢筋的热处理2.1.4钢筋的徐变和松弛2.1.5重复和反复荷载下钢筋的强度和变形1.重复荷载下钢筋的应力-应变曲线2.反复荷载下钢筋的应力-应变曲线——是指钢筋在承受重复、周期性的动荷载作用下，经过一定次数后，突然脆性断裂的现象。▲应力幅度是影响钢筋疲劳强度的主要因素，为一次循环应力中最大和最小应力的差值。3.钢筋的疲劳1）钢筋的疲劳强度——是指在某一规定应力幅度内，经受一定次数循环荷载后发生疲劳破坏的最大应力值。2）钢筋疲劳断裂的原因——钢筋内部和外部薄弱处的应力集中现象。3）钢筋的疲劳试验将钢筋埋入混凝土中使其重复受拉或受弯的试验直接进行单根原状钢筋轴拉试验两种方法我国采用此法☆《规范》规定了不同等级钢筋的疲劳应力幅度限值☆疲劳应力幅度限值与钢筋的疲劳应力比值（同一纤维上钢筋的最小应力与最大应力比值）有关。☆钢筋的疲劳应力比值fmaxfminf☆预应力钢筋当可不进行疲劳强度验算9.0f☆循环荷载的次数为200万次混凝土结构对钢筋性能的要求1.钢筋的强度2.钢筋的塑性3.钢筋的可焊性4.钢筋的耐火性5.钢筋与混凝土的粘结力——是指钢筋的屈服强度及极限强度。——为使钢筋在断裂前有足够的变形。——是评定钢筋焊接后的接头性能的指标。——热轧钢筋耐火性能最好。——保证钢筋与混凝土共同工作。补充§2.2混凝土的强度和变形两个方面：强度变形——多相复合材料由水泥凝胶、晶体骨架、未水化完的水泥颗粒和凝胶孔组成物理性能取决于——水泥的化学矿物成分、粉磨细度、水灰比和凝结硬化条件普通混凝土是由水泥、砂、石材料用水拌合硬化后形成的人工石材弹性骨架弹性骨架——主要承受外力，并使混凝土具有弹性变形的特点凝胶孔隙——外力作用下使混凝土产生塑性变形界面初始微裂缝孔隙、界面微裂缝是混凝土受力破坏的起源荷载作用下，微裂缝的扩展对混凝土的力学性能有着极为重要的影响结论：由于水泥胶体的硬化过程需要多年才能完成，故混凝土的强度和变形也随时间逐渐增长。另一方面强度两个方面：单轴向应力状态下复合应力状态下单轴向应力状态下的混凝土强度：2.2.1混凝土立方体受压1.混凝土的立方体抗压试验2.混凝土强度等级▲《规范》将混凝土划分为14个强度等级，分别为C15，C20，C25，C30，C35，C40，C45，C50，C55，C60，C65，C70，C75,C80不涂润滑剂《规范》规定▲混凝土立方体抗压强度的标准值fcu,k▲混凝土立方体抗压强度的影响因素混凝土强度尺寸150×150×150立方毫米的立方体试块，在（20±3）℃的温度和相对湿度90%以上的潮湿空气中养护28d，按标准试验方法测得的混凝土抗压强度试验方法：加载速度：低于C30时：每秒（0.3~0.5）N/mm2高于C30时：每秒（0.5~0.8）N/mm2龄期：混凝土的立方体抗压强度随成型后混凝土的龄期逐渐增长2.2.2混凝土轴心受压1.轴心受压混凝土应力-应变试验曲线曲线包括上升段和下降段两个部分▲以150毫米×150毫米×300毫米棱柱体作为混凝土轴心抗压强度试验的标准试件▲混凝土轴心抗压强度标准值用符号fck表示2.混凝土轴心抗压强度kcu,21ck88.0ff（2-4）式中：α1--棱柱体强度与立方体强度之比，对混凝土等级C50及以下的取α1=0.76，C80时，取α1=0.82，在此之间按线性内插法确定α2--高强度混凝土的脆性折减系数，对混凝土等级C40及以下的取α2=1.0，C80取α2=0.87，在此之间按线性内插法确定。0.88——考虑实际构件与试件混凝土强度之间的差异而取用的折减系数。▲国外常采用混凝土圆柱体试件其尺寸为：直径6英寸、高12英寸3.混凝土轴心受压应力-应变曲线的数学模型1)美国E.Hognestad建议的模型上升段:(2-5a)200cc2f0下降段:u000cc15.01uf(2-5b)2)德国Rusch建议的模型200cc2f(2-6a)cf（2-6b）0时，u0时，4.混凝土的变形模量1)混凝土的弹性模量（即原点模量）2)混凝土的变形模量3)混凝土的切线模量0ctanE1ctanEtancE)mm/kN(7.342.2102kcu,2cfE▲混凝土的弹性模量可按下式计算：（2-12）5.混凝土的横向变形2.混凝土的轴心抗拉强度混凝土的轴心抗拉强度标准值ft,k与立方体抗压强度标准值fcu,k之间的关系如下：245.00.55kcu,tk645.11395.088.0ff（2-15）式中：δ——变异系数，其余符号同式（2-4）2.2.3混凝土受拉1.混凝土抗拉试验▲混凝土受拉弹性模量与受压弹性模量值基本相同▲混凝土受拉时的应力-应变曲线下降段的坡度随混凝土强度的提高而更陡峭3.混凝土轴心受拉应力-应变关系2.1.4复合应力状态下混凝土的强度1.双向应力状态▲混凝土双向受拉时(第一象限)：抗拉强度和单向受拉时的抗拉强度基本相等▲混凝土双向受压时(第三象限)：混凝土一个方向的抗压强度，随另一方向强度的增大而提高▲一向受拉、一向受压时(第二、第四象限)：混凝土的强度均低于单向拉伸或压缩时的强度★法向应力与剪应力组合：压应力低时，抗剪强度随压应力增加而加大;当压应力大于0.6时，抗剪强度又逐渐减小混凝土的抗剪强度，会随拉应力加大而减小cf这说明：——结构中有剪应力会影响梁与柱中受压区混凝土的强度——剪应力的存在也使抗拉强度降低2.三向受压状态Lcccfff0.7~5.4三向压力作用下混凝土的最大主压应力有较大的增长原因当试件三轴受压时，由于侧向等压的约束，延缓了混凝土内部裂缝的产生和发展。侧向等压力值愈大，对裂缝的约束作用亦愈大。▲由试验得到的经验公式为：（2-16）式中：——有侧向压力约束试件的轴心抗压强度——无侧向压力约束试件的轴心抗压强度ccfcfLf——侧向约束压应力2.1.5重复荷载下混凝土的强度和变形变形1.一次短期加载下混凝土的变形性能（1）混凝土受压时的应力-应变关系重要当混凝土强度等级不同时，应力-应变关系曲线形状会有变化：▲它们的上升段曲线形状很相似▲但下降段差别很大强度等级低的混凝土的下降段较为平缓，残余应力相对较高强度等级高的混凝土的下降段坡度较陡，残余应力相对较小这说明强度等级高的混凝土的变形能力较差混凝土应力-应变曲线的形状还受到加载速度的影响：▲随加载速度减慢，混凝土应力峰值随之降低，而与应力峰值相对应的应变则随之增大，下降段曲线变得平缓。（3）三向受压状态下混凝土的变形特点▲工程上通过设置密排螺旋筋或箍筋来约束混凝土，改善钢筋混凝土结构的抗震性能▲三向压力作用下,随着侧向压力的增加，试件的强度和延性都有显著提高（5）混凝土轴向受拉时的应力-应变关系2.荷载长期作用下混凝土的变形性能3.混凝土在荷载重复作用下的变形（疲劳变形）——混凝土在荷载长期作用下产生随时间而增长的变形徐变▲影响混凝土徐变的因素：▲徐变对混凝土结构和构件的工作性能的影响内在因素环境因素应力因素——混凝土在荷载重复作用下引起的破坏疲劳破坏最主要4.混凝土的收缩与膨胀收缩膨胀——混凝土在空气中凝结硬化时其体积缩小，这种现象称为混凝土的收缩——混凝土在水中凝结硬化时其体积膨胀，这种现象称为混凝土的膨胀▲影响混凝土徐变的因素：水泥的品种骨料的性质养护条件混凝土制作方法使用环境构件的体积与表面积比值水泥的用量