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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第一章钢筋和混凝土材料的力学性能,第一章钢筋和混凝土材料的力学性能,本章提要：,介绍混凝土结构常用钢筋和混凝土材料的强度、变形性能以及选用原则；叙述钢筋和混凝土的粘结机理以及为保证钢筋和混凝土共同工作必须采取的工程构造措施。,1,第一章钢筋和混凝土材料的力学性能,第一节钢 筋,第二节 混凝土,第三节 钢筋与混凝土的粘结,2,第一章钢筋和混凝土材料的力学性能,第一节 钢 筋,一、钢筋的品种和等级,1.,普通钢筋牌号、强度等级及表示符号,HPB300,级,HRB335,级,、,HRBF335,级,F,HRB400,级,、,HRBF400,级,F,、,RRB400,级,R,HRB500,级,D,、,HRBF500,级,D,F,外形：,HPB300,级钢筋为光圆，其余均为月牙纹变形钢筋。,（,a,）光圆钢筋； （,b,）月牙纹钢筋,工程应用：,钢筋混凝土结构或预应力混凝土结构中的非预应力钢筋。,3,第一章钢筋和混凝土材料的力学性能,2.,预应力筋抗拉强度、外形及表示符号,中强度预应力钢丝：,极限抗拉强度标准值为,800MPa1270MPa,；外形光圆符号,PM,，外形螺旋肋符号,HM,，用于,中、小跨度的预应力混凝土构件,。,消除应力钢丝：,极限抗拉强度标准值为,1470MPa1860MPa,外形光圆符号,P,，外形螺旋肋符号,H,。,钢绞线：,多股高强钢丝绞织而成，极限抗拉强度标准值为,1570MPa1960MPa,符号,S,。,4,第一章钢筋和混凝土材料的力学性能,预应力螺纹钢筋（又称精轧螺纹粗钢筋）：,极限抗拉强度标准值为,980MPa1230MPa,符号,S,，可用螺丝套筒连接和螺帽锚固。,螺旋肋钢丝和钢绞线外形：,（,c,）螺旋肋钢丝； （,d,）钢绞线,二 、,钢筋的强度和变形,按钢筋受拉应力应变关系：,有明显屈服点钢筋，例如热轧钢筋。,无明显屈服点钢筋，例如高强钢丝,。,5,第一章钢筋和混凝土材料的力学性能,1.,有明显屈服点钢筋,（,1,）受拉应力应变曲线,a,点应力称为比例极限，,a,点,之前钢筋,处于弹性阶段,。,b,点应力称为,屈服强度,f,y,，,b,点到,c,点的水平段称为流幅或屈服阶段,，,钢筋应力保持,不变，应变急,剧增加,。,d,点应力称为,极限强度,f,u,，,cd,段称为强化阶段；,d,点后，试件产生颈缩现象，断面减小，变形迅速增大，应力明显降低，直至,e,点试件断裂,。,6,第一章钢筋和混凝土材料的力学性能,（,2,）钢筋强度设计取值的依据,原因：钢筋的应力达到屈服强度后，引起构件产生很大的变形与不可闭合的裂缝。,依据：屈服强度作为钢筋强度设计取值的依据。,（,3,）钢筋塑性性能,断后伸长率和均匀伸长率（表,1-1,）。,伸长率越大，塑性越好，破坏前预兆越明显，属于延性破坏；,冷弯。,弯芯直径,D,越小，弯曲角度越大，塑性越好，可加工性好。,7,第一章钢筋和混凝土材料的力学性能,（,4,）钢筋质量检验的主要力学技术指标,屈服强度、极限抗拉强度、伸长率、冷弯性能。,说明,：钢筋受压应力,应变曲线在屈服阶段之前与钢筋受拉基本相同。,2.,无明显屈服点钢筋,（,1,）受拉应力,应变曲线,钢筋无屈服阶段，强度较高，最,大拉应力,b,称为极限抗拉强度，,伸长率小，塑性变形较差。,（,2,）钢筋强度设计取值的依据,取,条件屈服强度,：,残余应变,0.2%,时的,应力,0.2,。,预应力钢丝、钢绞线一般取条件屈服,强度为,0.85b,。,（,3,）钢筋质量检验的主要力学技术指标,极限抗拉强度、伸长率、冷弯性能,。,8,第一章钢筋和混凝土材料的力学性能,3.,钢筋的弹性模量,工程设计采用的钢筋弹性模量,Es,见表,2-1,。,三、钢筋的冷加工,1.,冷加工钢筋概念,目的,：提高钢筋的强度，节约钢材。,方法,：常温下对热轧钢筋通过机械拉伸。,2.,冷加工钢筋品种及性能,（,1,）冷拉钢筋,加工工艺,：拉伸热轧钢筋超过屈服阶段，然后卸荷至零。,力学性能,：抗拉强度有提高，抗压强度不变，伸长率减少，塑性降低。,9,第一章钢筋和混凝土材料的力学性能,（,2,）冷拔钢丝,加工工艺,：将热轧钢筋用拔过比其直径小的硬质合金拔丝模。,力学性能,：多次冷拔后，抗拉强度和抗压强度大幅度提高，伸长率显著减小。,（,3,）冷轧钢筋,加工工艺,：指以热轧圆盘条为母材，经冷拉或冷拔减径后，在其表面轧制具有两面或三面月牙纹横肋的冷轧带肋钢筋。,力学性能,：与冷拔钢丝的强度基本接近，但塑性较好。,（,4,）冷轧扭钢筋,加工工艺,：热轧圆盘条经专用冷轧扭机加工，形成符合规定截面形状和节距的连续螺旋状钢筋。,力学性能,：抗拉强度比母材提高，伸长率减少。,新品种钢筋,：环氧树脂涂层钢筋等。,10,第一章钢筋和混凝土材料的力学性能,四,、,结构对钢筋性能的要求,1.,选用强度较高的钢筋,目的：减少构件的配筋量，节约钢材。,避免配筋密集给设计、施工造成困难。,减少钢筋的运输、加工、现场绑扎等工作量。,要求,：,纵向受力普通钢筋宜采,用,HRB400,级,、,HRB500,级,、,HRBF400,级,和,HRBF500,级,，也可采用,HPB300,级、,HRB335,级,、,HRB,F,335,级,和,RRB400,级,；,梁、柱的纵向受力普通钢筋应采用,HRB400,级,、,HRB500,级,、,HRBF400,级,和,HRBF500,级,；,箍筋宜采用,HRB400,级,、,HRBF400,级,、,HPB300,级、,HRB500,级,和,HRBF500,级,，也可采用,HRB335,级,和,HRB,F,335,级,。,11,第一章钢筋和混凝土材料的力学性能,2.,有足够大的塑性变形能力,目的：便于钢筋施工制作。,提高结构构件延性，增强结构抗震性能。,要求：伸长率、冷弯符合质量规定,3.,与混凝土的粘结好,目的：保证钢筋和混凝土有效地共同工作。,要求：表面轧制月牙纹横肋、螺旋肋等。,4.,良好的可焊性能,目的：保证钢筋焊接后的质量。,钢筋的可焊性：,HRB400,级、,HRB500,级、,HRBF400,级和,HRBF500,级主导钢筋焊接性能较好，,RRB400,级钢筋焊接后强度可能降低。,注意：严寒地区尚应考虑对钢筋低温性能要求。,12,第一章钢筋和混凝土材料的力学性能,第二节 混凝土,一、混凝土的强度,立方体抗压强度、轴心抗压强度、抗拉强度。,1,.,立方体抗压强度,立方体抗压强度标准值：,标准方法制作,（振动台振捣、人工振捣）；,标准立方体试件,（边长为,150mm,）；,标准养护,（,20,2,、相对湿度为,95%,以上；,28d,或设计规定龄期）；,标准试验方法,；具有,95%,保证率,的,抗压强度,，以,f,cu,k,表示，单位,N/mm,2,(,也可记作,MPa,),。,混凝土强度等级：,C15C80,。,C60,级以上的混凝土为高强度混凝土。,非标准立方体试件强度换算：,边长,100mm,，,=0.95,；,边长,200mm,，,=1.05,。,13,第一章钢筋和混凝土材料的力学性能,2.,轴心抗压强度,棱柱体试件（,100100300mm,或,150150450mm,），按测定立方体抗压强度的条件和方法测得的抗压强度，称为棱柱体抗压强度或轴心抗压强度。,棱柱体抗压强度能较好地反映实际工程中混凝土的实际受压强度。,棱柱体抗压强度因受摩擦力的横向约束影响较小，故较立方体强度小。,14,第一章钢筋和混凝土材料的力学性能,3.,轴心抗拉强度,轴心抗拉强度：反映混凝土构件抗裂度和变形等的重要力学指标。,（,1,）轴心拉伸试验法,（,2,）劈拉试验法,15,第一章钢筋和混凝土材料的力学性能,4.,混凝土强度等级的选择,素混凝土结构不应低于,C15,；,钢筋混凝土结构不应低于,C20,；,采用强度等级,400,MPa,及以上的钢筋时，不应低于,C25,。,预应力混凝土结构不宜低于,C40,，且不应低于,C30,。,承受重复荷载不应低于,C30,。,二,、,混凝土的变形,混凝土变形 受力变形：由荷载作用产生。,体积变形：温湿度变化引起。,16,第一章钢筋和混凝土材料的力学性能,1.,混凝土一次短期荷载下的变形,棱柱体试件一次短期压力荷载应力应变曲线。,（,1,）上升段,OC,。,1,）,0.3,f,c,的,OA,段，基本为直线，,弹性性质,；混凝土中的骨料和水泥结晶体的弹性变形起决定因素。,2,）,接近,0.8,f,c,，即,B,点时，应变增加更快；表现,塑性性质,。主要是混凝土内部微裂缝的扩展延伸和水泥凝,胶体的粘性流动所致。,3,）,达到最大值,f,c,，即,C,点时 ，内部,微裂缝不断产生，并相互贯通，试件表,面出现纵向裂缝而,开始破坏,。最大压应,力值,f,c,的应变,0,一般为,0.002,。,（,2,）下降段,CE,。,1,）,C,点后，缓慢卸荷，应力逐渐减小，,应变持续增加，,D,点出现反弯点，相应,的应变称为混凝土的极限压应变,cu,。,cu,值越大，塑性变形能力越大，构件的延性越好，抗震能力较强。,cu,值一般可取,0.0033,。,2,）反弯点,D,之后，因试件压碎后各块体间存在咬合力或摩擦力，故曲线仍能继续延伸。,。,17,第一章钢筋和混凝土材料的力学性能,（,3,）影响受压应力与应变曲线的因素。,1,),混凝土的强度越高，曲线越陡，,cu,越小。,2,）受侧向约束的混凝土，随约束作用增大，混凝土强度有较大提高，,cu,亦增大。,18,第一章钢筋和混凝土材料的力学性能,2.,混凝土的弹性模量,计算混凝土构件的变形、预应力混凝土构件的预应力以及超静定结构的内力等时，需要确定混凝土的弹性模量。,确定混凝土受压变形模量方法：,原点切线模量,.,E,c,=tan,0,2,）割线模量,.,E,c,=,E,c,受压弹性系数，一般在,0.51.0,之间变化。,19,第一章钢筋和混凝土材料的力学性能,3,）切线模量。,规范,采用对棱柱体试件重复加、卸荷后的直线斜率作为混凝土的,受压弹性模量,E,c,，通过试验统计分析得出：,(,MPa,),混凝土受压弹性模量,E,c,值见表,1-3,。,受拉弹性模量,取值同受压弹性模量。,混凝土的,剪变模量,G,c,取,0.4,E,c,。,20,第一章钢筋和混凝土材料的力学性能,3.,混凝土的徐变,（,1,）徐变的定义。,混凝土在荷载长期作用下，应力不变，应变随时间不断增长的现象称为混凝土的,徐变,。,（,2,）徐变应变,cr,与时间,t,的变化曲线。,混凝土棱柱体试件在荷载长期作用下，应变,与时间,t,的变化曲线。,徐变在初期发展较快，经过很长时间后趋于稳定。徐变应变,cr,与弹性应变,ce,的比值可达,2,4,。,21,第一章钢筋和混凝土材料的力学性能,（,3,）徐变的分类。,当,0.5,f,c,时，,cr,与,成正比，称为线性徐变；,当,0.5,f,c,时，,cr,较,增长更快，称为非线性徐变。,当,0.8,f,c,时，徐变变形将导致试件破坏，因此,=0.8,f,c,可作为混凝土的长期抗压强度。,（,4,）徐变产生的主要原因,。,混凝土中水泥凝胶体的粘性流动和内部微裂缝的发展所致。,22,第一章钢筋和混凝土材料的力学性能,（,5,）影响徐变的因素。,加荷应力越大，徐变越大；,水泥用量多或水灰比大，徐变就增大；,骨料的弹性模量大，徐变就小；,养护条件好，龄期长，则徐变就小；,使用环境干燥、高温，则徐变就较大。,（,6,） 徐变对结构的影响。,使混凝土结构的变形增大；,在预应力混凝土构件中产生较大的预应力损失；,可引起构件的截面应力重分布。,23,第一章钢筋和混凝土材料的力学性能,4.,混凝土的收缩和温度变形,（,1,）混凝土的收缩。,定义,：混凝土在空气中结硬体积缩小称为收缩。,特点,：早期发展快，逐渐减慢，长时间后趋于稳定。当收缩受到约束，可导致混凝土构件开裂或使预应力混凝土构件产生预应力损失。,减小收缩措施,：增加混凝土密实度、加强早期养护或设置施工缝等。,24,第一章钢筋和混凝土材料的力学性能,（,2,）混凝土的温度变形。,混凝土在温度变化时，体积热胀冷缩，称为温度变形。,混凝土温度线膨胀系数一般可取,110,-5,/,。,混凝土温度变形受约束时，可使结构产生裂缝。故可采取在结构的适当部位设置伸缩缝等措施,减小温度变形,的不利影响。伸缩缝的最大间距见,规范,所列,.,25,第一章钢筋和混凝土材料的力学性能,第三节,钢筋与混凝土的粘结,一、 粘结的作用及产生的原因,1,.,粘结的作用,保证混凝土与钢筋共同受力变形的最基本条件。,2,.,粘结产生的原因及组成,1,）,混凝土中水泥凝胶与钢筋表面之间的胶结力。,2,）,混凝土收缩，将钢筋紧紧握裹而产生的摩擦力。,3,）,钢筋表面凹凸不平与混凝土之间产生的机械咬合力。,机械咬合力较大，约占总粘结力的,50%,以上。光圆钢筋的机 械咬合力较变形钢筋小。,26,第一章钢筋和混凝土材料的力学性能,二、粘结强度的测定及影响因素,1,.,粘结强度的测定,拔出试验测定如图示。,2.,粘结应力的分布,粘结应力分布曲线如图示。,3,.,影响粘结强度的因素,变形钢筋的粘结强度高；,混凝土的强度等级高，则粘结强度也高；,钢筋周围的混凝土越厚，则粘结强度也越高；,实际工程中为保证钢筋与混凝土能够共同工作，,必须采取可靠的工程构造措施。,27,第一章钢筋和混凝土材料的力学性能,三、保证粘结的构造措施,1.,钢筋的锚固长度,（,1,）基本锚固长度。,定义,：指钢筋的拉应力,s,达到屈服强度,f,y,时，尚未产生粘结破坏所需的锚固长度。,计算,：当计算中充分利用钢筋的抗拉强度时（如悬壁梁的上部受力钢筋），受拉钢筋的基本锚固长度,l,ab,为,对普通钢筋 ：,对预应力钢筋：,式中,锚固钢筋的外形系数，按表,1-4,采用。,28,第一章钢筋和混凝土材料的力学性能,（,2,）实际锚固长度,l,a,。,1,）按下式计算，且不应小于,200mm,：,式中,锚固长度修正系数，对普通钢筋可按,规范,或教材取用，当多余一项时，可,连乘,计算，但不应小于,0.6,；对预应力筋可取,1.0,。,29,第一章钢筋和混凝土材料的力学性能,2,）当纵向受拉普通钢筋末端采用,弯钩或机械锚固措施,时，包括弯钩或锚固端头在内的锚固长度可取基本锚固长度,l,ab,的,0.60,倍。弯钩或机械锚固的形式和技术要求应符合表,1-5,及图,1-14,的规定。,图,1-14,钢筋弯钩或机械锚固的形式和技术要求,（,a,）,90,0,弯钩；（,b,）,135,0,弯钩；（,c,）一侧贴焊锚筋；（,d,）两侧贴焊锚筋；（,e,）穿孔塞焊锚板；（,f,）螺栓锚头,30,第一章钢筋和混凝土材料的力学性能,3,）对,纵向受压钢筋,，当计算中充分利用其抗压强度时，锚固长度不应小于相应受拉锚固长度的,0.7,倍。,4,）对受拉或受压钢筋，当锚固钢筋的保护层厚度不大于,5,d,时，锚固长度范围内应配置,横向构造钢筋,，其直径不应小于,d,/4,间距不应大于,5,d,，,且不大于,100mm,（,d,锚固钢筋的直径）。,2.,钢筋的连接,（讲授要点，自学讨论）,1,）,连接接头类型：绑扎搭接接头、机械连接接头、焊接接头。,2,）受力钢筋接头设置在受力较小的部位。,3,）接头宜相互错开。,31,第一章钢筋和混凝土材料的力学性能,4,）,绑扎搭接接头,的,连接区段长度,取,1.3,倍,的搭接长度,l,l,，凡搭接接头中点位于该连接区段长度内的搭接接头均属于,同一连接区段,。位于同一连接区段内的受拉钢筋搭接接头的面积百分率：对,梁、板,及,墙,类构件，不宜大于,25%,；,对,柱,类构件，不宜大于,50%,。,32,第一章钢筋和混凝土材料的力学性能,绑扎搭接接头的搭接长度,l,l,按下式计算：,l,l,=,l,a,式中,l,a,纵向受拉钢筋的锚固长度；,纵向受拉钢筋搭接长度修正系数，根据位于同一连接区段内的钢筋搭接接头的面积百分率按表,1-6,取用。当纵向搭接钢筋接头面积百分率为表的中间值时，修正系数可按内插取值。,33,第一章钢筋和混凝土材料的力学性能,5,）对,梁、柱类构件，,搭接长度范围内应配置,横向构造钢筋,，其直径不应小于,d,/4,，间距不应大于,5,d,，且不大于,100mm,（,d,为纵向钢筋的直径）。,6,）采用,机械连接接头,（直螺纹、锥螺纹）时，其,连接区段的长度,取,35,倍,的纵向受力钢筋的较小直径，凡接头中点位于该连接区段长度内的机械连接接头均属于,同一连接区段,。位于同一连接区段内的纵向受拉钢筋接头面积百分率不宜大于,50%,。,34,第一章钢筋和混凝土材料的力学性能,7,）采用,焊接接头,时，其连接区段的长度、接头面积百分率等规定基本同机械连接接头。,8,）,光圆钢筋末端均应设置如图所示的机械或人工弯钩。,9,）,细晶粒热轧带肋钢筋以及直径大于,28mm,的带肋钢筋，其焊接应经试验确定；余热处理钢筋不宜焊接。,35,
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