（钢筋混凝土）2[1].1

第2章 钢筋混凝土（R.C）结构 材料的物理力学性能2.1混凝土的物理力学性能 混凝土的组成结构-土木工程材料n混凝土是由水泥、砂、石和水（外加剂）按一定比例配合而成人工石材-砼n混凝土本身的结构分三种基本类型：微观水泥石结构、亚微观水泥砂浆结构、宏观砂浆和粗骨料两组分体系. 2.1.1 单轴向应力状态下砼强度n1、砼的抗压强度（立方体和棱柱体）n1）立方体抗压强度标准值fcu,k和强度等级 立方体抗压强度标准值fcu,k:用标准方法（普通混凝土力学性能试验方法GB/T50081-2002）制作养护（温度203相对湿度90%以上）的边长为150mm的立方体试块，在28d龄期，用标准试验方法测得的具有95保证率的抗压强度作为立方体抗压强度标准值，单位N/mm2 （MPa），是确定混凝土强度等级的依据。混凝土强度等级分14个等级：C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75、C80。C50C80为高强度砼。 单轴受力状态下立方体混凝土的抗压强度立方体抗压强度fcu承压板试块摩擦力不涂润滑剂涂润滑剂强度大于我国规范的方法：不涂润滑剂压力试件裂缝发展扩张整个体系解体，丧失承载力影响强度的因素还有：龄期、加载速率、试块尺寸等不同尺寸立方体试件抗压强度的换算n当采用边长200mm或边长100mm的立方体试件时其抗压强度实测值乘以换算系数转换成标准试件抗压强度换算关系为：n fcu,k（ 150 ）0.95 fcu,k（ 100 ）n fcu,k（ 150 ）1.05 fcu,k（ 200 ）n混凝土强度等级：n用符号C（Concrete）和混凝土立方体抗压强度标准值表示。是度量混凝土强度的基本指标，也是衡量混凝土各种力学指标的代表值。 如：C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75、C802）砼的轴心抗压强度n轴心抗压强度标准值fck: n在标准方法（普通混凝土力学性能试验方法GB/T50081-2002 ）下用棱柱体试件测得的抗压强度称为棱柱体抗压强度标准值或轴心抗压强度标准值（具有95保证率）。试验时，通常棱柱体的高宽hb取23，常用的试件尺寸为150mm150mm300mm。棱柱体抗压强度标准值与立方体抗压强度标准值的关系为:fck=o.8812fcu,k式中1棱柱体强度与立方体强度之比，对C50及以下取10.76，对C80取 10.82，中间按线性规律变化。2考虑C40以上混凝土脆性的折减系数，对C40以下取2 1.0，对C80取2 0.87，中间按线性规律变化。0.88为实际构件与试件混凝土强度之间的差异折减系数。n轴心抗压强度设计值fc:n fc= fck/ c n c混凝土的分项系数取1.42、混凝土轴心抗拉强度n轴心抗拉强度标准值ftk测定方法有两种：n（1）直接测试法：n用100mm100mm500mm的棱柱体试件，两端埋设长为150mm的变形钢筋，试验机夹住两端伸出的钢筋使试件受拉，破坏时试件中部产生横向裂缝，其平均应力即为混凝土的轴心抗拉强度标准值ftk 。n（2）间接测试法（劈裂试验）n用立方体或圆柱体试件的劈裂试验来间接测定混凝土的抗拉强度。对立方体或圆柱体施加线荷载。试件破坏时在破裂面上产生与该面垂直且基本均匀分布的拉应力，其劈拉强度为:劈裂试验ft.sddftsFFFF我国根据100mm立方体的劈裂与抗压试验结果有：Ft,s=0.19fcu 3/4n混凝土轴心抗拉强度标准值为：n ft,k0.880.395 fcu,k 0.55(1-1.645)0.45c2 (23)n式中混凝土立方强度变异系数， 当fcu,k60Nmm2时，取0.1；n系数0.395和指数0.55是根据原规范确定拉抗强度试验数据再加上我国近年来对高强混凝土研究的试验数据，统一进行分析后得出的。nc2考虑C40以上混凝土脆性的折减系数， 对C40取c21.0，对C80取c20.87，中间按线性规律变化。n混凝土轴心抗拉强度仅是立方体抗压强度的1/17 1/8，混凝土强度愈高，比值愈小。n轴心抗拉强度设计值ft:n ft= ftk/ c n c混凝土的分项系数取1.4n注:砼的力学指标见p288附录22.1.2 复合应力状态下混凝土的强度n与实际工程的混凝土结构受力状态相符nfcc=fc+（4.57.0)fL （25）nfcc-有侧向压力约束试件的轴心抗压强度nfc-无侧向压力约束试件的轴心抗压强度nfL-侧向约束压应力1=fcc1=fcc2= 3= fLfL-侧向约束压应力（加液压）2.1.3混凝土的变形n混凝土的变形包括两类:受力变形（一次短期加载、长期加载、多次重复加载）和体积变形（收缩、温度湿度变化）n1、受力变形: （1）一次短期荷载下的变形（单轴棱柱体）n0=0.002+0.5（fcu,k-50）10-5ncu=0.0033-（fcu,k-50）10-5n0相应于峰值应力时的应变, 通常取0.002ncu极限压应变，通常取0.0033n原点切线的斜率为混凝土的弹性模量 Ec=c/c另有变形模量（割线斜率），切线模量（任一点切线斜率）n（2）长期荷载下的变形-徐变 结构或材料承受的荷载或应力不变，而应变或变形随时间增长的现象称为徐变。其主要与时间参数有关，徐变对混凝土结构和构件的工作性能会造成不利的影响。n（3）多次重复荷载下的变形-疲劳变形（进行200万次以上的循环荷载试验）n2 混凝土的体积变形：收缩变形、膨胀变形 混凝土在空气中凝结硬化，体积收缩；在水中凝结硬化，体积膨胀-混凝土材料的物理特性。n收缩对钢筋混凝土的危害很大，会引起初应力，甚至产生早期裂缝，因为钢筋的存在会阻止混凝土的收缩，这样将使钢筋受压，混凝土受拉，当拉应力过大时，混凝土便出现裂缝。此外，混凝土收缩也会使预应力混凝土构件产生预应力损失。影响混凝土收缩的因素n（1）水泥的品种:水泥强度等级越高收缩越大n（2）水泥用量:用量多，收缩大；水灰比大，收缩大n（3）骨料的性质:骨料弹性模量大，收缩小n（4）养护条件:养护温、湿度大，收缩小n（5）砼制作方法:越密实，收缩小n（6）使用环境:温、湿度大，收缩小n（7）构件体积与表面积比值:比值越大，收缩小2.2钢筋的物理力学性能n2.2.1 钢筋的种类n1）钢筋按化学成分的不同，分为碳素钢和普通低 合金钢两类。n碳素钢除含有铁元素外还含少量的碳、硅、锰杂质元素和硫、磷、氧、氮等有害元素。n根据含碳量的不同，碳素钢又可分为：n（1）低碳钢(含碳量小于0.25)n（2）中碳钢(含碳量0.25一0.60)n（3）高碳钢(含碳量0.60一1.40)n注意：含碳量越高钢筋强度越高，但钢筋的塑性和可焊性减低。普通低合金钢按加入合金元素种类不同可分为以下几种体系:n（1）锰系(20 MnSi、25 MnSi)n（2）硅钒系(40Si2MnV、 45SiMnV）n（3）硅钛系(45Si2MnTi）n（4）硅锰系(40 Si2Mn、48 Si2Mn)n（5）硅铬系(45Si2Cr）n加入合金元素的目的：有效提高钢材的强度和改善其它性能2）钢筋按生产加工工艺的不同分为:n（1）热轧钢筋:低碳钢、普通低合金钢在高温状态下轧制而成。如HPB235、HRB335、HRB400和RRB400。（2010规范：HPB300、HRBF335、 HRBF400、HRB500、HRBF500 ） n（2）热处理钢筋:由40Si2Mn、48Si2Mn、45Si2Cr钢经淬火和回火处理后制成。n（3）钢丝：钢丝包括光面钢丝、螺旋肋钢丝、刻痕钢丝和钢绞线（用光面钢丝绞织而成）等。钢绞线分3股和7股两种。2010规范对钢筋的规定2010规范:3）钢筋按其外形的不同分为：n（1）光面钢筋：如HPB235n（2）变形钢筋：如HRB335、HRB400、 RRB400变形钢筋有螺纹、人字纹和月牙纹，目前常用的是月牙纹钢筋。通常变形钢筋直径不小于10mm，光面钢筋的直径不小于6mm，见下图： 4）钢筋按力学性能的不同分为：n（1）应力应变曲线有明显物理屈服点和流幅的钢筋，断裂时有“缩颈”现象，称之为软钢，包括热轧钢筋和普通低合金钢筋。n（2）无物理屈服点的钢筋称之为硬钢，包括：钢丝、钢绞线及热处理钢筋。5）钢筋的冷加工方法 n钢筋冷加工的两种方法：冷拉和冷拔n目的：提高热轧钢筋的强度n冷拉：钢筋冷拉应力值必须超过钢筋的屈服强度，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-时效硬化。这种工艺仅能提高钢筋的抗拉强度，而且钢筋的塑性有所降低。往往采用“双控”（同时控制应力和应变）进行冷拉。n冷拔：将钢筋用强力拔过比它自身直径小的硬质合金拔丝模，此时钢筋受到纵向和径向压力的作用，截面变小，长度拔长。如此经几次冷拔，钢筋的强度大大提高，但其塑性同样降低。这种工艺可同时提高钢筋的抗拉和抗压强度。冷拔模型图6）柔性钢筋和劲性钢筋n柔性钢筋：指常用的线材钢筋，包括光园钢筋和带肋钢筋（变形钢筋）。其可以绑扎或焊接成钢筋骨架或钢筋网，用于梁、板、柱和壳体结构中。n劲性钢筋：是由各种型钢、钢轨或型钢与钢筋焊接成的骨架。其本身刚度很大，可抵抗施工时模板和混凝土重力荷载，简化模板支撑，加快施工速度。更为重要的是：劲性钢筋形成的劲性结构承载力大，安全性更高。2.2.2钢筋的强度与变形 钢筋的应力应变曲线1）钢筋的强度屈服强度和极限强度n（1）有物理屈服点钢筋取屈服强度作为设计依据n（2）无物理屈服点的钢筋取相应于残余应变为0.2的应力(0.2 =o.85b,b为极限拉抗强度)作为假定屈服强度,或称条件屈服强度 2）钢筋的变形-指钢筋的塑性变形n（1）伸长率5 （L=5d）或10 （L=10d）是钢筋试件拉断后的伸长值与原长的比值，它反映了钢筋拉断前的变形能力。伸长率大的钢筋在拉断前有足够的预兆，属于延性破坏。伸长率小的钢筋，拉断前变形小，破坏突然，属于脆性破坏。n（2）冷弯性能:冷弯是将钢筋绕一规定直径的辊进行弯曲。冷弯的两个参数是弯心直径（即辊轴直径）和冷弯角度。n规范关于冷弯性能： 钢筋直径d25mm时，对不同类型钢筋的弯心直径D分别为ld和3d，冷弯角度分别为180和90。在达到规定的冷弯角度时，钢筋应不出现裂纹或断裂。因此冷弯性能可间接地反映钢筋的塑性性能和内在质量。 钢筋的变形-徐变和松弛徐变应力不变，随时间的增长应变继续增加松弛长度不变，随时间的增长应力降低对结构，尤其是预应力结构，产生不利的影响，需采取必要的措施施工现场的钢筋质量检验n屈服强度、极限强度、伸长率和冷弯性能是有物理屈服点钢筋进行质量检验的四项主要指标。而对无物理屈服点的钢筋只测定后三项。 2.2.3钢筋的应力应变曲线数学模型（自学）n2.2.4 钢筋的疲劳-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，突然脆断的现象。要通过疲劳试验（200万次）测得。n2.2.5 混凝土结构对钢筋性能的要求n1）钢筋的强度n2）钢筋的塑性n3）钢筋的可焊性n4）钢筋与混凝土的粘结力2.3混凝土与钢筋的粘结n2.3.1粘结的意义 钢筋与混凝土之所以能够共同工作，除二者具有相近的线膨胀系数外，更为重要的是因为混凝土结硬并达到一定的强度以后，两者之间建立了足够的粘结强度，能够承受由于钢筋与混凝土的相对变形在两者界面上所产生的相互作用力。通常把单位界面面积上的这种作用力沿钢筋轴线方向的分力（钢筋与混凝土接触面上的剪应力）称为粘结应力。2.3.2 粘结的力的组成n（1）钢筋与混凝土接触面上的化学吸附作用力（胶结力）n（2）混凝土收缩握裹钢筋而产生的摩擦力；n（3）钢筋表面凹凸不平与混凝土之间产生的机械咬合力。2.3.3 粘结应力-滑移关系（自学）影响粘结强度的因素n（1）砼强度:砼强度越高,粘结强度越大n（2）钢筋种类:变形钢筋粘结强度高于光圆钢筋n（3）钢筋净间距:钢筋根数越多,净间距越小, 粘结强度越低n（4）横向钢筋（如箍筋）:可限制裂缝，提高粘 结强度n（5）支座处横向压应力的约束作