第二章 钢筋混凝土材料的力学性能要点

第二章 钢筋混凝土材料的力学性能

§2.1混凝土

一、混凝土的强度

混凝土由水泥、砂、石和水组成。

1 、立方体抗压强度——是混凝土强度等级的评价指标。

（1）测定方法： 《规范》以边长为 150mm的标准立方体试件，在标准养护条件（温度20℃3 ℃，相对湿度不小于90%）下养护28天后，用标准试验方法（试件表面不涂润滑剂，加荷速度约为，在试验机上试压所测得的极限平均压力即为混凝土的立方体抗压强度

图 2.1.

（ 2 ）混凝土的强度等级：以保证率不低于 95%

的立方体抗压强度标准值确定。共有 14 个等级，即 C15 、 C20 、 C25 、 C30 、 C35 、

C40 、 C45 、 C50 、C55 、 C60 、 C65 、 C70 、 C75 、 C80 。

例： C20 的含义是混凝土立方体抗压强度的标准值

（ 3 ）影响混凝土强度的几个因素：

a、试验方法：一是垫板下不加润滑剂，测得的值偏高。二是垫板下加润滑剂，测得的值偏低。

b、试件的尺寸：试件尺寸小，测得的强度高，原因是材料内部有缺陷（如微裂缝，内摩擦等）。

若采用边长为 200mm和100mm试件时，其值应乘以1.05和0.95。

c、加荷速度：加荷快，测得的强度高。

d、混凝土的龄期：

e、统计方法：

2、轴心抗压强度

（1）测定方法——棱柱体抗压试验。图2.2

混凝土强度与试件的高宽比h/b有关，h/b越大，混凝土的强度越低。但当h/b=3

-4 时，测得的混凝土强度趋于稳定，能反映混凝土的实际抗压能力。这因为在此范围内既可消除垫板与试件之间摩擦力对抗压强度的影响，又可消除可能的附加偏心距对试件抗压强度的影响。

《规范》以 150 ×150×300mm的棱柱体试件，做抗压试验，测得的强度为混凝土的轴心抗压强度。

混凝土轴心抗压强度的平均值

（2）取值：

——轴心抗压强度平均值与立方体抗压强度平均值的比值， C50混凝土，取 C80混凝土，取， C50 -C80 混凝土，线性插入。

——高强度混凝土脆性折减系数， C40混凝土，取 C80混凝土，取

； C40 -C80 混凝土，线性插入。

0.88 ——实际混凝土强度与试件混凝土强度的差异修正系数。

3、轴心抗拉强度较低，一般只有抗压强度的

1、测定方法：抗拉试验（图 2.3）

（2）取值：

平均值

4、复合应力状态下混凝土的强度 (图2.4)

混凝土在三向应力状态下，其抗压强度会提高。即

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；

——侧向约束压应力。

二、混凝土的变形

1、混凝土在一次短期加荷时的变形

（1）混凝土的应力应变曲线(图2.5)

OA——弹性阶段，

受力阶段：上升 OC，下降段CD

AB——裂缝稳定发展阶段

C点时，。C点以后破坏，承载力下降。

BC——裂缝随荷载的增加迅速发展，塑性变形显著增大。

受拉时：

（2）混凝土的弹性模量、变形模量

图2.6

①弹性模量（初始弹性模量） 分类：

受力变形：短期荷载，长期荷载。

体积变形：收缩，温度变形等。 ——弹性应变部分

——塑性应变部分

的确定方法：先加载至→卸载至0→存在残余变形(图2.7)。重复加载

5 -10 次，曲线趋于稳定并接近于直线，这时取即可。

或采用经验公式：

②变形模量（割线模量）

， 又

∴

——弹性特征系数

与有关 :

③ 混凝土受拉弹性模量： 当

当 当

混凝土剪变模量

混凝土弹性模量 取值见附表 A.1。图2.7

2、混凝土在长期荷载下的变形性能

①混凝土的徐变：混凝土在长期不变荷载作用下，其应变随时间增大的现象称为混凝土徐变。

②产生徐变的原因：（1）混凝土结硬后，骨料间的水泥凝胶体。（2）混凝土内部缺陷，如微裂缝等。

③影响混凝土徐变的因素：

a、内在因素

b、环境影响

c、应力条件

3、混凝土的收缩与膨胀

混凝土在空气中结硬，体积会收缩；

混凝土在水中结硬，体积会膨胀；

混凝土收缩对构件不利，原因？

减小收缩的措施：

（1）加强混凝土的早期养护；

（2）减少水灰比；

（3）提高水泥标高，减少水泥用量；

（4）加强混凝土密实振捣； （5）选择弹性模量大的骨料。

（6）在构造上预留伸缩缝，设置施工后浇带，配置一定数量的构造钢筋等。

三、混凝土的选用

一般≥C15、C20

预应力混凝土≥C30、C40

§2.2 钢筋

一、构件对钢材的基本要求：

1、具有较高的强度；

2、具有较好的塑性；

3、具有良好的粘结力；

4、具有较好的可焊性，焊后不裂，不起层不变形等。

二、钢筋的种类：

1、热轧钢筋：分三级，HPB235，HRB335，HRB400和RRB400。

变形钢筋：螺纹、人字纹、月牙纹—、

HRB335、HRB400和RRB400。

2、钢丝：（１）光面钢丝（２）刻痕钢丝（３）螺旋肋钢丝

钢铰线：多根光面钢丝铰盘而成。

3、热处理钢筋：热轧钢筋经加热、淬火、回火等热处理而成分三种：40SiMn、48Si2Mn、45Si2Cr。

三、钢筋的力学性能

1、有明显屈服点的钢筋——热轧钢筋 (图2.8)

a——比例极限

b——弹性极限 c——上屈服点

d——下屈服点

de、ce——流幅、屈服

f——抗拉强度极限

ef——强化段

fg——颈缩、断裂

伸长率

冷弯性能（图2.9），冷弯角，。 受力分析：钢筋→屈服→持续的塑性变形→强化段

↓

实际工程中大多数构件破坏时，钢筋的应力都没有达到强化段。

屈服强度→可利用的强度指标（简化曲线）

钢筋质量的检验指标：

屈服强度

极限抗拉强度

伸长率

冷弯性能 2、没有明显屈服点（流幅）的钢筋——硬钢 （图2.10）

O→ a →比例极限

明显的塑性变形

增长较

增长快没有明显屈服点

b →极限抗拉强度

颈缩

C——断裂破坏

如何取设计的屈服强度呢？

《规范》取产生残余变形时对应的应力为假想的屈服点，即条件屈服强度，

钢筋质量的检验指标：①极限抗拉强度②条件屈服强度③伸长率④冷弯性能

四、钢筋的冷加工

1、冷拉：将热轧钢筋拉过钢筋的屈服点。

特点：是冷拉后，钢筋的强度提高，塑性降低，这一现象称为冷拉强化。

冷拉时效：冷拉后卸载，隔一段时间再张拉，强度将进一步提高。

2、冷拔：将钢筋用强力拔过比它本身直径小的硬质合金拔丝模。如图2.11.所示。冷拔后，强

度提高，塑性下降，无明显屈服点和流幅。

3、钢筋弹性模量：附表A.2，A.3。

五、钢筋的选用

§2.3钢筋与混凝土的粘结

一、粘结作用及产生的原因： 钢筋和混凝土是两种不同的材料，他们之所以能结合在一起共同工作，是因为二者间存在粘结力及二者的温度线膨胀系数接近。

产生粘结的原因：

①胶结力：混凝土颗粒对钢筋的化学吸附作用。

②摩擦力：混凝土硬化时，体积收缩，握固钢筋，抵制相互滑移。

③机械咬合力：由于钢筋表面凹凸不平与混凝土形成相互咬合作用。

二、粘结强度及影响因素

1、粘结强度的测定：拔出试验，图2.12 图2.13

2、影响粘结强度的因素：混凝土强度，保护层厚度，横向配筋，横向压力及浇注位置。

3、保证粘结的措施：

①钢筋的保护层净距②钢筋的搭接长度，锚固长度③光面钢筋端部做弯钩。

图2.14

第二章小结

（１在工程中常用的混凝土强度有：立方体抗压强度 f cu ，轴心抗压强度 f c 和轴心抗压强度 f t 等。其中，混凝土立方体抗压强度是衡量混凝土最基本的强度指标，是评价混凝土强度等级的标准，混凝土的其他力学指标可由立方体抗压强度换算得到。

（２）由混凝土的应力－应变关系可知混凝土是一种弹朔性材料。低强度混凝土比高强度混凝土有较好的延性；三向受压状态下的混凝土与单向受压混凝土相比，不但提高了强度，并且有效好地提高了延性。

（３）混凝土在长期不变荷载作用下，应变随时间增长的现象称为混凝土徐变。徐变对结构的影响有不利的一面，也有有利的一面；混凝土在空气中结硬时体积减小的现象称为收缩，收缩对结构主要产生不利的影响。

（４）钢筋混凝土结构所用的钢筋，按其力学性能的不同可分为有明显屈服点的钢筋和无明显屈服点的钢筋。

（５）钢筋和混凝土之间的粘结作用是保证二者能较好地共同工作的主要原因之一。变形钢筋粘结能力的主要来源是钢筋与混凝土之间产生的机械咬合力；光面钢筋粘结能力的主要来源是钢筋与混凝土之间产生的胶结力和摩擦力。影响钢筋与混凝土之间粘结作用的因素很多，《规范》主要采用构造措施来保证钢筋与混凝土之间的粘结力。