钢筋混凝土材料的物理力学性能

2混凝土结构材料的物理力学性能本章提要钢筋和混凝土的物理力学性能以及共同工作的性能直接影响混凝土结构和构件的性能，也是混凝土结构计算理论和设计方法的基础。

本章介绍了钢筋和混凝土在不同受力条件下强度和变形的特点，以及这两种材料结合在一起共同工作的受力性能。

2.1钢筋2.1.1钢筋的品种和级别混凝土结构中使用的钢筋按化学成分可分为碳素钢和普通低合金钢两大类。

碳素钢除含有铁元素外，还含有少量的碳、硅、锰、硫、磷等元素。

根据含碳量的多少，碳素钢又可分为低碳钢（含碳量小于0.25%）、中碳钢（含碳量为0.25%~0.6%）和高碳钢（含碳量为0.6%~1.4%），含碳量越高，钢筋的强度越高，但塑性和可焊性越低。

普通低合金钢除含有碳素钢已有的成分外，再加入一定量的硅、锰、钒、钛、铬等合金元素，这样既可以有效地提高钢筋的强度，又可以使钢筋保持较好的塑性。

由于我国钢材的产量和用量巨大，为了节约低合金资源，冶金行业近年来研制开发出细晶粒钢筋，这种钢筋不需要添加或只需添加很少的合金元素，通过控制轧钢的温度形成细晶粒的金相组织，就可以达到与添加合金元素相同的效果，其强度和延性完全满足混凝土结构对钢筋性能的要求。

按照钢筋的生产加工工艺和力学性能的不同，《混凝土结构设计规范》（GB50010—2010）规定用于钢筋混凝土结构和预应力混凝土结构中的钢筋或钢丝可分为热轧钢筋、中强度预应力钢丝、消除应力钢丝、钢绞线和预应力螺纹钢筋等，见附表4和附表5。

热轧钢筋是由低碳钢、普通低合金钢或细晶粒钢在温度状态下轧制而成，有明显的屈服点和流幅，断裂时有“颈缩”现象，伸长率较大。

热轧钢筋根据其强度的高低可分为HPB300级（符号 ）、HRB335级（符号）、HRBF335级（符号）、HRB400级（符号）、HRBF400级（符号）、RRB400级（符号）、HRB500级（符号）、HRBF500级（符号）。

其中HPB300级为光面钢筋，HRB335级、HRB400级和HRB500级为普通低合金热轧月牙纹变形钢筋，HRBF335级、HRBF400级、HRBF500级为细晶粒热轧月牙纹变形钢筋，RRB400级为余热处理月牙纹变形钢筋，余热处理钢筋是由轧制的钢筋经高温淬水、余热回温处理后得到的，其强度提高，价格相对较低，但可焊性、机械连接性能及施工适应性稍差，可在对延性及加工性要求不高的构件中使用，如基础、大体积混凝土以及跨度及荷载不大的楼板、墙体。

第一篇钢筋混凝土结构第1章钢筋混凝土结构的基本概念及材料的物理力学性能1.1 钢筋混凝土结构的基本概念钢筋混凝土结构是由配置受力的普通钢筋或钢筋骨架的混凝土制成的结构。

混凝土（砼）是一种人造石料，其抗压能力很高，而抗拉能力很弱。

采用素混凝土制成的构件（指无筋或不配置受力钢筋的混凝土构件），例如素混凝土梁，当它承受竖向荷载作用时[图1-1a）]，在梁的垂直截面（正截面）上受到弯矩作用，截面中和轴以上受压，以下受拉。

当荷载达到某一数值F c时，梁截面的受拉边缘混凝土的拉应变达到极限拉应变，即出现竖向弯曲裂缝，这时，裂缝处截面的受拉区混凝土退出工作，该截面处受压高度减小，即使荷载不增加，竖向弯曲裂缝也会急速向上发展，导致梁骤然断裂[图1-1b）]。

这种破坏是很突然的。

也就是说，当荷载达到F c的瞬间，梁立即发生破坏。

F c为素混凝土梁受拉区出现裂缝的荷载，一般称为素混凝土梁的抗裂荷载，也是素混凝土梁的破坏荷载。

由此可见，素混凝土梁的承载能力是由混凝土的抗拉强度控制的，而受压混凝土的抗压强度远未被充分利用。

在制造混凝土梁时，倘若在梁的受拉区配置适量的纵向受力钢筋，就构成钢筋混凝土梁。

试验表明，和素混凝土梁有相同截面尺寸的钢筋混凝土梁承受竖向荷载作用时，荷载略大于F c时的受拉区混凝土仍会出现裂缝。

在出现裂缝的截面处，受拉区混凝土虽退出工作，但配置在受拉区的钢筋将可承担几乎全部的拉力。

这时，钢筋混凝土梁不会像素混凝土梁那样立即裂断，而能继续承受荷载作用[图1-1c）]，直至受拉钢筋的应力达到屈服强度，继而截面受压区的混凝土也被压碎，梁才破坏。

因此，混凝土的抗压强度和钢筋的抗拉强度都能得到充分的利用，钢筋混凝土梁的承载能力可较素混凝土梁提高很多。

图1－1 素混凝土梁和钢筋混凝土梁a)受竖向力作用的混凝土梁b)素混凝土梁的断裂c)钢筋混凝土梁的开裂混凝土的抗压强度高，常用于受压构件。

若在构件中配置钢筋来构成钢筋混凝土受压构件，试验表明，和素混凝土受压构件截面尺寸及长细比相同的钢筋混凝土受压构件，不仅承载能力大为提高，而且受力性能得到改善（图1-2）。

0 绪论1.钢筋混凝土结构有什么优缺点？主要优点：（1）取材容易 （2）耐火、耐久性好（3）可模性、整体性好 （4）保养费低缺点：（1）自重大 （2）抗裂性能差（3）费工、费模板，现场施工周期长，且受季节性影响2、钢筋和混凝土两种材料的物理和力学性能不同，为什么能够结合在一起共同工作？（1）钢筋和混凝土之间有良好的粘结力，促成钢筋和混凝土两种性质不同的材料在荷载作用下能有效地共同受力，并保证钢筋与相邻混凝土变形一致。

（2）钢筋和混凝土具有基本相同的温度线膨胀系数。

（3）混凝土包裹着钢筋，起着保护钢筋免遭锈蚀的作用，加强了结构的耐久性。

1 钢筋混凝土材料的物理力学性能 1. 混凝土单轴受压时的应力应变曲线有何特点混凝土单轴受压时的应力应变曲线包括了上升段和下降段两个部分。

上升段：①从加载至混凝土应力为c c f 3.0≤σ，由于应力较小，混凝土变形主要为弹性变形，应力-应变关系接近直线。

②混凝土应力为()c c f 8.0~3.0=σ，混凝土呈现弹塑性性能，应变的增长比应力的增长得块，内部裂缝处于稳态发展。

③内部裂缝非稳态地快速发展，塑性变形显著增长，直至到达峰值，混凝土应力为c c f =σ。

下降段：混凝土到达峰值应力后，裂缝继续迅速发展，并出现贯通的竖向裂缝，内部结构的粘结受到院中破坏，应力下降而应变急剧增大，应力-应变曲线向下弯曲，曲线较陡，当应变达到0.0033时，曲线凹向发生变化，出现反弯点，这时，贯通的竖向主裂缝宽度较大，混凝土内部的粘结已完全丧失，试件破坏。

2.钢筋的应力应变曲线分为哪两类各有什么特征？钢筋限值如何确定？钢筋的应力应变曲线分为有明显屈服点的（称为软钢）和无明显屈服点的(称为硬钢)两类。

软钢的应力应变曲线如图2-1所示，曲线可分为四个阶段：弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和破坏阶段。

有明显流幅的钢筋有两个强度指标：一是屈服强度，这是钢筋混凝土构件设计时钢筋强度取值的依据，因为钢筋屈服后产生了较大的塑性变形，这将使构件变形和裂缝宽度大大增加以致无法使用，所以在设计中采用屈服强度y f 作为钢筋的强度极限。

绪论钢筋与混凝土能共同工作的原因：（1）钢筋和混凝土之间存在有良好的粘结力，在荷载作用下，可以保证两种材料协调变形，共同受力；（2）钢筋与混凝土具有相近的温度线膨胀系数（钢材为 1.2×10-5，混凝土为(1.0~1.5)×10-5），因此当温度变化时，两种材料不会产生过大的变形差而导致两者间的粘结力破坏；（3）混凝土对钢筋具有一定的保护作用。

第一章钢筋混凝土材料的物理力学性能1.立方体抗压强度fcu,k>轴心抗压强度fck>轴心抗拉强度ftk2.双向应力状态或三向应力状态：（1）双向压应力作用下，一向的抗压强度随另一向压应力的增加而增加;双向拉应力作用下，混凝土一向抗拉强度基本上与另一向拉应力的大小无关。

即双向受拉的混凝土强度与单向受强度基本一样：一向受拉一向受压时，无论是抗拉强度还是抗压强度都要降低。

（2）在三向受压状态中，由于侧向压应力的存在，混凝土受压后的侧向变形受到了约束，延迟和限制了沿轴线方向的内部微裂缝的发生和发展，因而极限抗压强度和极限压缩应变均有显著的提高，并显示了较大的塑性。

2.混凝土在荷载的长期作用下，其变形随时间而不断增长的现象称为徐变。

3.徐变的影响因素（1）内在因素是混凝土的组成和配比。

骨料的刚度（弹性模量）越大，体积比越大，徐变就越小。

水灰比越小，徐变也越小。

构件尺寸越大，徐变越小。

（2）环境影响包括养护和使用条件。

受荷前养护的温湿度越高，水泥水化作用越充分，徐变就越小。

采用蒸汽养护可使徐变减少（20~35）%。

受荷后构件所处的环境温度越高，相对湿度越小，徐变就越大。

4.收缩：混凝土在空气中硬化时体积会缩小，这种现象称为混凝土的收缩。

5.钢筋按力学性能分为：一类是具有明显的物理屈服点的钢筋（软钢）另一种是无明显的物理屈服点的钢筋（硬钢）。

6.混凝土结构对钢筋性能的要求：○1强度：钢筋应具有可靠的屈服强度和极限强度，钢筋的强度越高，钢材的用量越少。