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第2章钢筋混凝土材料的力学性能知识点1. 钢筋的强度和变形, 钢筋的级别和品种, 混凝土结构对钢筋性能的要求；2. 单轴和复合受力状态下混凝土的强度；3. 混凝土在一次短期加荷以及重复荷载和长期荷载作用下的变形性能；4. 混凝土的弹性模量、混凝土的强度和强度等级；5. 钢筋和混凝土的粘结性能。
要点1. 混凝土材料的强度标准值与强度设计值二者的大小关系。
混凝土材料的强度标准值与强度设计值二者的大小关系为标准值大。
2. 有明显流幅的热轧钢筋屈服强度的依据。
有明显流幅的热轧钢筋屈服强度的依据是屈服下限。
3. 混凝土的徐变混凝土承受荷载不变, 而变形随时间增长的现象称为混凝土的徐变4. 混凝土的立方体抗压强度混凝土的立方强度是指按标准方法制作养护的边长为150mm的立方体试件, 在28天龄期用标准试验方法测得的具有95%保证率的抗压强度。
5. 混凝土的轴心抗压强度混凝土的轴心强度是指按标准方法制作养护的边长为150 150 300mm的棱柱体作为标准试件, 试验所测得的具有95%保证率的抗压强度为轴心抗压强度。
6. 光圆钢筋与混凝土的粘结作用的组成光圆钢筋与混凝土的粘结作用由胶结力, 摩阻力, 咬合力三部分组成。
7. 钢筋混凝土结构对钢筋性能的要求有哪些。
钢筋混凝土结构对钢筋性能的要求有强度、塑性或变形能力、可焊性、温度要求及与混凝土的粘结力或称握裹力。
8. 混凝土在荷载作用下的应变包括哪些。
混凝土在荷载作用下的应变包括加载瞬间产生的瞬时应变, 和在长期荷载作用下的徐变。
9. 钢筋与混凝土这两种材料能结合在一起共同工作的原因。
钢筋与混凝土这两种材料能结合在一起共同工作, 其原因是二者之间具有相近的温度线膨胀系数和良好的粘结力。
10. 结构的极限状态分为哪两种。
结构的极限状态分为承载能力极限状态和正常使用极限状态。
第2章钢筋混凝土材料的力学性能2.1 钢筋2.1.2 钢筋的力学性能钢筋的主要力学性能包括强度和变形性能，可通过拉伸试验得到的应力-应变曲线来说明。
由此分为有屈服点的钢筋和无屈服点钢筋，即钢筋的应力-应变曲线有的有明显的流幅，如图2-5。
如热轧低碳钢和普通的热轧合金钢制成的钢筋。
有的则没有明显的流幅（图2-6），如光面钢丝等。
从图2-5的典型应力-应变曲线来看，应力值在A点以前，应力和应变按线性比例关系增长，A点对应的应力称为比例极限。
过了A点以后，应变比应力增长地快，到达Bˊ点以后，钢筋开始出现塑流，Bˊ称为屈服上限，它与加载速度、断面形式、试件表面光洁度等不确定因素有关，故Bˊ是不稳定的。
待从Bˊ降至B点（屈服下限）后，应力水平基本不变而应变急剧增加，图形接近水平线，直到C点。
B点到C点的水平部分称为为依据的。
过C点以后，应力又继续增长，钢筋的抗拉能力又开始发挥，随屈服台阶，BC大小称为流幅。
有明显流幅的热轧钢筋屈服强度是以屈服下限着曲线上升，到达最高点D，D对应的应力称为钢筋的极限强度，CD段称为钢筋的强化阶段。
过了D点以后，应变迅速增加，应力随之下降，在测试试件上体现为试件薄弱处的截面突然显著减小，发生局部径缩现象，变形迅速增加达到E点试件被拉断。
而图2-6中没有明显流幅的钢筋应力-应变关系曲线则没有前者的屈服台阶，而是直接到达强度极限，乃至破坏，具有脆性破坏的特点。
钢筋的一个强度代表值是标准值，标准值应具有不小于95%的保证率。
对构件计算配筋时，对于热轧钢筋的强度标准值是根据屈服强度确定，用fyk表示。
因为构件中的钢筋应力达到屈服点后，将产生很大的塑性变形，使钢筋混凝土构件出现很大变形和不可闭合的裂缝，以至不能使用。
对预应力钢绞线、钢丝和热处理钢筋等没有明显屈服点的钢筋强度标准值是根据国家标准极限抗拉强度ζb 确定的，采用钢筋应力为0.85ζb的点作为条件屈服点。
普通钢筋的强度标准值见后面的附表6。
2．钢筋与混凝土共同工作的基础条件是什么？答：（1）钢筋与混凝土之间产生良好的粘结力，使两者结合为整体；（2）钢筋与混凝土两者之间线膨胀系数几乎相同，两者之间不会发生相对的温度变形使粘结力遭到破坏；（3）设置一定厚度混凝土保护层；（4）钢筋在混凝土中有可靠的锚固。
第2章钢筋和混凝土的力学性能1．软钢和硬钢的区别是什么？设计时分别采用什么值作为依据？答：有物理屈服点的钢筋，称为软钢，如热轧钢筋和冷拉钢筋；无物理屈服点的钢筋，称为硬钢，如钢丝、钢绞线及热处理钢筋。
软钢有两个强度指标：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。
另一个强度指标是钢筋极限强度u f ，一般用作钢筋的实际破坏强度。
设计中硬钢极限抗拉强度不能作为钢筋强度取值的依据，一般取残余应变为0.2%所对应的应力σ0.2作为无明显流幅钢筋的强度限值，通常称为条件屈服强度。
4．简述混凝土立方体抗压强度。
答：混凝土标准立方体的抗压强度，我国《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T50081-2002）规定：边长为150mm 的标准立方体试件在标准条件（温度20±3℃，相对温度≥90%）下养护28天后，以标准试验方法(中心加载，加载速度为0.3～1.0N/mm 2/s)，试件上、下表面不涂润滑剂，连续加载直至试件破坏，测得混凝土抗压强度为混凝土标准立方体的抗压强度f ck ，单位N/mm 2。
AF f ck = f ck ——混凝土立方体试件抗压强度；F ——试件破坏荷载；A ——试件承压面积。
5.简述混凝土轴心抗压强度。
答：我国《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T50081-2002）采用150mm×150mm×300mm 棱柱体作为混凝土轴心抗压强度试验的标准试件，混凝土试件轴心抗压强度AF f cp = f cp ——混凝土轴心抗压强度；F ——试件破坏荷载；A ——试件承压面积。
第二章钢筋和混凝土的力学性能主要内容：2.1 钢筋的力学性能2.2 混凝土的力学性能2.3 钢筋与混凝土之间的粘结作用重难点：钢筋的种类及力学指标；混凝土的力学指标及力学性能；钢筋与混凝土共同工作的原理2.1 钢筋的力学性能一、钢筋的品种 (Reinforcement types)表面形状：光圆钢筋、带肋钢筋化学成份：碳素钢（低碳钢）普通低合金钢供货方式：直条式（d≥10mm）——6、9、12m盘圆式生产工艺和强度：热轧钢筋、中高强钢丝、钢绞线、冷加工钢筋。
普通混凝土结构中采用较多的是热轧钢筋。
力学性能不同：软钢——有明显屈服台阶的钢筋(热轧钢筋、冷拉钢筋)硬钢——无明显屈服台阶的钢筋(钢丝、热处理钢筋）1、热轧钢筋（Hot Rolled Steel Reinforcing Bar）HPB300级、HRB335级、HRB400级、HRB500级屈服强度 fyk（标准值）HPB300： fyk = 300 N/mm2HRB400： fyk = 400 N/mm2HPB300钢筋(Ⅰ级)多为光面钢筋，多作为现浇楼板的受力钢筋和各种构件中的箍筋。
HRB335 (Ⅱ级) 、HRB400(RRB400)(Ⅲ级) 强度较高，为表面带肋的钢筋，多作为钢筋混凝土构件的受力钢筋。
2、钢丝 (Wire)：中强钢丝的强度为800~1200MPa，高强钢丝、钢绞线的强度为 1470 ~1860MPa；钢丝的直径3~9mm；外形有光面、刻痕和螺旋肋三种，另有二股、三股和七股钢绞线，外接圆直径9.5~15.2 mm。
中高强钢丝和钢绞线均用于预应力混凝土结构。
3、冷加工钢筋 Cold working rebar：是由热轧钢筋和盘条经冷拉、冷拔、冷轧、冷扭加工后而成。
冷加工的目的是为了提高钢筋的强度，节约钢材。
但经冷加工后，钢筋的延伸率降低。
近年来，冷加工钢筋的品种很多，应根据专门规程使用。
4、热处理钢筋 Heat treatment ：是将Ⅳ级钢筋通过加热、淬火和回火等调质工艺处理，使强度得到较大幅度的提高，而延伸率降低不多。
用于预应力混凝土结构。
二、钢筋的强度和变形（重点）强度和变形性能可以用拉伸试验得到的s-e曲线来说明:（一）有明显屈服点的钢筋 (对应还存在无明显屈服点的情况)1、几个指标（有明显屈服点）（1）强度指标① 屈服强度yield strength：是钢筋强度的设计依据，因为钢筋屈服后将很大的塑性变形，且卸载时这部分变形不可恢复，这会使钢筋混凝土构件产生很大的变形和不可闭合的裂缝。
屈服上限与加载速度有关，不太稳定，一般取屈服下限作为屈服强度 fy。
（2）变形指标①延伸率elongation rate：钢筋拉断时的应变，是反映钢筋塑性性能的指标。
延伸率大的钢筋，在拉断前有足够预兆，延性较好。
均匀延伸率对应最大应力时应变，包括了残余应变和弹性应变，反映了钢筋真实的变形能力(≥2.5%)②冷弯性能：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裂及起层现象。
弯芯的直径越小，弯转角越大，说明钢筋的塑性越好。
2、有明显屈服点钢筋的应力-应变关系的简化一般可采用双线性的理想弹塑性关系Bilinear elasto-plastic relation（二）无明显屈服点的钢筋 Rebar without yield pointa点：比例极限，约为0.65fua点前：应力-应变关系为线弹性a点后：应力-应变关系为非线性，有一定塑性变形，且没有明显的屈服点强度设计指标——条件屈服点：残余应变为0.2%所对应的应力《规范》取s0.2 =0.85 fu三、钢筋的选用原则强度高、变形性能好、可焊性性好、与混凝土有良好的粘结、经济性。
四节一环保：建筑节能、建筑节地、建筑节水、建筑节材、环境保护。
2.2 混凝土的力学性能一、混凝土的组成结构（一）混凝土普通混凝土是由水泥、砂、石材用水拌和硬化后形成的人工石材，是多相复合材料。
（二）混凝土的组成结构1、微观结构（水泥石结构）混凝土由水泥胶、晶体骨架、未水化完的水泥颗粒和凝胶孔组成。
从微观结构来看，其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等。
2、亚微观结构混凝土中的水泥砂浆结构。
3、宏观结构混凝土由砂浆和粗骨料两组体系组成。
混凝土中的砂、石、水泥胶体中的晶体、未水化的水泥颗粒组成了错综复杂的弹性骨架，主要承受外力，并使混凝土具有弹性变形的特点。
水泥胶体中的凝胶、孔隙和界面初始微裂缝等，在外力作用下使混凝土产生塑性变形。
混凝土中的孔隙、界面微裂缝等缺陷是混凝土受力破坏的起源。
二、混凝土的强度1、混凝土强度等级、立方体抗压强度混凝土的强度等级是用立方体抗压强度来划分的。
抗压强度是混凝土力学性能中最主要和最基本的指标。
混凝土立方体抗压强度：边长150mm立方体标准试件，在标准条件下（20±3℃，≥90%湿度）养护28天，用标准试验方法（加载速度0.15~0.3N/mm2/sec，两端不涂润滑剂）测得的具有95%保证率的立方体抗压强度fcu,k，用符号C表示，如C30表示fcu,k=30N/mm2 。
《规范》根据强度范围，从C15~C80共划分为14个强度等级，级差为5N/mm2。
混凝土强度等级范围达到C80，C50以上称为高强混凝土。
混凝土立方体的破坏情况（左图）试件表面无润滑剂，产生套箍效应，工程中常采用这种方法。
（右图）试件表面涂有润滑剂，摩擦阻力小，测得的抗压强度小，工程中一般不采用。
“套箍”效应：压力机钢板对混凝土试块横向变形的约束作用称为“套箍效应”。
该效应使混凝土试块不易破坏，因而测定的抗压强度高于混凝土构件的轴心抗压强度。
立方体抗压强度影响因素：⑴ 试验方法。
标准试验方法不涂润滑剂。
⑵ 试件尺寸。
⑶ 加载速度：混凝土强度强度等级低于C30时，取每秒0.3~0.5MPa；混凝土强度强度等级高于或等于C30时，取每秒0.5~0.8MPa；⑷ 龄期。
美国、日本、欧洲混凝土协会（CEB)采用圆柱体（直径152mm，高305 mm）标准试件测定的抗压强度来划分强度等级，符号记为 fc'。
圆柱体强度与我国标准立方体抗压强度的换算关系为：注意：立方体和圆柱体抗压试验都不能代表混凝土在实际构件中的受力状态，只是用来在同一标准条件下比较混凝土强度水平和品质的标准（制作、测试方便）。
《规范》规定：2、混凝土轴心抗压强度●轴心抗压强度采用棱柱体试件测定，用符号 fc,k 表示，采用150mmx150mmx300mm棱柱体作为轴心抗压强度的标准试件。
●轴心抗压强度?c,k与立方体抗压强度?cu,k的关系为：式中：为棱柱体强度与立方体强度之比，对不大于C50级的混凝土取0.76，对C80取0.82，其间按线性插值。
为高强混凝土的脆性折减系数，对C40取1.0，对C80取0.87，中间按直线规律变化取值。
0.88为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。
侧向应力对混凝土轴心抗压强度的影响●侧向压应力使混凝土轴心抗压强度提高●原因：侧向压应力约束了混凝土的横向变形，形成了约束混凝土，从而延迟和限制了混凝土的内部裂缝发展与发展，使试件不易破坏。
●螺旋钢箍柱和钢管混凝土柱，利用该原理提高柱的承载能力。
3、混凝土轴心抗拉强度●混凝土的抗拉强度比抗压强度低得多，一般只有抗压强度5%~10% ，用符号 ft, k 表示●混凝土抗拉强度试验方法a：拉伸试验；b：劈裂试验混凝土的轴心抗拉强度可以采用直接轴心受拉的试验方法来测定，但由于试验中轴向拉力的对中比较困难，目前国内外主要采用圆柱体或立方体的劈裂试验来间接测试混凝土的轴心抗拉强度三、混凝土的变形混凝土的变形分为两类：1、混凝土在荷载作用下的受力变形：一次短期加荷时的变形；多次重复加载时的变形；长期荷载作用下的变形。
2、混凝土的体积变形：收缩、膨胀变形。
（一）、混凝土在一次短期加荷时的变形1、受压混凝土一次短期加荷的应力—应变曲线混凝土在一次短期加荷时的应力－应变关系可通过对混凝土棱柱体的受压或受拉试验测定。
强度等级越高，线弹性段越长，峰值应变也有所增大。
但高强混凝土中，砂浆与骨料的粘结很强，密实性好，微裂缝很少，最后的破坏往往是骨料破坏，破坏时脆性越显著，下降段越陡。
2、混凝土的横向变形系数混凝土纵向压缩时，横向会伸长，横向伸长值与纵向压缩值之比称为横向变形系数，用符号γc 表示。
在弹性阶段，该值又称泊松比，其大小规范取为0.2。
3、混凝土的弹性模量(原点模量）混凝土的应力σ与其弹性应变εce 之比值称为混凝土的弹性模量，用符号Ec 表示。
根据大量试验结果，混凝土规范采用以下公式计算混凝土的弹性模量：混凝土的剪变模量G是指剪应力和剪应变的比值。
（二）、混凝土在重复荷载下的变形重复荷载下的变形就是混凝土的疲劳性能。
通常把试件在承受200万次（或更多次数）重复荷载时发生破坏的压应力时，称为混凝土的疲劳强度。
疲劳破坏归因于混凝土微裂缝、孔隙、弱骨料等内部缺陷，在承受重复荷载之后，应力集中，导致裂缝发展，贯通，引起骨料与砂浆间的粘结破坏，没有明显预兆，属于脆性破坏。
级配良好的混凝土，加强振捣提高混凝土的密实度，并注意养护，利于混凝土疲劳强度的提高。
（三）、混凝土的徐变混凝土受压后除产生瞬时压应变外，在维持其外力不变的条件下（即荷载长期不变），应变随时间继续增长的现象，叫做混凝土的徐变。
混凝土的徐变对混凝土结构构件的受力性能有重要的影响：①它将使结构构件的变形增加；②轴心受压构件中钢筋的应力增加而混凝土的压应力减小的应力重分布现象产生；③在预应力混凝土结构构件中引起预应力损失等。
一施加的初始压力为σ=0.5fc 时的徐变与时间的关系在应力≤0.5fc作用瞬间，首先产生瞬时弹性应变εel 。
随荷载作用时间的延续，变形不断增长，前4个月徐变增长较快，6个月可达最终徐变的（70~80）%，以后增长逐渐缓慢，2~3年后趋于稳定。
影响混凝土徐变的主要因素有：内在因素：水泥含量少、水灰比小，骨料弹性模量大、骨料的级配愈好，含量愈高，徐变愈小。
环境因素：混凝土养护的温度和湿度越高，受荷龄期越大，徐变越小；工作环境温度越高，湿度越小，徐变越大；构件体表比越大，徐变越小。
应力因素：构件中截面上的应力越大，徐变就越大；持续时间越长，徐变越大（四）、混凝土的收缩与膨胀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。
混凝土在水中硬化时体积会膨胀。
收缩和膨胀是混凝土在不受外力情况下体积变化产生的变形。
当这种自发的变形受到外部（支座）或内部（钢筋）的约束时，将使混凝土中产生拉应力，甚至引起混凝土的开裂。
混凝土收缩会使预应力混凝土构件产生预应力损失。
●混凝土的收缩是随时间而增长的变形，早期收缩变形发展较快，两周可完成全部收缩的25%，一个月可完成50%，以后变形发展逐渐减慢，整个收缩过程可延续两年以上。
