第一章鋼筋和混凝土的力學(xué)性能

第一節(jié)鋼筋的性能及要求

第二節(jié)混凝土的力學(xué)性能

第三節(jié)鋼筋與混凝土的黏結(jié)第一節(jié)鋼筋的性能及要求一、鋼筋的分類混凝土結(jié)構(gòu)用鋼筋按化學(xué)成分可分為碳素鋼和普通低合金鋼。根據(jù)含碳量的不同，碳素鋼分為低碳鋼(碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)<0.25%)、中碳鋼(碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25%~0.6%)、高碳鋼(碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)>0.6%)。含碳量越高，強度越高，但塑性和可焊性下降。工程中常用低碳鋼。普通低合金鋼是在碳素鋼的基礎(chǔ)上，再加入微量的合金元素，如硅、錳、釩、欽、鋸等，目的是提高鋼材的強度，改善鋼材的塑性性能。鋼筋按生產(chǎn)加工工藝和力學(xué)性能的不同分為普通鋼筋和預(yù)應(yīng)力鋼筋。普通鋼筋為低碳鋼，由普通低合金鋼在高溫狀態(tài)下軋制而成，預(yù)應(yīng)力鋼筋可分為熱處理鋼筋和預(yù)應(yīng)力鋼絲。鋼筋按其外形不同，分為光面鋼筋和帶肋鋼筋。下一頁返回第一節(jié)鋼筋的性能及要求二、鋼筋的強度和變形1.鋼筋的應(yīng)力應(yīng)變曲線有明顯屈服點的鋼筋的典型應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖1-2(a)所示。圖中在a點以前，鋼筋處于彈性階段，應(yīng)力與應(yīng)變成正比，a點的鋼筋應(yīng)力稱為“比例極限”一鋼筋的屈服強度fy。直線Oa的斜率為鋼筋的彈性模量Es。過a點以后，應(yīng)變較應(yīng)力增長為快。到達b點，鋼筋開始屈服，其強度與加荷速度、截面形式、試件表面光潔度等多種因素有關(guān)，很不穩(wěn)定，b點稱為屈服上限。超過b點以后，進人強化階段，鋼筋的應(yīng)力下降到c點，在應(yīng)力基本保持不變的情況下，應(yīng)變顯著增加產(chǎn)生較大的塑性變形，但比較穩(wěn)定，c點稱為屈服下限或屈服點。與c點所對應(yīng)的應(yīng)力稱為屈服強度，以σs表示，水平cd段稱為屈服臺階或流幅。過d點后，鋼筋還能繼續(xù)承載，應(yīng)力應(yīng)變繼續(xù)加大，到達e點后鋼筋產(chǎn)生頸縮現(xiàn)象，下一頁返回上一頁第一節(jié)鋼筋的性能及要求應(yīng)力開始下降，但應(yīng)變?nèi)阅芾^續(xù)增長，至f點試件被拉斷。e點對應(yīng)的應(yīng)力稱為抗拉強度極限σb，曲線的de段稱為強化階段，ef段稱為頸縮下降階段。沒有明顯屈服點的鋼筋的典型應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖1-2(b)所示。由圖可見，它沒有明顯的屈服平臺，其強度很高，但延伸率大為降低，塑性性能減弱。設(shè)計上取相應(yīng)于殘余應(yīng)變?yōu)?.2%的應(yīng)力為名義屈服強度σ0.2，大約為國家標(biāo)準(zhǔn)的抗拉強度極限σb的85%。

圖1-2(c)為各級鋼筋的應(yīng)力應(yīng)變曲線。從圖中可以看出，普通鋼筋應(yīng)力應(yīng)變曲線都有明顯的屈服點，這種鋼筋即為低碳鋼，亦稱軟鋼。沒有明顯屈服點的熱處理鋼筋和鋼絲，稱為硬鋼。下一頁返回上一頁第一節(jié)鋼筋的性能及要求2.鋼筋的塑性性能反映鋼筋的塑性性能的基本指標(biāo)是鋼筋的伸長率、冷彎性能。鋼筋試件拉斷后的伸長值與原長的比值稱為伸長率。伸長率愈大，塑性性能愈好。冷彎是將直徑為d的鋼筋繞直徑為D的鋼輥進行彎曲，如圖1-3所示，彎成一定的角度而不發(fā)生斷裂，并且無裂紋、鱗落或斷裂現(xiàn)象，即認為鋼筋的彎曲性能符合要求。通常D值愈小，a值愈大，則其彎曲性能、塑性性能愈好。屈服強度、極限抗拉強度、伸長率和冷彎性能是有明顯屈服點鋼筋進行質(zhì)量檢驗的四項主要指標(biāo)。表1-1列出了常用鋼筋的強度、伸長率、冷彎性能和彈性模量等各項指標(biāo)。下一頁返回上一頁第一節(jié)鋼筋的性能及要求3.鋼筋的冷加工冷拉是在常溫條件下，把鋼筋應(yīng)力拉到超過其原有的屈服點，然后完全放松，使鋼材內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，而提高其強度。冷拉只能提高鋼筋的抗拉屈服強度，卻不能提高其抗壓屈服強度。故當(dāng)用冷拉鋼筋作受壓鋼筋時，其屈服強度與母材相同。冷拔是將鋼筋(盤條)用強力拔過比它本身直徑還小的硬質(zhì)合金拔絲模，這是鋼筋同時受到縱向拉力和橫向壓力的作用以提高其強度的一種加工方法。鋼筋經(jīng)多次冷拔后，截面變小而長度增長，強度比原來提高很多，但塑性降低，硬度提高，冷拔后鋼絲的抗壓強度也得到提高。下一頁返回上一頁第一節(jié)鋼筋的性能及要求三、混凝土結(jié)構(gòu)對鋼筋性能的要求1.一般要求(1)有較高的強度和適宜的屈強比。強度是指鋼筋的屈服強度fy。屈服強度高，可減少結(jié)構(gòu)的含鋼量，節(jié)約鋼材，提高經(jīng)濟效益。屈強比是指屈服強度fy與極限抗拉強度fu之比值，該值反映結(jié)構(gòu)的可靠程度。屈強比小，結(jié)構(gòu)可靠，但鋼材強度的利用率低，不經(jīng)濟;屈強比太大，則結(jié)構(gòu)不可靠。(2)有較好的塑性。(3)具有較好的焊接性能。(4)與混凝土之間具有良好的黏結(jié)。下一頁返回上一頁第一節(jié)鋼筋的性能及要求2.抗震要求對于有抗震要求的混凝土結(jié)構(gòu)用鋼筋，除上述一般要求外，還有以下具體要求:(1)抗震等級為一、二級的框架結(jié)構(gòu)，其縱向受力鋼筋采用普通鋼筋時，應(yīng)滿足:1)鋼筋的抗拉強度實測值與屈服強度實測值的比值(強屈比)不應(yīng)小于1.25，目的是為了保證當(dāng)構(gòu)件某個部位出現(xiàn)塑性鉸后，塑性鉸處有足夠的轉(zhuǎn)動能力與耗能能力。2)鋼筋的屈服強度實測值與強度標(biāo)準(zhǔn)值的比值不應(yīng)大于1.3,計中強柱弱梁、強剪弱彎的設(shè)計要求。(2)普通鋼筋宜優(yōu)先采用延性、韌性和可焊性較好的鋼筋。返回上一頁第二節(jié)混凝土的力學(xué)性能

一、混凝土的強度混凝土的抗壓強度與水泥、骨料的品種、級配、配合比、硬化條件和齡期等有關(guān)，主要包括立方體抗壓強度、軸心抗壓強度和軸心抗拉強度等。影響混凝土抗壓強度的主要因素有:混凝土受壓時的橫向變形條件和加載速度等。1.立方體抗壓強度立方體抗壓強度是衡量混凝土強度高低的基本指標(biāo)值，是確定混凝土強度等級的依據(jù)?！痘炷两Y(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50010-2002)規(guī)定:按照標(biāo)準(zhǔn)方法制作養(yǎng)護邊長為150mm的立方體試件，在28天齡期用標(biāo)準(zhǔn)試驗方法測得的具有95%保證率的抗壓強度作為混凝土的立方體抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值，用fcu,k表示，單位為N/mm2(MPa)。下一頁返回第二節(jié)混凝土的力學(xué)性能2.軸心抗壓強度軸心抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值與立方體抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值之間的關(guān)系為:fck=0.88αc1αc2fcu,kαc1--------棱柱強度與立方強度之比，對C50及以下取αc1=0.76，對C80取αc1=0.82,中間按直線內(nèi)插法取值;αc2--------考慮C40以上混凝土脆性的折減系數(shù)，對C40取αc2=1.0，對C80取αc2=0.87，中間按直線內(nèi)插法取值;0.88--------考慮到結(jié)構(gòu)構(gòu)件與試件制作及養(yǎng)護條件的差異，尺寸效應(yīng)及加荷速度影響，參照以往的設(shè)計經(jīng)驗所取得的經(jīng)驗系數(shù)。下一頁返回上一頁第二節(jié)混凝土土的力學(xué)性能能3.軸心抗拉拉強度混凝土的抗拉拉強度很低，，與立方抗壓壓強度之間為為非線性關(guān)系系，一般只有有其立方體抗抗壓強度的1/17~1/8。中國國建筑科學(xué)研研究院等單位位對混凝土的的抗拉強度作作了系統(tǒng)的測測定，用直接接測試法或間間接測試法對對試件進行實實驗測得的抗抗拉強度稱為為軸心抗拉強強度，經(jīng)修正正后，軸心抗抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)值與立方體體抗壓強度標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值之間的的關(guān)系為:式中δ-----混凝土立方體體強度變異系系數(shù)，對C60以上的混混凝土，取δ=0.1;系數(shù)0.395和和系數(shù)0.55是根據(jù)據(jù)實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)統(tǒng)計分析所得得的經(jīng)驗系數(shù)數(shù)。下一頁返回上一頁第二節(jié)混凝土土的力學(xué)性能能4.復(fù)合應(yīng)力力狀態(tài)下的混混凝土強度在實際混凝土土結(jié)構(gòu)中，混混凝土處于單單向應(yīng)力狀態(tài)態(tài)的情況很少少，往往都處處于三向復(fù)合合壓應(yīng)力狀態(tài)態(tài)。在復(fù)合應(yīng)應(yīng)力狀態(tài)下，，混凝土的強強度和變形性性能與單軸應(yīng)應(yīng)力狀態(tài)下有有明顯的不同同。混凝土三向受受壓時，混凝凝土一向的抗抗壓強度隨另另兩向壓應(yīng)力力的增加而增增大，并且混混凝土的極限限壓應(yīng)變也大大大增加。這這是由于側(cè)向向壓力約束了了混凝土的橫橫向變形，抑抑制了混凝土土內(nèi)部裂縫的的出現(xiàn)和發(fā)展展，使得混凝凝土的強度和和延性均有明明顯提高。下一頁返回上一頁第二節(jié)混凝土土的力學(xué)性能能二、混凝土的的變形混凝土的變形形可分為兩類類:一類是在在荷載作用下下的受力變形形，如單調(diào)短短期加荷、多多次重復(fù)加荷荷以及荷載長長期作用下的的變形。另一一類與受力無無關(guān)，稱為體體積變形，如如混凝土收縮縮、膨脹以及及由于溫度變變化所產(chǎn)生的的變形等。1.混凝土在在一次短期荷荷載下的變形形(1)混凝土土在單調(diào)短期期加荷作用下下的應(yīng)力征是是研究鋼筋混混凝土構(gòu)件的的強度、變形形、延性依據(jù)據(jù)。應(yīng)變曲線線是其最基本本的力學(xué)性能能，曲線的特特(承受變形形的能力)和和受力全過程程分析的。圖1-5所示為混凝土土棱柱體試件件在受壓時的的應(yīng)力應(yīng)變曲曲線，曲線由由上升段Oc和下降段ce兩部分組組成。下一頁返回上一頁第二節(jié)混凝土土的力學(xué)性能能(2)混凝土土的橫向變形形系數(shù)?；炷猎嚰谝灰淮味唐诩訅簤簳r，其縱向向產(chǎn)生壓縮應(yīng)應(yīng)變εcv，而橫向產(chǎn)生生膨脹應(yīng)變εch，則其比值vc=εch/εcv稱為橫向變形形系數(shù)(又稱稱泊松比)，，在混凝土應(yīng)應(yīng)力σc<0.5fc時，其值基本本為常數(shù)，《《混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》》取vc=0.2，，當(dāng)σc>0.5fc時，橫向變形形突然增加，，表明混凝土土內(nèi)部微裂縫縫開始迅速發(fā)發(fā)展。(3)混凝土土的彈性模量量、變形模量量和剪變模量量。混凝土的的應(yīng)力與其彈彈性應(yīng)變之比比稱為混凝土土的彈性模量量，用符號Ec表示。根據(jù)大大量試驗統(tǒng)計計結(jié)果，《混混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)設(shè)計規(guī)范》采采用的經(jīng)驗公公式計算混凝凝土的彈性模模量為:下一頁返回上一頁第二節(jié)混凝土土的力學(xué)性能能混凝土的應(yīng)力力與其彈塑性性總應(yīng)變之比比稱為混凝土土的變形模量量，用符號Ec′表示。該值值小于混凝土土的彈性模量量Ec。混凝土的彈性性模量Ec與變形模量Ec′的關(guān)系為:式中v-------混凝土彈彈性特征系數(shù)數(shù)，當(dāng)σc≤0.3fc時,v=1.0;σc=0.5fcv=0.8~0.9;σc=0.9fc，v=0.4~0.7。下一頁返回上一頁第二節(jié)混凝凝土的力學(xué)學(xué)性能2.混凝土土在重復(fù)荷荷載作用下下的變形工程中的某某些構(gòu)件，，例如工業(yè)業(yè)廠房中的的起重機梁梁，在其使使用期限內(nèi)內(nèi)要承受大大約200萬次以上上的重復(fù)荷荷載作用，，在多次重重復(fù)荷載作作用情況下下，混凝土土的強度和和變形性能能都會出現(xiàn)現(xiàn)重要變化化。在多次次重復(fù)加荷荷情況下，，混凝土將將產(chǎn)生“疲疲勞”現(xiàn)象象，混凝土土由于荷載載重復(fù)作用用而引起的的破壞稱為為疲勞破壞壞。疲勞破破壞的產(chǎn)生生取決于加加載時應(yīng)力力是否超過過混凝土疲疲勞強度fcf。試驗表明明，混凝土土疲勞強度度fcf低于軸心抗抗壓強度fc,大致在(0.4~0.5)fc，此值的大大小與荷載載重復(fù)作用用的次數(shù)、、應(yīng)力變化化幅度及混混凝土強度度等級有關(guān)關(guān)。下一頁返回上一頁第二節(jié)混凝凝土的力學(xué)學(xué)性能3.混凝土土在長期荷荷載作用下下的變形一一徐變混凝土在不不變荷載長長期作用下下，其應(yīng)變變隨時間而而繼續(xù)增長長的現(xiàn)象稱稱為混凝土土的徐變。?；炷列熳冏儗炷镣两Y(jié)構(gòu)和構(gòu)構(gòu)件的工作作性能有很很大的影響響。由于混混凝土的徐徐變，會使使受彎構(gòu)件件的變形增增大，使結(jié)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件件產(chǎn)生內(nèi)力力重分布。。在預(yù)應(yīng)力力混凝土結(jié)結(jié)構(gòu)中還會會產(chǎn)生較大大的預(yù)應(yīng)力力損失。影響徐變的的因素很多多，主要有有以下幾方方面:(1)應(yīng)力力條件。應(yīng)應(yīng)力條件指指混凝土初初始加荷應(yīng)應(yīng)力和加載載時混凝土土的齡期，，這是影響響徐變的最最主要因素素。初始加加荷應(yīng)力越越大，徐變變越大;加加載時混凝凝土的齡期期越短，徐徐變越大。。在實際工工程中，應(yīng)應(yīng)加強養(yǎng)護護，使混凝凝土盡早結(jié)結(jié)硬，減小小徐變。下一頁返回上一頁第二節(jié)混凝凝土的力學(xué)學(xué)性能(2)內(nèi)在在因素。內(nèi)內(nèi)在因素指指混凝土的的組成成分分和配比。。例如，骨骨料越堅硬硬，徐變越越小;水灰灰比越大，，水泥用量量越多，徐徐變越大。。(3)環(huán)境境因素。環(huán)環(huán)境因素指指養(yǎng)護和使使用時的溫溫濕度。受受荷前養(yǎng)護護的溫度越越高，濕度度越大，水水泥水化作作用就越充充分，徐變變就越小;加荷期間間溫度越高高，濕度越越低，徐變變就越大。。下一頁返回上一頁第二節(jié)混凝凝土的力學(xué)學(xué)性能4.混凝土土的收縮和和溫度變形形混凝土在空空氣中結(jié)硬硬時體積減減小的現(xiàn)象象稱為收縮縮;當(dāng)混凝凝土在水中中結(jié)硬時，，其體積會會產(chǎn)生膨脹脹。通常收收縮值量值值較大，對對結(jié)構(gòu)有明明顯的不利利影響，因因此要特別別注意;而而膨脹值的的量值很小小，對結(jié)構(gòu)構(gòu)有利，一一般可不予予考慮?；炷恋氖帐湛s變形先先快后慢，，一個月可可完成約50%，三三個月后增增長緩慢，，一般兩年年后趨于穩(wěn)穩(wěn)定，最終終收縮值約約為(2~6)×10-4?；炷恋氖帐湛s由凝縮縮和干縮兩兩部分組成成。凝縮是是由水泥水水化反應(yīng)引引起的本身身體積的收收縮，它是是不可恢復(fù)復(fù)的;干縮縮則是由于于混凝土內(nèi)內(nèi)自由水分分蒸發(fā)而引引起的收縮縮，當(dāng)干縮縮后的混凝凝土再次吸吸水時，部部分干縮變變形可以恢恢復(fù)。下一頁返回上一頁第二節(jié)混凝凝土的力學(xué)學(xué)性能影響混凝土土收縮的因因素有內(nèi)在在因素和環(huán)環(huán)境影響:(1)內(nèi)在在因素。水水泥強度高高、用量多多、水灰比比大，則收收縮量大;，骨料粒粒徑大、級級配好、彈彈性模量高高，則收縮縮量小;混混凝土越密密實，收縮縮量就越小小。(2)環(huán)境境影響?；旎炷猎陴B(yǎng)養(yǎng)護和使用用期間的環(huán)環(huán)境濕度大大，則收縮縮量小;采采用高溫蒸蒸汽養(yǎng)護時時，收縮量量減小。返回上一頁第三節(jié)鋼筋筋與混凝土土的黏結(jié)一、鋼筋與與混凝土共共同工作的的原理在鋼筋混凝凝土結(jié)構(gòu)中中，鋼筋和和混凝土這這兩種性質(zhì)質(zhì)不同的材材料之所以以能有效地地結(jié)合在一一起共同工工作，除了了二者之間間溫度線膨膨脹系數(shù)相相近及混凝凝土包裹鋼鋼筋具有保保護作用以以外，主要要的原因是是兩者在接接觸面上具具有良好的的黏結(jié)作用用。該作用用可使其承承受黏結(jié)表表面上的剪剪應(yīng)力，抵抵抗鋼筋與與混凝土之之間的相對對滑動。試驗研究表明，，黏結(jié)力由三部部分組成:①因因水泥顆粒的水水化作用形成的的凝膠體對鋼筋筋表面產(chǎn)生的膠膠結(jié)力;②因混混凝土結(jié)硬時體體積收縮，將鋼鋼筋緊緊握裹而而產(chǎn)生的摩擦力力;③由于鋼筋筋表面凹凸不平平與混凝土之間間產(chǎn)生的機械咬咬合力。其中，，膠結(jié)力作用最最小，光面鋼筋筋以摩擦力為主主，帶肋鋼筋以以機械咬合力為為主。下一頁返回第三節(jié)鋼筋與混混凝土的黏結(jié)二、黏結(jié)錨固強強度鋼筋的錨固強度度由拉拔試驗測測定，拉拔試件件如圖1-6(a)所示。三、影響?zhàn)そY(jié)錨錨固強度的因素素(1)混凝土強強度的影響?；旎炷翉姸仍礁吒撸瑒t伸人鋼筋筋橫肋間的混凝凝土咬合齒越強強，握裹層混凝凝土的劈裂就越越不容易發(fā)生，，故黏結(jié)錨固作作用越強。(2)保護層的的厚度?；炷镣恋谋Ｗo層越厚厚，則對錨固鋼鋼筋的約束越大大;咬合力使握握裹層混凝土的的劈裂越難以發(fā)發(fā)生，黏結(jié)錨固固作用就越強。。當(dāng)保護層厚度度達到一定程度度后，錨固強度度增加的趨勢減減緩。下一頁返回上一頁第三節(jié)鋼筋與混混凝土的黏結(jié)(3)錨筋的外外形。鋼筋的外外形決定了混凝凝土咬合齒的形形狀，因而對錨錨固強度影響很很大。主要的外外形參數(shù)為相對對肋高和肋面積積比，橫肋的對對稱性及連續(xù)性性。光面鋼筋及及刻痕鋼絲的錨錨固性能最差;旋扭狀的鋼絞絞線次之;間斷斷型的月牙肋鋼鋼筋較好;而連連續(xù)的螺旋肋鋼鋼筋錨固性能最最好。(4)錨固區(qū)域域的配箍。錨固固長度范圍內(nèi)的的配箍對錨固