第三章結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)性能博士教授二O一二年元月主要內(nèi)容第二節(jié)混凝土第一節(jié)建筑鋼材第三節(jié)鋼筋與混凝土的相互作用——粘結(jié)力混凝土的強(qiáng)度混凝土立方體抗壓強(qiáng)度混凝土棱柱體抗壓強(qiáng)度（混凝土軸心抗壓強(qiáng)度）混凝土軸心抗拉強(qiáng)度混凝土的變形混凝土短期加載下的變形性能混凝土在荷載長(zhǎng)期作用下的變形性能混凝土收縮混凝土強(qiáng)度等級(jí)的選用原則鋼材的力學(xué)性能鋼材的冷加工建筑鋼材的品種鋼材的選用粘結(jié)力的概念保證鋼筋和混凝土之間粘結(jié)力的措施第一節(jié)建筑鋼材一、鋼材的力學(xué)性能鋼材通常只作拉伸試驗(yàn)。軟鋼鋼筋的應(yīng)力―應(yīng)變曲線中有明顯的流幅（熱軋低碳鋼和普通熱軋低合金鋼所制成的鋼筋）

硬鋼~鋼筋的應(yīng)力―應(yīng)變曲線中無明顯的流幅（鋼絲、鋼絞線、熱處理鋼筋等預(yù)應(yīng)力鋼筋）軟鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線屈服強(qiáng)度是軟鋼設(shè)計(jì)強(qiáng)度的依據(jù)（構(gòu)件中鋼筋的應(yīng)力到達(dá)屈服強(qiáng)度后，將產(chǎn)生很大的塑性變形，這時(shí)鋼筋混凝土構(gòu)件將出現(xiàn)很大的變形和不可閉合的裂縫，以致不能使用）

強(qiáng)化階段（de段）頸縮階段（ef段）

含碳量越高，鋼筋的屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度越高，但屈服臺(tái)階縮短，伸長(zhǎng)率下降

在強(qiáng)化階段卸載，應(yīng)力-應(yīng)變曲線平行于Oa硬鋼規(guī)定以條件屈服點(diǎn)作為設(shè)計(jì)強(qiáng)度的指標(biāo)。

硬鋼

~鋼筋的應(yīng)力―應(yīng)變曲線中沒有明顯的流幅

二、鋼材的冷加工（冷拉、冷拔）提高熱軋鋼筋的強(qiáng)度圖3-4鋼筋冷拉原理圖經(jīng)冷拔后鋼筋沒有明顯的屈服點(diǎn)和流幅。鋼筋進(jìn)行冷拔處理可同時(shí)提高鋼筋的抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度。冷拔是將直徑為6～10mm的HPB235（Q235）級(jí)鋼筋用強(qiáng)力拔過比本身直徑還小0.5~1.0mm的硬質(zhì)合金拔絲模。鋼筋在通過拔絲鋼模時(shí)，同時(shí)受到縱向拉力和橫向擠壓的作用而產(chǎn)生塑性變形，迫使鋼筋內(nèi)部結(jié)構(gòu)組織發(fā)生變化，從而使鋼筋的強(qiáng)度比原來有很大的提高，但塑性降低很多。三、建筑鋼材的品種含碳量越高鋼筋的強(qiáng)度越高，但其塑性和可焊性降低，反之鋼筋的強(qiáng)度降低，其塑性和可焊性好。

硫(S)和磷(P)是鋼材中的有害元素。

磷(P)元素使鋼材塑性降低，并使鋼在低溫下易于脆斷，磷的危害性隨含碳量增多而增加，但在低碳鋼中磷的影響較小。硫(S)元素使鋼材的可焊性降低，同時(shí)在高溫下使鋼材產(chǎn)生熱脆。

這兩種元素在鋼材中的含量均有限制，不得超過0.045%0.05%。

錳元素可以提高鋼材的強(qiáng)度和硬度并可改善鋼材的焊接性能鈦元素可改善鋼材的塑性、韌性和可焊性釩元素可改善鋼材的塑性和可焊性鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中大量應(yīng)用普通低合金鋼

HPB300

熱軋光面鋼筋Hot-rolledPlainsteelBar

HRB335、HRB400、HRB500熱軋帶肋鋼筋

Hot-rolledRibbed-steelBarRRB400余熱處理鋼筋heattreatmentRibbedsteelBarHRBF335、HRBF400、HRBF500細(xì)晶粒帶肋鋼筋

Hot-rolledRibbed-steelBarFine

根據(jù)鋼筋產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的修改，不再限制鋼筋材料的化學(xué)成分和制作工藝，而按性能確定鋼筋的牌號(hào)和強(qiáng)度級(jí)別，并以相應(yīng)的符號(hào)表達(dá)。增加強(qiáng)度為500Mpa的熱軋帶肋鋼筋；推廣400Mpa、500Mpa級(jí)高強(qiáng)熱軋帶肋鋼筋作為縱向受力的主導(dǎo)鋼筋；限制并準(zhǔn)備逐步淘汰335Mpa級(jí)熱軋帶肋鋼筋的應(yīng)用；用300Mpa級(jí)光圓鋼筋替代235級(jí)光圓鋼筋。推廣具有較好的延性、可焊性、機(jī)械連接性能及施工適應(yīng)性的HRB系列普通熱軋帶肋鋼筋。列入采用控溫軋制工藝生產(chǎn)的HRBF系列細(xì)晶粒帶肋鋼筋。RRB系列余熱處理鋼筋由軋制鋼筋經(jīng)高溫水，余熱處理后提高強(qiáng)度，其延性、可焊性、機(jī)械連接性能及施工適應(yīng)性降低，一般可用于對(duì)變形性能及加工性能要求不高的構(gòu)件（如基礎(chǔ)、大體積混凝土、樓板、墻體以及次要的中小結(jié)構(gòu)構(gòu)件）中。箍筋用于抗剪、抗扭及抗沖切設(shè)計(jì)時(shí)，其抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值受到限制，不宜采用強(qiáng)度高于400Mpa級(jí)的鋼筋。當(dāng)用于約束混凝土的間接配筋時(shí)，其強(qiáng)度可以得到充分發(fā)揮，采用500Mpa級(jí)鋼筋具有一定的經(jīng)濟(jì)效益。熱處理鋼筋（Ⅳ級(jí)熱軋鋼筋經(jīng)加熱、淬火調(diào)質(zhì)）—預(yù)應(yīng)力鋼筋

冷拉鋼筋（熱軋鋼筋冷拉）冷拉Ⅰ級(jí)—只用于普通鋼筋混凝土冷拉Ⅱ級(jí)冷拉Ⅲ級(jí)—預(yù)應(yīng)力鋼筋冷拉Ⅳ級(jí)冷拔鋼筋（熱軋鋼筋冷拔）—預(yù)應(yīng)力鋼筋鋼絲（消除應(yīng)力鋼絲、低松弛鋼絲、中等強(qiáng)度鋼絲）鋼絞線精軋螺紋鋼筋變形鋼筋（螺紋鋼筋、人字紋鋼筋、月牙紋鋼筋）實(shí)際工程大多數(shù)采用四、鋼材的選用1、鋼材的質(zhì)量要求強(qiáng)度指標(biāo)：屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度

塑性指標(biāo)：伸長(zhǎng)率、冷彎性能對(duì)不同品種的鋼筋有不同鋼錕直徑及彎曲角度的要求。鋼錕的直徑D越小，彎轉(zhuǎn)角越大，說明鋼筋的塑性越好。2、混凝土結(jié)構(gòu)對(duì)鋼筋性能的要求強(qiáng)度強(qiáng)度是指鋼筋的屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度。鋼筋的屈服強(qiáng)度是混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件計(jì)算的主要依據(jù)之一（對(duì)無明顯屈服點(diǎn)的鋼筋取條件屈服點(diǎn)）。采用較高強(qiáng)度的鋼筋可以節(jié)省鋼材，獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益。塑性要求鋼筋在斷裂前有足夠的變形，使混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件將要破壞時(shí)能給人們以破壞的預(yù)兆。另外，還要保證鋼筋的冷彎試驗(yàn)的要求?？珊感栽谝欢ǖ墓に嚄l件下要求鋼筋焊接后不產(chǎn)生裂紋及過大的變形，保證焊接后的接頭性能良好。耐火性

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意混凝土保護(hù)層厚度滿足耐火極限的要求。與混凝土的粘結(jié)力為了保證鋼筋與混凝土共同工作，兩者之間應(yīng)有足夠大粘結(jié)力；鋼筋表面的形狀對(duì)粘結(jié)力有重要的影響。

在寒冷地區(qū)，為了防止鋼筋發(fā)生脆性破壞，對(duì)鋼筋的低溫性能也有一定的要求。4、鋼筋強(qiáng)度取值鋼筋強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值符合規(guī)定質(zhì)量的鋼筋強(qiáng)度總分布的0.05分位值，即具有不小于95%的保證率鋼筋的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值與其強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值之間的關(guān)系

第二節(jié)混凝土混凝土的組成結(jié)構(gòu)宏觀結(jié)構(gòu)—砂漿、粗骨料兩組分體（基相：水泥砂漿;分散相：粗骨料）亞微觀結(jié)構(gòu)—混凝土中的水泥石結(jié)構(gòu)（基相：水泥石;分散相：細(xì)骨料）微觀結(jié)構(gòu)—水泥石結(jié)構(gòu)混凝土=粗、細(xì)骨料+水泥+水水化反應(yīng)（水泥凝膠體+水泥結(jié)晶體）粘結(jié)骨料1、混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度“混凝土強(qiáng)度等級(jí)”定義

《規(guī)范》以邊長(zhǎng)為150mm的立方體，在（203）0C的溫度和相對(duì)濕度在90%以上的潮濕空氣中養(yǎng)護(hù)28天，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法（試件表面不涂潤(rùn)滑劑、全截面受壓、加荷速度0.15~0.25N/(mm2.s)）測(cè)得的具有95%保證率的抗壓強(qiáng)度（以N/mm2計(jì)）作為混凝土的強(qiáng)度等級(jí)，并用符號(hào)fcu,k表示?！兑?guī)范》混凝土強(qiáng)度等級(jí)（14級(jí)）C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75、C80

一、混凝土強(qiáng)度影響混凝土抗壓強(qiáng)度的因素混凝土的組成成分（水泥等級(jí)及用量、水灰比、骨料級(jí)配、制作方法等）養(yǎng)護(hù)條件（齡期、溫濕度）試驗(yàn)條件（加載方法—試件上、下表面是否涂潤(rùn)滑劑（加載速度C30，每分鐘0.30.5N/mm2

C30，每分鐘0.50.8N/mm2）試件尺寸、形狀（fcuk,10=1.05fcuk,15；fcuk,20=0.95fcuk,15）

3、混凝土軸心抗拉強(qiáng)度軸心抗拉強(qiáng)度是混凝土的基本力學(xué)性能，也可用其間接地衡量混凝土的其他力學(xué)性能，如混凝土的沖切強(qiáng)度等。測(cè)定方法（1）直接拉伸試驗(yàn)（《規(guī)范》）存在問題：試件安裝有較小的歪斜和偏心；混凝土內(nèi)部構(gòu)造不均勻，其幾何中心與物理中心不重合（2）間接拉伸試驗(yàn)（劈裂試驗(yàn)）（2）間接拉伸試驗(yàn)（劈裂試驗(yàn)）試驗(yàn)表明：劈裂抗拉強(qiáng)度略大于直接受拉強(qiáng)度式中，dl—試件劈裂面面積混凝土材料標(biāo)準(zhǔn)值系指符合規(guī)定質(zhì)量的混凝土強(qiáng)度總分布的0.05分位值，即具有不小于95%的保證率。

混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值與其標(biāo)準(zhǔn)值之間的關(guān)系為

二、混凝土的變形

1、混凝土短期加荷時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

各階段特征骨料和水泥石的受壓彈性變形和水泥膠凝體的粘性流動(dòng)

測(cè)試技術(shù)和試驗(yàn)條件（等應(yīng)力加載—只能測(cè)得上升段；等應(yīng)變加載—測(cè)得上升、下降段）

（試驗(yàn)機(jī)剛度對(duì)下降段影響較大）（應(yīng)變量測(cè)標(biāo)距越大，曲線坡度越陡）

混凝土的變形模量

P41

混凝土的彈性模量Ec以其強(qiáng)度等級(jí)按下式計(jì)算附表4正截面承載力計(jì)算時(shí)混凝土壓應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系曲線（GB50010-2010）

2、混凝土在荷載長(zhǎng)期作用下的變形——徐變“混凝土徐變”定義混凝土在荷載長(zhǎng)期作用下，應(yīng)變隨時(shí)間的增長(zhǎng)的現(xiàn)象

混凝土徐變產(chǎn)生原因混凝土結(jié)硬后，骨料間水泥漿，一部分轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)晶體，另一部分尚未轉(zhuǎn)化為結(jié)晶體的水泥凝膠向水泥結(jié)晶體應(yīng)力重分布;混凝土內(nèi)部微裂縫在荷載作用下不斷發(fā)展和增加，從而導(dǎo)致應(yīng)變?cè)黾?。?yīng)力不大時(shí)，徐變以第原因?yàn)橹鲬?yīng)力較大時(shí)，徐變以第原因?yàn)橹餍熳兊挠欣安焕饔?/p>

不利：高應(yīng)力下會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件出現(xiàn)徐變破壞現(xiàn)象；受彎構(gòu)件由于受壓區(qū)混凝土徐變，使長(zhǎng)期撓度增長(zhǎng)；偏心受壓構(gòu)件，由于受壓區(qū)混凝土徐變引起側(cè)向撓度增長(zhǎng)；預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件中，徐變引起預(yù)應(yīng)力損失。

有利：徐變引起構(gòu)件截面內(nèi)力重分布；對(duì)水工結(jié)構(gòu)，徐變可降低溫（濕）度引起的內(nèi)力和緩和應(yīng)力集中現(xiàn)象

影響混凝土徐變的因素內(nèi)在條件—混凝土的組成和配比

(水泥用量越多,徐變?cè)酱螅凰冶仍酱?徐變?cè)酱?；骨料越?jiān)硬,彈性模量越高,徐變?cè)叫?環(huán)境因素—養(yǎng)護(hù)條件；使用環(huán)境溫（濕）度

(養(yǎng)護(hù)時(shí)溫度高,濕度大,水泥水化作用充分,徐變?cè)叫?(受荷載后所處的環(huán)境溫度越高,濕度越低,徐變?cè)酱?應(yīng)力條件—混凝土齡期；施加初應(yīng)力；鋼筋存在及應(yīng)力符號(hào)

(加載時(shí)的混凝土齡期越早,徐變?cè)酱?(施加初始應(yīng)力越大,徐變?cè)酱?體表比

(體表比越大,徐變?cè)叫?3、混凝土的收縮和膨脹“混凝土收縮、膨脹”定義混凝土在空氣中結(jié)硬時(shí)，體積減小現(xiàn)象—混凝土收縮混凝土在水中結(jié)硬時(shí)，體積膨脹現(xiàn)象—混凝土膨脹引起混凝土收縮的原因干燥失水—物理收縮水泥和水拌和后，水泥顆粒吸收水分后凝結(jié)形成水泥膠體，膠體中水泥顆粒與水不斷發(fā)生水化作用，形成一種新的晶體化合物，這種較原材料體積小，因而引起體積不斷收縮—化學(xué)收縮一般硬化初期以為主，后期則以為主收縮的有利和不利作用收縮受限制使混凝土內(nèi)產(chǎn)生拉應(yīng)力，甚至使混凝土開裂；收縮影響結(jié)構(gòu)的效能、外表；在預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件中引起預(yù)應(yīng)力損失影響混凝土收縮的因素混凝土的組成成分（水泥等級(jí)、水泥用量、水灰比、骨料等）（水泥強(qiáng)度等級(jí)高、水泥用量多、水灰比大、骨料彈性模量小，收縮大）養(yǎng)護(hù)條件（溫（濕）度）（養(yǎng)護(hù)周圍溫度、濕度越大，收縮越?。┗炷林谱鞣椒ǎㄈ斯?、機(jī)制）（混凝土越密實(shí)，收縮越小）使用環(huán)境（使用環(huán)境溫度、濕度越大，收縮越?。w表比（體表比大，收縮?。╀摻畲嬖诩皯?yīng)力符號(hào)三、混凝土強(qiáng)度等級(jí)選擇《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50010-2010）規(guī)定：素混凝土結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度等級(jí)不應(yīng)低于C15鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的混凝土強(qiáng)度等級(jí)不應(yīng)低于C20采用強(qiáng)度等級(jí)400Mpa及以上的鋼筋時(shí)，混凝土強(qiáng)度等級(jí)不應(yīng)低于C25承受重復(fù)荷載的鋼筋混凝土構(gòu)件，混凝土強(qiáng)度等級(jí)不應(yīng)低于C30

預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的混凝土強(qiáng)度等級(jí)不宜低于C40，且不應(yīng)低于C30

小知識(shí)點(diǎn):《規(guī)范》用詞說明表示很嚴(yán)格，非這樣做不可的用詞正面詞：必須反面詞：嚴(yán)禁表示嚴(yán)格，在正常情況下均應(yīng)這樣做的用詞正面詞：應(yīng)反面詞：不應(yīng)或不得表示允許稍有選擇，在條件許可時(shí)首先應(yīng)這樣做的用詞正面詞：宜

反面詞：不宜表示有選擇，在一定條件下可以這樣做的用詞：可

第三節(jié)鋼筋與混凝土的相互作用——粘結(jié)力1、鋼筋與混凝土共同工作的基本條件

混凝土硬化后鋼筋與混凝土之間產(chǎn)生了良好的粘結(jié)應(yīng)力，使兩者可靠地結(jié)合在一起主要條件鋼筋與混凝土兩種材料的溫度線膨脹系數(shù)的數(shù)值幾乎相等（鋼材為1.210-5；混凝土為1.010-5

1.510-5）材料本身混凝土能很好地保護(hù)鋼筋免于銹蝕保證耐久性2、鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)力

粘結(jié)力的測(cè)定采用拔出試驗(yàn)或壓入試驗(yàn)的方法

特點(diǎn)：粘結(jié)應(yīng)力沿鋼筋埋入長(zhǎng)度按曲線分布，最大粘結(jié)應(yīng)力在離端頭某一距離處，且隨拔出力的大小而變化

粘結(jié)機(jī)理粘結(jié)應(yīng)力由以下三部分組成鋼筋與混凝土接觸面上的化學(xué)吸附作用力，也稱膠結(jié)力混凝土硬結(jié)時(shí)體積收縮將鋼筋緊緊握固而產(chǎn)生的摩擦力鋼筋表面凹凸不平與混凝土之間產(chǎn)生的機(jī)械咬合力，也稱咬合力光面鋼筋的粘結(jié)力主要來源于膠結(jié)力與摩擦力變形鋼筋的粘結(jié)力主要來源于摩擦力和機(jī)械咬合力影響鋼筋與混凝土之間粘結(jié)力的因素

混凝土強(qiáng)度等級(jí)

澆注混凝土?xí)r鋼筋位置

頂部水平鋼筋粘結(jié)強(qiáng)度比豎向鋼筋和底部鋼筋的粘結(jié)強(qiáng)度低

混凝土的保護(hù)層厚度C和鋼筋凈距

橫向鋼筋存在延緩了內(nèi)部微裂縫的發(fā)展，提高劈裂粘結(jié)應(yīng)力及粘結(jié)強(qiáng)度

側(cè)壓力

橫向壓力約束混凝土的橫向變形，使鋼筋與混凝土間摩擦力增大，提高粘結(jié)強(qiáng)度。若側(cè)壓力過大將導(dǎo)致提前出現(xiàn)裂縫，降低粘結(jié)強(qiáng)度。

錨固區(qū)范圍內(nèi)剪力

在錨固區(qū)范圍內(nèi)有剪力時(shí)，使平均粘結(jié)強(qiáng)度降低

鋼筋的外形特征

變形鋼筋較光面鋼筋的粘結(jié)強(qiáng)度高；月牙形鋼筋的粘結(jié)強(qiáng)度較螺紋鋼筋的粘結(jié)強(qiáng)度低。

鋼筋直徑

機(jī)械錨固

彎鉤、彎折、焊橫鋼筋（角鋼）等附加錨固可增大鋼筋與混凝土間粘結(jié)力

《規(guī)范》（GB50010-2010）規(guī)定：

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)綁扎骨架和綁扎網(wǎng)中的光面鋼筋，除軸心受壓鋼筋和其它構(gòu)件中12mm以下的受壓鋼筋外，都必須在端頭設(shè)彎鉤，以增強(qiáng)錨固能力——錨固長(zhǎng)度修正系數(shù)，對(duì)普通鋼筋按下列規(guī)定取用，當(dāng)多于一項(xiàng)時(shí)，可按連乘就是那，但不應(yīng)小于0.6當(dāng)帶肋鋼筋的公稱直徑大于25mm時(shí)，取1.10環(huán)氧樹脂涂層帶肋鋼筋取1.25施工過程中易受擾動(dòng)的鋼筋取1.10縱向受力鋼筋的實(shí)際配筋面積大于其計(jì)算面積時(shí)，修正系數(shù)取設(shè)計(jì)計(jì)算面積與實(shí)際計(jì)算面積的比值（但對(duì)于抗震設(shè)防要求及直接受動(dòng)力荷載的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，不應(yīng)考慮此項(xiàng)修正）錨固鋼筋的保護(hù)層厚度為3d（d為錨固鋼筋的直徑）時(shí)修正系數(shù)可取0.80，保護(hù)層厚度為5d時(shí)修正系數(shù)可取0.70，中間按內(nèi)插取值當(dāng)縱向受拉普通鋼筋末端采用彎鉤或機(jī)械錨固措施時(shí)，包括彎鉤或錨固端頭在內(nèi)的錨固長(zhǎng)度（投影長(zhǎng)度）可取為基本錨固長(zhǎng)度lab的60%。

錨固形式技術(shù)要求90o彎鉤末端90o彎鉤，彎鉤內(nèi)徑4d，彎后直段長(zhǎng)度12d135o彎鉤末端135o彎鉤，彎鉤內(nèi)徑4d，彎后直段長(zhǎng)度5d一側(cè)貼焊錨筋末端一側(cè)貼焊長(zhǎng)5d同直徑鋼筋兩側(cè)貼焊錨筋末端兩側(cè)貼焊長(zhǎng)3d同直徑鋼筋焊端錨板末端與厚度d的錨板穿孔塞焊螺栓錨頭末端旋入錨栓錨頭鋼筋彎鉤和機(jī)械錨固的形式和技術(shù)要求彎鉤和機(jī)械錨固的形式和技術(shù)要求當(dāng)計(jì)算中充分利用鋼筋的受壓強(qiáng)度時(shí)，受壓錨固長(zhǎng)度不應(yīng)小于相應(yīng)受拉鋼筋錨固