1、第二章 鋼筋與混凝土材料的力學(xué)性能,1. 鋼筋的品種、規(guī)格、力學(xué)性能及強(qiáng)度設(shè)計(jì)指標(biāo)； 2. 鋼結(jié)構(gòu)用鋼材的品種、規(guī)格、力學(xué)性能及強(qiáng)度設(shè)計(jì)指標(biāo)； 3. 混凝土的強(qiáng)度、變形指標(biāo)；混凝土結(jié)構(gòu)耐久性規(guī)定。,1.了解建筑鋼材的品種、規(guī)格及選用要求； 2.理解建筑鋼材的力學(xué)性能。 3.理解混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性規(guī)定； 4.掌握混凝土的各項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)及變形性能。,教學(xué)目標(biāo)：,重 點(diǎn),1.建筑鋼材的力學(xué)性能; 2. 混凝土的強(qiáng)度指標(biāo)； 3. 混凝土的變形； 4. 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性規(guī)定。,難 點(diǎn),1.建筑鋼材的力學(xué)性能; 2. 混凝土的強(qiáng)度指標(biāo)； 3. 混凝土的變形。,2.1.1 混凝土結(jié)構(gòu)對鋼筋的要求 應(yīng)具有較高的

2、強(qiáng)度和良好的塑性； 便于加工和焊接； 并應(yīng)與混凝土之間具有足夠的粘接力。,2.1 建筑鋼材,2.1.2 鋼筋的種類,熱軋鋼筋 熱處理鋼筋 冷拉鋼筋,冷軋鋼筋 冷拔低碳 消除應(yīng)力鋼絲 鋼絞線,鋼筋按加工 方法不同分類,鋼筋按在結(jié)構(gòu)中是否施加預(yù)應(yīng)力分類,普通鋼筋,鋼絲,（1）普通鋼筋 1）熱軋鋼筋 由低碳鋼或普通合金鋼在高溫下軋制而成。用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的熱軋鋼筋分為四個(gè) 級別HPB235、 HRB335、HRB400和RRB400。 2）熱處理鋼筋 淬火、回火,HPB235級鋼筋：光圓鋼筋，公稱直徑范圍為820mm，推薦直徑為8、10、12、16、20mm。實(shí)際工程中只用作板、基礎(chǔ)和荷載不大的梁

3、、柱的受力主筋、箍筋以及其他構(gòu)造鋼筋。 HRB335級鋼筋：月牙紋鋼筋，公稱直徑范圍為650mm，推薦直徑為6、8、10、12、16、20、25、32、40和50mm。實(shí)際工程中主要用作結(jié)構(gòu)構(gòu)件中的受力主筋。,HRB400級鋼筋：月牙紋鋼筋，公稱直徑范圍和推薦直徑同HRB335鋼筋。是混凝土結(jié)構(gòu)的主導(dǎo)鋼筋，實(shí)際工程中主要用作結(jié)構(gòu)構(gòu)件中的受力主筋。 RRB400級鋼筋：月牙紋鋼筋，公稱直徑范圍為840mm，推薦直徑為8、10、12、16、20、25、32和40mm。強(qiáng)度雖高，但疲勞性能、冷彎性能以及可焊性均較差，其應(yīng)用受到一定限制。,（2）鋼絲 鋼絲主要用于預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中，主要是消除應(yīng)力鋼絲

4、，其外形有光面、螺旋肋、三面刻痕三種。 （3）鋼絞線 由多根高強(qiáng)鋼絲絞織在一起而形成的，有3股和7股兩種，多用于后張法大型構(gòu)件。,2.1.3 鋼筋的冷拉和冷拔 延性降低 （1）冷拉 將鋼筋拉到超過鋼筋屈服強(qiáng)度的某一應(yīng)力值，目的是提高鋼筋的抗拉強(qiáng)度，節(jié)約鋼材。伸長鋼筋、節(jié)省鋼材、調(diào)直鋼筋、自動(dòng)除銹、檢查焊接質(zhì)量。 （2）冷拔 將HPB235的鋼筋，用強(qiáng)力從直徑較小的硬質(zhì)合金拔絲模拔出使它產(chǎn)生塑性變形，拔成較細(xì)的鋼絲，目的是提高強(qiáng)度。塑性降低較大。,（1）有明顯屈服點(diǎn)的鋼筋,a為比例極限,oa為彈性階段,de為強(qiáng)化階段,b為屈服上限,c為屈服下限，即屈服強(qiáng)度 fy,cd為屈服臺(tái)階,e為極限抗拉強(qiáng)度

5、 fu,ef為頸縮階段,o,2.1.4 鋼筋的強(qiáng)度和變形,把y取為計(jì)算構(gòu)件的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，以u作為材料的強(qiáng)度儲(chǔ)備。,軟鋼有兩個(gè)強(qiáng)度指標(biāo)：一是屈服臺(tái)階的下限點(diǎn)（較穩(wěn)定）所對應(yīng)的應(yīng)力稱為鋼筋屈服強(qiáng)度，即鋼筋的強(qiáng)度設(shè)計(jì)指標(biāo)；另一個(gè)強(qiáng)度指標(biāo)是e點(diǎn)的鋼筋極限強(qiáng)度，這是鋼筋的最大強(qiáng)度。整個(gè)強(qiáng)化階段作為鋼筋強(qiáng)度的安全儲(chǔ)備。,（2）無明顯屈服點(diǎn)的鋼材,對于沒有明顯屈服點(diǎn)的鋼材，以殘余變形為0.2%時(shí)的應(yīng)力作為條件屈服點(diǎn)，其值約等于極限強(qiáng)度85%。,（3）鋼筋的塑性 伸長率：鋼筋拉斷后的伸長值與原長的比率。,伸長率越大的鋼筋塑性越好，拉斷前有明顯的預(yù)兆。,冷彎性能 冷彎是在常溫下將鋼筋繞一定直徑的鋼輥彎曲。彎成一定

6、角度后，然后卸除外力，檢查試樣彎曲部分的外面、里面和側(cè)面，若彎曲處無裂紋、起層或斷裂現(xiàn)象，即可認(rèn)為冷彎性能合格。,2.1.5 鋼材的選用 （1）鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)以HRB400級熱軋鋼筋為主導(dǎo)鋼筋。實(shí)際工程中，普通鋼筋采用HRB400級和HRB335級鋼筋，也可以采用HPB235和RRB400級鋼筋。 （2）預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)以高強(qiáng)、低松弛鋼絲、鋼絞線為主導(dǎo)鋼筋。預(yù)應(yīng)力鋼筋宜采用預(yù)應(yīng)力鋼絲、鋼絞線，也可采用熱處理鋼筋。,2.2 混凝土,2.2.1 混凝土的強(qiáng)度,1.混凝土的立方抗壓強(qiáng)度及強(qiáng)度等級。 （1）混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度(fcu) 用邊長為150mm的標(biāo)準(zhǔn)立方體試件，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下（溫度20

7、3，相對濕度不小于90%）養(yǎng)護(hù)28天后，按標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法（試件的承壓面不涂潤滑劑，加荷速度約每秒0.15-0.3N/mm2）測得的平均抗壓強(qiáng)度。 混凝土的立方抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(fcu,k)：具有95%保證率的抗壓強(qiáng)度。,（2）混凝土的強(qiáng)度等級 根據(jù)立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fcu,k的大小，混凝土強(qiáng)度等級分C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75、C80共14級。其中，C60 C80屬高強(qiáng)混凝土。,（3）結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度等級的要求 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的混凝土強(qiáng)度等級不應(yīng)低于15；當(dāng)采用HRB335級鋼筋時(shí)，混凝土強(qiáng)度等級不宜低于 20；當(dāng)采用HRB

8、400和RRB400級鋼筋以及承受重復(fù)荷載的構(gòu)件，混凝土強(qiáng)度等級不得低于20。預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的混凝土強(qiáng)度等級不應(yīng)低于30；當(dāng)采用鋼絲、鋼絞線、熱處理鋼筋作為預(yù)應(yīng)力鋼筋時(shí)，混凝土強(qiáng)度等級不宜低于40。,2.軸心抗壓強(qiáng)度 采用150150300mm棱柱體試件測得的強(qiáng)度作為混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度。,3. 混凝土的抗拉強(qiáng)度 采用100100500mm的柱體試件，進(jìn)行直接軸心受拉試驗(yàn)，測得的試件拉裂時(shí)的平均拉應(yīng)力作為混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度。 試驗(yàn)表明：混凝土抗拉性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于抗壓性能，并且強(qiáng)度等級越高抗拉強(qiáng)度越低。,4. 混凝土的復(fù)合受力強(qiáng)度,2.2.2 混凝土的變形 混凝土的變形有兩類：一類是受力變形；另

9、一類是體積變形，包括收縮、膨脹和溫度變形。,1.混凝土的受力變形,（1）棱柱體一次短期加壓的應(yīng)力應(yīng)變曲線,A點(diǎn)以前，微裂縫沒有明顯發(fā)展，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系近似直線。A點(diǎn)應(yīng)力隨混凝土強(qiáng)度的提高而增加。 OA為彈性階段，A點(diǎn)稱為比例極限。,AB為穩(wěn)定裂縫擴(kuò)展階段；達(dá)到B點(diǎn)，內(nèi)部一些微裂縫相互連通，裂縫發(fā)展已不穩(wěn)定，橫向變形突然增大，體積應(yīng)變開始由壓縮轉(zhuǎn)為增加。在此應(yīng)力的長期作用下，裂縫會(huì)持續(xù)發(fā)展最終導(dǎo)致破壞。,B點(diǎn)以后內(nèi)部微裂縫連通形成破壞面，應(yīng)變增長速度明顯加快，從而形成裂縫快速發(fā)展的不穩(wěn)定狀態(tài)直至峰點(diǎn)C，BC為不穩(wěn)定裂縫擴(kuò)展階段，峰點(diǎn)C對應(yīng)的最大應(yīng)力為fc，相應(yīng)的應(yīng)變稱為峰值應(yīng)變，通常取為0.00

10、2。 C點(diǎn)以后為破壞 階段。,不同強(qiáng)度等級的混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲線比較：,混凝土的變形模量,取混凝土棱柱體一次加載的應(yīng)力應(yīng)變曲線的原點(diǎn)切線模量作為混凝土的彈性模量。 混凝土不是彈性材料，其應(yīng)力和應(yīng)變不呈線性關(guān)系，在不同應(yīng)力階段的變形模量（應(yīng)力與應(yīng)變之比）不同，原點(diǎn)切線很難準(zhǔn)確地作出。實(shí)用中，所以通常的做法是對標(biāo)準(zhǔn)尺寸為150315033000mm的棱柱體試件，先加載至應(yīng)力為0.5fc，然后卸載到0，反復(fù)5-10次。每次卸載到0時(shí)存在殘余變形，隨加載次數(shù)的增加，應(yīng)力應(yīng)變曲線漸趨于穩(wěn)定的直線，該直線的斜率就是混凝土的彈性模量。,混凝土的彈性模量測定：,（2）混凝土在長期荷載作用下的變形徐變 徐變：混凝

11、土在長期不變荷載作用下，應(yīng)變隨時(shí)間繼續(xù)增長的現(xiàn)象。 對結(jié)構(gòu)構(gòu)件的不利影響：增大混凝土構(gòu)件的變形，在預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件中引起預(yù)應(yīng)力損失等；有利影響：有利于結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布，減小應(yīng)力集中現(xiàn)象和減小溫度應(yīng)力。,影響因素：構(gòu)件截面的應(yīng)力大小，時(shí)間長短，混凝土所處環(huán)境條件和混凝土的組成。 養(yǎng)護(hù)條件越好，周圍環(huán)境的濕度越大，構(gòu)件加載前混凝土的強(qiáng)度愈高，水泥用量愈少，水灰比越小，混凝土越密實(shí)，集料含量越大，集料剛度越大，則徐變越小。,2.收縮與膨脹 在空氣中硬化，體積收縮；在水中，體積膨脹。一般來說，收縮比膨脹的影響大得多。收縮是混凝土在硬結(jié)過程中產(chǎn)生硬結(jié)收縮和自由水蒸發(fā)的結(jié)果。 收縮對結(jié)構(gòu)構(gòu)件的不利影響：當(dāng)構(gòu)

12、件受到約束時(shí)，混凝土的收縮就會(huì)使構(gòu)件中產(chǎn)生收縮應(yīng)力，收縮應(yīng)力過大，就會(huì)使構(gòu)件產(chǎn)生裂縫，以致影響結(jié)構(gòu)的正常使用；在預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件中混凝土收縮將引起鋼筋預(yù)應(yīng)力值損失，等等。,收縮的影響因素： 水泥強(qiáng)度越高、水泥越多、水灰比越大、骨料越少、硬化使用過程中周圍溫濕度越小、混凝土越疏松、構(gòu)件的體積與表面積的比值越大，收縮越??；反之，收縮越大。,2.3 鋼筋與混凝土的共同工作,鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)與錨固： 鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)是這兩種材料共同工作的保證，使之能共同承受外力、共同變形、抵抗相互之間的滑移。鋼筋能否可靠地錨固在混凝土中則直接影響到這兩種材料的共同工作，從而關(guān)系到結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的安全和材料強(qiáng)度的充分利用,粘結(jié)力定義 ： 若鋼筋和混凝土有相對變形（滑移），就會(huì)在鋼筋和混凝土交界面上產(chǎn)生沿鋼筋軸線方向的相互作用力，這種力稱為鋼筋與混凝土的粘結(jié)力.,膠結(jié)力 摩擦力 機(jī)械咬合力 鋼筋端部的錨固力,粘結(jié)力的組成,膠結(jié)力：混凝土凝結(jié)時(shí)，由于水泥的水化作用在鋼 筋與混凝土接觸面上產(chǎn)生的化學(xué)吸附作用 力 。 摩擦力：混凝土收縮后將鋼筋緊緊地握裹住而產(chǎn)生 的力。 機(jī)械咬合力：鋼筋表面凹凸不平與混凝土產(chǎn)生的機(jī) 械咬合作用而產(chǎn)生的力 鋼筋端部的錨固力：采取錨固措施后所造成的機(jī)械 錨固力。,進(jìn)行拔出