钢筋和混凝土的力学性能钢筋和混凝土的力学性能3.1 3.1 混凝土的材料力学性能混凝土的材料力学性能3.2 3.2 钢筋的材料力学性能钢筋的材料力学性能3.3 3.3 钢筋和混凝土的粘结力钢筋和混凝土的粘结力第第 3 3 章章3.1 混凝土的材料力学性能3.1.1 混凝土强度1. 单向应力状态下的混凝土强度（1）立方体抗压强度 （2）轴心抗压强度（3）轴心抗拉强度 2. 混凝土的三轴受压强度1. 单向应力状态下的混凝土强度影响混凝土强度的因素：（）水泥强度等级、水灰比、骨料的性质 ；（）混凝土配合比、制作方法、养护条件及龄期； （）试件形状、尺寸、试验方法和加载时间。 1）立方体抗压强度 fcu 测定方法混凝土试验方法规定: 以边长为150mm的立方体为标准试件，在(203)的温度和相对湿度90以上的潮湿空气中养护28d，按照标准试验方法测得的抗压强度作为混凝土的立方体抗压强度，单位为N/mm2。(1) (1) 立方体抗压强度和强度等级立方体抗压强度和强度等级我国把我国把立方体抗压强度标准值立方体抗压强度标准值 f fcu,kcu,k 作为评定混凝土强度作为评定混凝土强度等级的标准。等级的标准。2）立方体抗压强度标准值 fcu,k混凝土结构设计规范 (GB50010-2002)规定: 用上述 标准试验方法测得的具有95保证率的立方体抗压强度作为混凝土的立方体抗压强度标准值，用符号 fcu,k 表示。fffk3）强度等级的划分及有关规定混凝土强度等级应按立方体抗压强度标准值 fcu,k 确定。混凝土强度等级：C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、 C50、C55、C60、C65、C70、C75和C80，共14个等级。例如，C30表示立方体抗压强度标准值为30N/mm2。其中， C50C80 属高强度混凝土范畴。规范规定: 钢筋混凝土不应低于C15；当采用HRB335级钢筋时，混凝土不宜低于C20；当采用HRB400和RRB400级钢筋以 及承受重复荷载的构件，混凝土强度等级不得低于C20。 预应力混凝土不应低于C30；当采用钢绞线、钢丝、热处理 钢筋作预应力钢筋时，混凝土强度等级不宜低于C40。4）试验方法对立方体抗压强度的影响 图3.1 砼立方体试块的破坏情况a)不涂润滑剂 b)涂润滑剂我国规定的标准试验方法：不涂润滑剂。我国规定的标准试验方法：不涂润滑剂。5）几点说明 按图纸规定的强度等级制作混凝土； 现场制作试块（标养试块、同条件养护试块）； 检验立方体抗压强度是否满足设计要求采用标养试块； 结构实体的环境条件与实验室养护条件不同，必须增加同条件养护试块予以判定结构实体的强度； 不同尺寸试件的“尺寸效应” :fcu，k(200)1.05 = fcu，k(150) =fcu，k(100)0.95(2) 轴心抗压强度1) 测定方法 以150mm150mm300mm的棱柱体作为标准试件。试件上下表面不涂润滑剂。棱柱体试件的抗压强度都比立方 体的强度值小，且棱柱体试件高宽比越大，强度越小。图. 砼棱柱体抗压试验2）轴心抗压强度标准值 fck 以 150mm150mm300mm 的棱柱体试件试验测得的具有95保证率的抗压强度为混凝土轴心抗压强度标准值，用符号 fck 表示。3）轴心抗压强度标准值fck与立方体抗压强度标准值fcu,k的关系 fck0.8812fcu,k （3） 轴心抗拉强度1) 测定方法 常用 150mm150mm150mm立方体或圆柱体的劈裂试验来间接测定。 砼劈裂试验示意图2) 轴拉强度 ftk 与立方体抗压强度 fcu,k 的关系 轴心抗拉强度约为立方体抗压强度的5%10%，混凝土强度等级愈高，这个比值愈小。ftk0.880.395 fcu,k0.55(1-1.645) 0.45 2 混凝土轴心抗压强度标准值混凝土轴心抗压强度标准值 f fckck、轴心抗拉强度标准、轴心抗拉强度标准 值值 f ftktk 按表.采用。混凝土轴心抗压强度设计值混凝土轴心抗压强度设计值 f fc c、轴心抗拉强度设计、轴心抗拉强度设计 值值 f ft t 按表 2.4 采用。3.混凝土的三轴受压强度混凝土在三轴受压情况下 ， 抗压强度fcc有较大程度的增长 。常规三轴受压是在圆柱体周围加液压，在两侧向等压 (2=3= fL0) 情况下进行。试验得到的经验公式为：fcc fc+ (4.57.0)fL 式中 fcc 有侧向压力约束试件的轴心抗压强度；fc 无侧向压力约束试件的轴心抗压强度；fL 侧向约束压应力。 3.混凝土的三轴受压强度常见工程范例：螺旋箍筋柱、钢管混凝土柱 螺旋箍筋、钢管约束混凝土的侧向变形, 以提高混凝土的抗压强度和延性。3.1.2 混凝土的变形包括：受力变形和体积变形。受力变形: 混凝土在一次短期加载、荷载长期作用、多次重复荷载作用下产生的变形。体积变形: 混凝土由于硬化过程中的收缩以及温度和湿度变化所产生的变形。1. 混凝土在一次短期加载下的变形（1）采用棱柱体测测定：混凝土受压应压应 力应变应变 全曲线线。 这条曲线包括上升段和下降段两个部分：1）上升段（OC），又可分为三段：OA段 (0.3fc 0.4fc )：主要是弹性变形，应力一应变关系接近直线，A点为比例极限点；AB段 (0.3fc0.8fc )：裂缝稳缝稳 定扩扩展，混凝土的变变形为为弹弹塑性变变形，临临界点B的应应力可以作为为长长期抗压压强度的依据；BC段 (0.8fcfc )：裂缝快速发展的不稳定状态直至峰点C，峰值应力max通常作为混凝土棱柱体的抗压强度fc，相应的应变称为峰值应变0，通常取0=0.002。2）下降段（CE）：在峰值应力以后，裂缝迅速发展，试件应力下降，应力一应变曲线向下弯曲，直到凹向发生改变，曲线出现“拐点（D）”，标志试件破坏。相应的应变称为极限应变CU，通常取CU=0.0033。超过“拐点”，曲线开始凸向应变轴，此段曲线中曲率最大的一点E称为“收敛点”。从收敛点E开始以后的曲线称为收敛段，这时贯通的主裂缝已很宽，对无侧向约束的混凝土，收敛段EF已失去结构意义。(2) 混凝土单轴向受压应力-应变曲线的数学模型图中 fc 峰值应力（棱柱体极限抗压强度）；0 峰值应变，取0 =0.002；cu 极限压应变，取cu =0.00332. 混凝土的变形模量与弹性材料不同，混凝土受压应力-应变关系是一条曲线。混凝土的变形模量三种表示方法：图3.7 混凝土变形模量的表示方法（1) 混凝土的弹性模量（即原点模量）在原点（图中的O点）作一切线，其斜率为混凝土的原点 模量，称为弹性模量Ec。 Ectg 0混凝土的弹性模量混凝土的弹性模量Ec取值见表.(2) 混凝土的变形模量连接O点至曲线任一点割线的斜率，称为割线模量或变形模量。包含弹性变形和塑性变形两部分，也称为弹塑性模量，变形模量是个变值。 E,ctg 1 Ec (3) (3) 混凝土的剪变模量混凝土的剪变模量 GGc 0.4 Ec 2. 混凝土在长期荷载作用下的变形(徐变)（1) 徐变的概念荷载不变，变形随时间增长的现象称为徐变。徐变值约 为1-4倍瞬时应变。混凝土的徐变主要与时间参数有关。 (2) 影响徐变的因素1) 内在因素 混凝土组成成分a) 水泥用量越多，徐变变越大； b) 水灰比越大，徐变变越大；c) 骨料越坚坚硬，徐变变越小。 2) 环境因素 养护时的温度、湿度养护时温度高、湿度大，徐变越小；3) 应力条件 混凝土的应力大小混凝土的应力越大，徐变也越大。4. 混凝土的收缩混凝土凝结硬化时，在空气中体积收缩。蒸汽养护混凝土的收缩值要小于常温养护下的收缩值。 养护不好，混凝土构件表面或水泥地面会出现养护不好，混凝土构件表面或水泥地面会出现收缩裂缝。收缩裂缝。影响混凝土收缩的因素：(1) 水泥强度等级：强度等级越高，混凝土收缩越大；(2) 水泥的用量：水泥越多，收缩越大；(3) 水灰比：水灰比越大，收缩也越大；(3) 骨料：级配越好、弹性模量越大，收缩越小；(4) 养护条件：养护温度、湿度越高，收缩越小；(5) 混凝土制作方法：混凝土越密实，收缩越小；(6) 使用环境：温度越低、湿度越大，收缩越小；(7) 构件的体积与表面积比值：比值越大，收缩越小。3.2 钢筋的材料力学性能3.2.1 钢筋的形式、品种和级别1. 钢筋按化学成分分类(1) 碳素结构钢 碳素结构钢分为：低碳钢（含碳量0.25)、中碳钢（含碳量0. 250.6）和高碳钢（含碳量0.61.4）。含碳量越高，强度越高，但塑性和可焊性降低。(2 )普通低合金钢在碳素结构钢中，加入少量的硅、锰、钛、钒、铬等合 金元素，可有效提高钢材性能。2. 钢筋的种类及选用强度高，塑性低强度高，塑性低，粘结好强度高，塑性低预应力钢筋钢 筋热轧钢筋钢 丝钢绞线热处理钢筋HPB235HRB335HRB400RRB400光圆钢筋变形钢筋变形钢筋变形钢筋非预应力钢筋强度塑性低高高低3. 我国常见钢筋外形3.2.2 钢筋的材料力学性能钢筋按力学性能的不同，分为有物理屈服点的钢筋和无物理屈服点的钢筋。有物理屈服点的钢筋（软钢）： 热轧低碳钢筋HPB235级和热轧低合金钢筋HRB335级、HRB400级、RRB400级；无物理屈服点的钢筋（硬钢）： 钢丝、钢绞线、热处理钢筋。1. 1. 有物理屈服点的钢筋有物理屈服点的钢筋的强度和变形（1） 应力一应变关系曲线1) OA段 弹性阶段 2) AC段 屈服阶段3) CD段 强化阶段 4) DE段 颈缩阶段(2) 强度指标 1) 屈服强度 fy : 有物理屈服点的钢筋到达屈服点后，会产生很大的塑性变形，使构件出现很大的变形和过宽的裂缝，以致不能使用。在计算承载力时以屈服强度fy作为钢筋强度标准值；2) 极限抗拉强度fu : 在抗震结构设计中，要求结构在罕遇地震下“裂而不倒”, 钢筋应力可考虑进入强化段, 要求极限抗拉强度 fu 1.25 fy 。 （3）塑性指标1）伸长率：钢筋拉断后的伸长值与原长的比率。伸长 率越大，塑性越好。伸长率最小值可参照国家标准。 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，则表示合格。弯芯直径D越小，弯转角越大，说明钢筋的塑性越好。相应的弯芯直径及弯转角可参照相应的国家标准。2. 2. 无物理屈服点的钢筋无物理屈服点的钢筋的强度和变形(1) 应力-应变曲线(-曲线) 条件屈服点：在承载力设计时，取极限抗拉强度b的 85 作为条件屈服点。(2) 强度指标: 极限抗拉强度b(3) 塑性指标: 伸长率和冷弯性能。热扎钢筋强度标准值见表3.3；预应力钢筋强度标准值见表3.4；钢筋弹性模量见表3.5。3. 钢筋应力-应变曲线的数学模型理想弹塑性材料的应力应变关系：当sy时： s=Ess （3.9）当ysst