第2章 钢筋混凝土材料的物理力学性能12 钢筋混凝土材料的物理力学性能 本章学习重点 1. 掌握钢筋的力学性能：应力应变曲线。塑性性能伸长率、冷弯性能。钢筋的冷加工性能冷拉、冷拔。钢筋混凝土结构对钢筋性能的要求。 2. 掌握混凝土的力学性能：混凝土的强度立方体强度、抗压强度（棱柱体强度）、抗拉强度、复合应力下的强度。混凝土的变形混凝土一次加载时的应力应变曲线、混凝土的弹性模量和变形模量、混凝土的收缩和徐变。 3. 理解并掌握粘结力的作用和组成。 2.1 钢 筋 2.1.1 钢筋的级别和品种 钢筋按照生产工艺和力学性能不同可以分为：热轧钢筋；冷拉钢筋；钢丝和钢绞线； 热处理钢筋。 一般普通混凝土结构所用钢材为热轧钢筋和冷拉钢筋，预应力混凝土结构所用钢筋为高强钢丝、钢绞线、热处理钢筋和冷拉钢筋。 2.1.2 钢筋的力学性能 （1）应力应变曲线（如图2.1 所示）。 屈服强度 s . 是钢筋的关键强度指标，在结构设计中，构件中钢筋的强度值以此为依据得到。 （2）伸长率拉伸前构件长度为l ，拉断后构件的长度为l. ，则钢筋的伸长率为： .100% . . . l . l l （2.1） 伸长率反映了构件的塑性变形能力。 （3）冷弯性能冷弯性能反映了钢筋的塑性性能，冷弯以冷弯角度来反映，冷弯角度越大则钢筋的塑性性能越好。 （4）没有明显屈服点的钢筋取残余应变. . 0.2% 的应变对应的应力0.2 . 作为条件屈服应力，如图2.2 所示。 （5）钢筋的冷拔和冷拉。 1）钢筋的冷拔。 将光圆钢筋用强力拉拽，使钢筋通过比其原直径稍小的硬质合钢模具，迫使钢筋截面缩小而长度增加，如图2.3 所示。 图2.1 钢筋应力应变曲线 a 点：比例极限 b 点：弹性极限 c 点：屈服强度 cd ：屈服台阶 e 点：极限强度 经过多次冷拔后可以使钢筋强度提高，但是钢筋塑性性能大大降低，一般一根.6钢筋，经过3 次冷拔后为. 3钢丝，其强度可由260 N mm2 提高到750 N mm2 ，但伸长率由最初的21.9% 减小到3.3%，如图2.4 所示。 2）钢筋的冷拉。 将钢筋冷拉超过屈服强度到上升段，经过一定的时效后，钢筋的强度有所提高，但是其塑性变形能力有所降低，如图2.5 所示。 （6）钢筋混凝土结构对钢筋性能的要求可分以下4 个方面： 1）强度。较高的钢筋强度可节约钢材、降低成本。 2）塑性。钢筋混凝土结构要求要求钢筋要有足够的塑性变形能力，这样可在破坏前给使用者以警告。 图2.4 多次冷拔的应力应变曲线 图2.5 钢筋冷拉后其应力应变曲线 图2.2 没有明显屈服台阶 图2.3 钢筋冷拔示意图 的钢筋应力应变曲线 3）钢筋与混凝土之间的粘结强度的要求。为了保证钢筋与混凝土之间的共同工作，要求两者之间应具有足够的粘结强度。 4）可焊性的要求。由于大量的钢筋在结构中需要焊接，钢筋混凝土结构要求钢筋有较好的可焊性。 2.2 混凝土 2.2.1 混凝土的强度 （1）立方体抗压强度fcuk。 我国混凝土结构设计规范（GB50010-2002）规定，采用边长150 mm 的立方体，在温度为203，相对温度在90以上的潮湿空气中养护28 天，按标准试验方法加压到破坏，所测得的具有95保证率的抗压极限强度值，确定为混凝土的立方体标准强度，用fcuk表示。混凝土强度等级是以立方体抗压强度标准值来确定。强度等级有C10，C15，C60共10 级。 非标准试块200mm， 1.05 200 cuk cuk f . . f 100mm， 0.95 100 cuk cuk f . . f （2）轴心抗压强度fc。 用150mm.150mm. 450mm或100mm.100mm. 300mm 等尺寸制作成棱柱体试件，测得的抗压强度用fc表示， fc的平均值ck f 可用fcuk表示： ck f 0.76 fcuk 引入尺寸、制作和养护条件等方面的差异： ck f 0.88. 0.76 fcuk fcuk 0.67. c ck c f f . . （2.2） （3）轴心抗拉强度。 用轴心抗拉和劈裂两种方法来测试，其抗拉强度平均值也可由立方体抗拉强度的平均值fcuk . 表示，即： 0.26 2 / 3 tk cuk f . f 乘以修正系数0.88： . 0.88. 0.395 0.55 (1 .1.645. )0.45 tk cuk f f c tk t f f . . （2.3） （4）复合应力状态下的强度。 1）双向应力状态下的强度见图2.6。 2）三向受压的混凝土强度见图2.7。 fc fc 4. r * . . （2.4） 式中： fc混凝土轴心抗压强度； r . 侧向约束压应力。 2.2.2 混凝土的变形 （1）混凝土的应力应变曲线。 一次加载时的应力应变曲线见图2.8。 我国规范中混凝土结构计算所采用的应力应变曲线，如图2.9 所示。 取 . . . . . . . . c c 0 c c c c 0 0.002 0.0033 0 0.002 1000 1 250 . . . . . . . . 当时， 当时， （ ） （2）混凝土的受拉变形。 混凝土的受拉应力 应变曲线与受压曲线上升段相似， 但其极限拉应变很小（ 约0.5.10.4 2.7 .10.4），计算时可取4 max . . 1.5.10. 。 （3）混凝土的弹性模量、变形模量。 图2.8 混凝土应力应变曲线 图2.9 我国规范所采用的应力应变曲线 图2.6 混凝土双向应力下的强度曲线 图2.7 三向应力作用下的强度曲线 1）弹性模量，为应力应变曲线原点切线的斜率cc c dd E . . 。可用反复加载法测得，也可由立方体抗压强度fcuk来计算。 ( / ) 2.2 34.7 10 2 5 N mm f E cuk . . 2）变形模量 c c e c E E c E . . . . （2.5） 式中： e . 为混凝土弹性应变值； c . 为混凝土应变值； . 为混凝土弹性系数，一般取. . 0.5。 混凝土的弹性模量和变形模量如图2.10 所示。 （4）混凝土的徐变。 1）徐变是指混凝土在长期压力作用下，当 压力保持不变时，随着时间增长混凝土压缩变形 继续增长的现象。 2）影响徐变的因素。 影响徐变的因素很多，归纳起来主要由下面几点：混凝土的龄期。龄期越短徐变越大。 水泥用量。水泥用量越大徐变越大。骨料的弹性模量。骨料弹性模量越高，徐变越小。水灰比越大，徐变越大。养护时相对湿度对徐变的影响。湿度越小徐变越小。构件的形状尺寸也会影响徐变值。构件尺寸越大，徐变越小。捣制越密实，徐变越小。 3）徐变对结构的影响。 徐变可使受弯构件挠度增大2 倍3 倍，使柱的偏心距增大，徐变还会导致预应力损失。另外，徐变还会使构件或结构物产生应力重分布，可减小温度变化和支座不均匀沉降产生的应力集中现象。 （5）混凝土的收缩。 1）收缩。混凝土在空气中结硬时体积减小的现象称为收缩，收缩随时间而增长。 2）影响收缩的因素：水泥用量。用量越大，收缩越大。水灰比。水灰比越大，收缩越大。骨料弹性模量越大，收缩越小。骨料级配好，密实度大，则收缩小。养护环境。温度高、湿度小、收缩大。混凝土体表比越小，收缩值也会越大。水泥标号越高，收缩越大。 当混凝土收缩受到制约时，混凝土中会产生拉应力，从而导致表面或内部产生收缩裂缝。在预应力混凝土中还会导致预应力损失。另外，混凝土在水中结硬时会使体积膨胀。 2.3 钢筋与混凝土的粘结 （1）粘结力的组成和作用。 1）粘结力的作用。粘结力的主要作用是保证钢筋与混凝土共同工作，阻止钢筋在混凝土中滑移。 2）粘结力的组成。 图2.10 混凝土的弹性模量和变形模量 化学胶着力。混凝土在结硬过程中，水泥胶体与钢筋间产生吸附胶着作用。 摩擦力。由于混凝土的收缩使钢筋周围的混凝土产生握裹力，当钢筋和混凝土间出现相对滑动的趋势时，则在接触面上产生摩擦力。 机械咬合力。由于钢筋表面粗糙不平所产生的机械咬合作用。 钢筋端部加弯钩、弯折或在锚固区焊短钢筋等产生锚固力。 （2）保证钢筋与混凝土之间粘结力的构造措施。 1）满足钢筋的锚固长度a L 。 2）光圆钢筋端头做弯钩。 3）保证钢筋的搭结长度。 2.4 习 题 2.4.1 填空题 （1）钢筋按生产加工工艺和力学性能的不同，可以分为_、_、_和热处理钢筋4 大类。 （2） 设计中一般取相应于残余应变为_时的应力_作为没有明显屈服点钢筋的假想屈服强度，称为条件屈服强度。 （3）钢筋混凝土结构对钢筋的强度、_、_、和粘结强度等提出了要求。 （4）我国混凝土设计规范规定，采用边长为150mm的立方体试块，在温度为_， 相对温度在_以上的潮湿空气中养护_天按照标准试验方法加压捣破坏所测得具有_保证率的抗压极限强度，确定为混凝土的立方体标准强度，用fcuk表示。 （5）测试混凝土轴心抗压强度fc常用试件有_等尺寸。 （6）混凝土在三向受压下强度可得到_，混凝土变形能力也有_。 （7）混凝土在空气中养护时体积会_，而在水中养护时体积会_。 （8）在压力保持不变时，随着时间增加而混凝土应变不断增加的现象，称为_。 （9）衡量钢筋塑性性能的指标一般有_和_；通常_越大， 钢筋的塑性性能越好，破坏时有明显的拉断预兆；钢筋_好，破坏时不至于发生脆断。 （10）对钢筋进行冷拉时的双控是指同时控制钢筋的_和钢筋的冷拉应力；单控是指只控制钢筋的_，而不量测钢筋的_。故当采用单控进行冷拉时，其控制应力比采用双控时的控制应力的取值略_一些。 （11）在描述混凝土强度的诸指标中，混凝土的基本强度指标是混凝土的_。 （12）按混凝土试件的“尺寸效应”，相同的混凝土试块当边长为200m 、150mm、100mm 时，其实测立方体强度相对比值为_。 （13）在混凝土的内部结构组成中，_和_组成弹性骨架承受荷载；弹性骨架使混凝土具有_变形特性，而水泥凝胶体使混凝土具有_变形的特性。其内部最薄弱的环节是_。 （14）混凝土