钢筋混凝土 力学性能

第一节 钢筋

一、钢筋的化学成分、级别和品种

1．化学成分：铁碳、锰、硅、硫、磷等元素。

其中碳元素含量越高，钢筋的强度越高，但塑性和可焊性降低。通常可分为低碳钢(含碳量少于0.25%)和高碳钢(含碳量在0.6%～1.4%范围内)。

锰、硅元素可提高钢材强度，并保持一定塑性；

磷、硫是有害元素，其含量超过一定限度时，钢材塑性明显降低，磷使钢材冷脆，硫使钢材热脆，且焊接质量也不易保证。

合金元素，如锰、硅、钒、钛等即制成低合金钢。

钢筋的分类：

钢筋按其生产加工工艺和力学性能分为热轧钢筋、冷加工钢筋、热处理钢筋和钢丝四类,其中应用量最大的是热轧钢筋。

热轧钢筋按其强度由低到高分成四级：HPB235、HRB335、HRB400、RRB400。钢筋的肋纹有螺纹和人字纹，近年来为了改进生产工艺并改善使用性能，变形钢筋的螺纹形式已逐步被月牙纹取代。

冷拉钢筋和冷拔钢筋是通过对某些等级的热轧钢筋进行冷加工而成。

钢丝是指直径小于6mm的钢筋。品种包括：碳素钢丝、刻痕钢丝、钢绞线及冷拔低碳钢丝四种。钢丝的直径越细，其强度越高。冷拔低碳钢丝是用直径较小的HPB235级热轧钢筋用冷拔机经过几次冷拔后成型的。钢丝主要应用于预应力混凝土结构。预应力钢筋以钢绞线及高强钢筋作为主导钢筋。

二、钢筋的强度和变形

1.有明显屈服点的钢筋

有明显屈服点的钢筋工程上习惯称为软钢，从加荷到拉断，可分成四个受力阶段。

弹性工作阶段；

屈服阶段：为屈服强度、屈服台阶；

强化阶段：抗拉强度或极限强度，

破坏阶段。

钢筋的伸长率，可用下式计算：

（2-1）

式中 ----伸长率；

----钢筋拉断后和起来的长度；

----钢筋拉断前的长度。

伸长率的大小标志钢筋的塑性性能。 越大，表示钢筋的塑性性能好。钢筋的塑性除用伸长率标志外，还可用冷弯性能试验来检验。钢筋塑性越好，冷弯角就越大。

屈服强度作为钢筋强度标准值的取值依据。从屈服强度到极限强度钢筋还有一定的强度储备。

2.无明显屈服点的钢筋

条件屈服强度： ＝0.8 ，作为强度标准值的取值。

三、钢筋的冷加工

1.冷拉

冷拉是将有明显屈服点的热轧钢筋在常温下把钢筋应力拉到超过其原有的屈服点，然后再卸载，若钢筋再次受拉，则能获得较高屈服强度的一种加工方法。通过冷拉提高了钢筋的强度，但降低了钢筋的塑性。对HPB235级盘圆钢筋通过冷拉还可达到除锈的目的，一般伸长率可达7%～10%，节约了钢材。

应注意，钢筋经过冷拉只可提高其抗拉屈服强度，却不能提高其抗压屈服强度。

2.冷拔

冷拔是将盘条钢筋用强力使其通过直径比其还小的硬质合金拔丝模，经过多次冷拔，盘条钢筋截面减小而长度增长，其抗拉强度和抗压强度都得以提高，但降低了钢筋塑性。

3.冷轧

热轧钢筋再经过冷轧，轧制成表面不同的形状，其内部组织结构更加紧密，使钢材的强度和粘结性有所提高，但塑性有所降低。冷轧是目前钢筋冷加工的普遍采用的一种方法，主要品种有以下两种：

（1）冷轧扭钢筋

冷轧扭钢筋是以HPB235级盘圆钢筋为原材料，经冷轧成扁平状并经扭转而成的钢筋(图2-6)，直径为6.5～14mm，强度比原材料强度可提高近一倍，抗拉设计强度可达360 N/mm2，但延性较差，主要用于钢筋混凝土板的受力钢筋。

（2）冷轧带肋钢筋

冷轧带肋钢筋是采用低碳热轧盘圆进行减小直径冷轧，可提高其抗拉强度，表面轧制成带横肋的月牙形钢筋，外形有两面肋和三面肋两种，直径为4～12mm，多用于钢筋混凝土板的受力钢筋，也适用于预应力混凝土构件的配筋。

第二节 混凝土

一、混凝土强度

混凝土是由水泥、细骨料(如砂子)、粗骨料(如碎石、卵石)和水按一定比例配合搅拌，并经一定的条件养护经凝结和硬化后形成的人工石材。

1.混凝土立方体抗压强度

我国现行《规范》规定以立方体抗压强度标准值作为衡量混凝土强度的指标。以边长为150mm的立方体试块，在温度为20℃±3℃，相对湿度不低于90%的环境里养护28天，以标准试验方法（加荷速度在0.3～0.5 N/mm2/s）测得的具有95%保证率的抗压强度，用 表示。现行《规范》将混凝土等级分为14个强度等级，以立方体抗压强度标准值的大小划分，即C15、C20、C25、C30、C35、 C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75、C80，各个等级中的数字单位都以N/mm2表示，称为立方体抗压强度标准值。一般将强度等级C50以下成为普通混凝土，C60～C80为高强混凝土。

尺寸效应：对100mm的立方体试块，测得的立方体抗压强度应乘以换算系数0.95；对于200mm的立方体试块，测得的立方体抗压强度应乘以换算系数1.05。

混凝土的立方体抗压强度与试件的龄期和养护条件有关。

混凝土强度等级选用：一般混凝土强度等级不应低于C15，当采用HRB335级钢筋时，混凝土强度等级不宜低于C20；当采用HRB400和RRB400级钢筋以及承受重复荷载的构件，混凝上强度等级不得低于C20；预应力混凝土结构的混凝土强度等级不应低于C30，当采用钢绞线、钢丝、热处理钢筋作预应力钢筋时，混凝土的强度等级不宜低于C40。

2.混凝土轴心抗压强度(棱柱体抗压强度)

试件有150mm×l50mm×450mm、100mm×100mm×300mm等尺寸。试验所得到的抗压强度极限值，即为混凝土轴心抗压强度。设计时称为抗压强度标准值，用 表示。

＝0.76 （2-2）

考虑到试验室条件与工程实际情况的差异及构件尺寸的不同等因素，《规范》取

＝O.67 （2-3）

3.混凝土轴心抗拉强度

常用的试验方法有直接轴心受拉试验、劈裂试验及弯折试验三种。

＝O.26 （2-4）

现行《规范》考虑到实际构件与试验的差异，采用：

＝O.23 （2-5）

4.复杂应力状态下混凝土的强度

混凝土双向受压时，两个方向的抗压强度都有所提高，最大可以达到单向受表压时的1.2倍左右。

混凝土三向受压时，各个方向的抗压强度都有很大的提高。在实际工程中，通过在混凝土构件中配置密排螺旋箍筋及采用钢管等加强对混凝土的侧向约束，以提高混凝土的抗压强度和延性。

剪压和剪拉：垂直与剪切面的正应力能提高混凝土的抗剪能力，但压应力过大时又将削弱混凝土的抗剪能力。垂直与剪切面的拉应力会削弱混凝土的抗剪能力。在计算混凝土构件抗剪能力时要考虑上述这种影响。

二、混凝土变形

混凝土的变形可以分成两类：一类是由荷载作用下产生的变形；另一类为混凝土的体积变形，包括混凝土的收缩变形以及温度、湿度变化产生的变形。

1.混凝土在一次短期加荷时的变形性能

通常采用 =3～4的棱柱体试件来测定。曲线可分为上升段和下降段。

从混凝土的应力-应变曲线可以看出:混凝土的应力-应变关系图形是一条曲线，这说明混凝土是一种弹塑性材料，只有当压应力很小时，可将其视为弹性材料。曲线分为上升段和下降段，说明混凝土在破坏过程中承载力有一个从增加到减少的过程，当混凝土的压应力达到最大时，并不意味着立即破坏。因此，混凝土最大应变对应的不是最大应力，最大应力对应的也不是最大应变。

对于不同强度等级的混凝土，其相应的应力—应变曲线有着相似的形状，但也有区别。随着混凝土强度的提高，曲线上升段和峰值应变的变化不很显著，而下降段形状有较大的差异。强度越高，下降段越陡，材料的延性越差。

2.混凝土受约束时的变形特点

三向受压状态。当受压混凝土受到横向约束时，混凝土的强度不仅提高，而且也可以大大提高混凝土的延性。

箍筋越密，强度提高越多。但最多不超过20%，而变形能力却大幅度增长。

3.混凝土的弹性模量

（1）混凝土的初始弹性模量

= = （2-6）

根据大量的试验结果，混凝土的弹性模量与混凝土的立方体抗压强度之间经统计分析有如下关系：

（N/mm2） （2-7）

（2）混凝土的割线模量

（2-8）

式中 = ，表示为混凝土弹性系数。当 =0.5 时， =0.8～0.9；当 =0.9 时，

=0.4～0.7；当 ≤0.3 时， =1.0。

（3）混凝土的切线模量

= （2-10）

由于混凝土塑性变形的发展，混凝土的切线模量也是一个变值，它随着混凝土的应力增大而减小。

混凝土受拉弹性模量与受压时基本一致，因此可取相同值。当混凝土达到极限抗拉强度即将开裂时，可取其受拉弹性模量为0.5 。

混凝土横向压应变和纵向压应变之比称为泊松比。当压应力较小时，混凝土的泊松比约为0.15～0.18，可近似取0.2；接近破坏时可达0.5以上。

混凝土的剪切模量为

（2-11）

混凝土的剪切模量可按混凝土弹性模量的0.4倍采用（相当于 ）。

4.混凝土在重复荷载作用下的变形性能

对混凝土棱柱体试件加载，当压应力达到某一数值时（一般不超过0.5 ），卸载至零，如此重复循环加载卸载，称为多次重复加载。经过多次重复循环后变形曲线趋于一条倾斜的直线。如果施加的重复应力高于某一应力值，随着重复次数的增加，其加荷段的应力—应变曲线由凸向应力轴到直线再到凸向应变轴，。当重复到某一次数时，混凝土因严重开裂或变形过大而破坏，这一现象称为“疲劳破坏”。

通常取加载应力0.5 并能使试件循环次数不低于二百万次时发生破坏的压应力值作为混凝土疲劳抗压强度的计算指标，以 表示。

5.混凝土在长期持续荷载作用下的变形----徐变

混凝土在长期荷载作用下，应力即使不变，变形也会随时间增长而增长，这一现象称为混凝土的徐变。

关于徐变产生的原因：一是混凝土中的水泥凝胶体在荷载作用下产生粘性流动，并把它所承受的压应力逐渐传递给骨料颗粒，使骨料压应力增大，试件变形也随之增大；二是混凝土内部的微裂缝在荷载长期作用下不断发展和增加，也使变形增大。当应力不大时，徐变的发展以第一种原因为主；当应力较大时，则以第二种原因为主。

徐变的特点：混凝土的徐变开始增长较快，以后逐渐减慢，通常在最初六个月内可完成最终徐变量的70～80%，第一年内可完成90%左右，其余部分在以后几年内逐渐完成，经过2～5年可认为徐变基本结束。

影响混凝土徐变的因素：混凝土的压应力越大，徐变也越大；加荷时混凝土的龄期越短，徐变也越大。另外，水泥用量越多，徐变越大；水灰比越大，徐变也越大；混凝土养护时相对湿度高，徐变会显著减少，在加载前混凝土采用低压蒸汽养护可使徐变减少。

徐变对结构的影响：①使变形增大；②使构件中产生内力重分布现象。如钢筋混凝土受压短柱，荷载开始作用时，钢筋和混凝土的压应力是按弹性变形分配的，随着时间的增长，由于徐变的作用，混凝土压应力减少，钢筋的压应力增加，配筋量越大内力重分布现象越明显。③引起预应力构件中预应力损失。这些影响不可忽略，《规范》中不少规定都考虑了这种影响。

6.混凝土的收缩和膨胀变形

混凝土在空气中硬结时体积减小的现象称为收缩。当混凝土在水中硬结时体积略有膨胀。一般来说，混凝土的收缩值比膨胀值大得多。

引起混凝土收缩的原因：一是在硬化初期，水泥与水的水化作用形成一种水泥晶体，而这种水泥晶体化合物较原材料的体积小，宏观上引起混凝土的收缩，我们把这种收缩称为凝缩；另一原因是后期混凝土内自由水分的蒸发而引起的干缩。

混凝土的收缩变形随时间而增长，初期发展较快，二周可完成全部收缩量的25%，一个月约可完成50%，三个月后增长缓慢，一般两年后趋于稳定。

收缩对钢筋混凝土构件的也有不利的影响：对一般构件来说，当混凝土不能自由收缩时，会在混凝土内产生拉应力，甚至产生收缩裂缝。因此，应采取措施减少混凝土的收缩，其办法有：

（1）加强养护。在养护期内使混凝土保持潮湿环境。

（2）减小水灰比。水灰比越大，混凝上收缩量也越大。

（3）减小水泥用量。水泥含量减少，骨料含量相对增加，骨料的体积稳定性比水泥浆好 可减少混凝土的收缩。

（4）加强施工振捣，提高混凝土的密实性。混凝土内部孔隙愈少，收缩量也就愈小。

第三节 钢筋与混凝土之间的粘结

一、粘结的概念

所谓粘结应力是分布在钢筋与混凝土接触面上产生的剪应力，它在钢筋与周围混凝土之间起传递应力的作用，由于构件内粘结应力的存在，能阻止钢筋与混凝土之间的相对滑动，使钢筋与混凝土能共同参与受力工作。

钢筋混凝土构件中的粘结应力分类：一是锚固粘结应力；二是裂缝附近的局部粘结应力，。

钢筋与混凝土之间的粘结力的组成：

(1)化学胶结力：混凝土在结硬过程中因水化作用，在水泥胶体与钢筋间产生胶结力作用。混凝土的强度等级越高，胶结力也越高。

(2)摩擦力：由于混凝土结硬时体积收缩，将钢筋裹紧，当钢筋和混凝土之间出现相对滑动的趋势，则此接触面上将产生摩擦力。

(3)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而形成的挤压力。

二、粘结破坏的过程

对于光面钢筋，当外力较小时，钢筋与混凝土表面的粘结力以化学胶结力为主，两者接触面无相对滑移。随着外力的加大，胶结力被破坏，钢筋与混凝土之间有明显的相对滑移，这时粘结力主要是钢筋与混凝土之间的摩擦力。

对于变形钢筋来说，粘结力主要是摩擦力和机械咬合力。钢筋表面凸出的肋与混凝土之间形成楔的作用。其径向分力使混凝土环向受拉，而水平分力和摩擦力一起构成了粘结力

影响粘结力的主要因素有：

（1）混凝土强度越高，钢筋与混凝土之间的粘结力也越高。

（2）混凝土保护层越薄，相应的粘结力也降低。

（3）钢筋的外形特征越粗糙，粘结力越大。

（4）粘结力还与配箍情况、混凝土浇筑状况以及锚固受力情况等有关。

三、粘结的应用

为了保证钢筋与混凝土能共同工作，两者之间应有足够的粘结力。由于粘结破坏机理复杂，影响粘结力的因素很多，工程结构中的粘结受力多样性，目前尚无比较完整的粘结力计算理论。《规范》采用不计算而用构造措施来保证钢筋与混凝土粘结力的方法。

保证粘结的构造措施有以下几个方面：

（1）对于不同等级的钢筋和混凝土，要保证最小的搭接长度和锚固长度；

（2）为保证钢筋与混凝土有足够的粘结，必须满足钢筋最小间距和混凝土保护层最小厚度的要求；

（3）在钢筋的搭接范围内应加密箍筋；

（4）为保证足够的粘结，在钢筋末端应设置弯钩等措施。

钢筋的力学性能屈服强度抗拉强度