第2章 钢筋和混凝土的力学性能

第2章钢筋和混凝土的力学性能第一节：钢筋第二节：混凝土第三节：钢筋与混凝土的粘结§2．1钢筋钢筋在钢筋混凝土和预应力混凝土结构中采用的棒状或丝状钢材，是钢筋混凝土结构和预应力混凝土结构中主要用于受拉的材料。目前我国用于钢筋混凝土结构和预应力混凝土结构的钢筋主要品种有钢筋、钢丝和钢绞线。钢筋主要品种钢筋钢筋钢丝钢绞线钢筋的分类按化学成分碳素钢普通低合金钢锰系硅矾系低碳钢中碳钢高碳钢硅钛系硅锰系硅铬系C0.25%C=0.25%～0.6%C=0.6%～1.4%有无物理屈服点有无钢绞线钢筋钢丝热轧钢筋软钢软钢冷加工钢筋轧制和加工工艺HPB300HRB335HRB400RRB400《混凝土结构设计规范》未列入热处理钢筋和冷加工钢筋。冷拉钢筋冷拨钢丝冷轧带肋钢筋冷轧扭钢筋钢筋的分类热处理钢筋热轧钢筋钢筋混凝土结构中的钢筋和预应力混凝土结构中的非预应力普通钢筋。热轧光面钢筋HPB300，用于钢筋混凝土板和小型构件的受力钢筋以及各种构件的构造钢筋。热轧带肋钢筋HRB335，用于大中型钢筋混凝土结构构件的受力钢筋和构造钢筋以及预应力混凝土结构构件中的非预应力钢筋。热轧钢筋热轧带肋钢筋HRB400，用于大中型钢筋混凝土结构和高强混凝土结构构件的受力钢筋。余热处理钢筋RRB400。热处理钢筋又称调质钢筋，是用中碳低合金带肋钢筋通过加热、淬火和回火等调质工艺处理的钢筋。热处理后，钢筋强度能得到较大幅度提高，塑性降低不多。热处理钢筋是硬钢，其应力应变曲线没有明显的屈服点，伸长率小，质地硬脆。热处理钢筋冷加工钢筋是指在常温下采用冷加工工艺对热轧钢筋进行加工得到的钢筋。以强度较低的钢筋盘条经冷拨、冷拉、冷轧、冷扭后截面缩小、外形改变而形成的冷拉钢筋、冷拨钢丝、冷轧带肋钢筋、冷轧扭钢筋统称为冷加工钢筋。《混凝土结构设计规范》中未列入各类冷加工钢筋（冷拉、冷拔、冷轧、冷扭），采用冷加工钢筋时，应当执行相应的行业技术规程。冷加工钢筋冷拉钢筋冷拉钢筋由热轧钢筋在常温下经机械拉伸而成，冷拉应力值应超过钢筋的屈服强度。冷拉钢筋有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个级别。钢筋经冷拉后，抗拉屈服强度提高，但塑性降低，这种现象称为冷拉强化。冷拉后，经过一段时间钢筋的屈服点比原来的屈服点有所提高，这种现象称为时效硬化。冷拔钢筋冷拔钢丝是将钢筋用强力拔过比它本身直径还小的硬质合金拔丝模而成的钢丝。分为甲级和乙级两个级别。可提高钢筋的抗拉强度和抗压强度，但塑性降低很多，冷拔低碳钢丝的延性较差，且表面光滑，与混凝土粘结性差。冷轧带肋钢筋是以普通低碳钢、优质碳素钢或低合金钢热轧圆盘条为母材，在表面冷轧成具有三面或两面月牙形横肋的钢筋，分为五个级别（CRB550、CRB650、CRB800、CRB970和CRB1170），极限强度与冷拔低碳钢丝相近，但伸长率比冷拔低碳钢丝有明显提高。冷轧带肋钢筋冷轧扭钢筋是以热轧光面钢筋为原材料，在常温下按规定的工艺参数，经钢筋冷轧扭机一次加工，轧扁扭曲呈连续螺旋状的冷强化钢筋，有矩形、菱形和螺旋肋几种。冷轧扭钢筋钢筋形式钢筋的形式分为柔性钢筋和劲性钢筋。普通钢筋可作为钢筋混凝土结构各种构件的受力钢筋和构造钢筋以及预应力混凝土结构构件的非预应力钢筋。劲性钢筋是指各种型钢、钢轨或者用型钢与钢筋焊成的骨架。普通钢筋普通钢筋有光面钢筋和变形钢筋两种。HPB300钢筋是光面钢筋，HRB335、HRB400、RRB400钢筋是带肋变形钢筋。光面钢筋螺纹钢筋人字纹钢筋月牙纹钢筋常见的劲性钢筋混凝土结构为型钢钢筋混凝土结构，型钢钢筋混凝土结构是以型钢周围配置钢筋并浇注混凝土的埋入式组合构件作为柱、梁、板、壳的结构。内埋的钢骨架使构件承载力大为提高，且具有较大的延性，抗震性能好；此外，型钢骨架在施工阶段可作为支架结构。劲性钢筋由于外包混凝土的约束，可以防止钢构件的局部失稳并提高构件的整体刚度，从而使钢材的强度得到充分利用，节省钢材；外包混凝土还能提高构件的耐火性及耐久性。预应力钢筋必须采用高强度材料，可分为高强度钢筋、预应力钢丝和钢绞线。高强度钢筋分为冷拉热轧低合金钢筋和热处理低合金钢筋。预应力钢丝是以优质高碳钢盘条经等温淬火再拉拔而成的钢丝。预应力钢筋《规范》的预应力钢丝是采用消除应力的矫直回火钢丝，预应力钢丝经过矫直回火后，可消除钢丝冷拔中产生的残余应力，提高钢丝的比例极限、屈服强度和弹性模量，并改善塑性。消除应力钢丝按外形分为光面钢丝、刻痕钢丝和螺旋肋钢丝等。钢绞线是用一种稍粗的直钢丝为中心，其余钢丝围绕其进行螺旋状绞合，再经低温回火处理。预应力混凝土钢绞线规格有2股、3股、7股等，常用的是3股、7股钢绞线。刻痕钢丝螺旋肋钢丝钢筋的力学性能1）弹性阶段2）屈服阶段3）强化阶段4）破坏阶段有物理屈服点的钢筋应力应变曲线颈缩图弹性阶段A点以前应力应变呈直线关系，故A点对应的应力称为比例极限。钢筋的弹性模量是根据拉伸实验中测得弹性阶段的应力应变关系确定的。弹性模量是弹性段应力应变的比值,OA直线的斜率。钢筋的受压弹性模量与受拉时相同。进入屈服阶段B上B段，应力应变不再成正比例关系，屈服阶段B上B段呈锯齿形，应力在一个很小范围内波动，应变却自动增长，犹如停止了对外力的抵抗，或者说屈服于外力，所以叫做屈服阶段。B上B段称为流幅或屈服平台。钢筋到达屈服阶段时，虽尚未断裂，但一般已不能满足结构的设计要求，所以设计时是以这一阶段的应力值为依据，为了安全起见，取其下限值B下，屈服下限也叫屈服强度或屈服点σy。屈服阶段在应力超过B点后，钢筋进入强化阶段，钢筋的应力重新开始增长，应力应变曲线的斜率变得远比弹性阶段小，而且随着应力的增长越来越小，这种塑性变形可一直延续到最高点C，称为强化阶段BC。对应的最高点C的应力为抗拉强度σb。强化阶段当试件强度达到C点后，在试件内部某个薄弱部位的截面将突然急剧缩小，发生局部颈缩现象。出现颈缩现象后，应力是逐渐降低的，至D点试件在颈缩处被拉断，D点对应的应变称为钢筋的极限应变。破坏阶段有物理屈服点的钢筋有两个强度指标B下点的屈服强度：这是钢筋混凝土构件设计时钢筋强度取值的依据，因为钢筋屈服后产生了较大的塑性变形，这将使构件变形和裂缝宽度大大增加以致无法使用，所以在设计中采用屈服强度作为钢筋的强度极限。C点的钢筋极限强度：一般用作钢筋的实际破坏强度。有物理屈服点的钢筋应力应变力学模型应力应变曲线sssEysysfys无物理屈服点的钢筋极限抗拉强度的0.65倍之前达到比例极限点。屈服强度取残余应变为0.2%所对应的应力σ0.2《规范》统一取σ0.2=0.85σb，其中σb为无物理屈服点的钢筋的极限抗拉强度。应力应变曲线无物理屈服点的钢筋应力应变力学模型一般采用Ramberg-Osgood模型sssE/es0nepespssseE)]/()[(/pse钢筋的塑性性能钢筋的延伸率是指钢筋试件上标距为10d、5d(d为钢筋的试件直径)或100mm范围内的极限伸长率，记为δ10、δ5和δ100。钢筋的塑性指标主要有两个：延伸率和冷弯性能。这两个指标反映了钢筋的塑性性能和变形能力。(1)延伸率延伸率反映了钢筋拉断前的变形能力，它是衡量钢筋塑性性能的一个指标，含碳量越低的钢筋，屈服台阶越长，延伸率也越大，塑性性能越好。均匀伸长率δgt由非颈缩断口区域标距的残余应变εr与恢复的弹性应变εe组成。均匀伸长率sbgtElll00'冷弯性能是将钢筋围绕某个规定的直径D(D规定为1d,2d,3d等)的辊轴弯曲成一定的角度（90°或180°），弯曲后的钢筋应无裂纹或断裂现象。Ddα图2-6钢筋的冷弯(2)延伸率钢辊的直径越小，弯转角度越大，钢筋的冷弯性能就越好，冷弯是反映钢筋塑性性能的另一项指标，它与延伸率对钢筋塑性的标志是一致的。钢筋的松弛钢筋受力后，长度保持不变，钢筋应力随时间增长而降低的现象称为松弛。钢筋的包兴格效应当受拉（或受压）超过弹性极限而产生塑性变形后，其反向受压（或受拉）的弹性极限将显著降低的软化现象，称为包兴格效应。钢筋的疲劳性能1.钢筋的疲劳破坏是指钢筋在承受重复、周期动荷载作用下，一定次数后，钢材发生脆性的突然断裂破坏。2.钢筋的疲劳强度是指在某一规定应力变化幅度内，经受一定次数循环荷载后，才发生疲劳破坏的最大应力值。3.影响钢筋疲劳强度的因素:如应力变化幅度，最小应力大小，钢筋外表面的几何形状、钢筋直径、钢筋等级等。4.《混凝土结构设计规范》(GB50010)钢筋在不同的应力比值ρsf=σfmin/σfmax(重复荷载作用下载面同一纤维上最小应力和最大应力的比值)时，疲劳强度设计值。设计对钢筋性能的要求热轧钢筋的强度标准值根据屈服强度确定钢筋的强度标准值fyfyykf645.1钢筋的强度标准值预应力钢筋的强度标准值钢筋的抗拉强度设计值是钢筋的强度标准值除以钢筋的材料分项系数。钢筋的强度设计值sykyff/钢筋的强度设计值预应力钢筋的强度设计值钢筋的弹性模量钢筋有两大强度指标，一是钢筋的屈服强度（或条件屈服强度），是构件承载力计算的主要依据，屈服强度高则材料用量省；另一个是钢筋的极限抗拉强度。(2)钢筋的强度屈服强度与极限抗拉强度之比称为屈强比，代表了钢筋的强度储备，也在一定程度上代表了结构的强度储备。屈强比愈小，钢材在超过屈服点以后的强度储备能力愈大，安全性愈高；屈强比大，钢材的利用率提高，但其安全可靠性降低。对于抗震结构，为了满足抗震要求，对钢筋的抗拉强度实测值与屈服强度实测值不应小于1.25。钢筋混凝土结构对钢筋性能的要求1、强度的要求和适当的屈服比----它代表了钢筋的强度储备。2、足够的塑性----要求钢筋混凝土结构承载能力极限状态为具有明显预兆的塑性破坏。3、可焊性----焊接后不应产生裂纹及过大的变形，以保证焊接接头性能良好。4、与混凝土具有良好的粘结§2．2混凝土混凝土是由水泥、砂子和石子三种材料及水按一定配合比拌合，经过凝固硬化后做成的人工石材；它是一种各组份具有不同性质的多相复合材料。主要讲述混凝土的组成结构、混凝土的单轴受力强度、混凝土的复合受力强度、混凝土的变形和混凝土设计强度等级的选用原则等内容。微观结构亚微观结构宏观结构水泥石结构水泥砂浆结构砂浆粗骨料体系混凝土组成结构1.水泥凝胶2.晶体骨架3.未水化完的水泥颗粒4.凝胶孔1.水泥石为基相2.砂子为分散相水泥看作是基相，粗骨料分布在砂浆中，砂浆与粗骨料的结合面是薄弱面。由水泥、砂子和石子三种材料及水按一定配合比拌合，经过凝固硬化后做成的人工石材混凝土受压破坏机理可概括为：随着应力的增大，沿粗骨料界面和砂浆内部的微裂缝逐渐延伸和扩展，导致砂浆的损伤不断积累；裂缝贯通后，混凝土的连续性遭到破坏，逐渐丧失其承载力，破坏的实质是由连续材料逐步变成不连续材料的过程。混凝土的单轴受力强度立方体抗压强度《普通混凝土力学性能试验方法标准》规定：边长为150mm的标准立方体试件在标准条件（温度20±3℃，相对湿度≥90%）下养护28天后，以标准试验方法(中心加载，加载速度为0.3~1.0N/mm2·s)，试件上、下表面不涂润滑剂，连续加载直至试件破坏，测得混凝土抗压强度为混凝土标准立方体的抗压强度fcc，单位N/mm2。AFfcc1、试验的方法----试件两端因受承受钢板与试件端面间横向摩擦力的作用，膨胀受到约束限制的程度随离端部的距离而逐渐减小，致使裂缝大可能沿加载方向上下延伸发展，而是成斜向随荷载增长，最终形成角锥面破坏。2、尺寸影响----混凝土立方体试块尺寸愈大，实测破坏强度愈低，反之愈高，这种现象称为尺寸效应。3、加载速度----加载速度过快，强度较高。反之，加载速度过慢，则强度有所降低。4、龄期----在一定的温度和湿度条件下，混凝土的强度开始增长较快，后来逐渐减慢。用边长为150mm的标准立方体试块在标准条件下养护28天后，在压力机上以标准试验方法，试件上、下表面不涂润滑剂，测得的破坏时的平均压力作为混凝土的立方体抗压强度，混凝土的立方体抗压强度标准值指按上述规定所测得的具有95%