第三章钢筋混凝土材料力学性能[1]

第三章钢筋混凝土材料的力学性能3.1混凝土的力学性能3.1.1混凝土的组成结构混凝土是用水泥、砂、石和水等原料经搅拌后入模浇筑并养护硬化后形成的人工石材。混凝土的性能主要取决于水灰比、搅拌程度、浇筑的密实性等有关。混凝土在凝结硬化过程中，水泥和水形成的水泥胶块有水泥结晶体和水泥胶凝体，其中水泥结晶体和砂石骨料组成混凝土的弹性骨架，主要承受外力作用，并使混凝土产生一定的弹性变形，水泥胶凝体起着调整和扩散混凝土应力的作用，并使混凝土具有相当的塑性变形。一、混凝土立方体抗压强度fcu,k以边长为150mm的立方体在20±3˚C的温度和相对湿度在90%以上的潮湿空气中养护28天后，依照标准试验方法（加荷速度：0.3N/m2·S～0.5N/m2·S，试件承压面不涂润滑剂，全截面受压）测得的具有95%保证率的抗压强度（以N/m2）作为混凝土的强度等级，并用符号C表示。混凝土的强度等级一般可划分为：C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75、C80。3.1.2单轴向应力状态下的混凝土强度《混凝土结构设计规范》规定：1.素混凝土结构的混凝土强度等级不应低于C15；2。钢筋混凝土结构中的混凝土强度等级不应低于C20.3.当采用强度等级400MPa及以上钢筋时，混凝土强度等级不宜低于C25.4.预应力混凝土结构的混凝土强度等级不易低于C40，且不应低于C30.5.承受重复荷载的构件，混凝土强度等级不宜低于C30。混凝土立方体抗压强度的影响因素⑴试验方法见图3－1⑵加载速度加载速度越快,立方体抗压强度越大。⑶成型后龄期随龄期逐渐增长。⑷尺寸尺寸越大，立方体抗压强度越小。⑸加载方式局部加载立方体抗压强度提高。图3-1混凝土立方体的破坏情况“箍套”作用三、混凝土轴心抗拉强度ftk混凝土的抗拉强度比抗压强度低得多,一般只有抗压强度的1/18—1/9,一般只在研究抗裂性时使用。混凝土的轴心抗拉强度可通过拉伸试验或劈裂试验获得。245.055.0,645.11395.088.0kcutkff3.1.4混凝土的变形混凝土的变形分为两类：受力变形：一次短期荷载下的变形、长期荷载下的变形、多次重复荷载下的变形体积变形：收缩、膨胀、温度变化而产生的变形三、混凝土的徐变在荷载保持不变的情况下随时间而增长的变形。•原因之一，尚未转化的水泥胶凝体的粘性流动•原因之二，混凝土内部微裂缝的不断发展四、混凝土的收缩与膨胀混凝土在水中或处于饱和湿度情况下结硬时体积增大的现象称为膨胀。混凝土在空气中结硬时体积减小的现象称为收缩。混凝土膨胀往往对结构有利一般不予考虑，混凝土收缩对结构不利。3.2钢筋的力学性能3.2.1钢筋的种类⑴按化学成分碳素钢（铁、碳、硅、锰、硫、磷等元素）低碳钢（含碳量0.25%）中碳钢（含碳量0.25～0.6%）高碳钢（含碳量0.6～1.4%）普通低合金钢（另加硅、锰、钛、钒、铬等）硅系硅钒系硅钛系硅锰系硅铬系1.HPB300---A（一级钢）热轧光圆钢筋强度级别300MPa2.HRB335---B（二级钢）热轧带肋钢筋强度级别335MPa3.HRBF335---BF（二级钢）细晶粒热轧带肋钢筋强度级别335MPa4.HRB400---C（三级钢）热轧带肋钢筋强度级别400MPa5.HRBF400---CF（三级钢）细晶粒热轧带肋钢筋强度级别400MPa6.RRB400---CR（三级钢）余热处理带肋钢筋强度级别400MPa7.HRB400E---（三级钢）有较高抗震性能的普通热轧带肋钢筋强度级别400MPa混凝土结构的钢筋应按下列规定选用：1.纵向受力普通钢筋宜采用HRB400、HRB500、HRBF400、HRBF500钢筋，也可采用HPB300、HRB335、HRBF335、RRB400钢筋；2.梁、柱纵向受力普通钢筋应采用HRB400、HRB500、HRBF400、HRBF500钢筋；3、箍筋宜采用HRB400、HRBF400、HPB300、HRB500、HRBF500钢筋，也可采用HRB335、HRBF335钢筋4.预应力筋宜采用预应力钢丝、钢绞线和预应力螺纹钢筋。普通钢筋：淘汰低强235MPa钢筋，以300MPa光圆钢筋替代；增加高强500MPa钢筋；限制并准备淘汰335MPa钢筋，最终形成300、400、500MPa的强度梯次，与国际接轨。3.2.2钢筋的强度和变形钢筋的应力-应变关系◆有明显屈服点的钢筋sefufyaa’bcdefa为比例极限s=Eseb为屈服上限c为屈服下限，即屈服强度fycd为屈服平台de为强化阶段e为极限抗拉强度fuef为颈缩阶段◆无明显屈服点的钢筋a0.2%s0.2fua点：比例极限，约为0.65fua点前：应力-应变关系为线弹性a点后：应力-应变关系为非线性，有一定塑性变形，且没有明显的屈服点强度设计指标——条件屈服点残余应变为0.2%所对应的应力《规范》取s0.2=0.85fu质量检验指标：屈服强度：是钢筋强度的设计依据，因为钢筋屈服后将很大的塑性变形，且卸载时这部分变形不可恢复，这会使钢筋混凝土构件产生很大的变形和不可闭合的裂缝。屈服上限与加载速度有关，不太稳定，一般取屈服下限作为屈服强度。屈强比：反映钢筋的强度储备，fy/fu=0.6~0.7伸长率：钢筋拉断时的应变，是反映钢筋塑性性能的指标。伸长率大的钢筋，在拉断前有足够预兆，延性较好。冷弯性能：反映钢筋内在质量。对于有明显屈服平台的钢筋质量检验指标是四个，对于无明显屈服平台的钢筋质量检验指标有三个：条件屈服强度、伸长率和冷弯性能。3.2.5混凝土结构对钢筋的要求•强度要求：屈服强度和极限强度，抗震设计时还要求有一定的屈强比•塑性要求：伸长率和冷弯要求•可焊性•耐久性•与混凝土的粘结性3.3混凝土与钢筋的粘结3.3.1粘结的意义钢筋与混凝土之间的粘结是这两种材料共同工作的保证，使之能共同承受外力、共同变形、抵抗相互之间的滑移。粘结力的定义——若钢筋和混凝土有相对变形（滑移），就会在钢筋和混凝土交界面上产生沿钢筋轴线方向的相互作用力，这种力称为钢筋与混凝土的粘结力。粘结应力的分类PP两种粘结作用T保证钢筋和混凝土共同工作锚固粘结应力裂缝间局部粘结应力改善钢筋混凝土的耗能性能3.3.2粘结力的组成⑴化学胶结力：混凝土凝结时，由于水泥的水化作用在钢筋与混凝土接触面上产生的化学吸附作用力。⑵摩擦力：混凝土收缩后将钢筋紧紧地握裹住而产生的力。⑶机械咬合力：钢筋表面凹凸不平与混凝土产生的机械咬合作用而产生的力。变形钢筋的粘结力主要来自机械咬合力，光圆钢筋的粘结力主要来化学胶结力和摩擦力。3.3.3影响粘结强度的因素混凝土强度混凝土保护层厚度和钢筋净距横向配筋及侧向压力钢筋表面形状浇注混凝土时钢筋的位置等3.3.4钢筋的锚固和连接一、受拉钢筋的锚固当计算中充分利用钢筋的强度时，纵向钢筋的锚固长度按下式计算：yatfldfd式中：—钢筋的公称直径；—钢筋的外形系数，按表3.1取用。表3.1钢筋的外形系数α钢筋类型光面钢筋带肋钢筋刻痕钢筋螺旋肋钢筋3股钢绞线7股钢绞线α0.160.140.190.130.160.17受拉钢筋的锚固长度应按下述规定进行修正，但纵向受拉钢筋的锚固长度在考虑修正后不应小于上述公式计算的锚固长度的0.7倍，且不应小于250mm。①当HRB335、HRB400和RRB400级钢筋的直径大于25mm时，按上述公式计算的锚固长度应乘以修正系数1.1。②HRB335、HRB400和RRB400级环氧树脂涂层钢筋，其锚固长度应乘以修正系数1.25。③当钢筋在混凝土施工过程中易受扰动（如滑膜施工）时，其锚固长度应乘以修正系数1.1。④当HRB335、HRB400和RRB400级钢筋在锚固区的混凝土保护层厚度大于钢筋直径的3倍且配有箍筋时，其锚固长度乘以修正系数0.8。⑤除构造需要的锚固长度外，当纵向受力钢筋的实际配筋面积大于计算配筋面积时，如有充分依据和可靠措施，其锚固长度可乘以设计计算面积与实际配筋面积的比值。但对有抗震设防要求及直接承受动力荷载的结构构件，不得采用此项修正。为了减少锚固长度，可在受拉钢筋末端采用机械锚固措施。当HRB335级、HRB400级和RRB400级纵向受拉钢筋末端采用机械锚固措施时，包括附加锚固端头在内的锚固长度可取锚固长度的0.7倍。al在锚固长度内箍筋根数不应小于3个，其直径不得小于锚固钢筋直径的0.25倍，间距不应大于锚固直径的5倍，但锚固钢筋的混凝土保护层厚度不小于钢筋公称直径的5倍时，可不配上述箍筋。二、受压钢筋锚固当计算中充分利用纵向钢筋的抗压强度时，其锚固长度不应小于受拉锚固长度的0.7倍。机械锚固措施不得用于受压钢筋。三、钢筋的连接钢筋的连接有绑扎搭接，机械连接或焊接。①绑扎搭接受拉钢筋的搭接长度应根据位于同一连接范围内的搭接钢筋面积百分率计算，且不得小于300mm。受压钢筋的搭接长度取受拉搭接长度的0.7倍，且在任何情况下都不应小于200mm。②机械连接或焊接是混凝土中钢筋连接的主要方式。