混凝土结构材料的力学性能

第一章混凝土结构材料的力学性能一、钢筋的品种、等级我国在钢筋混凝土结构中目前通用的为普通钢筋，按化学成分的不同，分有碳素结构钢和普通低合金钢两类。按照我国《混凝土结构设计规范》（GB50010—2002）的规定，在钢筋混凝土结构中所用的国产普通钢筋有以下四种级别：（1）HPB235（Q235）：即热轧光面钢筋（HotrolledPlainSteelbars）235级；（2）HRB335（20MnSi）：即热轧带肋钢筋（HotrolledRibbedSteelbars）335级；（3）HRB400（20MnSiV、20MnSiNb、20MnTi）：即热轧带肋钢筋（HotrolledRibbedSteelbars）400级；（4）RRB400（K20MnSi）：即余热处理钢筋（RemainedheattreatmentRibbedSteelbars）400级。在上述四种级别钢筋中，除HPB235级为光面钢筋外，其他三级为带肋钢筋。目前我国生产的上述普通钢筋，其性能和使用特点为：1．HPB235级钢筋是一种低碳钢（通称I级钢筋）。强度较低，外形光圆钢筋（图1-1），它与混凝土的粘结强度较低，主要用作板的受力钢筋、箍筋以及构造钢筋。2．HRB335级钢筋低合金钢（通称Ⅱ级钢筋）。为增加钢筋与混凝土之间的粘结力，表面轧制成外形为等高肋（螺纹），现在生产的外形均为月牙肋（图1-1）。是我国钢筋混凝土结构构件钢筋用材最主要品种之一。3．HRB400级钢筋低合金钢（通称新Ⅲ级钢筋），外形为月牙肋，表面有“3”的标志，有足够的塑性和良好的焊接性能，主要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，是我国今后钢筋混凝土结构构件受力钢筋用材最主要品种之一。4．RRB400级钢筋是用HRB335级钢筋（即20MnSi）经热轧后，余热处理的钢筋。这种钢筋强度较高，有足够塑性和韧性，但当采用闪光对焊时，强度有不同程度的降低，即塑性和可焊性较差，使用时应加以注意。这种钢筋一般经冷拉后作预应力钢筋。图1-1钢筋的形式二、钢筋的强度和变形混凝土结构所用的钢筋有两类：有物理屈服点的钢筋和无物理屈服点的钢筋。1．钢筋的应力－应变曲线在钢筋混凝土构件计算中，一般取钢筋的屈服强度作为强度计算指标。无明显屈服点的钢筋的典型应力－应变曲线如图1-2b所示。由图可见，它没有明显的屈服平台，其强度很高，但延伸率大为降低，塑性性能减弱。设计上取相应于残余应变为0.2%的应力为名义屈服强度0.2。图1-2c为各级钢筋的应力－应变曲线。图中可以看出，普通钢筋应力－应变曲线都有明显的屈服点，这种钢筋即为低碳钢，亦称软钢。没有明显屈服点的热处理钢筋和钢丝，称为硬钢。钢筋在弹性阶段应力与应变的比值，称为弹性模量，用sE表示：图1-2a有明显屈服点钢筋的应力-应变图1-2b没有明显屈服点钢筋曲线的应力-应变曲线sssE（0.1）各种钢筋的弹性模量见附表3。2．钢筋的塑性性能反映钢筋的塑性性能的基本指标是钢筋的伸长率和冷弯性能。钢筋试件拉断后的伸长值与原长的比值称为伸长率。伸长率大，钢筋的塑性性能好，破坏时有明显的拉断预兆；钢筋的弯曲性能好，构件破坏时不致发生脆断。因此，对钢筋品种的选择，应考虑强度和塑性两方面的要求。钢筋的冷加工为了节约钢材，在常温下对有明显屈服点的钢筋（软钢）进行机械冷加工，可以使钢材内部组织结构发生变化，从而提高钢材的强度，但其塑性有所降低。当用冷拉钢筋作受压钢筋时，其屈服强度与母材相同。冷拔是将钢筋（盘条）用强力拔过比它本身直径还小的硬质合金拔丝模，这是钢筋同时受到纵向拉力和横向压力的作用以提高其强度的一种加工方法。钢筋经多次冷拔后，截面变小而长度增长，强度比原来提高．很多，但塑性降低，硬度提高，冷拔后钢丝的抗压强度也获得提高。三、混凝土结构对钢筋性能的要求用于混凝土结构中的钢筋，一般应能满足下列要求：1．具有适当的屈强比。屈服强度与抗拉强度的比值称为屈强比，它可以代表结构的强度储备，比值小则结构的强度后备大，但比值太小则钢筋强度的有效利用率太低，所以要选择适当的屈强比。2．足够的塑性。在混凝土结构中，要求钢筋断裂时要有足够的变形，这样，结构在破坏之前就能显示出预警信号，保证安全。另外在施工时，钢筋要经受各种加工，所以钢筋要保证冷弯试验的要求。屈服强度、抗拉强度、伸长率和冷弯性能是钢筋的强度和变形的四项主要指标。3．可焊性。要求钢筋具备良好的焊接性能，保证焊接强度，焊接后钢筋不产生裂纹及过大的变形。4．低温性能。在寒冷地区要求钢筋具备抗低温性能，以防钢筋低温冷脆而致破坏。5．与混凝土要有良好的粘结力。粘结力是钢筋与混凝土得以共同工作的基础，在钢筋表面上加以刻痕、或制成各种纹形，都有助于或大大提高粘结力。钢筋混凝土结构对钢筋性能的要求，概括地说，即要求强度高，塑性及焊接性能好。此外，还要求和混凝土有良好的粘结性能。图1-3钢筋的冷弯四、混凝土的强度1．立方体抗压强度cuf我国《混凝土结构设计规范》（GB50010）采用按标准方法制作养护的边长为150mm的立方体试块，在28天龄期，用标准实验方法测得的具有95%保证率的抗压强度作为立方体抗压强度标准值，以,cukf表示。在工程实际中，不同类型的构件和结构对混凝土强度的要求是不同的。我国《规范》将混凝土的强度按照其立方体抗压强度标准值的大小划分为十四个强度等级，即C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75、C80。十四个等级中的数字部分即表示以N/mm2为单位的立方体抗压强度数值。2．轴心抗压强度kcf,在工程中，钢筋混凝土受压构件的尺寸，往往是高度h比截面的边长b大很多，形成棱柱体，用棱柱体试件测得的抗压强度称为轴心抗压强度。3．轴心抗拉强度ktf,混凝土的抗拉强度很低，与立方抗压强度之间为非线性关系,一般只有其立方抗压强度的1/17～1/8。4．复合应力状态下混凝土的强度在双向拉应力作用下，混凝土强度与单向拉应力作用下的几乎相同。在双向压应力作用下，混凝土强度比单向受压强度最多可提高27%左右，在拉、压双向应力作用下，无论是抗拉强度还是抗压强度都比单向应力状态下混凝土强度为低。在三向压应力状态下，可提高混凝土的抗压强度。利用这一特性，工程中应用了约束混凝土，如螺旋钢箍柱、钢管混凝土柱等。五、混凝土的变形混凝土的变形可分为两类。一类是在荷载作用下的受力变形，如单调短期加荷、多次重复加荷以及荷载长期作用下的变形。另一类与受力无关，称为体积变形，如混凝土收缩、膨胀以及由于温度变化所产生的变形等。1．混凝土在一次短期荷载下的变形根据我国试验资料，混凝土受拉时应力－应变曲线上切线的斜率与受压时基本一致。2．混凝土在多次重复荷载作用下的变形混凝土在重复荷载下的变形性能，也称为混凝土的疲劳性能。混凝土在多次重复荷载作用下的变形性能与加荷应力大小有关。混凝土发生疲劳破坏时无明显预兆，是属于脆性性质的破坏，开裂不多，但变形很大。采用级配良好的混凝土、加强振捣以提高混凝土的密实性，并注意养护，都有利于混凝土疲劳强度的提高。3．混凝土的徐变混凝土在荷载长期作用下，即使应力保持不变，应变也会随时间推移而不断增长的现象，称为混凝土的徐变。影响混凝土徐变的因素可分为：（1）内在因素：如混凝土的配合比，骨料粒径、级配等。（2）环境因素：指混凝土的养护及使用条件下的温度、湿度因素。（3）应力条件：是影响徐变的重要因素，包括施加初应力水平/cf和加荷时混凝土的龄期。混凝土的徐变，对钢筋混凝土构件的内力分布及其受力性能有所影响。4．混凝土的收缩与膨胀混凝土在空气中凝结硬化时体积会收缩；在水中凝结硬化时体积会膨胀，一般收缩值比膨胀值要大得多。减少混凝土收缩的措施有：（1）加强早期养护（2）减少水灰比（3）提高水泥标号，减少水泥用量（4）加强振捣，提高密实度（5）选择弹性模量大的硬骨料（6）在构造上预留伸缩缝，设置后浇带，配置一定数量的构造钢筋。5．混凝土的变形指标经统计分析并得出弹性模量与立方强度的关系，弹性模量的计算公式为：5210/34.72.2ccuENmmf根据弹性理论，弹性模量与剪变模量cG之间的关系为：21cccEG式中c为混凝土泊松比，我国《规范》取为0.2。这样，我国《规范》规定混凝土的剪变模量为混凝土剪切变形模量0.4ccGE。六、钢筋与混凝土的粘结1．粘结力的作用混凝土粘结硬化并达一定强度后，混凝土和钢筋之间建立了足够的粘结强度，能够承受由于钢筋与混凝土的相对变形在两者界面上所产生的相互作用力，即钢筋与混凝土按触面上的剪应力，又称为粘结应力。因此，钢筋与混凝土之间的粘结力是保证二者共同工作，阻止钢筋在混凝土中滑移所必不可少的基本条件。2．粘结力的组成钢筋与混凝土之间的粘结力，主要有以下三方面组成（1）化学胶结力。（2）摩阻力（3）机械咬合力。3、粘结强度的影响因素1．钢筋外形特征当其他条件相同时，光面钢筋的粘结强度约比带肋的变形钢筋粘结强度低20%。2．混凝土强度试验表明，当其他条件基本相同时，粘结强度u与混凝土轴心抗拉强度tf近似成正比。3．保护层厚度及钢筋净间距增大保护层厚度和保持必要的钢筋净间距，可以提高外围混凝土的劈裂抗力，保证粘结强度的发挥。4．横向钢筋在较大直径钢筋的锚固区段和搭接长度范围内，均应设置一定数量的横向钢筋，如将梁的箍筋加密等。当一排并列钢筋的根数较多时，采用附加钢箍可以增加箍筋的肢数，对控制劈裂裂缝提高粘结强度是很有效的。5．钢筋锚固区有横向压力时对粘结力的影响在较大直径钢筋的支座锚固区和搭接长度范围内，均应设置一定数量的横向钢筋。6．反复荷载对粘结力的影响反复荷载所产生的应力愈大、重复的次数愈多，则粘结力遭受的损害愈严重。7．粘结强度与浇筑混凝土时钢筋所处的位置有关。