结构材料的力学性能资料

三、钢筋与混凝土相互作用
（一）. 粘结力
胶合力
钢
筋
摩擦力
机械咬合力
主要作用
带肋钢筋的机械咬合力 > 光圆钢筋的机械咬合力 注意：钢筋表面的轻微锈蚀也增加它与混凝土的粘结力
（2）粘结应力分析 (以拉拔试验为例)
由试验可知： （1）最大粘结应力在离开端 部的某一位置出现，且随拔 出力的大小而变化，粘结应 力沿钢筋长度是曲线分布； d P （2）钢筋的埋入长度越长， 拔出力越大，但埋入长度过 大时，则其尾部的粘结应力 很小，基本不起作用； （3）粘结强度随混凝土强度 等级的提高而增大； （4）带肋钢筋的粘结强度高 于光圆钢筋，而在光圆钢筋 末端做弯钩大大提高拔出力
P
土的应变随时间继续增
长的现象被称为徐变。
二、混 凝 土
2. 混凝土的变形
长期荷载作用下混凝土的变形性能----影响徐变的因素
•应力： c<0.5fc，徐变变形与应力成正比----线性徐变 0.5fc<c<0.8fc，非线性徐变 c>0.8fc，造成混凝土破坏，不稳定 •加荷时混凝土的龄期，越早，徐变越大 •水泥用量越多，水灰比越大，徐变越大 •骨料越硬，徐变越小
解：1、直径为28mm>25mm,锚固长度需乘以修正系数取1.1；
2、 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，锚固长度需乘以修正系数取0.8；
3、实配钢筋较多，需乘以1/1.05
故：
la lab 1.1 0.8
fy ft
d
1 360 0.14 32 663m m 1.05 2.04
纵向受力钢筋为HRB400级，直径为28mm，求纵 向受拉钢筋的锚固长度。
解：由于直径为28mm>25mm,修正系数取1.1
故：
la lab
fy ft
d
360 1.1 0.14 28 908m m 1.71
例题2 某大体积混凝土结构中的受弯构件，混凝土强度等级 C65，纵向受力钢筋为HRB400级，直径为32mm，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，实配纵 向受拉钢筋的截面面积为设计计算面积的1.05倍，求纵向受拉钢 筋的锚固长度。
（1） 两者之间的粘结力 （2） 相近的温度膨胀系数 （3） 混凝土提供的碱性环境保证钢筋免受锈 蚀
一、建 筑 钢 材
4. 钢筋的选用 混凝土结构对钢筋性能的要求：





（1） 有较高的强度和适宜的屈强比。 （2） 塑性。要求有良好的塑性，使结构构件 在破坏前有明显的预兆。 （3） 钢筋与混凝土之间有良好的粘结力。 （4） 具有良好的可焊性。 （5） 在寒冷地区，钢筋的低温性能也要符合 一定要求，不宜采用冷加工钢筋，以免发生脆 性破坏。
E 10
c0 cu
2 4
6 8
(10-3)
受力过程： OA—— 弹性阶段（<0.3fc） AB—— 弹塑性阶段（裂缝稳定阶段）（=0.3fc～ 0.8fc） BC—— 裂缝不稳定阶段： （ =0.8fc ～ 1.0fc）
（3）混凝土的模量
• 抗压弹性模量（三种表示方法）
※原点弹性模量 ※切线弹性模量 ※割线弹性模量
第三章 结构材料力学性能
一、建 筑 钢 材
1. 钢筋的力学性能 应力--应变曲线
上屈服点不稳定 出现颈缩

D
B’
0.2
拉断
E C BC段为屈服平台 CD段为强化段 下屈服点
标距
A
B

0.2%

有明显流幅的钢筋
无明显流幅的钢筋
注意：达到屈服强度前，钢筋受压和受拉时的应力应变曲线几乎相同
一、建 筑 钢 材
2. 钢筋的冷加工 冷拔
将 6 ~ 8光面钢筋通过强力拔 过直径小的钨合金拔丝模孔，塑 性变形后——3，4mm钢丝。
冷拔：同时提高抗拉、抗压强度。
观察图3—5，可以看出： 经过冷拔后钢筋没有明显的 屈服点和流幅
一、建 筑 钢 材
2. 钢筋的成分、级别和品种 按加工
热轧钢筋：热轧光面钢筋（HPB--系列），热轧带肋钢筋 （HRB—系列及HRBF—系列）
fy ft
d
对不同埋置方式和构造措施的情 况还要作修正
混凝土轴心抗拉强度设计值，见附表3 对上式作修正 可得搭接长度
la lab
公式3—7b
三、钢筋与混凝土相互作用
（二）. 保证可靠粘结的措施
1.足够的锚固长度：
la lab
公式3—7b
——锚固长度修正系数
具体取值，参见课本P42
例题1 某混凝土结构中，混凝土强度等级C40，
钢筋
冷拉钢筋：由热轧钢筋在常温下用机械拉伸而成 热处理钢筋：将HRB400、RRB400钢筋通过加热、淬火、回火而成 碳素钢丝：高碳镇静钢经多次冷拔、应力消除、回火处理而成
钢丝
刻痕钢丝：在钢丝表面刻痕，以增强其与混凝土间的粘结力 钢绞线：六根相同直径的钢丝成螺旋状铰绕在一起
冷拔低碳钢丝：由低碳钢冷拔而成
l
fr
frmax
三、钢筋与混凝土相互作用
（二）. 保证可靠粘结的措施
1.足够的锚固长度： 目的：通过该长度上粘结应力的积累，使钢筋在靠 近支座处能够充分发挥作用 锚固长度la见《规范》：
钢筋的抗拉强度设计值，见附表6
lab
锚固钢筋的外形系数 光面：0.16 带肋：0.14 螺旋肋钢丝：0.13 三股钢绞线：0.16 七股钢绞线：0.17


二、混 凝 土
1. 混凝土的强度

强度是指结构材料所能承受的某种极限应力。
混凝土的强度是靠水泥的水化、硬化获得的。水
泥的水化硬化早期快、后期慢，故混凝土强度的增长 也是早期快、后期慢，但到28d龄期时强度的增长就 不明显而趋于稳定。因此，规范以28d龄期时混凝土 的强度为基准。
二、混凝土的强度和变形
二、混 凝 土

2. 混凝土的变形
（1）定义：在混凝土凝结和硬化的物理化学过程中 体积随时间推移而减小的现象称为收缩。
0.4 常温养护 蒸汽养护 0.2 0.1 0 5 10 时间 (月) 15 20
0.3
二、混 凝 土
2. 混凝土的变形
混凝土的收缩----结硬过程中混凝土体积缩小的性质
•水泥品种：等级越高，收缩越大 •水泥用量：水泥用量越多，水灰比越大，收缩越大 •骨料：骨料越硬，收缩越小 •养护条件、制作方法、使用环境、体积与表面积的比值等
σ0.2=0.85fsu
0.2%

一、建 筑 钢 材
1. 钢筋的力学性能 变形指标
A

D B’ B C E
* 伸长率：钢筋拉断后的伸长与原长
的比值

l2 l1 100% l1
0.2
* 冷弯要求：将直径为d的钢筋绕直 径为D的钢辊弯成一定的角度而不发
生断裂
0.2%

一、建 筑 钢 材
二、混 值fck （附表2）
承压板
标准试块：150×150 ×300 非标准试块：100×100 ×300 200×200 ×400 换算系数 0.95 换算系数 1.05
试 块
fck=0.88αc1αc2fcuk
考虑脆性折减系数 轴心抗压强度与立 方体抗压强度比值
2. 钢筋的冷加工 冷拉

A a’ a Z 无时效 Z’ 经时效
对热轧钢筋进行张拉，张 拉应力超过原屈服点，然后放 松，再张拉，屈服强度提高了， 但塑性降低。（伸长率降低） 冷拉：提高抗拉强度（不宜作 受压钢筋） 特性：只提高抗拉强度，不 提高抗压强度，强度提高， 塑性下降

残余变形
冷拉伸长率
一、建 筑 钢 材
二、混 凝 土
1. 混凝土的强度

混凝土是由水泥、水、粗骨料（碎石、卵石）、 细骨料（砂）等材料按一定配合比，经混合搅拌，入 模浇捣并养护硬化后形成的人工石材。 影响混凝土的强度和变形的主要因素：原材料的 性能；各组成成分的比例，尤其是水灰比的大小；施 工方法（搅拌程度、浇捣的密实性、对混凝土的养护 方法）等。 混凝土的基本强度指标有立方体抗压强度、轴心 抗压强度和轴心抗拉强度三种。
二、混 凝 土
1. 混凝土的强度
混凝土抗拉强度ftk （附表3）
混凝土的抗拉性能很差。混凝土的抗拉强度一般只 有抗压强度的1/16~1/8。
ftk=0.88×0.395αc2fcuk0.55（1-1.645δ）0.45
考虑脆性折减系数
根据试验得知，fcu、fc、ft三者之间的关系是 fcu＞fc＞ft
机 械 锚 固：
注：当采用90度弯折，弯后直段长度为12d
三、钢筋与混凝土相互作用
Ec tg0 c / e
d c Ec ' ' tg d c
c
Ec ' tg1 c / c
ce cp
B
A

0

0
1
c

二、混 凝 土
2. 混凝土的变形
混凝土的弹性模量的试验方法（150×150 × 300标准试件） 用棱柱体标准试件，将应力增加到 然后卸载至零， 在0~ 间加载5~10次，不断消除塑性变形，直至应 力-应变曲线逐渐稳定成为直线，该直线斜率即为混凝 土弹性弹性模量
1. 混凝土的强度
立方体抗压强度标准值fcuk
标准试块：150×150 ×150 非标准试块：100×100 ×100 200×200 ×200 换算系数 0.95 换算系数 1.05
•立方体抗压强度是区分混凝土强度等级的指标，我国规范混凝土的强度等 级有： •C15，C20，C25，C30，C35，C40，C45，C50，C55，C60，C65，C70， C75，C80 立方体抗压强度 表示混凝土 Concrete
c/fc
0.5
5~10次 此线和原点切线基 本平行，取其斜率 作为Ec
c
105 Ec ( N / mm 2 ) 34.74 2.2 f cuk
二、混 凝 土
2. 混凝土的变形
长期荷载作用下混凝土的变形性能----徐变 在荷载的长期作用 下，混凝土的变形将随 时间而增加，亦即在应 力不变的情况下，混凝
二、混 凝 土
2. 混凝土的变形

(MPa) 25 20 15 10 5
o
单轴受压时的应力-应变关系
C
fc
B A
D
特征值 fc ：峰值应力（轴心抗压强度） 0 ：对应于应力峰值点的应变 《规范》c0 = 0.002 cu ：最大应变（混凝土极限压应 变）《规范》cu =3.0~6.0×10-3
二、混 凝 土
3. 混凝土强度等级的选用


《混凝土结构设计规范》规定：
钢筋混凝土结构的混凝土强度等级不应低于C20； 当采用HRB400、HRBF400、 HRB500、HRBF500级 钢筋时，混凝土强度等级不宜低于C25； 承受重复荷载的构件，混凝土强度等级不得低于C30 预应力混凝土结构的混凝土强度等级不应低于C30； 素混凝土结构的强度等级不宜低于C15
1. 钢筋的力学性能 强度指标
* 明显流幅的钢筋：下屈服点对应的强度作 为设计强度的依据，因为，钢筋屈服后会产 生大的塑性变形，钢筋混凝土构件会产生不 可恢复的变形和不可闭合的裂缝，以至不能 使用
A

D
B’
E C
B
0.2

* 无明显流幅的钢筋：残余应变为0.2%时所对 应的应力作为条件屈服强度，由于其不易测定， 因此，条件屈服强度σ0.2取极限抗拉强度的 0.85倍，即：
钢筋的选用


钢筋混凝土结构及预应力混凝土结构的钢筋，应按下 列规定采用： （1） 普通钢筋宜采用HRB400、HRB500、 HRBF400、HRBF500钢筋，也可采用HPB300、 RRB400、HRB335级钢筋； （2） 预应力钢筋宜采用预应力钢绞线、钢丝，也可 采用热处理钢筋。 （3）箍筋宜采用HRB400级和HPB300 级钢筋，也可 采用HPB300级和HRBF335级钢筋；
一、建 筑 钢 材
3. 钢筋的成分、级别和品种
低碳钢（含碳量少于0.25%） 碳素钢 中碳钢（含碳量0.25%~0.6%）
按化学成分
高碳钢（含碳量大于0.6%)
普通低合金钢 含碳万分数 20MnSi2V
含锰、硅、钒的百分 数
一、建 筑 钢 材
4. 钢筋的选用 钢筋、混凝土共同工作条件：



垫层、地面混凝土及填充用混凝土的强度等级不宜低 于C10
三、钢筋与混凝土相互作用

（一）. 粘结力
基本 概 念：
钢筋和混凝土共同工作的基础
• 粘结力: 存在于钢筋和混凝土界面上的一种相互作用力。 • 粘结应力：钢筋与混凝土接触面上所产生的沿钢筋纵向
的剪应力。
• 粘结强度：粘结失效（钢筋被拔出或混凝土被劈裂）时 的最大平均粘结应力。