钢筋和混凝土材料的基本性能

2.1.4 混凝土结构对钢筋性能的要求


适当的屈强比≤0.8
足够的塑性
HPB300：不小于10.0%；HRB400~HRB500: 不小于7.5%
预应力筋：不小于3.5%

可焊性 耐久性 耐火性 与混凝土具有良好的粘结 抗低温性能

混凝土的强度 混凝土的变形性能
2.2.1 混凝土的强度

fu
屈服上限 屈服下限 强化阶段 屈服平台
颈缩阶段
fy
弹性极限
比例极限
0 弹性模量
O

2.1.2 钢筋的强度和变形性能
钢筋的应力－应变曲线（无明显流幅的钢筋,硬钢）
极限强度
σ
σb
条件屈服强度σ0.2
b
c a
比例极限 σa
0.2 0.85 b
a 0.75 b
条件屈服强度： 取残余应变为0.2% 所对应的应力
2.2.1混凝土的强度
简单受力状态下混凝土的强度

立方体抗压强度
混凝土受压破坏机理
• 骨料之间的微裂缝是 内因 • 纵向受压破坏是横向 拉裂造成的。

影响立方体抗压
强度的因素
• • • • • 材料组成 尺寸效应 加载速度 端部约束，环箍效应 混凝土的龄期
骨料之间的微裂缝
2.2.1混凝土的强度
• • 摆脱端部摩擦力的影响 试件不致失稳

立方体抗压强度与轴心抗压强度之间的关系
f 0.88c1c 2 f
c
cu
混凝土考虑脆性的折减系数 棱柱体强度与立方体强度的比值
结构中混凝土与试件混凝土的强度差异修正系数
2.2.1混凝土的强度

棱柱体试件尺寸
试件强度不受端部摩擦力和 附加偏心距的影响。 中间处于均匀受压状态。
-1.4 -1.4 -1.2 -1.0 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2
的 强 度 包 络 图
0.2 0.4
2.2.1混凝土的强度
复杂受力状态下混凝土的强度

三轴受压状态
侧向等压（常规三轴）的情况

当侧向压力较低时 , 对于普通
混凝土
1
f c1 f c' 4 r

当侧向压力较高低时 , 上式不
gt (
L L0 b ) 100% L0 Es
L L0 b gt ( ) 100% L0 Es
b
L L0 b gt ( ) 100% L0 Es
0 残余变形 r 最大力下总伸长率(%)

弹性变形 e
2.1.2 钢筋的强度和变形性能

fcu,k是混凝土各种强度指标的基本代表值
2.2.1混凝土的强度
简单受力状态下混凝土的强度 轴心抗压强度

轴心（棱柱体）抗压强度 fc
• •
•
采用棱柱体试件，能够反映混凝土的实际工作状态。 我国取150×150×300mm为标准试件，按与立方体试 验相同的规定所得的平均应力值，为 fc 。 棱柱体高度取值的原因：

混凝土立方体抗压强度试验方法
边长为150mm的标准立方体试块、在标准条件下养护28d 或设计规定龄期后，以标准试验方法测得的破坏时的平均压 应力为混凝土的立方体抗压强度。 注：对掺加粉煤灰等时，规定龄期为60、90天等。

立方体抗压强度标准值 fcu,k
按上述规定所测得的具有95%保证率的抗压强度称为混 凝土的立方体抗压强度标准值。
★软钢与硬钢的区别 软钢：有明显的屈服平台、屈服强度，极限强度 硬钢：只有极限强度，人为规定 “条件屈服强度” ★设计取值依据 屈服强度（软钢）、条件屈服强度（硬钢） ★钢筋的屈强比 = 屈服强度/极限强度≤0.8 ★钢筋的延性（ductility） 钢筋在强度无显著降低情况下抵抗变形的能力（屈服后 的变形能力）.软刚延性好，硬钢延性较差。 ★弹性模量：弹性极限以下应力-应变曲线的斜率
P/2 150
2
1

弯折试验
P/2
假定截面应力 为直线分布 ft Mu W
150 l/3 l/3 500~600 l/3
2.2.1混凝土的强度

圆柱体劈裂试验
2.2.1混凝土的强度
复杂受力状态下混凝土的强度

双轴应力状态
研究文献来源: H. Kupfer, H.K. Hilsdorf, H. Rusch, Behaviour
，对C80取 c1 =0.82，中间按线性规律变化取值； c 2 为混凝土考虑脆性的折减系数，对C40取 c 2 =1.00，对 C80取 c 2 =0.87，中间按线性规律变化取值；
0.88: 考虑结构中混凝土强度与试件混凝土强度之间的差异 而采取的修正系数。
2.2.1 混凝土的强度
2 3 r
通过液体静 压力对圆柱 体试件施压
再为线性关系 , 可采用蔡绍怀经
验公式
r r f c1 f c 1 1.5 2 f c f c
1
2.2.1混凝土的强度
复杂受力状态下混凝土的强度

剪压或剪拉复合应力状态
试验结果
岗岛达雄的试验结果
•解决问题的思路 由已知求未知，由简单 方法解决复杂问题 •确定方法：对比试验
f / f 0.76 ~ 0.82
c cu
2.2.1混凝土的强度

轴心抗压强度
试验值
修正值
f c1 f
c
c
cu
f 0.88c1c2 f
cu
c1 :棱柱体强度与立方体强度之比值，C50及以下取 c1=0.76
of concrete under biaxial stresses, ACI J. 66 (1969) 656-666.

研究方法
施加法向应力
σ2
方形板试件
施加法向应力 板处于平面应力状态
σ1
2.2.1混凝土的强度
复杂受力状态下混凝土的强度
双向受拉的破 坏强度接近于单轴 抗拉强度。

双轴应力状态
2.2.1混凝土的强度

对比试验结果
f 0.395 f
t
0.55
cu
f 0.88 0.395c2 f
t
0.55
cu
2.2.1混凝土的强度
简单受力状态下混凝土的强度

轴心抗拉强度
劈裂试验
对立方体试件 对圆柱体试件 2P ft a2 2P ft dl
P a P

只能提高抗拉强度，抗压屈服强度将降低。
2.1.3 钢筋的冷加工
2.1.3 钢筋的冷加工

冷拔 • 冷拔一般是将6的HPB235热轧钢筋强行拔过小于其直径
的硬质合金拔丝模具。
• 可同时提高抗拉和抗压强度。 • 冷加工目的是节约钢材和扩大钢筋的应用范围。 《混凝土规范》不提倡冷拉钢筋，已取消冷拉钢筋.
简单受力状态下混凝土的强度 轴心抗拉强度

轴心抗拉强度 ft
• 混凝土的抗拉强度远低于抗压强度
•
•

对于普通混凝土，抗拉强度约 1/17-1/8 的抗压强度
对于高强混凝土，抗拉强度约 1/24-1/20 的抗压强度
轴心抗拉强度的试验方法
• 直接受拉试验
•
•
劈裂试验
HRB500， HRBF500
d = 6~50
fyk=500
主要成分：铁 其他成分：碳、锰、硅、磷、硫等 碳素钢：低碳钢 （含碳量＜0.25%）；中碳钢（0.25%~0.6%） 高碳钢（0.6%~1.4%）。含碳量高，强度高，延性差 锰、硅：可提高钢材强度，保持一定的塑性
2.1.1钢筋的品种和级别
热轧钢筋的外形 光圆钢筋
螺纹钢筋
人字纹钢筋
月牙纹钢筋
2.1.1钢筋的品种和级别

预应力钢筋外形
普通钢筋一般为软刚；预应力筋一般为硬钢。从受力性能分：软钢；硬钢
2.1.2 钢筋的强度和变形性能
钢筋的应力－应变曲线（有明显流幅的钢筋,软钢）

钢筋的两个强度指标: 屈服强度和极限强度 屈服强度作为钢筋设计强度取值依据
2.1.1钢筋的品种和级别
混凝土结构中的钢筋
HPB300
钢筋混凝土结构中的钢筋 低碳钢 普通钢筋 热轧钢筋
普通低合金钢
HRB335 HRBF335 HRB400 HRBF400
预应力筋
钢绞线
消除应力钢丝
RRB400
预应力螺纹钢筋
HRB500 HRBF500
2.1.1钢筋的品种和级别
热轧钢筋的符号说明
/ 0 0.00981 0.112 / 0 0.122 / 0
主 混凝土与钢筋的粘结 要 内 容
混凝土的材料性能 章
钢筋的材料性能 本

本章提要
★材料性能（物理力学性能）
钢筋的强度、变形性能 混凝土的强度、变形性能 钢筋与混凝土之间的粘结-滑移性能
★重点
混凝土的强度、变形性能
★本章在本课程中的作用
后续各章的基础


钢筋的成分、级别和种类
钢筋的强度和变形性能（重点） 混凝土结构对钢筋性能的要求

影响因素分析
材料组成：最主要因素，在材料组成一定时，还有下列因素 加载速度：加载速度快，微裂缝不能充分扩展，强度高 试验条件：试件上、下表面不涂油，横向变形受到约束，强 度高 试件尺寸：尺寸大，内部缺陷相对较多，端部摩擦力影响相 对较大，强度低 龄期：龄期长，试件强度高



2.2.1混凝土的强度
HPB300
hot rolled plain bar fyk=300 N/mm2
HRB335
hot rolled ribbed bar fyk=335 N/mm2
HRB400
hot rolled ribbed bar fyk=400 N/mm2
RRB400
R
remained heat treatment ribbed bar fyk=400 N/mm2
f cu,k fcu 1.645 fcu fcu 1 1.645 fcu



混凝土强度等级
《混凝土规范》规定：混凝土强度等级按立方体抗压强度标 准值确定
2.2.1混凝土的强度

混凝土强度等级的分级
按 fcu,k 划分为14级，即 C15~C80，级差5MPa。 符号 C35 C： 立方体(Cube) 35：立方体抗压强度标准值，单位 N/mm2 当≤C50时，普通混凝土（normal-strength concrete） 当＞C50时，高强混凝土（high-strength concrete）
双等拉
0.4 0.2
2 f c
双向受压的破 坏强度高于单轴抗 压强度。

0 -0.2
一拉一压的破 坏强度低于相应的 单轴受力强度。

Kupfer
-0.4 -0.6 -0.8
双轴受压的强 度最大值不是发生 在双轴等压的情况 下,而是发生在 σ1/σ2≈0.5时。

-1.0
-1.2
双等压
-1.26 0
★简单受力状态下混凝土的强度
立方体抗压强度(uniaxial compressive cube strength) 轴心抗压强度(uniaxial compressive strength) 轴心抗拉强度(uniaxial tensile strength)
★复杂受力状态下混凝土的强度
双轴受力强度 三轴受力强度 剪压及剪拉强度
O

0.2%
2.1.2 钢筋的强度和变形性能
钢筋的塑性性能

钢筋的两个塑性指标:延伸率和冷弯性能


延 伸 率 试 验
l0= 5,10d

l
d
冷 弯 试 验
Ｄ
D 1d , 2d ,3d
5,10
l l0 100% l0
90o ,180o
最大力下的总伸长率
普通钢筋及预应力筋在最大力下的总伸长率δgt应不小于附表5 的规定的数值。
简单受力状态下混凝土的强度

轴心抗拉强度
直接受拉试验
100
150
500
150
100

轴心抗拉强度与立方体抗压强度平均值之间的关系
直接受拉试验得到的关系式, 规范建议的关系式,
f 0.395 0.55
t f cu f cu
f 0.88 0.395 c 2 0.55
t

轴直接受拉试验的缺点:容易引起偏拉破坏
f yk
2.1.1 钢筋的品种和级别
普通钢筋强度标准值fyk（N/mm2），容重7850kg/m3
（一般长度：盘圆较长，直径12mm以上一般直条常有6m、9m和12m规格）
HPB300 d = 6~22
fyk=300
d = 6~50
HRB335 , HRBF335
fyk=335
fyk=400
HRB400, HRBF400, RRB400 d = 6~50
2.1.3 钢筋的冷加工

冷拉
冷拉是在常温下用机械方法将有明显流幅的钢筋拉到超过 屈服强度即强化阶段中的某一应力值，然后卸载至零。

冷拉强化：冷拉控制应力必须超过屈服点，进入强化阶段。 屈服强度提高，屈服平台消失，极限强度未提高，延性降低

冷拉时效：钢筋经首次冷拉后，在自然条件下一段时间后进 行第二次张拉，屈服强度和极限强度均提高，且恢复屈服台 阶。