钢筋与混凝土材料的力学性能提要本章的主要内容钢筋的品种

钢筋与混凝土材料的力学性能

提要

本章的主要内容：

∙钢筋的品种、力学性能及有关指标。

∙混凝土强度等级、强度指标及其换算关系。

∙混凝土的破坏机理、受压应力-应变曲线、弹性模量。

∙复杂应力下混凝土的强度。

∙混凝土的收缩和徐变性能。

材料强度标准值的概念及计算公式，材料分项系数和材料强度设计值。

1.1 钢筋

钢筋的品种

图2-1常用钢筋品种

◆热轧钢筋

分为HPB235、HRB335、HRB400和RRB400三个等级

※HPB235级钢筋为光面钢筋，多作为现浇楼板的受力钢筋和箍筋；

※HRB335、HRB400和RRB400级钢筋为变形钢筋，多作为钢筋混凝土构件的受力钢筋，HRB335亦可作为大尺寸构件的箍筋。

◆钢丝和钢绞线

多用于预应力混凝土结构。钢丝的外形有光面、刻痕和螺旋肋三种，另有三股和七股钢绞线。高强钢丝和钢绞线的抗拉强度可达1470～1860MPa。

◆热处理钢筋

多用于预应力混凝土结构。它是将Ⅳ级钢筋通过加热、淬火和回火等调质工艺处理，使强度得到较大幅度的提高，而延伸率降低不多。

◆冷加工钢筋

冷加工钢筋是由热轧钢筋或盘条经冷拉、冷拔、冷轧、冷轧扭加工后而成。经冷加工后，其强度提高，但延伸率降低，用于预应力构件时易造成脆性断裂。

1.1 钢筋(续-1）

有明显屈服点钢筋的强度和变形

◆应力-应变（σ-ε）关系曲线

图2-2 有物理屈服点钢筋的应力-应变关系

※点以前，σ与ε成比例，即σ =ε，为弹性模量，点应力称为比例极限；

※点过后，σ与ε不再成比例，但仍为弹性变形；a点以后为非弹性，a点称为弹性极限；※达到b点时，ε出现塑性流动现象，b点位置与加载速度、断面形式、表面光洁度等因素有关，称为屈服上限；

※降至c点后，σ不增加而ε急剧增加，σ-ε关系接近水平，直至d点，c点称为屈服下限，cd段称为屈服台阶；

※d点以后，σ随ε的增加而继续增加，至e点σ达最大值，e点对应的σ称为钢筋的极限强度，de段称为强化段；

※e点以后，试件的薄弱位置将产生颈缩现象，变形迅速增加，断面缩小，应力降低，直至f点拉断。

◆反映钢筋力学性能的基本指标

——屈服强度、延伸率和强屈比

※屈服强度是钢筋强度的设计依据，钢筋屈服后将产生很大的塑性变形。一般取屈服下限作为屈服强度。

※延伸率是反映钢筋塑性性能的指标，指钢筋拉断时（f点）对应的应变，按下式确定:

(2-1)

式中，——试件拉伸前量测标距的长度，一般取5d或10d；

l ——拉断时量测标距的长度，量测标距包括颈缩区。

延伸率指标存在的缺陷

不同量测标距长度得到结果不一致；

仅考虑到颈缩断口区域的残余应变。

※均匀延伸率——最大力作用下的总伸长率，包括残余应变和弹性应变，反映了钢筋真实的变形能力（见图2-4）。

图2-4 均匀延伸率

※强屈比——钢筋极限强度与屈服强度的比值，反映了钢筋的强度储备。通常热轧钢筋的强屈比约为1.4~1.6。

◆《规范》理想弹塑性应力-应变（σ-ε）关系

实际计算分析中，一般采用双线性的理想弹塑性关系（见图2-3），即

(2-2)

式中, ——钢筋的弹性模量；图2-3钢筋的理想弹塑性应力-应变关系

——钢筋的屈服应变，=/。

1.1 钢筋(续-2）

无明显屈服点钢筋的强度和变形

◆应力-应变（σ-ε）关系曲线

由图2-5可以看出

图2-5无明显物理屈服点钢筋的应力-应变关系

整个应力-应变关系没有明显的屈服点，达极限抗拉强度后很快拉断，延伸率很小，破坏呈脆性。图中a点为比例极限，σ≈0.65。

◆条件屈服强度

设计中一般取残余应变为0.2%所对应的应力，作为无明显屈服点钢筋的强度设计指标，

称为“条件屈服强度”。一般取= 0.85，预应力钢筋大多为无明显屈服点钢筋。钢筋的强度标准值

◆强度标准值的概念

为保证设计时材料强度取值的可靠性，一般对同一等级的材料，取具有一定保证率的强度值作为该等级强度的标准值。

◆《规范》对强度标准值的规定

※ 《规范》规定材料强度的标准值应具有不小于95%的保证率。

热轧钢筋的强度标准值根据屈服强度确定

预应力钢筋的强度标准值根据极限抗拉强度确定

※ 按我国冶金生产钢材质量的控制标准，钢材产品出厂时的废品限值具有97.73%的保证率，满足《规范》保证率95%的要求。

※ 《规范》中钢筋强度标准值取钢材质量控制标准的废品限值，具体数值见表2-1和表2-2。

表2-1 普通钢筋强度标准值

表2-2 预应力钢筋强度标准值

钢筋的弹性模量

各种钢筋的弹性模量Es 基本相同，一般在2.0×MPa 左右。具体数值见表2-3。

表2-3 钢筋的弹性模量()

2.2 混凝土 混凝土强度等级

◆ 混凝土强度等级的确定方法

标准试件在标准条件下养护28天，用标准试验方法测得的具有95%保证率的立方体抗压强度，用符号f cu 表示。

※ 标准试件——边长150mm 的立方体试件； ※ 标准条件——温度为20±3℃，湿度在90%以上；

※ 标准试验方法——试件两端不涂润滑剂，加载速度C30以下为 0.3~0.5MPa/sec ，C30以上为0.5~0.8/sec 。 从 f cu=15到 f cu=80

划分为14个强度等级，级差为5

。C50以上为高强

混凝土。

◆ 标准试件和非标准试件之间的强度换算关系

同样条件下，试件尺寸越小测得的强度越高。工程中常采用边长为100mm 的立方体试件，它与标准试件强度之间的换算关系为

(2-3)

式中, μ——修正系数，对于不超过C50的混凝土，μ=0.95；随着混凝土强度的提高，μ有所