第1章 钢筋混凝土材料的力学性能

第一章
钢筋混凝土材料的力 学性能
主要内容及要求
1．钢筋 (1)熟悉钢筋的品种和级别。 (2)掌握钢筋的应力一应变全曲线特性及其数学模型。 (3)了解钢筋的冷加工性能以及混凝土结构对钢筋性能的要求。 2．混凝土 (1)熟悉混凝土的立方体强度、轴心抗压强度、轴心抗拉强度及相互间的 关系。 (2)掌握单轴向受压下混凝土的应力一应变全曲线及其数学模型。 (3)熟悉混凝土弹性模量、变形模量的概念。 (4)了解重复荷载下混凝土的疲劳性能以及复合应力状态下混凝土强度的 概念。 (5)熟悉混凝土徐变、收缩的概念。 3．钢筋与混凝土的粘结性能 (1)掌握粘结的定义、粘结力的组成、粘结应力的分布、粘结应力与相对 滑移的关系等概念。 (2)掌握基本锚固长度的计算以及保证可靠粘结的构造要求。
1.2 混凝土
一、混凝土的组成
二、混凝土的强度 三、荷载作用下混凝土的变形性能 四、混凝土的非受力变形
材 料 性 能
1.2 混凝土
一、混凝土的组成：
骨料 水泥结晶体 水泥凝胶体 弹性变形的基础 塑性变形的基础
材 料 性 能
砼的强度及变形随时间、随环境的变化而变化。
二、混凝土的强度
（一）、混凝土抗压强度
比例极限
fy b c a
cd－强化阶段
de －颈缩阶段
o

a－比例极限
b－屈服强度
d－极限强度
受压－ 曲线 钢筋的受压性能在到达屈服强度之前与受 拉时的应力应变规律相同，其屈服强度也 与受拉时基本一样。
在达到屈服强度之后，由于试件发生明显 的塑性压缩，截面积增大，因而难以给出 明确的抗压极限强度。
材 料 性 能
塑性降低很多。 • 冷轧后，钢筋表面轧成带肋，强度与冷拔低碳
丝接近，塑性要好一些。
采用冷加工钢筋，应符合专门的规程
四、钢筋混凝土构件对钢筋的性能要求
1. 强度高：钢筋的屈服强度和极限强度，钢筋 强屈比适宜（有足够安全储备） 2. 塑性好：伸长率、冷弯性能
材 料 性 能
3. 可焊性好：保证焊接后接头性能良好，不产 生裂纹或过大变形
材 料 性 能
冷拉经时效
(N/mm2)
d'
d
c' c
冷拉控制应力
a
b
冷拉无时效
o
残余 变形
o'
冷拉率

(b)
(a)
冷拉原理图 冷拔原理图
d1 d1
P
d2
d2
(a) 为冷拉，可采用冷拉控制应力和冷拉率控制。
冷拉后可提高钢材的抗拉强度，但其屈服台 阶变短。 (b) 为冷拔，可同时提高钢材的抗拉和抗压强度。
弯心直径 冷弯角度 d
α
热轧钢筋的力学及工艺性能
品 种 强度等级 代号 公称直 屈服点 抗拉强 伸长率 冷弯 ζs 度ζb δ5（%） 径 （mm） （Mpa） （Mpa） 不小于 光 圆 钢 筋 热 轧 带 肋 钢 筋 HPB235 8~20 235 370 25
材 料 性 能
反向弯曲 正弯45° 反弯23°
材 料 性 能
五、钢筋的选用原则
一、钢筋成分、品种、级别
碳素结构钢
按化学成分
（含碳量在0.8% 以下）
材 料 性 能
低碳钢含碳量≤0.25% 中碳钢含碳量 0.25%~0.6%
高碳钢含碳量0.65%~1.4%
在低碳钢中，加入少Mn、Si，铌、 钛、钒、铬等合金元素，便成 为普通低合金钢，提高钢材的 强度和保持一定的延性。改善 钢材的性能
以150×150×300mm指标。 实际受压构件混凝土抗压强度的取值依据 为消除端部约束的影响
h 3~5 b
材 料 性 能
与立方体强度的关系：
材 料 性 能
f ck 0.88 1 2 f cu k
0.88——鉴于实际构件与试件制作和养护的差异
o
0.2%

2、设计强度取值
强度标准值取值依据：
取条件屈服强度 0.2作为强度设计依据。 规范取值
0.2=0.85 b
材 料 性 能
3、伸长率、冷弯性能要求 伸长率：δ100=3.5%~4%，很小 对弯曲半径和弯曲次数有要求。
屈服强度、极限强度、伸长率和冷弯性能是对软钢进行质量 检验的四项主要指标，而对无明显屈服点的钢筋，则只测后 三项。应满足《钢筋混凝土用热轧带肋钢筋》GB1499、《预 应力混凝土用钢绞线》GB/T5224等要求。
在抗震结构 中，要求其 屈强比
伸长率：
反映衡量钢筋塑性性能的一个指标， 伸长率越大，塑性越好
5 10 l1 5d l1 10 d
l2 l1 100 % l1
冷弯性能：
是检验钢筋塑性的另一种方法，可反映钢材脆化 的倾向。将直径为d的钢筋浇过直径为D的钢辊 弯成一定角度，而不发生断裂、裂缝或起层。
4、硬钢－ 曲线的数学模型
材 料 性 能
三、钢筋的冷加工和热处理
• 冷加工的方法：在常温下对热轧钢筋 冷拉、冷拔、冷轧和冷轧扭等加工。 • 冷加工的目的：改变钢材内部结构，提高 钢材强度，节约钢筋。 • 冷加工对钢材性能的影响:强度提高， 塑性降低。 •热处理是对某些特定型号的热轧钢进行 淬火和回火处理。
材 料 性 能
材 料 性 能
二、钢筋的强度和变形
钢筋力学性能四项指标：
屈服强度；
材 料 性 能
极限强度；
伸长率；
冷弯性能。
（一）、热轧钢筋（HPB235、HRB335、HRB400、RRB400）
1、受拉－ 曲线
(N/mm2)
ft
流幅 极限强度
oa－弹性阶段
d e bc－屈服阶段
屈服强度
注意： 1、等级代号 2、等级表示符号
3、直径范围及常用直径
4、外形
冷加工钢筋
材 料 性 能
常温下采用某种工艺对某些等级的热轧钢 筋进行加工而成。 热处理钢筋 是对某些特定型号的热轧钢筋进行加热、 淬火和回火等工艺处理，使钢筋其强度大 幅度提高，但塑性降低率不多得到的钢筋
中、高强钢丝和钢绞线 是由热轧钢筋经冷拔而成，根据原材料不同又 分为冷拔低碳钢丝和碳素钢丝，钢丝可刻痕(刻 痕钢丝)和铰成钢绞线，故钢丝有： （P370表 1.8） 冷拉低碳钢丝 φb 碳素钢丝 刻痕钢丝 钢绞线 φs φk φj
材 料 性 能
1、 双 向 正 应 力 作 用
3、 HRB400：fyk=400N/mm2（旧Ⅲ级为fyk=370N/mm2） （带肋）； 4、RRB400(余热处理钢筋)：Remained heat
treatment ribbed steel bars for the reinforcement of concrete. （带肋）；
材 料 性 能
d=弯心直径 a=钢筋公称直径 180° d=a
HRB335 HRB400 RRB400
6~50 6~50 8~40
335 400 400
490 570 570
16 14 12
180° d=3a 180° d=4a 180° d=6a
d=4a d=5a d=7a
4、热轧钢筋－ 曲线的数学模型
材 料 性 能
(1 1.6458 )
0.45
2
2
δ
：对C40以上混凝土的强度折减系数
：混凝土立方体强度的变异系数
f ck k 60 N / mm 2
f ck k = 60 N / mm 2
0.1
0.1
三、 复合应力状态下混凝土强度 1、 双向正应力作用 2、 正应力和剪应力作用 3、 三轴受压
材 料 性 能
RC构件对混凝土强度等级的要求： HPB235钢筋： 混凝土等级不低于C15 HRB335钢筋： 混凝土等级不低于C20 HRB400、RRB400钢筋：混凝土等级不低于C20 预应力构件钢筋：混凝土等级不低于C30 采用钢丝、热处理筋作预应筋：混凝土等级不低于 C40
2. 轴心抗压强度 fc（棱柱体抗压强度 ）
2、强度取值 强度标准值取值依据： 屈服强度下限值。 钢筋强度标准值fyk ？
材 料 性 能
取具有95%的保证率的屈服强度值 极限强度作为安全储备，是检验钢筋质 量的另一强度指标。 3、伸长率、冷弯性能要求 见表：
1、超过屈服 点后，将产生 过大的应变， 使构件变形和 裂缝宽度过大 2、要求一定 的极限强度， 即使结构破坏， 不会因钢筋拉 断而倒塌。
混凝土的抗拉强度比抗压强度小得多，为抗压强度
（二）、 轴心抗拉强度 ft
1 1 ～ 9 18
材 料 性 能
。
试 验 方 法
直接测试方法
间接测试方法(弯折，劈裂)
材 料 性 能
轴心抗拉强度标准值ftk与立方体强度fcu，k 的关系为
材 料 性 能
f tk 0.88 0.395 f
0.55 cu k
普通低合金钢
(合金元素总含量< 5%）
随着含碳量的增加，钢筋的强度提高，塑性降低。
热轧钢筋 冷加工钢筋
材 料 性 能
按加工工艺 和力学性能
热处理钢筋
中、高强钢丝和钢绞线 光面钢筋
按表面形状
变形钢筋
钢筋表面形状取决于钢筋的强度
材 料 性 能
光面钢筋
螺纹钢筋
人字纹钢筋
月牙纹钢筋
热轧钢筋 将碳素钢和普通低合金钢在高温下轧制而成。 分为：
材 料 性 能
1 、 HPB235 ： Hot rolled plain steel bars for the
reinforcement of concrete.（光圆）235指该种钢筋的屈服 强度标准值。fyk=235M/mm2；
2、HRB335：Hot rolled ribbed steel bars for the reinforcement of concrete.（带肋）fyk=335N/mm2；提倡 用此钢筋作为我国钢筋混凝土结构的主力钢筋