钢筋与混凝土材料的力学性能

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。

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◆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

为弹性模量，点应力称为比例极限；，成比例，即σ=ε※点以前，σ与ε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。

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◆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)

；10或d式中，——试件拉伸前量测标距的长度，一般取5d 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

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(2-2)

钢筋的理想弹塑性应力-应变关系——钢筋的弹性模量；图

2-3式中 ,

——钢筋的屈服应变，=/。 -2）1.1 钢筋(续无明显屈服点钢筋的强度和变形）

关系曲线σ-ε应变（◆应力-可以看出由图2-5

-应变关系图2-5无明显物理屈服点钢筋的应力后很快拉断，延伸率很小，破坏整个应力-应变关系没有明显的屈服点，达极限抗拉强度。≈0.65σ呈脆性。图中a点为比例极限，◆条件屈服强度，作为无明显屈服点钢筋

的强度设计指标，所对应的应力0.2%设计中一般取残余应变为

，预应力钢筋大多为无明显屈服点钢筋。称为“条件屈服强度”。

一般取0.85=

钢筋的强度标准值强度标准值的概念◆

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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

f yk符类号种235HPB235(Q235)

热HRB335(20MnSi)335

轧400、20MnSiNb20MnTi)HRB400(20MnSiV、钢

RRB400(20MnSi)400

筋 2-2 预应力钢筋强度标准值表d f ptk/mm 直号符种类径

、8.610.8186015701720、、 1×3 12.91720、1570钢绞线1860

11.1、9.512.7、 1×7 15.2、186017201770、、16701570、45消除应力钢丝

616701570、螺旋肋钢丝1570、7、891570刻痕

钢丝、57

5 640Si2Mn

8.48Si2M147热处理钢

1045Si2Cr钢筋的弹性模量 2-3。Es基本相同，一般在2.0×MPa左右。具体数值见表各种钢筋的弹性模量(2-3 钢筋的弹性模量)

E种HPB235级钢筋2.1×级钢筋级钢筋、HRB335HRB400×2.0 RRB400级钢筋、热处理钢筋消除应力钢丝、螺旋肋钢丝、刻痕钢丝×2.05钢绞线1.95×混凝土2.2

混凝土强度等级混凝土强度等级的确定方法◆保证率的立方体抗压强天，用标准试验方法测得的具有标准试件在标准条件下养护2895% f cu表示。度，用符号边长150mm的立方体试件；※标准试件——90%以上；——温度为20±3℃，湿度在※标准条件以上C30以下为0.3~0.5MPa/sec，加载速度※标准试验方法——试件两端不涂润滑剂，C30。为0.5~0.8/sec

以上为高强。C505划分为到ff从cu=15cu=8014个强度等级，级差为混凝土。◆标准试件和非标准试件之间的强度换算关系它工程中常采用边长为试件尺寸越小测得的强度越高。100mm的立方体试件，同样条件下，

(2-3)

与标准试件强度之间的换算关系为

有所；随着混凝土强度的提高，μC50——式中,μ修正系数，对于不超过的混

凝土，=0.95μ 6 ——表示平均值。m降低；当MPa时，μ≈0.90。立方体抗压试验的意义◆

不能代表混凝土在实际构件中的受力状态※

可作为衡量混凝土强度水平和品质的标准※