混凝土结构设计原理第一章材料性能PPT课件
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现行《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)积累了半个世纪以来丰富的 工程实践经验和科研成果，把我国混凝土 结构设计方法提高到了当前的国际水平， 在工程设计中发挥指导作用。
随着高强度钢筋、高强高性能混凝土(强度达到100N/mm2)以及 高性能外加剂和混合材料的研制使用，高强高性能混凝土的应用范 围不断扩大，钢纤维混凝土和聚合物混凝土的研究和应用有了很大 发展。还有，轻质混凝土、加气混凝土、陶粒混凝土以及利用工业 废渣的“绿色混凝土”，不但改善了混凝土的性能，而且对节能和 保护环境具有重要的意义。此外，防射线、耐磨、耐腐蚀、防渗透、 保温等特殊需要的混凝土以及智能型混凝土及其结构也正在研究中。
荷载设计值等于荷载标准值乘以荷载分项系 数。恒荷载的荷载分项系数一般取为1.2；活荷载 的荷载分项系数一般取为1.4。
按荷载标准值计算得到的内力，称为内力的标准值， 例如弯矩标准值Mk、轴向力标准值Nk等。 按荷载设计值计算得到的内力，称为内力的设计值， 例如弯矩设计值M、轴向力设计值N等。
验算变形、裂缝宽度时，应采用材料强度的标准值； 计算截面承载力时，要用比材料强度标准值小的材料强度 设计值。材料强度设计值等于材料强度标准值除以材料强 度的分项系数。
1.1.3 钢筋混凝土结构的优缺点
针对这些缺点，可采用轻质 高强混凝土及预应力混凝土以减 轻自重，改善钢筋混凝土结构的 抗裂性能。
1.2 混凝土结构的发展概况
混凝土结构约有150年 的历史，与钢、木和砌体结 构相比，由于它在物理力学性能、材料来源以及工程 造价等方面有许多优点，所以发展速度很快，应用也 最广泛。
1.5 学习本课程需要注意的问题
混凝土结构课程通常按内容的性质可分为“混凝土结构 设计原理”和“混凝土结构设计”两部分。 前者主要讲述各种混凝土基本构件的受力性能、截面计 算和构造等基本理论，属于专业基础课内容。 后者主要讲述梁板结构、单层厂房、多层和高层房屋、 公路桥梁等的结构设计，属于专业课内容。 通过本课程的学习，并通过课程设计和毕业设计等实践 性教学环节，使学生初步具有运用这些理论知识正确进行 混凝土结构设计和解决实际技术问题的能力。
混凝土结构设计原理-材料及性能教材
结构具有较好的耐久性。
9
钢筋混凝土结构的优点 钢筋混凝土结构的缺点
10
§1-2 混凝土
混凝土的性质： 非匀质、各向异性、离散性、抗压强度高的 弹塑性材料。 其破坏是由于内部微裂缝引起的。
11
microcracks
hydrated cores
C-S-H
C-S-H
Capillary pore
=28d
F A
4000 300 200
A a) B
A－A
200 210
300
4000
B
316
b)
B－B
5
素砼梁 极限荷载 P=8kN 梁的开裂即等于破坏：
由砼抗拉强度控制，
Mu = Mcr
极限弯矩 开裂弯矩
破坏性质：脆性
6
钢筋混凝土梁的表现 开裂不等于破坏！受拉钢筋替代。极限荷载P=36kN
Mu >>13
混凝土强度等级：
常用等级：C15，C20， C25，C30， C35， C40，
C45，C55， C60，C65 ，C70， C75， C80
一般将C50以下称为普通砼，C50及以上称为高强砼
14
混凝土立方体抗压强度与试验方法有着密切的关系。
图1-3 立方体抗压强度试件
深刻理解混凝土在一次单调加载作用下受压应力-应变曲线。
了解普通热轧钢筋的强度和变形，掌握普通热轧钢筋的强度级别和品 种。
理解钢筋与混凝土之间的粘结性能及其机理。
3
1.1 钢筋混凝土结构的基本概念
4
例：一跨度为4m，跨中作用集中荷载的简支梁，梁截 面尺寸200×300mm，混凝土为C20。如图所示：
1 0.5 2
9
钢筋混凝土结构的优点 钢筋混凝土结构的缺点
10
§1-2 混凝土
混凝土的性质： 非匀质、各向异性、离散性、抗压强度高的 弹塑性材料。 其破坏是由于内部微裂缝引起的。
11
microcracks
hydrated cores
C-S-H
C-S-H
Capillary pore
=28d
F A
4000 300 200
A a) B
A－A
200 210
300
4000
B
316
b)
B－B
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素砼梁 极限荷载 P=8kN 梁的开裂即等于破坏：
由砼抗拉强度控制，
Mu = Mcr
极限弯矩 开裂弯矩
破坏性质：脆性
6
钢筋混凝土梁的表现 开裂不等于破坏！受拉钢筋替代。极限荷载P=36kN
Mu >>13
混凝土强度等级：
常用等级：C15，C20， C25，C30， C35， C40，
C45，C55， C60，C65 ，C70， C75， C80
一般将C50以下称为普通砼，C50及以上称为高强砼
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混凝土立方体抗压强度与试验方法有着密切的关系。
图1-3 立方体抗压强度试件
深刻理解混凝土在一次单调加载作用下受压应力-应变曲线。
了解普通热轧钢筋的强度和变形，掌握普通热轧钢筋的强度级别和品 种。
理解钢筋与混凝土之间的粘结性能及其机理。
3
1.1 钢筋混凝土结构的基本概念
4
例：一跨度为4m，跨中作用集中荷载的简支梁，梁截 面尺寸200×300mm，混凝土为C20。如图所示：
1 0.5 2
002第一章钢筋混凝土材料的物理力学性能
200×200 ×400 换算系数 1.05
试
块
•考虑到承压板对试件的约束，立方体抗压强度大
于棱柱体抗压强度，且有：fc=0.76fcu (试验结果)
•考虑到构件和试件的区别，取fc=0.67fcu
•对国外（美国、日本、欧洲混凝土协会等）采用的圆柱体试件（d=150,
h=300），有fc’=0.79fcu
采用与立方体试件相同制作条件、尺寸为150×150×300mm
或者150×150×450mm棱柱体试件测得的抗压强度作为混凝
土的轴心抗压强度标准值，用符号 f c k
表示，混凝土的轴心抗压强度标准值按下式计算：
fck0.881 f 2 cu,k
（2.2.1）
式中 1 —棱柱强度与立方强度之比，对C50及以下取 1
15；当采用HRB335级钢筋时，混凝土强度等级不宜低于 Ｃ20；当采用HRB400和RRB400级钢筋以及承受重复荷载 的构件，混凝土强度等级不得低于Ｃ20。预应力混凝土 结构的混凝土强度等级不应低于Ｃ30；当采用钢丝、钢 绞线、热处理钢筋作为预应力钢筋时，混凝土强度等级 不宜低于Ｃ40。
2 混凝土轴心抗压强度
对结构构件的不利影响：当构件受到约束时，混凝 土的收缩就会使构件中产生收缩应力，收缩应力过大， 就会使构件产生裂缝，以致影响结构的正常使用；在预 应力混凝土构件中混凝土收缩将引起钢筋预应力值损失， 等等。
小 结：
1. 混凝土的强度指标； 2. 混凝土的变形；
结束！ 谢谢大家！
n26 1(0fcu5)0当 ,n2时， n2取
c fc
c
fc
110c
n
o
0
0 0 .0 0 0 .5 2 fc u 5 1 0 50
钢筋混凝土结构原理1材料的物理力学性能
1.1 钢筋的物理力学性能
第1章 材料的物理力学性能 3 硬钢的应力—应变曲线
石家庄铁路职业技术学院
d ——极限抗拉强度 e ——极限应变
条件屈服强度： 取残余应变为0.2%所对应的应力作为无明显流幅钢筋
的强度限值，通常称为条件屈服强度。
1.1 钢筋的物理力学性能
第1章 材料的物理力学性能 4 钢筋的应力—应变简化模型
1.1 钢筋的物理力学性能
第1章 材料的物理力学性能 1 钢筋的种类及符号说明
预应力钢筋的屈服强度
种类
钢绞线
1×3 1×7
消除应力钢丝 热处理钢筋
光面螺旋肋
刻痕 40Si2Mn 48Si2Mn
45Si2Cr
石家庄铁路职业技术学院
符号
φS
φP φH φI
fptk 1860 1720 1570 1860 1720 1770 1670 1570 1570
fpy
f'py
1320
1220 390
1110
1320 390
1220
1250
1180 410
1110
1110 410
φHT
1470 1040 400
1.1 钢筋的物理力学性能
第1章 材料的物理力学性能 2 软钢的应力—应变曲线
石家强度 e ——极限应变 ob ——弹性阶段 bc ——屈服阶段 cd ——强化阶段 de ——破坏阶段
影响因素：
尺寸效应：尺寸越大，内部缺陷较多， 强度较低。 加载速度：加载速度越快，强度越低。
端部约束：涂润滑油 ，强度降低。
1.2 混凝土的物理力学性能
第1章 材料的物理力学性能 1 立方体抗压强度
石家庄铁路职业技术学院
第1章 材料的物理力学性能 3 硬钢的应力—应变曲线
石家庄铁路职业技术学院
d ——极限抗拉强度 e ——极限应变
条件屈服强度： 取残余应变为0.2%所对应的应力作为无明显流幅钢筋
的强度限值，通常称为条件屈服强度。
1.1 钢筋的物理力学性能
第1章 材料的物理力学性能 4 钢筋的应力—应变简化模型
1.1 钢筋的物理力学性能
第1章 材料的物理力学性能 1 钢筋的种类及符号说明
预应力钢筋的屈服强度
种类
钢绞线
1×3 1×7
消除应力钢丝 热处理钢筋
光面螺旋肋
刻痕 40Si2Mn 48Si2Mn
45Si2Cr
石家庄铁路职业技术学院
符号
φS
φP φH φI
fptk 1860 1720 1570 1860 1720 1770 1670 1570 1570
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1320
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1110
1320 390
1220
1250
1180 410
1110
1110 410
φHT
1470 1040 400
1.1 钢筋的物理力学性能
第1章 材料的物理力学性能 2 软钢的应力—应变曲线
石家强度 e ——极限应变 ob ——弹性阶段 bc ——屈服阶段 cd ——强化阶段 de ——破坏阶段
影响因素：
尺寸效应：尺寸越大，内部缺陷较多， 强度较低。 加载速度：加载速度越快，强度越低。
端部约束：涂润滑油 ，强度降低。
1.2 混凝土的物理力学性能
第1章 材料的物理力学性能 1 立方体抗压强度
石家庄铁路职业技术学院
混凝土结构设计原理(课件)
高性能混凝土的研究和应用，使得混凝土 结构的性能更加优异，满足了更加复杂和 多样化的工程需求。
02 混凝土结构设计基本原则
结构设计原则
01
02
03
04
Hale Waihona Puke 结构完整性确保混凝土结构在各种工况下 的整体性，避免出现裂缝、断
裂等损伤。
承载能力
根据预期的载荷和应力要求， 设计混凝土结构的承载能力。
耐久性
考虑环境因素和预期使用寿命 ，确保混凝土结构在使用期间
工现场进行搅拌、浇注和养护的混凝土构件。
按受力特点分类
混凝土结构可以分为框架结构、剪力墙结构、框架-剪力墙结构等。框架结构的受力特 点是主要承受横向和纵向的荷载，通过梁和柱的连接实现；剪力墙结构的受力特点是主 要承受横向荷载，通过剪力墙的连接实现；框架-剪力墙结构的受力特点是结合了框架
和剪力墙的特点，形成了一种混合结构形式。
05 混凝土结构设计中的问题 及解决措施
混凝土裂缝问题及解决措施
总结词
混凝土裂缝是混凝土结构设计中 常见的问题，会导致结构承载能
力下降和耐久性降低。
原因分析
混凝土裂缝产生的原因包括施工过 程控制不当、结构设计不合理、材 料质量不合格等。
解决措施
针对不同原因采取相应的解决措施， 如加强施工过程控制、优化结构设 计、选用优质材料等。
混凝土结构发展历程
19世纪中叶
20世纪初
随着水泥和混凝土技术的发展，混凝土开 始被应用于建筑和桥梁工程中。
钢筋混凝土的发明和应用，使得混凝土结 构的强度和稳定性得到了显著提高。
20世纪50年代
21世纪初
预应力混凝土的出现，进一步提高了混凝 土结构的承载能力和耐久性，为现代大型 混凝土结构的建造奠定了基础。
第一章 绪论(混凝土结构原理 同济大学课件)
P
P
* 1849年，法国人Joseph Louis Lambot 用水泥砂浆涂在钢丝网的两面做成 小船----最早的钢筋混凝土结构； 最早的钢筋混凝土结构； * 1861年，法国花匠J. Monier 用钢丝作为配筋制作了花盆并申请了专利， 用钢丝作为配筋制作了花盆并申请了专利， 后由申请了钢筋混凝土板、管道、拱桥等专利----尽管他不懂钢筋混凝土结 后由申请了钢筋混凝土板、管道、
•无砂混凝土
只有粗骨料，无细骨料 只有粗骨料，
•FRP筋的应用
用FRP筋代替钢筋
二、混凝土结构的发展
3.结构方面的发展
•预应力混凝土结构的应用
P P
在混凝土的受拉区施加预应力，以提高混凝 在混凝土的受拉区施加预应力， 土结构的抗裂度，减轻构件的自重 土结构的抗裂度，
P
P
•结构体系的丰富
不同用途、不同结构功能具有相应的结构 不同用途、 体系：混凝土结构、钢与混凝土的组合结构、 体系：混凝土结构、钢与混凝土的组合结构、 FRP混凝土及预应力混凝土结构等
* 混凝土包裹在钢筋的外部，可使钢筋免于腐蚀或高温软化 混凝土包裹在钢筋的外部，
一、混凝土结构的概念和特点
3. 预应力混凝土结构的一般概念
P P
预应力钢筋
P
P
一、混凝土结构的概念和特点
4. 混凝土结构的组成
楼板
楼梯 柱
墙 地下室底板 梁 梁
墙下基础 柱下基础
一、混凝土结构的概念和特点
5.混凝土结构的优缺点
二、混凝土结构的发展
4.理论研究方面的发展
结构基本理论----计算机仿真技术的应用
二、混凝土结构的发展
4.理论研究方面的发展
结构基本理论----结构试验技术的完善
混凝土结构设计原理(课件)
使用应变计算法，确定结构的应变分布和变形情况，以满足设计要求。
结构形式和构件设计
1
砖混结构
2
采用砖混结构，充分利用砖和混凝土的
特点，提高结构的耐久性。
3
框架结构
采用框架结构，具有良好的刚度和承载 力，适用于大跨度建筑。
板-柱结构
采用板-柱结构，方便施工和装修，提高 建筑的使用效率。
配筋设计和构造措施
混凝土结构设计原理(课 件)
本课件介绍混凝土结构设计的重要性、混凝土的基本性质和材料特点，以及 混凝土结构设计的基本原理。
荷载分析和设计准则
1 作用力研究
通过分析建筑物所承受的各种力，确定荷载大小和作用位置。
2 设计准则
根据国家和地区的规范，制定合适的设计准则，确保结构的安全性和稳定性。
3 结构应变计算
2 施工工艺
采用高强度水泥和添加剂， 提高混凝土的强度和耐久 性。
采用适当的施工工艺，控 制混凝土的质量和强度发 展。
3 结构设计
根据高强混凝土的性能要 求，进行结构设计和配筋 计算。
钢筋混凝土设计原理
钢筋配筋
根据混凝土结构的荷载和使用要 求，设计合适的钢筋配筋方案。
结构分析
采用弹性分析和塑性分析方法， 对钢筋混凝土结构进行计算和优 化。
按照国家和地区的规范要求，制定设计和施工方案。
3
性能设计
根据结构的使用要求，进行性能设计，确保结构的可靠性和安ห้องสมุดไป่ตู้性。
预应力混凝土设计原理
预应力原理
通过预应力杆件施加预先调整的应力，改善混 凝土结构的承载能力。
设计方法
根据结构的荷载和预应力要求，进行预应力混 凝土的配筋设计。
高强混凝土设计原理
结构形式和构件设计
1
砖混结构
2
采用砖混结构，充分利用砖和混凝土的
特点，提高结构的耐久性。
3
框架结构
采用框架结构，具有良好的刚度和承载 力，适用于大跨度建筑。
板-柱结构
采用板-柱结构，方便施工和装修，提高 建筑的使用效率。
配筋设计和构造措施
混凝土结构设计原理(课 件)
本课件介绍混凝土结构设计的重要性、混凝土的基本性质和材料特点，以及 混凝土结构设计的基本原理。
荷载分析和设计准则
1 作用力研究
通过分析建筑物所承受的各种力，确定荷载大小和作用位置。
2 设计准则
根据国家和地区的规范，制定合适的设计准则，确保结构的安全性和稳定性。
3 结构应变计算
2 施工工艺
采用高强度水泥和添加剂， 提高混凝土的强度和耐久 性。
采用适当的施工工艺，控 制混凝土的质量和强度发 展。
3 结构设计
根据高强混凝土的性能要 求，进行结构设计和配筋 计算。
钢筋混凝土设计原理
钢筋配筋
根据混凝土结构的荷载和使用要 求，设计合适的钢筋配筋方案。
结构分析
采用弹性分析和塑性分析方法， 对钢筋混凝土结构进行计算和优 化。
按照国家和地区的规范要求，制定设计和施工方案。
3
性能设计
根据结构的使用要求，进行性能设计，确保结构的可靠性和安ห้องสมุดไป่ตู้性。
预应力混凝土设计原理
预应力原理
通过预应力杆件施加预先调整的应力，改善混 凝土结构的承载能力。
设计方法
根据结构的荷载和预应力要求，进行预应力混 凝土的配筋设计。
高强混凝土设计原理
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- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
gt
l'
l0 l0
b
Es
均匀伸长率15
第1章 混凝土结构用材料的性能
冷弯性能是将钢筋围绕某个规定的直径D（D规定为1d，2d， 3d等）的辊轴弯曲成一定的角度（90°或180°），弯曲后的钢 筋应无裂纹或断裂现象。
钢辊的直径越小，弯转角度越大，钢筋 的冷弯性能就越好，冷弯是反映钢筋塑
α
性性能的另一项指标，它与延伸率对钢6.5；8；8.2；10；12；14；16； 18；20；22；25；28；32；36；40；50mm
光面钢筋 人字纹钢筋
螺纹钢筋 月牙纹钢筋
10
第1章 混凝土结构用材料的性能
热轧光面钢筋HPB235(Ⅰ级)，多作为钢筋混凝土板和小型构 件的受力钢筋以及各种构件的构造钢筋和箍筋。
fu 流幅
d
fy
b a
c
有明显屈服点的钢筋 -图
oa －弹性阶段
bc －屈服阶段 e
cd －强化阶段 de －颈缩阶段
比例极限 屈服强度 极限强度
o
a－比例极限proportional limit b－屈服强度 fy lower yield ，是钢筋强度的设计依据
d－极限抗拉强度 fu ultimate tensile strength
热轧带肋钢筋HRB335(Ⅱ级) ，多作为大中型钢筋混凝土结构 构件的受力钢筋和构造钢筋以及预应力混凝土结构构件中的 非预应力钢筋，尺寸较大的构件；也有用Ⅱ级钢筋作箍筋的 为增强与混凝土的粘结（Bond），外形制作成月牙肋或等高 肋的变形钢筋（Deformed Bar）。
热轧带肋钢筋HRB400 (Ⅲ级)强度较高，用于大中型钢筋混凝 土结构和高强混凝土结构构件的受力钢筋。
强度设计值 fy
fy
f yk s
s为材料分项系数
12
第1章 混凝土结构用材料的性能
钢筋的强度设计值（N/mm2）
钢筋的弹性模量(N/mm2) 种类
HPB235 级钢筋 HRB335 级钢筋、HRB400 级钢筋、RRB400 级钢筋、 热处理钢筋 消除应力钢丝、螺旋肋钢丝、刻痕钢丝
钢绞线
Es 2.1×105
100mm范围内的极限伸长率，记为10、δ5和δ100。延伸率大的
钢筋，在拉断前有足够预兆，延性较好。含碳量越低的钢筋， 屈服台阶越长，延伸率也越大，塑性性能越好。
5
o
r
10
l
l0 l0
14
第1章 混凝土结构用材料的性能
均匀伸长率δgt由非颈缩断口区域标距的残余应变εr与恢复的 弹性应变εe 组成。
第1章 混凝土结构用材料的性能
§1.1 钢筋 §1.2 混凝土 §1.3 钢筋与混凝土的粘结
1
整体概述
概况一
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概况二
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概况三
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2
第1章 混凝土结构用材料的性能
余热处理钢筋RRB400 Ⅳ级钢筋强度太高，不适宜作为钢筋 混凝土构件中的配筋，一般冷拉后作预应力筋。
11
第1章 混凝土结构用材料的性能
热轧钢筋的力学性能
(N/mm2)
(1)应力应变曲线
fu fy
fy
Es y
Es
fy y
1
o
y
屈强比反映钢筋的强度储备，fy / fu=0.6~0.7。
d
D
图2-6 钢筋的冷弯
16
第1章 混凝土结构用材料的性能
2. 中高强钢丝 （wire）和钢绞线（strand or tendon）：
均用于预应力混凝土结构。预应力钢丝是以优质高碳钢盘 条经等温淬火再拉拔而成的钢丝 。中强钢丝的强度为800 ～ 1200MPa，高强钢丝、钢绞线的为 1470 ～1860MPa；
HPB235级、HRB335级、HRB400级、RRB400级 ⑴
种 HPB
类
Bar
HRB Bar
RRB Bar
Plain光圆
Ribbed
Ribbed带肋
Hot rolled
Hot rolled
Rolled余热
强度标准值 fyk（标准值=钢材废品限值，保证率97.73%） 处理
9
第1章 混凝土结构用材料的性能
§1.1 钢筋（steel reinforcement）
1.1.1 钢筋的品种(reinforcement types)与性能 热轧钢筋 钢丝及钢绞线 冷加工钢筋
3
第1章 混凝土结构用材料的性能
有无物理屈 服点
有 软钢 无 硬钢
热轧钢筋
钢筋的分类
热处理钢筋 钢 丝 钢 绞 线
按化学成分
碳素钢
普通低合 金钢
2.0×105
2.05×105 1.95×105 13
第1章 混凝土结构用材料的性能
(2) 塑性性能：
钢筋的塑性指标主要有两个：延伸率和冷弯性能。这两个指标 反映了钢筋的塑性性能和变形能力。
延 伸 率（Percentage of elongation）：钢筋拉断时的应变，是 指 钢 筋 试 件 上 标 距 为 10d 、 5d （ d 为 钢 筋 的 试 件 直 径 ） 或
7
第1章 混凝土结构用材料的性能
无明显屈服点的钢筋 -图
0.2－条件屈服强度
(equivalent yield strength) 残余应变为0.2%所对应的应力
《规范》取0.2 =0.85 fu
(N/mm2) 0.2
o
0.2%
8
第1章 混凝土结构用材料的性能
1. 热轧钢筋 hot rolled steel reinforcing bar
冷拉低碳钢丝 φb
碳素钢丝
φs
刻痕钢丝
φk
钢绞线
φj
17
第1章 混凝土结构用材料的性能
钢丝的直径3～9mm；外形有光面、刻痕和螺旋肋三种。
刻痕钢丝
螺旋肋钢丝
宜用于预应力 混凝土结构
冷拉钢筋 冷轧带肋钢筋 冷轧扭钢筋 冷拨钢丝
《规范》未列 入，执行相应 的行业技术规
程。
5
第1章 混凝土结构用材料的性能
※ 钢筋的强度与变形
• 钢筋的 -关系 stress-strain relation
P
A
l P
P A
l l
6
第1章 混凝土结构用材料的性能
(N/mm2)
低碳钢 中碳钢 高碳钢
锰系 硅锰系
C<0.25% C=0.25%～0.6% C=0.6%～1.4%
硅矾系 硅铬系
硅钛系
4
第1章 混凝土结构用材料的性能
热轧钢筋
轧制和加工 工艺
热处理钢筋
冷加工钢筋
钢筋的分类
HPB235 HRB400
HRB335 RRB400
40Si2Mn 48Si2Mn 45Si2Cr