钢筋和混凝土的物理力学性能

钢筋和混凝土的物理力学性能

一、要点解析

1、钢筋的应力应变曲线及强度取值

（1）有明显流幅的钢筋应力应变曲线

构件从受荷到破坏分为四个阶段，弹性阶段oa ： a 点相应的应力称为比例极限（或弹性极限）。屈服阶段――钢筋产生相当大的塑性变形，相应于屈服下限c 点的应力称为屈服应力或屈服强度s σ。强化阶段fd ：d 点叫做钢筋的抗拉强度或极限强度(b σ)。颈缩阶段d e ：截面逐渐缩小，直至试件断裂。

一般取屈服强度s σ作为钢筋设计强度的依据。

（2）无明显流幅的钢筋的应力应变曲线

钢筋没有明显的屈服点，通常取相应于残余应变为0.2％时的应力2.0σ作为名义屈服点，称为条件屈服强度。一般取2.0σ＝0.85b σ作为其设计强度。

此类钢筋在钢筋混凝土结构中较少使用。

2、钢筋的塑性指标

反映钢筋塑性性能的基本指标是伸长率和冷弯性能。

（1）伸长率：

钢筋试件拉断后的伸长值与原长的比值，即 %1001⨯-=

l

l l δ 式中：δ－伸长率；

1l －试件受力前的标距长度；

2l －试件拉断后的标距长度。

伸长率愈大，即标志着钢筋的塑性指标好。由于断裂前钢筋有相当大的变形，有明显的预兆。钢筋不致突然发生危险的脆性破坏，

（2）冷弯性能 弯转角度愈大、弯心直径D 愈小，钢筋的塑性就愈好。

图1-1 有明显流幅的钢筋应力应变曲线

对于有明显流幅的钢筋，其主要指标为屈服强度、抗拉强度、伸长率和冷弯性能四项；对于没有明显流幅的钢筋，其主要指标为抗拉强度、伸长率和冷弯性能三项。

3、钢筋的品种、等级和形式

我国用于混凝土结构的钢筋主要有热轧钢筋、热处理钢筋、预应力钢丝及钢绞线四种。在钢筋混凝土结构中主要采用热轧钢筋。

热轧钢筋是低碳钢、普通低合金钢在高温下轧制而成。其应力应变曲线有明显的屈服点和流幅，断裂时有“颈缩”现象，伸长率较大。

根据力学指标的高低，分为HPB235级(Ⅰ级，符号

），HRB335级（Ⅱ级，符号 ）， HRB400级（Ⅲ级，符号），RRB400级（余热处理Ⅲ级，符号R ）四个种类。

普通钢筋宜采用HRB400级和HRB335级钢筋，也可采用HPB235级和RRB400级钢筋。 钢筋混凝土结构中所采用的钢筋，按外形可分为光圆钢筋、变形钢筋。

4、混凝土结构对钢筋性能的要求

用于混凝土结构中的钢筋，一般应能满足下列要求：

（1）有较高的强度和适宜的屈强比：在钢筋的应力应变曲线中，强度有两个：一是钢筋的屈服强度(或条件屈服强度)，这是设计计算时的主要依据，屈服强度高则材料用量省，所以要选用高强度钢筋；另一是钢筋的抗拉强度，屈服强度与抗拉强度的比值称为屈强比，它可以代表结构的强度储备，比值小则结构的强度后备大，但比值太小则钢筋强度的有效利用率太低，所以要选择适当的屈强比。

（2）较好的塑性： 可以保证构件破坏前有较明显的预兆（明显的变形和裂缝），通过冷弯试验合格和钢筋拉伸率不小于规定值这两项措施保证钢筋具有较好的塑性。

屈服强度、抗拉强度、伸长率和冷弯性能是钢筋的强度和变形的四项主要指标。

（3）可焊性：要求钢筋具备良好的焊接性能，保证焊接强度，焊接后钢筋不产生裂纹及过大的变形。

（4）低温性能：在寒冷地区要求钢筋具备抗低温性能，以防钢筋低温冷脆而致破坏。

（5）与混凝土要有良好的粘结力：粘结力是钢筋与混凝土得以共同工作的基础。 对钢筋的各项要求应满足《混凝土工程施工验收规范》GB50204—2002中的规定。

5、混凝土的强度

混凝土强度是混凝土受力性能的一个基本指标。在工程中常用的混凝土强度有立方体抗压强度标准值k cu f ,、轴心抗压强度c f 和轴心抗拉强度t f 等。

（1）立方体抗压强度标准值k cu f ,

定义：立方体抗压强度标准值k cu f ,指按照标准方法制作养护的边长为150mm 的立方体试块，在28天龄期，用标准试验方法测得的具有95％保证率的抗压强度。

《混凝土结构设计规范》规定，混凝土强度等级应按立方体抗压强度标准值确定。混凝土的强度划分为十四个强度等级，即C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、

C65、C70、C75、C80。符号C 代表混凝土，C 后面的数字表示以2

/mm N 为单位的立方体抗压强度标准值。

试块的强度不仅与养护期的温湿度、龄期等因素有关，还和试验时的加荷速度有关,加荷速度过快，内部裂缝难以开展，所测强度数值偏大。反之，若加荷速度过慢，则所测得的强度数值偏低。

此外，混凝土的立方体抗压强度也和试块的尺寸有关，立方体尺寸越小，测得的混凝土抗压强度越高，这种现象称为“尺寸效应”。因此，《混凝土规范》规定，当用边长为200mm 和l00mm 的立方体试块时，所得强度数值要分别乘以强度换算系数1.05和0.95加以校正。

（2）轴心抗压强度c f

定义：以150mm ×150mm ×300mm 的棱柱体作为标准试件按照标准试验方法测得的混凝土受压强度。

能更好地反映混凝土的实际抗压能力,其数值要小于立方体抗压强度。 k cu ck f f ,2188.0αα=

式中：1α为棱柱体强度与立方体强度之比，对混凝土等级为C50及以下的取1α=0.76，对C80取1α=0.82，在此之间按直线变化取值。2α为高强度混凝土的脆性折减系数，对C40取2α=1.00，对C80取2α=0.87，中间按直线规律变化取值。0.88为考虑实际构件与试件之间的差异而取用的折减系数。

（3）抗拉强度t f

混凝土的抗拉强度很低，与立方抗压强度之间为非线性关系,一般只有其立方抗压强度的1／17～1／8。

※ 钢筋混凝土构件的混凝土强度等级不应低于C15；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；当采用钢绞线、钢丝、热处理钢筋作预应力钢筋时，混凝土强度等级不宜低于C40。

6、混凝土的变形性能

混凝土的变形可分为两类。一类是在荷载作用下的受力变形，如短期加荷及荷载长期作用下的变形。另一类与受力无关，如混凝土收缩以及由于温度变化所产生的变形等。

（1）混凝土在短期加荷作用下的变形性能

在实用上，我国《混凝土规范》将混凝土轴心受压的应力-应变曲线加以简化以便应用（见图1-2），其所采用的表达式为：

在上升段，当≤c ε0ε时取为二次抛物线：

])1(1[0

n c c c f εεσ-

-= 水平段 , 当u c εεε≤<0时

c c f =σ 图1-2 规范采用的简化应力-应变曲线