第4章 钢筋混凝土结构材料的力学性能.

第4章钢筋混凝土的力学性能4.1混凝土的力学性能立方体抗压强度及值:边长150mm立方体标准试件，在标准条件下（20±3℃，≥90%湿度）养护28天，用标准试验方法（加载速度0.15~0.3N/mm2/sec，两端不涂润滑剂）测得的的抗压强度，称为混凝土立方体抗压强度。4.1.1　混凝土的强度1、混凝土立方体抗压强度和强度等级具有95%保证率的立方体抗压强度，称为混凝土立方体抗压强度标准值。混凝土的强度等级：混凝土的强度等级按立方体抗压强度标准值fcu,k确定。《混凝土结构规范》（GB50010—2002，以下简称《规范》）按立方体抗压强度标准值的大小将混凝土分为14个强度等级，即C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75、C80。其中C代表混凝土，C后面的数字表示混凝土立方体抗压强度标准值，单位为N／mm2。例如：C30表示fcu,k=30N/mm22、混凝土轴心抗压强度我国采用150mm×150mm×300mm的棱柱体作为标准试件，在标准条件下养护至28天龄期，按照标准试验方法测得的抗压强度为混凝土的轴心抗压强度。根据大量实验资料表明，混凝土的轴心抗压强度平均值与立方体抗压强度平均值之间存在着一定量的关系：3、混凝土轴心抗拉强度采用抗拉试验方法，试件尺寸100mm×100mm×500mm两端埋有伸出150mm的变形钢筋，直径为16mm，钢筋位于试件的轴线上，试验机夹紧两端伸出的钢筋，对试件施加拉力，使试件截面均匀受拉，试件破坏时的平均拉应力即为混凝土的轴心抗拉强度。与混凝土的轴心抗压强度一样，混凝土的轴心抗拉强度平均值与混凝土的立方体抗压强度平均值也存在着一定量的关系：4、复合应力状态下的混凝土强度混凝土所受的应力状态不同，其强度值是变化的。在双向压应力作用下，一向的抗压强度随另一向的抗压应力的增加而增加。混凝土双向受压强度比单向受压强度高的多，混凝土在三向受压的情况下可大大提高混凝土的轴心抗压强度，计算公式：fcc=fc+4δτfc—无侧向压应力的混凝土轴心抗压强度；δτ—侧向压应力4.1.2　混凝土的变形混凝土的变形有两类：一类是由荷载作用引起的受力变形，包括一次短期荷载、重复荷载作用下的变形和长期荷载作用下的变形；另一类是非荷载作用引起的体积变形，包括化学收缩，干湿变形和温度变形等。1、混凝土在荷载作用下的变形（1）混凝土在一次短期加荷下的应力-应变曲线从应力-应变曲线的整体上可以看出，随着应力的增加，应变增长的速度快于应力的增长，说明混凝土在高应力状态，混凝土的变形主要以塑性变形为主。（2）混凝土的弹性模量、变形模量和剪切模量混凝土只有在应力（бc≤0.3fc）很小时才存在着弹性模量，如图所示。弹性模量通常取混凝土在一次短期加荷下的б-ω曲线原点的切线斜率作为混凝土的弹性模量，用Ec表示。《规范》给出各种不同强度等级混凝土的弹性模量的计算公式为：混凝土的剪切模量是指剪应力与剪应变的比值，用Gc表示，《规范》规定：Gc=0.4Ec（3）混凝土在长期荷载作用下的变形混凝土在长期荷载作用下，维持应力不变，应变随时间增长而继续增加的现象，称为混凝土的徐变。混凝土的徐变将导致构件的刚度降低，对预应力混凝土构件引起预应力损失。混凝土在长期荷载作用下，徐变的发展先快后慢，通常在最初六个月内可完成最终徐变量的70—80%，十二个月内大约完成徐变总量的90%，其余部分则在后续几年内逐渐完成。影响混凝土徐变的主要因素为：①水泥用量越多，水灰比越高，徐变越大；②骨料级配好，骨料的强度及弹性模量高，徐变小；③构件养护条件好，徐变小；④构件受到的压应力越大，徐变越大；⑤构件受力前的强度高，徐变小。2、混凝土在非荷载作用下的变形（1）化学收缩一般水泥水化生成物的体积比反应前物质的总体积要小，会导致水化过程的体积收缩，这种收缩称为化学收缩。化学收缩随混凝土硬化龄期的延长而增加，在40d内收缩值增长较快，以后逐渐稳定。化学收缩是不能恢复的，它对结构物不会产生明显的破坏作用，但在混凝土中可产生微细裂缝。（2）湿胀干缩变形当混凝土在水中硬化时，体积产生微小膨胀；当混凝土在干燥空气中硬化时，体积将产生收缩。一般来说，混凝土的收缩值比膨胀值大得多。混凝土的湿胀变形量很小，对结构一般无破坏作用。但干缩变形对混凝土危害较大，干缩可能使混凝土表面出现拉应力而开裂，严重影响混凝土的耐久性。减少混凝土的收缩，可采用以下措施：①加强养护②减小水灰比③减小水泥用量④加强振捣。（3）温度变形混凝土的热胀冷缩变形称为温度变形。混凝土温度线膨胀系数约为1.0-1.5×10-5,即温度升高（或降低）1oc,每米约膨胀（或收缩）0.01-0.015mm。对大体积混凝土，应设法降低混凝土的发热量，如使用低热水泥、减少水泥用量、采用人工降温以及对表层混凝土加强保温保湿措施等，以减少内外温差，防止裂缝的产生和发展。对纵向较长的混凝土及钢筋混凝土结构，应考虑混凝土温度变形所产生的危害，每隔一段长度应设置温度伸缩缝，以及在结构内配置温度钢筋。4.2钢筋的力学性能4.2.1　钢筋的品种钢筋按生产加工工艺和力学性能的不同，可以分为：热轧钢筋冷加工钢筋钢丝热轧钢筋按其强度由低到高分为：HPB235：光面钢筋，碳素钢HRB335：变形钢筋，合金钢HRB400：变形钢筋，合金钢RRB400：变形钢筋，合金钢（随强度增加，塑性逐渐下降）热轧钢筋1、热轧钢筋按所含化学成分不同分为：碳素钢和合金钢。按强度不同分为：HPB235、HRB335、HRB400、RRB400四级。2、冷加工钢筋（1）冷拉钢筋冷拉钢筋是在常温下将热轧钢筋通过强力拉伸使其应力超过屈服强度而进入强化段，而后卸荷所得到的钢筋。（2）冷拔钢筋冷拔钢筋是将热轧钢筋通过硬质合金冷拔模经过几次强行冷拔而成，如图所示。（3）冷轧带肋钢筋冷轧带肋钢筋是用普通低碳钢或低合金钢在常温下轧制而成的表面带有肋纹的钢筋。3、钢丝结构用钢丝包括：碳素钢丝、刻痕钢丝、钢绞线及冷拔低碳钢丝。钢丝的强度较高，塑性较差，直径小于6mm，其变形特点为无明显屈服点，一般用于预应力混凝土结构。4.2.2　钢筋的力学性能混凝土和预应力混凝土构件中所用的钢筋可以分为两类：一是有明显屈服点的钢筋，又称为软钢。二是无明显屈服点的钢筋，又称为硬钢。比例极限屈服强度极限强度fyedabcoa－弹性阶段a－比例极限b－屈服强度：作为强度设计依据cd－强化阶段d－极限强度1、有明显屈服点的钢筋(热轧钢筋、冷拉钢筋)de－颈缩阶段bc－屈服阶段四个阶段:三个强度参数：0.2%0.20.2－条件屈服强度：作为强度取值的依据。2、无明显屈服点的钢筋(钢丝、热处理钢筋)0.2的定义：取相应于残余应变=0.2%时的应力0.2作为名义屈服点。常取0.2=0.8dad3、钢筋的塑性钢筋的弹性模量取其比例极限与应变的比值。各种钢筋受拉和受压时的弹性模量相同，其具体数值见附表A-6。4、钢筋的弹性模量钢筋除了要有足够的强度外，还应具有一定的塑性变形能力。5、钢筋的选用钢筋混凝土结构中的钢筋及预应力混凝土结构的钢筋应按下列规定选用：（1）钢筋混凝土结构中的钢筋和预应力混凝土结构中的非预应力钢筋宜优先采用HPB235级，HRB335级和HRB400级钢筋；也可采用RRB400级热轧钢筋以及低强度等级的冷拔、冷轧带肋钢筋。（2）预应力钢筋宜采用预应力钢绞线、中高强钢丝和热处理钢筋，也可采用冷拉钢筋和强度级别较高的冷拔低碳钢丝和冷轧带肋钢筋。4.3钢筋与混凝土之间的黏结4.3.1　黏结作用钢筋与混凝土之间的粘结力，主要由以下三方面组成：1、化学胶结力：混凝土在结硬过程中，水泥胶体与钢筋间产生吸附胶着作用。混凝土强度等级越高，胶结力也越高。2、摩擦力：由于混凝土的收缩，使钢筋周围的混凝土握裹在钢筋上，当钢筋和混凝土之间出现相对滑动的趋势，则此接触面上将出现摩擦力。3、机械咬合力：钢筋表面粗糙不平所产生的机械咬合作用。机械咬合力占总粘结力的一半以上，变形钢筋机械咬合力大大高于光面钢筋的机械咬合力。4.3.2　保证钢筋和混凝土黏结作用的构造措施为了保证钢筋与混凝土共同工作，提高粘结作用，在结构设计中应采取一定的构造措施。1、受力筋应具有足够的锚固长度混凝土结构中，钢筋若要发挥其某个控制截面的强度，则必须将纵向受力钢筋伸过其受力截面一定长度，以利用该长度上钢筋与混凝土的粘结作用把钢筋锚固在混凝土中，这一长度称为钢筋的锚固长度。《规范》规定，纵向受拉钢筋的锚固长度lab按下式计算式中lab—受拉钢筋的基本锚固长度；　　　　fy—钢筋抗拉强度设计值（N/mm2）；ft—混凝土轴心抗拉强度设计值（N/mm2）；d—钢筋的公称直径（mm）；a—钢筋的外形系数，按表3-1采用。表4-1钢筋的外形系数注：光面钢筋系指HPB235级钢筋，其末端应做180°弯钩，弯后平直段长度不应小于3d，但作受压钢筋时可不做弯钩。当计算中充分利用纵向钢筋的抗压强度时，其锚固长度不应小于上述规定的受拉锚固长度的0.7倍。钢筋类型光面钢筋带肋钢筋螺旋肋钢丝三股钢绞线七股钢绞线a0.160.140.130.160.172、保证钢筋可靠连接结构中钢筋的连接主要有绑扎搭接、焊接连接和机械连接。《规范》规定：轴心受拉及小偏心受拉构件的纵向受力钢筋不得采用绑扎搭接接头；直径大于28mm的受拉钢筋及直径大于32mm的受压钢筋不宜采用绑扎搭接接头。绑扎接头必须保证足够的搭接长度；光面钢筋的端部还需做弯钩。《规范》规定，纵向受拉钢筋绑扎搭接接头的搭接长度ll（如图）满足下式的要求，且在任何情况下不应小于300mm。构件中的纵向受压钢筋，当采用搭接连接时，其受压搭接长度不应小于纵向受拉钢筋搭接长度的0.7倍，且在任何情况下不应小于200mm。式中ll—纵向受拉钢筋的搭接长度，mm；la—纵向受拉钢筋的锚固长度，mm；—纵向受拉钢筋搭接长度修正系数，按表4-3采用。表4-3纵向受拉钢筋的搭接长度修正系数纵向钢筋搭接接头面积百分率/％≤25501001.21.41.63、保证有足够的混凝土保护层厚度和钢筋间的净距《规范》规定，纵向受力钢筋的混凝土保护层厚度不应小于钢筋的公称直径，且应符合附表A-7的规定。4、选择直径较小的钢筋及变形钢筋。光面钢筋的粘结性能较差，故除直径12mm的受压钢筋和焊接网、焊接骨架中的光面钢筋外，其余光面钢筋的末端均应做弯钩。5、根据混凝土的浇注状况，进行分层浇筑及二次振捣在混凝土浇注深度超过300mm以上的上部水平钢筋底面，由于混凝土的骨料下沉和水分气泡的逸出，形成一层强度较低的混凝土层，它将削弱钢筋与混凝土的粘结作用。因此对截面高度较大的构件应分层浇注和采用二次振捣。