1、1,混凝土结构及 砌体结构,东南大学成贤学院,第2章 钢筋砼材料的物理性能和力学性能,2,2.1 砼,砼的物理力学性能主要包括：（1）强度；（2）变形性能；（3）收缩、膨胀和温度变形；（4）其它（炭化、防渗、防冻、耐热、耐磨等）。 2.1.1 砼强度1）砼立方体抗压强度,3,用砼立方体试件测得的抗压强度，是衡量砼强度的主要指标。 （1）影响因素试块尺寸。制作和养护方法。龄期。试验方法：表面状态，加荷速度。图21所示为砼立方体受压破坏特征。（2）砼强度等级砼立方体抗压强度标准值。,4,砼立方体抗压强度标准值：按照标准方法制作养护的边长为150mm的立方体试件在28d龄期，用标准试验方法测得的具有
2、95保证率的抗压强度。表示方法：用符号C和立方体抗压强度标准值表示,例C2020N/mm2。分级：14级（C15,C20,C25 C75,C80 ） 。注意几个问题：,5,当采用边长为100mm或200mm的立方体测得的立方体强度时，应乘以换算系数0.95或1.05。砼强度等级是立方体抗压强度的标准值确定的，它与立方体抗压强度平均值不同。2) 砼轴心抗压强度（棱柱体抗压强度）用棱柱体试件测得的抗压强度。（1）主要影响因素随试件高宽比增大，棱柱体强度降低。试件高宽比不宜太小，也不宜太大。标准试件为150150300mm。,6,（2）轴心抗压强度与立方体抗压强度的关系实验结果 实际构件的修正3)
3、砼轴心抗拉强度（1）试验方法直接拉伸间接拉伸劈裂试验（图22）,7,按弹性理论计算弯曲拉伸（2） 与 的关系试验结果结构中砼轴心抗拉强度,即,8,4）复合应力状态下的砼强度（1）双向应力状态双向受压（图23）一向抗压强度随另一向压应力的增加而增加。当 时，抗压强度提高25，当时，抗压强度提高16。 双向受拉双向受拉强度与单向受拉强度基本相同。一向受拉、一向受压抗压强度随着另一向拉应力增大而降低，且大致 为线性关系。,9,压剪应力状态（图24）A.砼抗压强度由于剪应力存在而降低。B.当 时，砼抗剪强度随压应力增加而提 高。当 时，砼抗剪强度随压应力增加而降低。（2）三向应力状态砼圆柱体三向受压的
4、轴心抗压强度随另二向的增加而增加。k值常取为4.0。 图,10,2.1.2 砼的变形1）砼在一次短期加荷时的变形性能（1）砼在单向受压时的 曲线 图25由上升段和下降段组成。上升段：当 时， 基本成线性关系。当 时，逐渐弯曲，接近峰值时 增长迅速。,11,下降段：过峰值点c后， 下降；当 时，砼压碎。影响 的因素有砼强度、组成材料的性质、配合比、龄期、试验方法及箍筋约束等。（2）砼的横向变形横向变形系数 ：砼受压时，横向应变与纵向应变的比值。 值的变化规律,12,时， 。时， 迅速增大。 图28砼的体积应变 图29（3）砼的弹性模量、变形模量和剪切模量基本概念A.原点弹性模量： 曲线在原点O的
5、切线的斜率。 图210,13,若把砼的总应变 视为由弹性应变 和塑性应变 两部分组成，即,B.割线模量：连接 曲线原点O及曲线上某点（k）的割线的斜率。,14,称为砼的弹性特征系数， 。 较小时， ；随 增大 减小。当；当 ， 。,C.切线模量： 曲线上某点（k）的切线的斜率，即为该点的切线模量。砼受压弹性模量计算公式,15,受拉弹性模量受拉弹性模量与受压基本相同。考虑塑性时取 。,剪切模量2)砼在长期荷载作用下的变形性能（1）砼的徐变和徐变变形在应力保持不变的条件下，随着荷载持续时间的增长，砼的变形将增大，这种现象称为徐变，增长的变形称为徐变变形。,16,（2）砼徐变的一般规律(图211 )
6、在荷载作用下，砼将产生瞬时应变。随荷载持续时间增长，砼将产生徐变变形，前期徐变变形增长很快，6个月可达最终徐变的7080，以后徐变变形增长缓慢。24个月的徐变变形可达瞬时应变的24倍。在卸载后，立即恢复的一部分应变称为砼瞬时弹性回缩，再经过一段时间（约20天）后才逐渐恢复的那部分应变称为弹性后效。不可恢复的应变 称为永久应变。,17,（3）影响徐变的因素施加的应力当 时，徐变大致与应力成正比，称为线性徐变。加荷初期，徐变增长很快，以后逐渐减缓，甚至停止。当 时，徐变增长较应力增大为快，称为非线性徐变。应力过高 时，非线性徐变往往不收敛，导致砼破坏。荷载持续时间长，徐变大。加荷时的龄期短，徐变大
7、。,18,湿度高，徐变小。养护时温度高，徐变小；加荷时温度高，徐变大。砼的组成成分：水泥用量多，徐变大；水灰比大，徐变大；骨料坚硬，徐变小。结构尺寸小，徐变大。（4）徐变对结构受力性能的影响有利方面：有利于防止结构裂缝和有利于结构内力重分布。不利方面：增大结构变形；引起预应力,19,损失。3）在重复荷载下的变形性能（1）一次加、卸载的 曲线 图214（2）多次重复加、卸载的 图215当 时，卸载和随后加载的曲线形成一闭合的滞回环，且随重复次数增加，逐渐变成重合的直线。当 时，循环重复加、卸载初期，与上述相同。但随着循环次数增加，加载,20,的曲线会由凸向轴向变为凸向，最后导致砼破坏。 2.1.
8、3 砼的收缩、膨胀和温度变形1)砼的收缩（1）砼收缩的一般规律收缩随时间增长而增加，初期较快，以后逐渐减缓。一个月可达50。最终收缩量为（25）104（2）主要影响因素组成成分：水泥用量愈多，水灰比愈,21,大，收缩愈大；骨料粒径愈大，收缩愈小。矿 渣水泥比普通水泥收缩大。养护方法：高温湿养收缩小。环境条件：高温、干燥收缩大。（3）收缩对结构的不利影响1.使结构易产生裂缝，裂缝宽度增大。2.引起预应力损失，使结构产生不利的内 力。2）砼的膨胀3）砼的温度变形,22,2.2 钢筋 2.2.1 钢筋的类型1）柔性钢筋（1）钢筋：光面钢筋、带肋钢筋。图216 （2）钢丝：单根钢丝、钢绞线。2）钢骨（
9、型钢） 2.2.2 钢筋的成分、性能、种类和级别1）钢筋的化学成分（1）碳素钢,23,低碳钢：含碳量低于0.25（钢筋）高碳钢：含碳量为0.61.4（钢丝）（2）普通低合金钢：加入少量合金元素 （锰、钛、钒等），分为锰系、硅钛系、硅钒 系。2）钢筋的种类和级别（1）钢筋热轧钢筋：HPB235、HRB335、HRB400、RRB400。热处理钢筋（调质钢筋）,24,（2）钢丝光面钢丝、刻痕钢丝、螺旋肋钢丝（3）其他：冷拉钢筋、冷轧带肋钢筋、冷 拔低碳钢丝。 2.2.3 钢筋的强度和变形由钢筋在单调拉伸下的应力应变曲线来表 征。1）热轧低碳钢和热轧普通低合金钢 图217 特点：有明显的屈服点和流幅
10、。,25,2）高碳钢 图218 特点：无明显屈服点。实用上取残余应变为0.2时的应力作为假 定的屈服强度，称条件屈服强度，用 表示。 2.2.4 钢筋的冷加工1）冷拉钢筋将钢筋拉到超过钢筋屈服强度的某一应力 值，以提高钢筋抗拉强度的冷加工方法，称为 冷拉。,26,（1）张拉至k点，卸荷（ ），立即再加荷（ ）可见， 曲线转折点由b提高至k。（2）张拉至k点，卸荷（ ），停留一段时间后再加荷（ ），可见，曲线转折点由b提高至 。经冷拉、且卸荷后经历一段时间后，钢材强度提高，屈服段缩短的现象，称为时效硬化。,27,时效硬化和温度有很大关系。常温20天； 2小时； 强度反而降低； 软化。注意：冷拉只
11、能提高抗拉强度，不能提高抗压强度；张拉应力最大值（k）点要合适；冷拉钢筋焊接，应先焊接，后冷拉。2）冷拔钢丝将钢筋用强力拔过比它本身直径小的硬质合金拔丝模，拔成较细直径的钢丝，以提高其,28,强度的冷加工方法，称为冷拔。 图219 图220 注意：拔的次数愈多，钢筋直径缩小率愈大，强度提高愈多，塑性降低愈多。冷拔既可 提高抗拉强度，也可提高抗压强度。 2.2.5 钢筋在重复荷载作用下的性能1）疲劳破坏钢筋在周期性的重复荷载作用下，即使应力小于一次静载的强度，在经过一定次数后，突然发生断裂的现象，称为钢筋的疲劳破坏。,29,2）影响因素应力幅，即（ ），是主要因素。此外还有疲劳应力比值 （即 ）
12、、钢筋强度、最小应力值、钢筋外表面的几何尺寸等。3）疲劳应力幅限值规范规定，以疲劳应力幅作为验算钢筋疲劳性能的指标，该值与疲劳应力比值有关。 2.2.6 钢筋砼结构对钢筋性能的要求强度高、塑性好、可焊性好、与砼的粘结性能好。,30,1）强度钢筋强度包括屈服强度、极限强度。屈服强 度是设计计算的主要依据。2）塑性要求钢筋在断裂前具有足够的变形能力，有 明显的破坏预兆；在冷弯时具有良好的变形能力，不产生裂纹。（1）延伸率（伸长率）在拉伸前，在钢筋试件上量取基本标距 （10d，5d），试件拉断后，该标距伸长为 ，,31,则伸长率为 。、 用 、 表示。（2）冷弯将钢筋沿一个直径为D的钢辊进行转弯，要
13、求达到一定角度 时，钢筋不发生裂纹。3）可焊性焊接接头性能良好，接头强度不低于母材强度，且不产生裂缝或过大变形。4）与砼的粘结性能,32,2.3钢筋和砼的粘结2.3.1基本概念（粘结的作用）1）粘结的重要性钢筋和砼的共同作用主要依靠其间的粘结。 粘结是钢筋和砼之间内力传递的基础。2）粘结试验粘结强度的测定通常采用拔出试验。 图222,33, 2.3.2粘结的机理（图223）粘结力主要包括下列几项：（1）胶着力（化学吸附力）：水泥胶体与钢筋表面的吸附胶着作用。一旦因滑移而被破坏，就不能恢复。（2）摩阻力：砼收缩产生垂直于钢筋表面的压力，从而产生摩阻力。（3）咬合力：带肋钢筋肋间嵌入砼而形成的机械
14、咬合力。这是带肋钢筋与砼粘结的主要部分。,34,2.3.3影响粘结力的因素1）钢筋表面形状：带肋钢筋比光面钢筋粘结强度高；微锈钢筋比无锈钢筋粘结强度高。2）砼强度3）砼保护层厚度4）浇注位置5）钢筋间距6）横向钢筋7）受力状态：横向压力、荷载类型8）锚固长度,35,2.4钢筋的锚固和连接 2.4.1钢筋的锚固1）受拉钢筋的锚固（1）充分利用钢筋强度时的锚固长度普通钢筋预应力钢筋值按表2-1确定。,36,（2）受拉钢筋锚固长度的修正有6条规定，见P2122。（3）机械锚固的方法 图2242）受压钢筋的锚固充分利用钢筋的抗压强度时，其锚固长度不应小于受拉钢筋锚固的0.7倍。 2.4.2钢筋的连接1）连接的类型绑扎搭接、机械连接或焊接。,37,2）绑扎搭接的有关规定（1）搭接接头的连接区段 图225 （2）连接区段内的受拉钢筋的百分率（3）搭接长度,38,本章结束 课后习题：,返回,39,图21,40,图22,41,图23,42,图24,43,图,44,图25,45,图28,46,图29,47,图210,48,图211,49,图214,50,图215,51,图216,52,图217,53,图218,54,图219,55,图220,56,图222,57,图223,58,图224,59,图225,60,表21 钢筋的外形系数,
