大工13春《钢筋混凝土结构》辅导资料二.docx

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大工13春《钢筋混凝土结构》辅导资料二

钢筋混凝土结构辅导资料二

主题：

第二章混凝土结构材料的物理力学性能部分的辅导资料——包括钢筋及混凝土的物理力学性能、钢筋和混凝土的粘结三部分内容

学习时间：

2013年4月8日－4月14日

内容：

我们这周主要学习第二章，通过本章的学习，了解钢筋的强度和变形、级别、品种，混凝土结构对钢筋性能的要求，理解单轴和复合受力状态下混凝土的强度，混凝土的变形性能；熟练掌握钢筋与混凝土共同工作的原理。

一、学习要求

1.了解钢筋的强度和变形，钢筋的成分、级别和品种，混凝土结构对钢筋性能的要求；

2.掌握钢筋的应力—应变关系曲线的特点和数学模型，分清双直线模型、三折线模型和双斜线模型所代表的钢筋类型；

3.了解单轴受力状态下混凝土强度的标准检验方法，混凝土强度和强度等级；

4.掌握混凝土在一次短期加载时的变形性能，混凝土处于三向受压的变形特点；

5.理解混凝土在重复荷载作用下的变形性能；

6.理解混凝土的弹性模量、徐变和收缩性能；

7.掌握钢筋和混凝土的粘结性能。

（1）重点概念已经在旁边标出了需要熟练掌握的字样；

（2）有些概念考试中将会出现的，使用“内容”加重表示，需要在学习的过程中注意。

本章包含的基本概念如下（需要熟练掌握）

混凝土强度、钢筋屈服强度、混凝土弹性模量、混凝土徐变、钢筋种类。

二、主要内容

知识点：

混凝土结构的分类，钢筋与混凝土协同工作的原因。

混凝土的物理力学性能

（一）混凝土结构的组成

混凝土是由水泥、砂、石材料用水拌合硬化后形成的人工石材，是多相复合材料。

通常把混凝土的结构分为三种基本结构类型：

微观结构即水泥石结构；亚微观结构即混凝土中的水泥砂浆结构；宏观结构即砂浆和粗骨料两组分体系。

（二）单轴应力状态下的混凝土强度

1.混凝土的抗压强度

：

（重要概念，需要熟练掌握）

（1）《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，用符号

表示；

（2）定义：

以边长为150mm的立方体为标准试件，标准立方体试件在（20

3）℃的温度和相对湿度90%以上的潮湿空气中养护28d，按照标准试验方法测得的抗压强度作为混凝土的立方体抗压强度，单位为N/mm

，以上述标准试验方法测得的具有95%保证率的立方体抗压强度作为混凝土的强度等级；

（3）《混凝土结构设计规范》规定的混凝土强度等级有C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75、C80，共14个等级，C50～C80属于高强混凝土范畴。

2.《混凝土结构设计规范》中对混凝土强度选择的相关规定（考试中可能会出现的知识点）

（1）钢筋混凝土结构的混凝土强度等级不应低于C15；

（2）当采用HRB335级钢筋时，混凝土强度等级不宜低于C20；

（3）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；

（4）预应力混凝土结构的混凝土强度等级不应低于C30；

（5）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。

3.混凝土立方体试块的破坏情况

图2.1混凝土立方体试块的破坏情况：

（a）不涂润滑剂；（b）涂润滑剂

4.轴心抗压强度

混凝土的轴心抗压强度采用棱柱体试件测定，用符号

表示，比较接近实际构件中混凝土的受压情况。

棱柱体试件高宽比一般为h/b=2-3,通常以150mm×150mm×300mm的棱柱体试件为标准试件,在不采取减磨措施的基础上测得的具有95%保证率的抗压强度作为混凝土轴心抗压强度标准值，用符号

表示，单位N/mm

。

《混凝土结构设计规范》对于轴心抗压强度标准值与立方体抗压强度标准值的关系按下式确定：

（1）

式中：

为棱柱体强度与立方体强度之比，对混凝土强度等级为C50以下取0.76，C80取0.82，中间线形内差。

为高强混凝土的脆性折减系数，对C40及以下取1.00，对C80取0.87，中间线形内差。

0.88为考虑实际构件与试件混凝土强度之间的差异而取用的折减系数。

5.混凝土的轴心抗拉强度

—混凝土的基本力学性能指标

混凝土构件开裂、裂缝、变形、以及受剪、受扭、受冲切等的承载力均与混凝土抗拉强度密切相关。

轴心抗拉强度只有立方体抗压强度的

～

，混凝土强度等级越高，这个比值越小。

《混凝土结构设计规范》考虑了从普通强度混凝土到高强度混凝土的变化规律，取轴心抗拉强度标准值

与立方体抗压强度标准值

的关系为：

（2）

式中：

为变异系数，0.88的意义和

的取值与公式

（1）相同。

（三）复合应力状态下的混凝土强度

实际混凝土结构构件大多处于复合应力状态，即双向或三向受力状态。

如框架梁、柱既受到柱轴向力作用，又受到弯矩、剪力的作用，形成压弯、弯剪以及弯剪扭和压弯剪扭等构件。

下图为双向应力状态下混凝土的破坏包络图

图2.2双向应力状态下混凝土的破坏包络图

在两个平面作用法向应力

和

，第三个平面上应力为零的双向应力状态下，不同混凝土强度的二向破坏包络图如上图所示，图中

是单轴向受力状态下的混凝土强度，一旦超出包络线就意味着材料发生破坏。

图中第一象限为双向受拉区，双向受拉强度均接近单向受拉强度。

第三象限为双向受压区，大体上一向的强度随另一向压力的增加而增加，混凝土双向受压强度比单向受压强度最多可提高27%。

第二、四象限为拉-压应力状态，此时混凝土的强度均低于单向拉伸或压缩时的强度。

混凝土在三向受压的情况下，由于受到侧向压力的约束作用，最大主压应力有较大程度的增长，其变化规律随两侧向压应力的比值和大小而不同。

（四）混凝土的变形

混凝土在一次短期加载、荷载长期作用和多次重复荷载作用下会产生变形，这类变形称为受力变形。

混凝土由于硬化过程中的收缩以及温度和湿度变化也会产生变形，这类变形称为体积变形。

变形是混凝土的一个重要力学性能。

1．一次短期加载作用下混凝土的变形性能

（1）混凝土受压时的应力-应变关系

一次短期加载是指荷载从零开始单调增加至试件破坏，也称单调加载。

混凝土受压时的应力-应变关系时混凝土最基本的力学性能之一，我国采用棱柱体试件测定一次短期加载下混凝土受压应力-应变全曲线。

下图为实测的典型混凝土棱柱体受压应力-应变全曲线：

图2.3混凝土棱柱体受压应力-应变曲线

曲线包括上升段和下降段两部分，上升段又可分为三段：

OA段：

应力σ≤0.3

，变形主要取决于混凝土内部骨科和水泥结晶体的弹性变形，应力应变关系呈直线变化。

AB段：

应力σ在0.3～0.8

范围，由于混凝土内部水泥凝胶体的粘性流动，以及各种原因形成的微裂缝亦渐处于稳态的发展中，致使应变的增长较应力为快，表现了材料的弹塑性性质。

BC段：

当应力σ＞0.8

之后，混凝土内部微裂缝进入非稳态发展阶段，塑性变形急剧增大，曲线斜率显著减小。

当应力到达峰值时，混凝土内部粘结力破坏，随着微裂缝的延伸和扩展，试件形成若干贯通的纵裂缝，混凝土应力达到受压时最大承压应力

（C点），即轴心抗压强度

。

下降段CE是混凝土达到峰值应力后裂缝继续扩展、贯通，从而使应力-应变关系发生变化。

在峰值应力以后裂缝迅速发展，内部结构的整体受到越来越严重的破坏，赖以传递荷载的传力路线不断减少，试件的平均应力强度下降，所以应力-应变曲线向下弯曲，直至凹向发生改变，曲线出现“拐点”。

超过“拐点”D，曲线开始凸向应变轴，这时，只靠骨料间的咬合及摩擦力与残余承压面来承受荷载。

随着变形的增加，应力—应变曲线逐渐凸向水平轴方向发展，此段曲线中曲率最大的一点E称谓“收敛点”。

从收敛点E点开始以后的曲线称为收敛段，这时贯通的主裂缝已很宽，内聚力几乎耗尽，对无侧向约束的混凝土，收敛段EF已失去实际意义。

注意：

应力应变曲线中最大应力值

。

与其相应的应变值

（C点），以及破坏时的极限应变值

（E点）是曲线的三个特征值。

（2）混凝土单轴向受压应力-应变曲线的数学模型

①美国E.Hognestad建议的模型

上升段为二次抛物线，下降段为斜直线。

②德国Rüsch建议的模型

上升段也采用二次抛物线，下降段则采用水平直线。

（3）混凝土三向受压状态下混凝土的变形特点

混凝土试件横向受到约束时，既可提高强度，又可提高变形能力，即提高延性。

图2.4混凝土圆柱体三向受压试验时轴向应力-应变曲线

工程上可以通过设置密排螺旋筋或箍筋来约束混凝土，改善钢筋混凝土结构的受力性能。

（4）混凝土的变形模量（考试中可能会出现的知识点）

①混凝土的弹性模量（即原点模量）

混凝土棱柱体受压时，在应力-应变曲线的原点作切线，其斜率为混凝土的原点模量，称为弹性模量，以

表示，

，式中

为混凝土应力-应变曲线在原点处的切线与横坐标的夹角。

②混凝土的变形模量

连接应力-应变曲线原点与任意一点应力为

处割线的斜率，称为任意点割线模量或称为变形模量，表达式为

，由于总变形中包含了弹性变形和塑性变形两部分，因此，确定的模量也可称为弹塑性模量或割线模量。

③混凝土的割线模量

在混凝土应力-应变曲线上某一应力

处作切线，其应力增量与应变增量之比称为相应于应力

时混凝土的切线模量，

，可以看出混凝土的切线模量是一个变值，随着混凝土的应力增大而减小。

混凝土各种模量的表示方法如下图所示：

图2.5混凝土变形模量的表示方法

2.荷载长期作用下混凝土的变形性能（考试中可能会出现的知识点）

结构或材料承受的荷载或应力不变，而应变或变形随时间增长的现象称为徐变，徐变主要与时间参数有关。

徐变不利影响：

徐变会使结构（构件）的（挠度）变形增大，引起预应力损失，在长期高应力作用下，甚至会导致破坏。

徐变有利影响：

徐变有利于结构构件产生内（应）力重分布，降低结构的受力，减小大体积混凝土的温度应力。

影响徐变的主要因素：

①内在因素；

②环境因素；

③应力因素。

徐变与影响因素之间的变化关系：

①加载龄期：

龄期越早，徐变越大；

②应力大小：

应力越大徐变也越大；当应力较小时，徐变与应力成正比；

③混凝土组成：

水泥用量越多，徐变越大；水灰比越大，徐变越大；

④骨料弹性性质：

骨料越坚硬，弹性模量越高，对水泥石徐变的约束作用越大，混凝土徐变越小；

⑤混凝土的制作方法、养护条件：

特别是养护时的温度和湿度对徐变有重要影响，养护时温度高、湿度大，水泥水化作用充分，徐变越小。

而受到荷载作用后所处的环境温度越高、湿度越低，则徐变越大；

⑥构件的形状、尺寸：

大尺寸试件内部失水受到限制，徐变减小；同时钢筋的存在对徐变也有影响。

3.混凝土在荷载重复作用下的变形——疲劳变形

混凝土的疲劳强度由疲劳试验测定。

采用100mm×100mm×300mm或者150mm×150mm×450mm的棱柱体，把棱柱体试件承受200万次或其以上循环荷载而发生破坏的压应力值称为混凝土的疲劳抗压强度。

4.混凝土的收缩与膨胀（考试中可能会出现的知识点）

混凝土在空气中硬化时体积会缩小，这种现象称为混凝土的收缩,是混凝土在不受外力情况下体积变化产生的变形。

当这种自发的变形受到外部（支座）或内部（钢筋）的约束时，将使混凝土中产生拉应力，甚至引起混凝土的开裂。

混凝土收缩会使预应力混凝土构件产生预应力损失。

影响收缩的因素

（1）水泥品种：

水泥强度等级越高，混凝土收缩越大；

（2）水泥用量：

水泥用量多、水灰比越大，收缩越大；

（3）骨料性质：

骨料的弹性模量大，收缩小；

（4）养护条件：

结硬过程中周围温、湿度越大，收缩越小；

（5）混凝土制作方法：

越密实，收缩越小；

（6）使用环境：

使用环境温度、湿度大时，收缩小；

（7）构件的体积与表面积比值：

比值大时，收缩小。

钢筋的物理力学性能

（一）钢筋的品种和级别

混凝土结构中使用的钢材按化学成分，可分为碳素钢和普通低合金钢两大类。

碳素钢根据含碳量多少又可分为低碳钢（含碳量<0.25%）、中碳钢（含碳量0.25%～0.6%）和高碳钢（含碳量0.6%～1.4%）。

普通低合金钢：

除碳素钢中已有的成分外，再加入少量的硅、锰、钛、钒、铬等合金元素，有效地提高钢材的强度和改善钢材的其他性能。

《混凝土结构设计规范》规定，用于钢筋混凝土结构的国产普通钢筋可使用热轧钢筋。

用于预应力混凝土结构的国产预应力钢筋宜采用预应力钢绞线、消除应力钢丝，也采用热处理钢筋。

混凝土结构中常用钢筋的品种有：

热轧钢筋、中高强钢丝、钢绞线、热处理钢筋、冷加工钢筋.

热轧钢筋－低碳钢、普通低合金钢在高温状态下轧制而成，软钢，具有明显的屈服点和流幅。

热轧钢筋按其强度分为四个级别：

（考试中可能会出现的知识点）

HPB235级（Ⅰ级）钢筋：

=235N/mm

，为光面钢筋，一般作为现浇楼板的受力钢筋和箍筋等。

HRB335级（Ⅱ级）钢筋：

=335N/mm

HRB400级（Ⅲ级）钢筋：

=400N/mm

RRB400级（Ⅳ级）钢筋：

=400N/mm

Ⅱ级和Ⅲ级钢筋强度较高，多作为钢筋混凝土构件的受力钢筋，尺寸较大的构件，也有用Ⅱ级钢筋作箍筋以增强与混凝土的粘结，外形制作成月牙肋或等高肋的变形钢筋。

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。

中高强钢丝和钢绞线均用于预应力混凝土结构。

热处理钢筋是将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，可用于预应力混凝土结构。

冷加工钢筋是由热轧钢筋和盘条经冷拉、冷拔、冷轧、冷扭加工后而成，冷加工的目的是为了提高钢筋的强度，节约钢材。

但经冷加工后，钢筋的延伸率降低。

（二）钢筋的强度与变形

1.有明显流幅的钢筋的应力-应变关系模型（考试中可能会出现的知识点）

下图为具有明显流幅即明显屈服点的钢筋的应力-应变曲线：

图2.6有明显流幅的钢筋的应力-应变曲线

应力值在A点以前，应力与应变成比例变化，与A点对应的应力称为比例极限。

过A点后，应变较应力增长为快，到达

点后，钢筋开始塑流，

点称为屈服上限，图中B点为屈服下限，此时应力基本不增加而应变急剧增长，曲线接近水平线。

曲线延伸至C点，B点到C点的水平距离的大小称为流幅或屈服台阶，有明显流幅的热轧钢筋屈服强度是按屈服下限确定的。

过C点以后，应力又继续上升，说明钢筋的抗拉能力又有所提高。

随着曲线上升到最高点D，相应的应力称为钢筋的极限强度，CD段称为钢筋的强化阶段。

过D点以后，试件薄弱处的截面将会突然显著缩小，发生局部颈缩，变形迅速增加，应力随之下降，达到E点时试件会被拉断。

2.没有明显流幅的钢筋的应力-应变关系模型（考试中可能会出现的知识点）

应力-应变关系如下图所示：

图2.7无明显流幅的钢筋的应力-应变曲线

3.钢筋应力-应变曲线的数学模型

①描述完全弹塑性的双直线模型；

②描述完全弹塑性加硬化的三折线模型；

③描述弹塑性的双斜线模型。

4.钢筋的疲劳

钢筋的疲劳是指钢筋在承受重复、周期性的动荷载作用下，经过一定次数后，突然脆性断裂的现象。

疲劳断裂的原因：

一般认为是由于钢筋内部和外部的缺陷，在这些薄弱处容易引起应力集中。

应力过高，钢材晶粒滑移，产生疲劳裂纹，应力重复作用次数增加，裂纹扩展，从而造成断裂。

钢筋的疲劳强度影响因素：

应力变化幅值，最小应力值的大小，钢筋外表面几何尺寸和形状、钢筋的直径、钢筋的强度、钢筋的加工和使用环境以及加载的频率等。

5.混凝土结构对钢筋性能的要求（考试中可能会出现的知识点）

①钢筋的强度：

指钢筋的屈服强度及极限强度；

②钢筋的塑性：

使钢筋在断裂前有足够的变形，使结构破坏有一定预兆，同时保证冷弯要求，伸长率和冷弯性能是施工单位验收的主要标准；

③钢筋的可焊性：

评定钢筋焊接后的接头性能的指标；

④钢筋的耐火性

⑤钢筋与混凝土的粘结力：

为了保证钢筋与混凝土共同工作，要求钢筋与混凝土之间必须有足够的粘结力，钢筋表面形状是影响粘结力的主要因素。

混凝土与钢筋的粘结（考试中可能会出现的知识点）

（一）粘结力的组成

光圆钢筋与混凝土的粘结作用主要有以下三个部分：

1.钢筋与混凝土接触面上的化学吸附作用力；

2.混凝土收缩握裹钢筋产生摩阻力；

3.钢筋表面凹凸不平与混凝土之间产生的机械咬合作用力，主要来自表面的粗糙不平。

变形钢筋除了以上三部分外，钢筋与混凝土之间有机械咬合作用，改变了钢筋与混凝土之间的作用方式，显著提高了粘结强度。

（二）影响粘结的因素

1.光圆钢筋与变形钢筋的粘结强度都随着混凝土强度等级的提高而提高，但不与立方体抗压强度

成正比；

2.与光圆钢筋相比，变形钢筋具有较高的粘结强度；

3.混凝土构件截面上有多根钢筋并列在一排时，钢筋间的净距对粘结强度有重要影响；

4.横向钢筋（如梁中的箍筋）可以限制混凝土内部裂缝的发展，提高粘结强度；

5.在直接支承的支座处，如梁的简支端，钢筋的锚固区受到来自支座的横向压应力，横向压应力约束了混凝土的横向变形，使钢筋与混凝土间抵抗滑动的摩阻力增大，因而可以提高粘结强度；

6.粘结强度与浇筑混凝土时钢筋所处位置有关。

三、典型习题

判断题

1、混凝土的抗压强度等级是由一组立方体试块抗压后的平均强度确定的。

答案：

错误

2、混凝土双向受力时比单向受力时强度降低。

答案：

错误

3、对无明显屈服点的钢筋，设计时其强度标准值取值的依据是条件屈服强度。

答案：

正确

填空题

1、钢筋和混凝土是两种不同的材料，钢筋和混凝土能够很好的共同工作是因为、、。

答案：

二者之间良好的粘结力，二者具有相近的线膨胀系数，混凝土包裹钢筋避免钢筋锈蚀。

2、钢筋在混凝土中应有足够的锚固长度，钢筋的强度越、直径越、混凝土的强度越，则钢筋的锚固长度就越长。

答案：

高，粗，低

3、混凝土的延性随强度等级的提高而。

同一强度等级的混凝土，随着加荷速度的减小，延性有所，最大压应力值随加荷速度的减小而。

答案：

降低，增加，减小

简答题

1、什么是钢筋的伸长率和冷弯性能？

它们反应钢筋的什么性能？

答：

伸长率：

钢筋试件拉断后的伸长值与原长的比率。

冷弯性能：

将钢筋绕某一规定直径的钢辊轴进行弯曲，在达到规定的冷弯角度时钢筋不发生裂纹或断裂。

伸长率反映了钢筋的塑性性能，伸长率大的钢筋塑性性能好，反之，则差。

冷弯性能反映了钢筋的塑性性能和内在质量。

2、什么叫钢筋的冷拔？

冷拉和冷拔对钢筋的性能改变有何不同？

答：

冷拔是将钢筋用强力拔过比其直径小的硬质合金拔丝模。

冷拉可以提高钢筋的抗拉强度但不能提高钢筋的抗压强度。

冷拔可以同时提高钢筋的抗拉强度和抗压强度。