熱軋鋼筋的力學性能

屈強比反映鋼筋的強度儲備，fy/ fu=0.6~0.7。

4  鋼筋的應(yīng)力—應(yīng)變簡化模型  

(2)塑性性能：

鋼筋的塑性指標主要有兩個：延伸率和冷彎性能。這兩個指標反映了鋼筋的塑性性能和變形能力。 

伸 長率（Percentageof elongation）：鋼筋拉斷時的應(yīng)變，是指鋼筋試件上標距為10d、5d（d為鋼筋的試件直徑）或100mm范圍內(nèi)的極限伸長率，記為δ10、δ5和δ100。延伸率大的鋼筋，在拉斷前有足夠預兆，延性較好。含碳量越低的鋼筋，屈服臺階越長，延伸率也越大，塑性性能越好。

均勻伸長率δgt由非頸縮斷口區(qū)域標距的殘余應(yīng)變εr與恢復的彈性應(yīng)變εe 組成。

2.  中高強鋼絲（wire）和鋼絞線（strandor tendon）：

均用于預應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。預應(yīng)力鋼絲是以優(yōu)質(zhì)高碳鋼盤條經(jīng)等溫淬火再拉拔而成的鋼絲。中強鋼絲的強度為800～1200MPa，高強鋼絲、鋼絞線的為1470 ～1860MPa；

鋼絲的直徑3～9mm；外形有光面、刻痕和螺旋肋三種。

鋼絞線是用一種稍粗的直鋼絲為中心，其余鋼絲圍繞其進行螺旋狀絞合，再經(jīng)低溫回火處理，有2股、3股、7股等，常用的是3股、7股鋼絞線。

硬鋼的應(yīng)力—應(yīng)變曲線  

 條件屈服強度：

取殘余應(yīng)變?yōu)?.2%所對應(yīng)的應(yīng)力作為無明顯流幅鋼筋的強度限值，通常稱為條件屈服強度。

3. 熱處理鋼筋 （heattreatment） ：

是將Ⅳ級鋼筋通過加熱、淬火和回火等調(diào)質(zhì)工藝處理，使強度得到較大幅度的提高，而延伸率降低不多。用于預應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。

4. 冷加工鋼筋

是指在常溫下采用冷加工工藝對熱軋鋼筋進行加工得到的鋼筋。

?方法：冷拉、冷拔、冷軋、冷軋扭。

?目的：改變鋼材內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高強度，節(jié)約鋼筋。但經(jīng)冷加工后，鋼筋的延伸率降低。

冷拉

冷拉鋼筋由熱軋鋼筋在常溫下經(jīng)機械拉伸而成，冷拉應(yīng)力值應(yīng)超過鋼筋的屈服強度。鋼筋經(jīng)冷拉后，抗拉屈服強度提高，但塑性降低，這種現(xiàn)象稱為冷拉強化。冷拉后，經(jīng)過一段時間鋼筋的屈服點比原來的屈服點有所提高，這種現(xiàn)象稱為時效硬化。 

冷拔

冷拔鋼絲是將鋼筋用強力拔過比它本身直徑還小的硬質(zhì)合金拔絲模而成的鋼絲。分為甲級和乙級兩個級別。

可提高鋼筋的抗拉強度和抗壓強度，但塑性降低很多，冷拔低碳鋼絲的延性較差，且表面光滑，與混凝土粘結(jié)性差。

冷軋帶肋鋼筋

冷軋帶肋鋼筋是以普通低碳鋼、優(yōu)質(zhì)碳素鋼或低合金鋼熱軋圓盤條為母材，在表面冷軋成具有三面或兩面月牙形橫肋的鋼筋，分為五個級別（CRB550、CRB650、CRB800、CRB970和CRB1170），極限強度與冷拔低碳鋼絲相近，但伸長率比冷拔低碳鋼絲有明顯提高。 

冷軋扭鋼筋

冷軋扭鋼筋是以熱軋光面鋼筋 HPB235為原材料，在常溫下按規(guī)定的工藝參數(shù)，經(jīng)鋼筋冷軋扭機一次加工，軋扁扭曲呈連續(xù)螺旋狀的冷強化鋼筋，有矩形、菱形和螺旋肋幾種。

2.1.2  混凝土結(jié)構(gòu)對鋼筋性能的要求

1.強度：強度是鋼筋質(zhì)量的重要目標。

屈服強度、抗拉強度、強屈比。

2.塑性：要求鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)承載能力極限狀態(tài)為具有明顯預兆的塑性破壞。                          

3.可焊性：焊接后不應(yīng)產(chǎn)生裂紋及過大的變形，以保證焊接接頭性能良好。 

4.與混凝土具有良好的粘結(jié)

§2.2 混凝土（concrete）

混凝土受壓破壞機理可概括為：隨著應(yīng)力的增大，沿粗骨料界面和砂漿內(nèi)部的微裂縫逐漸延伸和擴展，導致砂漿的損傷不斷積累；裂縫貫通后，混凝土的連續(xù)性遭到破壞，逐漸喪失其承載力，破壞的實質(zhì)是由連續(xù)材料逐步變成不連續(xù)材料的過程。 

2.2.1  混凝土的強度

1.  抗壓強度

⑴  立方體抗壓強度 fcuk

依此確定我國混凝土強度等級：

用標準制作方式制成的150mm×150mm×150mm的立方體試塊，在20±3℃的溫度和相對濕度在90%以上的潮濕空氣中養(yǎng)護28天，用標準試驗方法測得具有95％保證率的抗壓強度。

fcuk=μf  -1.645σf

常用等級：C15，C20，C25，C30，C35，C40，C45，C50，C55，C60，C65 ，C70，C75，C80

影響立方體抗壓強度的因素：

?內(nèi)因：如強度與水泥標號、骨料品種、配合比等

?外因：試驗方法（箍套）、加荷速率、齡期、溫度、濕度、試件尺寸。

尺寸的影響：

fcu(150) = 0.95 fcu(100)         fcu(150) = 1.05 fcu(200)

2、軸心抗壓強度fc

（1）軸心抗壓強度的概念：也稱棱柱體抗壓強度（用符號fc表示），是用高寬比為2~4的棱柱體試件測得的抗壓強度，我國標準以150×150×300mm的棱柱體試件為標準試件，也常用150×150×450的棱柱體試件。

（2）棱柱體抗壓強度和立方體抗壓強度的換算關(guān)系

二、混凝土破壞機理

混凝土的破壞機

到達B點以后，混凝土產(chǎn)生部分塑性變形，應(yīng)力－應(yīng)變逐漸偏離直線。B點時的裂縫發(fā)展已不穩(wěn)定，試件的橫向變形突然增大，常取sB作為混凝土的長期抗壓強度 ；普通強度混凝土sB約為0.8 fc，高強混凝土sB可達0.95 fc

到達C點時，內(nèi)部微裂縫連通形成破壞面，試件承載力開始減小而進入下降段。B點時的應(yīng)力稱為峰值應(yīng)力，即為混凝土棱柱體抗壓強度；相應(yīng)的縱向壓應(yīng)變稱為峰值應(yīng)變，約為0.002。繼續(xù)發(fā)展至D點時，破壞面初步形成。

E點以后，縱向裂縫形成一個斜向的破壞面，此破壞面在正應(yīng)力和剪應(yīng)力的作用下形成破壞帶。此時試件的強度由破壞面上骨料間的摩阻力提供。隨著應(yīng)變進一步發(fā)展，摩阻力不斷下降，試件的殘余強度約為0.1~0.4 fc

約束混凝土可以提高混凝土的強度，但更值得注意的是可以提高混凝土的變形能力，這一點對于抗震結(jié)構(gòu)非常重要。

軸心抗拉強度ft

軸心抗拉強度標準值

抗折強度 

《普通混凝土力學性能試驗方法標準》選用簡支梁進行試驗，采用三分點對稱加載。

3、混凝土強度的標準值

（1）《規(guī)范》規(guī)定材料強度的標準值fk應(yīng)具有不小于95%的保證率

（2）立方體抗壓強度標準值

（3）軸心抗壓強度標準值

[例]已知fcu,m=30MPa, d=0.14，求fcu,k和fck

fcu,k=fcu,m×(1-1.645d)=23.09MPa

fc,m=0.76fcu,m

fck=fcu,m(1-1.645d)×0.88×1.0

=0.76fcu,m(1-1.645d)×0.88×1.0 =15.44MPa

3. 混凝土在復合應(yīng)力作用下的強度

⑴混凝土的雙向受力強度

 雙軸受力試驗一般采用正方形試件，試驗時沿板平面內(nèi)的兩對應(yīng)邊分別作用法向應(yīng)力s1和s2，沿板厚方向的法向應(yīng)力s3=0，板處于平面應(yīng)力狀態(tài)。

s1、s2  （壓－壓） 強度增加

s1、s2  （拉－壓） 強度降低

由于同時拉壓時，增加了試件另一方向的受拉變形，加速了內(nèi)部微裂縫的發(fā)展，使混凝土強度降低?；炷恋膹姸染陀趩屋S受力（拉或壓）強度。  

s1、s2  （拉－拉）單向受拉強度基本不變

⑵ 混凝土在法向應(yīng)力和切應(yīng)力作用下的復合強度

在有剪應(yīng)力作用時，混凝土的抗壓強度將低于單向抗壓強度。

在剪壓應(yīng)力狀態(tài)下，壓應(yīng)力達到0.6fc前，混凝土的抗剪強度隨壓應(yīng)力增大而提高，超過0.6fc后，抗剪強度隨壓應(yīng)力增大反而減小，當壓應(yīng)力達到混凝土軸心抗壓強度時，抗剪強度為零。  

在剪拉應(yīng)力狀態(tài)下，隨著拉應(yīng)力絕對值的增加，混凝土抗剪強度降低，當拉應(yīng)力約為0.1fc時，混凝土受拉開裂，抗剪強度降低為零。 

⑶ 混凝土的三向受壓強度

三向受壓時，混凝土的抗壓強度和極限變形都有較大提高。

2.2.2  混凝土的變形

混凝土的變形分為兩類：混凝土的受力變形和非受力變形

一. 混凝土的受力變形  

1. 受壓混凝土一次短期加荷的s- e曲線  

試件：棱柱體

混凝土單調(diào)短期加載下的變形性能Stress-strain Relationship

分析混凝土構(gòu)件應(yīng)力、建立承載力和變形計算理論的必要依據(jù)，也是利用計算機進行非線性分析的基礎(chǔ)。

軸心受壓混凝土的應(yīng)力—應(yīng)變曲線

（3）不同強度等級混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

▲混凝土彈性模量的測定與計算

混凝土的泊松比nc

泊松比是指一次短期加載(受壓)時試件的橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變之比。

當壓應(yīng)力較小時，約為0.15~0.18；接近破壞時，可達0.5以上?！兑?guī)范》取nc=0.2。 

4. 受拉混凝土的變形

2、荷載長期作用下混凝土的變形性能－－徐變

（1）徐變的概念

混凝土在荷載的長期作用下，其應(yīng)變或變形隨時間增長的現(xiàn)象稱為徐變。

（2）產(chǎn)生徐變的原因

▲凝膠體的塑性流動。

▲裂縫的出現(xiàn)與發(fā)展。

（3）徐變與時間的關(guān)系

▲ 特點：開始快、以后慢；半年完成大部分、一年穩(wěn)定、三年終止

（4）徐變對結(jié)構(gòu)的影響

▲不利影響：

徐變會使結(jié)構(gòu)（或構(gòu)件）的變形增大（如撓度）；

引起預應(yīng)力損失；

在長期高應(yīng)力作用下，甚至會導致破壞。

▲有利影響：

有利于結(jié)構(gòu)構(gòu)件產(chǎn)生內(nèi)（應(yīng)）力重分布，降低結(jié)構(gòu)的受力；

減小大體積混凝土內(nèi)的溫度應(yīng)力；

受拉徐變可延緩收縮裂縫的出現(xiàn)。

影響徐變的因素：

1)材料組成

在混凝土的組成成分中，水灰比愈大，水泥水化后殘余的游離水愈多，徐變也愈大；水泥用量愈多，凝膠體在混凝土中所占比重也愈大，徐變也愈大；骨料愈堅硬，彈性模量愈大以及骨料所占體積比愈大，則由凝膠體流動后傳給骨料壓力所引起的變形也愈小，徐變也愈小。

2) 外部環(huán)境 

養(yǎng)護環(huán)境濕度愈大，溫度愈高，則水泥水化作用愈充分，徐變就愈小，混凝土在使用期間處于高溫、干燥條件下所產(chǎn)生的徐變比低溫、潮濕時明顯增大。此外，由于混凝土中水分的揮發(fā)逸散與構(gòu)件的體積與表面積之比有關(guān)，因而構(gòu)件尺寸愈大，表面積相對愈小，徐變就愈小。

3) 應(yīng)力大小

l當s≤0.5fc時，徐變與應(yīng)力成正比，為線性徐變。 

 l當s=(0.5~0.8)fc時，徐變的增長速度比應(yīng)力的增長速度快，為非線性徐變。

l當σ>0.8fc時，混凝土內(nèi)部的微裂縫進入非穩(wěn)態(tài)發(fā)展，導致混凝土破壞。取σ=0.8fc作為混凝土的長期抗壓強度。初應(yīng)力越大，徐變也越大。

4)齡期影響

加載時混凝土的齡期越長，徐變越小。

為了減少徐變，應(yīng)避免過早地給結(jié)構(gòu)施加長期荷載，例如在施工期內(nèi)避免過早地撤除構(gòu)件的模板支柱等，也可以采取加快混凝土硬結(jié)的措施來減小齡期對徐變的影響。 

4、混凝土的收縮

（1）收縮的概念

混凝土在空氣中硬化時體積會縮小，這種現(xiàn)象稱為混凝土的收縮。（收縮是混凝土在不受外力情況下由于體積變化而產(chǎn)生的變形。）

（2）引起收縮的原因

▲物理方面：干燥失水。

▲化學方面：混凝土的碳化（凝膠體中的Ca(OH)2? CaCO3）。

（3）收縮對結(jié)構(gòu)的影響

▲當收縮受到約束（如支座、內(nèi)部鋼筋）時，將使混凝土中產(chǎn)生拉應(yīng)力，甚至引起混凝土的開裂。

▲混凝土收縮會使預應(yīng)力混凝土構(gòu)件產(chǎn)生預應(yīng)力損失。

（4）收縮與時間的關(guān)系

▲早期發(fā)展快，兩周可完成全部收縮的25%，一個月可完成50%；以后發(fā)展逐漸減慢，整個收縮過程可延續(xù)兩年以上。

一般情況下，最終收縮應(yīng)變值約為(2~5)×10-4混凝土開裂應(yīng)變?yōu)?/span>(0.5~2.7)×10-4

（5）影響收縮的因素

▲水泥的強度等級高、用量多、水灰比大，收縮就大；

▲骨料彈性模量高、級配好，收縮就?。?/span>

▲養(yǎng)護時的濕度大、溫度高，收縮就??；

▲使用時的濕度大、溫度低，收縮就小；

▲構(gòu)件體表比大，收縮就小；

▲混凝土越密實，收縮越小；

（6）膨脹的概念

混凝土在水中硬化時體積會增大，這種現(xiàn)象稱為混凝土的膨脹。

（7）膨脹對結(jié)構(gòu)的影響

但混凝土的膨脹值一般較小，對結(jié)構(gòu)的影響也較小，所以經(jīng)常不予考慮。

2.2.3  混凝土的選用原則

?建筑工程中，鋼筋混凝土構(gòu)件的混凝土強度等級不應(yīng)低于C20 

?當采用HRB400級鋼筋時，不宜低于C25

?當采用HRB400和RRB400級鋼筋以及承受重復荷載的構(gòu)件，不得低于C30 

?預應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)不應(yīng)低于C30 

?采用鋼絞線、鋼絲、熱處理鋼筋作預應(yīng)力鋼筋時，不宜低于C40

2.3 鋼筋與混凝土的粘結(jié)

一、粘結(jié)的概念

二、粘結(jié)的作用

通過粘結(jié)可實現(xiàn)鋼筋與混凝土之間的應(yīng)力傳遞，保證兩種材料結(jié)合在一起共同工作。

三、兩類粘結(jié)

 1、錨固粘結(jié)

2、局部粘結(jié)

§2.3  鋼筋與混凝土的粘結(jié)

鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)是這兩種材料共同工作的保證，使之能共同承受外力、共同變形、抵抗相互之間的滑移。 

產(chǎn)生鋼筋和混凝土粘結(jié)力的主要原因：

?混凝土收縮將鋼筋緊緊握固而產(chǎn)生的摩擦力；

?混凝土顆料的化學作用產(chǎn)生的混凝土與鋼筋之間的膠合力；

?鋼筋表面凹凸不平與混凝土之間產(chǎn)生的局部粘結(jié)應(yīng)力；

?鋼筋端部在混凝土內(nèi)的錨固作用。

2.3.1  粘結(jié)力的定義

若鋼筋和混凝土有相對變形（滑移），就會在鋼筋和混凝土交界面上產(chǎn)生沿鋼筋軸線方向的相互作用力，這種力稱為鋼筋與混凝土的粘結(jié)力。

⑴ 裂縫之間局部粘結(jié)應(yīng)力

是指相鄰兩個開裂截面之間產(chǎn)生的鋼筋拉力，通過裂縫兩側(cè)的粘結(jié)應(yīng)力部分地向混凝土傳遞，使未開裂的混凝土受拉。

⑵  鋼筋端部的錨固粘結(jié)應(yīng)力

是指鋼筋伸入支座或支座負彎矩鋼筋在跨間截斷時，必須具有足夠的錨固長度，通過錨固長度積累的粘結(jié)力。

按鋼筋所處部位和所起作用不同受壓、受拉、支座、節(jié)點及鋼筋截斷時，錨固長度各異。 

 以錨固粘結(jié)應(yīng)力為例：

錨固設(shè)計的基本原則是必須保證足夠的錨固粘結(jié)強度以使鋼筋強度得以充分利用，即

2.3.2 粘結(jié)力的組成

1. 粘結(jié)力的組成

⑴化學膠結(jié)力

混凝土凝結(jié)時，由于水泥的水化作用在鋼筋與混凝土接觸面上產(chǎn)生的化學吸附作用力；來源于澆筑時水泥漿體向鋼筋表面氧化層的滲透和養(yǎng)護過程中水泥晶體的生長和硬化。取決于水泥的性質(zhì)和鋼筋表面的粗糙程度。這種力一般很小，只在鋼筋和混凝土界面存在，當接觸面發(fā)生相對滑移時就消失，僅在局部無滑移區(qū)內(nèi)起作用。

⑵  摩擦力

混凝土收縮后將鋼筋緊緊地握裹住，當鋼筋和混凝土產(chǎn)生相對滑移時，在鋼筋和混凝土界面上將產(chǎn)生摩擦力。它取決于混凝土發(fā)生收縮、荷載和反力等對鋼筋的徑向壓應(yīng)力、鋼筋和混凝土之間的粗糙程度等。鋼筋和混凝土之間的擠壓力越大、接觸面越粗糙，則摩擦力越大。

⑶ 機械咬合力

鋼筋表面凹凸不平與混凝土產(chǎn)生的機械咬合作用而產(chǎn)生的力，即混凝土對鋼筋表面斜向壓力的縱向分力，取決于混凝土的抗剪強度。

變形鋼筋的橫肋會產(chǎn)生這種咬合力，它的咬合作用往往很大，是變形鋼筋粘結(jié)力的主要來源。 

⑷ 鋼筋端部的錨固力

采取錨固措施后所造成的機械錨固力。

2. 光面鋼筋的粘結(jié)性能

光面鋼筋的粘結(jié)力以化學膠結(jié)力和摩擦力為主。

鋼筋與混凝土的粘結(jié)強度通常采用拔出試驗來測定。設(shè)拔出力為F，則以粘結(jié)破壞（鋼筋拔出或混凝土劈裂）時鋼筋與混凝土截面上的最大平均粘結(jié)應(yīng)力作為粘結(jié)強度。

3.  變形鋼筋的粘結(jié)性能

粘結(jié)強度仍由化學膠結(jié)力、摩擦力和鋼筋表面凹凸不平的機械咬合力組成，但主要是鋼筋表面突出肋與混凝土之間的機械咬合力。變形鋼筋和光圓鋼筋的主要區(qū)別是鋼筋表面具有不同形狀的橫肋或斜肋。

變形鋼筋外圍混凝土的內(nèi)裂縫

2 影響粘結(jié)強度的主要因素

（1） 混凝土強度：混凝土強度等級高、粘結(jié)強度大；且與ft成正比。

（2） 鋼筋的外形特征:變形鋼筋的粘結(jié)強度大于光面鋼筋的粘結(jié)強度。

（3）保護層厚度和鋼筋凈間距：相對保護層厚度c/d越大，粘結(jié)強度越高。鋼筋凈距s與鋼筋直徑d 的比值s/d越大，粘結(jié)強度也越高。

（4）橫向配筋：限制了徑向裂縫的發(fā)展，使粘結(jié)強度得到提高。

（5）受力情況

▲存在側(cè)壓力可提高粘結(jié)強度；

▲受反復荷載作用的鋼筋，肋前后的混凝土均會被擠碎，導致咬合作用降低。

2.4 鋼筋的錨固與搭接

1、保證粘結(jié)的構(gòu)造措施

（1）規(guī)定鋼筋最小的搭接長度和錨固長度。

（2）規(guī)定鋼筋的最小間距和混凝土保護層最小厚度。

（3）對縱筋搭接范圍內(nèi)的箍筋加密進行了規(guī)定。

（4）對鋼筋端部的彎鉤設(shè)置進行了規(guī)定。

2、基本錨固長度的計算公式

錨固鋼筋的外形系數(shù)a      見GB50010表9.3.1和建工教材P114

橋規(guī)直接根據(jù)混凝土強度等級和鋼筋級別確定鋼筋的最小錨固長度，見道橋教材P93表4-1。

3 鋼筋的連接

（1） 鋼筋連接的類型：搭接；機械連接和焊接。

（2） 鋼筋搭接區(qū)的受力性能

由于搭接區(qū)鋼筋凈間距的減小使得劈裂裂縫更早出現(xiàn)，粘結(jié)強度降低。因此《規(guī)范》取搭接長度為錨固長度乘與一個大于1的系數(shù)。

（3）縱向受拉鋼筋的搭接長度ll

GB50010-2002表9.4.3   縱向受拉鋼筋搭接長度修正系數(shù)z

▲在任何情況下，受拉鋼筋搭接長度不應(yīng)小于300mm。

（4）鋼筋搭接接頭連接區(qū)段的長度：1.3ll

（5） 同一連接區(qū)段內(nèi)的受拉鋼筋搭接接頭面積百分率

（6） 縱向受壓鋼筋的搭接長度

  取縱向受拉鋼筋搭接長度的0.7倍，即0.7ll，且在任何情況下不應(yīng)小于200mm。

（7） 搭接區(qū)的箍筋要求

直徑3較大縱筋直徑的0.25倍；

間距：￡較小縱筋直徑的5倍，且不應(yīng)大于100mm.(受拉搭接）

￡較小縱筋直徑的10倍，且不應(yīng)大于200mm.(受壓搭接）

錐螺紋鋼筋連接

擠壓鋼筋連接