混凝土结构材料的物理和力学性能.ppt

第2章 混凝土结构材料的物理和力学性能,返回总目录,教学提示：钢筋与混凝土材料的物理和力学性能是混凝土结构的计算理论、计算公式建立的基础。本章主要介绍混凝土在各种受力状态下的强度与变形性能；建筑工程中所用钢筋的品种、级别及其性能；钢筋与混凝土的黏结机理、钢筋的锚固与连接构造。教学要求：本章要求学生熟悉混凝土在各种受力状态下的强度与变形性能；掌握混凝土的选用原则；熟悉建筑工程中所用钢筋的品种、级别及其性能；掌握建筑工程对钢筋性能的要求及选用原则；了解钢筋与混凝土共同工作的原理，熟悉保证钢筋与混凝土之间协同工作的构造措施。,混凝土结构是由钢筋和混凝土这两种性质不相同的材料组成，它们共同承受和传递结构的荷载。混凝土结构的计算理论、计算公式的建立，都与这两种材料的力学性能密切相关。在工程中，适当地选用材料，合理地利用这两种材料的力学性能，不仅可以改善结构和构件的受力性能，也有可能取得较好的经济效果。因此，了解钢筋和混凝土这两种材料的力学性能是非常重要的。本章主要介绍钢筋与混凝土的物理和力学性能、共同工作的原理及这两种材料在工程中的选用原则。,2.1 混 凝 土 2.2 钢 筋 2.3 钢筋与混凝土之间的黏结 2.4 钢筋锚固与接头构造 2.5 思 考 题 2.6 习 题,本章内容,2.1 混 凝 土,普通混凝土是由水泥、石子和砂3种材料用水拌和经凝固硬化后形成的人造石材，是一种多相复合材料。混凝土中的砂、石子、水泥胶体中的晶体、未水化的水泥颗粒组成了错综复杂的弹性骨架，主要承受外力，并使混凝土具有弹性变形的特点。水泥胶体中的凝胶、孔隙和界面初始微裂缝等，在外力作用下使混凝土产生塑性变形。而且混凝土中的孔隙、界面微裂缝等缺陷又往往是混凝土受力破坏的起源，在荷载作用下，微裂缝的扩展对混凝土的力学性能有着极为重要的影响。由于水泥胶体的硬化过程需要多年才能完成，所以混凝土的强度和变形也随时间逐渐增长。,2.1.1 混凝土的强度混凝土的强度是其受力性能的一个基本指标。荷载的性质不同及混凝土受力条件不同，混凝土就会具有不同的强度。工程中常用的混凝土强度有：立方体抗压强度、棱柱体轴心抗压强度、轴心抗拉强度等。,2.1 混 凝 土,1.混凝土的基本强度指标1)立方体抗压强度采用标准试块(规范规定边长为150mm的混凝土立方体)，在标准条件下(温度为 203，相对湿度在90%以上)养护28天，按规定的标准试验方法(中心加载，平均速度为0.30.8MPa/s，试件上下表面不涂润滑剂)测得的具有95%保证率的抗压强度称为混凝土立方体抗压强度fcu,k(N/mm2)。为满足设计、施工和质量检验的需要，必须对混凝土的强度规定统一的级别，即混凝土强度等级。GB 500102002规定，混凝土强度等级按立方体抗压强度标准值确定，用符号fcuk表示，共14个等级，即C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75、C80。例如，C40表示立方体抗压强度标准值为40N/mm2。其中，C50及C50以上为高强混凝土。立方体抗压强度受试件尺寸、试验方法和龄期因素的影响。试验表明，对于同一种混凝土材料，采用不同尺寸的立方体试件所测得的强度不同。尺寸越大，测得的强度越低。边长为l00mm或200mm的立方体试件测得的强度要转换为边长150mm试件的强度时，应分别乘以尺寸效应换算系数0.95或1.05。,2.1 混 凝 土,美国、日本等都采用直径6英寸(约150mm)和高度12英寸(约300mm)的圆柱体作为标准试块。不同直径圆柱体的强度值也不同。对圆柱体试块尺寸 100mm200mm和 250mm500mm的强度要转换为 150mm300mm的强度时，应分别乘以尺寸效应换算系数0.97或1.05。混凝土圆柱体强度不等于立方体强度，对普通强度等级混凝土来说，圆柱体强度约取立方体强度乘以系数0.83或0.85。混凝土测定强度还与试验方法有关，其中有两个因素影响最大。一是加载速度，加载速度越快，所测得的数值越高。因此，通常规定的加载速度是每秒增加压力0.30.8MPa。二是压力机垫板与立方体试块接触面的摩擦阻力对试块受压后的横向变形的约束作用，其破坏如图2.1(a)所示。如果在接触面上涂一层油脂，使摩擦力减小到不能约束试件的横向变形的程度，其破坏如图2.1(b)所示，后者测得的强度较前者低，GB 500102002规定采用前一种试验方法。,2.1 混 凝 土,2.1 混 凝 土,(a)不涂油脂(b)涂油脂图2.1 立方体抗压强度试块,图2.2 混凝土立方体强度随龄期的变化,混凝土的立方体强度与龄期有关，如图2.2所示。图中曲线1、2分别代表在潮湿环境和干燥环境下测得的数据。混凝土的立方体抗压强度随着龄期逐渐增长，增长速度开始时较快，后来逐渐缓慢，强度增长过程往往要延续几年，在潮湿环境中往往延续更长。2)棱柱体轴心抗压强度实际工程中的混凝土构件高度通常比截面边长大很多，因此，采用棱柱体比立方体能更好地反映混凝土结构的实际抗压能力。GB 500102002规定棱柱体试件试验测得的具有95%保证率的抗压强度为混凝土轴心抗压强度标准值，用符号fck表示。棱柱体试件与立方体试件的制作条件相同，试件上下表面不涂润滑剂。棱柱体的抗压试验及试件破坏情况如图2.3所示。棱柱体试件的高度越大，试验机压板与试件之间摩擦力对试件高度中部的横向变形的约束影响越小，所以棱柱体试件的抗压强度比立方体的强度值小，棱柱体试件高宽比越大，强度越小，但当高宽比达到一定值后棱柱体抗压强度变化很小，因此，试件的高宽比一般取为34。普通混凝土力学性能试验方法标准(GB/T 500812002)规定以150mm150mm300mm的棱柱体作为混凝土轴心抗压强度试验的标准试件，试件制作、养护和加载试验方法同立方体试件。,2.1 混 凝 土,如图2.4所示是根据我国所做的混凝土棱柱体与立方体抗压强度对比试验的结果。从图中可以看到，试验值 与 的统计平均值大致成一条直线，它们的比值大致为0.70.92，强度大的比值大些。,2.1 混 凝 土,图2.3 混凝土棱柱体抗压试验及试件破坏情况,图2.4 混凝土轴心抗压强度与立方体抗压强度的关系,考虑到实际构件强度与试件强度在构件制作、养护与受力状态等方面的差异，轴心抗压强度标准值与立方体抗压强度标准值的关系按可下式确定：(2-1)式中，棱柱体强度与立方体强度之比值，对C50及C50以下混凝土取=0.76，对C80混凝土取=0.82，中间按线性规律取值；高强度混凝土的脆性折减系数，对C40及以下取=1.00，对C80取=0.87，中间按线性规律取值。0.88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。,2.1 混 凝 土,3)轴心抗拉强度抗拉强度也是混凝土的基本力学指标之一，用它可确定混凝土抗裂能力，也可间接地衡量混凝土的冲切强度等其他力学性能。混凝土的轴心抗拉强度可以采用直接轴心受拉的试验方法来测定，也可用间接的方法来测定。但是，由于混凝土内部的不均匀性、安装试件的偏差等，加上混凝土轴心抗拉强度很低，一般为立方体强度的1/181/10，所以，准确测定抗拉强度是很困难的。因此，国内外常采用间接的方法来测定混凝土轴心抗拉强度，按图2.5所示的圆柱体或立方体的劈裂试验来间接测定混凝土的轴心抗拉强度。根据弹性理论，劈裂试验的水平拉应力即为混凝土的轴心抗拉强度ftk，可按下式计算：(2-2)(2-3)式中，Pu破坏荷载；d立方体试件的边长或圆柱体试件的直径；l圆柱体试件的长度。,2.1 混 凝 土,试验表明，劈裂抗拉强度略大于直接受拉强度，劈裂抗拉试件大小对试验结果有一定影响，标准试件尺寸为150mm150mm150mm。若采用l00mml00mml00mm非标准试件时，所得结果应乘以尺寸换算系数0.85。GB 500102002考虑了从普通强度混凝土到高强度混凝土的变化规律，轴心抗拉强度标准值ftk与立方体抗压强度标准值fcu,k的关系为:(2-4)式中，变异系数。,2.1 混 凝 土,图2.5 混凝土劈裂试验示意图,2.混凝土复合受力强度在实际工程结构中，构件的受力情况中单向受力很少，而往往受轴力、弯矩、剪力、扭矩等不同组合力的作用，处于复杂的复合应力状态。如框架梁、柱节点区的混凝土，既受到柱轴向力的作用也受到两个方向梁的约束；处于局部受压状态下的混凝土，所受的也是多向应力。所以研究这种应力状态下的混凝土强度问题具有重要意义。由于混凝土材料的复杂性，当前主要依据一些试验研究结果，得出近似的公式。1)双向受力对于双向应力状态，两个相互垂直的平面上作用有法向应力 和 时，双向应力状态下混凝土强度变化曲线如图2.6所示。,2.1 混 凝 土,图2.6 双向受力下的应力状态,当双向受压时(第象限)，混凝土一向的强度随另一向压应力的增加而增加。双向受压混凝土的强度要比单向受压的强度最多可提高约27%。当双向受拉时(第象限)，混凝土一向的抗拉强度与另一向拉应力大小基本无关，即抗拉强度和单向应力时的抗拉强度基本相等。当一向受拉，一向受压时(第、象限)混凝土一向的强度几乎随另一向应力的增加而呈线性降低。,2.1 混 凝 土,2)三向受压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，延迟和限制了沿轴线方向的内部微裂缝的发生和发展，因而混凝土受压后的极限抗压强度和极限应变均有显著的提高和发展。由试验得到的经验公式为：(2-5)式中，三轴受压状态混凝土圆柱体沿纵轴的抗压强度；混凝土单轴受压时的抗压强度；侧向约束压应力。三轴受压时，混凝土的强度及变形能力均有较大的提高。在实际工程中，常利用此特性来提高混凝土构件的抗压强度和变形能力。例如采用螺旋箍筋、加密箍筋等。,2.1 混 凝 土,三轴受压时，混凝土的强度及变形能力均有较大的提高。在实际工程中，常利用此特性来提高混凝土构件的抗压强度和变形能力。例如采用螺旋箍筋、加密箍筋等。3)局部受压强度当构件的承压面积A大于荷载的局部传力面积Ac时(如图2.7所示)，承压混凝土局部受力，周围混凝土对核心混凝土受压后产生的侧向变形有约束作用，所以，局部承压强度比棱柱体强度要高。此时混凝土的极限承压强度称为局部承压强度，以fcl表示。局部承压强度可按公式(2-6)计算：(2-6)式中，局部承压强度提高系数，大于1，其值可用 计算。,2.1 混 凝 土,图2.7 混凝土局部承压示意图 图2.8 法向正应力和剪应力组合受力时的混凝土强度曲线,2.1 混 凝 土,4)单轴正应力和剪应力共同作用时的强度图2.8所示为法向正应力和剪应力组合受力时的混凝土强度曲线，图中面积可分为3个区域，区为拉剪状态，随 的加大，抗拉强度下降；随着 增大，抗剪强度下降；区为压剪状态，随 增大抗剪强度增加，这是因为压应力在剪切面产生的约束，阻碍剪切变形的发展，使抗剪强度提高；区为压剪状态，随 进一步加大，抗剪能力反而开始下降，同时可以看出，由于剪应力的存在，混凝土的极限抗压强度要低于单向抗压强度fc，所以当结构中出现剪应力时，其抗压强度会有所降低，而且抗拉强度也会降低。,2.1 混 凝 土,2.1.2 混凝土的变形 混凝土的变形一般有两种。一种是受力变形，如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。另一种是体积变形，如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。变形也是混凝土的一个重要力学性能。,2.1 混 凝 土,1.单轴向受压时混凝土应力-应变关系(1)一次短期加载下混凝土的变形性能图2.9所示为棱柱体试件一次短期加荷下混凝土受压应力-应变全曲线，反映了受荷各阶段混凝土内部结构变化及破坏机理，是研究混凝土结构极限强度理论的重要依据。曲线分为上升段OC和下降段CE两部分。上升段又可分为3段：OA段为第阶段，=(0.30.4)fc，应力-应变关系接近直线，称为弹性阶段，A点为比例极限点，这时混凝土变形主要取决于骨料和水泥石的弹性变形，而水泥胶体的黏性流动以及初始微裂缝变化的影响一般很小；AB段为第阶段，=(0.30.8)fc，由于水泥凝胶体的塑性变形，应力-应变曲线开始凸向应力轴，随着 加大，微裂缝开始扩展，并出现新的裂缝，在AB段，混凝土表现出明显的塑性性质，=0.8fc可作为混凝土长期荷载作用下的极限强度；BC段为第阶段，fc，此时，微裂缝发展贯通，增长更快，曲线曲率随荷载不断增加，应变加大，表现为混凝土体积加大，直至应力峰值点C，这时的峰值应力max 通常作为混凝土棱柱体的抗压强度fc，相应的应变称为峰值应变0，其值取0.00150.0025，通常取为0.002。,2.1 混 凝 土,C点以后，裂缝继续扩展、贯通，使裂缝迅速发展，由于坚硬骨料颗粒的存在，沿裂缝面产生摩擦滑移，试件能继续承受一定的荷载，并产生变形，使应力-应变曲线出现下降段CE，下降段曲线的凹向开始改变，即曲率为O的点D称为拐点。D点以后，试件破裂，但破裂的碎块逐渐挤密，仍保持一定的应力，至收敛点E，曲线平缓下降，这时贯通的主裂缝已经很宽，对无侧限的混凝土，E点以后的曲线已失去结构意义。,图2.9 混凝土棱柱体受压应力-应变曲线,2.1 混 凝 土,进行混凝土结构理论分析需要准确拟合混凝土受压应力-应变曲线。为此，国内外学者做了大量的研究工作，提出了多种数学表达式。目前较常用的有美国EHognestad建议的方程(如图2.10所示)和德国Rusch建议的方程(如图2.11所示)。(1)E.Hognestad应力-应变曲线：如图2.10所示，该模型上升段为二次抛物线，下降段为斜直线。上升段：(2-7)下降段：(2-8)式中，峰值强度；相应于峰值应力时的应变，取；极限压应变，取。,2.1 混 凝 土,(2)Rusch应力-应变曲线：如图2.11所示，该模型上升段为二次抛物线，下降段为水平直线。上升段：(2-9)下降段：(2-10)(3)GB 500102002采用的模型：GB 500102002采用Rusch应力-应变曲线，但取。图2.10 E.Hognestad应力-应变曲线 图2.11 Rusch应力-应变曲线,2.1 混 凝 土,2)混凝土的变形模量混凝土与弹性材料不同，受压应力-应变关系不是一条曲线，在不同的应力阶段，应力与应变之比的变形模量不是一个常数。混凝土的变形模量有如下3种表示方法。(1)混凝土的弹性模量(原点模量)：如图2.12所示，为应力-应变曲线原点处的切线斜率，称为混凝土的弹性模量。(2-11)式中，混凝土应力-应变曲线在原点处的切线与横坐标的夹角。,2.1 混 凝 土,由于要在混凝土一次加载应力-应变曲线上作原点的切线，找出角是不容易作准确的，所以通用的做法是采用棱柱体(150mm150mm300mm)试件，先加载至，然后卸载至零，再重复加载卸载。由于混凝土不是弹性材料，每次卸载至应力为零时，存在残余变形，随着加载次数增加(510次)，应力-应变曲线渐趋稳定并基本上趋于直线，该直线的斜率即定为混凝土的弹性模量。统计得混凝土弹性模量与立方体强度的关系为：(2-12)与弹性材料不同，混凝土进入塑性阶段后，初始的弹性模量已不能反映这时的应力-应变性质，因此，有时用变形模量或切线模量来表示这时的应力-应变关系。,2.1 混 凝 土,图2.12 混凝土变形模量的表示方法,2.1 混 凝 土,(2)混凝土的变形模量：在图2.12中O点至曲线任一点应力为 处割线的斜率，称为任意点割线模量或称变形模量。它的表达式为：(2-13)由于总变形中包含弹性变形和塑性变形两部分，因此所确定的模量也可称为弹塑性模量或割线模量。混凝土的变形模量是个变值，它与原点模量的关系如下：(2-14)式中，弹性特征系数，与混凝土所受的应力大小有关。当 时，=0.80.9；当 时，=0.40.8。混凝土强度越高，越大，弹性特征越明显。,2.1 混 凝 土,(3)混凝土的切线模量：在混凝土应力-应变曲线上某一应力值处作一切线，如图2.12所示，其应力增量与应变增量之比值称为相应于该应力值时混凝土的切线模量。(2-15)从式(2-15)可以看出，混凝土的切线模量是一个变值，它随着混凝土应力的增大而减小。,2.1 混 凝 土,2.重复荷载下混凝土应力-应变关系(疲劳变形)如钢筋混凝土吊车梁受到重复荷载的作用，港口海岸的混凝土结构受到波浪冲击而损伤等，这种重复荷载作用下引起的结构破坏称之为疲劳破坏。其破坏特征是裂缝小而变形大，在重复荷载作用下，混凝土的强度和变形有着重要的变化。图2.13(a)所示是混凝土棱柱体(150mm150mm450mm)在多次重复荷载作用下的应 力-应变曲线。当混凝土棱柱体一次短期加荷，其应力达到A点时，应力-应变曲线为OA，此时卸荷至零，其卸荷的应力-应变曲线为AB，如果停留一段时间，再量测试件的变形，发现变形恢复一部分而到达B，则BB恢复的变形称为弹性后效，而不能恢复的变形BO称为残余变形。可见，一次加卸荷过程的应力应变图形，是一个环状曲线。,2.1 混 凝 土,图2.13(b)所示是混凝土棱柱体在多次重复荷载作用下的应力-应变曲线。若加荷、卸荷循环往复进行，当 小于疲劳强度 时，在一定循环次数内，塑性变形的累积是收敛的，滞回环越来越小，趋于一条直线CD。继续循环加载、卸载，混凝土将处于弹性工作状态。如加大应力至(仍小于)时，荷载多次重复后，应力-应变曲线也接近直线EF；CD与EF直线都大致平行于在一次加载曲线的原点所作的切线。如果再加大应力至(大于)，则经过不多几次循环，滞回环变成直线后，继续循环，塑性变形会重新开始出现，而且塑性变形的累积成为发散的，即累积塑性变形一次比一次大，且由凸向应力轴转变为凹向应变轴，如此循环若干次以后，由于累积变形超过混凝土的变形能力而破坏，破坏时裂缝小但变形大，这种现象称为疲劳。塑性变形收敛与不收敛的界限，就是材料的疲劳强度，大致在(0.40.5)fc左右，小于一次加载的棱柱强度，此值与荷载的重复次数、荷载变化幅值及混凝土强度等级有关，通常以使材料破坏所需的荷载循环次数不少于200万次时的疲劳应力作为疲劳强度。,2.1 混 凝 土,(a)(b)图2.13 混凝土在重复荷载作用下的应力-应变曲线,2.1 混 凝 土,施加荷载时的应力大小是影响应力-应变曲线不同的发展和变化的关键因素，即混凝土的疲劳强度与重复作用时应力变化的幅度有关。在相同的重复次数下，疲劳强度随着疲劳应力比值的增大而增大，疲劳应力比值按下式计算：(2-16)式中，、分别表示构件截面同一纤维上的混凝土最小应力及最大应力。,2.1 混 凝 土,3.单轴向受拉时混凝土应力-应变关系混凝土受拉时的应力-应变曲线形状与受压时是相似的，如图2.14所示。采用等应变速度加载，可以测得应力-应变曲线的下降段，只不过其峰值应力和应变均比受压时小很多。采用一般的拉伸试验方法，只能测得应力-应变曲线的上升段。受拉应力-应变曲线的原点切线斜率与受压时是基本一致的，因此，受拉弹性模量可取与受压弹性模量相同的值.当拉应力 0.5ft时，应力-应变曲线接近于直线，随着应力的增大，曲线逐渐偏离直线，反映了混凝土受拉时塑性变形的发展。一般试验方法得出的极限拉应变在0.510-42.710-4范围内，与混凝土的强度等级、配合比、养护条件有关。在构件计算中 常取110-41.510-4。达到最大拉应力ft时，弹性特征系数，相应于ft的变形模量为：,2.1 混 凝 土,图2.14 混凝土受拉时应力-应变曲线,2.1 混 凝 土,4.混凝土的收缩混凝土在空气中结硬时体积减小的现象称为收缩；在水中结硬时体积增大的现象称为膨胀。一般情况下混凝土的收缩值比膨胀值大很多，因此，分析研究收缩和膨胀的现象以分析研究收缩现象为主。图2.15所示为中华人民共和国铁道部科学研究院的混凝土自由收缩试验结果(测试试件尺寸100mml00mm400mm；fcu=42.3N/mm2；水灰比=0.45，525号硅酸盐水泥，恒温201，恒湿65%5%)。混凝土的收缩值随时间而增长，结硬初期收缩较快，1个月大约可完成1/2的收缩，3个月后收缩增长缓慢，一般在2年后趋于稳定，最终收缩应变大约为(25)10-4，一般取收缩应变值为310-4。引起收缩的重要因素是干燥失水。所以构件的养护条件、使用环境的温湿度都对混凝土的收缩有影响。使用环境的温度越高、湿度越低，收缩越大，蒸汽养护的收缩值要小于常温养护的收缩值，这是因为在高温、高湿条件下养护可加快水化和凝结硬化作用。,2.1 混 凝 土,在工程中，养护不好或混凝土构件的四周受约束而阻止混凝土的收缩时，会使混凝土构件表面或水泥地面出现收缩裂缝。通过试验还表明，水泥强度等级越高制成的混凝土收缩越大；水泥用量越多、水灰比越大，收缩越大；骨料的级配越好、弹性模量越大，收缩越小；养护时温、湿度越大，收缩越小；构件的体积与表面积比值大时，收缩小。,图2.15 混凝土的收缩,2.1 混 凝 土,5.混凝土的徐变结构在荷载或应力保持不变的情况下，变形或应变随时间增长的现象称为徐变。徐变对于结构的变形和强度、预应力混凝土中的钢筋应力有重要的影响。图2.16所示为中华人民共和国铁道部科学研究院的试验结果，由图可见，某一组棱柱体试件，当加荷应力达到0.5fc时，其加荷瞬间产生的应变为瞬时应变，若荷载保持不变，随着加荷时间的增长，应变也将继续增长，这就是混凝土的徐变应变，通常，徐变开始时增长较快，以后逐渐减慢，经过一定时间后，徐变趋于稳定，徐变应变值约为瞬时弹性应变的14倍。两年后卸载，试件瞬时恢复的应变 略小于瞬时应变，卸载后经过一段时间量测，发现混凝土并不处于静止状态，而是逐渐地恢复，这种恢复变形称为弹性后效，弹性后效的恢复时间为20天左右，其值约为徐变变形的1/12，最后剩下的大部分不可恢复变形为，成为残余应变。,2.1 混 凝 土,图2.16 混凝土的徐变,2.1 混 凝 土,图2.17 应力与徐变的关系,2.1 混 凝 土,混凝土的应力条件是影响徐变的主要因素。加荷时混凝土的龄期越长，徐变越小，混凝土的应力越大，徐变越大。随着混凝土应力的增加，徐变将发生不同的情况，图2.17所示为不同应力水平下的徐变变形增长曲线，当应力 0.5fc时，曲线接近等距离分布，说明徐变与初应力成正比，这种情况称为线性徐变。在线性徐变的情况下，加载初期徐变增长较快，6个月时，一般已完成徐变的大部分，后期徐变增长逐渐减小，一年以后趋于稳定，一般认为3年徐变基本终止；当=(0.50.8)fc时，徐变与应力不成正比，徐变变形增长较快，这种情况称为非线性徐变；当应力 0.8fc时，徐变的发展不再收敛，最终将导致混凝土破坏。实际工程中，=0.8fc即为混凝土的长期抗压强度。,2.1 混 凝 土,混凝土的徐变会使构件的变形增加，会引起结构构件的内力重新分布，会造成预应力混凝土结构中的预应力损失等。影响混凝土徐变有多种因素：水泥用量越多和水灰比越大，徐变也越大；骨料越坚硬、弹性模量越高，徐变就越小；骨料的相对体积越大，徐变越小；构件形状及尺寸，混凝土内钢筋的面积和钢筋应力性质，对徐变也有不同的影响；养护时温度高、湿度大、水泥水化作用充分，徐变就小。实践证明，采用蒸汽养护可使徐变减小约20%35%；受荷后构件所处环境的温度越高、湿度越低，则徐变越大；如环境温度为70的试件受荷一年后的徐变，要比温度为20的试件大1倍以上，因此，高温干燥环境将使徐变显著增大。,2.1 混 凝 土,2.1.3 混凝土的选用原则GB 500102002规定：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C40；预应力混凝土构件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，混凝土的强度等级不应低于C40。公路桥涵工程中，钢筋混凝土构件的混凝土强度等级不应低于C20；当采用HRB400和KL400级钢筋时，混凝土强度等级不应低于C25；预应力混凝土结构的混凝土强度等级不应低于C40；位于严寒区、海水区或使用除冰盐且受其影响的桥涵构件，混凝土的强度等级不低于C30；有气态、液态或固态侵蚀物质的环境时，混凝土强度等级不低于C35。,2.1 混 凝 土,2.2.1 钢筋的品种和级别在钢筋混凝土结构中使用的钢筋品种很多，主要有两大类：一类是有明显屈服点(流幅)的钢筋，如热轧钢筋；另一类是无明显屈服点(流幅)的钢筋，如钢丝、钢铰线及热处理钢筋。按外形分，钢筋可分为光面钢筋和变形钢筋两种。变形钢筋有热轧螺纹钢筋、冷轧带肋钢筋等，如图2.18所示。光面钢筋直径为650mm，握裹性能稍差；变形钢筋直径一般大于10mm，握裹性能好，其直径是“标志尺寸”，即与光面钢筋具有相同重量的“当量直径”，其截面面积即按此当量直径确定。,2.2 钢 筋,图2.18 钢筋的外形示意图,按化学成分划分，混凝土结构中的钢材可分为碳素钢和普通低合金钢两类。碳素钢除含有铁元素之外，还含有少量的碳、硅、锰、硫、磷等元素，根据含碳量的多少又可分为低碳钢(含碳量0.25%)、中碳钢(含碳量为0.25%0.6%)、高碳钢(含碳量为0.6%1.4%)，含碳量越高，强度越高，但塑性与可焊性降低，反之则强度降低而塑性与可焊性好。普通低合金钢是在碳素钢的基础上添加小于5%的合金元素的钢材，具有强度高、塑性和低温冲击韧性好等特点。通常加入的合金元素有硅(Si)、锰(Mn)、钛(Ti)、钒(V)、铬(Gr)、铌(Nb)等。目前我国生产的品种有20MnSi、20MnSiNb、20MnTi、20MnSiV、K20MnSi、40Si2Mn、48Si2Mn、45Si2Cr等，代号前边的数字表示含碳量的百分数，元素符号后的数字表示合金含量的百分数，如数字2表示含量1.5%2.5%，元素符号后面无数字表示平均含量小于1.5%。,2.2 钢 筋,按钢筋的加工方法，又可将其分为热轧钢筋、热处理钢筋、冷加工钢筋、冷轧钢筋等。热轧钢筋是由低碳钢、普通低合金钢在高温状况下轧制而成，属于软钢。常用热轧钢筋的种类、代表符号和直径范围见表2-1。,2.2 钢 筋,表2-1 常用热轧钢筋的种类、代表符号和直径范围,热处理钢筋是将特定的热轧钢筋再通过加热淬火和回火等调质工艺处理的钢筋。处理后，强度有较大提高，但塑性有所降低，经处理后的钢筋的应力-应变曲线上不再有明显的屈服点。钢筋冷加工方法有很多，如冷拉、冷拔，冷加工后的钢筋强度提高，塑性降低。冷拉是在常温下将热轧钢筋张拉，使其超过屈服点进入强化段，然后再放松钢筋；冷拔钢筋是将热轧光面钢筋多次用强力拔过比它直径还小的硬质合金模，冷拔后强度有较大幅度的增长，但塑性降低很多。冷轧带肋钢筋是采用普通低碳钢或低合金钢热轧圆盘条为母材，经冷轧后在其表面形成具有三面或二面月牙形横肋的钢筋。还有用于预应力结构中的高强钢丝、钢绞线等品种，如图2.19所示。另外，还有混凝土中使用的劲性钢筋，是由各种型钢、钢轨或型钢与钢筋焊成的骨架，承载力比较大。,2.2 钢 筋,2.2 钢 筋,(a)刻痕钢丝,(b)钢绞线图2.19 强度钢丝与钢绞线,2.2.2 钢筋的强度与变形1.有明显屈服点的钢筋图2.20所示为有明显流幅的钢筋的应力-应变曲线。图中可见，在A点以前，应力-应变曲线为直线，A点对应的应力称为比例极限。OA为理想弹性阶段，卸载后可完全恢复，无残余变形。过A点后，应变较应力增长得快，曲线开始弯曲，到达点后钢筋开始塑流，点称为屈服上限，当点应力降至下屈服点B点，此时，应力基本不增加，而应变急剧增长，曲线出现一个波动的小平台，这种现象称为屈服。B点到C点的水平距离称为流幅或屈服台阶，上屈服点通常不稳定，下屈服点B数值比较稳定，称为屈服点或屈服强度，有明显流幅的热轧钢筋的屈服强度是按下屈服点来确定的。曲线过C点后，应力又继续上升，说明钢筋的抗拉能力又有所提高。曲线达最高点D，相应的应力称为钢筋的极限强度，CD段称为强化阶段。D点后，试件在最薄弱处会发生较大的塑性变形，截面迅速缩小，出现颈缩现象，变形迅速增加，应力随之下降，直至E点断裂破坏。对有明显屈服点的钢筋，屈服点所对应的应力为屈服强度，是重要的力学指标。在钢筋混凝土结构中，当钢筋超过屈服强度时就会发生很大的塑性变形，此时混凝土结构构件也会出现较大变形或裂缝，导致构件不能正常使用。所以，在计算承载力时，以屈服点作为钢筋强度值。,2.2 钢 筋,另外，钢筋除满足强度要求外，还应具有一定的塑性变形能力，通常用伸长率和冷弯性能指标衡量钢筋的塑性。钢筋拉断后的伸长值与原长的比率称为伸长率，表示材料在破坏时产生的应变大小，用公式表示为：(2-17)式中，伸长率；拉断时的钢筋长度；钢筋原长。,2.2 钢 筋,2.2 钢 筋,图2.20 有明显流幅的曲线 图2.21 钢筋冷弯试验示意图,伸长率越大，说明材料的塑性越好。冷弯性能是指钢筋在常温下达到一定弯曲程度而不破坏的能力。冷弯试验是将直径为d的钢筋绕弯芯直径D弯曲到规定的角度，通过检查被弯曲后的钢筋试件是否发生裂纹、断裂及起层来判断合格与否，如图2.21所示。弯芯的直径D越小，弯转角越大，说明钢筋的塑性越好。国家标准规定了各种钢筋必须达到的伸长率和冷弯时相应的弯心直径和弯曲角的要求。有关参数可参照相应的国家标准。,2.2 钢 筋,图2.22 无明显流幅的-曲线,2.无明显屈服点的钢筋图2.22所示为无明显流幅的钢筋应力-应变曲线，大约在极限抗拉强度的65%以前，应力-应变关系为直线，此后，钢筋表现出塑性性质，直至到曲线最高点之前都没有明显的屈服点，曲线最高点对应的应力称为极限抗拉强度。对无明显流幅的钢筋，如预应力钢丝、钢绞线、和热处理钢筋，GB 500102002规定在构件承载力设计时，取极限抗拉强度的85%作为条件屈服点，加载至该点后对应的残余应变为0.2%，钢筋强度的取值为0.85，称条件屈服强度，为国家标准规定的极限抗拉强度。钢筋的伸长率、冷弯性能的概念与有明显流幅的钢筋相同。,2.2 钢 筋,3.钢筋的弹性模量钢筋的弹性模量为钢筋拉伸试验应力-应变曲线在屈服点前的直线的斜率，即：(2-18)4.钢筋的设计指标为保证设计时的材料强度取值的可靠性，一般对同一等级的材料，取具有一定保证率的强度值作为该级强度的标准值。GB 500102002规定强度的标准值应具有不小于95%的保证率。热轧钢筋的强度标准值按屈服强度确定，符号为；预应力钢绞线和钢丝的强度标准值根据极限强度确定，符号为，见附表5。,2.2 钢 筋,2.2.3 钢筋的冷加工及塑性性能 钢筋的冷加工是指在常温下采用某种工艺对热轧钢筋进行加工而得到的钢筋。常用的工艺有：冷拉、冷拔、冷轧与冷轧扭四种。冷加工的目的主要是为了提高钢筋的强度和节约钢材，但经冷加工后的钢筋虽然强度提高了，但塑性明显降低，只有经冷拉的钢筋仍具有屈服点，其余的都无明显的屈服点。,2.2 钢 筋,1.冷拉 冷拉是用超过屈服强度的应力对热轧钢筋进行拉伸。如图2.23所示，当拉伸到K点()后卸载，在卸载过程中，应力-应变曲线沿着直线KO(KOBO)回到O点，钢筋产生残余变形为OO。如果立即重新加载张拉，则应力-应变曲线仍沿着OKDE变化，即弹性模量不变，仍符合胡克定律。但屈服点却从原来的B点提高到K点，说明钢筋的强度提高了，但没有出现流幅，尽管极限破坏强度没有变，但延性降低了，如图2.23中的虚线所示。如果停留一段时间后再进行张拉，则应力-应变曲线沿着OKKDE变化，屈服点从K又提高到K点，即屈服强度进一步提高，且流幅较明显，这种现象称为时效硬化。温度对时效硬化影响很大，如HPB235级钢筋在常温下需要20天才能完成时效硬化，若温度为100时则仅需2 h。但如果对冷拉后的钢筋再次加温，则强度又降低到冷拉前的力学指标。所以，有焊接接头的钢筋，一定要先焊接再冷拉，切不可相反。冷拉质量的控制主要有两个指标：即冷拉应力和冷拉率，即K(K)点所对应的应力及其对应的应变OO。对各种钢筋进行冷拉时，必须规定冷拉控制应力和控制应变(冷拉率)，如果二者都必须满足其标准称之为双控，仅满足控制冷拉率称为单控。但应注意，钢筋冷拉只能提高其抗拉强度，不能提高其抗压强度。,2.2 钢 筋,2.2 钢 筋,图2.23 钢筋冷拉的曲线 图2.24 冷拔对钢筋曲线的影响,2.冷拔冷拔是将钢筋用强力数次拔过比其直径小的硬质合金模具。在冷拔的过程中，钢筋受到纵向拉力和横向压力的作用，其内部晶格发生变化，截面变小而长度增加，钢筋强度明显提高，但塑性则显著降低，且没有明显的屈服点，如图2.24所示。冷拔可以同时提高钢筋的抗拉强度和抗压强度。,2.2 钢 筋,3.冷轧带肋钢筋冷轧带肋钢筋是用热轧圆盘条经冷轧后，在其表面带有沿长度方向均匀分布的三面或二面横肋的钢筋，如图2.25所示。它的极限强度与冷拔低碳钢丝相近，但伸长率比冷拔低碳钢丝有明显提高。用这种钢筋逐步取代普通低碳钢筋和冷拔低碳钢丝，可以改善构件在正常使用阶段的受力性能且节省钢材。冷轧带肋钢筋的牌号由字母CRB和钢筋的抗拉强度的最小值构成。C、R、B分别为冷轧、带肋、钢筋三个词的英文首位字母。冷轧带肋钢筋分为CRB550、CRB650、CRB800、CRB970、CRBll70五个牌号，CRB550为普通钢筋混凝土用钢筋，其他牌号为预应力混凝土用钢筋。CRB550钢筋的公称直径范围为4mm12mm，CRB650以上牌号钢筋的公称直径为4mm、5mm、6mm。,2.2 钢 筋,2.2 钢 筋,图2.25 冷轧带肋钢筋示意图,4.冷轧扭钢筋冷轧扭钢筋是经专用钢筋冷轧扭机调直、冷轧并冷扭一次成型，具有规定截面形状和节距的连续螺旋状钢筋，如图2.26所示。冷轧扭钢筋的型号标记由产品的名称代号：LZN；特性代号：标志直径符号t；主要参数代号：型和型；改型代号a、b、c四部分组成。标记示例：冷轧扭钢筋标志直径10mm，矩形截面，应标记为LZNt(I)a。原材料采用的牌号为Q235、Q215，当采用Q215时，碳的含量不宜小于0.12%。,(a)I型矩形(b)型菱形图2.26 冷轧扭钢筋外形(t轧扁厚度、l1节距),2.2 钢 筋,2.2.4 钢筋的疲劳特性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，这种现象称为疲劳破坏。吊车梁、桥面板等承受重复荷载的钢筋混凝土构件在使用期间会发生疲劳破坏。钢筋的疲劳强度与一次循环应力中的应力幅度有关，是指在某一规定应力幅度内，经受一定次数循环荷载后发生疲劳破坏的最大应力值。我国要求满足循环次数为200万次。钢筋疲劳断裂的原因，一般认为是首先从局部缺陷处形成细小裂纹，裂纹尖端处的应力集中使其逐渐扩展直至最后断裂。钢筋的疲劳强度除与应力变化的幅值有关外，还与最小应力值的大小、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有关。由于承受重复性荷载的作用，钢筋疲劳强度低于其在静荷载作用下的极限强度。,2.2 钢 筋,2.2.5 选用钢筋的原则钢筋混凝土结构及预应力混凝土结构的钢筋，应按下列规定选用：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HRB400级和HRB335级钢筋，以节省钢材，也可以采用HPB235级和RRB400级热轧钢筋以及强度级别较低的冷拔、冷轧和冷轧扭钢筋。预应力钢筋宜采用预应力钢绞线、中高强钢丝，也可以采用热处理钢筋，除此之外，还可以采用冷拉钢筋和强度级别较高的冷拔低碳钢丝和冷轧扭钢筋。为了提高结构构件的质量，应尽量选用强度较高、塑性较好、价格较低的钢材。,2.2 钢 筋,2.3.1 黏结力钢筋与混凝土能够结合在一起共同工作，主要有两个因素：二者具有相近的线膨胀系数；由于混凝土硬化后，钢筋与混凝土之间产生了良好的黏结力。钢筋混凝土受力后会沿其接触面产生剪应力，通常把这种剪应力称为黏结应力。黏结作用可以用如图2.27所示的钢筋和其周围混凝土之间产生的黏结应力来说明。根据受力性质的不同，钢筋与混凝土之间的黏结应力可分为裂缝间的局部黏结应力和钢筋端部的锚固黏结应力两种。裂缝间的局部黏