1、第 1 章 混凝土結構材料的性能Physical and Mechanical Properties of Materials for Reinforced Concrete Structure 本章重點熟悉土木工程用鋼筋的品種、級別、性能及其選用原則；熟悉混凝土在各種受力狀態下的強度與變形性能及其選用原則；了解鋼筋與混凝土的共同工作原理。 1.1 鋼 筋 1.2 混凝土 1.3 鋼筋混凝土的相互作用粘結力 1.1 鋼 筋 1.1.1 鋼筋的品種與性能1.1.2 混凝土結構對鋼筋性能的要求1.1.3 鋼筋的選用原則1.1.1 鋼筋的品種與性能按化學成份不同分為強度提高塑性提高碳素鋼低碳鋼（含C

2、量0.6%)普通合金鋼 （在碳素鋼中加入少量合金元 素如 Mn、Si、Vi、Ti、Cr等以改善性能 ）按生產加工工藝不同分為：熱軋鋼筋中高強鋼絲和鋼絞線預應力螺紋鋼筋冷加工鋼筋1、熱軋鋼筋（Hot Rolled Steel Reinforcing Bar）定義：將普通低碳鋼、普通低合金鋼在高溫狀態下軋制而成。熱軋鋼筋按外形特征不同分為光圓鋼筋變形鋼筋光圓鋼筋螺紋鋼筋月牙紋鋼筋人字紋鋼筋種類：新規為節材，減耗，減少污染，將建筑用鋼強度提高 。淘汰HPB235級代以HPB300級鋼筋；增加了HRB500級；限制HRB335級，以HRB400級、HRB500級為受力的主導鋼筋。HPB 熱軋光面鋼筋（

3、Hot Rolled Plain Steel Bar），橋梁規范用R表示；HRB 熱軋帶肋鋼筋 （Hot Rolled Ribbed Steel Bar）；RRB 余熱處理鋼筋（Remained heat treatment Ribbed Steel Bar ），橋梁規范用KL表示。HRBF 細晶粒熱軋帶肋鋼筋屈服強度 fyk （標準值=鋼材廢品限值，保證率97.73%）HPB300級： fyk = 300 N/mm2HRB400級： fyk = 400 N/mm2 ，RRB400級： fyk = 400 N/mm2HRB500級： fyk = 500 N/mm2熱軋鋼筋種類和強度標準值（新規

4、）牌號符號公稱直徑d(mm)屈服強度標準值fyk(N/mm2)極限強度標準值fstk(N/mm2)HPB300622300420HRB335HRBF335650335455HRB400HRBF400RRB400650400540HRB500HRBF500650500630常用直徑： 6，8，10，12，14，16，18，20， 22，25，28，32，36，40，50力學性能1）應力應變曲線特征2）塑性性能3）鋼筋強度及彈性模量1）應力應變曲線特征： 熱軋低碳鋼筋和普通熱軋低合金鋼為軟鋼。有明顯屈服點。seaabcdefufyf熱軋鋼筋的應力-應變曲線 一般可簡化為雙線性的理想彈塑性關系（有時

5、采用雙折線或三折線型）3002）塑性性能（plastic deformation) ：伸長率冷彎性能鋼筋均勻伸長率：延伸率大的鋼筋，在拉斷前有足夠預兆，延性較好。均勻伸長率鋼筋彈性模量實測鋼筋拉斷強度殘余伸長已回復彈性應變+=鋼筋品種普通鋼筋預應力鋼筋HPB300HRB335、HRBF335、HRB400、HRBF400、HRB500、HRBF500RRB400gt (%)10.07.55.03.5鋼筋在最大力下的總伸長率限值:只反映斷口附近殘留變形大小，不反映鋼筋總伸長率情況。同一根鋼筋以往采用下述伸長率冷彎性能：是檢驗鋼筋局部變形能力的指標。將直徑為d的鋼筋繞直徑為D的鋼輥，彎成一定的角度

6、而不發生斷裂，就表示合格。 現增加反彎測試。冷彎角度 =90,180 ,反復彎曲要求：冷彎過程中無裂縫、鱗落或斷裂。彎心直徑 D 愈小，要求愈高。反復次數愈高，要求愈高。3）鋼筋強度及彈性模量屈服強度yield strength：是鋼筋強度的設計依據，因為鋼筋屈服后將產生很大的塑性變形，且卸載時這部分變形不可恢復，這會使鋼筋混凝土構件產生很大的變形和不可閉合的裂縫。屈強比不宜過大。比例極限屈服強度極限強度o fy ft ed流幅abc彈性模量：是材料單向受力且應力應變呈線性關系時，正應力與正應變的比值。牌號或種類彈性模量Es （105 N/mm2 ）HPB3002.10HRB335、HRB40

7、0、HRB500、HRBF335、HRBF400、HRBF500、RRB400、預應力螺紋鋼筋2.00消除應力鋼絲、中強度預應力鋼絲2.05鋼絞線1.95鋼筋的彈性模量2、中、高強鋼絲和鋼絞線鋼絲是由熱軋鋼筋經冷拔而成。鋼絲的直徑410mm；鋼絞線可由2股、3股、7股鋼絲鉸成，直徑不超過21.6mm，均可盤成卷狀。強度高達800MPa至1960MPa。無明顯屈服點，伸長率低。“條件屈服點”均用于預應力混凝土結構。中強度預應力鋼絲鋼絞線大直徑、高強度鋼筋，直徑18-50mm，用于預應力混凝土結構構件。3、預應力螺紋鋼筋預應力螺紋鋼筋中強度鋼絲、預應力螺紋鋼筋種類和強度標準值種類符號公稱直徑d(m

8、m)屈服強度標準值fpyk極限強度標準值fptk中強度預應力鋼絲光面螺旋肋5、7、96208007809709801270預應力螺紋鋼筋螺紋18、25、32、40、50785980930108010801230種類符號公稱直徑d(mm)極限強度標準值fptk消除應力鋼絲光面螺旋肋51570, 18607157091470, 1570鋼絞線13（三股）8.6、10.8、 12.91570, 1860, 19609.5、12.7、15.2、17.81720, 1860, 196017（七股）21.61860消除應力鋼絲、鋼絞線種類和強度標準值4、冷加工鋼筋 冷加工種類冷拉、冷拔、冷軋、冷軋扭。冷加

9、工目的改變鋼材內部結構，提高強度，節約鋼材。但延伸率顯著降低，塑性減小。（1）冷拉：冷拉時應力值必須超過鋼筋的屈服強度。o冷拉控制應力(N/mm2) 冷拉率殘余變形oabccdd冷拉無時效冷拉經時效冷拉后可提高鋼材的抗拉強度，但其屈服臺階變短。冷拉只能提高其抗拉強度不能提高其抗壓強度。“時效硬化。”（2）冷拔將鋼筋用強力拔過比其直徑小的硬質合金拔絲模，內部結構發生變化，強度大大提高，但塑性也顯著降低。冷拔可同時提高其抗拉強度和抗壓強度。d1 d2 Pd2 d1 （3）冷軋以低碳鋼筋或低合金鋼筋為原材料，在常溫下軋制成的表面帶縱肋或月牙紋橫肋的鋼筋。強度與冷拔低碳絲接近，塑性要好一些。冷軋帶肋鋼

10、筋將逐步取代冷拔低碳鋼絲。1.1.2 混凝土結構對鋼筋性能的要求強度塑性可焊性粘結力耐低溫性能1.1.3 鋼筋的選用原則普通鋼筋縱向受力普通鋼筋宜用HRB400、HRB500、HRBF400、HRBF500，也可用HPB300、HRB335、HRBF335、RRB400鋼筋；梁、柱縱向受力普通鋼筋應采用HRB400、HRB500、HRBF400、HRBF500鋼筋；箍筋宜用HRB400、HRBF400、HPB300、HRB500、HRBF500鋼筋，可用HRB335、HRBF335鋼筋；預應力筋宜用預應力鋼絲、鋼絞線和預應力螺紋鋼筋。1.2 混凝土混凝土是用水泥、水和骨料（砂、石）等原材料經攪

11、拌后入模澆筑，并經養護硬化后做成的人工石材。骨料與膠塊的接觸面以及膠塊內部會形成微裂縫，是薄弱環節。1.2.1 混凝土的強度1.2.2 混凝土的變形1.2.3 混凝土的選用原則1.2.1 混凝土的強度混凝土的強度影響因素與水泥強度、水灰比、骨料品種、混凝土配合比、硬化條件和齡期等有很大關系。試件的尺寸及形狀、試驗方法和加載時間的不同，所測得的強度也不同。1、混凝土的抗壓強度2、混凝土的抗拉強度3、混凝土在復合應力作用下的強度1、混凝土的抗壓強度（1）立方體抗壓強度fcu,k（N/mm2或MPa）：是混凝土各種力學指標的基本代表值。該強度試驗要求：標準尺寸：150mm150mm150mm養護條件

12、：20 3，濕度90%；28d加荷方法：加荷速度， C30以下0.30.5MPa/s ；C30C60， 0.50.8MPa/s ；C60及以上， 0.81.0MPa/s 。且墊板不涂油或墊橡膠板。強度保證率：95% ，f = -1.645影響因素 試件尺寸 (尺寸效應) 200mm200mm200mm: 1.05；100mm100mm100mm: 0.95。612圓柱體：1.20 （1=2.54cm）612棱柱體：1.32試驗方法：試塊與承壓板之間涂有油脂或填以塑料薄片時強度偏低。加載速度：加載越快，強度越高齡期、濕度 混凝土受壓破壞是由于混凝土內裂縫的擴展所致。如果對混凝土的橫向變形加以約束

13、，限制裂縫的開展，可以提高混凝土的縱向抗壓強度。混凝土強度等級（按立方體抗壓強度劃分）混凝土強度從C20C80共分為14個等級，中間以5MPa進級。C50以下為普通強度混凝土， C50及以上為高強度混凝土 立方體和圓柱體抗壓試驗都不能代表混凝土在實際構件中的受力狀態，只是用來在同一標準條件下比較混凝土強度水平和品質的標準（制作、測試方便）。（2）軸心抗壓強度fc,k（N/mm2或MPa）：更真實反映以受壓為主的混凝土結構構件的抗壓強度。 棱柱體試件高寬比一般為h/b=24，我國通常取150mm150mm300mm的棱柱體試件，也常用150mm150mm450mm試件。對于同一混凝土，棱柱體抗壓

14、強度小于立方體抗壓強度。棱柱體抗壓強度和立方體抗壓強度的換算關系為：混凝土強度與試塊混凝土強度的修正系數脆性影響系數 棱柱體強度與立方體強度之比值混凝土強度等級C40C45C50C55C60C65C70C75C80 c10.760.760.760.770.780.790.800.810.82 c21.000.9840.9680.9510.9350.9190.9030.8870.87 c1 和 c2 值國外（美國、日本、歐洲混凝土協會等）采用直徑6英寸(152mm)、高12英寸(305mm)的圓柱體試件，有fc=0.79fcu圓柱體抗壓強度混凝土破壞機理 受壓破壞是由于薄弱截面處內裂縫的延伸開展

15、，而微裂縫的發展導致橫向變形的增大。對橫向變形加以約束，可以限制微裂縫的發展，從而可提高混凝土的抗壓強度。 立方體試件受約束范圍大，而棱柱體試件中部未受約束，因此fc小于fcu；局部受壓面積以外的混凝土對局部受壓區 域內部混凝土微裂縫產生 了較強的約束。不涂潤滑劑涂潤滑劑2、混凝土的抗拉強度混凝土的抗拉強度ft,k（N/mm2或MPa）也是其基本力學性能。只有抗壓強度的510，fcu越大ft/fcu值越小 。是構件抗裂度的重要指標。混凝土構件開裂、裂縫、變形，以及受剪、受扭、受沖切等的承載力均與抗拉強度有關。試驗方法：直接拉伸、劈裂試驗（間接拉伸）ft,s 2F/ld 式中F破壞荷載； d圓柱

16、直徑或立方體邊長； l圓柱體長度或立方體邊長。 軸心抗拉強度與立方體抗壓強度的折算系數 試驗離散性的影響系數 試驗離散性系數 混凝土軸心抗拉強度與立方體抗壓強度的關系3、復合應力狀態下的混凝土強度雙軸應力狀態Biaxial Stress State三軸應力狀態Triaxial Stress State 由于混凝土的特點，目前，在復合應力狀態下的強度仍只是借助有限的試驗資料，推薦一些近似方法作為計算的依據。 （1）雙向正應力作用1, 2 (壓壓) 強度增加1, 2(拉壓) 強度降低1, 2(拉拉) 強度基本不變3)雙向受拉：任意應力比情況下雙向抗拉強度均接近于單向抗拉強度。2)一軸受壓一軸受拉：

17、抗壓強度或抗拉強度均隨另一方向拉應力或壓應力的增加而減小。任意應力比情況下均低于相應單軸強度。1)雙向受壓 ：一向的受壓強度隨另一向的壓應力增加而增加。最大受壓強度發生在兩個壓應力之比為0.3 0.6之間，約為(1.251.60 )fc。峰值應變均超過單軸受壓時的峰值應變。（2）剪應力t 和正應力s 共同作用下拉-剪：抗拉、抗剪強度都降低；壓-剪：當 時，抗剪強度隨壓應力提高而增大；當 時，內部裂縫增加，抗剪強度隨壓應力增大而降低。抗壓強度均低于單軸抗壓強度。（3）三軸應力狀態實際工程遇到較多的螺旋箍筋柱和鋼管混凝土柱中的混凝土為三向受壓狀態。三向受壓試驗一般采用圓柱體在等側壓條件進行。施加橫

18、向壓力可顯著提高混凝土的強度。 三向受壓時，強度增加，最大增加5倍。1.2.2 混凝土的變形混凝土的變形可分為兩類： 1、受力變形：如單調短期加載的變形、荷載長期作用下的變形以及多次重復加載的變形。2、非受力變形：稱為體積變形，如混凝土收縮以及溫度變化引起的變形。1、混凝土的受力變形（1）一次短期加荷載下的變形（2）重復荷載作用下的變形（3）荷載長期作用下的變形（1）一次短期加荷載下的變形02468102030s(MPa)e 10-3BACEDOA段：彈性階段。對普通強度混凝土sA約為 (0.30.4)fc ，對高強混凝土sA可達(0.50.7)fc。AB段：穩定開裂階段。A點以后，由于微裂縫

19、處的應力集中，裂縫開始有所延伸發展，產生部分塑性變形，應變增長開始加快。但該階段微裂縫的發展是穩定的。BC段：不穩定裂縫階段。達到B點，微裂縫相互連通，在此應力的長期作用下，裂縫會持續發展最終導致破壞。取B點的應力作為混凝土的長期抗壓強度。普通強度混凝土sB約為0.8fc，高強強度混凝土sB可達0.95fc以上。達到C點fc，內部微裂縫連通形成破壞面，應變增長速度明顯加快，C點的縱向應變值稱為峰值應變 e 0，約為0.002。CE段:下降段。縱向應變發展達到D點，內部裂縫在試件表面出現第一條可見平行于受力方向的縱向裂縫。承載力明顯下降，混凝土骨料與砂漿的粘結不斷遭到破壞，裂縫連通形成斜向破壞面

20、。至E點的應變ecu = (23) e 0，應力s = (0.40.6) fc。 此時出現反彎點，宏觀上已破壞。0A:近似彈性 AB:非線性 BC:體積增大 CF:破壞 高強混凝土： ， 破壞時脆性越顯著，下降段越陡。Hognestad建議的應力-應變曲線規范應力-應變關系上升段：下降段：混凝土受壓時縱向應變和橫向應變橫向變形系數：c=ch/cu，當 s0.5fc時c突然急劇增大，說明內部微裂縫的迅速發展。彈性階段的c也稱為泊松比，近似取0.2。纖維混凝土應力-應變曲線（2）重復荷載作用下的變形若將試件加載至某一數值，然后卸載至零，反復多次，即重復荷載作用。每次循環就有一部分塑性變形不能恢復

21、，并逐漸積累，但每次產生的塑性變形將隨次數增加而減少。存在一個界限值fcf ，當循環應力小于它時，多次循環后，曲線變成直線，此后按彈性工作；若大于它，曲線將由凸向應力轉向應變軸而趨近于疲勞破壞。該值即疲勞強度fatigue strength。大約為0.5fc左右。割線模量。棱柱體試件。受壓：受拉：Ec=0.5 Ec剪切模量：Gc=0.4 Ec 泊松比 = 橫向應變/縱向 應變=0.2彈性模量測定方法（3）荷載長期作用下的變形creep定義：混凝土在荷載的長期作用下，其變形隨時間而不斷增長的現象稱為徐變，即應力不變，應變隨時間增長的現象。徐變原因：水泥膠凝體粘性流動的結果內部微裂縫在長期荷載作用

22、下持續擴展和延伸。特點：早期發展快，但可以延續數年。前4個月徐變增長較快，6個月可達最終徐變的（7080）%，以后增長逐漸緩慢，23年后趨于穩定。徐變對結構的影響：使構件變形增大；在軸壓構件中，使鋼筋應力增加，混凝土應力減小；在預應力構件中，使預應力發生損失；在超靜定結構中，使內力發生重分布。徐變的影響因素內在因素：骨料的剛度（彈性模量）越大，體表比越大，徐變就越小；水灰比越小，水泥用量越少,徐變也越小。環境影響：養護的溫度越高，水泥水化作用越充分，徐變就越小；蒸汽養護可使徐變減少；受荷后溫度越高，相對濕度越小，徐變就越大。應力條件：初始應力水平si /fc 0.5時，徐變系數j =ecr /

23、eel =Ececr /si =常數，稱為線性徐變；si =（0.50.8） fc 時，徐變系數j 隨si的增大而增大，稱為非線性徐變； si 0.8fc 時，內部微裂縫的發展已處于不穩定的狀態，最終導致混凝土的破壞。將0.8fc作為混凝土的長期抗壓強度。2、混凝土的非受力變形（1）混凝土的收縮與膨脹（2）混凝土的溫度變形（1）混凝土的收縮變形shrinkage定義：混凝土在空氣中硬化時體積會縮小，稱混凝土的收縮。是非受力變形。收縮率：310-4。收縮的原因物理作用：干燥失水化學作用：碳化作用特點：早期快，可延續12年。影響因素水泥用量多、水灰比越大，收縮越大骨料彈性模量高、級配好，收縮就小干

24、燥失水及高溫環境，收縮大體表比大，收縮小高強混凝土收縮大收縮對結構的影響變形受到約束時，混凝土中產生拉應力，甚至引起混凝土的開裂。鋼筋限制混凝土的收縮，使混凝土受拉，鋼筋受壓，若配筋率高會導致開裂。使預應力混凝土構件產生預應力損失。對跨度影響敏感的結構（如拱結構），會產生不利內力減少收縮的措施限制水泥用量；減小水灰比；加強振搗和養護；構造鋼筋數量加強；設置變形縫；摻膨脹劑。（2）混凝土的溫度變形混凝土的體積同樣有熱脹冷縮的性質，當溫度變形受到外界的約束而不能自由發生時，將在構件內產生溫度應力。當應力造成變形差較大時，將會造成表層混凝土開裂。 如：大體積混凝土表面開裂1.2.3 混凝土的選用原則

25、鋼筋混凝土結構中混凝土強度等級不應低于C20。采用強度等級400MPa及以上鋼筋時，不應低于C25；承受重復荷載的鋼筋混凝土構件，混凝土強度等級不應低于C30。預應力混凝土結構中 混凝土強度等級不宜低于C40，且不應低于C30。1.3 鋼筋混凝土的相互作用粘結力1、粘結力的定義鋼筋和混凝土有相互滑移時，在交界面上產生沿鋼筋軸線方向的相互作用力。2、粘結力的作用保證鋼筋與混凝土共同受力變形的基本前提。（無粘結的鋼筋混凝土梁的受力性能與素混凝土梁沒有區別。）ssscsc+dscss-dssssss-dsst 粘結應力使鋼筋應力發生變化，也就是說沒有粘結應力就不會有鋼筋應力的增量；反之亦然。因此在粘結應力傳遞長度之外的截面上，粘結應力為0，而鋼筋應力與混凝土應力均保持不變。3、粘結應力的影響因素 混凝土的抗拉強度越大，粘結強度越高；保護層厚度C與鋼筋間距越大，粘結強度越高 ；橫向鋼筋可限制縱向裂縫的發展，從而提高粘結強度。鋼筋的外觀特征鋼筋端部彎鉤等錨固措施。4、粘結力的組成混凝土因收縮將鋼筋握緊而產生的鋼筋與混凝土間的摩擦力。混凝土中水泥膠體與鋼筋表面的膠合力。機械咬合力（占一半以上）鋼筋端部的錨固力光面鋼筋的粘結性能來源于膠結和摩擦。由中心拉拔試驗可知，在加荷初