第1章混混凝凝土結構構材料的的性能PhysicalandMechanicalPropertiesofMaterialsforReinforcedConcreteStructure本章重點點熟悉土木木工程用用鋼筋的的品種、、級別、、性能及及其選用用原則；；熟悉混凝凝土在各各種受力力狀態下下的強度度與變形形性能及及其選用用原則；；了解鋼筋筋與混凝凝土的共共同工作作原理。。§1.1鋼筋§1.2混凝土§1.3鋼筋混凝凝土的相相互作用用——粘結力§1.1鋼筋<SteelReinforcement>1.1.1鋼筋的品品種與性性能1.1.2混凝土結結構對鋼鋼筋性能能的要求求1.1.3鋼筋的選選用原則則1.1.1鋼筋的品品種與性性能按化學成份份不同分為為強度提高高塑性提高高碳素鋼低碳鋼（（含C量<0.25%)中碳鋼（（含C量0.25~0.6%)高碳鋼（（含C量>0.6%)普通合金金鋼（在碳素素鋼中加加入少量量合金元元素素如Mn、Si、Vi、Ti、Cr等以改善善性能））按生產加工工工藝不同分為為：熱軋鋼筋筋中高強鋼鋼絲和鋼鋼絞線預應力螺螺紋鋼筋筋冷加工鋼鋼筋1、熱軋鋼鋼筋（HotRolledSteelReinforcingBar）定義：將將普通低低碳鋼、、普通低低合金鋼鋼在高溫溫狀態下下軋制而而成。熱軋鋼筋筋按外形特征征不同分為為光圓鋼筋筋變形鋼筋筋光圓鋼筋螺紋鋼筋月牙紋鋼筋人字紋鋼筋種類：新規為節節材，減減耗，減減少污染染，將建建筑用鋼鋼強度提提高。。淘汰HPB235級代以HPB300級鋼筋；增加了HRB500級；限制HRB335級，以HRB400級、HRB500級為受力的的主導鋼鋼筋。HPB—熱軋光面面鋼筋（HotRolledPlainSteelBar），橋梁規規范用R表示；HRB—熱軋帶肋肋鋼筋（HotRolledRibbedSteelBar）；RRB—余熱處理理鋼筋（RemainedheattreatmentRibbedSteelBar），橋梁規范范用KL表示。HRBF—細晶粒熱熱軋帶肋肋鋼筋屈服強度度fyk（標準值值=鋼材廢品品限值，，保證率率97.73%）HPB300級：fyk=300N/mm2HRB400級：fyk=400N/mm2，RRB400級：fyk=400N/mm2HRB500級：fyk=500N/mm2熱軋鋼筋筋種類和和強度標標準值（（新規））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)HPB3006~22300420HRB335HRBF3356~50335455HRB400HRBF400RRB4006~50400540HRB500HRBF5006~50500630常用直徑徑：6，8，10，12，14，16，18，20，22，25，28，32，36，40，50力學性能能1）應力應應變曲線線特征2）塑性性性能3）鋼筋強強度及彈彈性模量量1）應力應應變曲線線特征：熱軋低碳碳鋼筋和和普通熱熱軋低合合金鋼為為軟鋼。有明顯屈屈服點。。sea’abcdefufyf熱軋鋼筋的應力-應變曲線一般可簡化化為雙線線性的理理想彈塑塑性關系系（有時時采用雙雙折線或或三折線線型）3002）塑性性性能（plasticdeformation)：伸長率冷彎性能能鋼筋均勻伸長長率：延伸率大大的鋼筋筋，在拉拉斷前有有足夠預預兆，延延性較好好。均勻伸長長率鋼筋彈性模量實測鋼筋筋拉斷強度度殘余伸長已回復彈性性應變+=鋼筋品種普通鋼筋預應力鋼筋HPB300HRB335、HRBF335、HRB400、HRBF400、HRB500、HRBF500RRB400δgt(%)10.07.55.03.5鋼筋在最最大力下下的總伸伸長率限限值:::只反映斷口附近近殘留變變形大小，不不反映鋼鋼筋總伸伸長率情情況。同同一根鋼鋼筋以往采用用下述伸伸長率冷彎性能能：是檢驗鋼鋼筋局部部變形能能力的指指標。將將直徑為d的鋼筋繞繞直徑為為D的鋼輥，彎成一一定的角角度而不不發生斷斷裂，就就表示合合格。現增加反反彎測試試。冷彎角度度=90°,180°,反復彎曲要求：冷冷彎過程程中無裂裂縫、鱗鱗落或斷裂裂。彎心直徑徑D愈小，要要求愈高高。反復次數數愈高，，要求愈愈高。3）鋼筋強強度及彈彈性模量量屈服強度度yieldstrength：是鋼筋強強度的設設計依據據，因為鋼鋼筋屈服服后將產產生很大大的塑性性變形，，且卸載載時這部部分變形形不可恢恢復，這這會使鋼鋼筋混凝凝土構件件產生很很大的變變形和不不可閉合合的裂縫縫。屈強比比不宜過過大。。比例極極限屈服強強度極限強強度o

fyfted流幅abc彈性模模量：是材材料單單向受受力且且應力力應變變呈線線性關關系時時，正正應力力與正正應變變的比比值。。牌號或種類彈性模量Es（105N/mm2）HPB3002.10HRB335、HRB400、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鋼筋的的彈性性模量量2、中、高高強鋼鋼絲和和鋼絞絞線鋼絲是是由熱熱軋鋼鋼筋經經冷拔拔而成成。鋼絲的的直徑徑4~10mm；鋼絞線線可由由2股、3股、7股鋼絲絲鉸成成，直直徑不不超過過21.6mm，均可可盤成成卷狀狀。強度高高達800MPa至1960MPa。無明顯顯屈服服點，，伸長率率低。。“條件屈屈服點點”均用于于預應應力混混凝土土結構構。中強度度預應應力鋼鋼絲鋼絞線線大直徑徑、高高強度度鋼筋筋，直直徑18-50mm，用于于預應應力混混凝土土結構構構件件。3、預應應力螺螺紋鋼鋼筋預應力力螺紋紋鋼筋筋中強度度鋼絲絲、預預應力力螺紋紋鋼筋筋種類類和強強度標標準值值種類符號公稱直徑d(mm)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1×3（三股）8.6、10.8、12.91570,1860,19609.5、12.7、15.2、17.81720,1860,19601×7（七股）21.61860消除應應力鋼鋼絲、、鋼絞絞線種種類和和強度度標準準值4、冷加加工鋼鋼筋冷加工工種類類冷拉、、冷拔拔、冷冷軋、、冷軋軋扭。。冷加工工目的的改變鋼鋼材內內部結結構，，提高強強度，節約約鋼材材。但延伸率率顯著著降低低，塑性減減小。（1）冷拉：冷拉時時應力力值必必須超超過鋼鋼筋的的屈服服強度度。o冷拉控控制應應力(N/mm2)冷拉率率殘余變形o'abcc'd'd冷拉無無時效效冷拉經經時效效冷拉后后可提提高鋼鋼材的的抗拉拉強度度，但但其屈屈服臺臺階變變短。。冷拉只只能提提高其其抗拉拉強度度不能能提高高其抗抗壓強強度。。“時效效硬化化。””（2）冷拔拔將鋼筋筋用強強力拔拔過比比其直直徑小小的硬硬質合合金拔拔絲模模，內內部結結構發發生變變化，，強度度大大大提高高，但但塑性性也顯顯著降降低。。冷拔可可同時時提高高其抗抗拉強強度和和抗壓壓強度度。d1

d2

Pd2

d1

（3）冷軋以低碳鋼筋筋或低合金金鋼筋為原原材料，在在常溫下軋制成的表表面帶縱肋肋或月牙紋紋橫肋的鋼鋼筋。強度與冷拔拔低碳絲接接近，塑性性要好一些些。冷軋帶肋鋼鋼筋將逐步步取代冷拔拔低碳鋼絲絲。1.1.2混凝土結構構對鋼筋性性能的要求求強度塑性可焊性粘結力耐低溫性能能1.1.3鋼筋的選用用原則普通鋼筋縱向受力普普通鋼筋宜用HRB400、HRB500、HRBF400、HRBF500，也可用HPB300、HRB335、HRBF335、RRB400鋼筋；梁、柱縱向向受力普通通鋼筋應采用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絲、鋼絞線線和預應力力螺紋鋼筋筋。§1.2混凝土混凝土是用水泥、水水和骨料（（砂、石））等原材料料經攪拌后后入模澆筑筑，并經養養護硬化后后做成的人工石材。骨料與膠塊塊的接觸面面以及膠塊塊內部會形形成微裂縫，是薄弱環環節。§1.2.1混凝土的強強度§1.2.2混凝土的變變形§1.2.3混凝土的選選用原則§1.2.1混凝土的強強度混凝土的強強度影響因因素與水泥強度度、水灰比比、骨料品品種、混凝凝土配合比比、硬化條條件和齡期期等有很大大關系。試件的尺寸寸及形狀、、試驗方法法和加載時時間的不同同，所測得得的強度也也不同。1、混凝土的的抗壓強度度2、混凝土的的抗拉強度度3、混凝土在在復合應力力作用下的的強度1、混凝土的的抗壓強度度（1）立方體抗抗壓強度fcu,k（N/mm2或MPa）：是混凝土各各種力學指指標的基本本代表值。。該強度試試驗要求：：標準尺寸：：150mm×150mm×150mm養護條件：：20℃±±3℃，濕度≥90%；28d加荷方法：：加荷速度，，C30以下0.3～0.5MPa/s；C30~C60，0.5～0.8MPa/s；C60及以上，0.8～1.0MPa/s。且墊板不不涂油或墊墊橡膠板。。強度保證率率：95%，f=-1.645影響因素試件尺寸(尺寸效應)200mm×200mm×200mm:1.05；100mm×100mm×100mm:0.95。6〞×12〞圓柱體：1.20（1〞=2.54cm）6〞×12〞棱柱體：1.32試驗方法：：試塊與承壓壓板之間涂涂有油脂或或填以塑料料薄片時強強度偏低。。加載速度：：加載越快，，強度越高高齡期、濕度度混凝土受壓壓破壞是由由于混凝土土內裂縫的的擴展所致致。如果對對混凝土的的橫向變形形加以約束束，限制裂裂縫的開展展，可以提提高混凝土土的縱向抗抗壓強度。。混凝土強度度等級（按立方體抗抗壓強度劃劃分）混凝土強度度從C20~C80共分為14個等級，中中間以5MPa進級。C50以下為普通通強度混凝凝土，C50及以上為高高強度混凝凝土立方體和圓圓柱體抗壓壓試驗都不不能代表混混凝土在實實際構件中中的受力狀狀態，只是是用來在同同一標準條條件下比較較混凝土強強度水平和和品質的標標準（制作作、測試方方便）。（2）軸心抗壓壓強度fc,k（N/mm2或MPa）：更真實反映映以受壓為為主的混凝凝土結構構構件的抗壓壓強度。棱柱體試件件高寬比一一般為h/b=2~4，我國通常常取150mm×150mm×300mm的棱柱體試試件，也常常用150mm×150mm×450mm試件。對于同一混混凝土，棱柱體抗壓壓強度小于于立方體抗抗壓強度。棱柱體抗抗壓強度和和立方體抗抗壓強度的的換算關系系為：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

c21.000.9840.9680.9510.9350.9190.9030.8870.87c1和c2值國外（美國國、日本、、歐洲混凝凝土協會等等）采用直直徑6英寸(152mm)、高12英寸(305mm)的圓柱體試試件，有fc’=0.79fcu圓柱體抗壓壓強度混凝土破壞壞機理受壓破壞是是由于薄弱弱截面處內內裂縫的延延伸開展，，而微裂縫縫的發展導導致橫向變變形的增大大。對橫向向變形加以以約束，可可以限制微微裂縫的發發展，從而而可提高混混凝土的抗抗壓強度。。立方體試件件受約束范范圍大，而而棱柱體試試件中部未未受約束，，因此fc小于fcu；局部受壓面面積以外的的混凝土對對局部受壓壓區域內內部混凝土土微裂縫產產生了較較強的約束束。不涂潤滑劑涂潤滑劑>≈2、混凝土的的抗拉強度度混凝土的抗抗拉強度ft,k（N/mm2或MPa）也是其基本本力學性能能。只有抗抗壓強度的的5％～10％，fcu越大ft/fcu值越小。是構件抗裂裂度的重要要指標。混混凝土構件件開裂、裂裂縫、變形形，以及受受剪、受扭扭、受沖切切等的承載載力均與抗抗拉強度有有關。試驗方法：直接拉伸伸、劈裂試試驗（間接接拉伸）ft,s＝2F/πld式中F——破壞荷載；；d——圓柱直徑或或立方體邊邊長；l——圓柱體長度度或立方體體邊長。軸心抗拉強強度與立方方體抗壓強強度的折算算系數試驗離散性性的影響系系數試驗離散性性系數混凝土軸心心抗拉強度度與立方體體抗壓強度度的關系3、復合應力力狀態下的的混凝土強強度雙軸應力狀狀態BiaxialStressState三軸應力狀狀態TriaxialStressState由于混凝土土的特點，，目前，在在復合應力力狀態下的的強度仍只只是借助有有限的試驗驗資料，推推薦一些近近似方法作作為計算的的依據。（1）雙向正應應力作用1,2(壓－壓)強度增加1,2(拉－壓)強度降低1,2(拉－拉)強度基本不不變3)雙向受拉：任意應力力比情況下下雙向抗拉拉強度均接接近于單向向抗拉強度度。2)一軸受壓一一軸受拉：抗壓強度度或抗拉強強度均隨另另一方向拉拉應力或壓壓應力的增增加而減小小。任意應應力比情況況下均低于于相應單軸軸強度。1)雙向受壓：一向的受受壓強度隨隨另一向的的壓應力增增加而增加加。最大受受壓強度發發生在兩個個壓應力之之比為0.3~0.6之間，約為為(1.25~1.60)fc。峰值應變均均超過單軸軸受壓時的的峰值應變變。（2）剪應力t和正應力s共同作用下下拉-剪：抗拉、抗剪剪強度都降降低；壓-剪：當時時，，抗剪強度度隨壓應力力提高而增增大；當時時，內部裂裂縫增加，，抗剪強度度隨壓應力力增大而降降低。抗壓壓強度均低低于單軸抗抗壓強度。。（3）三軸應力狀狀態實際工程遇遇到較多的的螺旋箍筋筋柱和鋼管管混凝土柱柱中的混凝凝土為三向向受壓狀態態。三向受壓試驗驗一般采用圓圓柱體在等側側壓條件進行行。施加橫向向壓力可顯著著提高混凝土土的強度。三向受壓時，，強度增加，，最大增加5倍。1.2.2混凝土的變形形混凝土的變形形可分為兩類類：1、受力變形：如單調短期加加載的變形、、荷載長期作作用下的變形形以及多次重重復加載的變變形。2、非受力變形：稱為體積變形形，如混凝土土收縮以及溫溫度變化引起起的變形。1、混凝土的受受力變形（1）一次短期加加荷載下的變變形（2）重復荷載作作用下的變形形（3）荷載長期作作用下的變形形（1）一次短期加加荷載下的變變形02468102030s(MPa)e×10-3BACEDOA段：彈性階段段。對普通強度度混凝土sA約為(0.3~0.4)fc，對高強混凝土土sA可達(0.5~0.7)fc。AB段：穩定開裂裂階段。A點以后，由于于微裂縫處的的應力集中，，裂縫開始有有所延伸發展展，產生部分分塑性變形，，應變增長開開始加快。但但該階段微裂裂縫的發展是是穩定的。BC段：不穩定裂裂縫階段。達到B點，微裂縫相相互連通，在在此應力的長長期作用下，，裂縫會持續續發展最終導導致破壞。取B點的應力作為為混凝土的長期抗壓強度度。普通強度混凝凝土sB約為0.8fc，高強強度混凝凝土sB可達0.95fc以上。達到C點fc，內部微裂縫連連通形成破壞壞面，應變增增長速度明顯顯加快，C點的縱向應變變值稱為峰值應變e0，約為0.002。CE段:下降段。縱向應變發展展達到D點，內部裂縫在在試件表面出現第一一條可見平行行于受力方向向的縱向裂縫縫。承載力明顯顯下降，混凝凝土骨料與砂砂漿的粘結不不斷遭到破壞壞，裂縫連通通形成斜向破破壞面。至E點的應變ecu=(2~3)e0，應力s=(0.4~0.6)fc。此時出現反彎彎點，宏觀上上已破壞。0→A:近似彈性

A→B:非線性

B→C:體積增大

C→F:破壞

高強混凝土：：↗，↘破壞時脆性越越顯著，下降降段越陡。◆Hognestad建議的應力-應變曲線◆《規范》應力-應變關系上升段：下降段：混凝土受壓時時縱向應變和和橫向應變橫向變形系數數：νc=εch/εcu，當s<0.5fc時νc接近常數，s>0.5fc時νc突然急劇增大大，說明內部部微裂縫的迅迅速發展。彈性階段的νc也稱為泊松比，近似取0.2。纖維混凝土應應力-應變曲線（2）重復荷載作作用下的變形形若將試件加載載至某一數值值，然后卸載載至零，反復復多次，即重復荷載作用用。每次循環就有有一部分塑性性變形不能恢恢復，并逐逐漸積累，但但每次產生的的塑性變形將將隨次數增加加而減少。存在一個界限限值fcf，當循環應力小小于它時，多多次循環后，，曲線變成直直線，此后按按彈性工作；；若大于它，，曲線將由凸凸向應力轉向向應變軸而趨趨近于疲勞破破壞。該值即即疲勞強度fatiguestrength。大約為0.5fc左右。割線模量。棱柱體試件。受壓：受拉：Ec′=0.5Ec剪切模量：Gc=0.4Ec

泊松比=橫向應變/縱向應變=0.2彈性模量測定定方法（3）荷載長期作作用下的變形形creep定義：混凝土在荷載載的長期作用下，其變形隨隨時間而不斷斷增長的現象象稱為徐變，即應力不變，，應變隨時間間增長的現象象。徐變原因：水泥膠凝體粘粘性流動的結結果內部微裂縫在在長期荷載作作用下持續擴擴展和延伸。。特點：早期發展快，，但可以延續續數年。前4個月徐變增長長較快，6個月可達最終終徐變的（70~80）%，以后增長逐逐漸緩慢，2~3年后趨于穩定定。徐變對結構的的影響：使構件變形增增大；在軸壓構件中中，使鋼筋應應力增加，混混凝土應力減減小；在預應力構件件中，使預應應力發生損失失；在超靜定結構構中，使內力力發生重分布布。徐變的影響因因素內在因素：骨料的剛度（（彈性模量））越大，體表表比越大，徐徐變就越小；；水灰比越小小，水泥用量量越少,徐變也越小。。環境影響：養護的溫度越越高，水泥水水化作用越充充分，徐變就就越小；蒸汽汽養護可使徐徐變減少；受受荷后溫度越越高，相對濕濕度越小，徐徐變就越大。。應力條件：初始應力水平平si/fc≤0.5時，徐變系數數j=ecr/eel=Ececr/si=常數，稱為線性徐變；si=（0.5~0.8）fc時，徐變系數數j隨si的增大而增大大，稱為非線性徐變；si>0.8fc時，內部微裂裂縫的發展已已處于不穩定定的狀態，最最終導致混凝凝土的破壞。。將0.8fc作為混凝土的的長期抗壓強度度。2、混凝土的非非受力變形（1）混凝土的收收縮與膨脹（2）混凝土的溫溫度變形（1）混凝土的收收縮變形shrinkage定義：混凝土在空氣氣中硬化時體體積會縮小，，稱混凝土的的收縮。是非非受力變形。。收縮率：3×10-4。收縮的原因物理作用：干干燥失水化學作用：碳碳化作用特點：早期快，可延延續1～2年。影響因素水泥用量多、、水灰比越大大，收縮越大大骨料彈性模量量高、級配好好，收縮就小小干燥失水及高高溫環境，收收縮大體表比大，收收縮小高強混凝土收收縮大收縮對結構的的影響變形受到約束束時，混凝土土中產生拉應應力，甚至引引起混凝土的的開裂。鋼筋限制混凝凝土的收縮，，使混凝土受受拉，鋼筋受受壓，若配筋筋率高會導致致開裂。使預應力混凝凝土構件產生預應力損損失。對跨度影響敏敏感的結構（（如拱結構）），會產生不不利內力減少收縮的措措施限制水泥用量量；減小水灰灰比；加強振振搗和養護；；構造鋼筋數量量加強；設置變形縫；；摻膨脹劑。（2）混凝土的溫溫度變形混凝土的體積積同樣有熱脹脹冷縮的性質質，當溫度變變形受到外界界的約束而不不能自由發生生時，將在構構件內產生溫度應力。當應力造成變變形差較大時時，將會造成成表層混凝土土開裂。如：大體積混混凝土表面開開裂§1.2.3混凝土的選用用原則鋼筋混凝土結結構中混凝土強度等等級不應低于于C20。采用強度等級級400MPa及以上鋼筋時時，不應低于于C25；承受重復荷載載的鋼筋混凝凝土構件，混混凝土強度等等級不應低于于C30。預應力混凝土土結構中混凝土強度等等級不宜低于于C40，且不應低于于C30。§1.3鋼筋混凝土的的相互作用——粘結力1、粘結力的定義鋼筋和混凝土土有相互滑移移時，在交界界面上產生沿沿鋼筋軸線方方向的相互作作用力。2、粘結力的作用保證鋼筋與混混凝土共同受力變形形的基本前提提。（無粘結的鋼鋼筋混凝土梁梁的受力性能能與素混凝土土梁沒有區別別。）ssscsc+dscss-dssssss-dsst粘結應力使鋼鋼筋應力發生生變化，也就就是說沒有粘粘結應力就不不會有鋼筋應應力的增量；；反之亦然。。因此在粘結結應力傳遞長長度之外的截截面上，粘結結應力為0，而鋼筋應力力與混凝土應應力均保持不不變。3、粘結應力的的影響因素混凝土的抗拉拉強度越大，粘結強強度越高；保護層厚度C與鋼筋間距越大，粘結強強度越高；橫向鋼筋可限制縱向裂裂縫的發展，，從而提高粘粘結強度。鋼筋的外觀特特征鋼筋端部彎鉤鉤等錨固措施。4、粘結力的組組成混凝土因收縮縮將鋼筋握緊緊而產生的鋼鋼筋與混凝土土間的摩擦力。混凝土中水泥泥膠體與鋼筋筋表面的膠合力。機械咬合力（占一半以上上）鋼筋端部的錨錨固力光面鋼筋的