第三章 結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)性能

第三章結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)性能第一頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期四目錄建筑鋼材1混凝土2鋼筋與混凝土的相互作用——粘結(jié)力33第二頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期四3.1鋼筋的強(qiáng)度和變形

3.1.1鋼筋的成分、級別和品種按化學(xué)成分碳素鋼（鐵、碳、硅、錳、硫、磷等元素）低碳鋼（含碳量<0.25%）中碳鋼（含碳量0.25~0.6%）高碳鋼（含碳量0.6~1.4%）普通低合金鋼（另加硅、錳、鈦、釩、鉻等）硅系硅釩系硅鈦系硅錳系硅鉻系磷和硫是有害的元素第三頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期四3.1鋼筋的強(qiáng)度和變形

3.1.1鋼筋的成分、級別和品種鋼筋熱軋鋼筋：熱軋光面鋼筋HPB235，熱軋帶肋鋼筋HRB335、HRB400，余熱處理鋼筋RRB400冷拉鋼筋：由熱軋鋼筋在常溫下用機(jī)械拉伸而成熱處理鋼筋：將HRB400、RRB400鋼筋通過加熱、淬火、回火而成按加工方法鋼絲碳素鋼絲：高碳鎮(zhèn)靜鋼通過多次冷拔、應(yīng)力消除、矯正、回火處理而成刻痕鋼絲：在鋼絲表面刻痕，以增強(qiáng)其與混凝土間的粘結(jié)力鋼絞線：六根相同直徑的鋼絲成螺旋狀鉸繞在一起冷拔低碳鋼絲：由低碳鋼冷拔而成第四頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期四強(qiáng)度等級代號鋼種符號d/mmHPB235Q235820HRB33520MnSi650HRB40020MnSiV，20MnSiNb，20MnTi650RRB400K20MnSiR840常用熱軋鋼筋的種類、代表符號和直徑范圍3.1鋼筋的強(qiáng)度和變形

3.1.1鋼筋的成分、級別和品種第五頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期四熱軋鋼筋

HotRolledSteelReinforcingBarHPB235級、HRB335級、HRB400級、RRB400級HPBHotrolledPlainBarHRBHotrolledRibbedBarRRBRemainedheattreatmentRibbedBar屈服強(qiáng)度fyk（標(biāo)準(zhǔn)值=鋼材廢品限值，保證率97.73%）HPB235級：fyk=235N/mm2HRB335級：fyk=335N/mm2HRB400級、RRB400級：fyk=400N/mm23.1鋼筋的強(qiáng)度和變形

3.1.1鋼筋的成分、級別和品種第六頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期四3.1鋼筋的強(qiáng)度和變形

3.1.1鋼筋的成分、級別和品種按表面形狀光圓鋼筋變形鋼筋鋼筋的應(yīng)用范圍:非預(yù)應(yīng)力鋼筋：HRB235，HRB335，HRB400，RRB400預(yù)應(yīng)力鋼筋：碳素鋼絲，刻痕鋼絲，鋼絞線，熱處理鋼筋，冷拉鋼筋第七頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期四3.1鋼筋的強(qiáng)度和變形

3.1.2鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變曲線se

有明顯屈服點(diǎn)的鋼筋Rebarwithyieldpointa’為比例極限proportionallimit

s=Esea’a為彈性極限elasticlimitade為強(qiáng)化段strainhardeningstagebb為屈服上限upperyieldstrengthc為屈服下限，即屈服強(qiáng)度fyloweryieldstrengthcdcd為屈服臺階yieldplateauefue為極限抗拉強(qiáng)度fu

ultimatetensilestrengthfyf第八頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期四3.1鋼筋的強(qiáng)度和變形

3.1.2鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變曲線無明顯屈服點(diǎn)的鋼筋Rebarwithoutyieldpointa點(diǎn)：比例極限，約為0.65fua點(diǎn)前：應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為線彈性a點(diǎn)后：應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為非線性，有一定塑性變形，且沒有明顯的屈服點(diǎn)強(qiáng)度設(shè)計(jì)指標(biāo)——條件屈服點(diǎn)(Equivalentyieldpoint)殘余應(yīng)變?yōu)?.2%所對應(yīng)的應(yīng)力《規(guī)范》取s0.2=0.85fu第九頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期四3.1鋼筋的強(qiáng)度和變形

3.1.3鋼筋的強(qiáng)度指標(biāo)彈性模量即是鋼筋應(yīng)力－應(yīng)變曲線彈性階段的斜率，是個(gè)相當(dāng)穩(wěn)定的物理常數(shù)。屈服強(qiáng)度yieldstrength：是鋼筋強(qiáng)度的設(shè)計(jì)依據(jù)，因?yàn)殇摻钋髮⒑艽蟮乃苄宰冃?，且卸載時(shí)這部分變形不可恢復(fù)，這會使鋼筋混凝土構(gòu)件產(chǎn)生很大的變形和不可閉合的裂縫。屈服上限與加載速度有關(guān)，不太穩(wěn)定，一般取屈服下限作為屈服強(qiáng)度。屈強(qiáng)比反映鋼筋的強(qiáng)度儲備，fy/fu=0.6~0.7。極限抗拉強(qiáng)度ultimatetensilestrength第十頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期四3.1鋼筋的強(qiáng)度和變形

3.1.4鋼筋的塑性性能*伸長率elongationstrain：鋼筋拉斷時(shí)的應(yīng)變，是反映鋼筋塑性性能的指標(biāo)。伸長率大的鋼筋，在拉斷前有足夠預(yù)兆，延性較好*冷彎性能：將直徑為d的鋼筋繞直徑為D的鋼輥彎成一定的角度而不發(fā)生斷裂伸長率d對應(yīng)最大應(yīng)力時(shí)應(yīng)變，包括了殘余應(yīng)變和彈性應(yīng)變，反映了鋼筋真實(shí)的變形能力(≥2.5%)第十一頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期四3.1鋼筋的強(qiáng)度和變形

3.1.5鋼筋的冷加工和熱處理冷拉BKZZ’K’殘余變形冷拉伸長率無時(shí)效經(jīng)時(shí)效K點(diǎn)的選擇：應(yīng)力控制和應(yīng)變控制溫度的影響：溫度達(dá)700oC時(shí)恢復(fù)到冷拉前的狀態(tài)，先焊后拉特性：只提高抗拉強(qiáng)度，不提高抗壓強(qiáng)度，強(qiáng)度提高，塑性下降第十二頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期四3.1鋼筋的強(qiáng)度和變形

3.1.5鋼筋的冷加工和熱處理冷拔經(jīng)過冷拔后鋼筋沒有明顯的屈服點(diǎn)和流幅冷拔既能提高抗拉強(qiáng)度又能提高抗壓強(qiáng)度第十三頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期四3.1鋼筋的強(qiáng)度和變形

3.1.6鋼筋的連接熱軋鋼筋的連接方法：綁扎連接焊接機(jī)械連接第十四頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期四3.1鋼筋的強(qiáng)度和變形

3.1.7混凝土結(jié)構(gòu)對鋼筋的要求強(qiáng)度要求：屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度，抗震設(shè)計(jì)時(shí)還要求有一定的屈強(qiáng)比塑性要求：伸長率和冷彎要求可焊性與混凝土的粘結(jié)性第十五頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期四3.1鋼筋的強(qiáng)度和變形

3.1.8鋼筋應(yīng)力-應(yīng)變曲線的數(shù)學(xué)模型sss=Essys,hfysss=Essys,hfyfs,us,us,usss=Essyfys,hfs,u有明顯流幅的鋼筋無明顯流幅的鋼筋第十六頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期四3.2混凝土的強(qiáng)度和變形

3.2.1混凝土的強(qiáng)度混凝土的強(qiáng)度是其受力性能的一個(gè)基本指標(biāo)。荷載的性質(zhì)不同及混凝土受力條件不同，混凝土就會具有不同的強(qiáng)度。工程中常用的混凝土強(qiáng)度有：立方體抗壓強(qiáng)度、棱柱體軸心抗壓強(qiáng)度、軸心抗拉強(qiáng)度等。第十七頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期四

3.2混凝土的強(qiáng)度和變形

3.2.2混凝土的抗壓強(qiáng)度采用標(biāo)準(zhǔn)試塊(規(guī)范規(guī)定邊長為150mm的混凝土立方體)，在標(biāo)準(zhǔn)條件下（溫度為20℃±3℃，相對濕度在90%以上）養(yǎng)護(hù)28天，按規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法(中心加載，平均速度為0.3～0.8MPa/s，試件上下表面不涂潤滑劑)測得的具有95%保證率的抗壓強(qiáng)度稱為混凝土立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fcu,k(N/mm2)。立方體抗壓強(qiáng)度fcu第十八頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期四3.2混凝土的強(qiáng)度和變形

3.2.2混凝土的抗壓強(qiáng)度立方體抗壓強(qiáng)度fcu承壓板試塊摩擦力不涂潤滑劑涂潤滑劑強(qiáng)度大于我國規(guī)范的方法：不涂潤滑劑壓力試件裂縫發(fā)展擴(kuò)張整個(gè)體系解體，喪失承載力另影響強(qiáng)度的因素還有：齡期、加載速率、試塊尺寸等第十九頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期四3.2混凝土的強(qiáng)度和變形

3.2.2混凝土的抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)試塊：150×150×150非標(biāo)準(zhǔn)試塊：100×100×100換算系數(shù)0.95200×200×200換算系數(shù)1.05立方體抗壓強(qiáng)度是區(qū)分混凝土強(qiáng)度等級的指標(biāo)，我國規(guī)范混凝土的強(qiáng)度等級有：C15，C20，C25，C30，C35，C40，C45，C50，C55，C60，C65，C70，C75，C80表示混凝土Concrete立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值立方體抗壓強(qiáng)度fcu第二十頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期四3.2混凝土的強(qiáng)度和變形

3.2.2混凝土的抗壓強(qiáng)度棱柱體軸心抗壓強(qiáng)度fc承壓板試塊標(biāo)準(zhǔn)試塊：150×150×300非標(biāo)準(zhǔn)試塊：100×100×300換算系數(shù)0.95200×200×400換算系數(shù)1.05考慮到承壓板對試件的約束，立方體抗壓強(qiáng)度大于棱柱體抗壓強(qiáng)度，且有：fc=（0.70-0.92）fcu

考慮到構(gòu)件和試件的區(qū)別，取第二十一頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期四3.2混凝土的強(qiáng)度和變形

3.2.3混凝土的抗拉強(qiáng)度直接受拉試驗(yàn)ft100100150150500試驗(yàn)結(jié)果平均值：ft,ｍ=0.395(fcu,m)0.55考慮修正系數(shù)0.88及脆性折減系數(shù)，取此方法離散性大第二十二頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期四3.2混凝土的強(qiáng)度和變形

3.2.3混凝土的抗拉強(qiáng)度劈裂試驗(yàn)ftsddftsFFFF我國根據(jù)100mm立方體的劈裂與抗壓試驗(yàn)結(jié)果有：fts=0.19fcu3/4第二十三頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期四3.2混凝土的強(qiáng)度和變形

3.2.4混凝土的變形性能02468102030s(MPa)e×10-3BACEDA點(diǎn)以前，微裂縫沒有明顯發(fā)展，混凝土的變形主要彈性變形，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系近似直線。A點(diǎn)應(yīng)力隨混凝土強(qiáng)度的提高而增加，對普通強(qiáng)度混凝土sA約為

(0.3~0.4)fc，對高強(qiáng)混凝土sA可達(dá)(0.5~0.7)fc。A點(diǎn)以后，由于微裂縫處的應(yīng)力集中，裂縫開始有所延伸發(fā)展，產(chǎn)生部分塑性變形，應(yīng)變增長開始加快，應(yīng)力-應(yīng)變曲線逐漸偏離直線。微裂縫的發(fā)展導(dǎo)致混凝土的橫向變形增加。但該階段微裂縫的發(fā)展是穩(wěn)定的。混凝土在結(jié)硬過程中，由于水泥石的收縮、骨料下沉以及溫度變化等原因，在骨料和水泥石的界面上形成很多微裂縫，成為混凝土中的薄弱部位?；炷恋淖罱K破壞就是由于這些微裂縫的發(fā)展造成的。達(dá)到B點(diǎn)，內(nèi)部一些微裂縫相互連通，裂縫發(fā)展已不穩(wěn)定，橫向變形突然增大，體積應(yīng)變開始由壓縮轉(zhuǎn)為增加。在此應(yīng)力的長期作用下，裂縫會持續(xù)發(fā)展最終導(dǎo)致破壞。取B點(diǎn)的應(yīng)力作為混凝土的長期抗壓強(qiáng)度。普通強(qiáng)度混凝土sB約為0.8fc，高強(qiáng)強(qiáng)度混凝土sB可達(dá)0.95fc以上。達(dá)到C點(diǎn)fc，內(nèi)部微裂縫連通形成破壞面，應(yīng)變增長速度明顯加快，C點(diǎn)的縱向應(yīng)變值稱為峰值應(yīng)變

e0，約為0.002?？v向應(yīng)變發(fā)展達(dá)到D點(diǎn)，內(nèi)部裂縫在試件表面出現(xiàn)第一條可見平行于受力方向的縱向裂縫。隨應(yīng)變增長，試件上相繼出現(xiàn)多條不連續(xù)的縱向裂縫，橫向變形急劇發(fā)展，承載力明顯下降，混凝土骨料與砂漿的粘結(jié)不斷遭到破，裂縫連通形成斜向破壞面。E點(diǎn)的應(yīng)變e=(2~3)e0，應(yīng)力s=(0.4~0.6)fc。第二十四頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期四不同強(qiáng)度混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線強(qiáng)度等級越高，線彈性段越長，峰值應(yīng)變也有所增大。但高強(qiáng)混凝土中，砂漿與骨料的粘結(jié)很強(qiáng)，密實(shí)性好，微裂縫很少，最后的破壞往往是骨料破壞，破壞時(shí)脆性越顯著，下降段越陡。3.2混凝土的強(qiáng)度和變形

3.2.4混凝土的變形性能第二十五頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期四3.2混凝土的強(qiáng)度和變形

3.2.4混凝土的變形性能單軸受壓時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的數(shù)學(xué)模型u=0.00380=0.002ocfcc0.15fcu=0.00350=0.002ocfcc美國Hognestad模型德國Rüsch模型第二十六頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期四3.2混凝土的強(qiáng)度和變形

3.2.4混凝土的變形性能單軸受壓時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的數(shù)學(xué)模型----中國規(guī)范u0ocfcc第二十七頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期四3.2混凝土的強(qiáng)度和變形

3.2.4混凝土的變形性能側(cè)向受約束時(shí)混凝土的變形特點(diǎn)cu約束混凝土非約束混凝土ccfccfcEsecEc

c02c0

sp

cco環(huán)箍斷裂第二十八頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期四3.2混凝土的強(qiáng)度和變形

3.2.4混凝土的變形性能長期荷載作用下混凝土的變形性能----徐變P原因之一，膠凝體的粘性流動原因之二，混凝土內(nèi)部微裂縫的不斷發(fā)展混凝土在荷載的長期作用下，其變形隨時(shí)間而不斷增長的現(xiàn)象稱為徐變。第二十九頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期四3.2混凝土的強(qiáng)度和變形

3.2.4混凝土的變形性能長期荷載作用下混凝土的變形性能----影響徐變的因素應(yīng)力：c<0.5fc，徐變變形與應(yīng)力成正比----線性徐變

0.5fc<c<0.8fc，非線性徐變

c>0.8fc，造成混凝土破壞，不穩(wěn)定加荷時(shí)混凝土的齡期，越早，徐變越大水泥用量越多，水灰比越大，徐變越大骨料越硬，徐變越小第三十頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期四3.2混凝土的強(qiáng)度和變形

3.2.4混凝土的變形性能徐變對混凝土結(jié)構(gòu)的影響徐變對混凝土結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的工作性能有很大影響:由于混凝土的徐變，會使構(gòu)件的變形增加;在鋼筋混凝土截面中引起應(yīng)力重分布;在預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中會造成預(yù)應(yīng)力的損失?；炷恋男熳兲匦灾饕c時(shí)間參數(shù)有關(guān)。第三十一頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期四3.2混凝土的強(qiáng)度和變形

3.2.4混凝土的變形性能混凝土的收縮----結(jié)硬過程中混凝土體積縮小的性質(zhì)（1）水泥的品種：水泥強(qiáng)度等級越高，制成的混凝土收縮越大。（2）水泥的用量：水泥用量多、水灰比越大，收縮越大。（3）骨料的性質(zhì)：骨料彈性模量高、級配好，收縮就小。（4）養(yǎng)護(hù)條件：干燥失水及高溫環(huán)境，收縮大。（5）混凝土制作方法：混凝土越密實(shí)，收縮越小。（6）使用環(huán)境：使用環(huán)境溫度、濕度越大，收縮越小。（7）構(gòu)件的體積與表面積比值：比值大時(shí)，收縮小。影響因素第三十二頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期四3.2混凝土的強(qiáng)度和變形

3.2.4混凝土的變形性能收縮對混凝土結(jié)構(gòu)的影響收縮是混凝土在不受外力情況下體積變化產(chǎn)生的變形。當(dāng)這種自發(fā)的變形受到外部（支座）或內(nèi)部（鋼筋）的約束時(shí)，將使混凝土中產(chǎn)生拉應(yīng)力，甚至引起混凝土的開裂?；炷潦湛s會使預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力損失。第三十三頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期四3.2混凝土的強(qiáng)度和變形

3.2.4混凝土的變形性能混凝土的彈性模量和變形模量ccccep01原點(diǎn)切線模量（彈性模量）：拉壓相同變形模量（割線模量、彈塑性模量）切線模量受壓時(shí)，為0.4~1.0；受拉破壞時(shí)，為1.0彈性系數(shù)ν反映了混凝土的彈塑性性質(zhì)第三十四頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期四3.2混凝土的強(qiáng)度和變形

3.2.4混凝土的變形性能混凝土的泊松比和剪切模量混凝土的泊松比，在壓力較小時(shí)為0.15-0.18，接近破壞時(shí)可達(dá)0.5以上，一般可取0.2混凝土的剪切模量為第三十五頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期四3.3混凝土與鋼筋的相互作用——粘結(jié)力

3.3.1共同工作的基本條件*混凝土和鋼筋之間有良好的粘結(jié)力，兩者可靠地結(jié)合在一起，可共同受力，共同變形

*兩者的溫度線膨脹系數(shù)很接近，避免產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力破壞兩者的粘結(jié)力，混凝土：1.0×10-5－1.5×10-5，鋼筋：1.2×10-5

*混凝土包裹在鋼筋的外部，混凝土的弱堿性環(huán)境可使鋼筋免于腐蝕主要原因材料本身固有屬性保證其耐久性第三十六頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期四3.3混凝土與鋼筋的相互作用——粘結(jié)力

3.3.2鋼筋和混凝土之間的粘結(jié)鋼筋和混凝土之間的粘結(jié)是保證這兩種力學(xué)性能不同的材料在結(jié)構(gòu)構(gòu)件中形成整體而變形協(xié)調(diào)的共同工作的重要條件第三十七頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期四3.3混凝土與鋼筋的相互作用——粘結(jié)力

3.3.3粘結(jié)力的組成

化學(xué)膠結(jié)力：由混凝土中水泥凝膠體和鋼筋表面化學(xué)變化而產(chǎn)生的吸附作用力，這種作用力很弱，一旦鋼筋與混凝土接觸面上發(fā)生相對滑移即消失。摩阻力(握裹力)：混凝土收縮后緊緊地握裹住鋼筋而產(chǎn)生的力。這種摩擦力與壓應(yīng)力大小及接觸界面的粗糙程度有關(guān)，擠壓應(yīng)力越大、接觸面越粗糙，則摩阻力越大。機(jī)械咬合力：由于鋼筋表面凹凸不平與混凝土之間產(chǎn)生的機(jī)械咬合作用力。變形鋼筋的橫肋會產(chǎn)生這種咬合力。第三十八頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期四3.3混凝土與鋼筋的相互作用——粘結(jié)力

3.3.4粘結(jié)強(qiáng)度

鋼筋的粘結(jié)強(qiáng)度通常采用直接拔出試驗(yàn)來測