主编：孟华赵爱书

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中等职业教育中等职业教育建筑工程施工专业建筑工程施工专业规划教材规划教材

建筑结构建筑结构JIANZHU JIEGOU

主编：孟华赵爱书

3 钢筋混凝土材料的力学性能

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3.1 3.1 钢筋钢筋


目录

3.2 3.2 混凝土混凝土

3.3 3.3 钢筋与混凝土共同工作钢筋与混凝土共同工作



1. 掌握钢筋的种类、钢筋的力学性能及设计指标；2. 掌握混凝土的力学性能及设计指标。

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3.1

钢筋

3.1 钢筋


我国目前常用的钢材由碳素结构钢及普通低合金钢制造。碳素结构钢分为低碳钢（普通碳素钢）、中碳钢和高碳钢，随含碳量的增加，钢材的强度提高，但塑性降低。在低碳钢中加入硅、锰、钒、钛、铌、铬等少量合金元素，能使钢材性能有较显著的改善，成为普通低合金钢。钢筋按照生产加工工艺和力学性能的不同，用于建筑工程中的钢筋有热轧钢筋、冷拉钢筋、热处理钢筋以及钢丝、钢绞线等。

3.1.1 结构用钢筋的种类

3.1 钢筋


普通钢筋是指用于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。普通钢筋分为 HPB300 （符号）、 HRB335 （符号）、HRBF335 （符号）、 HRB400 （符号），HRBF400 （符号）、 RRB400 （余热处理钢筋，符号）、 HRB500 （符号）和 HRBF500 （符号）等。除 HPB300 级钢筋是低碳钢外，其余钢筋都是低合金钢。

F

FR

F

3.1 钢筋


预应力钢筋有钢绞线、刻痕钢丝、消除应力钢丝以及热处理钢筋。钢筋按其外形特征可分为光圆钢筋和带肋钢筋两类。 HPB300 级钢筋是光圆钢筋，其余热轧钢筋及热处理钢筋都是带肋钢筋。目前广泛使用的带肋钢筋是纵肋与横肋不相交的月牙纹钢筋（图 3.1（ a ））以及螺纹钢筋（图 3.1 （ b ））。图 3.1 带肋钢筋

（ a ）月牙纹钢筋；（ b ）螺纹钢筋

3.1 钢筋


纵向受力普通钢筋宜采用 HRB400 、 HRB500 、HRBF400 、 HRBF500 级钢筋，也可采用 HPB300 、 HRB335 、 HRBF335 、 RRB400 钢筋。其中， HPB300 级钢筋主要用于受荷载较小的板或小型构件的受力主筋，以及各类构件的构造钢筋和箍筋。

3.1.2 钢筋的选用原则

3.1 钢筋


梁、柱纵向受力普通钢筋应采用 HRB400 、 HRB500 、 HRBF400 、 HRBF500 钢筋。箍筋宜采用 HRB400 、 HRBF400 、 HPB300 、HRB500 、 HRBF500 钢筋，也可采用 HRB335 、HRBF335 钢筋。预应力筋宜采用预应力钢绞线、钢丝和预应力螺纹钢筋。

3.1 钢筋


在钢筋混凝土结构、预应力混凝土结构以及钢结构中所用的钢材可分为两类，即有明显屈服点的钢材和无明显屈服点的钢材。有明显屈服点钢材标准试件在拉伸时的应力应变曲线如图 3.2 所示。

3.1.3 钢筋的力学性能

图 3.2 钢材的应力 -- 应变曲线

3.1 钢筋


在拉伸的初始阶段（图中a点以前），应力 σ 与应变 ε

按比例增加，两者呈直线关系，符合虎克定律，且当荷载卸除后，完全恢复原状，该阶段称为弹性阶段，其最大应力（即 a 点应力）称为比例极限。当应力超过比例极限后，应变的增长速度大于应力的增长速度，当到达b点时，应变急剧增加，而应力基本不变，钢材发生显著的、不可恢复的塑性变形，此阶段称为屈服阶段。相应于屈服下限（图中c点）的应力称为屈服强度。当钢材屈服塑流到一定程度后（图中d点），应力应变曲线又

呈上升趋势，曲线最高点（图中e点）的应力称为抗拉强度，此阶段称为强化阶段。当钢材应力达到抗拉强度后，试件薄弱断面显著变小，发生“颈缩”现象，最后直至拉断。

3.1 钢筋


无明显屈服点钢材标准试件的拉伸应力 -- 应变曲线如图 3.3 所示。这类钢材没有明显的屈服点，抗拉强度很高，但变形很小。通常取相应于残余应变为 0.2% 时的应力 f0.2 作为屈服强度，称为条件屈服强度。

图 3.3 无明显屈服点钢材的应力 -- 应变曲线

3.1 钢筋


钢筋强度具有变异性。例如按同一标准，不同时生产的各批钢筋之间的强度不会完全相同；即使同一炉钢轧成的钢筋，其强度也有差异。因此，在结构设计时需要确定材料强度的基本代表值，即材料强度的标准值。所谓材料强度标准值，是指正常情况下可能出现的最小材料强度值，其值应根据材料强度概率分布某一分位值确定。

3.1.4 钢筋的强度计算指标

3.1 钢筋


表 3.1 普通钢筋强度标准值、设计值和弹性模量

3.1 钢筋


3.2

混凝土

3.2 混凝土


混凝土是由水泥、水和骨料（包括粗骨料和细骨料，粗骨料有碎石、卵石等；细骨料有粗砂、中砂、细砂等）几种材料经混合搅拌、入模浇捣、养护硬化后形成的人工石材，“砼”形象地表达了混凝土的特点。

3.2.1 混凝土的强度

3.2 混凝土


3.2.1.1 混凝土的抗压强度混凝土在结构构件中主要承受压力，其抗压强度是最主要的性能指标。(1) 混凝土立方体抗压强度和混凝土强度等级划分。混凝土立方体抗压强度标准值是混凝土力学性能的最基本指标。混凝土强度等级根据立方体抗压强度标准值确定，混凝土强度等级分为 C15 、 C20 、 C25 、 C30 、C35 、 C40 、 C45 、 C50 、 C55 、 C60 、 C65 、C70 、 C75 、 C80共 14 级。

3.2 混凝土


(2) 混凝土轴心抗压强度 fc

立方体抗压强度不能代表混凝土在实际构件中的受力状态，只是作为同一标准条件下比较混凝土强度水平和品质的标准，实际工程中的受压构件不是立方体而是棱柱体，它们的长度比其他截面尺寸大得多。因此，以棱柱体的抗压强度作为以受压为主的混凝土抗压强度，即轴心抗压强度，混凝土轴心抗压强度值见表 3.2 。

3.2 混凝土


3.2.1.2 混凝土抗拉强度 ft

混凝土的抗拉性能很差，抗拉强度标准值 ftk约为轴心抗压强度标准值 fck 的 1/8～ 1/16 ，混凝土抗拉强度值见表 3.2 。（详见教材 13页表 3.2 ）

强度种类混凝土强度等级

C15 C20 C25 C30 C35 C40 C45 C50 C55 C60 C65 C70 C75 C80

强度标准值

fck 10 13.4 16.7 20.1 23.4 26.8 29.6 32.4 35.5 38.5 41.5 44.5 47.4 50.2

ftk 1.27 1.54 1.78 2.01 2.2 2.39 2.51 2.64 2.74 2.85 2.93 2.99 3.05 3.11

强度设计值

fc 7.2 9.6 11.9 14.3 16.7 19.1 21.1 23.1 25.3 27.5 29.7 31.8 33.8 35.9

ft 0.91 1.1 1.27 1.43 1.57 1.71 1.8 1.89 1.96 2.04 2.09 2.14 2.18 2.22

表 3.2 混凝土强度标准值、强度设计值（ N/mm2 ）

3.2 混凝土


《混凝土结构设计规范》（ GB 50010—2010 ）规定，钢筋混凝土结构的混凝土强度等级不应低于 C15 ；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 C20 ；预应力混凝土结构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，混凝土强度等级不宜低于 C40 。

3.2.3 混凝土的选用

3.2 混凝土


3.3

钢筋与混凝土共同工作

3.3 钢筋与混凝土共同工作


钢筋和混凝土是受力性能不同的两种材料，然而它们能结合在一起共同工作，主要原因是：①混凝土硬化后钢筋与混凝土之间产生了良好的粘结力，使两者牢固地粘结在一起，在荷载作用下，相互之间不致发生相对滑动，而能整体工作；②二者的温度线膨胀系数非常接近，当温度发生变化时，不致因胀缩不同而破坏它们的整体性；③混凝土握裹钢筋，使钢筋不易锈蚀。

3.3.1 钢筋与混凝土共同工作的原理



钢筋和混凝土共同工作的基础是粘结力。粘结力是存在于钢筋与混凝土界面上的作用力。试验表明：粘结力主要由三部分组成：①由于混凝土收缩将钢筋紧紧握裹而产生的摩擦力；②由于混凝土颗粒的化学作用而产生的胶合力；③由于钢筋表面凹凸不平与混凝土之间产生的机械咬合力。

3.3.2 粘结力的概念



粘结强度的测定通常采用拔出试验方法（图 3.4 ），将钢筋一端埋入混凝土中，在另一端施力将钢筋拔出。

图 3.4 拔出试验及粘结应力分布



3.3.3.1 足够的锚固长度受拉钢筋必须在支座内有足够的锚固长度，以便通过该长度上粘结应力的积累，使钢筋在靠近支座处能够充分发挥作用。《混凝土结构设计规范》（ GB 50010—2010 ）规定，当计算中充分利用纵向受拉钢筋强度时，其锚固长度不应小于受拉钢筋的锚固长度 la （图 3.5 ）。

3.3.3 保证钢筋和混凝土之间粘结力的措施

图 3.5 受拉钢筋的锚固



受拉钢筋的锚固长度可由如下公式计算：

式中 ——锚固钢筋的抗拉强度设计值； ——锚固区混凝土的抗拉强度设计值；d ——锚固钢筋的直径或锚固钢筋的等效直径；α ——锚固钢筋的外形系数，见表 3.3 。

y

at

fd

fl

al

yf

tf

钢筋类型光面钢筋带肋钢筋螺旋肋钢丝三股钢绞线七股钢绞线 a 0.16 0.14 0.13 0.16 0.17

表 3.3 锚固钢筋的外形系数

注：光圆钢筋末端应做 180° 弯钩，弯后平直段长度不应小于 3d ，但做受压钢筋时可不做弯钩。



采用机械锚固措施时，锚固长度（包括附加锚固端头在内的总水平投影长度）可乘以修正系数 0.7 （图 3.6 ）。

图 3.6 钢筋机械锚固的形式（ a ）末端带 135° 弯钩；（ b ）末端贴焊短钢筋；

（ c ）末端与钢板穿孔塞焊



在任何情况下，受拉钢筋的锚固长度不应小于表3 .4 规定的数值，且不小于按式（ 3.1 ）计算值的 0.7倍及 250mm 。

钢筋类型光圆钢筋带肋钢筋螺旋肋钢丝三股钢绞线七股钢绞线及三面刻痕钢丝

最小锚固长度 20d 25d 80d 90d 100d

表 3.4 受拉钢筋的最小锚固长度（ mm ）



3.3.3.2 一定的搭接长度受力钢筋搭接时，通过钢筋与混凝土间的粘结应力来传递钢筋与钢筋间的内力，因此必须有一定的搭接长度，才能保证内力的传递和钢筋强度的充分利用。轴心受拉及小偏心受拉构件不得采用绑扎搭接；当受拉钢筋直径大于 25mm 及受压钢筋直径大于 28mm 时不宜采用绑扎搭接。



3.3.3.3 混凝土保护层应有足够的厚度钢筋周围的混凝土应有足够厚度（包括混凝土保护层厚度和钢筋间的净距），以保证粘结力的传递。



3.3.3.4 光圆钢筋末端应做弯钩光圆钢筋的粘结性能较差，故除轴心受压构件中的光圆钢筋及焊接网或焊接骨架中的光圆钢筋外，其余光圆钢筋的末端均应做 180°弯钩（图 3.7 ）。

图 3.7 光圆钢筋的弯钩（ a ）手工弯钩； (b) 机制弯钩



3.3.3.5 合理配置箍筋在锚固区或受力钢筋搭接长度范围内应配置箍筋以改善钢筋与混凝土的粘结性能。在锚固长度范围内，箍筋直径不宜小于锚固钢筋直径的 1/4 ，间距不应大于单根锚固钢筋直径的 10倍（采用机械锚固措施时不应大于 5倍），在整个锚固长度范围内箍筋不应少于 3个。



在受力钢筋搭接长度范围内，箍筋直径不宜小于搭接钢筋直径的 1/4 ；箍筋间距在钢筋受拉时不大于 10mm 且不大于搭接钢筋较小直径的 5倍，在钢筋受压时不大于 200mm 且不大于搭接钢筋较小直径的 10倍。当受压钢筋直径大于 25mm时，应在搭接接头两个端面外 50mm范围内各设两根箍筋。




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知识拓展混凝土的徐变与收缩

1. 混凝土的徐变混凝土在荷载长期作用下，即使压力不变，它的应变也会随时间继续增长，这种现象称为混凝土的徐变。一般来说，混凝土的徐变对钢筋混凝土构件的强度并无影响，但是它能使构件在使用荷载下发生应力重分布，从而使受弯构件挠度增加，引起预应力混凝土构件的预应力损失。如徐变可以使结构遭到不均匀下沉而引起的附加应力减少。徐变并非在任何情况下均是不利的，然而，一般在设计和施工中总是力求减少徐变。



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知识拓展

减少混凝土徐变的措施：（ 1 ）避免使混凝土过早地承受长期荷载；（ 2 ）适当减少水泥的用量，因为水泥用量愈多，徐变愈大；（ 3 ）控制水灰比，水灰比愈大，徐变也愈大；（ 4 ）加强养护，混凝土养护时相对湿度高，徐变则会显著减少。



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知识拓展

2. 混凝土收缩混凝土在空气中结硬时体积收缩，即混凝土的收缩。混凝土的收缩对钢筋混凝土的危害很大。对一般构件来说，收缩会引起初应力，甚至产生早期裂缝；收缩对预应力结构还会导致预应力损失。防止收缩的措施主要有：加强养护、减少水灰比、减少水泥用量、加强振捣。

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