混凝土结构用材料的性能和性能（详细分析）！

混凝土结构中使用的材料的特性

§ 2.1 钢筋

§ 2.2 混凝土

§ 2.3 钢筋与混凝土的粘接

§2.1 钢筋

2.1.1 钢筋类型和性能

※钢筋的强度和变形

• 钢筋应力-应变关系的S-E关系

SA - 比例限制 fp 比例限制

SB - 屈服强度（FY Loweryield）是钢筋强度的设计基础

SD - 极限抗拉强度 FU 极限抗拉强度

无明显屈服点的钢筋 S-E 图

S0.2 - 条件屈服强度（等效屈服强度）残余应变为0.2%，对应应应力（规格）取S0.2=0.85 fu

石质应力-应变图

1.热轧钢筋

HPB300、HRB335、HRB400、RRB400

钢筋直径：d=6;6.5;8;8.2;10;12;14;16;18;20;22;25;28;32;36;40;50毫米

热轧光滑钢筋HPB300（I级）多用作钢筋混凝土板和小构件的受力钢筋，以及各种构件的结构钢筋和箍筋。

热轧肋钢筋HRB335（二级）多用作大中型钢筋结构构件的受力钢筋和结构钢筋，以及预应力混凝土结构构件中的非预应力钢筋，是尺寸较大的构件;

热轧带肋钢筋HRB400（III级）强度高，用于大中型钢筋混凝土结构的受力钢筋和高强度混凝土结构构件。

这

RRB400IV级钢筋的余热处理强度过高，不适合钢筋混凝土构件的加固。

热轧钢筋的力学性能

屈服率反映了钢筋的强度储备，fy/fu=0.6~0.7。

4 钢筋的简化应力-应变模型

（2）塑性性能：

钢筋的塑性指标主要有两个：伸长率和冷弯性能。这两个指标反映了钢筋的塑性性能和变形能力。

伸长率（伸长率百分比）：钢筋断裂时的应变是指钢试样上10d、5d（d为钢筋试样直径）或100mm范围内的极限伸长率，记录为δ10、δ5和δ100。伸长率大的钢筋在断裂前有足够的警告，延展性更好。钢筋的碳含量越低，屈服阶跃越长，伸长率越大，塑性性能越好。

均匀伸长率δGT由非缩颈断裂区标距的残余应变εr和恢复的弹性应变εe组成。

2、中高强度钢丝（线材）和股线（绞合肌腱）：

两者都用于预应力混凝土结构。预应力钢丝是由优质高碳钢线材经等温淬火后拉拔而成的钢丝。中强钢丝强度为800~1200MPa，高强钢丝和钢绞线强度为1470~1860MPa

;

钢丝直径为3~9mm，有光泽、刻痕和螺旋肋三种形状。

钢绞线以稍粗的直钢丝为中心，其余钢丝围绕其螺旋绞合，然后低温回火，有2股、3股、7股等，常用的股线有3股7股。

硬质钢的应力-应变曲线

条件屈服强度：

以0.2%的残余应变对应的应力作为无明显流幅的钢筋的强度极限，通常称为条件屈服强度。

3.热处理：

就是通过加热、淬火、回火等淬火回火工艺对IV级钢筋进行处理，使强度大大提高，伸长率不降低太多。它用于预应力混凝土结构。

4.冷作钢筋

是指在室温下对热轧钢筋进行冷加工工艺得到的钢筋。

• 方法：冷拔、冷拔、冷轧、冷轧扭转。

• 目的：改变钢筋的内部结构，提高强度，节约钢筋。然而，在冷加工后，钢筋的伸长率降低。

冷拉

冷拔钢筋是由热轧钢筋在室温下机械拉伸而成，冷拔应力值应超过钢筋的屈服强度。冷拔后，钢筋的抗拉屈服强度增加，但塑性降低，称为冷拔强化。冷拔后，钢筋经过一段时间后屈服点高于原始屈服点，这种现象称为时效硬化。

冷拔

冷拔钢丝是通过小于自身直径的硬质合金以强力拉制钢筋制成的钢丝。它分为两个级别：A类和B类。

可以提高钢筋的抗拉强度和抗压强度，但塑性降低很多，冷拔低碳钢丝的延展性差，表面光滑，与混凝土的附着力差。

冷轧带肋钢筋

冷轧带肋钢筋是以普通低碳钢、优质碳钢或低合金钢热轧棒材为基材，冷轧成表面有三面或双面新月形横肋的钢筋，分为五个等级（CRB550、CRB650、CRB800、CRB970和CRB1170），极限强度与冷拔低碳钢丝相似， 但伸长率明显高于冷拔低碳钢丝。

冷轧扭转钢筋

这

冷轧扭转钢筋是在室温下经冷轧加捻机按规定的工艺参数在室温下压平并扭曲成连续螺旋形状的冷强化钢筋，经压平并扭曲成连续螺旋形状。

2.1.2 混凝土结构钢筋性能要求

1、强度：强度是钢筋质量的重要指标。

屈服强度、抗拉强度、屈服比强。

2、塑性：钢筋混凝土结构承载力的极限状态要求为具有明显伏笔的塑性破坏。

3、可焊性：焊接后不应出现裂纹和过度变形，以保证焊接接头的良好性能。

4.与混凝土有良好的附着力

§2.2 混凝土

混凝土的抗压破坏机理可归纳为：随着应力的增加，粗骨料与砂浆内部界面的微裂缝逐渐延伸、扩大，导致砂浆的损伤不断积累;裂缝穿透后，混凝土的连续性被破坏， 而其承载力逐渐丧失，损伤的本质是从连续材料逐渐转变为不连续材料的过程。

2.2.1 混凝土强度

1.抗压强度

（1）立方体抗压强度fcuk

据此确定我国混凝土的强度等级

将采用标准生产方法制备的150mm×150mm×150mm立方体，在20±3°C温度和相对湿度下，在90%以上的潮湿空气中固化28 d，采用标准试验方法测定了保证率为95%的抗压强度。

FCUK=μF -1.645σF

常见牌号：C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75、C80

影响立方体抗压强度的因素：

• 内部因素：如强度和水泥等级、骨料品种、混合比等

• 外部因素：测试方法（箍套）、加载速率、年龄、温度、湿度、试样尺寸。

尺寸的影响：

fcu（150） = 0.95 fcu（100） fcu（150） = 1.05 fcu（200）

2.轴向抗压强度fc

（1）轴向抗压强度的概念：又称棱柱抗压强度（用符号fc表示），是用高度长径比为2~4的棱镜试样测得的抗压强度，我国标准是以150×150×300mm棱镜试样为标准试件，常用的棱镜试件也常用150×150×450棱镜试件。

（2）棱镜抗压强度与立方体抗压强度的转换关系

二、混凝土的失效机理

混凝土破碎锤

到达B点后，混凝土发生局部塑性变形，应力-应变逐渐偏离直线。B点裂缝发展不稳定，试件横向变形突然增大，因此常以sB作为混凝土的长期抗压强度，普通强度混凝土的sB约为0.8 fc，高强混凝土的sB可达0.95 fc

当达到C点时，内部微裂纹连接形成破坏面，试样的承载力开始下降并进入下降段。B点处的应力称为峰值应力，即混凝土棱柱的抗压强度，相应的纵向压缩应变称为峰值应变，约为0.002。当它继续发展到D点时，最初形成损伤面。

在E点之后，纵向裂纹形成斜破坏面，在法向应力和剪应力作用下形成破坏区。在这种情况下，试样的强度由破坏面上骨料之间的摩擦阻力提供。随着应变的进一步发展，摩擦阻力减小，试样的残余强度约为0.1~0.4 fc

密闭混凝土可以增加混凝土的强度，但更值得注意的是，它可以提高混凝土的变形能力，这对抗震结构很重要。

轴向抗拉强度 ft

轴向抗拉强度标准值

抗弯强度

《普通混凝土力学性能试验方法标准》选用简单支承梁进行试验，采用三点对称荷载。

3.混凝土强度的标准值

（1）《规范》规定，材料强度FK的标准值应具有不低于95%的保证率。

（2）立方体抗压强度的标准值

（3）轴向抗压强度的标准值

示例：如果您知道 fcu、m=30MPa、d=0.14，请找到 fcu、k 和 fck

fcu，k=fcu，m×（1-1.645d）=23.09MPa

fc，m=0.76fcu，m

fck=fcu，m（1-1.645d）×0.88×1.0

=0.76fcu，m（1-1.645d）×0.88×1.0 =15.44MPa

3.复合应力作用下的混凝土强度

（1）混凝土的双向受力强度

双轴应力试验一般采用方形试样，试验时沿板面对应的两侧作用法向应力S1和S2，沿板厚方向作用法向应力S3=0，板处于平面应力状态。

S1、S2（压缩-压缩）强度增加

S1、S2（拉伸-压缩）强度降低

由于同时拉伸和压缩，试样另一方向的拉伸变形增加，加速了内部微裂缝的发展，降低了混凝土的强度。混凝土的强度低于单轴力（拉伸或抗压）的强度。

S1和S2（拉-拉）的单向抗拉强度基本不变

（2）混凝土在法向应力和剪应力作用下的复合强度

当存在剪应力时，混凝土的抗压强度会低于单向抗压强度。

在剪切压应力状态下，混凝土的抗剪强度在压应力达到0.6fc前随压应力的增加而增大，超过0.6fc后随压应力的增加而减小，当压应力达到混凝土的轴向抗压强度时，抗剪强度为零。

在剪应力状态下，随着拉应力绝对值的增加，混凝土的抗剪强度降低，当抗拉应力约为0.1fc时，混凝土开裂，抗剪强度降至零。

（3）混凝土的三向抗压强度

当在三个方向上压缩时，混凝土的抗压强度和极限变形大大提高。

2.2.2 混凝土变形

混凝土的变形分为两大类：混凝土的机械变形和非机械变形

1.混凝土的力变形

1. 压缩混凝土一次性短期荷载的S-E曲线

标本：棱柱形

单调短期荷载下混凝土应力-应变关系

它也是计算机非线性分析混凝土构件应力分析的基础，建立了承载力和变形计算理论。

轴向受压混凝土应力-应变曲线

（3）不同强度等级混凝土的应力-应变曲线

▲混凝土弹性模量的测定与计算

混凝土与 nc 的泊松比

泊松比是指在短期载荷（压缩）期间试样的横向应变与纵向应变的比值。

压应力小时约为0.15~0.18，接近失效时可达0.5以上。该规范取为 nc=0.2。

4.张拉混凝土的变形

2、混凝土在长期荷载下的变形性能-蠕变

（1）蠕变的概念

在荷载的长期作用下，混凝土的应变或变形随时间增加的现象称为蠕变。

（2）蠕变的原因

▲凝胶的塑性流动。

▲ 裂缝的出现与发展。

（3）蠕变与时间的关系

▲特点：启动快，慢后，半年大部分时间完成，一年稳定，三年终止

（4）蠕变对结构的影响

▲不良反应：

蠕变会增加结构（或组件）的变形（例如，挠度）。

导致预应力损失;

在长期的高压力下，它甚至会导致损坏。

▲有益功效：

有利于结构构件内（应）力的重新分配，减小结构的受力

降低散装混凝土的温度应力;

拉伸蠕变可以延缓收缩裂纹的出现。

影响蠕变的因素：

1）材料成分

在混凝土的成分中，水灰比越大，水泥水化后剩余的游离水越多，蠕变越大;水泥用量越多，混凝土中凝胶的比例越大，蠕变越大;骨料越硬，弹性模量越大，骨料的体积比越大， 变形越小，凝胶流动后传递到骨料的压力引起的蠕变越小。

2）外部环境

养护环境湿度越大，温度越高，水泥水化越充分，蠕变越小，混凝土在高温干燥条件下使用时产生的蠕变明显大于低温湿度。此外，由于混凝土中水的挥发和逸出与构件体积与表面积的比值有关，因此构件尺寸越大，表面积越小，蠕变越小。

3）应力的大小

当 S ≤ 0.5fc 时，蠕变与应力成正比并且是线性的。

当s=（0.5~0.8）fc时，蠕变的增长速度快于应力的增长速度，为非线性蠕变。

当σ>为0.8fc时，混凝土内部的微裂纹进入非稳态发展，导致混凝土失效。取σ=0.8fc作为混凝土的长期抗压强度。初始应力越大，蠕变越大。

4）年龄效应

混凝土在加载时的年龄越长，蠕变越小。

为了减少蠕变，要避免过早地对结构施加长期荷载，如避免在施工期间过早拆除构件的模板柱，还可以采取加速混凝土硬化的措施，以减少年龄对蠕变的影响。

4.混凝土的收缩率

（1）收缩的概念

当混凝土在空气中硬化时，它的体积会收缩，这种现象称为混凝土收缩。（收缩是混凝土在没有外力的情况下由于体积变化而变形。）

（2）收缩的原因

▲物理方面：干燥和失水。

▲化学：混凝土的碳化（凝胶中的Ca（OH）2® CaCO3）。

（3）收缩对结构的影响

▲当收缩受到约束（如支座、内钢筋等）时，混凝土中会出现拉应力，甚至引起混凝土开裂。

▲混凝土收缩会造成预应力混凝土构件产生预应力损失。

（4）收缩与时间的关系

▲前期发展快，两周内完成总收缩的25%，一个月即可完成50%;后期逐渐放缓，整个收缩过程可持续两年以上。

一般情况下，最终收缩应变值约为（2~5）×10-4，混凝土开裂应变为（0.5~2.7）×10-4

（5）影响收缩的因素

▲水泥强度等级高，用量大，水灰比大，收缩率大

▲骨料弹性模量高，级配好，收缩小

▲维修时湿度、温度高，收缩率小

▲湿度高、温度低时，收缩率小;

▲部件体表比大，收缩率小;

▲混凝土越致密，收缩越小;

（6）扩展的概念

当混凝土在水中硬化时，体积会增加，这种现象称为混凝土膨胀。

（7）溶胀对结构的影响

但是，混凝土的膨胀值一般较小，对结构的影响也较小，因此往往不予考虑。

2.2.3 混凝土的选择原则

• 在建筑工程中，钢筋混凝土构件的混凝土强度等级不应低于C20

• 使用HRB400级钢筋时，不应低于C25

• 使用HRB400和RRB400级钢筋及承受重复载荷的杆件时，不得低于C30

• 预应力混凝土结构不应低于C30

• 使用钢绞线、钢丝、热处理钢筋作为预应力钢筋时，不应低于C40

2.3 钢筋和混凝土的粘结

一、粘接的概念

二、粘接的作用

钢和混凝土之间的应力传递可以通过粘接来实现，确保两种材料协同工作。

3.两种粘接方式

1.锚固和粘接

2. 本地粘接

§2.3 钢筋与混凝土的粘接

钢筋与混凝土之间的粘结是两种材料协同工作的保证，使它们能够承受外力，一起变形，并抵抗彼此之间的滑动。

钢筋混凝土内聚的主要原因：

¬ 混凝土收缩紧紧固定钢筋引起的摩擦;

¬混凝土颗粒的化学作用产生的混凝土与钢筋之间的粘合力;

¬ 钢筋与混凝土不平整表面的局部粘结应力;

¬ 钢筋末端在混凝土中的锚固。

2.3.1 附着力的定义

如果钢筋与混凝土之间存在相对变形（滑移），则在钢筋与混凝土的界面处会沿钢筋轴线产生相互作用力，称为钢筋与混凝土的结合力。

（1）裂纹之间的局部粘结应力

它是指钢筋在相邻的两个裂缝截面之间产生的拉力，通过裂缝两侧的粘结应力部分传递到混凝土上，使未开裂的混凝土被拉伸。

（2）钢筋末端的锚固应力

它是指当钢筋延伸到支座或支座的负力矩钢筋在跨度之间截断时，通过锚固长度累积的内聚力。

根据钢筋的位置和受压、拉伸、支座、节点和钢筋截断的作用不同，锚固长度不同。

以锚栓粘接应力为例：

锚固设计的基本原理是必须保证足够的锚固结合强度才能充分利用钢筋强度，即

2.3.2 附着力的组成

1.粘接力的组成

（1）化学胶结

混凝土凝结时，由于水泥的水化作用，在钢筋与混凝土接触面上产生的化学吸附力来自浇筑时水泥浆渗入钢筋表面的氧化层以及养护过程中水泥晶体的生长和硬化。取决于水泥的性质和钢筋表面的粗糙度。这种力一般很小，只存在于钢筋和混凝土的界面处，当接触面比较滑移时消失，只作用在局部防滑区。

（2）摩擦

当混凝土收缩并紧紧包裹钢筋时，当钢筋和混凝土相对滑动时，钢筋和混凝土之间的界面会产生摩擦。它取决于钢筋由于混凝土的收缩、荷载和反作用力而产生的径向压应力，以及钢筋与混凝土之间的粗糙度。钢筋与混凝土之间的挤压力越大，接触面越粗糙，摩擦力越大。

（3）机械咬合力

这

钢筋与混凝土不平整面的机械闭塞产生的力，即混凝土在钢筋表面的斜压的纵向分量，取决于混凝土的抗剪强度。

变形钢筋的横肋会产生这种咬合力，其咬合作用往往很大，这是变形钢筋粘合力的主要来源。

（4）钢筋末端的锚固力

应用锚固措施引起的机械锚固力。

2.光滑钢筋的粘结性能

光滑钢筋的附着力主要基于化学胶结和摩擦。

钢筋与混凝土的粘结强度通常通过拉拔试验来确定。如果拉拔力为F，则钢筋与混凝土截面上的最大平均粘结应力作为粘结失效（钢筋拔出或混凝土裂开）时的粘结强度。

3、变形钢筋的粘结性能

这

粘结强度仍由化学胶结力、摩擦力和钢筋表面不均匀的机械咬合力组成，但主要是钢筋表面突出肋与混凝土之间的机械咬合力。变形钢筋和普通圆钢筋的主要区别在于钢筋表面具有不同形状的横肋或斜肋。

变形钢筋周边混凝土内部裂缝

2 影响粘结强度的主要因素

（1）混凝土强度：混凝土强度等级高，粘结强度大，与英尺成正比。

（2）钢筋的形状特性：变形钢筋的粘结强度大于光滑钢筋的粘结强度。

（3）钢筋的保护层厚度和净间距：相对保护层厚度c/d越大，粘结强度越高。净距离 s 与钢筋直径 d的比值越大，粘结强度越高。

（4）横向加固：限制径向裂纹的发展，提高粘结强度。

（5）压力

▲侧压的存在可以提高粘接强度;

▲钢筋在反复载荷时，肋骨前后混凝土会被压碎，导致咬合减少。

2.4 钢筋的锚固和搭接

1.确保粘接的结构措施

（1）规定钢筋的最小搭接长度和锚固长度。

（2）规定钢筋的最小间距和混凝土保护层的最小厚度。

（3）对纵向杆圈范围内的箍筋加密进行调节。

（4）钢筋末端的吊钩设置有规定。

二、基本锚固长度的计算公式

锚固钢筋a的形状系数见GB50010表9.3.1和施工教材P114

钢筋类型

平滑加固

带肋加固

刻线

螺旋肋线

三股钢绞线

七股

0,16

0,14

0,19

0,13

0,16

0,17

桥梁轨距根据混凝土强度等级和钢筋等级直接确定钢筋的最小锚固长度，见道路桥梁教科书P4-1表93。

3 钢筋的连接

（1）钢筋连接的种类：搭接接头、机械连接和焊接。

（2）钢筋搭接面积的力学性能

由于搭接区域钢筋的净间距减小，裂纹出现得更早，粘结强度降低。因此，“规范”将搭接长度作为锚固长度乘以大于 1 的系数。

（3）纵向拉伸钢筋的搭接长度ll

GB50010-2002 表9.4.3 纵向拉伸钢筋搭接长度修正系数z

纵向钢筋搭接缝面积百分比（%）

£25

50

100

1,2

1,4

1,6

▲在任何情况下，拉伸钢筋的搭接长度不应小于300mm。

（4）钢筋搭接接头连接段长度：1.3ll

（5）同一连接截面内拉钢筋搭接缝面积的百分比

（6）纵向压缩钢筋的搭接长度

纵向拉伸钢筋搭接长度的0.7倍，即0.7ll，且在任何情况下都不应小于200mm。

（7）搭接区域的箍筋要求

直径³为较大纵杆直径的0.25倍;

间距：为较小纵杆直径的 5 倍，且不应大于 100 毫米。

£10 较小纵向杆直径的倍，不应大于 200 毫米。

锥形和螺纹加固连接

挤压钢筋连接