混凝土结构用材料的性能和性能（详细分析）！

混凝土结构材料性能

§2.1 钢筋

§2.2 具体

§2.3 钢筋与混凝土的粘结

§2.1 钢筋

2.1.1 钢筋类型及性能

※钢筋强度与变形

•应力-应变关系

sa－比例极限 fp 比例极限

sb——屈服强度fy loweryield，是钢筋强度的设计依据

sd－极限拉伸强度fu 极限拉伸强度

无明显屈服点的钢筋 SE 图

s0.2－等效屈服强度 规范中取0.2%残余应变对应的应力为s0.2=0.85fu

原始应力-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；50mm

热轧光面钢筋HPB300（I级）多用作钢筋混凝土板及小型构件的受力钢筋，也可用于各类构件的结构钢筋、箍筋。

热轧带肋钢筋HRB335(Ⅱ级)多用作大中型钢筋混凝土结构构件的受力钢筋、结构钢筋，以及预应力混凝土结构构件中的非预应力钢筋，尺寸较大。Ⅱ级钢筋也有用作箍筋，以增强与混凝土的粘结，异形钢筋(Deformed Bar)制成月牙肋或等高肋。

热轧带肋钢筋HRB400(III级)具有较高的强度，用作大中型钢筋混凝土结构及高强度混凝土结构构件的受力钢筋。

RRB400四级钢筋经余热处理后强度过高，不宜用作钢筋混凝土构件的配筋，一般经冷拔后用作预应力钢筋。

热轧钢筋的力学性能

屈强比反映钢筋的强度储备，fy/fu=0.6~0.7。

4 钢筋简化应力-应变模型

（2）塑料性能：

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

伸长率：钢筋断裂时的应变，指钢筋试件在10d、5d（d为钢筋直径）或100mm范围内的极限伸长量，记为δ10、δ5、δ100。伸长率大的钢筋，断裂前有足够的征兆，延展性好。钢筋含碳量越低，屈服步越长，伸长量越大，塑性越好。

均匀伸长率δgt由非颈缩断口区域的残余应变εr与恢复弹性应变εe组成。

2、中、高强度钢丝（线材）及钢绞线（钢绞线或钢筋）：

均用于预应力混凝土结构。预应力钢丝采用优质高碳钢盘条，经等温淬火后拉制而成。中强钢丝强度为800-1200MPa，高强度钢丝、钢绞线强度为1470-1860MPa。

钢丝直径为3至9毫米；外观有光滑、缺口和螺旋肋状。

多股钢丝是以一根稍粗的直钢丝为中心，其余钢丝在其周围螺旋状扭绞，再经低温回火而成，有2股、3股、7股钢丝等，最常用的是3股和7股钢丝。

硬钢的应力-应变曲线

条件屈服强度：

取0.2%残余应变所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.钢筋热处理(heattreatment)：

四级钢筋强度大幅度提高，而伸长率降低不多，用于预应力混凝土结构。

4.冷加工钢筋

是指热轧钢筋在常温下经过冷加工而得到的钢筋。

•方法：冷拔、冷拔、冷轧、冷轧扭。

•目的：改变钢材内部组织，提高强度，节省钢筋，但钢筋经冷加工后，延伸率会下降。

冷拔

冷拉钢筋是将热轧钢筋在常温下进行机械拉伸而制成的。冷拉应力值应超过钢筋的屈服强度。钢筋经冷拉后，抗拉屈服强度提高，但塑性下降，这种现象叫冷拉强化。钢筋经冷拉后，经过一段时间后，其屈服点较原屈服点有所提高，这种现象叫时效硬化。

冷拔

冷拉钢丝是将钢筋用小于其直径的硬质合金拉丝模强制拉拔而制成的钢丝，分为A级和B级两个等级。

能提高钢筋的抗拉强度和抗压强度，但塑性大大降低，冷拉低碳钢丝延展性较差，且表面光滑，与混凝土的粘结性较差。

冷轧带肋钢筋

冷轧带肋钢筋是以普通低碳钢、优质碳素钢或低合金钢热轧圆盘条为母材，经表面冷轧制成具有三道或两道月牙形横肋的钢筋，分为五个等级（CRB550、CRB650、CRB800、CRB970、CRB1170）。其极限强度与冷拉低碳钢丝相近，但伸长率明显高于冷拉低碳钢丝。

冷轧扭钢筋

冷轧扭钢筋是以热轧光面钢筋HPB235为原料，在常温下，按规定的工艺参数，经钢筋冷轧扭机加工，压扁、扭成连续螺旋状的冷加强钢筋，有矩形、菱形、螺旋肋等几种类型。

2.1.2混凝土结构对钢筋性能的要求

1、强度：强度是钢筋质量的重要指标。

屈服强度、抗拉强度、强度屈服比。

2、塑性：要求钢筋混凝土结构的极限承载力状态为塑性破坏，且破坏迹象明显。

3、焊接性：焊接后不应出现裂纹或过度变形，以保证焊接接头具有良好的性能。

4.与混凝土粘结性好

§2.2 具体

混凝土的压缩破坏机理可以概括为：随着应力的增加，沿粗骨料界面及砂浆内部的微裂缝逐渐延伸扩展，造成砂浆的损伤不断积累；裂缝贯穿后，混凝土的连续性被破坏，逐渐丧失承载能力。破坏的本质是由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

我国混凝土强度等级确定的依据是：

将按标准生产方法制成的150mm×150mm×150mm立方体试块，在温度为20±3℃、相对湿度大于90%的湿空气中养护28天，按标准试验方法测定95%保证率的抗压强度。

fcuk=μf -1.645σf

常见等级：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、骨料类型、混合比等。

•外部因素：测试方法（环向）、加载速率、年龄、温度、湿度、试样尺寸。

尺寸的影响：

额定电流 (150) = 0.95 额定电流 (100) 额定电流 (150) = 1.05 额定电流 (200)

2.轴向抗压强度fc

（1）轴向抗压强度概念：又称棱柱体抗压强度（用符号fc表示），是采用长宽比为2～4的棱柱形试件测得的抗压强度。我国标准以150×150×300mm棱柱形试件为标准试件，常用的也有150×150×450mm棱柱形试件。

（2）棱柱体抗压强度与立方体抗压强度换算关系

2.混凝土破坏机理

混凝土破碎机

达到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点处裂缝发展不稳定，试件侧向变形突然增大。sB常取混凝土的长期抗压强度，普通强度混凝土的sB约为0.8fc，高强度混凝土的sB可达0.95fc

当达到C点时，内部微裂缝连通形成破坏面，试件承载力开始减小，进入下降阶段。B点处的应力称为峰值应力，为混凝土棱体的抗压强度；对应的纵向压应变称为峰值应变，约为0.002。继续发展到D点时，破坏面初步形成。

E点以后，纵向裂缝形成斜破坏面，在正应力和剪应力作用下形成破坏区，此时试件强度由破坏面上骨料间的摩擦力提供，随着应变进一步发展，摩擦力不断减小，试件残余强度约为0.1~0.4 fc

约束混凝土可以提高混凝土的强度，更重要的是可以提高混凝土的变形能力，这对于抗震结构非常重要。

轴向拉伸强度 ft

轴向抗拉强度标准值

抗弯强度

《普通混凝土力学性能标准试验方法》以简支梁进行试验，采用三点对称加载。

3.混凝土强度标准值

（1）规范规定的材料强度标准值fk的保证率应不小于95%

（2）立方体抗压强度标准值

（3）轴向抗压强度标准值

[示例] 已知 fcu,m=30MPa, d=0.14, 求 fcu,k 和 fck

额定压力,k=额定压力,m×(1-1.645d)=23.09MPa

fc,米=0.76fcu,米

fck=fcu,m(1-1.645d)×0.88×1.0

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

3. 复合应力作用下混凝土强度

1.混凝土双向强度

双轴应力试验一般采用方形试件，试验时沿板平面内相应两边施加法向应力s1、s2，沿板厚方向的法向应力s3为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

当同时施加拉、压作用时，试件另一方向的拉伸变形增大，加速内部微裂缝的开展，降低混凝土强度，混凝土强度低于单轴强度（拉伸或压缩）。

s1、s2（拉力-拉力）单向拉伸强度基本保持不变

（２）混凝土在正应力和剪应力作用下的复合强度

当施加剪应力时，混凝土的抗压强度将低于单向抗压强度。

在剪压应力状态下，在压应力达到0.6fc之前，混凝土的抗剪强度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压强度时，抗剪强度为零。

在剪拉应力状态下，随着拉应力绝对值的增大，混凝土的抗剪强度降低，当拉应力约为0.1fc时，混凝土在拉力作用下发生开裂，抗剪强度降至零。

混凝土三维抗压强度

当受到三维压缩时，混凝土的抗压强度和极限变形大大提高。

2.2.2 混凝土的变形

混凝土的变形可分为混凝土的应力变形和非应力变形两大类

1.混凝土的应力变形

1. 混凝土抗压短期荷载的 SE 曲线

样本：棱镜

单调短期荷载作用下混凝土的变形特性应力-应变关系

它是分析混凝土构件应力、建立承载力和变形计算理论的必要基础，也是利用计算机进行非线性分析的基础。

混凝土轴压应力-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

混凝土泊松比 nc

泊松比是指试件在短时间加载（压缩）过程中，横向应变与纵向应变之比。

压应力较小时，约为0.15~0.18；接近破坏时可达0.5以上。《规范》取nc=0.2。

4. 受拉混凝土的变形

2.混凝土长期荷载作用下的变形性能——徐变

（1）蠕变的概念

混凝土在荷载长期作用下，应变或变形随时间增加的现象称为徐变。

（2）蠕变的原因

▲凝胶的塑性流动。

▲裂纹的产生和发展。

（3）蠕变与时间的关系

▲特点：起步快，后期慢；大部分工作半年完成，一年稳定，三年终止

（4）徐变对结构的影响

▲不良反应：

蠕变会增加结构（或构件）的变形（如挠度）；

造成预应力损失；

长期的高压力甚至可能导致损伤。

▲有益效果：

有利于结构构件内部（应力）力的重新分布，减少结构应力；

减少大体积混凝土的热应力；

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

混凝土各组分中，水灰比越大，水泥水化后剩余的自由水越多，徐变越大；水泥用量越多，混凝土中凝胶的比例越大，徐变越大；骨料越硬，弹性模量越大、骨料的体积率越大，凝胶流动后传递给骨料的压力引起的变形越小，徐变越小。

2）外部环境

养护环境湿度、温度越高，水泥水化越充分，徐变越小。混凝土在使用过程中在高温干燥条件下的徐变明显大于低温、高湿条件下的徐变。另外，由于混凝土中水分的挥发与构件体积与表面积的比值有关，构件尺寸越大，表面积越小，徐变越小。

3）应力大小

当s≤0.5fc时，蠕变与应力成正比，为线性蠕变。

当s=（0.5~0.8）fc时，蠕变增长速率大于应力增长速率，为非线性蠕变。

当σ>0.8fc时，混凝土内部微裂缝进入非稳定状态并发展，导致混凝土破坏。取σ=0.8fc为混凝土的长期抗压强度。初始应力越大，徐变越大。

4）年龄影响

混凝土受荷时龄越长，徐变越小。

为了减少徐变，应避免过早对结构施加长期荷载，如施工期避免过早拆除构件的模板支撑，也可采取措施加速混凝土的硬化，以减少龄期对徐变的影响。

4.混凝土的收缩

（1）收缩的概念

混凝土在空气中硬化时，体积会收缩，这种现象称为混凝土收缩。（收缩是指混凝土在没有外力作用下，因体积变化而产生的变形。）

（2）收缩的原因

▲物理方面：干燥、失水。

▲化学：混凝土碳化（凝胶中的 Ca(OH)2® CaCO3）。

（3）收缩对结构的影响

▲当收缩受到约束时（如支撑、内部钢筋），混凝土中就会产生拉应力，甚至导致混凝土产生裂缝。

▲预应力混凝土构件中，混凝土收缩会引起预应力的损失。

（4）收缩与时间的关系

▲前期发展速度快，两周内可完成总收缩量的25%，一个月内可完成50%；后期发展速度会逐渐减慢，整个收缩过程可持续两年以上。

一般情况下，混凝土极限收缩应变值约为（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

▲水泥强度等级越高，用量越大，水灰比越大，其收缩越大；

▲ 弹性模量大、级配好的骨料，收缩性小；

▲固化时湿度、温度越高，收缩率越小；

▲使用过程中湿度较大、温度较低时，收缩较小；

▲部件的表面积比例越大，收缩率越小；

▲混凝土越密实，收缩越小；

（6）扩展概念

当混凝土在水中硬化时，其体积会增加。这种现象称为混凝土膨胀。

（7）膨胀对结构的影响

但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

• 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

• 采用HRB400级钢筋时，不应低于C25

• 采用HRB400、RRB400级钢筋及受重复荷载作用的构件时，钢筋强度不得低于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，

2.3 钢筋与混凝土的粘结

1. 粘合的概念

2. 粘合作用

粘合可以使钢筋和混凝土之间的应力传递，确保两种材料协同工作。

3. 两种粘合类型

1. 锚固

2. 局部粘合

§2.3 钢筋与混凝土的粘结

钢筋与混凝土之间的粘结是两种材料共同工作的保证，使其能够承受外力，共同变形，抵抗相互滑移。

钢筋与混凝土粘结的主要原因有：

由于混凝土收缩而产生的摩擦力紧紧地束缚着钢筋；

¬混凝土颗粒间的化学反应产生的混凝土与钢筋间的粘结力；

¬钢筋表面不平整处与混凝土之间局部粘结应力；

¬将钢筋端部锚固在混凝土中。

2.3.1 粘附力的定义

如果钢筋与混凝土之间有相对变形（滑移），在钢筋与混凝土的界面处就会产生一个沿钢筋轴线方向的相互作用力，这个力叫做钢筋与混凝土之间的粘结力。

（1）裂纹间局部粘结应力

指两相邻开裂截面之间产生的钢筋拉力，通过裂缝两侧的粘结应力部分传递给混凝土，使未开裂混凝土受到拉伸。

(2)钢筋端部锚固粘结应力

是指当钢筋伸入支撑内或跨间切断支撑负弯矩钢筋时，必须有足够的锚固长度，才能通过锚固长度积累粘结力。

锚固长度取决于钢筋的位置和它所起的作用，例如压缩、拉伸、支撑、节点以及钢筋的切割时间。

以锚固应力为例：

锚栓设计的基本原则是保证有足够的锚栓粘结强度，以便充分利用钢筋的强度。

2.3.2 键合力的组成

1. 键合力的组成

1.化学键合强度

混凝土凝固时，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，来源于浇注时水泥浆体对钢筋表面氧化层的渗透和养护时水泥晶体的长大硬化，取决于水泥的性质和钢筋表面的粗糙度。此力一般很小，只存在于钢筋与混凝土界面处，当接触面发生相对滑移时便消失，只在局部无滑移区起作用。

（二）摩擦

混凝土收缩后会紧紧包裹住钢筋，当钢筋与混凝土有相对滑移时，在钢筋与混凝土界面处就会产生摩擦力，它取决于混凝土的收缩、荷载和反力对钢筋产生的径向压应力、钢筋与混凝土之间的粗糙度等。钢筋与混凝土之间的挤压力越大，接触面越粗糙，摩擦力就越大。

3. 机械咬合力

钢筋与混凝土的不平整表面之间机械咬合产生的力，即混凝土对钢筋表面施加的斜压力的纵向分力，取决于混凝土的剪切强度。

螺纹钢筋的横肋会产生这种咬合力，且其咬合效应往往较大，这是螺纹钢筋粘结强度的主要来源。

（4）钢筋端部锚固力

采取锚固措施而产生的机械锚固力。

2. 光面钢筋的粘结性能

光面钢筋的结合力主要为化学结合力和摩擦力。

钢筋与混凝土之间的粘结强度通常用拉拔试验来测定，设拉拔力为F，则粘结失效（钢筋被拉拔或混凝土开裂）时，钢筋与混凝土横截面积上的最大平均粘结应力即为粘结强度。

3.螺纹钢筋的粘结性能

粘结强度仍由钢筋表面凹凸不平的化学键合、摩擦力和机械咬合力等组成，但主要是钢筋表面凸肋与混凝土之间的机械咬合力。异型钢筋与光圆钢筋的主要区别是钢筋表面有不同形状的横肋或斜肋。

变形钢筋周围混凝土内部裂缝

2 影响粘结强度的主要因素

（1）混凝土强度：混凝土强度等级越高，粘结强度越大；且与ft成正比。

（2）钢筋外观特征：异形钢筋的粘结强度大于光面钢筋。

(3)保护层厚度与钢筋净间距：相对保护层厚度c/d越大，粘结强度越高；钢筋净间距s与钢筋直径d的比值s/d越大，粘结强度越高。

（4）横向增强：限制径向裂缝的开展，提高粘结强度。

（5）压力条件

▲侧压力的存在，可以提高结合强度；

▲当钢筋受到重复荷载作用时，肋前后的混凝土会被压碎，导致咬合效果下降。

2.4 钢筋锚固与搭接

1. 保证粘合的结构措施

（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最小厚度。

(3) 在纵向钢筋搭接范围内，规定增加箍筋数量。

(4)规定在钢筋端部设置钩子。

2 基本锚固长度计算公式

锚固钢筋的形状系数a可参见GB50010表9.3.1及建筑工程教材P114。

桥梁规范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，见道路与桥梁教材第93页表4-1。

3.钢筋连接

（1）钢筋连接类型：搭接连接；机械连接、焊接。

（2）钢筋搭接区力学性能

由于重叠区域中的钢条的净间距的减小会导致裂纹出现，因此粘结强度降低，因此，随着锚固长度乘以大于1的系数，代码将重叠长度。

（3）纵向拉伸钢筋的圈长度

GB50010-2002表9.4.3纵向拉伸加固圈长度的校正因子z

▲无论如何，拉伸钢杆的圈长度不应小于300mm。

（4）钢杆圈接头的连接部分的长度：1.3ll

（5）在同一连接部分中的拉伸加固的圈接头面积百分比

（6）纵向压缩增强的圈长度

花纵向拉伸钢筋的圈长度为0.7倍，即0.7ll，在任何情况下都不应小于200mm。

（7）在重叠区域中马rup的要求

直径为较大纵向加固的直径的0.25倍；

间距：最小的纵向加固的直径5倍，不应大于100mm（张力圈）。

较小的纵向加固的直径为10倍，不应大于200mm（压缩圈）。

锥形线钢杆连接

挤压钢杆连接