第3章 建筑结构材料力学性能

3.1 建筑钢材
ε
第三章 建筑结构材料
几个指标： 屈服强度yield strength：是钢筋强度的设计依据 延 伸 率elongation rate：钢筋拉断时的应变，是反映钢筋塑性性 能的指标。延伸率大的钢筋，在拉断前有足够预兆，延性较好
δ 5 or 10
l − l0 = l0
σ
抗拉强度ultimate tensile strength 一般不用，可反映钢筋的强度储备 （屈强比），fy/fu=0.6~0.7。
3.1 建筑钢材
第三章
建筑结构材料
3.1.1 建筑钢材的品种和规格
2.钢结构用钢材
（2）品种及规格 1）热轧钢板 钢板用符号“-”后加“宽×厚×长（单位为mm）”的方法表 示，如-800×12×2100。 2）热轧型钢
3.1 建筑钢材
第三章
建筑结构材料
3.1.1 建筑钢材的品种和规格
2.钢结构用钢材
3.2 混凝土
第三章
建筑结构材料
3.2 混凝土 3.2.1 混凝土的强度
2.轴心抗压强度 f c 轴心抗压强度采用棱柱体试件测定，用符号fc表示，它比较 接近实际构件中混凝土的受压情况。棱柱体试件高宽比一般为 h/b=2~3，我国通常取100mm×100mm×300mm的棱柱体试 件，也常用150×150×450试件。 对于同一混凝土，棱柱体抗压强度
预应力钢丝：主要是消除应力钢丝，其外形有光面、螺 旋肋、三面刻痕三种。
3.1 建筑钢材
第三章
建筑结构材料
3.1.1 建筑钢材的品种和规格
预应力钢筋 预应力钢筋应优先采用钢绞线和钢丝，也可采 用热处理钢筋。
热处理钢筋：包括40Si2Mn、48Si2Mn及45Si2Cr几种牌 号，它们都以盘条形式供应，无需焊接、冷拉，施工方便。
? 立方体抗压强度。
3.1 混凝土
第三章
建筑结构材料
3.2 混凝土 3.2.1 混凝土的强度
3.轴心抗拉强度 f t 也是其基本力学性能，用符号 ft 表示。 混凝土构件开裂、裂缝、变形，以及 受剪、受扭、受冲切等的承载力均与 抗拉强度有关。
16
150 500 100 150 轴心受拉试验
3.1 混凝土
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建筑结构材料
3.1.1 建筑钢材的品种和规格
热轧钢筋 Hot Rolled Steel Reinforcing Bar HPB235级、HRB335级、HRB400级、RRB400级 HPB HRB RRB
Bar Plain Hot rolled Bar Ribbed Hot rolled Bar Ribbed Remained heat treatment
3.1 建筑钢材
第三章
建筑结构材料
3.1.1 建筑钢材的品种和规格
2.钢结构用钢材
（1）钢种和钢号 建筑工程常用碳素结构钢和低合金高强度结构钢 1）碳素结构钢 碳素结构钢的牌号：
碳素结构钢牌号举例：Q235B
脱氧程度代号：F、b、Z、TZ，其中Z、TZ可以省略
质量等级代号：A、B、C、D 屈服点数值（N/mm2）： 195、215、235、255、275 钢材屈服点代号：Q
3.1 建筑钢材
第三章
建筑结构材料
3.1.1 建筑钢材的品种和规格
预应力钢筋 预应力钢筋应优先采用钢绞线和钢丝，也可采 用热处理钢筋。
钢绞线：由多根高强钢丝绞织在一起而形成的，常见的 有3股和7股两种， 多用于后张法大型构件。
3.1 建筑钢材
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建筑结构材料
3.1.1 建筑钢材的品种和规格
预应力钢筋 预应力钢筋应优先采用钢绞线和钢丝，也可采 用热处理钢筋。
钢筋与混凝土的粘结作用由三部分组成： ⑴混凝土中水泥胶体与钢筋表面的化学胶合力； ⑵混凝土因收缩将钢筋握紧而产生的钢筋与混凝土间的摩擦力； ⑶钢筋表面凹凸不平与混凝土产生的机械咬合力。（占一半以上）
1
x=ε /ε0
3.1 混凝土
第三章
建筑结构材料
2、混凝土在长期荷载下的变形——徐变Creep 混凝土在荷载的长期作用下，即使应力不变其应变随时间而不 断增长的现象称为徐变。 徐变会使结构（构件）的（挠度）变形增大，引起预应力损 失，在长期高应力作用下，甚至会导致破坏。 ◆影响因素 内在因素是混凝土的组成和配比。骨料(aggregate)的刚度（弹 性模量）越大，体积比越大，徐变就越小。水灰比越小，徐变 也越小。 环境影响包括养护和使用条件。受荷前养护(curing)的温湿度越 高，水泥水化作用越充分，徐变就越小。采用蒸汽养护可使徐 变减少（20~35）%。受荷后构件所处的环境温度越高，相对湿 度越小，徐变就越大。
第三章 建筑结构材料
本章主要内容
1. 钢筋的品种、规格、力学性能及强度设计指标； 2. 钢结构用钢材的品种、规格、力学性能及强度设计指标； 3. 混凝土的强度、变形指标；混凝土结构耐久性规定； 4. 钢筋与混凝土的相互作用
第三章
建筑结构材料
3.1 建筑钢材 3.1.1 建筑钢材的品种和规格
1.混凝土结构中钢筋的种类
3.1 建筑钢材
第三章
建筑结构材料
3.1.4 建筑钢材的选用
2、钢结构中钢材的选用原则 （a）结构的重要性 （b）荷载特性 （c）连接方法 （d）工作条件
3.1 建筑钢材
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3.2 混凝土 3.2.1 混凝土的强度
水泥+水 水泥胶体 (水泥结晶体和水泥胶块) 石子、沙子 1.立方体抗压强度 弹性骨架 （混凝土）
0.2%
3.1 建筑钢材
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3.1.3 钢材的冷加工性能
为了提高钢筋的强度，节约钢材，可对钢筋进行冷加工。冷拉和 冷拔是冷加工常用的方法 （1）冷拉 冷拉是将热扎钢筋先超过屈服强度到K点，然后卸载沿着KO’回 到O’点，如果此时立即张拉则张拉曲线沿O’KDE。如果停留一 段时间再张拉，则沿O’K’D’E’ 进行，那么屈服点从K提高到 K’点，这种现象叫时效硬化。 为了使冷拉后既能提高强度， 钢材又具有一定塑性，应合理 选择K点。K点对应的应力为 冷拉控制应力，对应的应变为 冷拉率。冷拉只能提高抗拉屈 服强度，不能提高抗压屈服强 度。 3.1 建筑钢材
（2）品种及规格 3）冷弯薄壁型材
3.1 建筑钢材
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3.1.2 建筑钢材的力学性能
◆ 有明显屈服点的钢筋 Steel bar with yield point fu fy
σ
b a
e f c d
a为比例极限proportional limit
σ =Esε
Es——弹性模量，指钢材在 弹性阶段应力和应变的比值 b为屈服上限 c为屈服下限，即屈服强度 fy cd为屈服台阶（塑性阶段） de为强化阶段 e为极限抗拉强度 fu ef为颈缩阶段
3.1 混凝土
线性徐变 初应力 σc≤0.5fc 初始应力： 徐变与初应力呈正比 非线性徐变
σc > 0.5fc
当σc > 0.8fc ，徐变发展最终导致破坏
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建筑结构材料
3、混凝土的收缩 Shrinkage 混凝土在空气中硬化时体积会缩小，这种现象称为混凝土的 收缩。 收缩是混凝土在不受外力情况下体积变化产生的变形。 当这种自发的变形受到外部（支座）或内部（钢筋）的约 束时，将使混凝土中产生拉应力，甚至引起混凝土的开裂。 混凝土收缩会使预应力混凝土构件产生预应力损失。
第三章
建筑结构材料
（2）冷拔 冷拔是将热扎光面钢筋用强力拉过直径比它还小的拔丝模孔，使 其内部组织结构发生变化，强度提高，塑性降低。 冷拔既可提高抗拉强度，又可提高抗压强度。
d1
P
d2
d2
d1
3.1 建筑钢材
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3.1.4 建筑钢材的选用
1、混凝土结构对钢筋性能的要求
(1)钢筋和混凝土能够共同工作的原因 （a）混凝土结硬后，与钢筋牢固粘结，互相传递应力， 相互变形 （b）钢筋和混凝土具有相近的温度线膨胀系数，当温度 变化时，混凝土和钢筋之间不会产生过大的相对 变形和温度应力 （c）混凝土提供的碱性环境可以保护钢筋免遭锈蚀
3.1 建筑钢材
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3.1 建筑钢材
HPB235 热轧钢筋 HRB335 HRB400 RRB400 钢 筋 钢 丝 钢绞线 热处理钢筋 光圆钢筋 变形钢筋 变形钢筋 变形钢筋
强度 塑性 弱 高 非预应力钢筋
强
低
强度高，塑性低 预应力钢筋 强度高，粘结性好 强度高
3.1 建筑钢材
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3.2.2 混凝土的变形
1、混凝土在短期荷载下的变形 应力——应变曲线
y=σ /fc 1
B C
A点称为比例极限，OA阶段为弹性阶段 超过A点后，进入第二阶段，至临界 点B，B点对应的应力可作为长期受 压强度的依三阶段，C对应的应力为 fc 在 fc 以后，裂缝迅速发展，应力 在降低，而应变在急剧增加，直到 破坏。
3.1 建筑钢材
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3.1.4 建筑钢材的选用
1、混凝土结构对钢筋性能的要求
(2)混凝土结构对钢筋的要求 (c)可焊性 要求在焊接后不产生裂纹及过大变形，保证钢筋焊接后的接头 性能良好。 (d)与混凝土的粘接力 钢筋与混凝土的粘接力是保证钢筋混凝土构件在使用过程中， 钢筋和混凝土能共同作用的主要原因。钢筋的表面形状和粗糙 程度对粘接力有重要影响。
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3.1.1 建筑钢材的品种和规格
普通钢筋强度标准值（N/mm2） 种 热 轧 钢 筋 HPB235(Q235) HRB335(20MnSi) HRB400(20MnSiV、20MnSiNb、20MnTi) RRB400(20MnSi) 类 符号 fyk 235 335 400