材料力学性能及指标(钢筋、砼)1资料
第2章 混凝土结构材料的物理力学性能(1).
§2.1 混凝土的物理力学性能§2.1 混凝土的物理力学性能§2.3 混凝土与钢筋的粘结§2.3 混凝土与钢筋的粘结§2.2 钢筋的物理力学性能§2.2 钢筋的物理力学性能第2章材料性能2.1.1第2章材料性能1混凝土的抗压强度2.1.1(1混凝土的立方体抗压强度f cu,k 和强度等级(1混凝土的立方体抗压强度f cu,k 和强度等级立方体抗压强度f cu,k :边长150mm 立方体标准试件,在标准条件下(20±3℃,≥90%湿度养护28天,用标准试验方法(加载速度0.3~0.8N/mm 2/sec ,两端不涂润滑剂测得的具有95%保证率的抗压强度标准值,用符号f cu,k 表示,位:N/mm 2或MPa 。
混凝土结构中,主要是利用它的抗压强度。
因此抗压强度是混凝土力学性能中最主要和最基本的指标。
强度是指结构材料所能承受的某种极限应力。
混凝土强度等级混凝土的强度等级是用抗压强度来划分的。
尺寸效应、加载速度摩擦力的影响影响因素:美国、日本、加拿大等国家,采用圆柱体(直径150mm划分强度等级,符号记为标准立方体抗压强度的换算关系为轴心抗压强度(标准值:采用棱柱体试件测定所测得的具有保证率的抗压强度,用符号f ck 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 =3~4,我国通常取150mm ×150mm ×450mm 的棱柱体试件(标准试件,也有用100×100×300试件。
(2混凝土的轴心抗压强度(棱柱体抗压强度(2混凝土的轴心抗压强度(棱柱体抗压强度立方抗压与轴心抗压强度的关系2混凝土的轴心抗拉强度由于轴心受拉试验对中困难,也常常采用立方体或圆柱体劈拉试验测定混凝土的抗拉强度f tk与混凝土强度标准值《规范》规定材料强度的标准值立方体强度标准值2.1.1第2章材料性能强度种类轴心抗压强度轴心抗拉强度§2.1第2章材料性能实际结构中,混凝土很少处于单向受力状态。
材料力学性能与指标
轧 HRB335(20MnSi)
335
钢 筋
HRB400(20MnSiV、20MnSiNb、20MnTi) RRB400(20MnSi)
400
HPB235级： fyk = 235 N/mm2 HRB335级： fyk = 335 N/mm2 HRB400级、RRB400级： fyk = 400 N/mm2
（1）有明显屈服点的钢筋
（2）无明显屈服点的钢筋
s
塑性变形对工程结构有何意义？ 低强塑性材料好？还是高强弹性材料 好？
e
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1.1.3有明显屈服点钢筋的应力－应变关系
s
fu
e
fy
b a
cd
cd段为屈服台阶 df段为强化段
s =Ese
f a为弹性极限 elastic limit
b为屈服上限upper yield strength
(2) 极限强度：fu 强屈比：反映钢筋的强度储备，fu/fy不小于1.25
？？ s fu fy
问题：
强屈比越大
越好吗？
e
1.1.3.2 双线性的理想弹塑性关系
Bilinear elasto-plastic relation
s
f
y
Es
1
e y
s Ese s fy
e
e ey e ey
¸¸¸¸¸¸¸(N/mm2) Ö àÀ
C50以上为高强混凝土
条件屈服强度 设计中取残余应变为0.2%所对应 的应力，作为钢筋的强度设计指 标，称为“条件 屈服强度”。
一般取σ0.2 = 0.85σb
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1.1.5 钢筋的冷拉加工
（一）冷拉
把有明显屈服点的钢筋应力拉 到超过其原来的屈服点，然后 放松，使钢筋应力重新恢复到 零，钢筋发生了残余变形
第1章 钢筋混凝土结构的基本概念及材料的物理力学性能
第一篇钢筋混凝土结构第1章钢筋混凝土结构的基本概念及材料的物理力学性能1.1 钢筋混凝土结构的基本概念钢筋混凝土结构是由配置受力的普通钢筋或钢筋骨架的混凝土制成的结构。
混凝土（砼）是一种人造石料，其抗压能力很高，而抗拉能力很弱。
采用素混凝土制成的构件（指无筋或不配置受力钢筋的混凝土构件），例如素混凝土梁，当它承受竖向荷载作用时[图1-1a）]，在梁的垂直截面（正截面）上受到弯矩作用，截面中和轴以上受压，以下受拉。
当荷载达到某一数值F c时，梁截面的受拉边缘混凝土的拉应变达到极限拉应变，即出现竖向弯曲裂缝，这时，裂缝处截面的受拉区混凝土退出工作，该截面处受压高度减小，即使荷载不增加，竖向弯曲裂缝也会急速向上发展，导致梁骤然断裂[图1-1b）]。
这种破坏是很突然的。
也就是说，当荷载达到F c的瞬间，梁立即发生破坏。
F c为素混凝土梁受拉区出现裂缝的荷载，一般称为素混凝土梁的抗裂荷载，也是素混凝土梁的破坏荷载。
由此可见，素混凝土梁的承载能力是由混凝土的抗拉强度控制的，而受压混凝土的抗压强度远未被充分利用。
在制造混凝土梁时，倘若在梁的受拉区配置适量的纵向受力钢筋，就构成钢筋混凝土梁。
试验表明，和素混凝土梁有相同截面尺寸的钢筋混凝土梁承受竖向荷载作用时，荷载略大于F c时的受拉区混凝土仍会出现裂缝。
在出现裂缝的截面处，受拉区混凝土虽退出工作，但配置在受拉区的钢筋将可承担几乎全部的拉力。
这时，钢筋混凝土梁不会像素混凝土梁那样立即裂断，而能继续承受荷载作用[图1-1c）]，直至受拉钢筋的应力达到屈服强度，继而截面受压区的混凝土也被压碎，梁才破坏。
因此，混凝土的抗压强度和钢筋的抗拉强度都能得到充分的利用，钢筋混凝土梁的承载能力可较素混凝土梁提高很多。
图1－1 素混凝土梁和钢筋混凝土梁a)受竖向力作用的混凝土梁b)素混凝土梁的断裂c)钢筋混凝土梁的开裂混凝土的抗压强度高，常用于受压构件。
若在构件中配置钢筋来构成钢筋混凝土受压构件，试验表明，和素混凝土受压构件截面尺寸及长细比相同的钢筋混凝土受压构件，不仅承载能力大为提高，而且受力性能得到改善（图1-2）。
钢筋混凝土材料的力学性质
钢筋混凝土材料的力学性质关键信息项1、钢筋混凝土材料的组成成分及比例水泥种类及用量：＿___________________________骨料类型及粒径：＿___________________________钢筋的规格及强度等级：＿___________________________水灰比：＿___________________________2、力学性能指标抗压强度：＿___________________________抗拉强度：＿___________________________抗弯强度：＿___________________________弹性模量：＿___________________________泊松比：＿___________________________3、加载方式及条件静态加载速率：＿___________________________动态加载频率及幅值：＿___________________________加载方向（轴向、横向等）：＿___________________________环境温度及湿度：＿___________________________4、破坏模式及特征受压破坏形态：＿___________________________受拉破坏特征：＿___________________________弯曲破坏的裂缝发展：＿___________________________5、耐久性相关力学性能疲劳寿命：＿___________________________抗渗性能对力学性质的影响：＿___________________________抗冻融循环能力：＿___________________________11 引言钢筋混凝土作为一种广泛应用的建筑材料，其力学性质对于结构的安全性和可靠性至关重要。
本协议旨在明确钢筋混凝土材料力学性质的相关内容，为工程设计、施工和质量控制提供依据。
钢筋和混凝土的物理力学性能
相同。
a
3
轴心抗压强度fc
fc<fcu
棱柱体抗压强度平均值与立方体抗压强度平均值之间存在线性 关系，比值大概在0.7~0.92之间。
规范规定：轴心抗压强度标准值fck与立方体抗压强度标准值fcu,k 之间的关系如下式：
fck0.88c1 f c2 c,uk
c1
棱柱体强度与立方体强度之比，C50以下取0.76，C80取0.82,中 间按线性插值。
➢加载速度较快时，fc有所提高，曲线比较陡。
➢加载速度缓慢时，fc略有降低，曲线（尤其是下降段）平缓， ε0和εcu
增大。
a
14
（4）砼的弹性模量和变形模量
σ
匀质弹性材料
α 0
σ
混凝土
0
E tg
ε
E ?
ε
σ
变形量Ec’
混凝土应力应变曲线上任一点对应 的应力和应变之比，也称“割线模量”
0'
0.88 考虑实际构件与试件混凝土之间的差异等，引入的修正系数。
混凝土强度变异系数。
a
6
二、复合应力状态下的混凝土强度
在钢筋混凝土结构中，混凝土一 般处于复合应力状态。
双向应力状态：
σ1
σ2
σ2
σ1
当双向受压时，一向的抗压强度随另一向应力的增加而增加。
当一向受拉、一向受压时，混凝土的抗压强度随另一向拉应力的增 加而降低。
Ec'
c c
tg0'
随着应力增加而减小
ε
a
15
弹性模量Ec
混凝土应力与相应的弹性应 变之比，也称“原点切线模量”
Ec
c ce
若无边长为150mm的立方体试件，也可用边长为100mm或200mm的 试件代替，但测得的强度应乘以相应的换算系数：
1 钢筋混凝土结构材料设计指标
模块4 构件设计计算混规GB 50010--2010 混规混凝土的强度 一. 混凝土的组成结构普通混凝土：水泥＋ 普通混凝土：水泥＋砂＋石＋水 人工石材， 人工石材，是多相复合材料 通常把混凝土的结构分为三种类型： 通常把混凝土的结构分为三种类型： Ａ.微观结构：水泥石结构，包括水泥凝胶、晶体骨架、未水化 微观结构：水泥石结构，包括水泥凝胶、晶体骨架、 完的水泥颗粒和凝胶孔组成。
完的水泥颗粒和凝胶孔组成。
亚微观结构：水泥砂浆结构。
Ｂ.亚微观结构：水泥砂浆结构。
Ｃ.宏观结构：砂浆和粗骨料两组分体系。
宏观结构：砂浆和粗骨料两组分体系。
请看混凝土的组成 注意：在荷载的作用下，微裂缝的扩展对混凝土的强度有着极 注意：在荷载的作用下，微裂缝的扩展对混凝土的强度有着极 为重要的影响。
为重要的影响。
模块4 构件设计计算混规GB 50010--2010 混规二. 混凝土的强度混凝土结构中，主要是利用它的抗压强度。
混凝土结构中，主要是利用它的抗压强度。
因此抗压强度是 抗压强度 混凝土力学性能中最主要和最基本的指标。
混凝土力学性能中最主要和最基本的指标。
1）立方体抗压强度 f cu ：边长为 ） 边长为150mm的混凝土立方 的混凝土立方 体试件，在标准条件下（温度为20± ℃ 湿度≥ 体试件，在标准条件下（温度为 ±3℃，湿度≥90%）养 ） 加载速 护28天，用标准试验方法（加载速度0.3~0.5N/mm2/s，两端 天 用标准试验 ， 不涂润滑剂） 得的具有 具有95%保证率的抗压强度，作为混 保证率的抗压强度 不涂润滑剂）测得的具有 保证率的抗压强度， 凝土立方体抗压强度标准值， 符号f 表示,以 凝土立方体抗压强度标准值，用符号 cu,k表示 以N/mm2 并以此作为划分混凝土强度等级的依据。
（MPa）计， 并以此作为划分混凝土强度等级的依据。
） 共划分为 《规范》根据强度范围，从C15~C80共划分为 个强度 规范》根据强度范围 共划分为14个 等级，级差为5N/mm2,C50以上为高强混凝土。
钢筋和混凝土的材料力学性能
影响混凝土收缩的因素：
(1) 水泥强度等级：强度等级越高，混凝土收缩越大；
(2) 水泥的用量：水泥越多，收缩越大； (3) 水灰比：水灰比越大，收缩也越大； (3) 骨料：级配越好、弹性模量越大，收缩越小； (4) 养护条件：养护温度、湿度越高，收缩越小；
罕遇地震下“裂而不倒”, 钢筋应力可考虑进入强化段, 要
求极限抗拉强度 fu ≥1.25 fy 。
（3）塑性指标
1）伸长率：钢筋拉断后的伸长值与原长的比率。伸长 率越大，塑性越好。伸长率最小值可参照国家标准。 2) 冷弯性能: 将直径为d 的钢筋绕直径为D的弯芯，弯 曲到规定的角度后无裂纹、断裂及起层现象，则表示合格。 弯芯直径D越小，弯转角越大，说明钢筋的塑性越好。 相应的弯芯直径及弯转角可参照相应的国家标准。
的依据；
BC段 (σ＝0.8fc～fc )：裂缝快速发展的不稳定状态直至 峰点C，峰值应力σmax通常作为混凝土棱柱体的抗压强度fc， 相应的应变称为峰值应变ε0，通常取ε0=0.002。
2）下降段（CE）：
在峰值应力以后，裂缝迅速发展，试件应力下降， 应力一应变曲线向下弯曲，直到凹向发生改变，曲线出
图3.7 混凝土变形模量的表示方法
（1) 混凝土的弹性模量（即原点模量）
在原点（图中的O点）作一切线，其斜率为混凝土的原 点模量，称为弹性模量Ec。 Ec＝tg α0 混凝土的弹性模量Ec取值见表３.２
(2) 混凝土的变形模量
连接O点至曲线任一点割线的斜率，称为割线模量或变 形模量。包含弹性变形和塑性变形两部分，也称为弹塑性
《规范》规定: 钢筋混凝土不应低于C15；当采用HRB335级钢 筋时，混凝土不宜低于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。
新03材料力学性能
b
o
残余 变形
o'
冷拉率
冷拉的特点： 冷拉经时效 1、可采用控制应力和控制 d' 冷拉率两种方法。 d 2、冷拉时应力值必须超过 钢筋的屈服强度。 3、时效硬化(屈服点提高)。 冷拉无时效 4、冷拉后可提高钢材的抗 拉强度，但屈服台阶变短。 不提高钢筋的抗压强度。 5、钢筋设计时仍采用冷拉 前的截面。 6、焊接产生的高温使钢筋 e 软化(强度降低,塑性增加) 故需焊接的钢筋须先焊后拉; 另外冷拉只能提高抗拉强 度。)
受力强度： s1, s2 (拉－压) 强度降低
2、三轴受压：(如图)
200
三向受压时，混凝土的 抗压强度和极限变形都 有较大提高。 其原因：横向约束约束 了横向变形，限制了内 部裂缝的产生和发展。
150
s3= 50N/mm2 35N/mm2
s1
100
s3
10N/mm2
s3
50
0
5
抗压强度提高 : f c f c 4.1s 2 c
塑性变形的基础
一）混凝土的立方体抗压强度（fcu）
用边长为150mm的标准立方体试件，在标准养
护条件下（温度20±2℃，相对湿度大于95%或在水
中）养护28天后，按照标准试验方法（试件的承压
面不涂润滑剂，加荷速度约每秒0.15～0.3N/mm2）
测得的抗压强度值称为混凝土立方体试件抗压强度 （简称立方体抗压强度），用符号fcu表示。（对某 一试件）
s0.2
a
残余应变为0.2%所对应的应力 0.2
《规范》取s0.2 =0.8 fu
0.2%
有、无明显流幅钢筋的应力-应变图的比较
s(N/mm2)
ft
流幅 极限强度
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fyk ＞ fy ＞ △ffy
B、 D＞ fyk ＞ △ffy
fy = fyk ＜ △ffy
钢筋混凝土构件中配有不同种类的钢筋时，其钢筋强度取值，以下叙述正确 的是（ B ）
A、各种钢筋均取其中最低等级的钢筋强度 B、每种钢筋根据其受力情况应采取各自的强度 C、取各种钢筋强度的平均值 D、取其中最高等级的钢筋强度
钢筋规格
HPB300
6，8，10，12
HRB335
12，14，16，18，20，22，25，28，32，36， 40
6，8，10， 12，14，16，18，20，22，25， 28，32，36，40
HRB400
设计人员在图纸中指定某梁的钢筋用HRB335 的钢筋，
但施工单位用HRB400 的钢筋替换， 这种做法可行吗？
包括：抗压、抗拉、抗剪、抗扭、疲劳强度 oa—弹性阶段 fu
bc—屈服阶段
e
cd—硬化阶段
de—颈缩阶段
fp fb
b b
a c a’ a dc
d
f
fy
e
d c
a—弹性极限fb c—屈服强度fy d—极限强度fu
o
0.2
0
某些无明显屈服点的材料，以残余变形0.2%对应应力
作为名义屈服强度。 0.2%
材原始尺度的变化率，是衡量钢材变形 能力的重要指标。 l l0 伸长率: 5 or 10 l0 越大, 钢筋延性或塑性越好
建造中的 Titanic 号
Titanic
近代船用钢板
3. 韧性
材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力
冲击韧度：是对于钢结构使用
钢材的特殊要求，是检验钢材 对于冲击荷载的承受能力。
1．伪劣钢材的横截面呈椭圆形。
2．切头端面平滑而整齐，而伪劣材由于材质差，切头端面常会有掉肉的现象，凹凸不平。 3．伪劣钢材的内径尺寸波动较大 4．伪劣钢材易出现折叠。折叠是钢材表面形成的各种折线，这种缺陷往往贯穿整个产品的纵 向。产生折叠的原因是由于伪劣厂家追求高效率，压下量偏大，产生耳子，下一道轧制时 就产生折叠，折叠的产品折弯后就会开裂，钢材的强度大下降。 5．伪劣钢材外表经常有麻面现象。麻面是由于轧槽磨损严重引起钢材表面不规则的凹凸不平 的缺陷 6．伪劣钢材表面易产生结疤。原因有两点：(1)伪劣钢材材质不均匀，杂质多。 (2)伪劣材厂家导卫设备简陋，容易粘钢，这些杂质咬人轧辊后易产生结疤。 7．伪劣材表面易产生裂纹，原因是它的坯料是土坯，土坯气孔多，土坯在冷却的过程中由于 受到热应力的作用，产生裂痕，经过轧制后就有裂纹。 8．伪劣钢材的横筋细而低，经常出现充不满的现象，原因是厂家为达到大的负公差，成品前
钢筋的计算指标
1. 钢筋的强度标准值
具有95%保证率的基本代表值。其中，热轧钢筋根据屈服强度 确定，用 f yk 表示；预应力钢绞线、钢丝和热处理钢筋的 强度根据极限抗拉强度确定，用 f 表示。
ptk
2. 钢筋的强度设计值 ——等于标准值除以分项系数。
f y , f y f yk，f yk
s
, s 1.1
二、钢筋的力学性能 1. 屈强比
b a 0 c
d e
oa—弹性阶段 bc—屈服阶段 cd—强化阶段 de—颈缩阶段
a—比例极限fp c—屈服强度fy →是钢筋强度的设计依据 d—极限强度fu
屈强比反映钢筋的强度储备， fy/fu=0.6~0.7。
b. 弹性与塑性
钢筋
应力 = P/F0 应变 = (l-l0)/l0
拉 伸 试 验 机 低碳钢的应力-应变曲线
拉伸试样
a. 强度 ——材料抵抗破坏能力的指标
包括：抗压、抗拉、抗剪、抗扭、疲劳强度
oa—弹性阶段 bc—屈服阶段 b b
a c a’ a dc
e
d
f
cd—强化阶段
de—颈缩阶段
e
o
a. 强度 ——材料抵抗破坏能力的指标
4.2.3 当构件中配有不同品牌号和强度等级的钢筋时,可采用各自的 强度设计值进行计算。因为尽管强度不同，但极限状态下各种钢筋先 后均以达到屈服。
在做结构设计时，比如梁的纵向受力钢筋，能否考虑
同时采用不同强度等级的钢筋？例如同时采用 HRB335 和HRB400两种热轧带肋筋
在这个构件中两种钢筋能同时达到屈服强度且 HRB400钢筋所处的部位后期要求更多的强度富余， 这是混用的浪费。 两种构件在组合区，如钢筋混用不当时，次构 件该屈服破坏时不破坏，内力过多转移到主构上， 造成主构先于次构破坏，如主梁先于次梁破坏，柱 先于梁破坏，后果是严重的。
结构材料的力学性能及指标
1. 结构材料的基本要求 2. 钢筋混凝土 3. 砌体
4. 钢结构
结构材料的力学性能及指标
结构材料的基本要求
a. 结构材料要有足够的、有一定环境适应度的强度；
b. 结构材料要有足够的刚度；
c. 结构材料要有相应的重度； d. 结构材料要有相对低廉的价格； e. 结构材料要有良好的环保性能。
材料在外力作用下产生变形，当外力除去后能完全恢复到原 始形状的性质，称为弹性。 e
弹性模量： Es
a’ dc
d
f
e
b
材料在外力作用下产生变形，
当外力除去后，部分变形恢
复的性质，称为塑性。
a
残余变形 弹性变形
2. 塑性性能
材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力
伸长率：钢材拉断后的塑性变形量较钢
强度 塑性 弱 高
HRB335
HRB400 RRB400
强
低
钢 筋
冷拉钢筋 冷拔钢筋 冷轧钢筋
强度高，塑性差 强度高，粘结性差 强度高，粘结性好 强度高，塑性差
热处理钢筋
Fig. 我国常见钢筋外形
普通钢筋强度标准值fyk 、强度设计值fy、疲劳应力幅限值△ffy，三者之间的 关系为（ ） A
A、 C、
冷弯指标：是检验钢材冷加工性能的指标，对于钢筋与钢板，
其冷弯指标是指在常温下被检验材料对于某一相对的半径 （相对板材厚度与钢筋直径）的弯曲角度。
钢筋砼结构对钢筋的要求
有较高的强度和适宜的屈强比 有较好的塑性 与混凝土之间有良好粘结力 具有较好的可焊性
三、钢筋的种类及选用
HPB300 热轧钢筋 光圆钢筋 带肋钢筋 带肋钢筋 带肋钢筋
a、不同厂家生产的钢筋（甚至同一厂家、不同炉号的） 在焊接性能上会有一定的差异； b、不同厂家生产的钢筋，在微合金成份、含量（主要 指三级及三级以上钢筋）上会有一定的差异，有的甚至是 不同的微合金成份； c、不同厂家生产的钢筋，在延性上也会有有较大的差 异，有的甚至是数量级的差异；
辩别假冒伪劣钢材的几点办法
原设计用的是HRB335，在代换时也应首先考虑用HRB335进行代换。 通常HRB335相对HRB400而言塑性好，HRB400较HRB335强度高，它 们的应力-应变曲线是完全不同的。因此不能用不同等级的钢筋 进行代替。
某工业建筑工程，柱子截面1.5×1.5，主筋是28的，现在
进场的钢筋是两个厂的，检验都合格，监理要求不同厂出 的钢筋不能用与同一柱上，这样的要求是否合理？