第一章钢筋的物理力学性能教材
混凝土结构设计原理-材料及性能教材
9
钢筋混凝土结构的优点 钢筋混凝土结构的缺点
10
§1-2 混凝土
混凝土的性质： 非匀质、各向异性、离散性、抗压强度高的 弹塑性材料。 其破坏是由于内部微裂缝引起的。
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microcracks
hydrated cores
C-S-H
C-S-H
Capillary pore
=28d
F A
4000 300 200
A a) B
A－A
200 210
300
4000
B
316
b)
B－B
5
素砼梁 极限荷载 P=8kN 梁的开裂即等于破坏：
由砼抗拉强度控制，
Mu = Mcr
极限弯矩 开裂弯矩
破坏性质：脆性
6
钢筋混凝土梁的表现 开裂不等于破坏！受拉钢筋替代。极限荷载P=36kN
Mu >>13
混凝土强度等级：
常用等级：C15，C20， C25，C30， C35， C40，
C45，C55， C60，C65 ，C70， C75， C80
一般将C50以下称为普通砼，C50及以上称为高强砼
14
混凝土立方体抗压强度与试验方法有着密切的关系。
图1-3 立方体抗压强度试件
深刻理解混凝土在一次单调加载作用下受压应力-应变曲线。
了解普通热轧钢筋的强度和变形，掌握普通热轧钢筋的强度级别和品 种。
理解钢筋与混凝土之间的粘结性能及其机理。
3
1.1 钢筋混凝土结构的基本概念
4
例：一跨度为4m，跨中作用集中荷载的简支梁，梁截 面尺寸200×300mm，混凝土为C20。如图所示：
1 0.5 2
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）。
第一章钢筋和混凝土的力学性能
填空题1、 钢筋混凝土及预应力混凝土中所用的钢筋可分为两类： 有明显屈服点的钢筋和无明显屈服点的钢筋，通常分别称它们为软钢和 硬钢。
2、钢筋按其外形可分为 光面钢筋和变形钢筋两大类。
3、 对没有明显屈服点的钢筋，通常取相应于残余应变为 0.2%时 的应力为名义屈服点，称为条件屈服强度。
4、 我国目前常用的钢筋用碳素结构钢及普通低合金钢制造。
碳素 结构钢可分为 低碳钢、中碳钢和高碳钢。
随着含碳量的增加，钢 筋的强度提高、塑性降低。
在低碳钢中加入少量锰、硅、钛、铬 等合金元素，使之成为合金钢。
5、 钢筋混凝土结构对钢筋性能的要求主要在以下方面： 强度、塑 9、 用边长为100mm 和200mm 混凝土立方体试件所得到的抗压强 度值要分别乘以0.95和1.05才能换算为标准立方体抗压强度。
10、 当混凝土双向受压时其强度 增大，当一拉一压时其强度 减小 性、焊接性、耐火性和粘结性能C6、 对钢筋混凝土轴心受压构件,增大，混凝土的压应力 减小。
7、 对钢筋混凝土轴心受压构件,增大，混凝土的压应力 减小。
8 对钢筋混凝土轴心受拉构件,由于混凝土收缩，钢筋的压应力 由于混凝土徐变，钢筋的压应力 由于混凝土收缩，钢筋的拉应力11、有明显屈服点的钢筋的典型拉伸应力--应变曲线大致可分为弹性阶段、屈服阶段、强化阶段、颈缩阶段四个阶段二、判断题1、混凝土立方体试块的尺寸越大，强度越高。
（X）2、混凝土在三向压力作用下的强度可以提高。
（“）3、钢筋受压时的屈服强度与受拉时基本相同。
（“）4、钢筋经冷拉后，强度和塑性均可提高。
（X）5、冷拉钢筋不宜用作受压钢筋。
（“）6、C20 表示f C u=20N/mm2。
（X）7、混凝土抗拉强度随着混凝土强度等级提高而增大。
（“）8 混凝土受拉时的弹性模量与受压时相同。
（“）9、混凝土强度等级愈高，胶结力也愈大。
（“）10、混凝土收缩、徐变与时间有关，且互相影响。
（“）11、规范中混凝土各种强度指标的基本代表值是轴心抗压强度标准值。
《混凝土结构设计原理》课程复习要点
混凝土结构设计原理复习要点第一章钢筋与混凝土材料物理力学性能1 .钢筋的种类、级别及其主要的力学性能记识：(1)钢筋的种类、级别；(2)有明显屈服点钢筋的应力应变曲线；没有明显屈服点钢筋的应力应变曲线；(3)钢筋设计强度的取值依据，没有明显屈服点钢筋的条件屈服强度；(4)冷加工钢筋的性能；(5)混凝土结构对钢筋性能的要求；(6)有明显屈服点钢筋4=G M(I-2.05),没有明显屈服点钢筋九=b∕”"(1-2.()b),保证率为97.73%02 .混凝土的强度及变形记识：(1)混凝土立方体抗压强度的标准试验方法，混凝土强度等级，轴心抗压强度和轴心抗拉强度。
普通混凝土：∕cw-0.76f.Um，∕t7,,-0.88XO.76∕ru,,,=0.67f eum；《混凝土结构设计规范》：心二0.88印2人成，保证率为95虬0∙88是实际构件与实验室条件下试件的差异系数，匕=0.76是轴心抗压强度与立方体抗压强度的系数，的高强混凝土脆性折减系数。
普通混凝土：加=0∙395£鬻，(九二0.26,∕cm=0.88X0.26∕c^=0.23∕c^)o《混凝土结构设计规范》：力广0.88月X0∙395/裁5(「I.645b)0R保证率为95机(2)复合应力状态下混凝土强度产生变化的概念；(3)单轴受压时混凝土的应力应变曲线(右、英.)；(4)混凝土弹性模量的定义；(5)混凝土徐变和收缩的定义及其对结构的影响。
领会：(1)从钢筋与混凝土的力学性能来理解钢筋混凝土是一种非弹性、非匀质的结构材料；(2)对单轴受压时混凝土的应力应变关系曲线有一定的认识和理解。
3 .钢筋与混凝土的粘结识记：(1)粘结的定义，光圆钢筋与变形钢筋粘结力的组成；(2)保证可靠粘结的主要构造措施。
第二章混凝土结构设计方法1 .作用效应S与结构抗力R识记：(1)作用效应S与结构抗力A,作用效应与结构抗力的不确定性；（2）直接作用（又称荷载）、间接作用、偶然作用。
混凝土结构设计原理
绪论钢筋与混凝土能共同工作的原因：（1）钢筋和混凝土之间存在有良好的粘结力，在荷载作用下，可以保证两种材料协调变形，共同受力；（2）钢筋与混凝土具有相近的温度线膨胀系数（钢材为 1.2×10-5，混凝土为(1.0~1.5)×10-5），因此当温度变化时，两种材料不会产生过大的变形差而导致两者间的粘结力破坏；（3）混凝土对钢筋具有一定的保护作用。
第一章钢筋混凝土材料的物理力学性能1.立方体抗压强度fcu,k>轴心抗压强度fck>轴心抗拉强度ftk2.双向应力状态或三向应力状态：（1）双向压应力作用下，一向的抗压强度随另一向压应力的增加而增加;双向拉应力作用下，混凝土一向抗拉强度基本上与另一向拉应力的大小无关。
即双向受拉的混凝土强度与单向受强度基本一样：一向受拉一向受压时，无论是抗拉强度还是抗压强度都要降低。
（2）在三向受压状态中，由于侧向压应力的存在，混凝土受压后的侧向变形受到了约束，延迟和限制了沿轴线方向的内部微裂缝的发生和发展，因而极限抗压强度和极限压缩应变均有显著的提高，并显示了较大的塑性。
2.混凝土在荷载的长期作用下，其变形随时间而不断增长的现象称为徐变。
3.徐变的影响因素（1）内在因素是混凝土的组成和配比。
骨料的刚度（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。
构件尺寸越大，徐变越小。
（2）环境影响包括养护和使用条件。
受荷前养护的温湿度越高，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。
4.收缩：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。
5.钢筋按力学性能分为：一类是具有明显的物理屈服点的钢筋（软钢）另一种是无明显的物理屈服点的钢筋（硬钢）。
6.混凝土结构对钢筋性能的要求：○1强度：钢筋应具有可靠的屈服强度和极限强度，钢筋的强度越高，钢材的用量越少。
结构设计原理教材
结构设计原理第一章钢筋混凝土结构的基本概念及材料的物理力学性能1、钢筋混凝土结构的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。
2、钢筋混凝土结构的优缺点①较好的耐久性，刚度大，变形小；②既可以整体现浇也可以预制装配，并且可根据需要浇制成各种形状与尺寸；③就地取材，降低建筑成本。
3、混凝土的强度⑴混凝土立方体抗压强度以每边边长为150mm的立方体标准试件，在20℃±2℃的温度和相对湿度在95%以上的潮湿空气中养护28d，依照标准制作方法和试验方法测得的抗压强度值（以MP a为单位）作为混凝土的立方体抗压强度，用符号f cu表示。
⑵混凝土轴心抗压强度（棱柱体抗压强度）以150mm×150mm×300mm的标准试件，在20℃±2℃的温度和相对湿度在95%以上的潮湿空气中养护28d，依照标准制作方法和试验方法测得的棱柱体试件抗压强度值（以MP a为单位）作为混凝土的轴心抗压强度，用符号f c表示。
⑶混凝土抗拉强度通过劈裂试验得到，比抗压强度低得多，用符号f t表示。
4、一次单调加载试验测试的混凝土应力—应变曲线p13三个特征值：最大应力值f c及相应的应变值 co以及D点的应变值5、有明显流幅的钢筋应力—应变曲线p216、粘结机理①光圆钢筋与混凝土之间的粘结力主要由摩擦力和咬合力提供；②带肋钢筋与混凝土之间的粘结力主要由钢筋表面凸起的肋纹与混凝土的机械咬合作用。
第二章结构按极限状态法设计计算的原则1、结构的可靠度与可靠性结构可靠性是指结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的能力。
（安全性、适用性、耐久性）结构可靠度是结构可靠性的度量，指在规定的时间内，在规定的条件下，完成预期功能要求的概率。
2、设计使用年限设计使用年限是设计规定的结构或结构构件不需要大修即可按预定目的使用的年限。
3、结构的极限状态⑴承载能力极限状态：对应于结构或结构构件达到最大承载能力或不适于继续承载的变形或变位的状态。
高等钢筋混凝土结构讲义-1.钢筋的物理力学性能
f0.2 =（0.8~0.9）fb
热轧钢筋有明显流幅称为软钢以屈服强度作为设计依据消除应力钢丝钢绞线精轧螺纹钢无明显流幅称为硬钢热处理钢筋冷轧带肋钢筋冷轧扭钢筋钢筋的分类hrb40020mnsiv20mnsinb20mnti级带肋kl400k20mnsi新iii级变形注钢筋名称前面的数字表示平均含碳量万分之数按钢材含碳量多少分为低碳钢含碳量25中碳钢2660高碳钢60土建结构用钢低中碳钢r235q235i级光圆hrb33520mnsi级iiiii热轧钢筋直径大于6mm000000000000热轧钢筋的符号说明生产工艺hotrolled表面形状plain钢筋barhpb235屈服强度hotrolledribbedbarhrb335桥梁工程中热轧钢筋的屈服强度材料分项系数12种类r235q235hrb33520mnsihrb40020mnsiv20mnsinb20mntirrb400k20mnsi符号fsd195280330330fsd195280330330热轧钢筋r建筑工程中热轧钢筋的屈服强度材料分项系数11种类hpb235q235hrb33520mnsihrb40020mnsiv20mnsinb20mntirrb400k20mnsi符号fyfy210300360360热轧钢筋210300360360r?钢筋的se曲线l0ppa00pas0lle钢筋的力学性能p点所对应的应力为比例极限而e点所对应的应力为弹性极限
固溶体
按溶质原子在溶剂晶格中的位置, 固溶体 可分为置换固溶体与间隙固溶体两种。
间隙固溶体
置换固溶体
固溶体的性能 无论置换固溶体，还是间隙固溶体，由于溶质原 子的存在都会使晶格发生畸变，使其性能不同于 原纯金属。
当溶质元素的含量极少时，固溶体的性能与溶剂金属基本相同。 随溶质含量的升高，固溶体的性能将发生明显改变，其一般情 况下，强度、硬度逐渐升高，而塑性、韧性有所下降，电阻率 升高，导电性逐渐下降等。 这种通过形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象称为固 溶强化。 固溶强化是金属强化的一种重要形式。在溶质含量适当时， 可显著提高材料的强度和硬度，而塑性和韧性没有明显降低。
钢筋混凝土结构原理1材料的物理力学性能
第1章 材料的物理力学性能 3 硬钢的应力—应变曲线
石家庄铁路职业技术学院
d ——极限抗拉强度 e ——极限应变
条件屈服强度： 取残余应变为0.2%所对应的应力作为无明显流幅钢筋
的强度限值，通常称为条件屈服强度。
1.1 钢筋的物理力学性能
第1章 材料的物理力学性能 4 钢筋的应力—应变简化模型
1.1 钢筋的物理力学性能
第1章 材料的物理力学性能 1 钢筋的种类及符号说明
预应力钢筋的屈服强度
种类
钢绞线
1×3 1×7
消除应力钢丝 热处理钢筋
光面螺旋肋
刻痕 40Si2Mn 48Si2Mn
45Si2Cr
石家庄铁路职业技术学院
符号
φS
φP φH φI
fptk 1860 1720 1570 1860 1720 1770 1670 1570 1570
fpy
f'py
1320
1220 390
1110
1320 390
1220
1250
1180 410
1110
1110 410
φHT
1470 1040 400
1.1 钢筋的物理力学性能
第1章 材料的物理力学性能 2 软钢的应力—应变曲线
石家强度 e ——极限应变 ob ——弹性阶段 bc ——屈服阶段 cd ——强化阶段 de ——破坏阶段
影响因素：
尺寸效应：尺寸越大，内部缺陷较多， 强度较低。 加载速度：加载速度越快，强度越低。
端部约束：涂润滑油 ，强度降低。
1.2 混凝土的物理力学性能
第1章 材料的物理力学性能 1 立方体抗压强度
石家庄铁路职业技术学院
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—应变关系简化为很平缓的斜直线，可取 （图1-7），其优点是应力—应变关系在屈服后仍保
持唯一性。
（3）三折线（图1-8）或曲线的弹塑性强化模
型（图1-9）较为复杂些，但可以较准确地描述钢筋 的大变形性能。
简化曲线
钢筋应力―应变曲线的数学模型 （1）双直线模型（完全弹塑性 模型）
s Es s s fy s y y s sh
s=Ess
y
s,h
s,u s
钢筋应力―应变曲线的数学模型 （1）双直线模型（完全弹塑性 模型）
s Es s s fy s y y s sh
s fs,u fy θ′ fy s
s=Ess
y
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s
（ 2）三折线模型（完全弹塑性 s y s Es s
y s sh 加硬化模型） s fy s f y ( s sh )tg
tg 0.01Es
sh s su
延伸率。
从工程应用的观点，将上、下屈服点合并为一
个屈服点，一般取为数值较稳定、且偏低的下屈服
点b（见图1-2的典型热轧钢筋拉伸曲线），相应的 应力值称为屈服强度。相应于破坏阶段d点的强度， 称为钢筋的抗拉强度，亦称钢筋的极限强度。
图1-2 典型热轧钢筋拉伸曲线
图1-3 晶粒变形弹塑性情况示意
钢筋的应力—应变现象可以用位错滑移理论得
高等钢筋混凝土 结构
周志祥 徐 岳 王有志 主编 主审 主讲
第一章
钢筋的物理力学性能
钢筋的分类和应力—应变曲线
钢筋的锈蚀
钢筋的疲劳
钢筋的其他性能
第一节 钢筋的分类和应力—应变曲线
一、钢筋的分类
钢筋混凝土及预应力混凝土构件中所用的钢筋 分为两类：普通钢筋和预应力钢筋。 普通钢筋系指钢筋混凝土构件中的钢筋和预应 力混凝土构件中的非预应力钢筋。它分为R235、
屈服点则相对稳定。
钢筋在屈服段经历了较大的塑性变形后，进入 强化段（H），应力再次稳步增大，直至极限强度 点B。此后，应变继续增大，而拉力明显减小，试
件的一处截面逐渐减小，出现颈缩现象。最终，试
件在颈缩段的中间拉断（F）。颈缩段应力—应变曲 线（BF）下降是按钢筋原截面积计算的结果，若将 拉力除以当时颈缩段的最小截面积，则得持续上升 段。拉断后试件的伸长变形除以试件原长称为极限
强度比软钢大得多，但延
伸率（伸长率）却小得多，
一般呈脆性破坏。
三、钢筋应力—应变曲线的数学描述 1、钢筋应力—应变曲线的绘制
是由该材料制成的标准拉伸试件经拉伸试验得
出的。 事实上，钢筋试件在拉伸过程中其截面是不断 变化的，在出现塑性变形以后，这种变化带来的影 响更为显著。为反映这一现象，应力的计算不能再
笼统地用力与钢筋初始截面积之比来获得，而必须
采用真实应力这一概念，如下式所示：
（1-1）
在试件出现塑性变形以后，真实应变的计算可 按如下公式进行。
用试件的瞬时长度 来表示应变，则每一瞬时
的应变增量为： （1-2） 从 开始变形所累积的应变该是：
（1-3）
利用体积不变的原理有： （1-4）
式中下标“0”表示试件的原始状态，公式（13） 可写成： （1-5） 目前常用的修正公式是由伯瑞吉曼提出的，他
力—应变曲线上有无明显的屈服台阶，将钢材分成
两大类，分别称为软钢和硬钢。属软钢的有R235、 HRB335、HRB400和KL400四种钢筋，属于硬钢有 钢丝、钢绞线及高强度精轧螺纹钢筋。 1、软钢的基本力学性能
见图1-1，钢筋开始受力后，应力与应变成比例
增长，至比例极限（P点）为止。之后，应变比应力 增长稍快，应力—应变关系线微曲。但在弹性极限 （E点）前，试件卸载后，应变仍沿加载线返回原
点，无残余变形，故PE段为非线性弹性变形区。
超过弹性极限后应变增长加快，曲线斜率稍 减。到 达上屈服点后，应力迅速跌落，出现一个小 尖峰；继续增大应变，应力经过下屈服点后有少量 回升。此后，曲线进入屈服段，应力虽有上下波
动，但渐趋稳定，形成明显的台阶。 上屈服点取决
于试件的形状和加载 速度而在一定范围内变动，下
假设颈缩处试件外形轮廓在最小截面处是一个圆，
如图1-5所示，修正公式为：
（1-6）
另一个修正公式（双曲线）为：
（1-7） 2、钢筋应力—应变曲线的数学描述 对于软钢，其应力—应变曲线有明显的屈服台 阶，通常其计算模型有以下几种： （1）理想弹塑性模型认为钢筋材料在屈服以前 为线弹性，一旦屈服则为理想塑性状态，应力不再 增加（图1-6），因此，其应力—应变关系为两个在 屈服点处相连的直线方程。一般结构破坏时钢筋的 应变尚未进入强化段，此模型适用。 （2）弹性—强化模型为二折线，屈服后的应力
HRB335、HRB400和KL400四种。前者为光圆钢
筋，后三者为带肋钢筋。预应力混凝土构件中的箍 筋应选用其中的带肋钢筋。
普通钢筋的抗拉强度标准值，抗拉强度设计值 和抗压强度设计值见表1-1。
预应力钢筋的公称直径、抗拉强度标准值、抗
拉强度设计值和抗压强度设计值等见表1-2。
二、钢筋的基本力学性能及微观分析 习惯上根据钢筋抗拉强度标准值的大小或应
钢筋外形与尺寸 变形钢筋的作用—增加与混凝土的摩 擦力。 要求： 表面变形距离不得超过名义直径0.7倍 ；高度不得小于名义直径0.04-0.05倍；变 形部分至少要环绕名义周长的75%、与钢 筋轴线不小于45º。 名义尺寸： 每延米相同重量的光面钢筋尺寸。
2、硬钢的基本力学性能
硬钢通常没有明显的屈服台阶，为了便于应用 通常取残余变形ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ0.1%处应力作为弹性极限强度， 取残余变形的0.2%处的应力作为钢筋的条件屈服强 度（图1-4）。硬钢的抗拉
到解释。 钢是一种微细晶体的结合，并按一定规律排 列。在比例极限以内时，弹性变形主要取决于晶体 阵上原子间的相互作用力。在弹性变形阶段，主要
是金属内部原子间距离改变，如图1-3a为弹性拉伸
金属原子间距离改变示意图。
塑性变形就是金属晶体顺某些结晶面发生滑移
的结果，也就是说顺晶体的某个结晶面所施加的剪 应力超过了晶体临界切应力而产生滑移，如图1-3b 所示。