钢筋和混凝土的物理力学性能
一、要点解析
1、钢筋的应力应变曲线及强度取值
（1）有明显流幅的钢筋应力应变曲线
构件从受荷到破坏分为四个阶段，弹性阶段oa ： a 点相应的应力称为比例极限（或弹性极限）。屈服阶段――钢筋产生相当大的塑性变形，相应于屈服下限c 点的应力称为屈服应力或屈服强度s σ。强化阶段fd ：d 点叫做钢筋的抗拉强度或极限强度(b σ)。颈缩阶段d e ：截面逐渐缩小，直至试件断裂。
一般取屈服强度s σ作为钢筋设计强度的依据。
（2）无明显流幅的钢筋的应力应变曲线
钢筋没有明显的屈服点，通常取相应于残余应变为0.2％时的应力2.0σ作为名义屈服点，称为条件屈服强度。一般取2.0σ＝0.85b σ作为其设计强度。
此类钢筋在钢筋混凝土结构中较少使用。
2、钢筋的塑性指标
反映钢筋塑性性能的基本指标是伸长率和冷弯性能。
（1）伸长率：
钢筋试件拉断后的伸长值与原长的比值，即 %1001?-=
l
l l δ 式中：δ－伸长率；
1l －试件受力前的标距长度；
2l －试件拉断后的标距长度。
伸长率愈大，即标志着钢筋的塑性指标好。由于断裂前钢筋有相当大的变形，有明显的预兆。钢筋不致突然发生危险的脆性破坏，
（2）冷弯性能 弯转角度愈大、弯心直径D 愈小，钢筋的塑性就愈好。
图1-1 有明显流幅的钢筋应力应变曲线
对于有明显流幅的钢筋，其主要指标为屈服强度、抗拉强度、伸长率和冷弯性能四项；对于没有明显流幅的钢筋，其主要指标为抗拉强度、伸长率和冷弯性能三项。
3、钢筋的品种、等级和形式
我国用于混凝土结构的钢筋主要有热轧钢筋、热处理钢筋、预应力钢丝及钢绞线四种。在钢筋混凝土结构中主要采用热轧钢筋。
热轧钢筋是低碳钢、普通低合金钢在高温下轧制而成。其应力应变曲线有明显的屈服点和流幅，断裂时有“颈缩”现象，伸长率较大。
根据力学指标的高低，分为HPB235级(Ⅰ级，符号
），HRB335级（Ⅱ级，符号 ）， HRB400级（Ⅲ级，符号），RRB400级（余热处理Ⅲ级，符号R ）四个种类。
普通钢筋宜采用HRB400级和HRB335级钢筋，也可采用HPB235级和RRB400级钢筋。 钢筋混凝土结构中所采用的钢筋，按外形可分为光圆钢筋、变形钢筋。
4、混凝土结构对钢筋性能的要求
用于混凝土结构中的钢筋，一般应能满足下列要求：
（1）有较高的强度和适宜的屈强比：在钢筋的应力应变曲线中，强度有两个：一是钢筋的屈服强度(或条件屈服强度)，这是设计计算时的主要依据，屈服强度高则材料用量省，所以要选用高强度钢筋；另一是钢筋的抗拉强度，屈服强度与抗拉强度的比值称为屈强比，它可以代表结构的强度储备，比值小则结构的强度后备大，但比值太小则钢筋强度的有效利用率太低，所以要选择适当的屈强比。
（2）较好的塑性： 可以保证构件破坏前有较明显的预兆（明显的变形和裂缝），通过冷弯试验合格和钢筋拉伸率不小于规定值这两项措施保证钢筋具有较好的塑性。
屈服强度、抗拉强度、伸长率和冷弯性能是钢筋的强度和变形的四项主要指标。
（3）可焊性：要求钢筋具备良好的焊接性能，保证焊接强度，焊接后钢筋不产生裂纹及过大的变形。
（4）低温性能：在寒冷地区要求钢筋具备抗低温性能，以防钢筋低温冷脆而致破坏。
（5）与混凝土要有良好的粘结力：粘结力是钢筋与混凝土得以共同工作的基础。 对钢筋的各项要求应满足《混凝土工程施工验收规范》GB50204—2002中的规定。
5、混凝土的强度
混凝土强度是混凝土受力性能的一个基本指标。在工程中常用的混凝土强度有立方体抗压强度标准值k cu f ,、轴心抗压强度c f 和轴心抗拉强度t f 等。
（1）立方体抗压强度标准值k cu f ,
定义：立方体抗压强度标准值k cu f ,指按照标准方法制作养护的边长为150mm 的立方体试块，在28天龄期，用标准试验方法测得的具有95％保证率的抗压强度。
《混凝土结构设计规范》规定，混凝土强度等级应按立方体抗压强度标准值确定。混凝土的强度划分为十四个强度等级，即C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、
C65、C70、C75、C80。符号C 代表混凝土，C 后面的数字表示以2
/mm N 为单位的立方体抗压强度标准值。
试块的强度不仅与养护期的温湿度、龄期等因素有关，还和试验时的加荷速度有关,加荷速度过快，内部裂缝难以开展，所测强度数值偏大。反之，若加荷速度过慢，则所测得的强度数值偏低。
此外，混凝土的立方体抗压强度也和试块的尺寸有关，立方体尺寸越小，测得的混凝土抗压强度越高，这种现象称为“尺寸效应”。因此，《混凝土规范》规定，当用边长为200mm 和l00mm 的立方体试块时，所得强度数值要分别乘以强度换算系数1.05和0.95加以校正。
（2）轴心抗压强度c f
定义：以150mm ×150mm ×300mm 的棱柱体作为标准试件按照标准试验方法测得的混凝土受压强度。
能更好地反映混凝土的实际抗压能力,其数值要小于立方体抗压强度。 k cu ck f f ,2188.0αα=
式中：1α为棱柱体强度与立方体强度之比，对混凝土等级为C50及以下的取1α=0.76，对C80取1α=0.82，在此之间按直线变化取值。2α为高强度混凝土的脆性折减系数，对C40取2α=1.00，对C80取2α=0.87，中间按直线规律变化取值。0.88为考虑实际构件与试件之间的差异而取用的折减系数。
（3）抗拉强度t f
混凝土的抗拉强度很低，与立方抗压强度之间为非线性关系,一般只有其立方抗压强度的1／17～1／8。
※ 钢筋混凝土构件的混凝土强度等级不应低于C15；当采用HRB335级钢筋时，混凝土强度等级不宜低于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，预应力混凝土结构的混凝土强度等级不应低于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。
6、混凝土的变形性能
混凝土的变形可分为两类。一类是在荷载作用下的受力变形，如短期加荷及荷载长期作用下的变形。另一类与受力无关，如混凝土收缩以及由于温度变化所产生的变形等。
（1）混凝土在短期加荷作用下的变形性能
在实用上，我国《混凝土规范》将混凝土轴心受压的应力-应变曲线加以简化以便应用（见图1-2），其所采用的表达式为：
在上升段，当≤c ε0ε时取为二次抛物线：
])1(1[0
n c c c f εεσ-
-= 水平段 , 当u c εεε≤<0时
c c f =σ 图1-2 规范采用的简化应力-应变曲线
,50,5,12(50)260
0.0020.5(50)100.0020.0033(50)100.0033
cu k cu k u cu k n f f f εε--=-
-≤=+-?≥=--?≤ 式中：c σ－混凝土压应变为c ε时的混凝土压应力；
c f －混凝土轴心抗压强度设计值，按附表1采用；
0ε－混凝土压应力刚达到c c f =σ时的混凝土压应变；
cu ε－正截面的混凝土极限压应变，当处于非均匀受压时，按式（1－8）计算；当处于轴心受压时，取为0ε；
cuk f －混凝土立方体抗压强度标准值；
n －系数。
（2）混凝土在荷载长期作用下的变形性能
在荷载的长期作用下，混凝土的变形随时间而增长的现象称为徐变。
混凝土的徐变，会使钢筋与混凝土间产生应力重分布、挠度增加；对于偏压构件会使附加偏心距加大而导致强度降低；对于预应力构件，会产生预应力损失等不利影响。但徐变也会缓和应力集中现象、降低温度应力、减少支座不均匀沉降引起的结构内力，延续收缩裂缝在受拉构件中的出现，这些又是对结构的有利方面。
影响徐变的因素很多，受力大小，外部环境、内在因素等都有关系。
如：荷载持续作用的时间愈长，徐变也愈大。混凝土龄期愈短，徐变越大。
混凝土的制作、养护都对徐变有影响。养护环境湿度愈大、温度愈高，徐变就愈小，因此加强混凝土的养护是减少徐变的有效措施。
水灰比愈大，徐变愈大；水泥品种不同对徐变也有影响，用普通硅酸盐水泥制成的混凝土，其徐变要较火山灰质水泥或矿碴水泥制成的大；骨料的力学性质也影响徐变变形，骨料愈坚硬、弹性模量愈大，以及骨料所占体积比愈大，徐变就愈小。
7、混凝土的收缩、膨胀和温度变形
混凝土在空气中结硬体积会减小的现象称为收缩。与荷载无关。
当混凝土的收缩受到限制时，将在混凝土中产生拉应力，甚而导致混凝土产生收缩裂缝。还会使预应力混凝土发生预应力损失，以及使一些超静定结构产生不利的影响。
影响因素：环境因素、混凝土的制作方法和组成等。
对于大体积混凝土，表层混凝土的收缩较内部为大，而内部混凝土因水泥水化热蓄积得多，其温度却比表层为高，若内部与外层变形差较大，也会导致表层混凝土开裂。
8、影响粘结强度的因素
(1)混凝土的质量：水泥性能好、骨料强度高、配比得当、振捣密实、养护良好的混凝土对粘结力和锚固非常有利。
(2)钢筋的形式：光圆钢筋的末端则一般需做成弯钩以增加粘结强度，由于使用变形钢筋比使用光圆钢筋对粘结力要有利得多，所以变形钢筋的末端一般无需做成弯钩，。
变形钢筋纹型不同以及直径较大对粘结力的影响钢筋纹型对粘结强度有所影响，月牙纹比螺旋纹钢筋的粘结强度降低约5～15％，所以月牙纹钢筋的锚固长度就略需加长。
另外，变形钢筋的肋高随着钢筋直径d的加大而相对变矮，影响粘结力下降，所以当钢筋直径mm
>后，锚固长度应予修正。
d25
(3)钢筋保护层厚度：试验表明，粘结强度随混凝土保护层增厚而提高，当d
≥后，
c5
锚固长度的取值可以减少。
(4)横向钢筋对粘结力的影响：横向钢筋可以延缓内裂缝和劈裂裂缝的发展，提高粘结强度。设置箍筋可将纵向钢筋的抗滑移能力提高25％，使用焊接骨架或焊接网则提高得更多。所以在直径较大钢筋的锚固区和搭接区，以及一排钢筋根数较多时，都应设置附加钢筋，以加强锚固或防止混凝土保护层劈裂剥落。
(5)钢筋锚固区有横向压力时对粘结力的影响混凝土横向变形受到约束，摩阻力增大，有利于粘结强度，故而在简支梁的支座处，可以相应减少钢筋在支座中的锚固长度。
(6)反复荷载对粘结力的影响结构和构件承受反复荷载对粘结力不利。反复荷载所产生的应力愈大、重复的次数愈多，则粘结力遭受的损害愈严重。
本章小结
1.混凝土结构是由钢筋和混凝上两种材料组成的，因此混凝土结构构件和结构的承载力除了与构造因素外，主要取决于这两种材料的强度，构件和结构的变形也与这两种材料的变形性能有关。
2.我国用于混凝土结构的钢筋主要有：HPB235级、HRB335级、HRB400级和RRB400级热轧钢筋。
3.有明显屈服点的钢筋和无明显屈服点的钢筋的应力—应变曲线不同。屈服强度是有明
显屈服点钢筋强度设计的依据。对于无明显屈服点的钢筋，则取0.85
σ作为强度设计依据。
b
4．混凝土立方体抗压强度标准值
f,作为评定混凝土强度等级的标准，是混凝土结构
k
cu
最基本的强度指标，混凝土的其它强度都与之有关。我国《混凝土规范》采用150mm边长的立方体作为标准试块。
5．混凝土的变形有荷载作用下的变形和非荷载作用下的变形。非荷载作用下的变形主要有混凝土的徐变和收缩，影响徐变和收缩的因素基本相同，但它们有本质的区别。混凝土的徐变会使结构产生应力重分布和使结构的变形增加，混凝土的徐变和收缩都会使预应力结
构产生应力损失，收缩还会使混凝土产生裂缝。另外，混凝土在重复荷载作用下的变形性能与一次短期荷载作用下的变形不同。
8．钢筋和混凝土之间的粘结力是二者共同工作的基础，应当采取必要的措施加以保证。