水工鋼筋混凝土結構第一章鋼筋混凝土結構的材料第一節

鋼筋

一、鋼筋的品種

1、按化學成分分：

2、按生產加工工藝分：

3、按表面特征分：常用鋼筋簡介

二、鋼筋的力學性能

(一)軟鋼的力學性能

(二)硬鋼的力學性能

(三)冷拉鋼筋的力學性能

一、鋼筋的品種1、按化學成分分：碳素鋼：低碳鋼（含碳量低于0.25％）、中碳鋼（含碳量為0.25％～0.6％）、高碳鋼（含碳量為0.6％～1.4％）

普通低合金鋼：煉鋼過程中，在碳素鋼中加入少量硅、錳、釩、鈦等合金元素，就形成普通低合金鋼含碳量增加，能使鋼材強度提高，性質變硬，但塑性和韌性降低，焊接性能也會變差。

普通低合金鋼強度高、塑性好、可焊性好，因而應用較為廣泛。

一、鋼筋的品種2、按生產加工工藝分：(1)熱軋鋼筋:其強度由低到高分為四級：I級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級。

(2)冷拉鋼筋:由熱軋鋼筋在常溫下用機械拉伸而成。(3)冷軋帶肋鋼筋:由熱軋鋼筋圓盤條經多道冷軋和冷拔減小直徑，并在鋼筋表面冷軋成斜肋。

(4)熱處理鋼筋:一、鋼筋的品種3、按表面特征分：(1)

光面鋼筋:(2)

變形鋼筋:分等高肋（過去稱螺紋鋼，有縱肋和橫肋）和月牙肋（無縱肋）。Ⅱ級鋼筋和Ⅲ級鋼筋為月牙肋鋼筋，Ⅳ級鋼筋為等高肋鋼筋。圖1—1鋼筋表面及截面形狀

圖1—2冷軋帶肋鋼筋的表面及截面形狀

二、鋼筋的力學性能

(一)軟鋼的力學性能

I級鋼筋從開始加載到鋼筋被拉斷劃分為四個階段：彈性階段(ob段)、屈服階段(bc段)、強化階段(cd段)、破壞階段(de段)。鋼筋應力有三個特征值：比例極限、屈服極限、極限抗拉強度。屈服極限是軟鋼的主要強度指標。軟鋼以屈服極限作為鋼筋強度限值。e點對應的應變稱伸長率，伸長率大小反映鋼筋的塑性，伸長率越大，鋼筋塑性越好。圖1—3I級鋼筋的應力應變曲線

(一)軟鋼的力學性能不同級別的軟鋼分別做拉伸試驗，其應力應變曲線如圖1—4所示。鋼筋級別越高，屈服極限、抗拉強度越高，伸長率越小，流幅也相應縮短，塑性越差。鋼筋在彈性階段應力與應變的比值，稱為彈性模量，用符號Es表示。鋼筋彈性模量大小根據拉伸試驗測定，同一種鋼筋受壓彈性模量與受拉彈性模量相同。

二、鋼筋的力學性能

圖1—4不同級別鋼筋的應力一應變曲線

(二)硬鋼的力學性能硬鋼強度高，但塑性差，脆性大，沒有屈服階段(流幅)。從加載到突然拉斷,硬鋼在破壞前沒有明顯預兆。應變曲線如圖1—5所示。結構計算以“協定流限”作為強度標準，協定流限指經過加載及卸載后尚存有0.2％永久殘余變形時的應力，用σ0.2表示。由于協定流限不容易測定，一般取極限抗拉強度σb的70%~85%。對硬鋼進行質量檢驗，主要測定極限抗拉強度、伸長率、冷彎性能。

二、鋼筋的力學性能

圖1—5硬鋼的應力—應變曲線

(三)冷拉鋼筋的力學性能

冷拉是將鋼筋拉伸超過它的屈服極限，然后卸掉荷載，經過一段時間后，鋼筋的屈服極限比冷拉前提高19％～34％，如圖1—6所示。鋼筋冷拉后，屈服強度提高了，但流幅縮短了，伸長率也減少了，性質變脆，這對承受沖擊荷載與重復荷載是不利的。鋼筋冷拉后，抗拉強度提高了，抗壓強度并沒有提高。冷拉鋼筋受到高溫時，它的強度會降低。由于在很高的焊接溫度下，鋼筋冷拉強化效應會完全消失，因此，焊接冷拉鋼筋時，應控制加熱時間。

二、鋼筋的力學性能

圖1—6鋼筋冷拉后的應力—應變曲線

第二節、混凝土

一、混凝土的強度

（一）立方體抗壓強度fcu

（二）軸心抗壓強度fc

（三）軸心抗拉強度ft

二、混凝土的變形（一）混凝土在一次短期加載時的應力應變曲線（二）混凝土的彈性模量EC

（三）混凝上在長期荷載作用下的變形（四）混凝上的溫度變形和干縮變形

一、混凝土的強度

（一）立方體抗壓強度fcu

水利水電工程所采用的混凝土強度等級分11級：C10、C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60。其中C表示混凝土，數字10～60表示立方體抗壓強度標準值(N／mm2)。

水工鋼筋混凝土結構中的混凝土強度等級不宜低于C15；當采用Ⅱ級鋼筋、Ⅲ級鋼筋、冷軋帶肋鋼筋時，混凝土強度等級不宜低于C2O；預應力混凝土結構中，混凝土強度不宜低于C30。

一、混凝土的強度（二）軸心抗壓強度fc

實際工程中的混凝土受壓構件并非是立方體而是棱柱體，它們的長度比截面尺寸大得多，從而立方體抗壓強度并不能反映實際構件的強度。試驗表明，用高寬比為3～4的棱柱體測得的抗壓強度與以受壓為主的混凝土構件中混凝土抗壓強度基本一致。用棱柱體試件(150mm×l50mm×300mm)經標準養護后進行抗壓試驗，得到的抗壓強度稱軸心抗壓強度，又稱棱柱體抗壓強度，用fc表示。棱柱體抗壓強度與立方體抗壓強度的對比試驗表明，fc與fcu大致成線性關系：

(1—1)一、混凝土的強度(三)軸心抗拉強度ft

對構件進行抗裂驗算、裂縫寬度驗算需要混凝土軸心抗拉強度值。用棱柱體試件(100mm×100mm×500mm)，兩端正中預埋Ⅱ級鋼筋如圖1—7所示，經標準養護后，用試驗機夾緊鋼筋，使混凝土試件受拉，測得構件破壞時的抗拉強度，稱軸心抗拉強度，用ft表示。混凝土軸心抗拉強度與立方體抗壓強度的關系：

（1—2）

圖1—7混凝土軸心受拉試驗

二、混凝土的變形(一)混凝土在一次短期加載時的應力應變曲線

混凝土在一次短期加載時的應力應變曲線

二、混凝土的變形(二)混凝土的彈性模量EC

混凝土應力應變曲線為一曲線，其彈性模量是一個變量。工程中，采用重復加載卸載，使應力應變曲線漸漸趨穩定并接近直線，該直線的斜率即為混凝土的彈性模量。混凝土彈性模量按下列經驗公式計算：(N/mm2)

二、混凝土的變形(三)混凝土在長期荷載作用下的變形混凝土在長期荷載作用下，應力不變，應變隨時間增長而增長，這種現象稱為混凝土的徐變。

混凝土的徐變與時間的關系

影響徐變的主要因素有：

①內部因素。水泥用量越多，水灰比越大，徐變越大。②環境因素。構件振搗密實，養護時相對濕度越高，徐變越小。③應力條件。構件截面壓應力越大，徐變就越大。④

加荷齡期。在同樣的應力條件下，加荷越早，混凝土強度越低，徐變就越大。徐變對混凝土結構的不利影響：（1）徐變作用會使結構的變形增大。（2）在預應力混凝土結構中，它還會造成較大的預應力損失。（3）徐變還會使構件中混凝土和鋼筋之間發生應力重分布，導致混凝土應力減小，鋼筋應力增大，使得理論計算產生誤差。

二、混凝土的變形(四)混凝上的溫度變形和干縮變形

混凝土在空氣中結硬時，由于溫、濕度及本身化學變化的影響，體積隨時間增長而減小的現象稱為收縮。收縮對混凝土結構的不利影響：（1）收縮受到約束時會使混凝土產生拉應力，甚至使混凝土開裂。（2）混凝土收縮還會使預應力混凝土構件產生預應力損失。混凝土的收縮會帶來危害，而膨脹變形一般是有利的，不予討論。

第三節、鋼筋與混凝土的黏結

一、鋼筋與混凝土的黏結力

二、鋼筋的錨固與接頭

一、鋼筋與混凝土的黏結力(一)黏結力的組成

黏結力主要有三部分組成：一是因為混凝土收縮將鋼筋緊緊握固而產生的摩擦力；二是因為混凝土顆粒與鋼筋表面產生的化學黏合力；三是由于鋼筋表面凹凸不平與混凝土之間產生的機械咬合力。其中機械咬合力作用最大，約占總黏結力的—半以上。

撥出試驗表明：混凝土強度越高，黏結應力也越高；埋人長度越大，需要的拔出力越大，但埋入長度尾部的黏結力很小，甚至為零；鋼筋表面越粗糙，黏結力越大。

一、鋼筋與混凝土的黏結力黏結力通過拔出試驗確定，將鋼筋(直徑為d)一端埋入混凝土中(埋入長度為l)，另一端施加拉力，將鋼筋拔出，如圖1—10所示。平均黏結應力(1—3)式中P——拉力最大值，N；

d——鋼筋直徑，mm；

l——鋼筋埋人長度，mm。圖1—10鋼筋的拔出試驗

二、鋼筋的錨固與綁扎搭接為了保證鋼筋在混凝土中錨固可靠，設計時應使鋼筋在混凝土中有足夠的錨固長度。規范規定了縱向受拉鋼筋最小錨固長度la見下表。對于受壓鋼筋，由于鋼筋受壓產生鼓脹，黏結力增大，受壓鋼筋錨固長度取受拉鋼筋錨固長度la的70％。鋼筋強度越高，直徑越粗，混凝土強度越低，鋼筋錨固長度要求越長。

鋼筋類型混凝土強度等級C15C20C25C30≥C40I級鋼筋40d30d25d20d20d月牙肋Ⅱ級鋼筋50d40d35d30d25dⅢ級鋼筋

45d40d35d30d冷軋帶肋鋼筋

40d35d30d25d二、鋼筋的錨固與綁扎搭接為了保證光面鋼筋錨固可靠，規范規定受力的光面鋼筋兩端必須做成半圓形彎鉤。如圖1—1l所示。Ⅱ級、Ⅲ級鋼筋、冷軋帶肋鋼筋以及焊接骨架中的光面鋼筋可不做端彎鉤。

圖1—11光面鋼筋的彎鉤

(a)機器彎鉤；(b)人工彎鉤

二、鋼筋的錨固與綁扎搭接接長的方法有焊接、綁扎搭接、機械連接

綁扎搭接是通過鋼筋與混凝土之間的黏結力傳遞鋼筋與鋼筋間的內力，要求綁扎接頭必須有足夠的搭接長度如圖1—12所示。規范規定：（1）受拉鋼筋的搭接長度不小于1.2la，且不小于300mm；（2）受壓鋼筋的搭接長度不小于0.85la，且不小于200mm。

圖1—l2鋼筋綁扎搭接接頭

本

章

小

結

1．普通鋼筋混凝土結構中，最常用的鋼筋是I級鋼筋、Ⅱ級鋼筋。l、Ⅱ級鋼筋屬于軟鋼，以鋼筋的屈服極限作為結構計算的強度限值。

2．混凝土立方體抗壓強度是強度代表值；混凝土強度分11個等級，常用等級有C15、C20、C25、C30。混凝土軸心抗壓強度，軸心抗拉強度可以由立方體抗壓強度換算得到。

3．混凝土徐變使結構變形增大，在預應力混凝土結構中，徐變會引起較大的預應力損失。

4．鋼筋錨固長度、綁扎搭接長度是為了保證鋼筋與混凝土之間有足夠的粘接力。

本

章

練習1.

對稱配筋的鋼筋混凝土構件，兩端自由，由于混凝土收縮（未受外荷載），則

。A混凝土產生拉應力，鋼筋無應力B混凝土產生拉應力，鋼筋產生壓應力