建筑结构课件-建筑结构材料
第二篇 建筑结构
第六章 建筑结构材料
第六章 建筑结构材料
6.1 钢 筋
一、钢筋的品种
热轧钢筋、中高强钢丝和钢绞线、热处理钢筋和冷加工钢筋
第六章 建筑结构材料
第六章 建筑结构材料
热轧钢筋
HPB235级、HRB335级、HRB47><0<0级、RRB4<0<0级
HPB
Hot rolled
Plain
Bar
HRB
Hot rolled
Rolled
Bar
RRB
Rolled
Ribbed
Bar
屈服强度 fyk（标准值=钢材废品限值，保证率97.73%）HPB235级： fyk = 235 N/mm2
HRB335级： fyk = 335 N/mm2
HRB4<0<0级、RRB4<0<0级： fyk = 4<0<0 N/mm2
第六章 建筑结构材料
HPB235级(Ⅰ级)钢筋多为光面钢筋，多作为现浇楼板的受力钢筋和箍筋
HRB335级(Ⅱ级)和 HRB4<0<0级(Ⅲ级)钢筋强度较高，多作为钢筋混凝土构件的受力钢筋，尺寸较大的构件，也有用Ⅱ级钢筋作箍筋的为增强与混凝土的粘结，外形制作成月牙肋或等高肋的变形钢筋。
Ⅳ级钢筋强度太高，不适宜作为钢筋混凝土构件中的配筋，一般冷拉后作预应力筋。
延伸率d5=25、16、14、1<0%，直径8~4<0。
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钢丝，中强钢丝的强度为8<0<0~12<0<0MPa，高强钢丝、钢绞线的为 147<0 ~186<0MPa；延伸率d1<0=6%，d1<0<0=3.5~4%；钢丝的直径3~9mm；外形有光面、刻痕和螺旋肋三种，另有二股、三股和七股钢绞线，外接圆直径9.5~15.2 mm。中高强钢丝和钢绞线均用于预应力混凝土结构。
冷加工钢筋是由热轧钢筋和盘条经冷拉、冷拔、冷轧、冷扭加工后而成。冷加工的目的是为了提高钢筋的强度，节约钢材。但经冷加工后，钢筋的延伸率降低。近年来，冷加工钢筋的品种很多，应根据专门规程使用。
热处理钢筋是将Ⅳ级钢筋通过加热、淬火和回火等调质工艺处理，使强度得到较大幅度的提高，而延伸率降低不多。用于预应力混凝土结构。
s
e
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二、钢筋的应力-应变关系
◆ 有明显屈服点的钢筋
a’为比例极限
s =Ese
a’
a为弹性极限
a
de为强化段
b为屈服上限
8><#004699'>c为屈服下限，即屈服强度 fy
<#004699'>c
d
cd为屈服台阶
e
fu
e为极限抗拉强度 fu
fy
f
b
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几个指标：
屈服强度：是钢筋强度的设计依据，因为钢筋屈服后将很大的塑性变形，且卸载时这部分变形不可恢复，这会使钢筋混凝土构件产生很大的变形和不可闭合的裂缝。屈服上限与加载速度有关，不太稳定，一般取屈服下限作为屈服强度。
延 伸 率：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
均匀延伸率dgt对应最大应力时应变，包括了残余应变和弹性应变，反映了钢筋真实的变形能力(≥2.5%)屈 强 比反映钢筋的强度储备，fy/fu=<0.6~<0.7。
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有明显屈服点钢筋的应力-应变关系
一般可采用双线性的理想弹塑性关系
1
Es
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◆无明显屈服点的钢筋
a点：比例极限，约为<0.65fu
a点前：应力-应变关系为线弹性
a点后：应力-应变关系为非线性，有一定塑性变形，且没有明显的屈服点
强度设计指标——条件屈服点
残余应变为<0.2%所对应的应力
《规范》取s<0.2 =<0.85 fu
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三、钢筋的强度标准值
按冶金钢材质量控制标准，钢筋的强度标准值是取其出厂时的废品限值，其数值相当于fy,m-3s，具有97.73%的保证率，满足《建筑结构设计统一标准》材料强度标准值保证率95%的要求。
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6.2 混凝土
一、混凝土的强度
1、混凝土强度等级
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。
混凝土的强度等级是用抗压强度来划分的混凝土强度等级：边长15<0mm立方体标准试件，在标准条件下（2<0±3℃，≥9<0%湿度）养护28天，用标准试验方法（加载速度<0.15~<0.3N/mm2/sec，两端不涂润滑剂）测得的具有95%保证率的立方体抗压强度，用符号<#004699'>C表示，<#004699'>C3<0表示fcu,k=3<0N/mm2
《规范》根据强度范围，从<#004699'>C15~<#004699'>C8<0共划分为14个强度等级，级差为5N/mm2。与原《规范GBJ1<0-89》相比，混凝土强度等级范围由<#004699'>C6<0提高到<#004699'>C8<0，<#004699'>C5<0以上为高强混凝土，有关指标和计算公式在<#004699'>C5<0与原《规范GBJ1<0-89》衔接。
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1<0<0mm立方体强度与标准立方体强度之间的换算关系
小于<#004699'>C5<0的混凝土，修正系数m =<0.95。随混凝土强度的提高，修正系数m 值有所降低。当fcu1<0<0=1<0<0N/mm2时，换算系数m 约为<0.9
美国、日本、加拿大等国家，采用圆柱体（直径15<0mm，高3<0<0 mm）标准试件测定的抗压强度来划分强度等级，符号记为 fc&#<039;。
圆柱体强度与我国标准立方体抗压强度的换算关系为，
立方体和圆柱体抗压试验都不能代表混凝土在实际构件中的受力状态，只是用来在同一标准条件下比较混凝土强度水平和品质的标准（制作、测试方便）。
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2、轴心抗压强度
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=3~4，我国通常取15<0mm×15<0mm×45<0mm的棱柱体试件，也常用1<0<0×1<0<0×3<0<0试件。
对于同一混凝土，棱柱体抗压强度小于立方体抗压强度。棱柱体抗压强度和立方体抗压强度的换算关系为，
《规范》对小于<#004699'>C5<0级的混凝土取k=<0.76，对<#004699'>C8<0取k=<0.82，其间按线性插值
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3、轴心抗拉强度
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。
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劈拉试验
P
a
P
拉
压
压
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
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4、混凝土强度的标准值
《规范》规定材料强度的标准值 fk 应具有不小于95%的保证率
立方体强度标准值即为混凝土强度等级fcu。《规范》在确定混凝土轴心抗压强度和轴心抗拉强度标准值时，假定它们的变异系数与立方体强度的变异系数相同，利用与立方体强度平均值的换算关系，便可按上式计算得到。
同时，《规范》考虑到试件与实际结构的差异以及高强混凝土的脆性特征，对轴心抗压强度和轴心抗拉强度，还采用了以下两个折减系数：⑴结构中混凝土强度与混凝土试件强度的比值，取<0.88；⑵脆性折减系数，对<#004699'>C4<0取1.<0，对<#004699'>C8<0取<0.87，中间按线性规律变化。
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二、混凝土的变形
1、单轴（单调）受压应力-应变关系
混凝土单轴受力时的应力-应变关系反映了混凝土受力全过程的重要力学特征
是分析混凝土构件应力、建立承载力和变形计算理论的必要依据，也是利用计算机进行非线性分析的基础。
混凝土单轴受压应力-应变关系曲线，常采用棱柱体试件来测定。
在普通试验机上采用等应力速度加载，达到轴心抗压强度fc时，试验机中集聚的弹性应变能大于试件所能吸收的应变能，会导致试件产生突然脆性破坏，只能测得应力-应变曲线的上升段。
采用等应变速度加载，或在试件旁附设高弹性元件与试件一同受压，以吸收试验机内集聚的应变能，可以测得应力-应变曲线的下降段。
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强度等级越高，线弹性段越长，峰值应变也有所增大。但高强混凝土中，砂浆与骨料的粘结很强，密实性好，微裂缝很少，最后的破坏往往是骨料破坏，破坏时脆性越显著，下降段越陡。
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◆《规范》应力-应变关系
上升段：
下降段：
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2、混凝土的弹性模量
原点切线模量
割线模量
切线模量
弹性系数n 随应力增大而减小
n =1~<0.5
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3、混凝土受拉应力-应变关系
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三、混凝土的收缩和徐变
1、混凝土的收缩
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。
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。
某些对跨度比较敏感的超静定结构（如拱结构），收缩也会引起不利的内力。
墙板干燥收缩裂缝与边框架的变形
第六章 建筑结构材料
混凝土的收缩是随时间而增长的变形，早期收缩变形发展较快，两周可完成全部收缩的25%，一个月可完成5<0%，以后变形发展逐渐减慢，整个收缩过程可延续两年以上。
一般情况下，最终收缩应变值约为(2~5)×1<0-4
混凝土开裂应变为(<0.5~2.7)×1<0-4
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◆ 影响因素
混凝土的收缩受结构周围的温度、湿度、构件断面形状及尺寸、配合比、骨料性质、水泥性质、混凝土浇筑质量及养护条件等许多因素有关。
水泥用量多、水灰比越大，收缩越大。
骨料弹性模量高、级配好，收缩就小。
干燥失水及高温环境，收缩大。
小尺寸构件收缩大，大尺寸构件收缩小。
高强混凝土收缩大。
影响收缩的因素多且复杂，要精确计算尚有一定的困难。
在实际工程中，要采取一定措施减小收缩应力的不利影响——施工缝。
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2、混凝土的徐变
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。
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。
不过，徐变有利于结构构件产生内（应）力重分布，降低结构的受力（如支座不均匀沉降），减小大体积混凝土内的温度应力，受拉徐变可延缓收缩裂缝的出现。
与混凝土的收缩一样，徐变也与时间有关。因此，在测定混凝土的徐变时，应同批浇筑同样尺寸不受荷的试件，在同样环境下同时量测混凝土的收缩变形，从徐变试件的变形中扣除对比的收缩试件的变形，才可得到徐变变形。