钢筋混凝土结构特点和材料的力学性能

　　一、钢筋混凝土结构特点

　　钢筋混凝土结构是由钢筋和混凝土两种性能不相同的材料组成的。混凝土具有较高的抗压强度，但抗拉强度却很低(仅为其抗压强度的1/8～1/16);而钢筋则具有较高的抗拉强度和抗压强度，我们把这两种材料组合在一起，将钢筋主要用于受拉，而混凝土主要用于受压，发挥材料各自的特长，成为目前应用最为广泛的钢筋混凝土结构。

　　1.钢筋与混凝土能很好地结合在一起共同工作的主要原因是：

　　(1)钢筋与混凝土之间存在着良好的粘结。

　　(2)钢筋与混凝土两者的温度线膨胀系数很接近。(钢筋约为1.2×10-5，混凝土约在1.0×10-5～1.5×10-5之间)

　　(3)钢筋受到混凝土的保护而不易生锈，具有很好的耐久性。

　　2.钢筋混凝土结构的主要优点是：

　　(l)合理发挥了钢筋和混凝土两种材料的力学特性，成为承载能力较高的结构。

　　(2)钢筋混凝土结构具有很好的耐火性、整体性、可模性。

　　(3)钢筋混凝土结构中，混凝土对钢筋有很好的防护性，与钢结构相比可省去很大的经常性维修费用。

　　(4)便于就地取材，造价降低。

　　3.钢筋混凝土的主要缺点为：

　　(1)自重较大;

　　(2)抗裂性能较差;

　　(3)隔热和隔声的性能不够理想。

　　上述主要缺点，正随着材料和结构的不断发展，在不断地得到改进(如轻骨料混凝土，高强混凝土和预应力混凝土的发展)。

　　二、混凝土强度

　　强度分为标准值和设计值。将强度标准值除以材料分项系数即为强度的设计值。

　　1.立方体抗压强度标准值(记为fcu,k)

　　按标准方法制作养护的边长为150mm的立方体试件，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。

　　混凝土强度等级按其fcu,k值确定，即fcu,k为××N/mm2的混凝土记为C××。

　　素混凝土结构的混凝土强度等级不应低于C15;钢筋混凝土强度等级不应低于C20;当采用强度等级400MPa及以上钢筋时，混凝土强度等级不宜低于C25;承受重复荷载的钢筋混凝土构件，混凝土强度等级不应低于C20。

　　预应力混凝土结构的混凝土强度等级不应低于C30，不宜低于C40。

　　2.轴心抗压强度标准值(记为fcx)

　　按标准方法制作养护的截面为150mm×150mm，高度为h(h一般为150 mm的3～4倍)的棱柱体，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。其设计值记为fc。

　　3.轴心抗拉强度标准值(记为ftk)

　　它是采用棱柱体试件直接轴向拉伸试验或立方体试件的劈裂试验来测定的。

　　混凝土的抗拉强度很低，远小于其抗压强度(一般只有其抗压强度的1/8～1/1 6)。其设计值记为ft。

　　三、混凝土变形

　　混凝土变形有两类，一类是受力变形;另一类为体积变形，它与受力无关，如混凝土在结硬过程中的收缩(或膨胀)等。

　　(一)混凝土的应力应变关系

　　混凝土在一次短期单轴加压时的应力应变关系如图4一1所示。是一曲线。所以其应力应变的比值(即σ/ε)是一个变量而不是常数，因此称E=σ/ε混凝土的变形模量。在计算设计时常用三种方式表示，即弹性模量Ec，变形模量和切线模量。

　　(二)混凝土的徐变

　　(1)定义：混凝土在恒定荷载的长期作用下，变形随时间而增长的现象称为徐变。

　　(2)影响徐变应变量(简称徐变)的因素有以下几方面：

　　1)水灰比大，水泥用量多，徐变量就大;

　　2)养护条件好，徐变量就小;

　　3)骨料质量及级配好，徐变量小;

　　4)构件体表比越大，徐变量越小;

　　5)构件的应力与其受荷时强度的比值(即σ/fc)越大，则徐变量越大。

　　(3)徐变对结构受力的影响：

　　1)徐变使结构的变形(包括挠度和裂缝)增大;

　　2)徐变使结构内部应力重分布;

　　3)徐变将引起预应力混凝土结构中的预应力损失;

　　4)受拉徐变，会延缓混凝土收缩裂缝的出现，及将减少由于支座不均匀沉降产生的应力等。

　　(三)混凝土的收缩(或膨胀)

　　(1)定义：混凝土在空气中结硬时体积缩小称为收缩，在水中结硬时体积膨胀称为膨胀;但收缩值要比膨胀值大得多。

　　(2)影响收缩值的因素有以下几方面：

　　1)水灰比大，水泥用量多，收缩值就大;

　　2)养护条件好，使用环境的湿度较高，收缩值小;

　　3)骨料质量及级配好，收缩值就小;

　　4)构件体表比越大，收缩值越小;

　　5)混凝土振捣密实，收缩值就小。

　　(3)收缩对结构受力的影响：

　　1)会在钢筋混凝土结构中，使混凝土产生拉应力，加速裂缝的出现和发展，甚至在未受荷前，即出现初始的收缩裂缝;

　　2)收缩将引起预应力混凝土结构中的预应力损失;

　　3)对跨度变化比较敏感的静定结构(如拱结构等)将产生不利的内力。

　　四、钢筋

　　1.混凝土结构中所用的钢筋主要可分为具有明显屈服点及屈服台阶的钢筋(或称软钢)和无明显屈服点及屈服台阶的钢筋(或称硬钢)两类。

　　2.现行的《混凝土结构设计规范》(GB 50010一2010)建议，纵向受力普通钢筋宜采用HRB400级、HRB500、HRBF400、HRBF500级钢筋，也可采用HPB300、HRB335、HRBF335、RRB400钢筋;梁、柱纵向受力钢筋应采用HRB400、HRB500、HRBF500钢筋，也可采用HRB335，HRBF335钢筋;预应力筋宜采用预应力钢丝、钢绞线和预应力螺纹钢筋。规范中对除HRB500，HRBF500级钢筋外的普通钢筋的受拉与受压强度设计值取相同。对预应力钢筋其受拉强度设计值远大于其受压强度设计值。

　　3.有时对软钢进行冷加工，提高钢筋的强度，以节约用钢。钢筋的冷加工有两种方式：即冷拉和冷拔。

　　冷拉后钢筋的抗拉强度提高，但其抗压强度未变(故其不宜用作受压钢筋)，同时其屈服台阶缩短，伸长率减少，塑性降低，仍属软钢。

　　冷拔后钢筋的抗拉和抗压强度同时提高，但其已变为硬钢。

　　4.钢筋混凝土结构对钢筋性能的要求：

　　(1)钢筋应有较高的强度。对钢筋强度的要求主要有两个指标，即屈服强度和极限强度。屈服强度是设计计算时的主要依据。极限强度与屈服强度之比称为强屈比，强屈比越大，结构的可靠性越大。

　　(2)钢筋应有较好的塑性(或称延性)性能。它主要是用钢筋的伸长率和其冷弯性能来反映的。

　　(3)钢筋应与混凝土具有良好的粘结。

　　(4)钢筋还应具有可焊性。

　　五、钢筋与混凝土的粘结

　　1.钢筋与混凝土之间的粘结力主要是由三部分组成：

　　(1)化学胶着力;

　　(2)摩擦力;

　　(3)机械咬合力。

　　光面钢筋与混凝土之间的粘结力主要来自摩擦力，变形钢筋与混凝土之间的粘结力则主要来自机械咬合力，规范规定：对光面钢筋，其作受拉筋时，末端应做180°弯钩，弯后平直段不应小于3d;但其作受压时可不做弯钩。

　　2.影响粘结力大小的因素有以下几方面：

　　(1)钢筋的表面形状;

　　(2)混凝土强度等级;

　　(3)浇筑混凝土时钢筋所处的位置;

　　(4)保护层厚度和钢筋间的净距;

　　(5)横向钢筋(即箍筋)情况;

　　(6)侧向压力的作用。