钢筋混凝土材料的力学性能.doc

1、4 建筑结构材料内容概述：本章主要讲解混凝土结构材料、砌体结构材料及钢结构材料的力学性能及其各自材料之间的相互作用。学习目标，了解钢筋和混凝土材料各自的力学性能及其共同工作的原理，掌握钢筋混凝土构件的受力性能，；掌握砌体结构中砌体材料的特性；掌握钢结构中钢材的性能。一、基础知识4.1钢筋混凝土结构材料钢筋混凝土结构是由钢筋和混凝土这两种性质不相同的材料组成的，了解钢筋和混凝土材料各自的力学性能及其共同工作的原理，是掌握钢筋混凝土构件的受力性能，正确地进行钢筋混凝土结构的设计的基础。4.1.1混凝土一、 混凝土的强度普通混凝土是由水泥、砂、石和水按一定配合比拌合，经凝固硬化后作成的人工石材。混凝

2、土强度的大小不仅与组成材料的质量和配合比有关，而且与混凝土的养护条件、龄期、受力情况以及测定其强度时所采用的试件形状、尺寸和试验方法也有密切关系。因此，研究各种单向受力状态下的混凝土强度指标时必须以统一规定的标准试验方法为依据。1 立方体抗压强度我国以立方体抗压强度值作为混凝土最基本的强度指标以及评价混凝土强度等级的标准，因为这种试件的强度比较稳定。规范规定，用边长为150mm的标准立方体试件，在标准养护条件（温度在203，相对湿度不小于90）下养护28天后在试验机上试压。试验时，试块表面不涂润滑剂，全截面受力、加荷速度每秒钟约为（0.30.8）N/mm2。试块加压至破坏时，所测得的极限平均压

3、应力作为混凝土的立方体抗压强度，用符号表示，单位为N/mm2。规范规定的混凝土强度等级，是按立方体抗压强度标准值（即具有不小于95保证率）确定的，用符号C表示，共有14个等级，即C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75、C80。字母C后面的数字表示以N/mm2为单位的立方体抗压强度标准值。在试验过程中可以看到，当试件的压力达到极限值时，在竖向压力和水平摩擦力的共同作用下，首先是试块中部外围混凝土发生剥落，形成两个对顶的角锥形破坏面（如图41）。这也说明试块和试验机垫板之间的摩擦对试块有“套箍”的作用，而且这种“套箍”作用，越靠近试块

4、中部作用越弱。试验还表明，混凝土的立方体抗压强度还与试块的尺寸有关，立方体尺寸越小，测得混凝土抗压强度越高。当采用边长为200mm或100mm立方体试件时，须将其抗压强度实测值乘以1.05或0.95转换成标准试件的立方体抗压强度值。图41 混凝土立方体试件的破坏情况2轴心抗压强度在实际工程中，受压构件往往不是立方体，而是棱柱体。因此采用棱柱体试件比立方体试件能更好的放映混凝土的实际抗压能力。用标准棱柱体试件测定的混凝土抗压强度，称为混凝土的轴心抗压强度或棱柱体强度，用符号表示。试验表明，当棱柱体试件的高度h与截面边长b的比值在24之间时，混凝土的抗压强度比较稳定。这是因为在此范围内既可消除垫板

5、与试件之间摩擦力对抗压强度的影响，又可消除可能的附加偏心距对试件抗压强度的影响。因此，我国混凝土材料试验中规定以150mm150mm300mm的试件作为试验混凝土轴心抗压强度的标准试件。混凝土的轴心抗压强度与立方体抗压强度之间关系很复杂，与很多因素有关。根据试验分析，混凝土轴心抗压强度平均值与边长为150mm立方体抗压强度平均值的经验关系是： （41）式中： 轴心抗压强度平均值与立方体抗压强度平均值的比值，对C50及以下混凝土取0.76，对C80混凝土0.82，中间按线性规律变化； 高强度混凝土脆性折减系数，对C40及以下混凝土取1.0，对C80混凝土取0.87，中间按线性规律变化； 0.88

6、考虑到结构中混凝土强度与试件混凝土强度之间的差异修正系数。在钢筋混凝土结构中，计算受弯构件正截面承载力、偏心受拉和受压构件时，采用混凝土的轴心抗压强度作为计算指标。3轴心抗拉强度混凝土的抗拉强度远小于其抗压强度，一般只有抗压强度的。因此，在钢筋混凝土结构中，一般不采用混凝土承受拉力。混凝土的轴心抗拉强度用符号表示。规范采用直接测试法来测定混凝土的抗拉强度，即对棱柱体试件（100mm100mm500mm）两端预埋钢筋（每端长度为150mm，直径为16mm的变形钢筋），且使钢筋位于试件的轴线上，然后施加拉力（如图42），试件破坏时截面的平均拉应力极为混凝土的轴心抗拉强度。图42 用直接测试法测试混

7、凝土抗拉强度根据试验分析，并考虑到构件与试件的差别、尺寸效应及加荷速度等因素的影响，混凝土轴心抗拉强度平均值与立方抗拉强度平均值经验关系为： （42）在钢筋混凝土结构中，当计算受弯构件斜截面受剪、受扭构件及对某些构件进行开裂验算时，会用到混凝土的轴心抗拉强度。二、 混凝土的变形混凝土的变形分为两类，一类为混凝土的受力变形，包括一次短期加荷的变形，荷载长期作用下的变形等。另一类称为混凝土的体积变形，包括混凝土由于收缩和温度变化产生的变形等。1 混凝土在一次短期加荷时的变形性能（1）混凝土的应力应变曲线混凝土在一次单调加载（荷载从零开始单调增加至试件破坏）下的受压应力应变关系是混凝土最基本的力学性

8、能之一，它可以比较全面的放映混凝土的强度和变形特点，也是确定构件截面上混凝土受压区应力分布图形的主要依据。测定混凝土受压的应力应变曲线，通常采用标准棱柱体试件。由试验测得的典型受压应力应变曲线如图43所示。图上以A、B、C三点讲全曲线划分为四个部分：OA段：约在（0.30.4）。混凝土基本处于弹性工作阶段，应力应变呈线性关系。其变形主要是骨料和水泥结晶体的弹性变形，水泥胶凝体的粘结流动以及初始微裂缝的变化的影响很小。AB段：裂缝稳定发展阶段。混凝土表现出塑性性质，应变的增加开始大于应力的增加，应力应变关系开始偏离直线，直线逐渐弯曲。这时由于水泥胶凝体的粘结流动混凝土中微裂缝的发展，新裂缝不断产

9、生的结果。图43混凝土受压的应力应变曲线BC段：裂缝随荷载的增加迅速发展，塑性变形显著增大。C点的应力达峰值应力，即，相应于峰值应力的应变为，其值在0.00150.0025之间波动，平均值为。C点以后：试件承载能力下降，应变继续增大，最终还会留下残余应力。OC段为曲线的上升段，C点以后为下降段。试验结果表明，随着混凝土强度的提高，上升段的形状和峰值应变的变化不很显著，而下降段的形状有显著差异。混凝土的强度越高，下降段的坡度越陡，即应力下降相同幅度时变形越小，延性越差，如图44。混凝土受拉时的应力应变曲线与受压时相似，但其峰值时的应力、应变都较受压时的小的多，对应于时的很小，计算时可取0.000

10、15。（2）混凝土的弹性模量、变形模量弹性模量Ec通过应力应变曲线上原点O引切线，该切线的斜率（如图45）为混凝土的原点切线模量，也即混凝土的弹性模量。 （43）式中 Ec弹性模量 混凝土应力应变曲线在原点处的切线与横坐标轴的夹角。图44 不同强度混凝土的应 图45 混凝土的弹性模量和 力应变曲线 变形模量表示方法要在混凝土一次短期加荷时的应力应变曲线上作原点的切线，以求得的准确值，是很不容易的。我国规范中规定，混凝土弹性模量采用棱柱体试件反复加荷的方法确定，即取加载卸载510次。由于混凝土不是弹性材料，每次卸荷至零时，变形不能完全恢复，即产生了残余变形。随着加荷卸荷次数的增加，每次卸荷的残余

11、变形越来越小，应力应变曲线渐趋稳定并基本上接近于直线，该直线的斜率即为混凝土的弹性模量。大量试验结果表明，混凝土的弹性模量和混凝土立方体抗压强度标准值有关。通过对各种强度等级混凝土弹性模量试验值的统计分析，我国规范给出的混凝土弹性模量Ec（单位为N/mm2）的经验公式为： （44）变形模量由图211可见，随着压应力的增大，混凝土的塑性应变发展，初始弹性模量已不能反映这时的应力应变性质。因此，我们给出变形模量的概念。连接O点至曲线任一点应力为处割线的斜率称为称为该点的割线模量或变形模量。 或式中 混凝土应力为时的总应变，即； 混凝土的弹性应变； 混凝土的塑性应变。混凝土的变形模量与弹性模量的关系

12、如下： （45）式中 混凝土受压时的弹性系数，等于混凝土弹性应变与总应变之比。在应力较小时，处于弹性阶段，可认为；应力增大，处于弹塑性阶段，； 当应力接近时，。混凝土受拉时的弹性模量与受压时基本一致，因此可取相同值。受拉变形模量为0.5Ec。另外，混凝土的剪变模量可按混凝土弹性模量的0.4倍采用。不同强度等级混凝土的弹性模量，使用时可以查附表。2 混凝土在长期荷载作用下的变形性能混凝土在长期不变荷载作用下，其应变随时间增长的现象称为混凝土徐变。徐变将有利于结构的内力重分布，减少应力集中现象及减少温度应力等。但混凝土的徐变会使构件变形增大；在预应力混凝土构件中，徐变会导致预应力损失；对于长细比较

13、大的偏心受压构件，徐变会使偏心距增大，降低构件承载力产生十分不利的影响。混凝土徐变产生的原因目前有着各种不同的解释，通常认为，混凝土产生徐变，原因之一是混凝土中一部分尚未转化为结晶体的水泥凝胶体，在荷载的长期作用下产生的塑性变形；另一原因是混凝土内部微裂缝在荷载的长期作用下不断发展和增加，从而导致应变的增加。当应力不大时，以前者为主；当应力较大时，以后者为主。图46为混凝土棱柱体试件加荷至后使荷载保持不变，测得的变形随时间增加的关系曲线。从图中可以看出，混凝土的徐变有以下规律和特点：图46 混凝土的徐变时间曲线（1） 徐变前期增长较快，以后逐渐变慢，6个月后可达总徐变的7080，1年后趋于稳定

14、，3年后基本终止；（2） 徐变应变值约为加荷瞬间产生的瞬时应变的14倍；（3） 当长期荷载完全卸除后，混凝土的徐变会经历一个恢复的过程。其中卸载后试件瞬时要恢复的一部分应变称为瞬时恢复应变，其值比加荷时的瞬时变形略小；再经过一段时间（约20天）后，徐变逐渐恢复的那部分应变称为弹性后效，其绝对值约为徐变变形的1/2；最后剩下的不可恢复的应变称为残余应变。影响混凝土徐变的因素：（1） 加荷时混凝土的龄期愈早，则徐变愈大。因此，加强养护促使混凝土尽早结硬，对减小徐变是较有效的。蒸汽养护可使徐变减少2035；（2） 持续作用的应力越大，徐变也越大；（3） 水灰比大，水泥用量多，徐变大；（4） 使用高质

15、量水泥以及强度和弹性模量高、级配好的骨料。徐变小；（5） 混凝土工作环境的相对湿度低则徐变大，高温干燥环境下徐变将显著增大。3 混凝土的收缩混凝土在空气中结硬时体积减小的现象称为收缩。混凝土收缩的主要原因是由于混凝土硬化过程中化学反应产生的凝缩和混凝土内的自由水蒸发产生的干缩。混凝土的收缩对钢筋混凝土构件是不利的。例如混凝土构件受到约束时，混凝土的收缩将使混凝土中产生拉应力。在使用前就可能因混凝土收缩应力过大而产生裂缝；在预应力混凝土结构中，混凝土的收缩会引起预应力损失。试验表明，混凝土的收缩随时间而增长，一般在半年内可完成收缩量的8090，两年后趋于稳定，最终收缩应变约为210-4510-4

16、。试验还表明，水泥用量愈多、水灰比愈大，则混凝土收缩愈大；集料的弹性模量大、级配好，混凝土浇捣愈密实则收缩愈小。同时，使用环境湿度越大，收缩越小。因此，加强混凝土的早期养护、减小水灰比、减少水泥用量，加强振捣是减小混凝土收缩的有效措施。三、 混凝土的选用在实际工程中，混凝土的选用要做到技术先进、经济合理、安全适用，确保质量。规范规定：钢筋混凝土结构的混凝土强度等级不宜低于C15；当采用HRB335级钢筋时，混凝土等级不宜低于C20；当采用HRB400级钢筋以及对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宜低于C30，当采用预应力钢绞线、钢丝、热处理钢筋

17、作预应力钢筋时，混凝土强度等级不宜低于C40。4.1.2 钢筋一、 钢筋的种类钢筋混凝土结构中使用的钢材按化学成分的不同，可分为碳素结构钢和普通低合金钢两大类。碳素结构钢的化学成分主要是铁元素，还含有少量的碳、硅、锰、硫、磷等元素。根据含碳量的多少，碳素结构钢又可分为低碳钢（含碳量0.25%），中碳钢（含碳量0.25%0.6%）和高碳钢（含碳量0.6%1.4%）。随着含碳量的增加，钢材的强度提高，但塑形、韧性和可焊性将降低。硅、锰元素可以提高钢材的强度并使钢材保持一定的塑形；硫、磷是钢材中的有害元素使钢材变硬变脆，易于折断。普通低合金钢除了含碳素钢各种元素外，还加入少量硅、锰、钛、钒、铬等少量

18、合金元素，使钢筋强度得到显著提高，塑形、韧性和可焊性也有明显改善。目前我国普通低合金钢按加入元素种类可分为一下几种体系：锰系（20MnSi、25MnSi）、硅钒系（40Si2MnV、45SiMnVi）、硅钛系（45Si2MnTi）、硅锰系（40Si2Mn、48Si2Mn）、硅铬系（45Si2Cr）。钢筋按生产加工工艺的不同，可分为热扎钢筋、热处理钢筋和钢丝三种。热扎钢筋是由低碳钢、普通低合金钢在冶金厂直接在高温状态下扎制而成的。它是一种软钢，其应变曲线有明显的屈服点和流幅，断裂时有颈缩现象，伸长率比较大。热扎钢筋根据力学指标的高低，可分为HPB235级（热轧光面钢筋）、HRB335级（热扎变形

19、钢筋）、HRB400级（热扎变形钢筋）、RRB400级（余热处理钢筋）四个种类。热处理钢筋是将特定强度的热轧钢筋再经过加热、淬火和回火处理后制成，热处理后钢筋强度得到了大幅度的提高，而塑性降低不多。热处理钢筋是一种硬钢，其应力应变曲线没有明显的屈服点，伸长率小，质地硬脆。热处理钢筋有40Si2Mn、48Si2Mn和45Si2Cr三种。钢丝包括光面钢丝、消除应力钢丝、螺旋肋钢丝、刻痕钢丝和钢绞线等。钢筋按其外形的不同，可分为光面钢筋和变形钢筋，变形钢筋有螺纹、人字纹和月牙纹，目前常用的有月牙纹，它避免了螺纹钢筋纵横肋相交处的应力集中现象，使钢筋的疲劳强度和冷弯性能得到一定的改善，而且还具有在扎制

20、过程中不易卡辊的优点。通常变形钢筋的直径不小于10毫米，光面钢筋的直径不小于6毫米，钢筋的外形见图 47。 图47 钢筋的形式二、钢筋的强度和变形1 钢筋的应力应变曲线钢筋混凝土及预应力钢筋混凝土结构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（习惯上分别称为软钢和硬钢）。图48 钢筋的应力应变曲线 有明显屈服点钢筋的典型拉伸应力应变曲线如图48所示。在a点以前，应力与应变按比例增长其关系符合虎克定律，a点对应的应力称为比例极限；过a点后，应变较应力增长快；到达b点后，应变急剧增长，而应力基本不变，应力应变曲线呈现水平段cd，钢筋产生相当大的塑性变形，此阶段称为屈服阶段。对于

21、一般有明显屈服点的钢筋，b 、c两点称为屈服上限和屈服下限。屈服上限为开始进入屈服阶段时的应力，呈不稳定状态；到达屈服点下限时，应变增长，应力基本不变，比较稳定。相应于屈服下限c点的应力称为“屈服强度”。当钢筋屈服发生塑性流动到一定程度，即到达图中d点后，应力又开始增加，应力应变曲线又呈上升趋势，其最高点为e，de段称为钢筋的“强化阶段”，相应于e点的应力称为钢筋的极限抗拉强度。过e后，钢筋的薄弱断面显著缩小，产生“颈缩”现象，如图49，变形迅速增加，应力随之下降，到达f 点时被拉断。 图 49 钢筋受拉时的颈缩现象 无明显屈服点钢筋的典型拉伸应力应变曲线如图410所示。这类钢筋的极限强度一般

22、很高，但变形很小，也没有明显的屈服点，通常取相应于残余应变0.2时的应力作为名义屈服点，称为条件屈服强度。图410 无明显屈服点钢筋的应力应变曲线钢筋应力达到屈服强度后，它将在荷载基本不增加的情况下产生持续的塑性变形，构件可能在钢筋尚未进入强化阶段之前就已破坏或产生过大的变形和裂缝。因此，钢筋的屈服强度是钢筋的关键性的强度指标。此外，钢 筋的屈强比（屈服强度和抗拉强度的比值）表示结构可靠性的潜力。在抗震设计中，考虑受拉钢筋可能进入强化阶段，对于抗震等级较高的结构构件，要求钢筋屈强比不大于某一数值，因而钢筋的极限强度是检验钢筋质量的另一强度指标。对于无明显屈服点的钢筋，由于其条件屈服点不容易测定

23、，因此这类钢筋的检验以极限抗拉强度作为主要强度指标。规范规定取条件屈服强度为极限抗拉强度的0.85倍，即 （46）反应钢筋变形性能的基本指标是“伸长率”和“冷弯性能”。伸长率是钢筋试件拉断后的伸长值与原长的比率： （47）式中：伸长率（）； 试件受力前的标距长度（一般取10d或5d，d为试件直径）； 试件拉断后的标距长度。上述方法反映颈缩区域的残留变形大小。还可以用颈缩区以外钢筋拉断前的均匀伸长率来作为钢筋的塑性指标。伸长率大的钢筋塑性性能好，拉断前有明显的预兆；伸长率小的钢筋塑性性能差，其破坏突然发生，呈脆性特征。具有明显屈服点的钢筋有较大的伸长率，而无明显屈服点的钢筋伸长率很小。钢筋还应满

24、足冷弯性能要求。冷弯是将钢筋绕某一规定直径的辊轴在常温下进行弯 曲（见图411）。冷弯的两个参数是弯心直径D和冷弯角度。在达到规定的冷弯角度 图411 钢筋冷弯 钢筋应不发生裂纹或断裂。冷弯性能可以间地反映钢筋的塑性性能和内在质量。几种常用钢筋的伸长率及冷弯试验要求见表11。屈服强度、极限强度、伸长率和冷弯性能是对有明显屈服点钢筋进行质量检验的四项主要指标。对无明显屈服点的钢筋则只测定后三种指标。三、钢筋的弹性模量钢筋在屈服前（严格地讲是在比例极限之前），应力应变为直线关系，其比例即为弹性模量。钢筋的伸长率及冷弯试验要求 表11钢筋种类HPB235级HRB335级HRB400级伸长率（）252

25、11614冷弯要求aD180o1d180o3d90o3d注：的测量标距为5d，的测量标距为10d。 （48）式中 屈服前的钢筋应力（N/mm2）； 相应的钢筋应变。各种钢筋的弹性模量根据受拉试验测定，同一种钢筋的受拉和受压弹性模量相同。四、钢筋的冷加工为了节约钢材，常用冷拉或冷拔等方法来提高热轧钢筋的强度。冷拉是将钢筋拉伸至超过其屈服强度的某一应力，然后卸荷至零以提高钢筋强度的方法。如图412所示，曲线OAd为钢筋冷拉前的应力应变曲线，A点为钢筋屈服点；当钢筋拉伸至点a后卸荷，其卸荷曲线为(平行于弹性阶段的应力应变曲线OA)，卸荷后的残余变形为；此时如立即重新加荷，新的应力应变曲线将是，屈服点

26、提高至a，这种现象称为“冷拉强化”；若钢筋经冷拉后卸荷并停留一段时间后再进行加荷，则应力应变曲线将是，屈服点进一步提高至，的变化反映一种时间效应，这一现象称为“时效硬化”或“冷拉时效”。钢筋经冷拉和时效硬化后，屈服强度 图412 钢筋冷拉原理 有所提高，但塑性（伸长率）相应降低。合理地选择控制点a可使钢筋保持一定的塑性而又能提高强度。这时a点的应力称为冷拉控制应力，对应的应变称为冷拉控制应变或冷拉率。冷拔是将钢筋用强力拔过比其直径小的硬质合金拔丝膜。这时钢筋受到纵向拉力和横向压力的作用，内部结构发生变化，截面变小而长度拔长。经过几次冷拔，钢筋强度比原有的有很大提高，但塑性则显著降低，且没有明显

27、的屈服点。冷拔可以同时提高钢筋的抗拉强度和抗压强度。此外，还有一种冷轧带肋钢筋。它是以低碳钢筋或低合金钢筋为原料，在常温下进行扎制而成的表面带有纵肋和月牙横肋的钢筋。它的极限强度和冷拔低碳钢丝相近，但伸长率比冷拔低碳钢丝有明显提高。用这种钢筋逐步取代普通低碳钢筋和冷拔低碳钢丝，可以改善构件在正常使用阶段的受力性能和节省钢丝，是中小型预应力构件中较好的预应力钢筋。4.1.3钢筋与混凝土之间的粘结作用一、 粘结作用的组成在钢筋混凝土结构中，钢筋和混凝土能共同工作的主要原因是两者在接触面上具有良好的粘结作用，该作用可承受粘结表面上的剪应力，抵抗钢筋与混凝土之间的相对滑动。根据粘结作用的产生原因可知，

28、粘结作用由胶合作用、摩擦作用和咬合作用三部分组成。其中，胶合作用较小；在后两种作用中，光面钢筋以摩擦为主，带肋钢筋（又称变形钢筋）以咬合作用为主。二、 粘结强度及其影响因素钢筋与混凝土的粘结面上所能承受的平均剪应力的最大值称为粘结强度。粘结强度通常可用拔出试验确定，如图413所示，将钢筋的一端埋入混凝土，在另一端施加拉力，将其拔出。试验表明粘结应力沿钢筋长度的分布是非均匀的，故拔出图413 钢筋的试验试验测定的粘结强度是指钢筋拉拔力到达极限时钢筋与混凝土剪切面上的平均剪应力，可按下式计算： （49）式中 T拉拔力的极限值； d钢筋的直径； l钢筋的埋入长度。影响钢筋和混凝土粘结强度的主要因素有

29、：（1）钢筋表面形状带肋钢筋的粘结强度比光面钢筋大得多，试验资料表明前者为2.56.0 N/mm2，后者为1.53.5 N/mm2。在带肋钢筋中，月牙纹钢筋的粘结强度比人字纹和螺旋纹钢筋约低1015。（2）混凝土的强度混凝土的强度越高，它与钢筋间的粘结强度也越高。（3）侧向压应力当钢筋受到侧向压应力时（如梁支承处的下部钢筋），粘结强度将增大，且带肋钢筋由于该原因增大的粘结强度明显高于光面钢筋。（4）混凝土保护层厚度和钢筋净距对于带肋钢筋，由于钢筋的肋纹与混凝土咬合在一起，在拉拔钢筋时，钢筋斜肋对混凝土的斜向挤压力在径向的分力将使周围混凝土环向受压，如图414所示。如果钢筋外围的混凝土保护层厚度

30、太薄，会产生与钢筋平行的劈裂裂缝，如图415（a）所示；如果钢筋间的净距太小，会产生水平劈裂而使整个保护层崩落，如图415（b）所示。图414 带肋钢筋横肋处的挤压力（5）横向钢筋的设置横向钢筋（如梁内箍筋）的设置可限制上述劈裂裂缝的开展，增加钢筋与混凝土间的粘结强度。（6）钢筋在混凝土中的位置浇捣水平构件时，当钢筋下面的混凝土深度较大时，由于混凝土的泌水下沉和水分气泡的逸出，会在钢筋底面形成一层带有空隙的强度较低的混凝土层，因而使钢筋和混凝土之间的粘结强度降低。 图415 与钢筋平行的劈裂裂缝 因此，对高度较大的梁应分层浇注， （a）劈裂； （b）水平劈裂并宜采用二次振捣方法，以保证梁顶面钢

31、筋周围混凝土的密实。由于影响钢筋与混凝土之间粘结强度的因素较多，故粘结强度变化较大，难以用计算方法来保证，我国设计规范采取有关构造措施（比如钢筋的保护层厚度、净距、锚固长度、搭接长度等）来保证钢筋与混凝土的粘结强度，结构设计时必须遵守这些规定。4.2 砌体结构材料及其力学性能砌体是由块材和砂浆粘结而成的复合体，组成砌体的砌块和砂浆的种类不同，砌体的受力性能也不尽相同。了解砌体材料及其力学性能是掌握砌体结构设计和计算的基础。4.2.1砌体的块材块材是砌体的主要部分，目前我国常用的块材可以分为砖、砌块和石材三大类。1、砖砖的种类包括烧结普通砖、烧结多孔砖、蒸压灰砂砖和蒸压粉煤灰砖。我国标准砖的尺寸

32、为240mm115mm53mm。块体的强度等级符号以“MU”表示，单位为MPa（N/mm2）.砌体规范将砖的强度等级分成五级：MU30，MU25，MU20，MU15，MU10.划分砖的强度等级，一般根据标准实验方法所测得的抗压强度确定，对于某些砖，还应考虑奇抗折强度的要求。砖的质量除按强度等级区分外，还应满足抗冻性、吸水率和外观质量等要求。2、砌块常用的混凝土小型空心砌块包括单排孔混凝土和轻骨料混凝土，其强度等级分为MU20，MU15，MU10，MU7.5，MU5.砌块的强度等级更具单个砌体的抗压破坏荷载，按毛截面计算的抗压强度确定的。3、石材天然石材一般多采用花岗岩、砂岩和石灰岩等几种。表观

33、密度大于18 KN/mm3者以用于基础砌体为宜，而表观密度小于18 KN/mm3者则用于墙体更为适宜。石材强度等级为七级：MU100，MU80，MU60，MU50，MU40，MU30，MU20。 石材的强度等级是根据边长为70mm立方体试块测得的抗压强度确定的。如采用其他尺寸立方体作为试块，则应乘以规定的换算系数。 4.2.2砌体的砂浆 砂浆是由无机胶结材料、细骨料和水组成的，胶结料一般有水泥、石灰和石膏等。砂浆的作用是将块体连接成整体而工作，保证砌体结构的整体性；还可找平块体接触面，使砌体受力均匀；此外，砂浆填满块体缝隙，减小了砌体的透气性，提高了砌体的隔热性。对砂浆的基本要求是强度、流动性

34、（可塑性）和保水性。 按组成材料的不同，砂浆可分为水泥砂浆、石灰砂浆及混合砂浆。 1）水泥砂浆：由水泥、砂和水拌和而成。它具有强度高、硬化块、耐久性好的特点，但和易性差，水泥用量大。适用于砌筑受力较大或潮湿环境中的砌体。 2）石灰砂浆：由石灰、砂和水拌和而成。它具有保水性、流动性好的特点。但强度低、耐久性差，只适用于低层建筑和不受潮的地上砌体中。 3）混合砂浆：由水泥、石灰、砂和水拌和而成。它的保水性能和流动性比水泥砂浆好、便于施工而强度高于石灰砂浆，适用于砌筑一般墙、柱砌体。砂浆的强度等级是用70.7mm的立方体标准试块，在温度为203和相对湿度、水泥砂浆在90以上，混合砂浆在6080的环境

35、下硬化，龄期为28d的抗压强度确定的。砂浆的强度等级符号以“M”表示，单位为MPa（N/mm2）。砌体规范将砂浆强度等级分为五级：M15，M10，M7.5，M5，M2.5. 4）砌块专用砂浆由水泥、砂、水及根据需要参入的参合料和外加剂等组成，按一定比例，采用机械拌和制成，专门用于砌筑混凝土砌块。强度等级以符号“M”表示。当验算施工阶段砂浆尚未硬化的新砌砌体承载力时，砂浆强度应取零。4.4建筑钢材国民经济各部门几乎都需要钢材，但由于各自用途的不同，所需钢材性能各异。如有的机器零件需要钢材有较高的强度，耐磨性和中等的韧性；有的石油化工设备需要钢材具有耐高温性能；机械加工的切削工具，需要钢材有很高的

36、强度和硬度等等。因此，虽然碳素钢有一百多种，合金钢有三百多种，符合钢结构性能要求的钢材只有碳素钢及合金钢中的少数几种。用作钢结构的钢材必须具有下列性能：1较高的强度。即抗拉强度fu 和屈服点fy 比较高。屈服点高可以减小截面，从而减轻自重，节约钢材，降低造价。抗拉强度高，可以增加结构的安全保障。2足够的变形能力。即塑性和韧性性能好。塑性好则结构破坏前变形比较明显从而可减少脆性破坏的危险性，并且塑性变形还能调整局部高峰应力，使之趋于平缓。韧性好表示在动荷载作用下破坏时要吸收比较多的能量，同样也降低脆性破坏的危险程度。对采用塑性设计的结构和地震区的结构而言，钢材变形能力的大小具有特别重要的意义。3

37、良好的加工性能。即适合冷、热加工，同时具有良好的可焊性，不因这些加工而对强度，塑性及韧性带来较大的有害影响。此外，根据结构的具体工作条件，在必要寸还应该具有适应低温、有害介质侵蚀(包括大气锈蚀)以及重复荷载作用等的性能。在符合上述性能的条件下，同其他建筑材料一样，钢材也应该容易生产，价格便宜。钢结构设计规范(GB500172002)推荐的普通碳素结构钢Q235 钢和低合金高强度结构钢Q345、Q390 及Q420 是符合上述要求的。选用GB50017 规范还未推荐的钢材时，需有可靠依据。以确保钢结构的质量。4.4.1建筑钢材的品种规格钢结构用的钢材主要有两个种类，即碳素结构钢和低合金高强度结构

38、钢。后者因含有锰、钒等合金元素而具有较高的强度。此外，处在腐蚀性介质中的结构，则采用高耐候性结构钢。这种钢因铜，磷、铬，镍等合金元素而具有较高的抗锈能力。下面就碳素结构钢和低合金结构钢这两个钢种分别论述。1碳素结构钢碳素结构钢的牌号(简称钢号)有Q195，Q215A 及B，Q235A，B、C 及D， Q255A及B 以及Q275。其中的Q 是屈服强度中屈字汉语拼音的字首，后接的阿拉伯字表示以Nmm2 为单位屈服强度的大小，A、B、C 或D 等表示按质量划分的级别。最后还有一个表示脱氧方法的符号如F 或b。从Q195 到Q275，是按强度由低到高排列的；钢材强度主要由其中碳元素含量的多少来决定，

39、但与其他一些元素的含量也有关系。所以，钢号的由低到高在较大程度上代表了含碳量的由低到高。Q195 及Q215 的强度比较低，而Q255 的含碳量上限和Q275 的含碳量都超出低碳钢的范围，所以建筑结构在碳素结构钢这一钢种中主要应用Q235 这一钢号。钢号中质量分级由A 到D，表示质量的由低到高。质量高低主要是以对冲击韧性(夏比V 型缺口试验)的要求区分的，对冷弯试验的要求也有所区别。对A级钢，冲击韧性不作为要求条件，对冷弯试验只在需方有要求时才进行，而B、C，D 各级则都要求AKv 值不小于27J，不过三者的试验温度有所不同，B 级要求常温(205)冲击值，C 和D 级则分别要求0和-20冲击

40、值。B、C、D 级也都要求冷弯试验合格。为了满足以上性能要求，不同等级的Q235 钢的化学元素含量略有区别。对C 级和D 级钢要提高其锰含量以改进韧性，同时降低其含碳量的上限以保证可焊性，此外，还降低它们的硫、磷含量以保证质量。前面已经讲到，在浇铸过程中由于脱氧程度的不同钢材有镇静钢、半镇静钢与沸腾钢之分。用汉语拼音字首表示，符号分别为z、b、F。此外还有用铝补充脱氧的特殊镇静钢，用TZ 表示。按国家标准规定，符号Z 和TZ 在表示牌号时予以省略。对Q235 钢来说，A、B 两级的脱氧方法可以是Z、b 或F，C 级只能是 Z，D 级只能是TZ。这样，其钢号表示法及代表的意义如下：Q235A屈服

41、强度为235Nmm2A 级，镇静钢；Q235Ab屈服强度为235Nmm2，A 级，半镇静钢；Q235AF屈服强度为235Nmm2，A 级，沸腾钢；0235B屈服强度为235Nmm2，B 级，镇静钢；Q235Bb屈服强度为235Nmm2，B 级，半镇静钢；9235BF屈服强度为235Nmm2，B 级，沸腾钢；Q235C屈服强度为235Nmm2，C 级，镇静钢；Q235D屈服强度为235Nmm2，D 级，特殊镇静钢。2低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢是在钢的冶炼过程中添加少量几种合金元素(合金元素的总量低于5)，使钢的强度明显提高，故称低合金高强度结构钢。国家标准低合金高强度结构钢(GBT15

42、1994)规定，低合金高强度结构钢分为Q295、Q345，Q390、Q420、Q460 等五种，其符号的含义和碳素结构钢牌号的含义相同。其中Q345，Q390 和Q420 是钢结构设计规范规定采用的钢种。这三种钢都包括 A、B、C、D、E 五种质量等级，和碳素结构钢一样，不同质量等级是按对冲击韧性(夏比V 型缺口试验)的要求区分的。A 级无冲击功要求；B 级要求提供 20冲击功Akv34J(纵向)；C 级要求提供0冲击功Akv34J(纵向)；D 级要求提供-20冲击功Akv34J(纵向)；E 级要求提供-40冲击功Akv27J (纵向)。不同质量等级对碳、硫、磷、铝等含量的要求也有区别。低合金

43、高强度结构钢的A、B 级属于镇静钢，C、D、E 级属于特殊镇静钢。结构钢的发展趋势，是进一步提高强度而又能保持较好的塑性。Q235 和Q345钢的伸长率不小于21，Q390、Q420 和Q460 钢分别不小于19、18和17。这就是说，塑性随强度提高而下降。塑性过低就难以适用于i 建结构。因此继续提高强度时塑性不应再降低。3、钢材的规格钢结构构件一般宜直接选用型钢，这样可减少制造工作量，降低造价。型钢尺寸不够合适或构件很大时则用钢板制作。构件间或直接连接或附以连接钢板进行连接。所以，钢结构中的元件是型钢及钢板。型钢有热轧及冷成型两种(图2-19 及2-20)。现分别介绍如下。1热轧钢板热轧钢板

44、分厚板及薄板两种，厚板的厚度为4560mm，薄板厚度为0354mm。前者广泛用宋组成焊接构件和连接钢板，后者是冷弯薄壁型钢的原料。在图纸中钢板用“厚宽长(单位为毫米)”前面附加钢板横断面的方法表示，如：-128002100 等。2热轧型钢角钢 有等边和不等边两种。等边角钢(也叫等肢角钢)，以边宽和厚度表示，如L10010 为肢宽100mm、厚10mm 的等边角钢。不等边角钢(也叫不等肢角钢)则以两边宽度和厚度表示，如L100808等。我国目前生产的等边角钢，其肢宽为20200mm，不等边角钢的肢宽为2516mm200125mm。槽钢 我国槽钢有两种尺寸系列，即热轧普通槽钢(GB708 65)与

45、热轧轻型槽钢。前者的表示法如30a，指槽钢外廓高度为30cm 且腹板厚度为最薄的一种；后者的表示法例如25Q，表示外廓高度为25cm，Q 是汉语拼音“轻”的拼音字首。同样号数寸，轻型者由于腹板薄及翼缘宽而薄，因而截面积小但回转半径大，能节约钢材减少自重。不过轻型系列的实际产品较少。工字钢 与槽钢相同，也分成上述的两个尺寸系列：普通型和轻型。与槽钢一样，工字钢外轮廓高度的厘米数即为型号，普通型者当型号较大时腹板厚度分a、b 及c 三种。轻型的由于壁厚已薄故不再按厚度划分。两种工字钢表示法如：I32c，I32Q 等。H 型钢和剖分T 型钢 热轧H 型钢分为三类：宽翼缘H 型钢(HW)，中翼缘H型钢(HM)和窄翼缘H 型钢(HN)。H 型钢型号的表示方法是先用符号HW，HM 和HN表示H 型钢的类别，后面加“高度(毫米)宽度(毫米)”，例如HW300300，即为截面高度为300mm，翼缘宽度为300mm 的宽翼缘H 型钢。剖分T 型钢也分为三类，即：宽翼缘刮分T 型钢(TW