教学基本要求：

1. 掌握钢筋的品种和力学性能。

2. 熟悉钢筋混凝土结构对钢筋性能的要求和钢筋的选用原则。

3. 掌握混凝土各种强度的关系及其特性。

4. 了解混凝土的徐变和收缩现象及其对结构的影响。

5. 理解钢筋与混凝土的黏结性能。

学习重点：

1. 钢筋的品种和力学性能的基本指标、不同类型钢筋的应力应变曲线及其区别、混凝土结构对钢筋性能的要求。

2. 混凝土的强度等级、各种强度指标、应力-应变曲线、变形模量、徐变和收缩现象及其对结构的影响。

3. 钢筋与混凝土的黏结力、钢筋的锚固与连接。

学习重点：

        1.1钢筋

• 1.2 混凝土

• 1.3 钢筋与混凝土的黏结与锚固

•       钢筋混凝土结构的材料

1.1 钢筋

1．我国生产的建筑用钢筋按化学成分可分为哪两大类，各有何特点？

答：我国生产的建筑用钢筋按化学成分可分为碳素钢和普通低合金钢两大类。

（1）碳素钢按碳的含量多少分为低碳钢（含碳量少于0.25％）和高碳钢（含碳量超过0.6％）。含碳量增加，能使钢材强度提高，性质变硬，但也使钢材的塑性和韧性降低，焊接性能也会变差。

（2）普通低合金钢是在炼钢时对碳素钢加入少量合金元素而形成的。合金元素锰、硅、钒、钛等可使钢材的强度、塑性等综合性能提高，从而使低合金钢钢筋具有强度高、塑性及可焊性好的特点，因而应用较为广泛。

2．我国混凝土结构用钢筋可分为几种类型?各有什么特点？

答：我国混凝土结构用钢筋可分为热轧钢筋、冷加工钢筋、热处理钢筋及高强钢丝和钢绞线等。

1．热轧钢筋是将钢材在高温状态下轧制而成的。根据其强度的高低，分为热轧I、II、III、IV共四个级别，强度依次提高。

（1）I级钢筋（相当于HPB235）

Ⅰ级钢筋（Q235钢）是热轧光圆钢筋，直径为8～20mm。盘条的直径为5.5～14mm。它是一种低碳钢，质量稳定，塑性及焊接性能较好，但强度稍低，而且与混凝土的粘结稍差。因此，Ⅰ级钢筋主要应用在厚度不大的板中或作为梁、柱的箍筋。

（2）II级钢筋（相当于HRB335）

Ⅱ级钢筋（低合金钢20MnSi）是热轧月牙肋钢筋，直径为6～50mm。其强度、塑性及可焊性都比较好。由于强度比较高，为增加钢筋与混凝土之间的粘结力，保证两者能共同工作，钢筋表面轧制成月牙肋。Ⅱ级钢筋在工程中应用较为广泛。

（3）III级钢筋（相当于HRB400和RRB400）

Ⅲ级钢筋（低合金钢20MnSiV等）是热轧月牙肋钢筋，直径为6～50mm。其中余热处理Ⅲ级（低合金钢K20MnSi）是钢筋热轧后立即穿水，进行表面冷却，然后利用芯部余热自身完成回火处理而形成，直径为8～40mm。它的塑性及可焊性也比较好, 强度更高。由于强度高，如果用于普通钢筋混凝土结构构件中，又要它充分发挥其强度，则会使混凝土裂缝开展得较宽。

（4）IV级钢筋

Ⅳ级钢筋（低合金钢40Si2MnV等）是热轧等高肋钢筋，直径为10～32mm。Ⅳ级钢筋不用于普通钢筋混凝土结构，一般均经冷拉后用于预应力混凝土结构。Ⅳ级钢筋的焊接质量较难控制，在承受重复荷载的结构中，如没有专门的焊接工艺，不宜采用有焊接接头的Ⅳ级钢筋。在低于-30℃的低温条件下易发生冷脆，也不宜采用Ⅳ级钢筋。

2．冷加工钢筋是将热轧钢筋在常温下冷加工后而形成的，冷加工后钢筋内部组织结构发生变化，其屈服强度能够提高，但伸长率明显下降。

（1）冷拉钢筋

冷拉钢筋是由热轧钢筋在常温下用机械拉伸而成。冷拉Ⅰ级钢筋可用于普通钢筋混凝土结构，但一般不用于水工钢筋混凝土轴心受拉及小偏心受拉构件。这是因为轴心受拉或小偏心受拉构件为全截面受拉，要求构件正常使用时不出现裂缝，因而钢筋经过冷拉后的强度不能充分利用。冷拉Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级钢筋常用作预应力混凝土结构的预应力钢筋。钢筋经冷拉后性质变脆，承受冲击荷载或重复荷载的构件及处于负温下的结构，一般不宜采用冷拉钢筋。

（2）冷轧带肋钢筋

冷轧带肋钢筋是由热轧圆盘条（母材）经冷轧减小直径并使其表面形成月牙肋的变形钢筋，直径为4～12mm，按强度高低，分为LL550（Q215钢）、LL650（Q235钢）、LL800（低合金钢）三个级别。LL550级钢筋可应用于普通钢筋混凝土结构；LL650级和LL800级钢筋可用作中、小预应力混凝土构件的预应力钢筋。冷轧带肋钢筋也可用于焊接钢筋网。冷轧带肋钢筋具有脆性性质，因此不宜用于直接承受冲击荷载的结构构件中。

3．热处理钢筋是将热轧带肋钢筋再通过淬火和回火的调质处理后而成的，热处理能显著提高其强度。而延伸率降低不多。热处理钢筋（低合金钢40Si2Mn等），直径为6～10mm。可直接用作预应力钢筋。腐蚀可导致热处理钢筋在高应力状态下产生裂隙以致脆断，因此，要注意对这种钢筋的使用保护。

4．高强钢丝和钢绞线一般有碳素钢丝、刻痕钢丝、螺旋肋钢丝和钢绞线等。碳素钢丝是用优质碳素结构钢经冷拔和应力消除矫直回火等工艺而形成的光面钢丝。刻痕钢丝是由碳素钢经压痕轧制低温回火而成。螺旋肋钢丝是由热轧圆盘条(母材)经冷轧减小直径后在其表面冷轧成带有斜肋的钢丝。钢绞线是由多根高强钢丝绞捻后消除内应力而成。钢丝（高碳钢）的直径越细，其强度越高。一般都用作预应力钢筋。

3．按力学的基本性能，钢筋可分为哪三种类型？其力学性能各有何特点。

答：按力学的基本性能来分，则有三种类型：热轧Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级钢筋，钢的力学性质相对较软，常称为软钢；热处理钢筋及高强钢丝，其力学性质高强而硬，常称为硬钢；冷拉钢筋。

软钢的力学特点：软钢从开始加载到拉断，有四个阶段，即弹性阶段、屈服阶段、强化阶段与破坏阶段。硬钢的力学特点：硬钢强度高，但塑性差，脆性大。从加载到突然拉断，不像软钢那样有明显的阶段，基本上不存在屈服阶段（流幅）。冷拉钢筋的力学特点：钢筋冷拉后，屈服强度提高，但伸长率减小，塑性性能降低，也就是钢材性质变硬变脆了。为了增加强度又保证钢筋有一定的塑性，应选择合适的k点，即选择合适的冷拉控制应力和冷拉伸长率进行冷拉控制。钢筋冷拉后，只提高抗拉强度，其抗压强度并没有提高，不要把冷拉钢筋用作受压钢筋。

4．钢筋冷拉后性能有哪些变化?

答：钢筋冷拉后，屈服强度提高，但伸长率减小，塑性性能降低，也就是钢材性质变硬变脆了。

钢筋冷拉后，只提高抗拉强度，其抗压强度并没有提高，不要把冷拉钢筋用作受压钢筋。冷拉还可使钢筋伸长，起到节省钢材、调直钢筋、自动除锈、检查焊接质量的作用。冷拉钢筋受到高温时，它的强度要降低，因此，冷拉钢筋在焊接时，应控制加热时间不能过长，应先焊好后再进行冷拉。

5．钢筋混凝土结构中的钢筋有哪些要求？其一般选用原则如何？

答：对钢筋混凝土结构中的钢筋有哪些要求：

（1）建筑用钢筋要求具有一定的强度（屈服强度和抗拉强度），应适当采用较高强度的钢筋，以获得较好的经济效益。

（2）要求钢筋有足够的塑性（伸长率和冷弯性能），以使结构获取较好的破坏性质。

（3）应有良好的焊接性能，保证钢筋焊接后不产生裂纹及过大的变形。

（4）钢筋和混凝土之间应有足够的粘结力，保证两者共同工作。

钢筋混凝土结构中钢筋的一般选用原则：

普通钢筋混凝土结构宜采用热轧Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级钢筋。预应力混凝土结构宜采用高强钢丝、钢绞线和热处理钢筋，也可采用冷拉Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级钢筋。

6．钢筋混凝土结构设计时，如何确定钢筋强度的计算指标？为什么？

答：屈服强度（流限）是软钢的主要强度指标。在混凝土中的钢筋，当应力达到屈服强度后，荷载不增加，而应变会继续增大，使得混凝土裂缝开展过宽，构件变形过大，结构已不能正常使用。所以软钢钢筋的受拉强度限值以屈服强度为准。钢筋的强化阶段，即极限抗拉强度只作为一种安全储备。硬钢没有明确的屈服台阶（流幅），所以计算中以“协定流限”，也称“条件屈服点”作为强度标准，所谓协定流限是指经过加载及卸载后尚存有0.2％永久残余变形时的应力，用σ0.2表示。σ0.2一般相当于抗拉极限强度的70％～85％。

1.2 混凝土

1．混凝土的强度指标有哪几种？各用什么符号表示?

      各有何作用？它们之间有何关系？

答：混凝土的强度指标有：立方体抗压强度、棱柱体抗压强度和轴心抗拉强度。哪几种？各用什么符号表示?它们之间有何关系？

立方体抗压强度：我国规范规定以边长为150mm×150mm×150mm的标准立方体试块，在标准条件下（温度20±3℃，相对湿度≥90％的潮湿空气中）养护28天，用标准试验方法，试块表面不涂润滑剂，全截面受力测得的抗压强度，称为立方体抗压强度，用fcu表示。立方体抗压强度不是结构计算的实用指标，它是衡量混凝土强度高低的基本指标，并以其定义混凝土的强度等级。规范规定具有95％保证率的立方体抗压强度称为混凝土抗压强度标准值，用fcuk表示，并以此划分混凝土的强度等级，以符号C表示，单位为N/mm2（也可记作MPa）。

棱柱体抗压强度：由150mm×150mm×300mm的棱柱体试件，所测得的抗压强度称为棱柱体抗压强度fc。fc随试件高度与宽度之比h/b而异，当h/b＞2时，fc基本趋于稳定。钢筋混凝土受压构件的实际长度常比它的截面尺寸大得多。因此，棱柱体抗压强度比立方体抗压强度能更好地反映受压构件中混凝土的实际抗压强度，为一实用抗压强度指标。

规范偏安全地取用关系式

fc=0.88×0.76fcu=0.67fcu

轴心抗拉强度ft：混凝土的轴心抗拉强度远小于其抗压强度，且不与抗压强度成比例增长。

规范取用关系式

ft =0.23 (N/mm2)

式中 ft——混凝土的轴心抗拉强度；

fcu——混凝土的立方体抗压强度。

2．相对于150mm×150mm×150mm的标准立方体试块的立方体抗压强度，用200mm试块测得的强度偏低，而用100mm试块测得的强度偏高，为什么？

答：试件尺寸对测试强度影响的原因在于边界条件（试验机压板与试件表面不涂润滑剂而产生相互摩擦）限制了试件的横向变形，使其裂缝不易发展，试件越小，约束越大，强度就越高，反之相反。这实际也反映了应力状态对强度的影响。因此，相对于150mm×150mm×150mm的标准立方体试块的立方体抗压强度，用200mm试块测得的强度偏低，而用100mm试块测得的强度偏高。

3．简述棱柱体试件在短期一次加载时受压应力—应变曲线变化的全过程及破坏的主要原因。

答：采用棱柱体试件作短期一次加载的受压试验，可得出其应力—应变曲线如图1-12所示。这条曲线包括上升段和下降段两个部分：

a）当应力小于其极限强度的30％～40％（A点），即在0A段，由于这时应力较小，混凝土的变形主要是骨料和水泥胶块中的结晶体组成的骨架受力产生的弹性变形，而水泥胶体的粘性流动以及初始微裂缝变化的影响一般很小，所以应力—应变关系接近直线。称A点为比例极限点。

b）当应力继续增大，进入AB段、即裂缝稳定扩展阶段，一方面由于水泥胶块中的凝胶体的粘性流动，而更主要的在于这些结合面裂缝的扩展和延伸，应力—应变曲线就逐渐弯曲，呈现出塑性性质。

当应力增大到接近极限强度的80％左右时（B点），这些裂缝快速扩展延伸入水泥石中，并逐步连贯起来，应变增长得更快。

c）继续加载进入BC段，试件中所积蓄的弹性应变能保持大于裂缝发展所需要的能量，从而进入裂缝快速发展的不稳定阶段。当应力达到极限强度（C点）时，裂缝全部连贯形成平行于受力方向的纵向裂缝并在试件表面呈现时，试件也就达到了它的最大承载能力，开始破坏。这时达到的最大应力σ0称为混凝土棱柱体抗压强度fc，相应的应变为ε0。ε0一般为0.002左右。

d）如果在普通材料试验机上进行抗压试验时，达到最大应力后试件立即崩碎，呈脆性破坏特征，所得应力—应变曲线见图1-10中的0ABCD。如果试验机的刚度极大，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，试验机在工作期间所积蓄的弹性变形就比较小，当应力达到最大应力σ0时，试验机所释放出来的弹性能不致于使得试件立即破坏，应力—应变曲线进入下降段，从而就可以测出混凝土的应力—应变全过程曲线，见图1-10中的0ABCDEF曲线，曲线末端F点的应变称为混凝土的极限压应变εcu。εcu越大，表示混凝土的塑性变形能力越大，也就是延性（指构件最终破坏之前经受非弹性变形的能力）越好。

随着混凝土强度的提高，上升段和峰值应变的变化不很显著，峰值应变有所增大。但是下降段的形状有较大的差异，混凝土强度越高，下降段的坡度越陡，即应力下降相同幅度时变形越小，极限应变减小，塑性变差，破坏时脆性显著。加载速度较快时，强度提高，但极限应变将减小。

混凝土的应力—应变曲线是混凝土结构应力分析、承载力和变形计算的重要依据，也是利用计算机进行非线性分析的基础。

破坏的主要原因：混凝土的破坏是其内部薄弱结合状态（界面裂缝）造成的，即骨料和水泥石的结合面上存在的界面裂缝不断扩展和延伸造成的。

4．混凝土的弹性模量如何测定？什么是变形模量?变形模量与弹性模量有什么关系?

答：混凝土的弹性模量：一般把过原点的切线的斜率作为混凝土的弹性模量，也称初始弹性模量。

混凝土弹性模量的测定：利用多次重复加载卸载后应力应变关系趋于直线的性质来求弹性模量。将棱柱体试件加载至应力σ≤0.5fc，重复加载5～10次，应力—应变曲线基本上趋于平行过原点切线的直线，求出此直线的斜率，作为混凝土的弹性模量。

经验公式：不同强度的混凝土弹性模量可按下列经验公式计算

Ec= (N/mm2)

变形模量：应力σc较大时的混凝土应力与应变之比称为变形模量，也称弹塑性模量，用Ec＇表示，Ec＇=σc／εc，

变形模量与弹性模量有什么关系：Ec＇与弹性模量Ec的关系可用弹性系数ν表示

Ec＇=νEc

弹性系数ν是小于1的变数，随应力增大而减小。通常，当σ≤0.3fc时，ν=1.0；当σ=0.8fc时，ν=0.4～0.7。

5．混凝土的受压、受拉极限应变是如何取值的？

答：混凝土极限压应变：在计算时，均匀受压可取为εcu=0.002，非均匀受压可取εcu=0.0033。

混凝土极限拉应变：计算时一般取εtu=0.0001～0.00015。

6．什么叫混凝土的徐变与收缩?影响徐变和收缩的主要因素有哪些?

答：混凝土在荷载长期持续作用下，应力不变，变形也会随着时间而增长。这种现象，称为混凝土的徐变。混凝土在空气中结硬时，由于温、湿度及本身化学变化的影响，体积随时间增长而减小的现象称为收缩。

影响徐变的主要因素：

a）内部因素。内部因素主要是指混凝土内水泥胶体的影响。水泥胶体多、徐变就大。减小徐变，应尽量减少水泥用量，减小水灰比，增加骨料所占体积及其刚度。

b）环境影响。环境影响主要是指混凝土的养护条件以及使用条件下的温湿度影响。养护温度越高，湿度越大，水泥水化作用越充分，徐变就越小。采用蒸气养护可使徐变减小20～35％。试件受荷后，环境温度低，湿度大，以及体表比（体积与表面积的比值）越大，徐变就越小。

c）应力条件。应力条件则是引起徐变的直接原因，应力越大，徐变就越大。在低应力下，徐变与应力为线性关系。在高应力下，将产生非线性徐变，徐变不能趋于稳定，要避免这种情况。

d）加荷龄期。在同样的应力条件下，加荷越早，混凝土硬化越不充分，徐变就越大。

影响收缩的主要因素：

收缩应变的大小与混凝土的组成、配比、养护条件等关系很大。水泥用量多，水灰比大，振捣不密实，干燥环境下养护，构件外露表面积大等，都会使收缩应变增加。

7．水利水电工程，混凝土结构工程如何考虑混凝土的选用？

答：素混凝土结构受力部位的混凝土强度等级不宜低于C10；钢筋混凝土结构的混凝土强度等级不宜低于C15；当钢筋混凝土结构采用I级、II级钢筋及冷轧带肋钢筋时，为了保证必要的粘结力，混凝土强度等级不宜低于C20；装配式及薄壁结构的混凝土强度等级不宜低于C20，以减轻自重；预应力混凝土结构则采用强度等级不低于C30的混凝土，当采用高强钢丝、热处理钢筋等作为预应力钢筋时，混凝土强度等级不宜低于C40；当建筑物还有耐久性要求，例如抗渗、抗冻、抗磨、抗腐蚀时，混凝土的强度等级尚需根据具体技术要求确定。

1.3 钢筋与混凝土的黏结与锚固

1．钢筋与混凝土的粘结力主要由哪三部分组成？影响粘结强度的因素是什么？

答：钢筋与混凝土的粘结力主要由三部分组成：

（1）水泥凝胶体与钢筋表面之间的化学胶着力（胶结力），即钢筋与混凝土接触面上的化学吸附作用力。这种吸附作用力一般很小，仅在受力阶段的局部无滑移区域起作用。当接触面发生相对滑移时，该力即消失；

（2）混凝土收缩，将钢筋紧紧握固而产生的摩擦力（摩阻力）。摩阻力是由于混凝土凝固时收缩，对钢筋产生垂直于摩擦面的压应力，这种压应力越大，接触面的粗糙程度越大，摩阻力就越大；

（3）钢筋表面凹凸不平与混凝土之间产生的机械咬合力。对于光圆钢筋这种咬合力来自表面的粗糙不平。变形钢筋由于表面凸出横肋对混凝土的挤压作用，其粘结力比光面钢筋要大得多。

影响粘结强度的因素：

（1）混凝土强度。粘结强度都随混凝土强度等级的提高而提高，粘结强度基本上与混凝土的抗拉强度成正比例的关系。

（2）钢筋的表面状况。钢筋表面形状对粘结强度有影响，变形钢筋的粘结强度大于光圆钢筋。此外，当钢筋表面为防止锈蚀涂环氧树脂时，钢筋表面较为光滑，粘结强度也将有所降低。

（3）混凝土保护层厚度和钢筋的净间距。变形钢筋具有较高的粘结强度。但是，使用变形钢筋，在粘结破坏时容易使周围混凝土产生劈裂裂缝。钢筋外围的混凝土保护层太薄和钢筋间距太小，可能使外围混凝土因产生径向劈裂而使粘结强度降低。增大保护层厚度（相对保护层厚度c/d），保持一定的钢筋间距（钢筋净距s与钢筋直径d的比值s/d），可以提高外围混凝土的抗劈裂能力，有利于粘结强度的充分发挥。也能使粘结强度得到相应的提高。

（4）浇筑混凝土时钢筋的位置。粘结强度还与浇筑混凝土时钢筋的位置有关，浇筑深度超过300mm的上部水平钢筋底面，由于混凝土的泌水、骨料下沉和水分气泡的逸出，形成一层强度较低的疏松空隙层，它将削弱钢筋与混凝土的粘结作用，因此，对高度较大的梁应分层浇筑和采用二次振捣（详见施工规范）。

2．钢筋连接方法主要有哪几种？

答：分为三种，分别为绑扎连接、机械连接、焊接三种连接方法。

（1）绑扎连接，绑扎连接是在钢筋搭接处用铁丝绑扎而成。采用绑扎连接接头时，钢筋间力的传递是靠钢筋与混凝土之间的粘结力，因此必须有足够的搭接长度。

（2）机械连接，采用螺旋或挤压套筒连接。此法简单、可靠。

（3）焊接，焊接有闪光对焊和电弧焊搭接。焊接质量有保证时，此法较可靠。

3．钢筋搭接的原则是什么？

答：钢筋搭接的原则是：轴心受拉或小偏心受拉以及承受振动的构件中的钢筋接头，不得采用绑扎搭接。直径d＞22mm的受拉钢筋或d＞32mm的受压钢筋的接头，不宜采用绑扎接头。接头应设置在受力较小处，同一根钢筋上应尽量少设接头。在有条件的地方，钢筋的接头宜优先采用焊接或机械连接接头。这两种接头的具体要求可参见专门的技术规范。

4．保证粘结锚固的构造措施有哪些？

答：保证粘结锚固的构造措施：

（1）对不同等级的混凝土和钢筋，要保证最小搭接长度和锚固长度；

（2）必须满足钢筋最小间距和混凝土保护层最小厚度的要求；

（3）在钢筋的搭接接头范围内应加密箍筋；

（4）在钢筋端部采用设置弯钩等机械锚固措施。

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知识点：钢筋混凝土结构材料