学习任务二 钢筋混凝土结构的材料

本任务是掌握钢筋和混凝土的力学性能与强度指标，会正确选择使用钢筋和混凝土材料，能运用钢筋锚固和连接知识解决实际问题。

水工钢筋混凝土结构是由钢筋和混凝土两种材料组成的，其力学性能和强度指标决定结构的承载能力及结构能否正常使用，因此熟悉掌握钢筋和混凝土的强度指标、力学性能、相互作用和共同工作机理，是掌握水工钢筋混凝土构件的受力性能、计算原理和设计方法的基础，也是正确合理地进行水工钢筋混凝土结构设计的重要依据。

一、钢筋

（一）钢筋的种类

钢筋可按化学成分、外形、加工工艺等进行分类。

1.按化学成分分类

钢筋按其化学成分的不同，可分为碳素钢和普通低合金钢。

碳素钢除含有铁元素外，还含有少量的碳等元素。碳素钢的力学性能与含碳量多少有关，含碳量越高，钢筋的强度越高，但性质变硬，塑性和韧性降低，焊接性能也会变差。根据含碳量的多少，碳素钢又可分为低碳钢(含碳量小于0.25%)、中碳钢(含碳量为0.25%～0.6%)和高碳钢(含碳量为0.6%～1.4%)。

普通低合金钢是炼钢时，在碳素钢的基础上加入少量合金元素，如锰、硅、钒、钛、铬等，可使钢材的强度、塑性等综合性能提高，从而使普通低合金钢具有强度高、塑性及可焊性好的特点。目前，我国普通低合金钢按其加入元素的种类可分为以下几个体系：锰系(20锰硅、25锰硅)、硅钒系(40硅2锰钒、45硅锰钒)、硅钛系(45硅2锰钛)、硅锰系(40硅2锰、48硅2锰)、硅铬系(45硅铬)。普通低合金钢是根据主要合金元素命名的，名称前面的数字代表平均含碳量的万分数，合金元素后面的数字表明该元素含量取整的百分数。当其含量小于1.5%时，合金元素后面不加数字；当其含量在1.5%～2.5%内时，合金元素后面数字取2。如45硅2锰钛(45Si2MnTi)表示其平均含碳量为45‰0，硅元素的平均含量为2%，锰、钛的含量均小于1.5%。

2.按外形分类

钢筋按外形可分为光圆钢筋和变形钢筋两种。光圆钢筋的表面是光面的，如图1-5(a)所示。变形钢筋表面有两条纵向凸缘(纵肋，热处理钢筋也有无纵肋的)，在纵向凸缘两侧有许多等间距和等高度的斜向凸缘(斜肋)，凸缘斜向相同的表面形成螺旋纹，如图1-5(b)所示；凸缘斜向不同的表面形成人字纹，如图1-5(c)所示；斜向凸缘和纵向凸缘不相交，剖面几何形状呈月牙形的钢筋称为月牙肋钢筋，如图1-5(d)所示。

3.按加工工艺分类

钢筋按其生产加工工艺和力学性能，可分为热轧钢筋、预应力混凝土用螺纹钢筋、钢丝、钢绞线、钢棒等。

(1)热轧钢筋。热轧钢筋是由低碳钢、普通低合金钢在高温状态下轧制而成的，按屈服强度标准值大小分为HPB235(Q235)、HRB335(20MnSi)、HRB400(20MnSiV、20MnSiNb、20MnTi)、RRB400(20MnSi，经余热处理)，分别用符号表示。数字235、335、400表示屈服强度标准值分别为235MPa、335MPa、400MPa。HPB235级钢筋为光圆钢筋，其余三级钢筋均为变形钢筋。

热轧钢筋代号中各符号的含义如图1-6所示。

（2）预应力混凝土用螺纹钢筋。预应力混凝土用螺纹钢筋是采用热轧、轧后余热处理或热处理等工艺生产而成的，是一种热轧带有不连续的外螺纹的直条钢筋。预应力混凝土用螺纹钢筋以屈服强度划分级别，其代号为“PSB”加上规定屈服强度最小值表示，如PSB785表示屈服强度最小值为785MPa的钢筋，该钢筋的直径有18mm、25mm、32mm、40mm、50mm 5种。

预应力混凝土用螺纹钢筋代号中各符号的含义如图1-7所示。

（3）钢丝。预应力混凝土结构中常用高强钢丝，按其外形分为光面并消除应力的高强度光圆钢丝、刻痕钢丝、螺旋肋钢丝。

光圆钢丝是用高碳镇静钢轧制成圆盘后，经过多道冷拔并进行应力消除、矫直、回火处理而成的。其强度高、可塑性好，但与混凝土的黏结力差。

刻痕钢丝是在光面钢丝的表面进行机械刻痕处理而成的，这样可增加与混凝土的黏结能力。

螺旋肋钢丝是用普通低碳钢或低合金钢热轧的圆盘条作为母材，经冷轧减径在其表面形成两面或三面有月牙肋的钢丝，此种钢丝与混凝土之间的黏结力较好。

（4）钢绞线。钢绞线是由多根消除应力钢丝捻制而形成的。钢绞线规格有2股、3股、7股等，常用的是3股、7股钢绞线，见图1-8。

（5）钢棒。钢棒按表面形状分为光圆钢棒、螺旋槽钢棒、螺旋肋钢棒、带肋钢棒4种，是由热轧盘条经冷加工后淬火和回火所得。螺旋槽钢棒的代号为HG（Helical Grooved Bars），常用直径为7.1～12.6mm。螺旋肋钢棒的代号为HR（Helical Ribbed Bars），常用直径为6～14mm。预应力混凝土用钢棒见图1-9。

我国常用钢筋的公称直径、计算截面面积及公称质量详见附录A、附录B。

（二）钢筋的力学性能

钢筋的力学性能是指钢筋在受力过程中表现出的性能，主要包括拉伸性能和冷弯性能。其对应的性能指标是结构设计的重要依据。

1.拉伸性能

拉伸是水工钢筋混凝土结构中钢筋的主要受力形式，所以拉伸性能是钢筋性能和钢筋选用时的重要指标。按其应力-应变曲线性质的不同，可分为有明显屈服点的钢筋和无明显屈服点的钢筋两大类。

有明显屈服点的钢筋在工程上习惯称为软钢，如热轧钢筋。现将热轧钢筋HPB235级钢筋按规定制成一定形状和尺寸的试件，在材料试验机上进行拉伸试验，可绘制出图1-10所示的应力-应变(σ-ε)曲线。从图1-10中可以看出，HPB235级钢筋从开始加载到拉断，可分为4个受力阶段，即弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和破坏阶段。

从图1-10可以看出,自开始加载到应力达到a点之前，应力-应变呈线性关系，a点对应的应力称为比例极限，0a段属于弹性阶段。应力达到b点后，钢筋进入屈服阶段，产生很大的塑性变形，在应力-应变曲线中呈现出一水平段bc，b点对应的应力称为屈服强度或流限，bc段称为屈服阶段或流幅。超过c点后，应力-应变关系重新表现为上升的曲线，cd段称为强化阶段，曲线最高点d对应的应力称为极限抗拉强度。过了d点后，钢筋试件产生“颈缩现象”，应力-应变关系成为下降曲线，应力下降，应变继续增大，直到e点钢筋被拉断，此阶段称为破坏阶段。

需要说明的是，钢材中含碳量越高，屈服强度和极限抗拉强度就越高，伸长率就越小，流幅也相应缩短，图1-11表示了不同级别软钢钢筋的应力-应变曲线的差异。

无明显屈服点的钢筋在工程中称为硬钢，如钢绞线、消除应力钢丝、螺旋肋钢丝、刻痕钢丝等。硬钢受拉应力-应变曲线见图1-12。预应力钢筋大多为无明显屈服点的钢筋。

反映钢筋力学性能的基本指标主要有极限抗拉强度、屈服强度、弹性模量和伸长率。

（1）极限抗拉强度。极限抗拉强度是钢筋受拉时所能承受的最大应力值，此时钢筋的塑性变形很大且即将发生破坏，钢筋的极限抗拉强度只作为一种安全储备考虑。

（2）屈服强度。屈服强度是普通钢筋强度标准值的取值依据。因为钢筋屈服后将产生很大的塑性变形，且卸载后塑性变形不可恢复，这会使得钢筋混凝土构件产生很大的变形和不可闭合的裂缝，影响构件的正常使用，所以软钢钢筋的受拉强度限制以屈服强度为准。硬钢从加载到拉断没有明显的屈服点，钢筋达到极限抗拉强度后很快被拉断，伸长率很小。通常取残余应变为0.2%所对应的应力σ_0.2作为强度设计指标，称为条件屈服强度，其值约为0.8倍的极限抗拉强度。

（3）弹性模量。钢筋在弹性阶段应力与应变的比值称为弹性模量，用E_s表示。同一钢筋的受拉和受压弹性模量相同，各种钢筋的弹性模量见表1-1。

（4）伸长率。

钢筋被拉断时（e点）的应变称为伸长率，它是钢筋塑性变形能力的表现，伸长率用式（1-1）计算,即

式中 δ——伸长率，%；

l₀——试件拉伸前的标距长度，一般取5d或10d，d为钢筋直径；

l——试件拉断后的标距长度。

伸长率越大的钢筋，其塑性越好，这类钢筋在破坏前有明显预兆；而伸长率小的钢筋，其塑性差，破坏呈脆性特征，具有突发性。

2.冷弯性能

冷弯性能是衡量钢材在常温下弯曲加工发生塑性变形时对产生裂纹的抵抗能力的一项指标。由于水工钢筋混凝土结构中的钢筋大都进行弯曲加工，故要求钢筋必须具有良好的冷弯性能。钢筋的冷弯性能由冷弯试验确定。

在常温下将钢筋绕某一规定直径的辊轴进行弯曲，如图1-13所示。常用冷弯角度α和弯心直径D反映冷弯性能。冷弯角度越大，弯心直径越小，说明钢筋的冷弯性能越好。钢筋在达到规定的冷弯角度时，如不发生裂纹、分层或断裂，则钢筋的冷弯性能符合要求。

3.钢筋强度的计算指标

（1）钢筋强度标准值。钢筋强度是随机变量，具有变异性，在进行结构或构件设计时，需要确定一个材料强度的基本代表值，称为材料强度标准值。钢筋强度标准值应具有95%的保证率，即符合规定质量的钢筋强度总体分布中具有不小于95%保证率的强度值。

《水工混凝土结构设计规范》规定，普通钢筋的强度标准值根据屈服强度确定，用f_yk表示；预应力钢绞线、钢丝、螺纹钢筋及钢棒的强度标准值根据极限抗拉强度确定，用f_ptk表示。

各类钢筋强度标准值见表1-2和表1-3。

（2）钢筋强度设计值。

《水工混凝土结构设计规范》规定，水工钢筋混凝土结构构件在进行承载能力极限状态计算时，钢筋及混凝土的强度应取强度设计值。钢筋强度设计值等于钢筋的强度标准值除以钢筋材料分项系数。钢筋的材料分项系数γ_s为热轧钢筋取1.10、预应力钢筋取1.20。

《水工混凝土结构设计规范》规定，普通钢筋的抗拉强度设计值用f_y表示，抗压强度设计值用f′_y表示；预应力钢筋的抗拉强度设计值用f_py表示，抗压强度设计值用f′_py表示。

各类钢筋强度设计值见表1-4和表1-5。

（三）钢筋的选用

1.钢筋混凝土结构对钢筋性能的要求

钢筋混凝土结构对钢筋性能的要求主要有以下几个方面。

(1)具有较高的强度。即屈服强度和极限抗拉强度较高，可使用钢量减少，降低造价。同时，极限抗拉强度高，可以增加结构的安全性。

(2)具有良好的塑性。即保证钢筋在断裂前有足够的变形，从而减少脆性破坏的危险性。同时，塑性变形可将结构上的局部高峰应力重新分布，使之趋于平缓。

(3)具有良好的加工性能。既适合冷、热加工，同时又应具有较好的可焊性，在加工时对强度、塑性等不会带来过大的有害影响。

(4)具有与混凝土良好的黏结性。即钢筋和混凝土之间有足够的黏结力，保证两者共同工作。

2.钢筋的选用

《水工混凝土结构设计规范》规定，在钢筋混凝土结构及预应力混凝土结构构件的钢筋中，普通钢筋宜采用HRB400级和HRB335级钢筋，也可采用HPB235级和RRB400级钢筋；预应力钢筋宜采用钢绞线、钢丝，也可采用螺纹钢筋或钢棒；当预应力钢筋采用符合强度和伸长率要求的冷加工钢筋及其他钢筋时，应符合专门标准的规定。

二、混凝土

混凝土是由水泥、细骨料(如砂子)、粗骨料(如卵石、碎石)和水按一定比例配合搅拌，并经一定条件养护硬化形成的人造石材。在硬化过程中，水泥和水形成水泥胶块与骨料黏结在一起，骨料与水泥胶块中的结晶体组成弹性骨架来承受外力，弹性骨架使混凝土具有弹性变形的特点。同时，水泥胶块中的凝胶体则起着调整和扩散混凝土应力的作用，又使混凝土具有塑性变形的性质。因此，混凝土内部结构复杂，所以它的力学性能也极为复杂。

（一）混凝土的强度

混凝土的强度与所用水泥强度等级、水泥用量、骨料质量、水灰比、配合比大小有关，也与施工方法、养护条件、龄期有关，同时受测定其强度时所采用的试件形状、尺寸、试验方法等影响。工程中常用的混凝土强度有立方体抗压强度、轴心抗压强度、轴心抗拉强度等。

1.立方体抗压强度

抗压强度是混凝土的重要力学指标。《水工混凝土结构设计规范》规定：以边长为150mm的立方体试件，在温度为(20±3)℃、相对湿度不小于90%的条件下养护28d，用标准方法［加荷速度为0.15～0.3N／(mm²·s)，试件表面不涂润滑剂，全截面受力］测得的抗压强度称为立方体抗压强度。把具有95%保证率的立方体抗压强度称为立方体抗压强度标准值，用表示f_cuk。

混凝土强度等级按立方体抗压强度标准值确定，水利工程中采用的混凝土强度等级共分为10级，即C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60。其中，符号C表示混凝土，后面的数字表示混凝土立方体抗压强度标准值的大小，单位为N／mm²。如C25表示混凝土立方体抗压强度标准值为25N／mm²，即25MPa。一般认为，强度等级达到或超过C50的混凝土为高强度混凝土，强度等级为C30～C45的混凝土为中强度混凝土，强度等级为C25及以下的混凝土为低强度混凝土。

《水工混凝土结构设计规范》规定，钢筋混凝土结构构件的混凝土强度等级不应低于C15；当采用HRB335级钢筋时，混凝土强度等级不宜低于C20；当采用HRB400级和RRB400级钢筋或承受重复荷载时，混凝土强度等级不应低于C25；预应力混凝土结构构件的混凝土强度等级不应低于C30；当采用钢绞线、钢丝作预应力钢筋时，混凝土强度等级不宜低于C40。

2.轴心抗压强度

在实际结构中，钢筋混凝土受压构件大多数是棱柱体而非立方体，采用棱柱体测得的抗压强度更能反映混凝土的真实抗压能力。试验表明，棱柱体试件的抗压强度比立方体抗压强度低，这是因为当试件高度增大后，两端接触面上的摩擦力对试件中部的影响逐渐减弱。试件越细长，棱柱体的抗压强度越低。但当试件高度与宽度之比h/b=2~3时，其强度趋于稳定。

我国采用150mm×150mm×300mm的棱柱体试件作为标准试件，在标准条件下，用标准方法测得的抗压强度称为混凝土轴心抗压强度，也称为棱柱体抗压强度。轴心抗压强度标准值用f_ck表示，轴心抗压强度设计值用f_c表示。

由试验分析可知，轴心抗压强度平均值与150mm立方体抗压强度平均值的关系为

考虑到结构中的混凝土强度与试件混凝土强度的差异，对试件混凝土强度进行修正，修正系数取0.88，则结构中的混凝土轴心抗压强度平均值与150mm立方体抗压强度平均值的关系为

考虑引入高强混凝土脆性的折减系数α_c，在结构中的混凝土轴心抗压强度标准值为

α_c的取值：对于C45以下混凝土，均取α_c=1.0；对于C45混凝土，取α_c=0.98；对于C60混凝土，取α_c=0.96；中间按直线内插法取用。

3.轴心抗拉强度

混凝土构件的开裂、裂缝宽度和变形等均与抗拉强度有关，混凝土的轴心抗拉强度是反映混凝土抗裂性能的重要指标。混凝土轴心抗拉强度很低，一般只有抗压强度的1/18～1/9。

我国近年来常用直接受拉法测定混凝土轴心抗拉强度。试件为100mm×100mm×500mm的棱柱体，两端设有埋深为150mm、直径为16mm的对中变形钢筋。试验机夹紧两端钢筋使试件受拉，破坏时试件中部产生横向断裂，破坏截面上的平均拉应力即为轴心抗拉强度。混凝土轴心抗拉强度标准值用f_tk表示，轴心抗拉强度设计值用f_t表示。

结构中的混凝土轴心抗拉强度平均值与150mm立方体抗压强度平均值的关系为

假定轴心抗拉强度的变异系数,在结构中混凝土轴心抗拉强度标准值为

需要说明的是，混凝土强度设计值等于混凝土强度标准值除以混凝土材料性能分项系数γ_c(γ_c=1.40)。混凝土强度值见表1-6和表1-7。

（二）混凝土的变形

混凝土的变形有两类：一类是由外荷载作用下产生的变形，包括一次短期加荷下的变形、重复荷载作用下的变形、长期荷载作用下的变形；另一类是由非荷载作用（如温度和干湿变化）引起的变形。

1.混凝土在荷载作用下的变形

（1）混凝土在一次短期加荷下的变形。混凝土在一次短期加荷下的应力—应变曲线如图1-14所示。从图1-14可以看出以下几点。

1)oa段：当应力σ≤0.3f_c时，应力—应变曲线接近直线，混凝土处于弹性阶段。

2)ab段：当0.3f_c≤σ≤0.8f_c时，随着应力增大，混凝土产生塑性变形，应变增长速率加快，应力—应变曲线越来越偏离直线。

3)bc段：当0.8f_c＜σ＜f_c时，随着应力进一步增大，且接近f_c时，混凝土塑性变形急剧增大，应力达到f_c时，试件表面出现与加压方向平行的纵向裂缝，试件开始破坏。c点应力值为混凝土的轴心抗压强度f_c，应得应变为ε₀，ε₀≈0.002。

4)ce段：超过c点后，试件承载能力随着应变增大逐渐减小，应力-应变曲线在d点出现反弯。d点时试件在宏观上已经破坏，其对应的应变称为极限压应变ε_cu，ε_cu一般为0.0033。过了d点后，通过骨料间的摩擦咬合力，试块还能承受一定的荷载。

应力-应变曲线中的oc段称为上升段，ce段称为下降段。其极限压应变ε_cu越大，表示混凝土的塑性变形能力越大，即延性(指构件最终破坏之前经受非弹性变形的能力)越好。

影响混凝土应力-应变曲线形状的因素很多，如混凝土的强度及加荷速度。当混凝土强度较低时，应力-应变曲线较平坦，随着混凝土强度的增加，曲线就越陡，ε_cu也越小，如图1-15所示。当加荷速度比较快时，不仅最大应力有所提高，曲线坡度也较陡；当加荷速度缓慢时，曲线较平缓，ε_cu增大，如图1-16所示。

在分析计算混凝土构件的截面应力、构件变形以及超静定结构内力、温度应力时，需要利用混凝土的弹性模量。但混凝土是弹塑性材料，其应力-应变关系为一曲线，如图1-14所示，则通过原点0的切线斜率可认为是混凝土的“真正的”弹性模量，常称为初始弹性模量，简称弹性模量，用E_c表示。但初始弹性模量一般不易从试验中测得。根据大量试验结果和统计分析可知，混凝土的弹性模量与混凝土的立方体抗压强度之间的关系为

式中 f_cu,k——立方体抗压强度标准值，即混凝土强度等级值，N／mm²。

混凝土受拉弹性模量与受压弹性模量很接近，故两者取用相同的数值。《水工混凝土结构设计规范》给出各种强度等级混凝土28d龄期受压或受拉的弹性模量E_c(表1-8)。

（2）混凝土在重复荷载作用下的变形。对混凝土棱柱体试件加载，当应力达到某一数值时，卸载至零，如此重复循环加载卸载，称为多次重复加载。混凝土在多次重复荷载作用下，其应力-应变的性质与短期一次加荷有着显著不同。图1-17所示为混凝土在短期一次加载卸载过程中的应力-应变曲线。因混凝土是弹塑性材料，初次卸载至应力为零时，应变不能全部恢复，可恢复的一部分称为弹性应变ε_ce，刚不可恢复的残余应变称为塑性应变ε_cp。因此，当加载时的最大应力小于某一限值时，一次加载卸载过程中，应力-应变曲线形成一环状。但随着加载卸载重复次数的增加，残余应变会逐渐减小，一般重复5～10次后，加载和卸载的应力-应变曲线就会闭合并接近一条直线，如图1-18所示，此时的混凝土如同弹性体一样工作。试验表明，这条直线与一次短期加荷时的应力-应变曲线在原点的切线基本平行。

需要注意的是，当应力超过某一限值时，经过多次循环，应力-应变关系成直线后，很快又重新变弯且应变越来越大，试件很快破坏，如图1-18所示。这种破坏称为混凝土的“疲劳破坏”。这个限值就是材料能够抵抗周期重复荷载的疲劳强度，用表示。混凝土的疲劳强度与重复荷载作用时混凝土受到的最小应力与最大应力的比值有关，还与混凝土的强度等级、荷载重复次数有关。

（3）混凝土在长期荷载作用下的变形——徐变。在混凝土试件上加载，试件就会产生变形，若维持荷载不变的条件下，混凝土的应变还会继续增加。荷载长期持续作用下，混凝土的应力保持不变，应变随着时间的增长而增大的现象称为混凝土的徐变。

图1-19所示为混凝土试件在持续荷载作用下应变与时间的关系。在加载瞬间，试件就有一个变形，称为混凝土的初始瞬时应变ε₀，在荷载保持不变且持续作用下，应变就会随时间的增长而增大。如果在时间t₁，把荷载卸去，变形就会瞬时恢复一部分，这部分是混凝土弹性影响引起的，属于弹性变形；在卸载之后一段时间内，应变还可逐渐恢复一部分，这部分称为徐回，剩下的应变则不再恢复，称为永久变形。

1)徐变的特点。徐变在前期增长较快，前6个月可完成全部徐变的70%～80%，一年后变形趋于稳定，两年后徐变就基本完成。

2)产生徐变的原因。产生徐变的原因主要有两个方面：一是混凝土中水泥凝胶体在荷载作用下产生的黏性流动(颗粒间的相对滑动)要延续很长时间，并把它所承受的压直力逐渐传递给骨料颗粒，使骨料压应力增大，试件变形也随之增大；二是混凝土内的微裂缝在荷载长期作用下不断发展，也使变形增大。

3)影响徐变的因素。徐变除与时间因素有关外，还与以下因素有关。

a.应力条件。应力条件是引起徐变的直接原因，混凝土截面的应力越大，徐变也越大。

b.加荷龄期。加荷时混凝土龄期越长，水泥石晶体所占比例越大，凝胶体的黏流就越少，徐变就越小。

c.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。试件受荷后，使用环境温度越低，湿度越大，徐变就越小。

d.内部因素。水泥用量越多，徐变越大；水灰比越大，徐变越大；骨料弹性模量越大，级配越好，徐变就越小。

4)徐变对结构的影响。混凝土的徐变在很多情况下对水工结构来说是有利的，如局部的应力集中可以因徐变而得到缓和；支座沉陷引起的应力及温度应力、湿度应力也可由于徐变而得到松弛。但徐变对混凝土结构的不利影响也不容忽视，如徐变可使受弯构件的挠度增大2～3倍；可使细长柱附加偏心距增大，承载力下降；徐变还会导致预应力构件的预应力损失。

2.混凝土在非荷载作用下的变形

混凝土除因荷载作用引起的变形外，还会因温度和湿度的变化引起变形，分别称为温度变形和干湿变形。

（1）温度变形。温度变形对水工建筑物中的大体积混凝土结构而言是非常重要的。当变形受到约束时，温度变化所引起的应力有可能使结构形成贯穿性裂缝，进而导致渗漏、钢筋锈蚀、整体性下降，使结构的承载力和混凝土的耐久性显著降低。

防止措施有控制水灰比和水泥用量、加强振捣、内部降温、使用纤维材料、外部保温等。

（2）干湿变形。混凝土在凝结过程中，体积会发生变化。混凝土在空气中硬结时体积减小而产生收缩；已经干燥的混凝土再置于水中，混凝土又会重新发生膨胀。因混凝土的膨胀系数比收缩系数小得多，且湿胀产生的影响往往是有利的，故设计中一般不考虑湿胀现象。因不少结构构件都不同程度地受到边界的约束作用，如梁受到支座的约束、大体积混凝土的表面混凝土受到内部混凝土的约束作用等，故收缩变形必须加以注意。因为对于这些受到约束不能自由伸缩的构件，混凝土的收缩就会使构件产生有害的收缩应力，最终导致裂缝的产生。

引起混凝土收缩的原因主要有两种：①硬化初期，水泥与水的水化作用形成水泥晶体，这种水泥晶体化合物较原材料的体积小，宏观上引起混凝土的收缩；②后期混凝土内自由水分的蒸发而引起的收缩。

为防止由于收缩产生裂缝，应采取以下措施减少混凝土的收缩：①应加强混凝土的养护，在养护期内使混凝土保持潮湿环境；②要加强施工振捣，提高混凝土的密实度；③在满足设计要求的前提下，减少水泥用量，并降低水灰比；④采用级配好、弹性模量大的骨料；⑤使用纤维材料；⑥设置伸缩缝和后浇带，配置一定数量的构造钢筋。

三、钢筋与混凝土的黏结

（一）钢筋与混凝土之间的黏结力

1.黏结力的组成

钢筋与混凝土能共同工作的基本前提是两者之间具有足够的黏结力。黏结力是指分布在钢筋与混凝土接触面上的剪应力，它起着在钢筋与混凝土之间传递应力的作用。钢筋与混凝土之间的黏结力主要由以下3个方面组成。

(1)化学胶结力。混凝土在结硬过程中因水化作用，在水泥胶体与钢筋间产生胶结力作用。这种力一般很小，当接触面发生相对滑移时，该力即消失。混凝土的强度等级越高，胶结力也越高。

(2)摩擦力。在混凝土凝结过程中及凝结以后，混凝土产生收缩，促使混凝土将钢筋紧紧裹住，钢筋与混凝土之间相互挤压，当钢筋和混凝土之间产生相对滑移趋势时，则此接触面上将产生摩擦力。该摩擦力的大小与混凝土的收缩量及钢筋粗糙程度有关，混凝土的收缩量越大，钢筋表面越粗糙，摩擦力就越大。

(3)机械咬合力。由于钢筋表面凹凸不平，混凝土和钢筋相互咬合，在钢筋与混凝土之间产生滑移趋势时，就存在机械咬合力。对于光面钢筋，由于其表面较光滑，故机械咬合力不大；对于变形钢筋，其与混凝土的咬合力较大，是黏结力的主要来源。

2.影响黏结力的主要因素

(1)钢筋表面形状。钢筋表面形状对钢筋与混凝土的黏结力有很大影响。变形钢筋的黏结能力明显高于光面钢筋。

(2)混凝土强度等级。钢筋和混凝土的黏结能力随着混凝土强度等级的提高而提高。

(3)保护层厚度。混凝土保护层对黏结能力也有重要影响。当混凝土保护层过薄时，保护层混凝土可能产生径向劈裂，减少钢筋与混凝土之间的咬合作用和摩擦作用，黏结能力就会降低。

另外，浇筑混凝土时钢筋的位置和钢筋间距对钢筋与混凝土之间的黏结力也有影响，设计时应符合相关规范的要求。

3.黏结力的测定

钢筋与混凝土之间的黏结应力可用拔出试验来测定。如图1-20所示，在混凝土试件中心埋置钢筋，并在试件外留出一段用于加荷。在加荷端拉拔钢筋，沿钢筋长度上就产生了黏结应力。黏结应力沿钢筋长度不是均匀分布的，而是如图1-20所示的曲线分布，最大黏结力τ_max产生在距加荷端的某一距离处，设平均黏结应力为τ，则在钢筋被拉拔到临界状态时，根据受力平衡得

式中 P——极限拉拔力；

l——钢筋埋入混凝土的长度；

d——钢筋直径。

（二）钢筋的锚固与连接

1.钢筋的锚固

为了使钢筋和混凝土可靠地共同工作，设计时应使钢筋在混凝土中有足够的锚固长度l_a。根据当充分利用钢筋的强度(钢筋应力达到屈服强度f_y)时，钢筋才被拔动的条件，可确定锚固长度l_a，即

《水工混凝土结构设计规范》规定，当计算中充分利用钢筋的拉抗强度时，受拉钢筋伸入支座的锚固长度不应小于表1-9中规定的数值；受压钢筋的锚固长度不应小于表1-9中所给数值的0.7倍。

当符合下列条件时，最小锚固长度应进行修正。

(1)当HRB335级、HRB400级和RRB400级钢筋的直径大于25mm时，其最小锚固长度应乘以修正系数1.1。

(2)HRB335级、HRB400级和RRB400级的环氧树脂涂层钢筋，其最小锚固长度应乘以修正系数1.25。

(3)当钢筋在混凝土施工过程中易受扰动(如滑模施工)时，其最小锚固长度应乘以修正系数1.10。

(4)当HRB335级、HRB400级和RRB400级钢筋在锚固区的间距大于180mm，混凝土保护层厚度大于钢筋直径的3倍或大于80mm且配有箍筋时，其最小锚固长度应乘以修正系数0.8。

(5)除构造需要达到锚固长度外，当受力钢筋的实际配筋截面面积大于其设计计算截面面积时，如有充分依据和可靠措施，其最小锚固长度可乘以设计计算截面面积与实际配筋截面面积的比值。但对有抗震设防要求及直接承受动力荷载的结构构件，不应采用此项修正。

(6)构件顶层水平钢筋(其下浇筑的新混凝土厚度大于1m时)的最小锚固长度宜乘以修正系数1.2。

经上述修正后的最小锚固长度不应小于表1-9中所列数值的0.7倍，且不应小于250mm。

当HRB335级、HRB400级和RRB400级受拉钢筋锚固长度不能满足上述规定时，可在钢筋末端做弯钩［图1-21(a)］、加焊锚板［图1-21(b)］，或在末端采用贴焊锚筋［图1-21(c)］等附加锚固形式。贴焊的锚筋直径取与受力筋的直径d相同，锚筋长度可取为5d；弯钩的弯转角可取为135°，弯钩直段可取为5d。

采用附加锚固后，最小锚固长度可按上述方法规定的l_a乘以附加锚固的折减系数0.7后取用，但需符合下列要求。

(1)纵向钢筋的侧向保护层厚度不小于3d。

(2)锚固长度范围内，箍筋间距不大于5d及100mm；箍筋直径不应小于0.25d，箍筋数量不少于3个；当纵向钢筋的混凝土保护层厚度不小于钢筋直径的5倍时，可不配置上述箍筋。

(3)附加锚固端头的搁置方向宜偏向截面内部或平置。

贴焊锚筋及做弯钩的锚固形式不用于受压钢筋的锚固。

为了保证光面钢筋黏结强度的可靠性，《水工混凝土结构设计规范》还规定绑扎骨架中的受力光圆钢筋应在末端做成180°弯钩，弯后的平直段长度不应小于3d(d为钢筋直径)。弯钩的形式与尺寸如图1-22所示。

带肋钢筋、焊接骨架和焊接网以及作为受压钢筋的光面钢筋可不做弯钩。

当板厚小于120mm时，板的上层钢筋可做成直抵板底的直钩。

2.钢筋的连接

为了便于运输，出厂的钢筋除小直径的盘圆外，一般长度为6～12m，在使用过程中需要通过一定的连接方式将其接长至设计长度。钢筋的连接方式有绑扎搭接、机械连接和焊接。

（1）绑扎搭接。绑扎搭接接头是在钢筋搭接处用铁丝绑扎而成，如图1-23所示。绑扎搭接接头是靠钢筋与混凝土之间的黏结力来传递钢筋之间的内力的，因此必须有足够的搭接长度。

当采用绑扎搭接接头时应注意以下要求。

1)钢筋绑扎搭接接头连接区段的长度为1.3倍最小搭接长度，凡搭接接头中点位于该连接区段长度内的搭接接头，均属于同一连接区段(图1-24)。

2)位于同一连接区段内的受拉钢筋搭接接头面积百分率：梁类、板类及墙类构件，不宜大于25%；柱类构件，不宜大于50%。当工程中确有必要增大受拉钢筋搭接接头面积百分率时，梁类构件不应大于50%；板类、墙类及柱类构件，可根据实际情况放宽。

同一连接区段内纵向钢筋搭接接头面积百分率为该区段内有接头的纵向受力钢筋截面面积与全部纵向受力钢筋截面面积的比值。

3)纵向受拉钢筋绑扎搭接接头的最小搭接长度应根据位于同一搭接长度范围内的钢筋搭接接头面积百分率按下列公式计算,即

式中 l₁——纵向受拉钢筋的搭接长度，mm；

l_a——纵向受拉钢筋的最小锚固长度，mm，按表1-9取用；

ζ——纵向受拉钢筋搭接长度修正系数，按表1 10取用。

在任何情况下，纵向受拉钢筋绑扎搭接接头的搭接长度均不应小于300mm。

4)受压钢筋的搭接接头面积百分率不宜超过50%。纵向受压钢筋的搭接长度不应小于按式(1-11)计算值的0.7倍，且不应小于200mm。

5)梁、柱的绑扎骨架中，在绑扎接头的搭接长度范围内，当钢筋受拉时，其箍筋间距不应大于5d，且不应大于100mm；当钢筋受压时，箍筋间距不应大于10d，且不应大于200mm。在此，为搭接钢筋中最小直径。箍筋直径不应小于搭接钢筋较大直径的0.25倍。

6)当受压钢筋直径d＞25mm时，还应在搭接接头两个端面外100mm范围内各设置两个箍筋。

由于搭接接头仅靠黏结应力传递钢筋内力，可靠性较差，《水工混凝土结构设计规范》规定以下情况不应采用绑扎搭接接头。

1)轴心受拉及小偏心受拉构件(如桁架和拱的拉杆)以及承受振动的构件的纵向受力钢筋，不应采用绑扎搭接接头。

2)双面配置受力钢筋的焊接骨架，不应采用绑扎搭接接头。

3)当受拉钢筋直径d＞28mm，或受压钢筋直径d＞32mm时，不宜采用绑扎搭接接头。

（2）机械连接。机械连接是指在钢筋接头采用螺旋或挤压套筒连接，如图1-25所示。近年来，采用机械方式进行钢筋连接的技术已很成熟。

当采用机械连接时，应注意以下要求。

1)纵向受力钢筋机械连接接头宜相互错开。钢筋机械连接接头连接区段的长度为35d(d为纵向受力钢筋的较大直径)，凡接头中点位于该连接区段长度内的机械连接接头均属于同一连接区段。

2)在受力较大处设置机械连接接头时，位于同一连接区段内的纵向受拉钢筋接头面积百分率不宜大于50%。纵向受压钢筋的接头面积百分率可不受限制。

3)直接承受动力荷载的结构构件中的机械连接接头，位于同一连接区段内的纵向受力钢筋接头面积百分率不应大于50%。

4)机械连接接头连接件的混凝土保护层厚度宜满足纵向受力钢筋最小保护层厚度的要求。连接件之间的横向净间距不宜小于25mm。

（3）焊接。焊接有闪光对焊、搭接焊和帮条焊，如图1-26所示。当采用焊接连接时，应注意以下要求。

1)纵向受力钢筋的焊接接头应相互错开。钢筋焊接接头连接区段的长度为35d(d为纵向受力钢筋的较大直径)且不小于500mm，凡接头中点位于该连接区段长度内的焊接接头均属于同一连接区段。

2)位于同一连接区段内纵向受力钢筋的焊接接头面积百分率，对于纵向受拉钢筋接头，不应大于50%。纵向受压钢筋接头、装配式构件连接处及临时缝处的焊接接头钢筋可不受此比值限制。

3)钢筋直径d≤28mm的焊接接头，宜采用闪光对焊或搭接焊；当d＞28mm时，宜采用帮条焊，帮条截面面积不应小于受力钢筋截面面积的1.2倍(HPB235级钢筋)或1.5倍(HRB335级、HRB400级和RRB400级钢筋)。不同直径的钢筋不应采用帮条焊。搭接焊和帮条焊接头宜采用双面焊缝，钢筋的搭接长度不应小于5d。当施焊条件困难而采用单面焊缝时，其搭接长度不应小于10d。当采用双面焊缝或单面焊缝焊接HPB235级钢筋时，则其搭接长度可分别为4d和8d。

4)直接承受动力荷载的钢筋混凝土构件，不宜采用焊接接头，严禁在钢筋上焊任何附件(端部锚固除外)。

当直接承受吊车荷载的钢筋混凝土吊车梁、屋面梁及屋架下弦的纵向受拉钢筋必须采用焊接接头时，应符合下列规定。

a.必须采用闪光接触对焊，并去掉接头的毛刺及卷边。

b.同一连接区段内纵向受拉钢筋焊接接头面积百分率不应大于25%，此时，焊接接头连接区段的长度应取为45d(d为纵向受力钢筋的较大直径)。

知识技能训练

一、填空题

1.钢筋按其化学成分的不同，可分为____和____。

2.热轧钢筋是由低碳钢、普通低合金钢在高温状态下轧制而成的，按屈服强度标准值大小分为-、____、____、____，分别用符号____表示。

3.钢筋的力学性能主要包括____和____。

4.预应力钢筋宜采用____、____，也可采用____或____。

5.水利工程中采用的混凝土强度等级共分为____级，一般认为，强度等级达到或超过____的混凝土为高强度混凝土。

6.混凝土的变形有两类：一类是由____作用产生的变形；另一类是由____作用引起的变形。

7.钢筋与混凝土之间的黏结力主要由____、____、____3个方面组成。

8.钢筋的连接方式有____、____、____。

二、选择题

1.HRB335中的335代表()。

A.钢筋强度的平均值

B.钢筋强度的标准值

C.钢筋强度的设计值

D.钢筋强度的最大值

2.热轧钢筋的含碳量越高，则()。

A.屈服台阶越长，伸长率越大，塑性越好，强度越高

B.屈服台阶越短，伸长率越小，塑性越差，强度越低

C.屈服台阶越短，伸长率越小，塑性越差，强度越高

D.屈服台阶越长，伸长率越大，塑性越好，强度越低

3.有明显屈服点的钢筋的强度指标值是根据()确定的。

A.比例极限

B.屈服强度

C.极限抗拉强度

D.破坏时强度

4.混凝土的强度等级是根据混凝土的()确定的。

A.立方体抗压强度设计值

B.立方体抗压强度标准值

C.立方体抗压强度平均值

D.具有90%保证率的立方体抗压强度

5.混凝土强度等级越高，则应力-应变曲线的下降()。

A.越陡峭

B.越平缓

C.无明显变化

D.无规律

6.水工钢筋混凝土构件所用混凝土强度等级不宜低于()。

A.C15

B.C20

C.C25

D.C30

7.混凝土的水灰比越大，水泥用量越多，则徐变及收缩值()。

A.越大

B.越小

C.基本不变

D.无规律

8.受压钢筋的锚固长度比受拉钢筋的锚固长度()。

A.大

B.小

C.相同

D.不一定

9.受拉钢筋锚固长度()。

A.随混凝土等级的提高而增大

B.随钢筋等级提高而降低

C.随混凝土等级提高而减小，随钢筋等级提高而增大

D.随混凝土及钢筋等级提高而减小

10.当受拉钢筋的直径大于()mm时，不宜采用绑扎搭接接头。

A.20

B.25

C.28

D.30

11.钢筋按其加工工艺和力学性能可分为()。

A.热轧钢筋

B.预应力混凝土螺纹钢筋

C.钢绞线和钢丝

D.钢棒

12.下列属于没有明显屈服点的钢筋有()。

A.热轧钢筋

B.预应力混凝土螺纹钢筋

C.钢棒

D.钢绞线

13.软钢检验的主要指标有()。

A.屈服强度

B.极限抗拉强度

C.伸长率

D.冷弯性能

14.混凝土的强度指标有()。

A.立方体抗压强度

B.轴心抗拉强度

C.轴心抗压强度

D.弯曲抗压强度

15.钢筋与混凝土之间的黏结力由()几部分组成。

A.化学胶结力

B.摩擦力

C.机械咬合力

D.黏结力

16.下列关于混凝土徐变的说法，正确的是()。

A.初始加载时混凝土的龄期越短，则徐变越大

B.持续作用的应力越大，徐变越大

C.混凝土组成材料的弹性模量高，徐变小

D.水灰比大，徐变小

三、问答题

1.有明显屈服点的钢筋在设计时取什么强度作为设计的依据?为什么?

2.钢筋混凝土结构对钢筋有哪些要求?为什么?

3.材料强度设计值与材料强度标准值之间的关系是什么?

4.混凝土强度指标主要有哪几种?哪一种是基本的?各用什么符号表示?它们之间有何数量关系?

5.影响徐变的因素有哪些?徐变对钢筋混凝土结构有哪些影响?

6.如何减小混凝土构件中的收缩裂缝?

7.大体积混凝土结构中，能否用钢筋来防止温度裂缝或干缩裂缝的出现?为什么?

8.影响钢筋与混凝土之间黏结力的主要因素有哪些?