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项目 4 选择混凝土结构材料. 知识目标： 熟悉钢筋、 混凝土材料 的种类和特性 了解钢筋与混凝土之间的粘结，了解钢筋的锚固、连接及弯钩 能力目标： 能够根据建筑方案选择合适的建筑材料。. 任务 1 选择钢筋、混凝土材料 工作任务： 参观结构模型房，了解该结构选用了哪些种类的钢筋、混凝土材料 , 完成建筑材料调查统计表 5-1 、 5-2 。. 5-1 钢筋调查统计表. 5-2 混凝土调查统计表. 4.1 钢筋的形式和品种 1 钢筋的成分
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项目4选择混凝土结构材料 • 知识目标： • 熟悉钢筋、混凝土材料的种类和特性 • 了解钢筋与混凝土之间的粘结，了解钢筋的锚固、连接及弯钩 • 能力目标： • 能够根据建筑方案选择合适的建筑材料。
任务1 选择钢筋、混凝土材料 工作任务： 参观结构模型房，了解该结构选用了哪些种类的钢筋、混凝土材料,完成建筑材料调查统计表5-1、5-2。 5-1钢筋调查统计表
4.1 钢筋的形式和品种 1 钢筋的成分 （1）碳素钢：低碳钢（含C量少于0.25%）；高碳钢（含C量0.6%-1.4%）。 *钢筋含C量越高强度越高，但塑性和可焊性降低。 （2）普通低合金钢：在钢材中除C元素外加入Mn（锰）、Si（硅）、V（矾）、Nb（铌）、Ti（钛）、Cr（铬）等合金元素，既能使钢筋的强度提高，又能保持一定的塑性。
2 钢筋的品种和级别 （1）热轧钢筋：HPB235（Hot-rolled and Plain-shaped Bars）、 HRB335（Hot-rolled and Ribbed Bars）、HRB400。 *后面的数字表示钢筋抗拉强度的标准值（Mpa）。
（2）冷拉钢筋：对某些热轧钢筋进行冷加工而成，钢筋的强度提高、但塑性降低（新修订的规范未将冷加工钢筋列入）。（2）冷拉钢筋：对某些热轧钢筋进行冷加工而成，钢筋的强度提高、但塑性降低（新修订的规范未将冷加工钢筋列入）。 （3）钢丝、钢绞线：高强钢丝（1570Mpa、1860Mpa），中强钢丝（800-1370Mpa），钢绞线（1570Mpa、1860Mpa，分为7股、3股等）。
（4）热处理钢筋：对某些热轧钢筋经过淬火和回火处理后而成，钢筋的强度大幅度提高，而塑性降低不多。（4）热处理钢筋：对某些热轧钢筋经过淬火和回火处理后而成，钢筋的强度大幅度提高，而塑性降低不多。 *RRB400（Remained heated treatment Ribbed Bars）为一种“余热处理钢筋”。
柔性钢筋和劲性钢筋(1) 柔性钢筋：由钢筋经绑扎或焊接成钢筋网及空间骨架，便于固定在模板中浇注混凝土。(2) 劲性钢筋：由各种型钢或型钢与钢筋焊成骨架，施工时模板及混凝土的重量由钢筋本身承担。
4.2 钢筋的力学性能 • 1 钢筋的应力-应变关系 Stress-Strain Relation • 有明显屈服点的钢筋（软钢）
① a’点--比例极限，应力和应变成比例，卸荷后应变恢复为零， ②a点--弹性极限，a’-a段应变增长速度比应力增长速度略快，但卸荷后应变仍能恢复为零， ③b点--上屈服点（其值不够稳定）， ④c点--下屈服点（其值稳定），对有明显屈服点的钢筋，下屈服点的应力值称为钢筋的屈服强度或流限， ⑤c-f段--屈服台阶或流幅， ⑥f-d段--强化段，d点的应力称为极限抗拉强度， ⑦d-e段--颈缩段，
（2）无明显屈服点的钢筋（硬钢） 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 (Equivalent yield point) 残余应变为0.2%所对应的应力 《规范》取s0.2 =0.85 fu
2 钢筋的弹性模量 钢筋在弹性阶段的应力与应变之比称为弹性模量，用Es表示，钢筋的弹性模量见表4-2。 表4-2钢筋弹性模量（单位：×105N/mm2） 注：必要时钢绞线可采用实测得到弹性模量。
4.3 对钢筋质量的要求 1 强度 钢筋的屈服强度是设计依据（见表表4-3），极限强度表示钢筋拉断时的实际强度。 2 塑性 （1）伸长率（伸长率越大，表示钢筋塑性或延性越好） 钢筋的断后伸长率： （2）冷弯性能 *对有明显屈服点的钢筋：检验屈服强度、极限抗拉强度、伸长率、冷弯性能四项指标， *对没有明显屈服点的钢筋：只须检验极限抗拉强度、伸长率、冷弯性能三项指标。
表4-3 普通钢筋强度标准值、强度设计值（N/mm2） 注：钢筋混凝土结构中，轴心受拉和小偏心受拉钢筋抗拉强度设计值大于300N/mm2，仍应按300N/mm2取用。
4. 钢筋的选用原则 （1）钢筋的选用原则 《混凝土规范》规定按下述原则选用钢筋： 1）钢筋混凝土结构中的钢筋和预应力混凝土结构中的非预应力钢筋宜采用HRB400级和HRB335级钢筋，也可以采用HPB235级和RRB400级钢筋； 2）预应力混凝土结构中的预应力钢筋宜采用预应力钢铰线、钢丝，也可以采用热处理钢筋； 3）使用冷加工钢筋应符合专门规定。 5. 各种直径钢筋的公称面积、计算面积及理论重量见表4-1
表4-1 钢筋的计算截面面积及理论重量 注：表中的d =8.2mm计算截面面积及理论重量仅适用于有纵肋的热处理钢筋。
4.4 混凝土的强度等级1.混凝土的组成 混凝土是由水泥、砂（细骨料）、石（粗骨料）、水拌和而成，各组成材料的性能对混凝土的性能有较大影响。2.混凝土的强度等级(1) 标准试件：边长150mm的立方体混凝土试块；(2) 标准养护条件：20。C±3。C、相对湿度不小于90%、养护28d；(3) 标准试验方法：试块表面不涂润滑剂、全截面均匀受压、加荷速度0.15-0.25N/mm2·s。混凝土强度等级按照用上述方法测得的具有95%保证率的抗压强度（单位：N/mm2）确定，用符号“C”表示。
4.7 混凝土的强度 4.7.1 立方体抗压强度 影响混凝土强度的因素： (1) 试验方法 *试件表面不涂润滑剂，在“套箍”作用，测得的强度值较高； *试件表面涂润滑剂，测得的强度值较低； *加荷速度：加荷速度快，测得的强度值较高；加荷速度慢， 测得的强度值较低。
(2) 试件的尺寸和形状 立方体试块尺寸（mm） 强度换算系数 200×200×200 1.05 150×150×150 1.00 100×100×100 0.95 *试件的形状（如圆柱体）对测得的强度值也有影响，也应乘以相应的换算系数。 (3) 养护条件和龄期
4.7.2 混凝土的轴心抗压强度（棱柱体强度） *当试件的高度h与截面边长b之比增大时，“套箍”作用减小，测得的强度值降低。 *h/b=2-4时，测得的抗压强度值比较稳定，规定150×150×300mm的试件作为试验混凝土轴心抗压强度的标准试件。 试验结果：（试验研究应用） 《规范》取值： （工程设计应用）
4.7.3 混凝土的轴心抗拉强度 混凝土的抗拉强度远小于其抗压强度，一般为， -- 1 测定混凝土抗拉强度的试验方法 （1）直接拉伸试验 （2）劈裂试验 2 抗拉强度表达式 *对常用的C40及以下的混凝土 =1.0，可分别表示为： （试验研究应用） （工程设计应用）
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分项系数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分项系数 =1.4。各种强度等级的混凝土强度标准值、强度设计值分别按表4-4、表4-5采用。 表4-4 混凝土强度标准值(N/mm2) 表4-5 混凝土强度设计值(N/mm2)
4.8 荷载作用下混凝土的变形性能 4.8.1 混凝土的应力-应变关系 1 混凝土在一次短期加荷下的应力-应变曲线： 2 影响混凝土应力-应变曲线的因素: （1）混凝土强度：混凝土强度越高，上升段愈接近直线，峰值应变略有增加（但仍在左右），下降段越陡；混凝土强度越低，下降段越平缓。
（2）加荷速度：加荷速度增加，最大应力值增加，峰值应变减小，下降段陡峭。（2）加荷速度：加荷速度增加，最大应力值增加，峰值应变减小，下降段陡峭。 （3）横向约束作用：横向约束增大，峰值应力、应变均增大，下降段减缓。
4.8.2 混凝土的弹性模量（Modulus of elasticity of concrete） 1.混凝土弹性模量的三种表示方法 ①原点弹性模量: ②切线模量: ③割线模量:
2 混凝土弹性模量的测定 在工程实践中所称的混凝土弹性模量是指“原点弹性模量”，通过试验得到。 混凝土的弹性模量Ec按表4-6采用。 表4-6 混凝土弹性模量 （单位：×104N/mm2）
混凝土的选用原则 • 为保证结构安全可靠、经济耐久，选择混凝土时，要综合考虑材料的力学性能、耐久性能、施工性能和经济性等方面的问题，按照《混凝土规范》的要求进行选用。 • （1）钢筋混凝土结构的混凝土的强度等级不应低于C15；当采用HRB335级钢筋时，混凝土的强度等级不宜低于C20；当采用HRB400和RRB400级钢筋时，以及承受重复荷载的构件，混凝土强度等级不得低于C20。 • （2）预应力混凝土结构的混凝土的强度等级不应低于C30；当采用钢铰线、钢丝、热处理钢筋作预应力钢筋时，混凝土的强度等级不宜低于C40。 • （3）当采用山砂混凝土或高炉矿渣混凝土时，尚应符合专门标准的规定。
任务2 了解钢筋的锚固与连接 工作任务： 参观结构模型房，查阅图集，了解钢筋的锚固长度，测量梁和板钢筋锚固长度，检验钢筋的锚固是否满足要求，查看钢筋的连接方式和弯钩形式，并填写表5-3。
4.10 钢筋与混凝土间的粘结 1.粘结的作用和性质 钢筋与混凝土间的粘结是保证钢筋和混凝土共同工作的基础，粘结应力是钢筋和混凝土接触面上的剪应力，使钢筋和周围混凝土之间的内力得到传递。 2.粘结机理分析（粘结力的组成） ⑴化学胶结力：来源于水泥浆体和钢筋表面之间化学作用产生的吸附胶着作用； ⑵摩擦力：混凝土凝结硬化时的收缩使接触面上产生正压应力及摩擦力； ⑶机械咬合力：钢筋表面粗糙不平产生的咬合作用（光面钢筋），肋间钢筋与混凝土之间的咬合作用（变形钢筋）。
3. 钢筋的锚固 在混凝土结构设计中钢筋伸入支座或在连续梁顶部负弯距区段的钢筋截断时，应将钢筋延伸一定的长度，这就是钢筋的锚固。只有钢筋有足够的锚固长度，才能积累足够的粘结力，使钢筋能承受拉力。当计算中充分利用钢筋的抗拉强度时，受拉钢筋的锚固长度应按式（4-3）计算： 普通钢筋：la=αfyd/ft （4-3a） 预应力钢筋：la=αfpyd/ft （4-3b） 式中 la～受拉钢筋的锚固长度；fy、fpy～普通钢筋、预应力钢筋的抗拉强度设计值；ft～混凝土轴心抗拉强度设计值；当混凝土强度等级高于C40时，按C40取值；d～钢筋的公称直径；α～钢筋的外形系数，按表4-7取用。
表4-7 钢筋的外形系数 注：光面钢筋指HPB235级钢筋，其末端应做180°弯钩，弯后平直段长度不应小于3d，但作受压钢筋时可不做弯钩；带肋钢筋系指HRB335级、HRB400级钢筋及RRB400级余热处理钢筋。 当符合某些条件时（详见混凝土规范），计算的锚固长度应进行修正,受拉钢筋的最小锚固长度见下表。
4. 混凝土保护层厚度 为了保护钢筋（防腐、防火）和保证钢筋和混凝土之间的粘结力，钢筋外表面至构件表面要保持一定距离，这个距离之间的混凝土层叫做保护层。梁的保护层厚度见表3-2(环境类别见表1-1)：
图3-5 净距、保护层及有效高度 表3-2 纵向受力钢筋的混凝土保护层最小厚度（mm） 注：基础的保护层厚度不应小于40mm，当无垫层时不应低于70mm。
5. 端弯钩 为保证钢筋和混凝土之间的粘结力，防止钢筋在受拉时滑动，对承受拉力的光圆钢筋，其两端要做成弯钩。弯钩的形式有：半圆弯钩和直弯钩等，如图所3-4示。 对螺纹钢筋，两端可不做弯钩。 图3-4 钢筋和箍筋的弯钩
绑扎搭接 钢筋连接形式 机械连接或焊接 （1）绑扎搭接接头 工作原理：通过钢筋与混凝土之间的粘结强度来传递钢筋的内力。 6.钢筋的连接
适用范围： ■轴心受拉及小偏心受拉构件的纵向受力钢筋不得采用绑扎搭接接头； ■直径大于28mm的受拉钢筋及直径大于32mm的受压钢筋不宜绑扎搭接接头。 1）受拉钢筋搭接 纵向受拉钢筋绑扎搭接接头的搭接长度ll应根据位于同一连接区段内的钢筋搭接接头面积百分率按下式计算，且在任何情况下均不应小于300mm：
ll =ζla≥300mm (3.1.2) 式中la—受拉钢筋的锚固长度； ζ—受拉钢筋搭接长度修正系数，按表3.1.6采用。
搭接接头的要求： 接头率：钢筋绑扎搭接接头连接区段的长度为1.3倍搭接长度，凡搭接接头中点位于该长度范围内的搭接接头均属同一连接区段。位于同一连接区段内的受拉钢筋搭接接头面积百分率(即有接头的纵向受力钢筋截面面积占全部纵向受力钢筋截面面积的百分率)，对于梁类、板类和墙类构件，不宜大于25%；
对柱类构件，不宜大于50%。当工程中却有必要增大受拉钢筋搭接接头面积百分率时，对梁类构件不应大于50%；对板类、墙类及柱类构件，可根据实际情况放宽。对柱类构件，不宜大于50%。当工程中却有必要增大受拉钢筋搭接接头面积百分率时，对梁类构件不应大于50%；对板类、墙类及柱类构件，可根据实际情况放宽。 l同一构件中相邻纵向的绑扎搭接接头宜相互错开。在纵向受力钢筋搭接长度范围内应配置箍筋，其直径不应小于搭接钢筋较大直径的0.25倍。当钢筋受拉时，箍筋间距s不应大于搭接钢筋较小直径的5倍，且不应大于100mm；当钢筋受压时，箍筋间距s不应大于搭接钢筋较小直径的10倍，且不应大于200mm。
当受压钢筋直径大于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。当受压钢筋直径大于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。 • 架立钢筋与受力钢筋的搭接长度应符合下列规定：架立钢筋直径＜10mm时，搭接长度为100mm；架立钢筋直径≥10mm时，搭接长度为150mm。 （2）机械连接接头 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）。在受力较大处设置机械连接接头时，位于同
一连接区段内纵向受拉钢筋机械连接接头面积百分率不宜大于50%，纵向受压钢筋可不受限制；在直接承受动力荷载的结构构件中不应大于50%。一连接区段内纵向受拉钢筋机械连接接头面积百分率不宜大于50%，纵向受压钢筋可不受限制；在直接承受动力荷载的结构构件中不应大于50%。 （3）焊接接头 纵向受力钢筋的焊接接头应相互错开。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）且不小于500mm。位于同一连接区段内纵向受拉钢筋的焊接接头面积百分率不应大于50%，纵向受压钢筋可不受限制。
