钢筋混凝土的力学性能.ppt

材料性能材料性能 第一章第一章 钢筋混凝土的力学性能钢筋混凝土的力学性能 1 1.1.1 钢筋钢筋 1.21.2 混凝土的强度混凝土的强度 1.3 1.3 混凝土的变形混凝土的变形 1.41.4 钢筋和混凝土的共同工作钢筋和混凝土的共同工作 1 材料性能材料性能 1.1.1 1.1.1 钢筋的性能钢筋的性能 钢筋作用钢筋作用 受力钢筋受力钢筋 架立钢筋架立钢筋 分布钢筋分布钢筋 纵向构造钢筋纵向构造钢筋( (腰筋腰筋) ) 构造箍筋构造箍筋 1.1 1.1 钢钢 筋筋 主要承担拉力，也可加强砼的抗压能力主要承担拉力，也可加强砼的抗压能力. . 保证受力钢筋的设计位置不因捣制砼而有所移动保证受力钢筋的设计位置不因捣制砼而有所移动 将构件所受到的外力分布在较广的范围，以改将构件所受到的外力分布在较广的范围，以改 善在板中受力情况，同时固定受力钢筋。善在板中受力情况，同时固定受力钢筋。 改善梁、柱中受力情况，同时固定受力钢筋。改善梁、柱中受力情况，同时固定受力钢筋。 梁截面高度较大时梁中构造钢筋梁截面高度较大时梁中构造钢筋 2 材料性能材料性能 受力、架立和分布钢筋并不一定能绝对区别开来，即同一钢筋往受力、架立和分布钢筋并不一定能绝对区别开来，即同一钢筋往 往可同时起上述两种以上的作用，此外，钢筋往往还有其它作用，往可同时起上述两种以上的作用，此外，钢筋往往还有其它作用， 如，一般砼收缩及温度变化的应力能常就利用受力与分布钢筋来承如，一般砼收缩及温度变化的应力能常就利用受力与分布钢筋来承 受，但有时也设专门的温度钢筋。受，但有时也设专门的温度钢筋。 3 材料性能材料性能 砼结构对钢筋质量要求砼结构对钢筋质量要求 适当强度：适当强度：屈服和极限强度，屈服强度是计算主要依据；屈服和极限强度，屈服强度是计算主要依据； 可焊性好：可焊性好：要求钢筋焊接后不产生裂纹及过大变形；要求钢筋焊接后不产生裂纹及过大变形； 足够塑性：足够塑性：以伸长率和冷弯性能为主要指标，即要求钢筋以伸长率和冷弯性能为主要指标，即要求钢筋 断裂前有足够变形，在钢筋混凝土结构中，能给出构件将断裂前有足够变形，在钢筋混凝土结构中，能给出构件将 要破坏的预告信号，同时保证钢筋冷弯要求。一般而言强要破坏的预告信号，同时保证钢筋冷弯要求。一般而言强 度高的钢筋塑性和可焊性就差些；度高的钢筋塑性和可焊性就差些； 钢筋耐火性：钢筋耐火性：热轧钢筋最好，冷拉钢筋其次，预应力钢筋热轧钢筋最好，冷拉钢筋其次，预应力钢筋 最差，设计时注意砼保护层厚度满足耐火极限要求。最差，设计时注意砼保护层厚度满足耐火极限要求。 与砼粘结良好与砼粘结良好: :保证共同工作。保证共同工作。 4 材料性能材料性能 1.1.2 1.1.2 钢筋品种、级别和分类钢筋品种、级别和分类 砼结构设计规范砼结构设计规范规定，用于钢筋混凝土结构的国产普通规定，用于钢筋混凝土结构的国产普通 钢筋可使用钢筋可使用热轧钢筋热轧钢筋。用于预应力砼结构的国产预应力钢筋可。用于预应力砼结构的国产预应力钢筋可 使用使用预应力钢丝预应力钢丝（消除应力钢丝、螺旋肋钢丝、刻痕钢丝消除应力钢丝、螺旋肋钢丝、刻痕钢丝）、 钢绞线，也可使用热处理钢筋。钢绞线，也可使用热处理钢筋。 热轧钢筋热轧钢筋 由低碳钢、普通低合金钢在高温状态下轧制而成。按由低碳钢、普通低合金钢在高温状态下轧制而成。按 其强度由低到高分为其强度由低到高分为HPB235HPB235（原（原级）、级）、HRB335 HRB335 （级）级） 、 HRB400 HRB400 （级）和级）和RRB400 RRB400 （余热处理（余热处理级，可作为三级钢筋使级，可作为三级钢筋使 用，但焊接受热回火可能降低强度且高强部分集中在钢筋表层，疲用，但焊接受热回火可能降低强度且高强部分集中在钢筋表层，疲 劳性能、冷弯性能受到影响。）其余钢筋的制作工艺可参考相关资劳性能、冷弯性能受到影响。）其余钢筋的制作工艺可参考相关资 料。料。 规范规定钢筋混凝土结构中的纵向受力钢筋宜优先采用 HRB400 级钢筋。5 材料性能材料性能 用冷拉或冷拔的冷加工方法可提高热轧钢筋强度。用冷拉或冷拔的冷加工方法可提高热轧钢筋强度。 冷拉时，钢筋冷拉应力值必须超过钢筋屈服强度。冷拉后经过一段时间钢筋冷拉时，钢筋冷拉应力值必须超过钢筋屈服强度。冷拉后经过一段时间钢筋 屈服点有所提高，这种现象称为时效硬化。时效硬化和温度有关，温度过高屈服点有所提高，这种现象称为时效硬化。时效硬化和温度有关，温度过高 （450450以上）强度反而有所降低而塑性性能却有所增加，温度超过以上）强度反而有所降低而塑性性能却有所增加，温度超过700700， 钢材会恢复到冷拉前力学性能，不会发生时效硬化。钢材会恢复到冷拉前力学性能，不会发生时效硬化。为避免冷拉钢筋在焊接时为避免冷拉钢筋在焊接时 高温软化，要先焊好后再进行冷拉高温软化，要先焊好后再进行冷拉。钢筋经过冷拉和时效硬化，能提高屈服强钢筋经过冷拉和时效硬化，能提高屈服强 度、节约钢材，但冷拉后钢筋塑性有所降低。为了保证钢筋在强度提高的同度、节约钢材，但冷拉后钢筋塑性有所降低。为了保证钢筋在强度提高的同 时又具有一定的塑性，冷拉时应该同时控制应力和控制应变。时又具有一定的塑性，冷拉时应该同时控制应力和控制应变。 冷拔钢筋是将钢筋用强力拔过比小直径硬质合金拔丝模，同时受到纵向拉力冷拔钢筋是将钢筋用强力拔过比小直径硬质合金拔丝模，同时受到纵向拉力 和横向压力作用，截面变小而长度拔长。经过几次冷拔，钢丝的强度比原来和横向压力作用，截面变小而长度拔长。经过几次冷拔，钢丝的强度比原来 有很大提高，但塑性降低很多。有很大提高，但塑性降低很多。冷拉只能提高钢筋的抗拉强度，冷拔则可同冷拉只能提高钢筋的抗拉强度，冷拔则可同 时提高抗拉及抗压强度时提高抗拉及抗压强度。应用冷加工钢筋应参照相应的行业标准。应用冷加工钢筋应参照相应的行业标准。 知识点：冷拉及冷拔钢筋知识点：冷拉及冷拔钢筋 6 材料性能材料性能 知识点：按外形特点分类知识点：按外形特点分类 目前广泛使用的变形钢筋是纵肋与横肋不相交的月牙纹钢筋，与螺目前广泛使用的变形钢筋是纵肋与横肋不相交的月牙纹钢筋，与螺 纹钢筋相比，月牙纹钢筋避免了纵横肋相交处的应力集中现象，使钢纹钢筋相比，月牙纹钢筋避免了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改善，而且还具有在轧制过程中不筋的疲劳强度和冷弯性能得到一定改善，而且还具有在轧制过程中不 易卡辊的优点；不足的是与螺纹钢筋相比，月牙纹钢筋与砼的粘结强易卡辊的优点；不足的是与螺纹钢筋相比，月牙纹钢筋与砼的粘结强 度略有降低。度略有降低。 光面钢筋光面钢筋 螺纹钢筋螺纹钢筋 月牙纹钢筋月牙纹钢筋 人字纹钢筋人字纹钢筋 7 材料性能材料性能 知识点：知识点：柔性及劲性钢筋柔性及劲性钢筋 钢筋混凝土结构中使用的钢筋又可以分为柔性钢筋及劲性钢筋。钢筋混凝土结构中使用的钢筋又可以分为柔性钢筋及劲性钢筋。 柔性钢筋柔性钢筋 常用的普通钢筋的统称。其外形有光圆和带肋两类，带肋常用的普通钢筋的统称。其外形有光圆和带肋两类，带肋 钢筋又可分为等高肋和月牙肋两种。钢筋又可分为等高肋和月牙肋两种。I I级钢筋是光圆钢筋，级钢筋是光圆钢筋，IIII级、级、IIIIII 级钢筋是带肋的，统称为变形钢筋。钢丝的外形通常为光圆，也有级钢筋是带肋的，统称为变形钢筋。钢丝的外形通常为光圆，也有 在表面刻痕的。柔性钢筋可绑轧或焊接成钢筋骨架或钢筋网，分别在表面刻痕的。柔性钢筋可绑轧或焊接成钢筋骨架或钢筋网，分别 用于梁、柱、板、壳结构中。用于梁、柱、板、壳结构中。 劲性钢筋劲性钢筋 是由各种型钢与钢筋焊接成的骨架。劲性钢筋本身刚度很是由各种型钢与钢筋焊接成的骨架。劲性钢筋本身刚度很 大，施工时模板及混凝土的重力可以由劲性钢筋本身来承担，因此大，施工时模板及混凝土的重力可以由劲性钢筋本身来承担，因此 能加速并简化支模工作，承载能力也比较大。能加速并简化支模工作，承载能力也比较大。 8 材料性能材料性能 软钢软钢：有明显屈服台阶的钢筋：有明显屈服台阶的钢筋( (热轧钢筋、冷拉钢筋热轧钢筋、冷拉钢筋 ) ) 硬钢硬钢：无明显屈服台阶的钢筋：无明显屈服台阶的钢筋( (钢丝、热处理钢筋钢丝、热处理钢筋) ) 1.1.3 1.1.3 钢筋的强度和变形钢筋的强度和变形 9 材料性能材料性能 1.1.3 1.1.3 钢筋的强度和变形钢筋的强度和变形 1 1、 钢筋的变形指标钢筋的变形指标 l P P 伸长率伸长率钢筋拉断后的伸长值与原长的比值钢筋拉断后的伸长值与原长的比值 伸长率越大，塑性越好。伸长率越大，塑性越好。 冷弯性能冷弯性能将直径为将直径为d d的钢筋绕过直径的钢筋绕过直径 为为D D的弯芯弯曲到规定角度后无裂纹断裂的弯芯弯曲到规定角度后无裂纹断裂 及起层现象为合格及起层现象为合格 D D越小，弯转角越大，塑性越好。越小，弯转角越大，塑性越好。 10 材料性能材料性能 2 2 钢筋应力应变曲线钢筋应力应变曲线 oaoa弹性阶段弹性阶段, ,acac流塑流塑阶段阶段, ,cdcd强化阶段强化阶段, ,dede颈缩阶段颈缩阶段 a a 比例极限比例极限, , b b 屈服强度屈服强度, , d d 极限强度极限强度, , 0.20.2条件屈服强度 条件屈服强度 比例极限比例极限 屈服强度屈服强度 极限强度极限强度 o (N/mm2) fy ft e d 流幅流幅 a bc 0.2% 0.2 (N/mm2) o 软钢软钢 硬钢硬钢 11 材料性能材料性能 3 3 钢筋强度设计值的取值依据钢筋强度设计值的取值依据 对于软钢取屈服强度对于软钢取屈服强度 fyfy 作为强度设计依据。作为强度设计依据。 对于硬钢取条件屈服强度对于硬钢取条件屈服强度 0.2 0.2作为强度设计依据 作为强度设计依据( (取取 0.2 0.2=0.8f =0.8fsu su) )。 。 由于构件中钢筋的应力达到屈服点后，会产生很大的塑性变形，由于构件中钢筋的应力达到屈服点后，会产生很大的塑性变形， 使得钢筋混凝土构件出现很大的变形和过宽的裂缝，以致不能使用，使得钢筋混凝土构件出现很大的变形和过宽的裂缝，以致不能使用， 所以对有明显流幅的钢筋，在计算承载力时以屈服点作为钢筋强度限所以对有明显流幅的钢筋，在计算承载力时以屈服点作为钢筋强度限 值。对没有明显流幅或屈服点的预应力钢丝、钢绞线和热处理钢筋，值。对没有明显流幅或屈服点的预应力钢丝、钢绞线和热处理钢筋， 为了与钢筋国家标准相一致，为了与钢筋国家标准相一致，规范规范中也规定在构件承载力设计时中也规定在构件承载力设计时 ，取极限抗拉强度，取极限抗拉强度8080作为条件屈服点。作为条件屈服点。 钢筋受压性能在到达屈服强度前与受拉时应力应变规律相同，其屈钢筋受压性能在到达屈服强度前与受拉时应力应变规律相同，其屈 服强度也与受拉时基本一样。在达到屈服强度之后，由于试件发生明服强度也与受拉时基本一样。在达到屈服强度之后，由于试件发生明 显的塑性压缩，截面积增大，因而难以给出明确的抗压极限强度。显的塑性压缩，截面积增大，因而难以给出明确的抗压极限强度。 12 材料性能材料性能 1.1.4 1.1.4 钢筋的强度和变形指标钢筋的强度和变形指标 1 1 钢筋强度指标钢筋强度指标 钢筋力学性能要求：屈服强度、极限强度、伸长率、冷弯性能。钢筋力学性能要求：屈服强度、极限强度、伸长率、冷弯性能。 （1 1）软钢：）软钢：屈服强度、极限强度屈服强度、极限强度 当某截面钢筋应力达到屈服强度后，试件将在荷载基本不增加情况下产当某截面钢筋应力达到屈服强度后，试件将在荷载基本不增加情况下产 生持续塑性变形，构件可能在钢筋尚未进入强化阶段之前就已破坏或产生生持续塑性变形，构件可能在钢筋尚未进入强化阶段之前就已破坏或产生 过大的变形与裂缝。因此，过大的变形与裂缝。因此，钢筋的屈服强度是钢筋关键性强度指标钢筋的屈服强度是钢筋关键性强度指标；此外；此外 ，钢筋的屈强比（屈服强度与极限强度之比）表示结构可靠性潜力钢筋的屈强比（屈服强度与极限强度之比）表示结构可靠性潜力。在抗。在抗 震结构中，考虑受拉钢筋可能进入强化阶段，要求其屈强比震结构中，考虑受拉钢筋可能进入强化阶段，要求其屈强比0.80.8，因而钢，因而钢 筋极限强度是检验钢筋质量的另一强度指标。筋极限强度是检验钢筋质量的另一强度指标。 （2 2）硬钢：）硬钢：极限强度极限强度 由于其条件屈服点不易测定，钢筋质量检验以极限强度作为主要强度指由于其条件屈服点不易测定，钢筋质量检验以极限强度作为主要强度指 标，并规定取条件屈服强度为极限强度标，并规定取条件屈服强度为极限强度0.80.8倍，即倍，即f f0.2 0.2 0.8f0.8fsu su。 。13 材料性能材料性能 2 2 钢筋变形性能指标钢筋变形性能指标 （1 1）伸长率）伸长率 为钢筋试件拉断后的伸长值与原长的比率。伸长率是衡量钢筋塑性为钢筋试件拉断后的伸长值与原长的比率。伸长率是衡量钢筋塑性 性能的一个指标，伸长率越大，塑性越好。塑性好的钢筋，拉断前有明性能的一个指标，伸长率越大，塑性越好。塑性好的钢筋，拉断前有明 显的预兆，反之，则呈脆性特征。显的预兆，反之，则呈脆性特征。 （2 2）冷弯试验）冷弯试验 是检验钢筋塑性的另一种方法，伸长率一般不能反映钢材脆化的倾是检验钢筋塑性的另一种方法，伸长率一般不能反映钢材脆化的倾 向，为使钢筋在弯折加工时不易断裂和使用过程中不致脆断，应进行冷向，为使钢筋在弯折加工时不易断裂和使用过程中不致脆断，应进行冷 弯试验，并保证满足规定的指标。冷弯试验的合格标准为在规定弯心直弯试验，并保证满足规定的指标。冷弯试验的合格标准为在规定弯心直 径和冷弯角度下冷弯后的钢筋应无裂纹、鳞落或断裂现象。径和冷弯角度下冷弯后的钢筋应无裂纹、鳞落或断裂现象。 注：屈服强度、极限强度、伸长率和冷弯性能是对软钢进行质量检注：屈服强度、极限强度、伸长率和冷弯性能是对软钢进行质量检 验的四项主要指标，而对无明显屈服点的钢筋，则只测后三项。验的四项主要指标，而对无明显屈服点的钢筋，则只测后三项。 14 材料性能材料性能 1.1.5 1.1.5 钢筋的冷拉和冷拔钢筋的冷拉和冷拔 钢筋的冷加工包括冷拉与冷拔。钢筋冷加工是将热轧钢筋或线材通过钢筋的冷加工包括冷拉与冷拔。钢筋冷加工是将热轧钢筋或线材通过 冷加工工艺以改变材质、提高强度，达到节约材料目的。冷加工工艺以改变材质、提高强度，达到节约材料目的。 1 1 冷拉冷拉 将钢筋拉伸至超过其屈服强度某一应力，后卸荷至零以提高钢将钢筋拉伸至超过其屈服强度某一应力，后卸荷至零以提高钢 筋强度的方法。冷拉强化和时效硬化。屈服强度提高，塑性下降。筋强度的方法。冷拉强化和时效硬化。屈服强度提高，塑性下降。 o fy ft e d a bc 冷拉未经时效冷拉未经时效 冷拉经时效冷拉经时效 15 材料性能材料性能 合理选择控制点，可使钢筋既保持一定的塑性又能提高强度，控制点合理选择控制点，可使钢筋既保持一定的塑性又能提高强度，控制点 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。相应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。相应 的冷拉工艺有的冷拉工艺有应力控制和应变控制应力控制和应变控制两种。当采用应力控制时，冷拉控制应两种。当采用应力控制时，冷拉控制应 力直接取强度标准值；当采用控制应变时，冷拉控制应力取强度标准值加力直接取强度标准值；当采用控制应变时，冷拉控制应力取强度标准值加 30N/mm30N/mm 2 2 ，并按应力确定相应的冷拉率。通常为了保证钢筋在强度提高的同，并按应力确定相应的冷拉率。通常为了保证钢筋在强度提高的同 时又具有一定的塑性，冷拉时应同时控制应力和控制应变。时又具有一定的塑性，冷拉时应同时控制应力和控制应变。 值得注意的是，时效硬化和温度有很大关系，温度过高（值得注意的是，时效硬化和温度有很大关系，温度过高（450450摄氏度摄氏度 以上）强度反而有所降低而塑性性能却有所增加，温度超过以上）强度反而有所降低而塑性性能却有所增加，温度超过700700摄氏度，摄氏度， 钢材会恢复到冷拉前的力学性能，不会发生时效硬化。焊接时产生的高温钢材会恢复到冷拉前的力学性能，不会发生时效硬化。焊接时产生的高温 会使钢筋软化，因此需焊接的钢筋应先焊好再进行冷拉；同时，冷拉只能会使钢筋软化，因此需焊接的钢筋应先焊好再进行冷拉；同时，冷拉只能 提高钢筋的抗拉强度而不能提高抗压强度。提高钢筋的抗拉强度而不能提高抗压强度。 1 1 冷拉冷拉 16 材料性能材料性能 将钢筋用强力拔过比其直径小的硬质合金拔丝模。钢筋受到纵向拉力和将钢筋用强力拔过比其直径小的硬质合金拔丝模。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 反复冷拔，钢筋强度比原来的有很大的提高，而塑性则显著降低，且没反复冷拔，钢筋强度比原来的有很大的提高，而塑性则显著降低，且没 有明显屈服点。冷拔可同时提高钢筋的抗拉强度和抗压强度。有明显屈服点。冷拔可同时提高钢筋的抗拉强度和抗压强度。 2 2 冷拔冷拔 17 材料性能材料性能 1.1.6 1.1.6 钢筋疲劳钢筋疲劳 1 1 疲劳定义疲劳定义：钢筋承受重复周期性动载作用，经过一定次数后，突然脆：钢筋承受重复周期性动载作用，经过一定次数后，突然脆 性断裂现象。吊车梁、桥面板、轨枕等钢砼构件在正常使用时会由性断裂现象。吊车梁、桥面板、轨枕等钢砼构件在正常使用时会由 于疲劳发生破坏。钢筋的疲劳强度与一次循环应力中最大和最小应于疲劳发生破坏。钢筋的疲劳强度与一次循环应力中最大和最小应 力的差值（应力幅度）有关，钢筋的疲劳强度是指在某一规定应力力的差值（应力幅度）有关，钢筋的疲劳强度是指在某一规定应力 幅度内经受一定次数循环荷载后发生疲劳破坏的最大应力值。幅度内经受一定次数循环荷载后发生疲劳破坏的最大应力值。 2 2 产生原因产生原因：一般认为是由于钢筋内部和外部的缺陷，容易引起应力集：一般认为是由于钢筋内部和外部的缺陷，容易引起应力集 中。应力过高，钢材晶体滑移，产生疲劳裂纹，应力重复作用次数中。应力过高，钢材晶体滑移，产生疲劳裂纹，应力重复作用次数 增加，裂纹扩展。增加，裂纹扩展。 3 3 影响因素影响因素：疲劳强度主要与应力变化的幅值有关，其它有：最小应力：疲劳强度主要与应力变化的幅值有关，其它有：最小应力 值的大小、钢筋外表面几何尺寸和形状、钢筋的直径、钢筋的强度值的大小、钢筋外表面几何尺寸和形状、钢筋的直径、钢筋的强度 、钢筋的加工和使用环境以及加载的频率等。、钢筋的加工和使用环境以及加载的频率等。 由于承受重复性荷载的作用，钢筋的疲劳强度低于其在静荷载作用由于承受重复性荷载的作用，钢筋的疲劳强度低于其在静荷载作用 下的极限强度。原状钢筋疲劳强度最低。埋置在砼中钢筋的疲劳断下的极限强度。原状钢筋疲劳强度最低。埋置在砼中钢筋的疲劳断 裂通常发生在纯弯段内裂缝截面附近，疲劳强度稍高。裂通常发生在纯弯段内裂缝截面附近，疲劳强度稍高。 18 材料性能材料性能 1.1.7 1.1.7 钢筋应力应变的数学模型钢筋应力应变的数学模型 1 1 完全弹塑性双线型模型完全弹塑性双线型模型 双直线模型适用于流幅较长的低强度钢材双直线模型适用于流幅较长的低强度钢材 模型将钢筋的应 力应变曲线简化为 图19（a）所示的 两段直线，不计屈服 强度的上限和由于应 变硬化而增加的应力 19 材料性能材料性能 1.1.7 1.1.7 钢筋应力应变的数学模型钢筋应力应变的数学模型 2 2 完全弹塑性强化三线型模型完全弹塑性强化三线型模型 三折线模型适用于流幅较短的软钢三折线模型适用于流幅较短的软钢 可以描述屈服后立即 发生应变硬化（应力强化 ）的钢材，正确地估计高 出屈服应变后的应力。 20 材料性能材料性能 3 3 弹塑性双斜线型模型弹塑性双斜线型模型 双斜线型模型适用于没有流幅的高强度钢筋或钢丝双斜线型模型适用于没有流幅的高强度钢筋或钢丝 21 材料性能材料性能 1.2.1 1.2.1 混凝土立方体抗压强度混凝土立方体抗压强度 虽然实际工程中的混凝土构件和结构一般处于复合应力状态，但虽然实际工程中的混凝土构件和结构一般处于复合应力状态，但 是单向受力状态下混凝土的强度是复合应力状态下强度的基础和重要是单向受力状态下混凝土的强度是复合应力状态下强度的基础和重要 参数。参数。 混凝土的强度与水泥强度等级、水灰比有很大关系，骨料的性质混凝土的强度与水泥强度等级、水灰比有很大关系，骨料的性质 、混凝土的级配、混凝土成型方法、硬化时的环境条件及混凝土的龄、混凝土的级配、混凝土成型方法、硬化时的环境条件及混凝土的龄 期等也不同程度地影响混凝土的强度。试件的大小和形状、试验方法期等也不同程度地影响混凝土的强度。试件的大小和形状、试验方法 和加载速度也影响混凝土强度试验结果，各国对各种单向受力下的混和加载速度也影响混凝土强度试验结果，各国对各种单向受力下的混 凝土强度都规定了统一的标准试验方法。凝土强度都规定了统一的标准试验方法。 22 材料性能材料性能 砼立方体强度的定义砼立方体强度的定义：立方体试件的强度比较稳定，我国把立：立方体试件的强度比较稳定，我国把立 方体强度值作为混凝土强度的基本指标，并把立方体抗压强度作方体强度值作为混凝土强度的基本指标，并把立方体抗压强度作 为评定混凝土强度等级的标准。我国为评定混凝土强度等级的标准。我国规范规范规定：，用规定：，用 cu,k cu,k表 表 示，单位示，单位N/mmN/mm 2 2 。 1 1 混凝土立方体抗压强度的定义和强度等级混凝土立方体抗压强度的定义和强度等级 23 材料性能材料性能 立方体标准强度（立方体标准强度（cu,kcu,k） 两重含义两重含义： 1 1、采用边长为、采用边长为150150的立方体试块，在标准条件（温度为的立方体试块，在标准条件（温度为 17172323，湿度在，湿度在9090以上）下养护以上）下养护28d28d，按照标准的试验，按照标准的试验 方法加压到破坏测得的立方体抗压强度。方法加压到破坏测得的立方体抗压强度。 2 2、作为标准值，所测得的混凝土的立方体抗压强度不小、作为标准值，所测得的混凝土的立方体抗压强度不小 于该值的保证率为于该值的保证率为9595，也即强度低于该值的概率不大于，也即强度低于该值的概率不大于 5 5。 24 材料性能材料性能 砼强度等级规定：砼强度等级规定：规范规范规定混凝土强度等级应按规定混凝土强度等级应按 立方体抗压强度标准值确定。立方体抗压强度标准值确定。规范规范规定的混凝土强度规定的混凝土强度 等级有等级有C15C15、C20C20、C25C25、C30C30、C35C35、C40C40、C45C45、C50C50、C55C55、 C60C60、C65C65、C70C70、C75C75、C80C80共共1414个等级。例如，个等级。例如，C30C30表示立表示立 方体抗压强度标准值为方体抗压强度标准值为30N/mm230N/mm2。其中。其中C50C50C80C80属于高强度属于高强度 混凝土范畴。混凝土范畴。 25 材料性能材料性能 试验方法试验方法对混凝土的立方体强度有很大影响。试件在试验机上单向对混凝土的立方体强度有很大影响。试件在试验机上单向 受压时，竖向缩短，横向扩张，由于混凝土与压力机垫板弹性模量和横受压时，竖向缩短，横向扩张，由于混凝土与压力机垫板弹性模量和横 向变形系数不同，压力机垫板的横向变形明显小于砼的，垫板通过接触向变形系数不同，压力机垫板的横向变形明显小于砼的，垫板通过接触 面上的摩擦力约束混凝土试块横向变形，就象在试件上下端各加了一个面上的摩擦力约束混凝土试块横向变形，就象在试件上下端各加了一个 套箍，致使混凝土破坏时形成两个套箍，致使混凝土破坏时形成两个对顶的角锥形破坏面对顶的角锥形破坏面，抗压强度比没，抗压强度比没 有约束的情况要高。如果在试件上下表面涂一些润滑剂，测得的抗压强有约束的情况要高。如果在试件上下表面涂一些润滑剂，测得的抗压强 度就低。度就低。我国规定的标准试验方法是不涂润滑剂的。我国规定的标准试验方法是不涂润滑剂的。 加载速度加载速度对立方体强度也有影响，加载速度越快，测值越大。通常规对立方体强度也有影响，加载速度越快，测值越大。通常规 定加载速度为：混凝土强度等级低于定加载速度为：混凝土强度等级低于C30C30时，取每秒时，取每秒0.30.30.5N/mm0.5N/mm 2 2 ；高；高 于或等于于或等于C30C30时，取每秒时，取每秒0.50.50.8N/mm0.8N/mm 2 2 。 2 2 影响混凝土立方体抗压强度的因素影响混凝土立方体抗压强度的因素 26 材料性能材料性能 规范规范规定，钢筋混凝土结构的混凝土强度等级不应低于规定，钢筋混凝土结构的混凝土强度等级不应低于C15C15 ；当采用；当采用HRB335HRB335级钢筋时，混凝土强度等级不宜低于级钢筋时，混凝土强度等级不宜低于C20C20；当采；当采 用用HRB400HRB400和和RRB400RRB400级钢筋以及承受重复荷载的构件，混凝土群级钢筋以及承受重复荷载的构件，混凝土群 雕的不得低于雕的不得低于C20C20。预应力混凝土结构的混凝土强度等级不应低于。预应力混凝土结构的混凝土强度等级不应低于 C30C30；当采用钢绞线、钢丝、热处理钢筋作预应力钢筋时，混凝土；当采用钢绞线、钢丝、热处理钢筋作预应力钢筋时，混凝土 强度等级不宜低于强度等级不宜低于C40C40。 3 3 钢筋混凝土结构对混凝土强度等级的要求钢筋混凝土结构对混凝土强度等级的要求 27 材料性能材料性能 1.2.2 1.2.2 混凝土轴心抗压强度混凝土轴心抗压强度 混凝土抗压强度与试件形状有关，采用棱柱体比立方体能混凝土抗压强度与试件形状有关，采用棱柱体比立方体能 更好的反映混凝土结构的实际抗压能力。用混凝土棱柱体试更好的反映混凝土结构的实际抗压能力。用混凝土棱柱体试 件测得的抗压强度称为轴心抗压强度。我国件测得的抗压强度称为轴心抗压强度。我国普通混凝土力普通混凝土力 学性能试验方法学性能试验方法规定以规定以150mm150mm300mm150mm150mm300mm的棱柱体的棱柱体 作为混凝土轴心抗压强度试验的标准试件。试件制作同立方作为混凝土轴心抗压强度试验的标准试件。试件制作同立方 体试件，试件上下表面不涂润滑剂。体试件，试件上下表面不涂润滑剂。 28 材料性能材料性能 1.2.3 1.2.3 混凝土轴心抗压强度混凝土轴心抗压强度 由于棱柱体试件的高度越大，试验机压板与试件之间摩擦力对试由于棱柱体试件的高度越大，试验机压板与试件之间摩擦力对试 件高度中部的横向变形的约束影响越小，所以棱柱体试件的抗压强度件高度中部的横向变形的约束影响越小，所以棱柱体试件的抗压强度 都比立方体强度值小，并且棱柱体试件高宽比越大，强度越小。但是都比立方体强度值小，并且棱柱体试件高宽比越大，强度越小。但是 ，当高宽比达到一定值后，这种影响就不明显了。在确定棱柱体试件，当高宽比达到一定值后，这种影响就不明显了。在确定棱柱体试件 尺寸时，一方面要考虑到试件具有足够的高度以不受试验机压板与试尺寸时，一方面要考虑到试件具有足够的高度以不受试验机压板与试 件承压面间摩擦力的影响，在试件的中间区段形成纯压状态，同时也件承压面间摩擦力的影响，在试件的中间区段形成纯压状态，同时也 要考虑到避免试件过高，在破坏前产生的附加偏心而降低抗压极限强要考虑到避免试件过高，在破坏前产生的附加偏心而降低抗压极限强 度。根据资料，一般认为试件的高宽比为度。根据资料，一般认为试件的高宽比为2 23 3时，可以基本消除上述时，可以基本消除上述 两种因素的影响。两种因素的影响。 规范规范规定以上述棱柱体试件测得具有规定以上述棱柱体试件测得具有9595保保 证率的抗压强度为混凝土轴心抗压强度标准值，用证率的抗压强度为混凝土轴心抗压强度标准值，用 ck ck表示。 表示。 29 材料性能材料性能 知识点：混凝土轴心抗压强度与立方体抗压强度的关系知识点：混凝土轴心抗压强度与立方体抗压强度的关系 规范规范基于安全取偏低值，轴心抗压强度标准值与立方体抗压强基于安全取偏低值，轴心抗压强度标准值与立方体抗压强 度标准的关系按下式确定：度标准的关系按下式确定： c c1 1 为棱柱体强度与立方体强度之比，对混凝土强度等级为为棱柱体强度与立方体强度之比，对混凝土强度等级为C50C50及以及以 下的取下的取 c c1 1 0.760.76，对，对C80C80取取 c c1 1 0.820.82，在此之间按直线规律变化取，在此之间按直线规律变化取 值。值。 c c2 2为高强度混凝土的脆性折减系数，对为高强度混凝土的脆性折减系数，对C40C40及以下取及以下取 c c2 2 1.001.00 ，对，对C80C80取取 c c2 2 0.870.87，中间按直线规律取值。，中间按直线规律取值。0.880.88为考虑实际构件为考虑实际构件 与试件混凝土强度之间的差异而取用的折减系数。与试件混凝土强度之间的差异而取用的折减系数。 30 材料性能材料性能 1.2.4 1.2.4 混凝土轴心抗拉强度混凝土轴心抗拉强度 砼抗拉强度远低于抗压强度，仅抗拉强度砼抗拉强度远低于抗压强度，仅抗拉强度5 51010，与立方体，与立方体 抗压强度不是线性关系，立方体抗压强度越高，比值抗压强度不是线性关系，立方体抗压强度越高，比值f f t t / /f f cucu越小。在 越小。在 钢筋砼构件的破坏阶段，处于受拉工作状态的砼一般早已开裂，故在钢筋砼构件的破坏阶段，处于受拉工作状态的砼一般早已开裂，故在 构件的承载力计算多数情况下是不考虑受拉砼工作的。但是砼的抗拉构件的承载力计算多数情况下是不考虑受拉砼工作的。但是砼的抗拉 强度对钢筋构件多方面的工作性能有重要影响，而且在构件的抗裂、强度对钢筋构件多方面的工作性能有重要影响，而且在构件的抗裂、 抗扭、抗冲切等计算中还常直接利用砼的抗拉强度，新规范在抗剪计抗扭、抗冲切等计算中还常直接利用砼的抗拉强度，新规范在抗剪计 算中亦考虑的抗拉强度。因此，砼的抗拉强度也是一项必须确定的重算中亦考虑的抗拉强度。因此，砼的抗拉强度也是一项必须确定的重 要指标要指标。 31 材料性能材料性能 混凝土的轴心抗拉强度可以采用直接轴心受拉的试验混凝土的轴心抗拉强度可以采用直接轴心受拉的试验 方法来测定。但是由于混凝土内部的不均匀性，加之安装方法来测定。但是由于混凝土内部的不均匀性，加之安装 试件的偏差等原因，准确测定抗拉强度很困难。所以国内试件的偏差等原因，准确测定抗拉强度很困难。所以国内 外常用外常用圆柱体或立方体的劈裂试验圆柱体或立方体的劈裂试验来间接测试砼的轴心抗来间接测试砼的轴心抗 拉强度。拉强度。 1.2.4 1.2.4 混凝土轴心抗拉强度混凝土轴心抗拉强度 32 材料性能材料性能 1 1 混凝土轴心抗拉强度测定方法直接测试法混凝土轴心抗拉强度测定方法直接测试法 1 161 16 对两端预埋钢筋的棱柱体试件（钢筋位于对两端预埋钢筋的棱柱体试件（钢筋位于 试件轴线上）施加拉力，试件破坏时的平试件轴线上）施加拉力，试件破坏时的平 均拉应力即为砼的抗拉强度，这种测试对均拉应力即为砼的抗拉强度，这种测试对 试件尺寸及钢筋位置要求较严。试件尺寸及钢筋位置要求较严。 33 材料性能材料性能 采用边长为采用边长为a a的立方体试件，通过的立方体试件，通过5mm5mm的方钢垫条采用压力试验机施加的方钢垫条采用压力试验机施加 压力压力F F。试件破坏时，被劈裂成两半。试件破坏时，被劈裂成两半。 2 2 混凝土轴心抗拉强度测定方法劈拉测试法混凝土轴心抗拉强度测定方法劈拉测试法 5mm5mm方钢条方钢条 压压 拉拉 试验表明劈拉强度略大于直接受拉强度，劈裂试件大小对试验结果有试验表明劈拉强度略大于直接受拉强度，劈裂试件大小对试验结果有 一定影响。一定影响。 34 材料性能材料性能 3 3 混凝土轴心抗拉强度与立方体强度的关系混凝土轴心抗拉强度与立方体强度的关系 35 材料性能材料性能 1.2.6 1.2.6 复合应力状态下的混凝土的强度复合应力状态下的混凝土的强度 实际砼构件大多是处于复合应力状态，例如框架梁、柱，节点区实际砼构件大多是处于复合应力状态，例如框架梁、柱，节点区 砼受力更复杂。至今尚未建立完善的复合应力状态下的强度理论。砼受力更复杂。至今尚未建立完善的复合应力状态下的强度理论。 1 1 混凝土双向受力强度（教材图混凝土双向受力强度（教材图1 19 9）拉压拉压 （1 1）第一象限双向受拉区，）第一象限双向受拉区，11、22相互影响不相互影响不 大，不同应力比值大，不同应力比值1/21/2下的双向受拉强度均接下的双向受拉强度均接 近于单向受拉强度，为近于单向受拉强度，为f f c c 大约大约0.10.1倍。倍。 （2 2）第三象限双向受压区，大体上一向的强度随）第三象限双向受压区，大体上一向的强度随 另一向压力的增加而增加，混凝土双向受压强度比另一向压力的增加而增加，混凝土双向受压强度比 单向受压强度最多可提高单向受压强度最多可提高2727。而在两向压力相等。而在两向压力相等 的情况下，其强度增加仅为的情况下，其强度增加仅为1616左右。左右。 （3 3）第二、四象限为拉压应力状态，此时混凝土的强度均低于单向）第二、四象限为拉压应力状态，此时混凝土的强度均低于单向 拉伸或压缩时的强度。拉伸或压缩时的强度。 36 材料性能材料性能 1 1 混凝土双向受力强度混凝土双向受力强度剪压或剪拉剪压或剪拉 这说明：梁受弯矩和剪力共同作用以及柱在受到轴压的同时也受这说明：梁受弯矩和剪力共同作用以及柱在受到轴压的同时也受 到水平地震作用产生的剪力作用时，结果中有剪应力会影响梁与柱中到水平地震作用产生的剪力作用时，结果中有剪应力会影响梁与柱中 受压区混凝土的强度。另外，还可看出，抗剪强度随着拉应力的增大受压区混凝土的强度。另外，还可看出，抗剪强度随着拉应力的增大 而减小，也就是说剪应力的存在也会使抗拉强度降低。而减小，也就是说剪应力的存在也会使抗拉强度降低。 轴拉轴拉 纯剪纯剪剪压剪压 轴压轴压 （1 1）剪应力的存在，混凝土抗压强度要低于单向抗压强度；）剪应力的存在，混凝土抗压强度要低于单向抗压强度； （2 2）压应力低时，抗剪强度随压应力的增大而增大；）压应力低时，抗剪强度随压应力的增大而增大； （3 3）当压应力约超过）当压应力约超过0.60.6 c c 时，抗剪强度随压应力的增大而减小。时，抗剪强度随压应力的增大而减小。 37 材料性能材料性能 2 2 混凝土三向受压强度混凝土三向受压强度 砼三向受压，由于受到侧向压力约束作用，最大主压应力轴抗压砼三向受压，由于受到侧向压力约束作用，最大主压应力轴抗压 强度强度 1 1 有较大增长，其变化规律随两侧向压应力（有较大增长，其变化规律随两侧向压应力（ 2 2 、 3 3 ）的比值）的比值 和大小而不同。常规的三轴受压是在圆柱体周围加液压，在两侧向等和大小而不同。常规的三轴受压是在圆柱体周围加液压，在两侧向等 压（压（ 2 2 3 3 r r ）的情况下进行的。试验表明，当侧向液压值不很）的情况下进行的。试验表明，当侧向液压值不很 大时，最大主压应力轴的抗压强度随两侧向应力的增大而提高，由试大时，最大主压应力轴的抗压强度随两侧向应力的增大而提高，由试 验得到的经验公式为：验得到的经验公式为： 1 1 有侧向压力约束试件的轴心抗压强度；有侧向压力约束试件的轴心抗压强度； 2 2 侧向约束压应力；侧向约束压应力； （4.04.07.07.0）侧向应力系数，侧向压力较低时得到的系数值较高。侧向应力系数，侧向压力较低时得到的系数值较高。 38 材料性能材料性能 在工程实践中，为了进一步提高混凝土的抗压强度，常常用在工程实践中，为了进一步提高混凝土的抗压强度，常常用 横向钢筋约束混凝土。例如，螺旋钢箍柱，钢管混凝土等，它横向钢筋约束混凝土。例如，螺旋钢箍柱，钢管混凝土等，它 们都是用螺旋形钢箍、钢管和矩形钢箍来约束混凝土以限制其们都是用螺旋形钢箍、钢管和矩形钢箍来约束混凝土以限制其 横向变形，使混凝土处于三向受压的应力状态，从而提高混凝横向变形，使混凝土处于三向受压的应力状态，从而提高混凝 土的强度，土的强度，但更主要的是横向钢筋可以提高混凝土耐受变形的但更主要的是横向钢筋可以提高混凝土耐受变形的 能力。这对提高钢筋混凝土结果抗震性能具有重要意义。能力。这对提高钢筋混凝土结果抗震性能具有重要意义。 2 2 混凝土三向受压强度混凝土三向受压强度 39 材料性能材料性能 混凝土在一次短期加载、荷载长期混凝土在一次短期加载、荷载长期 作用和多次重复荷载作用下会产生变形，作用和多次重复荷载作用下会产生变形， 这类变形称为受力变形。另外，混凝土这类变形称为受力变形。另外，混凝土 由于硬化过程中的收缩以及温度和湿度由于硬化过程中的收缩以及温度和湿度 变化也会产生变形，这类变形称为体积变化也会产生变形，这类变形称为体积 变形。变形是混凝土的一个重要力学性变形。变形是混凝土的一个重要力学性 能。能。 1.3 1.3 混凝土的变形混凝土的变形 40 材料性能材料性能 1.3 1.3 混凝土的变形混凝土的变形 1.3.1 1.3.1 短期加载时混凝土的变形短期加载时混凝土的变形 1 1 混凝土受压时的应力应变关系（受拉基本相同）混凝土受压时的应力应变关系（受拉基本相同） 混凝土的应力应变曲线是砼力学性能的一个重要方面，是钢筋砼构件应混凝土的应力应变曲线是砼力学性能的一个重要方面，是钢筋砼构件应 力分析、建立强度和变形计算理论不可少的依据。力分析、建立强度和变形计算理论不可少的依据。 比例极限比例极限 弹性阶段弹性阶段 裂缝稳定扩展阶段裂缝稳定扩展阶段 裂缝不稳定扩展阶段裂缝不稳定扩展阶段 下降段下降段 峰值应力后裂缝继续扩展阶段峰值应力后裂缝继续扩展阶段 收敛段收敛段 典型的混凝土应力典型的混凝土应力应变曲线应变曲线 41 材料性能材料性能 1.3.1 1.3.1 短期加载时混凝土的变形短期加载时混凝土的变形 比例极限比例极限 弹性阶段弹性阶段 裂缝稳定扩展阶段裂缝稳定扩展阶段 裂缝不稳定扩展阶段裂缝不稳定扩展阶段 下降段下降段 峰值应力后裂缝继续扩展阶段峰值应力后裂缝继续扩展阶段 收敛段收敛段 上升段：三个阶段上升段：三个阶段 弹性阶段：砼的变形主要是骨料和水泥结晶体的弹性变形，应力应变曲弹性阶段：砼的变形主要是骨料和水泥结晶体的弹性变形，应力应变曲 线大体呈直线；线大体呈直线； 稳定裂缝扩展阶段：临界点稳定裂缝扩展阶段：临界点B B相对应的应力可作为长期受压强度的依据。相对应的应力可作为长期受压强度的依据。 裂缝不稳定扩展阶段：此后试件中所积蓄的应变能始终保持大于裂缝发裂缝不稳定扩展阶段：此后试件中所积蓄的应变能始终保持大于裂缝发 展所需的能量形成裂缝快速发展的不稳定状态直到展所需的能量形成裂缝快速发展的不稳定状态直到C C点。应力达到最高点点。应力达到最高点 即应力峰值点。对应的应变为峰值应变。即应力峰值点。对应的应变为峰值应变。 42 材料性能材料性能 1.3.1 1.3.1 短期加载时混凝土的变形短期加载时混凝土的变形 比例极限比例极限 弹性阶段弹性阶段 裂缝稳定扩展阶段裂缝稳定扩展阶段 裂缝不稳定扩展阶段裂缝不稳定扩展阶段 下降段下降段 峰值应力后裂缝继续扩展阶段峰值应力后裂缝继续扩展阶段 收敛段收敛段 下降段：下降段：下降段下降段CECE是砼到达峰值是砼到达峰值 应力后裂缝继续扩展、贯通，从应力后裂缝继续扩展、贯通，从 而使应力应变关系发生变化。而使应力应变关系发生变化。 在峰值应力以后，裂缝迅速发展，内部结构的整体受到愈来愈严重的破在峰值应力以后，裂缝迅速发展，内部结构的整体受到愈来愈严重的破 坏，赖以传递荷载的传力路线不断减少，试件的平均应力强度下降，所以坏，赖以传递荷载的传力路线不断减少，试件的平均应力强度下降，所以 应力应变曲线向下弯曲，直到凹向发生改变，曲线出现应力应变曲线向下弯曲，直到凹向发生改变，曲线出现“拐点拐点”。超过。超过 “拐点拐点”，曲线开始凸向应变轴，这时，只靠骨料间的咬合力及摩擦力与，曲线开始凸向应变轴，这时，只靠骨料间的咬合力及摩擦力与 残余承压面来承受荷载。随着变形的增加，应力应变曲线逐渐凸向水平残余承压面来承受荷载。随着变形的增加，应力应变曲线逐渐凸向水平 轴方向发展，此段曲线中曲率最大的一点轴方向发展，此段曲线中曲率最大的一点E E称为称为“收敛点收敛点”。从收敛点。从收敛点E E开开 始以后的曲线称为收敛段，这时贯通的主裂缝已经很宽，内聚力几乎耗尽始以后的曲线称为收敛段，这时贯通的主裂缝已经很宽，内聚力几乎耗尽 ，对无侧向约束的混凝土，收敛段，对无侧向约束的混凝土，收敛段EFEF已失去结构意义。已失去结构意义。 43 材料性能材料性能 不同强度砼应力应变不同强度砼应力应变 曲线有相似形状。但随着混曲线有相似形状。但随着混 凝土强度提高，尽管上升段凝土强度提高，尽管上升段 和峰值应变变化不很显著，和峰值应变变化不很显著， 但是下降段的形状有显著差但是下降段的形状有显著差 异。砼强度越高，下降段越异。砼强度越高，下降段越 陡，延性越差。陡，延性越差。 1.3.1 1.3.1 短期加载时混凝土的变形短期加载时混凝土的变形 44 材料性能材料性能 知识点：配置横向钢筋对混凝土变形的影响知识点：配置横向钢筋对混凝土变形的影响 配置矩形箍筋的约束砼试件的全曲线，在应力到达无约束砼试件的配置矩形箍筋的约束砼试件的全曲线，在应力到达无约束砼试件的 临界应力以前，箍筋作用并不明显，曲线基本重合，当超过临界应力（临界应力以前，箍筋作用并不明显，曲线基本重合，当超过临界应力（ 0.8f0.8f c c ）以后，随着配箍量的增加和箍筋间距的减小，约束砼的曲线的峰）以后，随着配箍量的增加和箍筋间距的减小，约束砼的曲线的峰 值应力有所提高，峰值应变的增长较为明显，而下降段的变化最为显著值应力有所提高，峰值应变的增长较为明显，而下降段的变化最为显著 。这是因为箍筋的约