1 混结构材料的物理力学性能

1、1 钢筋混凝土材料的物理力学性能钢筋混凝土材料的物理力学性能mechanical properties of reinforced concrete materials提纲提纲(syllabus)：1.1混凝土混凝土(concrete)1.2钢筋钢筋(reinforcing steel bar)；1.3钢筋和混凝土结构之间的粘结钢筋和混凝土结构之间的粘结 (bond between reinforcing steel bar and concrete)。第1章 钢筋混凝土结构材料的物理力学性能1.1 混凝土混凝土 (concrete)key words：混凝土的强度：混凝土的强度(streng

2、th of concrete)、混凝、混凝土的变形土的变形(deformation of concrete)第1章 钢筋混凝土结构材料的物理力学性能 混凝土混凝土是一种不均匀、不密实的混合体，且其内部结是一种不均匀、不密实的混合体，且其内部结构复杂。混凝土的强度也就受到许多因素的影响，诸如水构复杂。混凝土的强度也就受到许多因素的影响，诸如水泥的品质和用量、骨料的性质、混凝土的配合比、水灰比、泥的品质和用量、骨料的性质、混凝土的配合比、水灰比、制作的方法、养护环境的温湿度、龄期、试件的形状和尺制作的方法、养护环境的温湿度、龄期、试件的形状和尺寸、试验的方法等等，因此，在建立混凝土的强度时需要寸、

3、试验的方法等等，因此，在建立混凝土的强度时需要规定一个统一的标准规定一个统一的标准作为依据作为依据 。 根据实际工程中，混凝土构件的受力形式，给出混凝根据实际工程中，混凝土构件的受力形式，给出混凝土的抗压、抗拉和复合应力下混凝土的强度。土的抗压、抗拉和复合应力下混凝土的强度。第1章 钢筋混凝土结构材料的物理力学性能混凝土立方体抗压强度混凝土立方体抗压强度 混凝土的混凝土的立方体抗压强度立方体抗压强度是是按规定的标准试件按规定的标准试件和和标标准试验方法准试验方法得到的混凝土强度基本代表值。得到的混凝土强度基本代表值。 我国国家标准我国国家标准普通混凝土力学性能试验方法普通混凝土力学性能试验方法

4、(gb/t 50081-2002)(gb/t 50081-2002)规定以边长为规定以边长为150mm150mm的立方体为标的立方体为标准试件，在温度为准试件，在温度为，相对湿度为以上，相对湿度为以上的标准养护室中养护的标准养护室中养护28d28d，按照标准试验方法测得的抗，按照标准试验方法测得的抗压强度作为混凝土的立方体抗压强度，单位压强度作为混凝土的立方体抗压强度，单位为为 。 混凝土立方体抗压强度与试验方法密切相关混凝土立方体抗压强度与试验方法密切相关混凝土立方体抗压强度与试件尺寸有关混凝土立方体抗压强度与试件尺寸有关2/mmn 1.1.1 1.1.1 混凝土的强度混凝土的强度 1.1.

5、1 1.1.1 混凝土的强度混凝土的强度 第1章 钢筋混凝土结构材料的物理力学性能 混凝土强度等级划分有c15、c20、c25、c30、c35、c40、c45、c50、c55、c60、c65、c70、c75和c80，共14个等级。例如，c30表示立方体抗压强度标准值为30n /mm2。 其中，c50c80属高强度混凝土范畴。1-1混凝土立方体试块的破坏情况 a）不涂润滑剂 b）涂有润滑剂 立方体抗压强度立方体抗压强度 我国国家标准公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范(jtg d622004)规定：混凝土等级应以边长为150mm的立方体试件的抗压强度标准值 确定。kcuf,kcuf,jtg

6、d62-2004第1章 钢筋混凝土结构材料的物理力学性能 混凝土的轴心抗压强度混凝土的轴心抗压强度 混凝土的抗压强度与试件的形状有关，由于实际钢筋混凝土构件的长度比它的截面边长要大的多，所以采用棱柱体比立方体能更好地反映混凝土结构的实际抗压能力。 按照与立方体试件相同条件下制作和试验方法所得的混凝土棱柱体试件的抗压强度称混凝土轴心抗压强度。 测定的方法： 我国我国普通混凝土力学性能试验方法普通混凝土力学性能试验方法规定以规定以150mm150mm150mm150mm300mm300mm的棱柱体作为混凝土轴心抗压强的棱柱体作为混凝土轴心抗压强度试验的标准试件。度试验的标准试件。（有些国家如美国、

7、日本等，采用圆柱体，其直径为6英寸、高为l2英寸试件的抗压强度作为混凝土的强度指标） 1.1.1 1.1.1 混凝土的强度混凝土的强度 图12 柱体高宽比对抗压强度的影响第1章 钢筋混凝土结构材料的物理力学性能 1.1.1 1.1.1 混凝土的强度混凝土的强度 试验表明：棱柱体试件的抗压强度较立方体试块的抗压强度低。棱柱体试件高度h与边长b之比愈大，则强度愈低。图13 混凝土轴心抗压试验 a）试验装置 b）破坏情况第1章 钢筋混凝土结构材料的物理力学性能 混凝土的抗拉强度混凝土的抗拉强度 抗拉强度是混凝土的基本力学指标之一，也抗拉强度是混凝土的基本力学指标之一，也可用它间接地衡量混凝土的冲切强

8、度等其他力可用它间接地衡量混凝土的冲切强度等其他力学性能。混凝土的抗拉强度很低，与立方抗压学性能。混凝土的抗拉强度很低，与立方抗压强度之间为非线性关系强度之间为非线性关系, ,一般只有其立方抗压强一般只有其立方抗压强度的度的1 118181 18 8。 1.1.1 1.1.1 混凝土的强度混凝土的强度 第1章 钢筋混凝土结构材料的物理力学性能 混凝土的抗拉强度混凝土的抗拉强度 混凝土的轴心受拉试验试件用混凝土的轴心受拉试验试件用100100100100500mm500mm的钢的钢模筑成混凝土棱柱体，两端各预埋一根模筑成混凝土棱柱体，两端各预埋一根1616钢筋，钢钢筋，钢筋埋入深度为筋埋入深度为

9、150mm150mm并置于试件的中心轴线上，见图并置于试件的中心轴线上，见图l-l-4 4。试验时用试验机的夹具夹紧试件两端外伸的钢筋施。试验时用试验机的夹具夹紧试件两端外伸的钢筋施加拉力，破坏时试件在没有钢筋的中部截面被拉断，其加拉力，破坏时试件在没有钢筋的中部截面被拉断，其平均拉应力即为混凝土的轴心抗拉强度。平均拉应力即为混凝土的轴心抗拉强度。图14 混凝土抗拉强度试验试件 1.1.1 1.1.1 混凝土的强度混凝土的强度 第1章 钢筋混凝土结构材料的物理力学性能 由于混凝土内部的不均匀性，加之安装试件的偏差等原因，准确测定抗拉强度是很困难的。所以，国内外也常用如图1-5所示的圆柱体或立方

10、体的劈裂试验来间接测试混凝土的轴心抗拉强度。apapfts637. 02 1.1.1 1.1.1 混凝土的强度混凝土的强度 a)用圆柱体 b)用立方体图15用劈拉试验测定混凝土抗拉强度第1章 钢筋混凝土结构材料的物理力学性能 复合应力状态下的混凝土强度复合应力状态下的混凝土强度 实际混凝土结构构件大多是处于复合应力状态，通常受到轴力、弯矩、剪力及扭矩等不同组合情况的作用，混凝土比较多的则是处于双向、三向或兼有剪应力的复合受力状态。在复合应力状态下，混凝土的强度有明显变化。 1.1.1 1.1.1 混凝土的强度混凝土的强度 第1章 钢筋混凝土结构材料的物理力学性能 复合应力状态下的混凝土强度复合

11、应力状态下的混凝土强度 双向受力强度双向受力强度 图16表示双向受力混凝土试件的试验结果。试验时沿试件的两个平面作用着法向应力1和2，沿板厚方向的法向应力30，试件处于平面应力状态。 图16混凝土双向受力的强度曲线第1章 钢筋混凝土结构材料的物理力学性能 复合应力状态下的混凝土强复合应力状态下的混凝土强度度 图中第一象限为双向受拉应力状态，1和2相互间的影响不大，无论12比值如何，实测破坏强度基本上接近单向抗拉强度。第三象限为双向受压情况，由于双向压应力的存在，相互制约了横向的变形，因而抗压强度和极限压应变均有所提高。图16混凝土双向受力的强度曲线第1章 钢筋混凝土结构材料的物理力学性能 复合

12、应力状态复合应力状态下的混凝土强度下的混凝土强度 实际混凝土结构构件大多是处于复合应力状态，比较多的则是处于双向、三向或兼有剪应力的复合受力状态。图示为受平面法向受平面法向应力和剪应力的应力和剪应力的组合强度组合强度 1.1.1 1.1.1 混凝土的强度混凝土的强度 图17法向应力与剪应力组合时的强度曲线复合应力状态下混凝土的强度 1.关于双向应力状态下的强度变化规律有如下基本结论： （1）双向受压时，混凝土抗压强度大于单向； （2）双向受拉时，混凝土抗拉强度接近于单向； （3）一向受压和一向受拉时，其抗拉（抗压）强度 均低于相应的单向强度； （4）由于剪应力的存在，混凝土抗压强度低于单向；

13、（5）由于压应力的存在，混凝土抗剪强度有限增加。 第1章 钢筋混凝土结构材料的物理力学性能 1.1.1 1.1.1 混凝土的强度混凝土的强度 2.关于三向受压状态下的强度变化规律 结论：三向受压状态下的混凝土抗压强度大 于双向和单向。3.关于实际工程运用 （1）目前“规范”尚无定量计算公式； （2）实际工程中均采用单向强度，但要考虑复合应力情况，从构造上加以调整。第1章 钢筋混凝土结构材料的物理力学性能 1.1.1 1.1.1 混凝土的强度混凝土的强度 1.1.21.1.2 混凝土的变形混凝土的变形第1章 钢筋混凝土结构材料的物理力学性能 混凝土的变形可分为混凝土的变形可分为两类两类。一类是在

14、荷载作。一类是在荷载作用下的用下的受力变形受力变形，如单调短期加荷、多次重复，如单调短期加荷、多次重复加荷以及荷载长期作用下的变形。另一类与受加荷以及荷载长期作用下的变形。另一类与受力无关，称为力无关，称为体积变形体积变形，如混凝土收缩、膨胀，如混凝土收缩、膨胀以及由于温度变化所产生的变形等。以及由于温度变化所产生的变形等。第1章 钢筋混凝土结构材料的物理力学性能混凝土在单调、短期加荷作用下的变形性能混凝土在单调、短期加荷作用下的变形性能 混凝土的应力混凝土的应力-应变曲线应变曲线 。 混凝土在单调短期加荷作混凝土在单调短期加荷作用下的应力用下的应力-应变曲线是其最基本的力学性能，曲线的应变曲

15、线是其最基本的力学性能，曲线的特征是研究钢筋混凝土构件的强度、变形、延性特征是研究钢筋混凝土构件的强度、变形、延性(承受承受变形的能力变形的能力)和受力全过程分析的依据和受力全过程分析的依据影响混凝土轴心受压应力应变曲线的主要因素：影响混凝土轴心受压应力应变曲线的主要因素： 混凝土强度混凝土强度 应变速率应变速率 测试技术和试验条件测试技术和试验条件第1章 钢筋混凝土结构材料的物理力学性能图18混凝土受压时应力-应变曲线第1章 钢筋混凝土结构材料的物理力学性能影响混凝土轴心受影响混凝土轴心受压应力应变曲线的压应力应变曲线的主要因素：主要因素： 混凝土强度混凝土强度 应变速率应变速率 测试技术和

16、试验条测试技术和试验条件件1.1.2 混凝土的变形混凝土的变形 第1章 钢筋混凝土结构材料的物理力学性能混凝土在单调、短期加荷作用下的变形性能 混凝土的弹性模量和变形模量 原点弹性模量，也称原始或初始弹性模量，简称弹性模量 0tgececce图1-9混凝土变形模量的表示方法1.1.2 混凝土的变形混凝土的变形 第1章 钢筋混凝土结构材料的物理力学性能 变形模量，也称割线模量 作原点o与曲线任一点(、)的连线，其所形成的割线的正切值，即为混凝土的变形模量，可表达为： ccce1tgec切线模量切线模量 在应力应变曲线上任一点(、)处作一切线，此切线的斜率，即为该点的切线模量，其表达式为 tgec

17、 cccdde 1.1.2 混凝土的变形混凝土的变形 第1章 钢筋混凝土结构材料的物理力学性能我国我国公路桥规公路桥规给出的弹性模量，是采用棱柱体试件，给出的弹性模量，是采用棱柱体试件，取应力上限取应力上限 ，然后卸荷为零，再重复加荷，然后卸荷为零，再重复加荷510次后，次后，应力应变曲线的斜率作为混凝土弹性模量的取值。应力应变曲线的斜率作为混凝土弹性模量的取值。 混凝土的弹性模量经验公式：混凝土的弹性模量经验公式：)/74.34(2 . 210,5kcucfe1.1.2 混凝土的变形混凝土的变形 第1章 钢筋混凝土结构材料的物理力学性能混凝土在荷载长期作用下的变形性能混凝土在荷载长期作用下的

18、变形性能 在荷载的长期作用下，即荷载维持不变，混凝土的变在荷载的长期作用下，即荷载维持不变，混凝土的变形随时间而增长的现象称为形随时间而增长的现象称为徐变徐变。1.1.2 混凝土的变形混凝土的变形 第1章 钢筋混凝土结构材料的物理力学性能图1-10混凝土徐变曲线图1-11压应力与徐变得关系1.1.2 混凝土的变形混凝土的变形 第1章 钢筋混凝土结构材料的物理力学性能1.1.2 混凝土的变形混凝土的变形 第1章 钢筋混凝土结构材料的物理力学性能影响混凝土影响混凝土徐变徐变的因素：的因素：1）混凝土在长期荷载作用下产生的应力大小：混凝土的）混凝土在长期荷载作用下产生的应力大小：混凝土的应力越大徐变

19、也越大应力越大徐变也越大 2）加荷时混凝土的龄期）加荷时混凝土的龄期3）混凝土的组成成分和配合比）混凝土的组成成分和配合比4）养护条件下的温度与湿度：养护时温度高、湿度大，）养护条件下的温度与湿度：养护时温度高、湿度大，水泥水化作用充分，徐变越小；而使用受到荷载作用后水泥水化作用充分，徐变越小；而使用受到荷载作用后所处的环境温度越高、湿度越低，则徐变越大所处的环境温度越高、湿度越低，则徐变越大 1.1.2 混凝土的变形混凝土的变形 徐变（教材p13）第1章 钢筋混凝土结构材料的物理力学性能影响混凝土影响混凝土徐变徐变的因素：的因素：1）应力大小：线性徐变）应力大小：线性徐变 、非线性徐变、非线

20、性徐变2）加荷时混凝土的龄期）加荷时混凝土的龄期3）混凝土的组成成分和配合比：集料刚度和比）混凝土的组成成分和配合比：集料刚度和比例、水灰比例、水灰比4）养护条件下的温度与湿度）养护条件下的温度与湿度cf5 . 0混凝土的收缩收缩和膨胀是混凝土在结硬过程中本混凝土的收缩收缩和膨胀是混凝土在结硬过程中本身体积的变形，与荷载无关身体积的变形，与荷载无关 ： 混凝土强度混凝土混凝土强度混凝土 应变速率应变速率1.1.2 混凝土的变形混凝土的变形 第1章 钢筋混凝土结构材料的物理力学性能图1-12混凝土收缩变形与时间的关系影响混凝土收缩的因素影响混凝土收缩的因素(1)水泥的品种：水泥强度等级越高制成的

21、混凝土收水泥的品种：水泥强度等级越高制成的混凝土收 缩越大。缩越大。(2) 水泥的用量：水泥越多，收缩越大；水灰比越水泥的用量：水泥越多，收缩越大；水灰比越 大，收缩也越大。大，收缩也越大。(3) 骨料的性质：骨料的弹性模量大，收缩小。骨料的性质：骨料的弹性模量大，收缩小。(4) 养护条件：在结硬过程中周围温、湿度越大，收养护条件：在结硬过程中周围温、湿度越大，收 缩越小。缩越小。(5) 混凝土制作方法：混凝土越密实，收缩越小。混凝土制作方法：混凝土越密实，收缩越小。(6) 使用环境：使用环境温度、湿度大时，收缩小。使用环境：使用环境温度、湿度大时，收缩小。(7) 构件的体积与表面积比值：比值

22、大时，收缩小。构件的体积与表面积比值：比值大时，收缩小。1.1.2 混凝土的变形混凝土的变形 第1章 钢筋混凝土结构材料的物理力学性能1.21.1.2 2 钢筋钢筋(reinforcing steel bar) 钢筋的力学性能有强度、变形钢筋的力学性能有强度、变形( (包括弹性和塑性变形包括弹性和塑性变形) )等。单向拉伸试验是确定钢筋性能的主要手段。经过钢筋等。单向拉伸试验是确定钢筋性能的主要手段。经过钢筋的拉伸试验可以看到，钢筋的拉伸应力应变关系曲线可分的拉伸试验可以看到，钢筋的拉伸应力应变关系曲线可分为两类：有明显流幅的为两类：有明显流幅的( (图图1 113)13)和没有明显流幅的和没

23、有明显流幅的( (图图1 114)14)。第1章 钢筋混凝土结构的材料的物理力学性能113 有明显流幅的钢筋应力应变曲线 图114 没明显流幅的钢筋的应力应变曲线 1.2.1 1.2.1 钢筋的强度与变形钢筋的强度与变形 成分成分 钢材按化学成分化学成分分类 混凝土结构中使用的钢材按化学成分，可分为碳素钢及普通低合金钢两大类。(1) 碳素钢 除含有铁元素外还含有少量的碳、硅、锰、硫、磷等元素。根据含碳量的多少，碳素钢又可分为低碳钢（含碳量0.25、中碳钢（含碳量0. 250.6）和高碳钢（含碳量0.61.4），含碳量越高强度越高，但是塑性和可焊性会降低。1.1.2 2 钢筋钢筋(reinfor

24、cing steel bar)第1章 钢筋混凝土结构的材料的物理力学性能 1.2.2 1.2.2 钢筋的品种和成分、级别（钢筋的品种和成分、级别（the types and elements the types and elements and levels of steel barand levels of steel bar） 成分成分 钢材按化学成分化学成分分类(2) 普通低合金钢除碳素钢中已有的成分外，再加入少量的硅、锰、钛、钒、铬等合金元素，可有效地提高钢材的强度和改善钢材的其他性能。目前我国普通低合金钢按加入元素种类有以下几种体系：锰系（20mnsi,25mnsi）、硅钒系(40s

25、i2mnv、45simnv )、硅钛系(45si2mnti)、硅锰系(40si2mn,48si2mn)、硅铬系(45si2cr)。 1.1.2 2 钢筋钢筋(reinforcing steel bar)第1章 钢筋混凝土结构的材料的物理力学性能 1.2.2 1.2.2 钢筋的品种和成分、级别（钢筋的品种和成分、级别（the types and elements the types and elements and levels of steel barand levels of steel bar） 1.1.2 2 钢筋钢筋(reinforcing steel bar)第1章 钢筋混凝土结构的

26、材料的物理力学性能 1.2.2 1.2.2 钢筋的品种和成分、级别（钢筋的品种和成分、级别（the types and elements the types and elements and levels of steel barand levels of steel bar） 品种和级别品种和级别热轧钢筋热轧钢筋 hot rolled steel reinforcing bar r235 （或（或hpb235）（hpb hot rolled plain bar） hrb335 （hrb hot rolled rolled bar） rrb 400 （rrb rolled ribbed bar

27、）2/235mmnfsk2/335mmnfsk2/400mmnfsk r235r235级级 （级）级） hrb335 hrb335级级 （级）级） hrb400 hrb400级级 （级）级） rrb400 rrb400级、级、kl400 kl400 （余热处理（余热处理级）级） r235r235 级（级（i i级）级） 钢筋，多为光面钢筋（钢筋，多为光面钢筋（plain barplain bar） 多作现浇楼板的受力钢筋和箍筋。多作现浇楼板的受力钢筋和箍筋。 hrb335hrb335级级 （iiii级）和级）和 rrb 400rrb 400、kl400kl400 （iiiiii级）钢级）钢筋强

28、度较高，多作为钢筋混凝土构件的受力钢筋。用于较筋强度较高，多作为钢筋混凝土构件的受力钢筋。用于较大的构件，也有用大的构件，也有用iiii级钢筋作为箍筋的，为增强与混凝土级钢筋作为箍筋的，为增强与混凝土的粘结（的粘结（bondbond），外形制作成月牙或等高肋的变形钢筋），外形制作成月牙或等高肋的变形钢筋（deformed bardeformed bar）。）。第1章 钢筋混凝土结构的材料的物理力学性能 1.2.2 1.2.2 钢筋的品种和成分、级别（钢筋的品种和成分、级别（the types and elements the types and elements and levels of s

29、teel barand levels of steel bar） 1.31.1.3 3 钢筋和混凝土之间的粘结钢筋和混凝土之间的粘结钢筋与混凝土之间的粘结是这两种材料共同工作的保钢筋与混凝土之间的粘结是这两种材料共同工作的保证，使之能共同承受外力、共同变形、抵抗相互间的滑移。证，使之能共同承受外力、共同变形、抵抗相互间的滑移。而钢筋能否可靠地锚固在混凝土中则直接影响到这两种材而钢筋能否可靠地锚固在混凝土中则直接影响到这两种材料的共同工作，从而关系到结构和构件的安全和材料强度料的共同工作，从而关系到结构和构件的安全和材料强度的充分利用。的充分利用。一般来说，钢筋与混凝土的粘结锚固作用所包含的内容

30、有：一般来说，钢筋与混凝土的粘结锚固作用所包含的内容有：1.混凝土凝结时，水泥胶的化学作用，使钢筋和混凝土在混凝土凝结时，水泥胶的化学作用，使钢筋和混凝土在接触面上产生的胶结力；接触面上产生的胶结力；2.由于混凝土凝结时收缩，握裹由于混凝土凝结时收缩，握裹住钢筋，在发生相互滑动时产生的摩阻力，住钢筋，在发生相互滑动时产生的摩阻力，3.钢筋表面租钢筋表面租糙不平或变形钢筋凸起的肋纹与混凝土的咬合力；以及糙不平或变形钢筋凸起的肋纹与混凝土的咬合力；以及4.当采用锚固措施后所造成的机械锚固力等。当采用锚固措施后所造成的机械锚固力等。第1章 钢筋混凝土结构的材料的物理力学性能 通过对粘结力基准试件的试

31、验和模拟构件试验，可通过对粘结力基准试件的试验和模拟构件试验，可以测定出粘结力的分布情况、用以计算粘结强度，并以测定出粘结力的分布情况、用以计算粘结强度，并作为设计钢筋锚固长度的基础。作为设计钢筋锚固长度的基础。 将钢筋的一端埋置在混凝土试件中，在伸出的一端将钢筋的一端埋置在混凝土试件中，在伸出的一端施加拉拨力，称为拉拔试验或拔出试验，示如图施加拉拨力，称为拉拔试验或拔出试验，示如图116、17。经测定，粘结应力的分布果曲线形，从拔力一边。经测定，粘结应力的分布果曲线形，从拔力一边的混凝土端面开始迅速增长，在靠近端面的一定距离的混凝土端面开始迅速增长，在靠近端面的一定距离处达到峰值，其后逐渐衰减处达到峰值，其后逐渐衰减 第1章 钢筋混凝土结构的材料的物理力