【土木建筑】混凝土结构原理1.13

1、2l第一篇第一篇 混凝土结构原理混凝土结构原理1. 绪绪 论论2.混凝土和钢筋的材料性能混凝土和钢筋的材料性能3.混凝土结构基本计算原则混凝土结构基本计算原则4.钢筋混凝土基本构件的承载力和变形钢筋混凝土基本构件的承载力和变形5.预应力混凝土结构构件预应力混凝土结构构件l第二篇第二篇 混凝土结构的应用混凝土结构的应用1. 混凝土结构的鉴定与加固混凝土结构的鉴定与加固2.钢与混凝土组合结构钢与混凝土组合结构3l第一节第一节 材料材料l第二节第二节 结构结构l第三节第三节 工程应用工程应用l第四节第四节 已建结构的鉴定和加固已建结构的鉴定和加固l第五节第五节 试验技术试验技术 4l（一）混凝土（一

2、）混凝土1.高性能混凝土高性能混凝土 高性能混凝土是指混凝土具有高强度、高耐高性能混凝土是指混凝土具有高强度、高耐久性、高流动性等多方面的优越性能。从强度久性、高流动性等多方面的优越性能。从强度而言，抗压强度大于而言，抗压强度大于c50的混凝土属于的混凝土属于，提高混凝土的强度是发展高层建筑、高，提高混凝土的强度是发展高层建筑、高耸结构、大跨度结构的重要措施。耸结构、大跨度结构的重要措施。 具有优良的物理力学性能及良具有优良的物理力学性能及良好的耐久性，但是延性较差，是其主要缺点。好的耐久性，但是延性较差，是其主要缺点。在高强混凝土中加入适量的钢纤维，作为纤维在高强混凝土中加入适量的钢纤维，作

3、为纤维增强高强混凝土，可以提高其抗拉、抗弯、抗增强高强混凝土，可以提高其抗拉、抗弯、抗剪强度。大幅度提高韧性（延性）和抗疲劳、剪强度。大幅度提高韧性（延性）和抗疲劳、抗冲击等性能。抗冲击等性能。5l2. 纤维增强混凝土纤维增强混凝土 目前研究较多的有目前研究较多的有钢纤维、耐碱玻璃钢纤维、耐碱玻璃纤维、聚丙烯纤维或尼龙合成纤维纤维、聚丙烯纤维或尼龙合成纤维等。等。 在承重结构中，发展较快、应用较广的在承重结构中，发展较快、应用较广的是钢纤维。钢纤维主要有用于土木建筑工是钢纤维。钢纤维主要有用于土木建筑工程的碳素钢纤维和用于耐火材料工业中的程的碳素钢纤维和用于耐火材料工业中的不锈钢纤维。不锈钢纤

4、维。6l2. 纤维增强混凝土纤维增强混凝土 用于土木建筑工程的钢纤维主要有以下几用于土木建筑工程的钢纤维主要有以下几种生产方法：钢丝切断法；薄板剪切法；种生产方法：钢丝切断法；薄板剪切法；钢锭钢锭(厚板厚板)铣削法；铣削法；熔钢抽丝法熔钢抽丝法(简称熔抽简称熔抽法法)。 韧性是衡量钢纤维辊凝土塑性变形性能的韧性是衡量钢纤维辊凝土塑性变形性能的重要指标，在通常的纤维掺量下，与基体混凝重要指标，在通常的纤维掺量下，与基体混凝土相比，抗压韧性可提高土相比，抗压韧性可提高27倍，抗弯韧性可倍，抗弯韧性可提高几十倍到上百倍，冲击韧性可提高几倍到提高几十倍到上百倍，冲击韧性可提高几倍到几十倍。钢纤维混凝土

5、的抗弯和抗压疲劳性能几十倍。钢纤维混凝土的抗弯和抗压疲劳性能以及抗磨性较普通混凝土都有较大改善。以及抗磨性较普通混凝土都有较大改善。 7l2. 纤维增强混凝土纤维增强混凝土 钢纤维混凝土钢纤维混凝土的工程应用相当广泛。例如的工程应用相当广泛。例如可用于三维复杂应力部位，用于预制桩的桩尖可用于三维复杂应力部位，用于预制桩的桩尖与桩顶部位，可取消桩顶防护钢板和铁制桩尖，与桩顶部位，可取消桩顶防护钢板和铁制桩尖，并减少两端横向钢筋网的数量；用于抗震框架并减少两端横向钢筋网的数量；用于抗震框架节点区，可减少钢筋用量，便于浇筑节点区的节点区，可减少钢筋用量，便于浇筑节点区的混凝土；用于受弯受拉作用的水管

6、、刚性防水混凝土；用于受弯受拉作用的水管、刚性防水屋面、地下人防工程、地下泵房和地下室的防屋面、地下人防工程、地下泵房和地下室的防水，均可取得良好的效果。水，均可取得良好的效果。 在桥梁建筑中，在混凝土拱桥受拉区段用在桥梁建筑中，在混凝土拱桥受拉区段用钢纤维提高抗拉强度；可降抵主拱高度；减轻钢纤维提高抗拉强度；可降抵主拱高度；减轻拱圈自重。拱圈自重。8l3. 轻集料轻集料 利用天然轻集料利用天然轻集料(如浮石、凝灰岩等如浮石、凝灰岩等)、工业废、工业废料轻集料料轻集料(如炉渣、粉煤灰陶粒、自燃煤矸石等如炉渣、粉煤灰陶粒、自燃煤矸石等及其轻砂及其轻砂)、人造轻集料、人造轻集料(页岩陶粒、粘土陶粒

7、、页岩陶粒、粘土陶粒、膨胀珍珠岩等承其轻砂）制成的轻集料混凝土膨胀珍珠岩等承其轻砂）制成的轻集料混凝土具有容重较小、相对强度高以及保温小、抚冻具有容重较小、相对强度高以及保温小、抚冻性能好等优点。利用工业废渣，如废弃锅炉煤性能好等优点。利用工业废渣，如废弃锅炉煤渣、煤矿的煤矸石、火力发电站的粉媒灰等制渣、煤矿的煤矸石、火力发电站的粉媒灰等制备轻集料混凝土，可降低馄凝土的生产成本，备轻集料混凝土，可降低馄凝土的生产成本，并变废为用，减少城市或厂区的污染，减少堆并变废为用，减少城市或厂区的污染，减少堆积废料占用的土地，对社会环境也是有利的。积废料占用的土地，对社会环境也是有利的。9l4. 碾压混凝

8、土碾压混凝土 碾压混凝土是国内外近年发展碾压混凝土是国内外近年发展比较快的一种新比较快的一种新型混凝土，可用于大体积混凝土结构、工业厂型混凝土，可用于大体积混凝土结构、工业厂房地面、公路路面及机场道面等。房地面、公路路面及机场道面等。 用于大体积混凝土的碾压混凝土的浇筑机具与用于大体积混凝土的碾压混凝土的浇筑机具与普通混凝土不同，其平整使用推土机，振实用普通混凝土不同，其平整使用推土机，振实用碾压机，层间处理用刷毛机，整个施工过程的碾压机，层间处理用刷毛机，整个施工过程的机械化程度高，施工效率高，劳动条件好，可机械化程度高，施工效率高，劳动条件好，可大量掺用粉煤灰，与普通混凝土相比，浇筑工大量

9、掺用粉煤灰，与普通混凝土相比，浇筑工期可缩短期可缩短1/31/2，用水量可减少用水量可减少20，水泥用，水泥用量可减少量可减少3060。10l4. 碾压混凝土碾压混凝土 碾压混凝土的层间抗剪性能是修建混凝土碾压混凝土的层间抗剪性能是修建混凝土高坝的关键，这方面的研究工作国内正在开展。高坝的关键，这方面的研究工作国内正在开展。 在公路、工业厂房地面筹大面积混凝土工程中，在公路、工业厂房地面筹大面积混凝土工程中，采用碾压混凝土，或者在碾压混凝土中再加入采用碾压混凝土，或者在碾压混凝土中再加入钢纤维，成为钢纤维碾压混凝土，则其力学性钢纤维，成为钢纤维碾压混凝土，则其力学性能及耐久性还可进一步改善。能

10、及耐久性还可进一步改善。11l5. 特种混凝土特种混凝土 除上述几种近年来发展较快的混凝土外，除上述几种近年来发展较快的混凝土外，其它混凝土，如其它混凝土，如泵送混凝土、免振自密实的泵送混凝土、免振自密实的流态混凝土流态混凝土应用得比较广泛，还有水下浇筑应用得比较广泛，还有水下浇筑混凝土，预先在模板内填实粗骨料，而后将混凝土，预先在模板内填实粗骨料，而后将水泥砂浆用压力灌入粗骨料空隙中形成的水泥砂浆用压力灌入粗骨料空隙中形成的压压浆混凝土浆混凝土；采用膨胀水泥或加膨胀剂制成的；采用膨胀水泥或加膨胀剂制成的膨胀混疑土、喷射混凝土、聚合物混凝土膨胀混疑土、喷射混凝土、聚合物混凝土等等也得到应用。也

11、得到应用。12l（二）配筋（二）配筋 钢筋混凝土结构的配筋材料，主要是钢钢筋混凝土结构的配筋材料，主要是钢筋。最近在国际上研究较多的是树脂粘结的筋。最近在国际上研究较多的是树脂粘结的纤维筋纤维筋(frp)作混凝土及预应力混凝土结构作混凝土及预应力混凝土结构的非金属配筋。常用的纤维筋有树脂粘结的的非金属配筋。常用的纤维筋有树脂粘结的碳纤维、玻璃纤维及芳纶碳纤维、玻璃纤维及芳纶(aramid)纤维。国纤维。国外研究指出，碳纤维、外研究指出，碳纤维、aramid纤维及玻璃纤纤维及玻璃纤维制成的筋材，强度都很高，只是玻璃纤维维制成的筋材，强度都很高，只是玻璃纤维筋的抗碱化性能较差。筋的抗碱化性能较差。

12、13l（二）配筋（二）配筋 为了节约钢材用量，国内用光圆的为了节约钢材用量，国内用光圆的级级钢筋经过冷轧，轧成带肋的直径小于母材直钢筋经过冷轧，轧成带肋的直径小于母材直径的钢筋，称为径的钢筋，称为冷轧带肋钢筋冷轧带肋钢筋。 另一种类似的钢筋，也是用另一种类似的钢筋，也是用级钢筋冷轧级钢筋冷轧扭转成型，称为冷轧变形钢筋或扭转成型，称为冷轧变形钢筋或冷轧扭钢筋冷轧扭钢筋。这两种冷轧钢筋的抗拉强度标准值这两种冷轧钢筋的抗拉强度标准值(极限抗拉极限抗拉强度强度)及设计值比母材及设计值比母材级钢筋大大提高，与级钢筋大大提高，与混凝土的粘结强度也提高，但直径较小，主混凝土的粘结强度也提高，但直径较小，主要

13、用于板式构件的受力钢筋或梁、柱构件的要用于板式构件的受力钢筋或梁、柱构件的箍筋或作预应力筋。箍筋或作预应力筋。14l冷轧带肋钢筋冷轧带肋钢筋l母材采用热轧的母材采用热轧的普通低碳钢或低普通低碳钢或低合金钢，经冷轧合金钢，经冷轧减径后，再在其减径后，再在其表面冷轧成二面表面冷轧成二面或三面有肋的钢或三面有肋的钢筋（右图）。筋（右图）。15l冷轧带肋钢筋冷轧带肋钢筋 标准冷轧带肋钢筋标准冷轧带肋钢筋 (gbl37882000)规定，冷轧带肋钢筋按抗拉强度分为五级，规定，冷轧带肋钢筋按抗拉强度分为五级，其代号为其代号为crb550、crb650、crb800、crb970和和crb1170，其中其中

14、c、r、b分别表分别表示示“冷轧冷轧”、“带肋带肋和和“钢筋钢筋”三个英三个英文词的首位字母，后面的数字表示钢筋抗拉文词的首位字母，后面的数字表示钢筋抗拉强度等级数值。强度等级数值。16l冷轧带肋钢筋冷轧带肋钢筋冷轧带肋钢筋具有以下优点：冷轧带肋钢筋具有以下优点： l1)强度高，塑性好。强度高，塑性好。 l2)握裹力强。混凝土对冷轧带肋钢筋的握裹力为同直握裹力强。混凝土对冷轧带肋钢筋的握裹力为同直径冷拔钢丝的径冷拔钢丝的36倍。倍。 l3)节约钢材，降低成本。节约钢材，降低成本。 l4)提高构件整体质量。提高构件整体质量。l冷轧带肋钢筋冷轧带肋钢筋将逐步取代冷拔低碳钢丝，其中将逐步取代冷拔低碳

15、钢丝，其中crb550级钢筋宜用作钢筋混凝土结构构件的受力级钢筋宜用作钢筋混凝土结构构件的受力主筋、架立筋和构造钢筋。其他牌号钢筋宜用作预主筋、架立筋和构造钢筋。其他牌号钢筋宜用作预应力钢筋混凝土结构构件的受力主筋。应力钢筋混凝土结构构件的受力主筋。17l冷轧扭钢筋冷轧扭钢筋 由普通低碳钢热轧圆盘条经冷轧扭工艺由普通低碳钢热轧圆盘条经冷轧扭工艺加工而成的螺旋状加工而成的螺旋状“冷加工变形钢筋冷加工变形钢筋”。 加工生产的冷轧扭钢筋应为连接的螺旋形、加工生产的冷轧扭钢筋应为连接的螺旋形、表面应光滑，不得有裂缝、折叠夹层等，亦表面应光滑，不得有裂缝、折叠夹层等，亦不得有深度超过不得有深度超过02m

16、m的压痕或凹坑。的压痕或凹坑。标志直径为标志直径为6.514mm，抗拉强度设计值为抗拉强度设计值为360n/mm2冷轧扭钢筋的延性差，一般可用于钢筋混凝冷轧扭钢筋的延性差，一般可用于钢筋混凝土结构构件的受力钢筋。土结构构件的受力钢筋。18l 混凝土结构主要包括钢筋混凝土结构和预混凝土结构主要包括钢筋混凝土结构和预应力混凝土结构。应力混凝土结构。l 钢筋混凝土是由钢筋和混凝土两种物理钢筋混凝土是由钢筋和混凝土两种物理力力学性能完全不同的材料所组成的结构材料。它学性能完全不同的材料所组成的结构材料。它们之所以能有效地结合在一起而共同工作，主们之所以能有效地结合在一起而共同工作，主要是由于：要是由于

17、：（1）混凝土硬化后钢筋与混凝土之间产生了良好的混凝土硬化后钢筋与混凝土之间产生了良好的粘结力，使两者结合在一起。粘结力，使两者结合在一起。（2）两种材料的温度线膨胀系数的数值颇为接近。）两种材料的温度线膨胀系数的数值颇为接近。19l（一）钢（一）钢混凝土组合结构混凝土组合结构 钢板混凝土用于地下结构及混凝土结构的钢板混凝土用于地下结构及混凝土结构的加固，压型钢板混凝土用于楼板；型钢与混加固，压型钢板混凝土用于楼板；型钢与混凝土的组合梁用于楼盖或桥梁，外包钢混凝凝土的组合梁用于楼盖或桥梁，外包钢混凝土柱用于电厂主厂房等。土柱用于电厂主厂房等。l（二）预应力混凝土结构（二）预应力混凝土结构 预应

18、力混凝土结构近年来发展较迅速，预应力混凝土结构近年来发展较迅速，其中引人重视的是无粘结部分预应力混凝土其中引人重视的是无粘结部分预应力混凝土结构。结构。20l（二）预应力混凝土结构（二）预应力混凝土结构 无粘结预应力筋是由单根或多根高强钢无粘结预应力筋是由单根或多根高强钢丝、钢绞线或钢筋，沿全长涂抹防腐蚀油脂丝、钢绞线或钢筋，沿全长涂抹防腐蚀油脂并用聚乙烯热塑管包裹而成。钢筋张拉时，并用聚乙烯热塑管包裹而成。钢筋张拉时，预应力筋对周围混凝土产生纵向相对滑动。预应力筋对周围混凝土产生纵向相对滑动。无粘结筋像普通钢筋一样敷设，然后浇筑混无粘结筋像普通钢筋一样敷设，然后浇筑混握土，待混凝土达到规定的

19、强度后，进行预握土，待混凝土达到规定的强度后，进行预应力张拉和锚固。省去了传统的后张预应力应力张拉和锚固。省去了传统的后张预应力混凝土预埋管道，穿索、压浆工艺，节省施混凝土预埋管道，穿索、压浆工艺，节省施工设备，简化施工工艺，缩短工期，节约造工设备，简化施工工艺，缩短工期，节约造价，可得到综合的经济效益。价，可得到综合的经济效益。21l（一）建筑工程：（一）建筑工程：各类民用和公共建筑，单层和多层厂房，高层和大跨各类民用和公共建筑，单层和多层厂房，高层和大跨建筑建筑l（二）桥梁工程：（二）桥梁工程：板式、梁式、拱形和桁架式桥梁的上部结构，礅台和板式、梁式、拱形和桁架式桥梁的上部结构，礅台和基础

20、，护坡，公路路面，铁道轨枕基础，护坡，公路路面，铁道轨枕l（三）特种结构与高耸结构：三）特种结构与高耸结构：机场跑道、停机坪，核反应堆的安全壳，电视塔、烟机场跑道、停机坪，核反应堆的安全壳，电视塔、烟囱、栈桥囱、栈桥l（四）水利及其他工程四）水利及其他工程大坝，水电站，港口和码头，海洋平台，蓄水池大坝，水电站，港口和码头，海洋平台，蓄水池22l（一）建筑工程：（一）建筑工程：23l（一）建筑工程：（一）建筑工程：北京朝阳门体育馆北京朝阳门体育馆24l（二）桥梁工程：（二）桥梁工程：香港青马大桥（香港青马大桥（tsing ma bridge） 25l（二）桥梁工程：（二）桥梁工程：长江西陵大桥长

21、江西陵大桥26l（三）特种结构与高耸结构三）特种结构与高耸结构天津电视塔天津电视塔27l（三）特种结构与高耸结构三）特种结构与高耸结构秦山核电站安全壳秦山核电站安全壳28l（四）水利及其他工程四）水利及其他工程施工中的长江三峡施工中的长江三峡五级船闸五级船闸29l 钢筋混凝土结构由于下述原因，对其是钢筋混凝土结构由于下述原因，对其是否符合国家标准所要求的可靠性否符合国家标准所要求的可靠性(安全性、安全性、适用性及耐久性适用性及耐久性)，需进行鉴定：，需进行鉴定：(1)原结构设计检查出有人为错误，造成不安原结构设计检查出有人为错误，造成不安全的隐患。全的隐患。(2)结构在施工建造期，由于材料性能

22、不符合结构在施工建造期，由于材料性能不符合设计要求、施工质量低劣、人为错误等原因，设计要求、施工质量低劣、人为错误等原因，出现了不正常的裂缝、变形或其他缺陷。出现了不正常的裂缝、变形或其他缺陷。 30(3)结构在长期使用后，由于前一节所述的耐久结构在长期使用后，由于前一节所述的耐久性受损的原因，或其他原因，如地基不均匀沉性受损的原因，或其他原因，如地基不均匀沉陷，出现过大的裂缝、变形、混凝土保护层剥陷，出现过大的裂缝、变形、混凝土保护层剥落等不正常现象。落等不正常现象。(4)结构在使用期内，由于经济发展或其他原因，结构在使用期内，由于经济发展或其他原因，需聚加层、加高、扩大建筑空间等改变结构原

23、需聚加层、加高、扩大建筑空间等改变结构原来规定的使用功能。来规定的使用功能。(5)结构遭遇突然的灾害，如火灾、风灾、水灾、结构遭遇突然的灾害，如火灾、风灾、水灾、地震、爆炸。地震、爆炸。31l 当出现上述某一不正常情况时，就需要对结当出现上述某一不正常情况时，就需要对结构构(有时还包括地基基础有时还包括地基基础)，的可靠性进行专项或，的可靠性进行专项或多项综合鉴定多项综合鉴定(类似于为病人医治疾病，首先对类似于为病人医治疾病，首先对病情进行检查、诊断病情进行检查、诊断)，从而在下一步进行技术，从而在下一步进行技术与经济的论证，在技术可行、经济合理的条件下与经济的论证，在技术可行、经济合理的条件

24、下采取合适的加固或减载等措施采取合适的加固或减载等措施(类似于疾病的治类似于疾病的治疗疗)，使结构达到所要求的功能。对于无修复加，使结构达到所要求的功能。对于无修复加固价值的危损结构，则应及时动迁、拆除或采取固价值的危损结构，则应及时动迁、拆除或采取其他有效措施，避免发生灾难性事故。其他有效措施，避免发生灾难性事故。 32l 由于混凝土是一种性能很复杂的组合材料，新由于混凝土是一种性能很复杂的组合材料，新的组成材料又不断发展，尽管在计算理论方面有的组成材料又不断发展，尽管在计算理论方面有很大改善，但必须由试验验证理论的可信性，这很大改善，但必须由试验验证理论的可信性，这是混凝土学科的一个突出的

25、特点。是混凝土学科的一个突出的特点。l 混凝土试验技术的进展是与物理、化学、电子混凝土试验技术的进展是与物理、化学、电子学、计算机等方面的进展密切相关的。例如，已学、计算机等方面的进展密切相关的。例如，已建结构混凝土强度的评估方法中，除回弹法、拉建结构混凝土强度的评估方法中，除回弹法、拉拔法、钻芯法之外，还应用了超声波法、超声回拔法、钻芯法之外，还应用了超声波法、超声回弹综合法、拉脱法、射钉法等。弹综合法、拉脱法、射钉法等。33l 在监测裂缝发生和发展方面应用了多声道声波在监测裂缝发生和发展方面应用了多声道声波仪、光弹贴片法、云纹法、激光散斑法、埋置光仪、光弹贴片法、云纹法、激光散斑法、埋置光

26、纤法等。在无损检测技术中应用冲击反射纤法等。在无损检测技术中应用冲击反射(回波回波)法，还有探索混凝土内部损伤的雷达仪。在观察法，还有探索混凝土内部损伤的雷达仪。在观察混凝土微观构造方面应用了电子显微镜、工业混凝土微观构造方面应用了电子显微镜、工业ct等。等。l 先进的电液伺服疲劳试验机、三轴试验机、快先进的电液伺服疲劳试验机、三轴试验机、快速应变记录仪等也都应用于混凝土结构试验。可速应变记录仪等也都应用于混凝土结构试验。可以预见，随着科学技术的进步，试验技术还将不以预见，随着科学技术的进步，试验技术还将不断地发展。断地发展。34l第一节第一节 混凝土混凝土l第二节第二节 钢钢 筋筋l第三节第

27、三节 钢筋与混凝土的粘结性能钢筋与混凝土的粘结性能35l一、混凝土的强度一、混凝土的强度l1 1、混凝土强度等级、混凝土强度等级和立方体抗压强度和立方体抗压强度f fcucul混凝土结构中，主要是利用它的混凝土结构中，主要是利用它的抗压强度抗压强度。因此。因此抗压强度是混凝土力学性能中最主要和最基本的抗压强度是混凝土力学性能中最主要和最基本的指标。指标。 混凝土的强度等级是用立方体抗压强度来混凝土的强度等级是用立方体抗压强度来划分的划分的混凝土混凝土l规范根据强度范围，从规范根据强度范围，从c15c80共划分为共划分为14个强度等级，个强度等级，级差为级差为5n/mm2。与原规范与原规范gbj

28、10-89相比，混凝土强度等级范围由相比，混凝土强度等级范围由c60提提高到高到c80，c50以上为以上为高强混凝土高强混凝土，有关指标和计，有关指标和计算公式在算公式在c50与原规范与原规范gbj10-89衔接。衔接。36l2 2、轴心抗压强度、轴心抗压强度 l轴心抗压强度采用棱柱体试件测定，用符号轴心抗压强度采用棱柱体试件测定，用符号fc表表示，它比较接近实际构件中混凝土的受压情况。示，它比较接近实际构件中混凝土的受压情况。棱柱体试件高宽比一般为棱柱体试件高宽比一般为h/b=34，我国通常取我国通常取150mm150mm450mm的棱柱体试件，也常用的棱柱体试件，也常用100100300试

29、件。试件。 对于同一混凝土，对于同一混凝土，棱柱体抗棱柱体抗压强度小于立方体抗压强度。压强度小于立方体抗压强度。棱柱体抗压强度和棱柱体抗压强度和立方体抗压强度的换算关系为立方体抗压强度的换算关系为： fc=kfcul规范对小于规范对小于c50级的混凝土取级的混凝土取k=0.76，对对c80取取k=0.82，其间按线性插值。其间按线性插值。37l3、轴心抗拉强度、轴心抗拉强度l轴心抗拉强度也是其基本力学性轴心抗拉强度也是其基本力学性能，用符号能，用符号 ft 表示。混凝土构件表示。混凝土构件开裂、裂缝、变形，以及受剪、开裂、裂缝、变形，以及受剪、受扭、受冲切等的承载力均与抗受扭、受冲切等的承载力

30、均与抗拉强度有关。拉强度有关。l轴心抗拉强度轴心抗拉强度与立方体强度存在与立方体强度存在一定的换算关系。一定的换算关系。l轴心抗拉强度轴心抗拉强度的测定方法：的测定方法：l直接法和间接法（劈拉试验）直接法和间接法（劈拉试验） 500 150 15010016轴心受拉试验38l4、混凝土强度的标准值、混凝土强度的标准值l规范规定材料强度的标准值规范规定材料强度的标准值 fk 应具有不小于应具有不小于95%的保证率的保证率：l立方体强度标准值即为混凝土强度等级立方体强度标准值即为混凝土强度等级fcu。)645. 11 (mkff39l4、混凝土强度的标准值、混凝土强度的标准值l规范在确定混凝土轴心

31、抗压强度和轴心抗拉规范在确定混凝土轴心抗压强度和轴心抗拉强度标准值时，假定它们的变异系数与立方体强强度标准值时，假定它们的变异系数与立方体强度的变异系数相同，利用与立方体强度平均值的度的变异系数相同，利用与立方体强度平均值的换算关系，便可按上式计算得到。换算关系，便可按上式计算得到。 同时，规范同时，规范考虑到试件与实际结构的差异以及高强混凝土的考虑到试件与实际结构的差异以及高强混凝土的脆性特征，对轴心抗压强度和轴心抗拉强度，还脆性特征，对轴心抗压强度和轴心抗拉强度，还采用了以下两个采用了以下两个折减系数折减系数：结构中混凝土强度：结构中混凝土强度与混凝土试件强度的比值，取与混凝土试件强度的比

32、值，取0.88；脆性折减；脆性折减系数，对系数，对c40取取1.0，对，对c80取取0.87，中间按线性，中间按线性规律变化。规律变化。40l混凝土强度标准值混凝土强度标准值混凝土强度标准值（n/mm2）混混 凝凝 土土 强强 度度 等等 级级强度种类强度种类符号符号c15c20c25c30c35轴心抗压强度轴心抗压强度fck10.013.416.720.123.4轴心抗拉强度轴心抗拉强度ftk1.271.541.782.012.20混混 凝凝 土土 强强 度度 等等 级级c40c45c50c55c60c65c70c75c8026.829.632.435.538.541.544.547.450

33、.22.402.512.652.742.852.933.003.053.1041l二、混凝土破坏机理二、混凝土破坏机理l 混凝土一直被认为是“脆性”材料，无论是受压还是受拉状态，它的破坏过程都是短暂、急骤，肉眼不可能仔细地观察到其内部的破坏过程。现代科学技术的高度发展，为材料和结构试验提供了先进的加载和量测手段。42l二、混凝土破坏机理二、混凝土破坏机理l 一些试验观测证明，结构混凝土在承受荷载或外应力之前，内部就已经存在少量分散的微裂缝，其宽度一般为(25)10-3 mm，最大长度达12mm。其主要原因是在混凝土的凝固过程中，粗骨料和水泥砂浆的收缩差和不均匀温湿度场所产生的微观应力场，由于水

34、泥砂浆和粗骨料表面的粘结强度只及该砂浆抗拉强度的3565，而粗骨料本身的抗拉强度远超过水泥砂浆的强度。故当混凝土内微观拉应力较大时，首先在粗骨料的界面出现微裂缝，称界面粘结裂缝。43l 试验证实了混凝土在受力前就存在初始微裂试验证实了混凝土在受力前就存在初始微裂缝，都出现在较大粗骨料的界面。开始受力后直缝，都出现在较大粗骨料的界面。开始受力后直到极限荷载到极限荷载( (maxmax) )，混凝土的微裂缝逐渐增多和混凝土的微裂缝逐渐增多和扩展，可以分作扩展，可以分作3 3个阶段：个阶段：l(1)(1)微裂缝相对稳定期微裂缝相对稳定期( (/maxmax 0.30.30.5)0.5)l(2)(2)

35、稳定裂缝发展期稳定裂缝发展期( (/maxmax 0.750.750.9)0.9)l(3)(3)不稳定裂缝发展期不稳定裂缝发展期( (/maxmax 0.750.750.9)0.9)44l 从对混凝土受压过程的微观现象的分析，从对混凝土受压过程的微观现象的分析，其破坏机理可以概括为：首先是水泥砂浆沿粗其破坏机理可以概括为：首先是水泥砂浆沿粗骨料的界面和砂浆内部形成微裂缝；应力增大骨料的界面和砂浆内部形成微裂缝；应力增大后这些微裂缝逐渐地延伸和扩展，并连通成为后这些微裂缝逐渐地延伸和扩展，并连通成为宏观裂缝；砂浆的损伤不断积累，切断了和骨宏观裂缝；砂浆的损伤不断积累，切断了和骨料的联系，混凝土的

36、整体性遭受破坏而逐渐地料的联系，混凝土的整体性遭受破坏而逐渐地丧失承载力。混凝土在其它应力状态，如受拉丧失承载力。混凝土在其它应力状态，如受拉和多轴应力状态下的破坏过程也与此相似。和多轴应力状态下的破坏过程也与此相似。45l 混凝土的强度远低于粗骨料本身的混凝土的强度远低于粗骨料本身的强度，当混凝土破坏后，其中的粗骨料强度，当混凝土破坏后，其中的粗骨料一般无破损的迹象，裂缝和破碎都发生一般无破损的迹象，裂缝和破碎都发生在水泥砂浆内部。所以，混凝土的强度在水泥砂浆内部。所以，混凝土的强度和变形性能在很大程度上取决于水泥砂和变形性能在很大程度上取决于水泥砂浆的质量和密实性。浆的质量和密实性。 46

37、l 由上述混凝土的破坏机理可知，微裂缝由上述混凝土的破坏机理可知，微裂缝的发展导致横向变形的的发展导致横向变形的 增大。增大。l 对横向变形加以约束对横向变形加以约束，就可以限制微裂缝，就可以限制微裂缝的发展，从而的发展，从而 可提高混凝土的抗压强度。立可提高混凝土的抗压强度。立方体试件受约束范围大，而棱柱方体试件受约束范围大，而棱柱 体试件中部体试件中部未受约束，因此造成了不同受压试件强度的差未受约束，因此造成了不同受压试件强度的差别和别和 破坏形态的不同。破坏形态的不同。 47l 混凝土局部受压强度混凝土局部受压强度fcl 比轴心抗压强度比轴心抗压强度 fc 大很多，也是因为局部受压面积以

38、大很多，也是因为局部受压面积以 外的混凝土对外的混凝土对局部受压区局部受压区 域内部混凝土微裂缝产生域内部混凝土微裂缝产生 了较强的了较强的约束约束。48l “约束混凝土约束混凝土”的概念在工程中许多地方都有的概念在工程中许多地方都有应用，如螺旋箍筋柱、后张法预应力锚具下局部应用，如螺旋箍筋柱、后张法预应力锚具下局部受压区域配置的钢筋网或螺旋筋等。而钢管混凝受压区域配置的钢筋网或螺旋筋等。而钢管混凝土对内部混凝土的约束效果更好，因此近年来在土对内部混凝土的约束效果更好，因此近年来在我国工程中得到许多应用。我国工程中得到许多应用。 约束混凝土可以提高约束混凝土可以提高混凝土的强度，但更值得注意的

39、是可以提高混凝混凝土的强度，但更值得注意的是可以提高混凝土的土的变形能力，变形能力，这一点对于抗震结构非常重要。这一点对于抗震结构非常重要。在抗震结构对于可能出现塑性铰的区域，均要求在抗震结构对于可能出现塑性铰的区域，均要求加密箍筋配置来提高构件的变形能力，达到坏而加密箍筋配置来提高构件的变形能力，达到坏而不倒的目的。不倒的目的。 49l三、混凝土的变形三、混凝土的变形l 1、单轴（单调）受压应力、单轴（单调）受压应力-应变关系应变关系(stress- strain relationship )l 混凝土单轴受力时的应力混凝土单轴受力时的应力-应变关系反映了混凝应变关系反映了混凝土受力全过程的

40、重要力学特征土受力全过程的重要力学特征 ,是分析混凝土构是分析混凝土构件应力、建立承载力和变形计算理论的必要依据，件应力、建立承载力和变形计算理论的必要依据，也是利用计算机进行非线性分析的基础。也是利用计算机进行非线性分析的基础。50过镇海提出的应力过镇海提出的应力-应变全曲线表达式应变全曲线表达式1 ) 1(1 )2()23()(232xxxxxxaxaaxxyca=ec/e0， ec为初始弹性模量；为初始弹性模量； e0为峰值点时的割线模量，为峰值点时的割线模量， 一般应有一般应有1.5a3； c 为下为下降段参数降段参数00.0020.0040.0060.0080.01204060 (m

41、pa)c20c40c60c8051hognestad建议的建议的应力应力-应变曲线应变曲线uuccff0000200 15. 010 200.0020.0038 fc0.15 fc0u52规范应力规范应力-应变关系（本构关系）应变关系（本构关系）)1 (1 0ncccf0下升段下升段：ccfu066010)50(0033. 010)50(5 . 0002. 0)50(6012cuucucufffn规范混凝土应力-应变曲线参数fcuc50c60c70c80n21.831.671.500.0020.002050.00210.00215u0.00330.00320.00310.00300.0010.

42、0020.0030.00410203040506070c80c60c40c20上升段上升段：532、混凝土的弹性模量 elastic modulusec= tan 原点切线模量原点切线模量 elastic modulus0ddecec= tan 割线模量割线模量 secant modulusceec= tan 切线模量切线模量 tangent modulusddec 弹性系数弹性系数n n 随应力增大而减小随应力增大而减小：n n =10.554弹性模量测定方法0.5fc510 次)n/mm(74.342 . 21025cucfe55l3、箍筋约束混凝土受压的应力箍筋约束混凝土受压的应力- -

43、应变关系应变关系confinement with transverse reinforcement 螺旋箍筋约束对强螺旋箍筋约束对强度和变形能力均有度和变形能力均有很大提高很大提高 矩形箍筋约束对强矩形箍筋约束对强度的提高不是很显度的提高不是很显著，但对变形能力著，但对变形能力有显著改善有显著改善(b) 矩形箍筋压应变压力箍筋 d=4.76mm，s=38.1mm箍筋 d=4.76mm，s=63.5mm无箍筋56影响因素影响因素 箍筋与内部混凝土的体积比；箍筋与内部混凝土的体积比； 箍筋的屈服强度；箍筋的屈服强度； 箍筋间距与核心截面直径或边长的比值；箍筋间距与核心截面直径或边长的比值； 箍筋直

44、径与肢距的比值；箍筋直径与肢距的比值； 混凝土强度，对高强混凝土的约束效果差一些。混凝土强度，对高强混凝土的约束效果差一些。57l4 4、混凝土受拉应力、混凝土受拉应力- -应变关系应变关系 ftt0ctctcttefefef25 . 0058l四、复杂应力下混凝土的受力性能l实际结构中，混凝土很少处于单向受力状态。更多的是实际结构中，混凝土很少处于单向受力状态。更多的是处于处于双向双向或或三向三向受力状态。如剪力和扭矩作用下的构件、受力状态。如剪力和扭矩作用下的构件、弯剪扭和压弯剪扭构件、混凝土拱坝、核电站安全壳等。弯剪扭和压弯剪扭构件、混凝土拱坝、核电站安全壳等。双轴应力状态双轴应力状态

45、biaxial stress state双向受压强度大于单向受双向受压强度大于单向受压强度，约为压强度，约为（1.251.60 )fc。双轴受压双轴受压状态下混凝土的应力状态下混凝土的应力-应变应变关系与单轴受压曲线相似，关系与单轴受压曲线相似，但峰值应变均超过单轴受但峰值应变均超过单轴受压时的峰值应变。压时的峰值应变。在一轴受压一轴受拉在一轴受压一轴受拉状态下，任意应力比状态下，任意应力比情况下均不超过其相情况下均不超过其相应单轴强度。并且抗应单轴强度。并且抗压强度或抗拉强度均压强度或抗拉强度均随另一方向拉应力或随另一方向拉应力或压应力的增加而减小。压应力的增加而减小。59l构件受剪或受扭时

46、常遇到剪应力构件受剪或受扭时常遇到剪应力t t 和正应力和正应力 共同作用共同作用下的复合受力情况。下的复合受力情况。混凝土的抗剪强度：随混凝土的抗剪强度：随拉拉应力增大而减小应力增大而减小 ， 随随压压应力增大而增大应力增大而增大 当压应力在当压应力在0.6fc左右时，抗剪强度达到最大，左右时，抗剪强度达到最大， 压应力继续增大，压应力继续增大，则由于内裂缝发展明显，抗剪强度将随压应力的增大而减小。则由于内裂缝发展明显，抗剪强度将随压应力的增大而减小。60l三轴应力状态 triaxial stress state三轴应力状态有多种组合，实际工程遇到较多的螺旋箍筋柱三轴应力状态有多种组合，实际

47、工程遇到较多的螺旋箍筋柱和钢管混凝土柱中的混凝土为三向受压状态。三向受压和钢管混凝土柱中的混凝土为三向受压状态。三向受压试验一般采用圆柱体在等侧压条件进行。试验一般采用圆柱体在等侧压条件进行。214ccff61l局部抗压强度局部抗压强度 local bearing strengthclbcclfaaff62l五、混凝土的收缩和徐变五、混凝土的收缩和徐变shrinkage and creepl1、混凝土的收缩混凝土的收缩 shrinkage l混凝土在空气中硬化时体积会缩小，这种现象称混凝土在空气中硬化时体积会缩小，这种现象称为混凝土的收缩。为混凝土的收缩。 l收缩是混凝土在不受外力情况下体积变

48、化产生的收缩是混凝土在不受外力情况下体积变化产生的变形。当这种自发的变形受到外部（支座）或内变形。当这种自发的变形受到外部（支座）或内部（钢筋）的约束时，将使混凝土中产生拉应力，部（钢筋）的约束时，将使混凝土中产生拉应力，甚至引起混凝土的开裂。混凝土收缩会使预应力甚至引起混凝土的开裂。混凝土收缩会使预应力混凝土构件产生预应力损失。混凝土构件产生预应力损失。 l某些某些对跨度比较敏感的超静定结构对跨度比较敏感的超静定结构（如拱结构），（如拱结构），收缩也会引起不利的内力。收缩也会引起不利的内力。63l1、混凝土的收缩混凝土的收缩 shrinkage一般情况下，最终收缩应变值约为一般情况下，最终收

49、缩应变值约为(25)10-4 混凝土开裂应变为混凝土开裂应变为(0.52.7)10-414d 28dtsh(25)10-425%50%64l影响因素影响因素 l混凝土的收缩受结构周围的温度、湿度、构件断面形状混凝土的收缩受结构周围的温度、湿度、构件断面形状及尺寸、配合比、骨料性质、水泥性质、混凝土浇筑质及尺寸、配合比、骨料性质、水泥性质、混凝土浇筑质量及养护条件等许多因素有关。量及养护条件等许多因素有关。 l水泥用量多、水灰比越大，收缩越大。水泥用量多、水灰比越大，收缩越大。 l骨料弹性模量高、级配好，收缩就小。骨料弹性模量高、级配好，收缩就小。 l干燥失水及高温环境，收缩大。干燥失水及高温环

50、境，收缩大。 l小尺寸构件收缩大，大尺寸构件收缩小。小尺寸构件收缩大，大尺寸构件收缩小。 高高l强混凝土收缩大。强混凝土收缩大。 l影响收缩的因素多且复杂，要精确计算尚有一定的困难。影响收缩的因素多且复杂，要精确计算尚有一定的困难。 在实际工程中，要采取一定措施减小收缩应力的不利影在实际工程中，要采取一定措施减小收缩应力的不利影响响施工缝。施工缝。65l2、混凝土的徐变混凝土的徐变 creep l 混凝土在荷载的长期作用下，其变形随混凝土在荷载的长期作用下，其变形随时间而不断增长的现象称为时间而不断增长的现象称为。 l 徐变会使结构（构件）的（挠度）变形增大，徐变会使结构（构件）的（挠度）变形

51、增大，引起预应力损失，在长期高应力作用下，甚至会引起预应力损失，在长期高应力作用下，甚至会导致破坏。不过，徐变有利于结构构件产生内导致破坏。不过，徐变有利于结构构件产生内（应）力重分布，降低结构的受力（如支座不均（应）力重分布，降低结构的受力（如支座不均匀沉降），减小大体积混凝土内的温度应力，受匀沉降），减小大体积混凝土内的温度应力，受拉徐变可延缓收缩裂缝的出现。拉徐变可延缓收缩裂缝的出现。 66l2、混凝土的徐变混凝土的徐变 creep l与混凝土的收缩一样，徐变也与时间有关。因与混凝土的收缩一样，徐变也与时间有关。因此，在测定混凝土的徐变时，应同批浇筑同样此，在测定混凝土的徐变时，应同批浇

52、筑同样尺寸不受荷的试件，在同样环境下同时量测混尺寸不受荷的试件，在同样环境下同时量测混凝土的收缩变形，从徐变试件的变形中扣除对凝土的收缩变形，从徐变试件的变形中扣除对比的收缩试件的变形，才可得到徐变变形。比的收缩试件的变形，才可得到徐变变形。67l2、混凝土的徐变混凝土的徐变 creep 在应力（在应力（0.5fc）作用瞬间，首先产生瞬时作用瞬间，首先产生瞬时弹性应变弹性应变 el（= i/ec(t0)，t0加荷加荷时的龄期）。时的龄期）。 随荷载作用时间的延续，变形不断增长，前随荷载作用时间的延续，变形不断增长，前4个月徐变增长较快，个月徐变增长较快，6个月可个月可达最终徐变的（达最终徐变的

53、（7080）%，以后增长逐渐缓慢，以后增长逐渐缓慢，23年后趋于稳定。年后趋于稳定。t0elelshcrelelcrt68l徐变系数徐变系数 j j (t，t0) l当初始应力小于当初始应力小于0.5fc时，徐变在时，徐变在2年以后可趋于稳定，最年以后可趋于稳定，最终的徐变系数终的徐变系数j j =24。l影响因素影响因素l1）内在因素内在因素是混凝土的组成和配比。骨料是混凝土的组成和配比。骨料(aggregate)的的刚度（弹性模量）越大，体积比越大，徐变就越小。水刚度（弹性模量）越大，体积比越大，徐变就越小。水灰比越小，徐变也越小。灰比越小，徐变也越小。l2）环境影响）环境影响包括养护和使

54、用条件。受荷前养护包括养护和使用条件。受荷前养护(curing)的温湿度越高，水泥水化作用月充分，徐变就越小。采的温湿度越高，水泥水化作用月充分，徐变就越小。采用蒸汽养护可使徐变减少（用蒸汽养护可使徐变减少（2035）%。受荷后构件所处。受荷后构件所处的环境温度越高，相对湿度越小，徐变就越大。的环境温度越高，相对湿度越小，徐变就越大。elcrttttj),(),(0069l影响因素影响因素l3）应力条件应力条件是指初应力是指初应力(initial stress)水平水平 i /fc和加荷时和加荷时混凝土的龄期混凝土的龄期t0，它们影响徐变的非常主要的因素。它们影响徐变的非常主要的因素。l当初始

55、应力水平当初始应力水平 i /fc 0.5时，徐变值与初应力基本上成时，徐变值与初应力基本上成正比，也即（最终）徐变系数正比，也即（最终）徐变系数为为常数，这种徐变称为线常数，这种徐变称为线性徐变。性徐变。 l当初应力当初应力 i 在在(0.50.8) fc 范围时，徐变最终虽仍收敛，但范围时，徐变最终虽仍收敛，但最终徐变与初应力最终徐变与初应力 i不成比例，也即徐变系数不成比例，也即徐变系数j j 随随 i的增的增大而增大，这种徐变称为大而增大，这种徐变称为非线性徐变非线性徐变。当初应力。当初应力 i 0.8fc 时，混凝土内部微裂缝的发展已处于不稳定的状态，徐时，混凝土内部微裂缝的发展已处

56、于不稳定的状态，徐变的发展将不收敛，最终导致混凝土的破坏。因此将变的发展将不收敛，最终导致混凝土的破坏。因此将0.8fc作为混凝土的作为混凝土的长期抗压强度长期抗压强度。70l一、钢筋的形式和品种一、钢筋的形式和品种l 目前我国钢筋混凝土及预应力混凝土结构中采目前我国钢筋混凝土及预应力混凝土结构中采用的钢筋和钢丝有热轧钢筋、冷拉钢筋、钢丝和用的钢筋和钢丝有热轧钢筋、冷拉钢筋、钢丝和热处理钢筋等种类，其中应用量最大的是热轧钢热处理钢筋等种类，其中应用量最大的是热轧钢筋。筋。 l 热轧钢筋按其强度由低到高分为热轧钢筋按其强度由低到高分为hpb235、hrb335、hrb400和和rrb400四级，

57、其中四级，其中hpb235钢筋为低碳钢，其余各级钢筋均为低合金钢筋为低碳钢，其余各级钢筋均为低合金钢。钢。hpb235钢筋的外形为光面圆钢筋，称为光圆钢筋钢筋的外形为光面圆钢筋，称为光圆钢筋；其余其余3级均在级均在表面上轧有肋纹，称为变形钢筋。过表面上轧有肋纹，称为变形钢筋。过去通用的肋纹有螺纹和人字纹，近年来为了改进去通用的肋纹有螺纹和人字纹，近年来为了改进生产工艺并改善使用性能，变形钢筋的螺纹形式生产工艺并改善使用性能，变形钢筋的螺纹形式已逐步被月牙纹取代。已逐步被月牙纹取代。71l 冷拉钢筋和冷拔钢筋是通过对某些等级的热轧冷拉钢筋和冷拔钢筋是通过对某些等级的热轧钢筋进行冷加工而成，热处理

58、钢筋是对某些特定钢筋进行冷加工而成，热处理钢筋是对某些特定钢号的热轧钢筋进行热处理得到的钢号的热轧钢筋进行热处理得到的。l 钢丝分碳素钢丝、消除应力钢丝和刻痕钢丝三钢丝分碳素钢丝、消除应力钢丝和刻痕钢丝三种。钢绞线则是由几根高强钢丝用绞盘绞成一股种。钢绞线则是由几根高强钢丝用绞盘绞成一股而成。而成。72l二、钢筋的应力二、钢筋的应力应变关系应变关系l 根据钢筋在单调受拉时所反应的应力根据钢筋在单调受拉时所反应的应力应变性应变性质的不同，我们可以把钢筋分为有明显屈服点的质的不同，我们可以把钢筋分为有明显屈服点的和没有明显屈服点的两大类。（又分别称为软钢和没有明显屈服点的两大类。（又分别称为软钢和

59、硬钢）和硬钢）l 热轧钢筋和冷拉钢筋属于有明显屈服点的钢筋；热轧钢筋和冷拉钢筋属于有明显屈服点的钢筋；钢丝和热处理钢筋属于无明显屈服点的钢筋。钢丝和热处理钢筋属于无明显屈服点的钢筋。l 钢筋的应力钢筋的应力-应变关系，一般采用原钢筋、表应变关系，一般采用原钢筋、表面不经切削加工的试件进行拉伸试验加以测定。面不经切削加工的试件进行拉伸试验加以测定。73l1.软钢软钢l钢筋钢筋(级级)试件的典型拉伸曲线如图。曲线上的一试件的典型拉伸曲线如图。曲线上的一些特征点反映了钢材受力破坏过程的各种物理现些特征点反映了钢材受力破坏过程的各种物理现象。从工程应用的观点，将软钢的拉伸曲线简化象。从工程应用的观点，

60、将软钢的拉伸曲线简化成成4段：弹性段、屈服段、强化段和颈缩段。段：弹性段、屈服段、强化段和颈缩段。74l1.软钢软钢l钢筋应力钢筋应力-应变关系（本构关系）的计算模型可根据不同应变关系（本构关系）的计算模型可根据不同要求选用。其中，理想弹塑性模型最为简单，一般结构要求选用。其中，理想弹塑性模型最为简单，一般结构破坏时钢筋的应变破坏时钢筋的应变( 1)尚未进入强化段，此模型适用。尚未进入强化段，此模型适用。弹性强化模型为二折弹性强化模型为二折线，屈服后的应力线，屈服后的应力-应变应变关系简化为很平缓的斜关系简化为很平缓的斜直线，可取直线，可取e es s=0.01 =0.01 e es s ,其