第二章 材料力学性能

1、主要内容：主要内容：混凝土的物理力学性能混凝土的物理力学性能钢筋的物理力学性能钢筋的物理力学性能钢筋与混凝土的粘结钢筋与混凝土的粘结第二章第二章 混凝土结构材料混凝土结构材料 的物理力学性能的物理力学性能 材料的力学性能钢钢 筋筋混混 凝凝 土土两者间的粘结两者间的粘结强强 度度变变 形形粘结破坏的粘结破坏的过程和机理过程和机理第二章 工程结构材料的物理力学性能2.1 钢材2.1 2.1 钢钢 筋筋 Steel Reinforcement一、钢筋的品种一、钢筋的品种(Reinforcement types) 热轧钢筋、中高强钢丝和钢绞线、冷加工钢筋三大系列。热轧钢筋、中高强钢丝和钢绞线、冷加工

2、钢筋三大系列。第二章 工程结构材料的物理力学性能2.1 钢 材1、热轧钢筋热轧钢筋 Hot Rolled Steel Reinforcing Bar 热轧钢筋热轧钢筋：是指钢厂用熔化的钢水直接轧制而成的是指钢厂用熔化的钢水直接轧制而成的钢筋。它属于普通低碳钢钢筋和普通低合金钢钢筋。钢筋。它属于普通低碳钢钢筋和普通低合金钢钢筋。u与世界上许多国家相比，我国建筑用钢筋的强度偏低。根据节材、减耗及对性能的要求，本次规范修订淘汰低强钢筋，强调应用高强高性能钢筋。u规范根据钢筋产品标准的修改，不再限制钢筋材料的化学规范根据钢筋产品标准的修改，不再限制钢筋材料的化学成分，而按性能确定钢筋的牌号和强度级别。

3、成分，而按性能确定钢筋的牌号和强度级别。u特别注意，为了节约合金资源，降低价格，列入靠控温轧特别注意，为了节约合金资源，降低价格，列入靠控温轧制而具有一定延性的制而具有一定延性的HRBFHRBF系列细晶粒热轧带肋钢筋。系列细晶粒热轧带肋钢筋。第二章 工程结构材料的物理力学性能2.1 钢 材HPB300级、HRB335级、HRB400级、RRB400级HRBF335级、HRBF400级、HRB500级、HRBF500级HPBHot rolledPlainBarHRBHot rolledRibbedBarRRBRemainedRibbedBar屈服强度屈服强度 fyk（标准值标准值= =钢材废品限

4、值，保证率97.73%）HPB300级： fyk = 300 N/mm2HRB335级： fyk = 335 N/mm2HRB400级、HRBF400、RRB400级： fyk = 400 N/mm2第二章 工程结构材料的物理力学性能2.1 钢 材uHPB300级(级)钢筋钢筋多为光面钢筋（多为光面钢筋（Plain Bar），），多作为现浇楼板的受力钢筋和箍筋多作为现浇楼板的受力钢筋和箍筋uH R B 3 3 5 级 ( 级 ) 、 H R B 4 0 0 级 ( 级 ) 、HRB500( 级）级）钢筋钢筋强度较高，多强度较高，多作为钢筋混凝土作为钢筋混凝土构件的受力钢筋。构件的受力钢筋。 u

5、RRB400：是钢筋热轧后快速冷却，利用钢筋内温是钢筋热轧后快速冷却，利用钢筋内温度自行回火而成，淬火钢筋强度提高，但塑性降低，度自行回火而成，淬火钢筋强度提高，但塑性降低，可焊性降低。可焊性降低。不宜作为重要部位的受力钢筋，不应用不宜作为重要部位的受力钢筋，不应用于直接承受疲劳荷载的构件。于直接承受疲劳荷载的构件。uHRBF335/ HRBF400 /HRBF500:延性、可焊性、机延性、可焊性、机械连接性能较好，推广使用。械连接性能较好，推广使用。第二章 工程结构材料的物理力学性能2.1 钢材2 2、中、高强钢丝和钢绞线中、高强钢丝和钢绞线 钢丝钢丝 Wire：中强钢丝的强度为中强钢丝的强

6、度为8001230MPa，高强钢丝、，高强钢丝、钢绞线钢绞线(Strand or Tendon)的强度为的强度为 1570 1960MPa；延伸率延伸率d10=6%，d100=3.54%；钢丝的直径；钢丝的直径59mm；外形有光面和；外形有光面和螺旋肋两种，另有三股和七股钢绞线，外接圆直径螺旋肋两种，另有三股和七股钢绞线，外接圆直径8.621.6 mm。中高强钢丝和钢绞线均。中高强钢丝和钢绞线均用于预应力混凝土结构用于预应力混凝土结构。3 3、冷加工钢筋冷加工钢筋 Cold working rebarCold working rebar冷加工钢筋冷加工钢筋：是指在常温下采用某种工艺（冷拉、冷拔

7、、冷是指在常温下采用某种工艺（冷拉、冷拔、冷轧、冷扭）对热轧钢筋进行加工得到的钢筋。冷加工的目的轧、冷扭）对热轧钢筋进行加工得到的钢筋。冷加工的目的是为了提高钢筋的强度，节约钢材。是为了提高钢筋的强度，节约钢材。但经冷加工后，钢筋的但经冷加工后，钢筋的延伸率降低。延伸率降低。近年来，冷加工钢筋的品种很多，应根据专门近年来，冷加工钢筋的品种很多，应根据专门规程使用。在非预应力结构构件中是否采用冷加工钢筋，应规程使用。在非预应力结构构件中是否采用冷加工钢筋，应进行性价比等比较。冷加工钢筋已经禁止使用，是一种误解。进行性价比等比较。冷加工钢筋已经禁止使用，是一种误解。第二章 工程结构材料的物理力学性

8、能2.1 钢 材 在钢筋混凝土结构中，在钢筋混凝土结构中，受力钢筋强度不宜太高，受正常使用受力钢筋强度不宜太高，受正常使用极限状态控制极限状态控制，预应力结构钢筋强度不宜太低，否则建立的有，预应力结构钢筋强度不宜太低，否则建立的有效预应力值很小效预应力值很小。u纵向受力普通钢筋宜采用纵向受力普通钢筋宜采用HRB400 、 HRB500、HRBF500、 HRBF400钢筋钢筋, ,亦可用亦可用HPB300、HRB335、HRBF335、RRB400。u梁、柱纵向受力普通钢筋应采用梁、柱纵向受力普通钢筋应采用HRB400、HRB500、HRBF400、HRBF500钢筋。HRB335级和 HRB

9、400级。u箍筋宜采用箍筋宜采用HRB400、HRBF400、HPB300、HRB500、HRBF500钢筋，亦可用钢筋，亦可用HRB335、HRBF335钢筋钢筋。u预应力筋宜采用预应力钢丝、钢绞线和预应力螺纹钢筋。预应力筋宜采用预应力钢丝、钢绞线和预应力螺纹钢筋。s se e第二章 工程结构材料的物理力学性能2.1 钢材二、钢筋的应力二、钢筋的应力- -应变关系应变关系 Stress-Strain Relation 有明显屈服点的钢筋有明显屈服点的钢筋 Rebar with yield pointa为比例极限为比例极限proportional limit s =Eseaa为弹性极限为弹性极

10、限elastic limitade为强化段为强化段strain hardening stagebb为屈服上限为屈服上限upper yield strengthc为屈服下限为屈服下限，即即屈服强度屈服强度 fylower yield strengthcdcd为屈服台阶为屈服台阶yield plateauefue为极限抗拉强度为极限抗拉强度 fu ultimate tensile strengthfyf第二章 工程结构材料的物理力学性能3.1 钢材几个指标几个指标(Index)：屈服强度屈服强度yield strength：是钢筋强度的设计依据是钢筋强度的设计依据，因为钢筋屈服，因为钢筋屈服后将很

11、大的塑性变形，且卸载时这部分变形后将很大的塑性变形，且卸载时这部分变形不可恢复不可恢复，这会使钢，这会使钢筋混凝土构件产生很大的变形和不可闭合的裂缝。屈服上限与加筋混凝土构件产生很大的变形和不可闭合的裂缝。屈服上限与加载速度有关，不太稳定，一般取屈服下限作为屈服强度。载速度有关，不太稳定，一般取屈服下限作为屈服强度。屈屈 强强 比比反映钢筋的强度储备，反映钢筋的强度储备，fy/fu=0.70.8。延延 伸伸 率率elongation strain：钢筋拉断时的应变，：钢筋拉断时的应变，是反映钢筋塑性性能的指标。延伸率大的钢筋，是反映钢筋塑性性能的指标。延伸率大的钢筋，在拉断前有足够预兆，延性较

12、好在拉断前有足够预兆，延性较好0010or 5lll 第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.1 钢筋的基本性能钢筋标距通常取为钢筋标距通常取为5d5d或或10d10d，标距范围包括了钢筋的颈缩，标距范围包括了钢筋的颈缩区域，而该区域的变形占试件变形的绝大部分且与试件区域，而该区域的变形占试件变形的绝大部分且与试件标距的大小关系不大，所以导致标距的大小关系不大，所以导致不同标距的试件测得的不同标距的试件测得的延伸率不同。延伸率不同。目前多采用目前多采用均匀延伸率均匀延伸率来反映钢筋的变形能力来反映钢筋的变形能力第二章 工程结构材料的物理力学性能2.1 钢筋钢筋最大力下的总伸长率（均匀伸长率） 均匀伸

13、长率均匀伸长率是对应最大应力时是对应最大应力时应变，包括了残余应变与弹性应应变，包括了残余应变与弹性应变，反映了钢筋的真实变形能力。变，反映了钢筋的真实变形能力。 se残余变形er弹性变形eegt0()bgtosLLLEs延伸率大的钢筋，在拉断前有足够预兆，延性较好。延伸率大的钢筋，在拉断前有足够预兆，延性较好。冷弯性能是冷弯性能是反映钢筋变形能力的另一个指标反映钢筋变形能力的另一个指标第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.1 钢筋的基本性能弯芯直径越小，弯过的角度越大，冷弯性能越好，钢筋弯芯直径越小，弯过的角度越大，冷弯性能越好，钢筋的塑性性能越好。的塑性性能越好。第二章 工程结构材料的物理力学

14、性能2.1 钢筋有明显屈服点钢筋的应力-应变关系一般可采用双线性的理想弹塑性关系yyysfEeeseees fy ey1Es第二章 工程结构材料的物理力学性能2.1 钢材无明显屈服点的钢筋无明显屈服点的钢筋 Rebar without yield pointa0.2%s0.2 fua点：比例极限，约为点：比例极限，约为0.75fua点前：应力点前：应力-应变关系为线弹性应变关系为线弹性a点后：应力点后：应力-应变关系为非线性，应变关系为非线性，有一定塑性变形，且没有明显的屈有一定塑性变形，且没有明显的屈服点服点强度设计指标强度设计指标条件屈服点条件屈服点(Equivalent yield po

15、int)残余应变为残余应变为0.2%所对应的应力所对应的应力规范规范取取s s0.2 =0.85 fu硬钢的硬钢的简化模型简化模型 第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.1 钢筋的基本性能第二章 钢筋和混凝土的材料性能：钢筋在高应力作用下，其应变随时间而增：钢筋在高应力作用下，其应变随时间而增加的现象。加的现象。：钢筋受力后，长度不变，则其应力随时间：钢筋受力后，长度不变，则其应力随时间增长而降低的现象。增长而降低的现象。2.1 钢筋的基本性能（1）疲劳破坏的概念：）疲劳破坏的概念：钢筋在重复、周期动荷载钢筋在重复、周期动荷载作用下，经过一定次数后，从塑性破坏的性质转变作用下，经过一定次数后，从塑

16、性破坏的性质转变成脆性突然断裂的现象。成脆性突然断裂的现象。需验算钢筋疲劳的构件：需验算钢筋疲劳的构件：影响钢筋疲劳的因素：影响钢筋疲劳的因素：钢筋的疲劳应力幅、钢筋的疲劳应力幅、钢筋的应力变化幅度、钢钢筋的应力变化幅度、钢筋的最小应力值、钢筋外表面的几何形状、钢筋的最小应力值、钢筋外表面的几何形状、钢筋直径、钢筋等级和试验方法等。筋直径、钢筋等级和试验方法等。吊车梁吊车梁、桥梁面板桥梁面板等承受等承受重复荷载重复荷载的钢筋混凝的钢筋混凝土的构件。土的构件。2.1 钢筋的基本性能第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.1 钢筋的基本性能第二章 钢筋和混凝土的材料性能是将钢筋拉至是将钢筋拉至超过屈服强

17、度超过屈服强度的某一应力，然后卸载为的某一应力，然后卸载为零，再次拉伸时钢筋的屈服强度得到提高，是一种提高钢零，再次拉伸时钢筋的屈服强度得到提高，是一种提高钢筋受拉屈服强度的方法。筋受拉屈服强度的方法。 提高钢筋的抗拉提高钢筋的抗拉 强度，节约钢筋。强度，节约钢筋。第二章 钢筋和混凝土的材料性能时效：时效： 常温：常温：20天天 1000:2小时小时钢筋在冷拉后，未经时效前，一般没有明显的屈服台阶；钢筋在冷拉后，未经时效前，一般没有明显的屈服台阶；经过停放或加热后进一步提高了屈服强度并恢复了屈服台经过停放或加热后进一步提高了屈服强度并恢复了屈服台阶，这种现象称为冷拉阶，这种现象称为冷拉时效硬化

18、时效硬化。冷拉冷拉只能只能提高钢筋的抗拉强度，提高钢筋的抗拉强度，不能不能提高钢筋的抗压强度。提高钢筋的抗压强度。第二章 钢筋和混凝土的材料性能用强力将钢筋拔过比它自身直径还小的硬质合金拔模，用强力将钢筋拔过比它自身直径还小的硬质合金拔模，是一种提高是一种提高钢筋强度钢筋强度的方法。的方法。 可大大提高可大大提高抗拉抗拉、抗压抗压强度。强度。但但塑性塑性降低很多。降低很多。不提倡采用冷加工钢筋不提倡采用冷加工钢筋用巨大的延性损失，换来较小的强度提高。不合理！用巨大的延性损失，换来较小的强度提高。不合理！1 屈服强度屈服强度2 极限强度极限强度3 伸长率伸长率4 冷弯性能冷弯性能5 焊接性能焊接

19、性能6 耐久性能和耐火性能耐久性能和耐火性能7 粘结性能粘结性能变形指标变形指标强度指标强度指标检验钢筋性能检验钢筋性能的四大指标的四大指标第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.1 钢筋的基本性能混凝土材料是由水泥、砂、石子和水按一定比例组成，经凝混凝土材料是由水泥、砂、石子和水按一定比例组成，经凝结和硬化形成的，属于复合材料。结和硬化形成的，属于复合材料。混凝土是由水泥结晶体、水泥凝胶体和内部微裂缝组成的混凝土是由水泥结晶体、水泥凝胶体和内部微裂缝组成的第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土的基本性能注意：注意：1.骨料的分布及骨料与基相之间在界面的结合强度是影骨料的分布及骨料与基相之间在

20、界面的结合强度是影响混凝土强度的重要因素；响混凝土强度的重要因素；2.在荷载的作用下，微裂缝的扩展对混凝土的力学性能在荷载的作用下，微裂缝的扩展对混凝土的力学性能有着极为重要的影响。有着极为重要的影响。第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土的强度混凝土立方抗压强度混凝土立方抗压强度混凝土轴心抗压强度混凝土轴心抗压强度混凝土抗拉强度混凝土抗拉强度cufcftf150 150 150150 150 300100 100 500第二章 混凝土结构材料的物理力学性能2.2 混凝土的强度一、混凝土的强度一、混凝土的强度(Strength of concrete)1、混凝土强度等级（、混凝土强度等级

21、（ Strength Grade ） 混凝土结构中，混凝土结构中，主要是利用它的主要是利用它的抗压强度抗压强度(Compressive Strength) )。因此抗压强度是混凝土力学性能中最主要和最基本。因此抗压强度是混凝土力学性能中最主要和最基本的指标。的指标。混凝土的强度等级是用抗压强度来划分的混凝土的强度等级是用抗压强度来划分的 混凝土强度标准值混凝土强度标准值：边长：边长150mm立方体标准试件，在标准条立方体标准试件，在标准条件下件下203，90%湿度湿度养护养护28天或设计规定龄期，用标准试天或设计规定龄期，用标准试验方法（加载速度验方法（加载速度0.30.8N/mm2/sec，

22、两端不涂润滑剂）测得的，两端不涂润滑剂）测得的具有具有95%保证率保证率的立方体抗压强度的立方体抗压强度(Cube Strength)。第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土的基本性能 套箍效应套箍效应: 不涂润滑油不涂润滑油 涂润滑油涂润滑油 影响因素影响因素： 尺寸效应：尺寸越大，内部缺陷较多，尺寸效应：尺寸越大，内部缺陷较多， 强度较低。强度较低。 加载速度：加载速度越快，强度越高。加载速度：加载速度越快，强度越高。 端部约束：涂润滑油端部约束：涂润滑油 ，强度降低。，强度降低。 龄期：随龄期逐渐增长，增长速度开始较快后来逐渐减慢。龄期：随龄期逐渐增长，增长速度开始较快后来逐渐减慢

23、。未采取减摩措施未采取减摩措施采取减摩措施后采取减摩措施后第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土的基本性能 非标准试块强度换算系数：非标准试块强度换算系数： 200mm200mm200mm:1.05； 100mm100mm100mm:0.95。第二章 钢筋和混凝土的材料性能 （2）混凝土的强度等级：混凝土的强度等级： 规范规范是根据混凝土立方体抗是根据混凝土立方体抗压强度标准值来划分的。从压强度标准值来划分的。从C15C80共划分为共划分为14个强度等级个强度等级（如（如C30表示表示fcu,k =30N/mm2），级差为，级差为5N/mm2。 C50以上为以上为高强混凝土高强混凝土.2

24、.2 混凝土的强度 钢筋混凝土结构，混凝土强度等级不应低于钢筋混凝土结构，混凝土强度等级不应低于C20，采用强度采用强度 等级等级400MPa及以上的钢筋时，及以上的钢筋时， 不应不应低于低于C25； 预应力混凝土结构，预应力混凝土结构，不宜不宜低于低于C40，且，且不应不应低于低于C30。 素混凝土结构，强度等级不应低于素混凝土结构，强度等级不应低于C15； 承受重复荷载构件的混凝土，承受重复荷载构件的混凝土，不应不应低于低于C30；混凝土强度等级的选用混凝土强度等级的选用2.2 混凝土的强度美国、日本、加拿大等国家，采用圆柱体（直径美国、日本、加拿大等国家，采用圆柱体（直径150mm，高高

25、300 mm）标准试件测定的抗压强度来划分强度等级，符）标准试件测定的抗压强度来划分强度等级，符号记为号记为 fc。圆柱体强度圆柱体强度( Cylinder strength )与我国标准立方体抗压强度与我国标准立方体抗压强度( Unfactored cube strength )的换算关系为，的换算关系为，cucff)81. 079. 0(立方体和圆柱体抗压试验都不能代表混凝土在实际构件中的立方体和圆柱体抗压试验都不能代表混凝土在实际构件中的受力状态，只是用来在同一标准条件下比较混凝土强度水平受力状态，只是用来在同一标准条件下比较混凝土强度水平和品质的标准（和品质的标准（制作、测试方便制作、

26、测试方便）。）。第二章 工程结构材料的物理力学性能2.2 混凝土的强度2、轴心抗压强度、轴心抗压强度Axial Compressive Strength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表示，它比较表示，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般为h/b=24，我国通常取，我国通常取150mm150mm300mm的棱柱的棱柱体试件。体试件。 棱柱体棱柱体高度高度的取值：的取值： 摆脱端部摩擦力的影响；摆脱端部摩擦力的影响； 试件不致失稳。试件不致失稳。第二章 工程结构材料的物理力

27、学性能对于同一混凝土，对于同一混凝土，棱柱体抗压强度小于立方体抗压强度棱柱体抗压强度小于立方体抗压强度。棱柱。棱柱体抗压强度和立方体抗压强度的换算关系为，体抗压强度和立方体抗压强度的换算关系为，混凝土混凝土强度强度等级等级C40C45C50C55C60C65C70C75C80 c10.760.760.760.770.780.790.800.810.82 c21.000.984 0.968 0.951 0.935 0.919 0.903 0.887 0.87cmc1c2cu,m0.88ff 结构混凝土强度结构混凝土强度与试块混凝土强与试块混凝土强度的差异而采取度的差异而采取的修正系数的修正系数脆

28、性影响脆性影响系数系数 棱柱体强度棱柱体强度与立方体强与立方体强度之比值度之比值第二章 钢筋混凝土结构材料的物理力学性能2.2 混凝土的强度思考、混凝土破坏机理思考、混凝土破坏机理 Failure Mechanismfc 第二章 钢筋混凝土结构材料的物理力学性能2.2 混凝土的强度3、轴心抗拉强度、轴心抗拉强度Axial Tensile Strength 也是其基本力学性能，用符号也是其基本力学性能，用符号 ft 表示。混凝土构件开裂、裂表示。混凝土构件开裂、裂缝、变形，以及受剪、受扭、受冲切等的承载力均与抗拉强度缝、变形，以及受剪、受扭、受冲切等的承载力均与抗拉强度有关。混凝土的抗拉强度比抗

29、压强度低得多，一般只有抗压强有关。混凝土的抗拉强度比抗压强度低得多，一般只有抗压强度的度的1/201/10，且不与抗压强度成正比。混凝土的强度等级，且不与抗压强度成正比。混凝土的强度等级越高，抗拉强度与抗压强度的比值越低。越高，抗拉强度与抗压强度的比值越低。2.2 混凝土的强度0102030405060708090100123456 GBJ10-89规范规范55. 0395. 0cu,m t,mff 3/226. 0 cu,mt,mff mtf,mcuf, 500 150 15010016轴心受拉试验第二章 工程结构材料的物理力学性能第二章 钢筋和混凝土的材料的物理力学性能拉压压 由于轴心受拉

30、试验对中困难，也常常采用立方体或圆柱体由于轴心受拉试验对中困难，也常常采用立方体或圆柱体劈裂劈裂试验试验测定混凝土的抗拉强度测定混凝土的抗拉强度. (Splitting Strength )dlFstf2,劈拉试验FdF2.2 混凝土的强度第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土的强度第二章 钢筋混凝土结构材料的物理力学性能2.2 混凝土的强度4、复杂应力下混凝土的受力性能（强度）双轴应力状态双轴应力状态 Biaxial Stress State实际结构中，混凝土很少处于单向受力状态。更多的是处于实际结构中，混凝土很少处于单向受力状态。更多的是处于双双向向或或三向三向受力状态。如剪力和扭矩

31、作用下的构件、弯剪扭和压受力状态。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。弯剪扭构件、混凝土拱坝、核电站安全壳等。第二章 工程结构材料的物理力学性能2.2 混凝土的强度5、复杂应力下混凝土的受力性能双轴应力状态双轴应力状态 Biaxial Stress State实际结构中，混凝土很少处于单向受力状态。更多的是处于实际结构中，混凝土很少处于单向受力状态。更多的是处于双双向向或或三向三向受力状态。如剪力和扭矩作用下的构件、弯剪扭和压受力状态。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。弯剪扭构件、混凝土拱坝、核电站安全壳等。双向

32、受压强度大于单向受压双向受压强度大于单向受压强度，最大受压强度发生在强度，最大受压强度发生在两个压应力之比为两个压应力之比为0.3 0.6之之间，约为间，约为1.27fc。双轴受压状态下混凝土的应双轴受压状态下混凝土的应力力-应变关系与单轴受压曲线应变关系与单轴受压曲线相似，但峰值应变均超过单相似，但峰值应变均超过单轴受压时的峰值应变。轴受压时的峰值应变。第二章 工程结构材料的物理力学性能2.2 混凝土的强度在一轴受压一轴受拉状态在一轴受压一轴受拉状态下下(第二、四象限第二、四象限)，任意，任意应力比情况下均不超过其应力比情况下均不超过其相应单轴强度。并且抗压相应单轴强度。并且抗压强度或抗拉强

33、度均随另一强度或抗拉强度均随另一方向拉应力或压应力的增方向拉应力或压应力的增加而减小。加而减小。5、复杂应力下混凝土的受力性能双轴应力状态双轴应力状态 Biaxial Stress State实际结构中，混凝土很少处于单向受力状态。更多的是处于实际结构中，混凝土很少处于单向受力状态。更多的是处于双双向向或或三向三向受力状态。如剪力和扭矩作用下的构件、弯剪扭和压受力状态。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。弯剪扭构件、混凝土拱坝、核电站安全壳等。第二章 工程结构材料的物理力学性能2.2 混凝土的强度5、复杂应力下混凝土的受力性能双轴应力状态双轴应力状态 B

34、iaxial Stress State实际结构中，混凝土很少处于单向受力状态。更多的是处于实际结构中，混凝土很少处于单向受力状态。更多的是处于双双向向或或三向三向受力状态。如剪力和扭矩作用下的构件、弯剪扭和压受力状态。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。弯剪扭构件、混凝土拱坝、核电站安全壳等。在双轴受拉状态下（第一象在双轴受拉状态下（第一象限），则不论应力比多大，限），则不论应力比多大，抗拉强度均与单轴抗拉强度抗拉强度均与单轴抗拉强度接近。接近。第二章 工程结构材料的物理力学性能2.2 混凝土的强度构件受剪或受扭时常遇到剪应力构件受剪或受扭时常遇到剪应力

35、t t 和正应力和正应力s s 共同作用下共同作用下的复合受力情况。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，则由于内裂缝发展明显，抗剪强度将随压应压应力继续增大，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。力的增大而减小。t t /fcs s /fc第二章 工程结构材料的物理力学性能2.2 混凝土的强度三轴应力状态三轴应力状态 Triaxial Stress State三轴应力状态有多种组合，实际工程遇

36、到较多的螺旋箍筋柱和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和钢管混凝土柱中的混凝土为三向受压状态。一般采用圆柱体在钢管混凝土柱中的混凝土为三向受压状态。一般采用圆柱体在等侧压条件下的试验测定抗压强度。等侧压条件下的试验测定抗压强度。第二章 工程结构材料的物理力学性能2.2 混凝土的强度三轴应力状态三轴应力状态 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和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和钢管混凝土柱中的混凝土为三向受压状态。一般采用圆柱体在钢管混凝土柱中的混凝土为三向受压状态。一般采用圆柱体在等侧压条件下的试

37、验测定抗压强度。等侧压条件下的试验测定抗压强度。c1c2ffs2s侧向压应力cf 混凝土圆柱体单轴抗压强度系数局部抗压强度局部抗压强度 Local Bearing Strength第二章 工程结构材料的物理力学性能2.2 混凝土的强度clbcclfAAff 一次短期荷载下一次短期荷载下 受力变形受力变形 长期荷载下长期荷载下砼变形砼变形 多次重复荷载下多次重复荷载下 收缩变形收缩变形 体积变形体积变形 膨胀变形膨胀变形 温度变形温度变形Deformation第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土的变形第二章 钢筋和混凝土的材料性能 在普通试验机上采用在普通试验机上采用等应力速度等应力速度

38、加载，加载，达到轴心达到轴心抗压强度抗压强度fc时，时，试验机中集聚的弹性应变能大于试件试验机中集聚的弹性应变能大于试件所能吸收的应变能，所能吸收的应变能，会导致试件产生突然脆性破坏，会导致试件产生突然脆性破坏，只能测得曲线的只能测得曲线的上升段。上升段。 2.2 混凝土的基本性能 常采用常采用棱柱体试件棱柱体试件来测定。在试件的四侧面安装应来测定。在试件的四侧面安装应变仪测读纵向压应变的变化。变仪测读纵向压应变的变化。第二章 钢筋和混凝土的材料性能 采用采用等应变速度等应变速度加载，加载，在试件旁附设高弹性元件在试件旁附设高弹性元件与试件一同受压，以吸收试验机内集聚的应变能，可与试件一同受压

39、，以吸收试验机内集聚的应变能，可以测得曲线的以测得曲线的下降段。下降段。2.2 混凝土的基本性能02468102030s(MPa)e 10-3第二章 钢筋和混凝土的材料性能BACEDA点以前点以前，微裂缝没有，微裂缝没有明显发展，混凝土的变明显发展，混凝土的变形主要弹性变形，应力形主要弹性变形，应力-应变关系近似直线。应变关系近似直线。A点应力随混凝土强度的点应力随混凝土强度的提高而增加，对普通强提高而增加，对普通强度混凝土度混凝土s sA约为约为 (0.30.4)fc ，对高强混，对高强混凝土凝土s sA可达可达(0.50.7)fc。A点以后点以后，由于微裂缝，由于微裂缝处的应力集中，裂缝开

40、处的应力集中，裂缝开始有所延伸发展，产生始有所延伸发展，产生部分塑性变形，应变增部分塑性变形，应变增长开始加快，应力长开始加快，应力-应应变曲线逐渐偏离直线。变曲线逐渐偏离直线。微裂缝的发展导致混凝微裂缝的发展导致混凝土的横向变形增加。但土的横向变形增加。但该阶段微裂缝的发展是该阶段微裂缝的发展是稳定的。稳定的。混凝土在结硬过程中，混凝土在结硬过程中，由于水泥石的收缩、骨由于水泥石的收缩、骨料下沉以及温度变化等料下沉以及温度变化等原因，在骨料和水泥石原因，在骨料和水泥石的界面上形成很多微裂的界面上形成很多微裂缝，成为混凝土中的薄缝，成为混凝土中的薄弱部位。混凝土的最终弱部位。混凝土的最终破坏就

41、是由于这些微裂破坏就是由于这些微裂缝的发展造成的。缝的发展造成的。达到达到B点，内部一些微点，内部一些微裂缝相互连通，裂缝发裂缝相互连通，裂缝发展已不稳定，横向变形展已不稳定，横向变形突然增大，体积应变开突然增大，体积应变开始由压缩转为增加。在始由压缩转为增加。在此应力的长期作用下，此应力的长期作用下，裂缝会持续发展最终导裂缝会持续发展最终导致破坏。取致破坏。取B点的应力点的应力作为混凝土的长期抗压作为混凝土的长期抗压强度。普通强度混凝土强度。普通强度混凝土s sB约为约为0.8fc，高强强度，高强强度混凝土混凝土s sB可达可达0.95fc以上。以上。达到达到C点点fc，内部微裂缝，内部微裂

42、缝连通形成破坏面，应变连通形成破坏面，应变增长速度明显加快，增长速度明显加快，C点的纵向应变值称为峰点的纵向应变值称为峰值应变值应变 e e 0，约为，约为0.002。纵向应变发展达到纵向应变发展达到D点，点，内部裂缝在试件表面出内部裂缝在试件表面出现第一条可见平行于受现第一条可见平行于受力方向的纵向裂缝。力方向的纵向裂缝。随应变增长，试件上相随应变增长，试件上相继出现多条不连续的纵继出现多条不连续的纵向裂缝，横向变形急剧向裂缝，横向变形急剧发展，承载力明显下降，发展，承载力明显下降，混凝土骨料与砂浆的粘混凝土骨料与砂浆的粘结不断遭到破，裂缝连结不断遭到破，裂缝连通形成斜向破坏面。通形成斜向破

43、坏面。E点应变点应变e e = (23) e e 0，应，应力力s s = (0.40.6) fc。2.2 混凝土的基本性能第二章 工程结构材料的物理力学性能2.2 混凝土不同强度混凝土的应力不同强度混凝土的应力- -应变关系曲线应变关系曲线强度等级越高强度等级越高，线弹性段，线弹性段越长，峰值应变也有所增越长，峰值应变也有所增大。但高强混凝土中，砂大。但高强混凝土中，砂浆与骨料的粘结很强，密浆与骨料的粘结很强，密实性好，微裂缝很少，最实性好，微裂缝很少，最后的破坏往往是骨料破坏，后的破坏往往是骨料破坏，破坏时脆性越显著，下降破坏时脆性越显著，下降段越陡。段越陡。强度等级越低强度等级越低，峰值

44、应变，峰值应变越小，极限应变越大，下越小，极限应变越大，下降段越平缓降段越平缓延性越好。延性越好。第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土的基本性能第二章 钢筋混凝土结构材料的物理力学性能2.2 混凝土的变形了解混凝土的破坏机理，不仅可以解释各种不同试验混凝土强了解混凝土的破坏机理，不仅可以解释各种不同试验混凝土强度的差别，还可以通过约束混凝土的度的差别，还可以通过约束混凝土的横向变形横向变形来提高混凝土的来提高混凝土的抗压强度。如图采用配置螺旋箍筋形成所谓抗压强度。如图采用配置螺旋箍筋形成所谓“约束混凝土约束混凝土”，可显著提高混凝土的抗压强度，并且可以提高混凝土变形能力。可显著提高混凝

45、土的抗压强度，并且可以提高混凝土变形能力。螺旋箍筋约束混凝土螺旋箍筋约束混凝土第二章 钢筋混凝土结构材料的物理力学性能2.2 混凝土的变形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 增大。增大。对横向变形加以约束对横向变形加以约束(Lateral Constraint )，就可以限制微，就可以限制微裂缝的发展，从而裂缝的发展，从而 可提高混凝土的抗压强度。立方体试件受约可提高混凝土的抗压强度。立方体试件受约束范围大，而棱柱束范围大，而棱柱 体试件中部未受约束，因此造成了不同受压体试件中部未受约束，因此造成了不同受压试件强度的差别

46、和破坏形态的不同。试件强度的差别和破坏形态的不同。局部受压强度局部受压强度fcl 比轴心抗压强比轴心抗压强度度 fc 大很多，也是因为局部大很多，也是因为局部受压面积以受压面积以 外的混凝土对局外的混凝土对局部受压区部受压区 域内部混凝土微裂域内部混凝土微裂缝产生缝产生 了较强的约束。了较强的约束。局部受压试件螺旋箍筋约束混凝土螺旋箍筋约束混凝土第二章 钢筋混凝土结构材料的物理力学性能2.2 混凝土的变形由螺旋箍筋约束混凝土的应力由螺旋箍筋约束混凝土的应力-应变曲线可见，应变曲线可见，当应力较小时当应力较小时，横向变形很小，箍筋的约束作用不明显；横向变形很小，箍筋的约束作用不明显；当应力超过当

47、应力超过B点的应力点的应力时时，由于混凝土的横向变形开始显著增大，侧向膨胀使螺旋箍筋，由于混凝土的横向变形开始显著增大，侧向膨胀使螺旋箍筋产生环向拉应力，其反作用力使混凝土的横向变形受到约束，从产生环向拉应力，其反作用力使混凝土的横向变形受到约束，从而使混凝土的而使混凝土的强度强度和和变形能力变形能力都得到提高。都得到提高。第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土的变形“约束混凝土约束混凝土(Confined Concrete) )”的概念在工程中许多地方都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受压区域配有应用，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。而置的钢筋网或螺旋筋等。而钢管混凝土钢管混凝土(Concrete Filled Tube)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。许多应用。约束混凝土可以提高混凝土的强度，约束混凝土可以提高混凝土的强度，但更值得注意的是可以提但更值得注意的是可以提高混凝土的高混凝土的变形能力变形能力(Deformation Capaci