第二章 钢筋和混凝土的材料性能

1、第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土四、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 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土四、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

2、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 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土四、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

3、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(1.251.60 )fc。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 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土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

4、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。四、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

5、等。第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土四、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。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

6、章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土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t t 和正应力和正应力s s 共同作用下的共同作用下的复合受力情况。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。第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土三轴应力状态三轴应力状态 Triaxial

7、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 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土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

8、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。214sccff第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土五、混凝土的收缩和徐变五、混凝土的收缩和徐变Shrinkage and Creep1、混凝土的收缩、混凝土的收缩 Shrinkage (P.20) 混凝土在空气中硬化时体积会缩小，这种现象称为混凝土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。的收缩。 收缩是混凝土在不受外力情况下体积变化产生的变形。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）或内部（钢筋）的约当这种自发的变形受到外部（支座

9、）或内部（钢筋）的约束时束时，将使混凝土中产生拉应力，甚至引起混凝土的开裂。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混凝土构件产生预应力损失。混凝土收缩会使预应力混凝土构件产生预应力损失。 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），收缩也（如拱结构），收缩也会引起不利的内力。会引起不利的内力。墙板干燥收缩裂缝与边框架的变形第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土混凝土的收缩是随时间而增长的变形，混凝土的收缩是随时间而增长的变形，早期收缩变形发展较早期收缩变形发展较快，两周可完成全部收缩的快，两周可完成全部收缩的25%，一个月可完成，

10、一个月可完成50%，以后，以后变形发展逐渐减慢，整个收缩过程可延续两年以上。变形发展逐渐减慢，整个收缩过程可延续两年以上。一般情况下，最终收缩应变值约为一般情况下，最终收缩应变值约为(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%第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土影响因素影响因素 混凝土的收缩受结构周围的温度、湿度、构件断面形状及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、混凝土浇筑质量及养尺寸、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。护条件等

11、许多因素有关。 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 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 干燥失水及高温环境，收缩大干燥失水及高温环境，收缩大 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 高强混凝土收缩大高强混凝土收缩大 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1001502002503003504004505005506000714212

12、835424956637077849198龄期( d )收缩值(10-6)B1 440B2 480B3 520B4 560水泥用量对高性能混凝土自生收缩的影响 第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土2、混凝土的徐变 Creep (P.17)u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象称为徐变徐变。u徐变徐变会使结构（构件）的（挠度）变形增大，引起预应力损会使结构（构件）的（挠度）变形增大，引起预应力损失，在长期高应力作用下，甚至会导致破坏。失，在长期高应力作用下，甚至会导致破坏。u不过，不过，徐变徐变有利于结构构件产生

13、内（应）力重分布，降低结有利于结构构件产生内（应）力重分布，降低结构的受力（如支座不均匀沉降），减小大体积混凝土内的温构的受力（如支座不均匀沉降），减小大体积混凝土内的温度应力，受拉徐变可延缓收缩裂缝的出现。度应力，受拉徐变可延缓收缩裂缝的出现。u与混凝土的收缩一样，与混凝土的收缩一样，徐变徐变也与时间有关。也与时间有关。u在测定混凝土的在测定混凝土的徐变徐变时，应同批浇筑同样尺寸不受荷的试件，时，应同批浇筑同样尺寸不受荷的试件，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比的收缩试件的变形，才可得到徐变变形。形中扣除对比的

14、收缩试件的变形，才可得到徐变变形。第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土在应力（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（= s si/Ec(t0)，t0加荷时的龄期）。加荷时的龄期）。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个月徐变增长较个月徐变增长较快，快，6个月可达最终徐变的（个月可达最终徐变的（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。t0elelshcrelelcrt第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土记记(t- -t0)时间后的总应变为时间后的

15、总应变为 c(t, ,t0)，此时混凝土的收缩应变为，此时混凝土的收缩应变为 sh(t，t0)，则徐变为，则徐变为， cr (t, ,t0) = c(t, ,t0)- - c(t0)- - sh(t, ,t0)= c(t, ,t0)- - el- - sh(t, ,t0)t0elelshcrelelcrt第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土如在时间如在时间t 卸载，则会产生卸载，则会产生瞬时弹性恢复应变瞬时弹性恢复应变 el。由于混凝土。由于混凝土弹性模量随时间增大，故弹性恢复应变弹性模量随时间增大，故弹性恢复应变 el小于加载时的瞬时弹小于加载时的瞬时弹性应变性应变 el。再经过一段

16、时间后，还有一部分应变。再经过一段时间后，还有一部分应变 el可以恢复，可以恢复，称为称为弹性后效弹性后效或徐变恢复，但仍有不可恢复的残留永久应变或徐变恢复，但仍有不可恢复的残留永久应变 crt0elelshcrelelcrt第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土徐变系数徐变系数j (t，t0) Creep Coefficientelcrttttj),(),(00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，最终的年以后可趋于稳定，最终的徐变系数徐变系数j j =24。影响因素影响因素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(a

17、ggregate)的刚度（弹的刚度（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。也越小。环境影响环境影响包括养护和使用条件。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（变减少（2035）%。受荷后构件所处的环境温度越高，相对湿。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。度越小，徐变就越大。第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土应力条件应力条件是指初应力水平

18、是指初应力水平s si /fc和加荷时混凝土的龄期和加荷时混凝土的龄期t0第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土u当初始应力水平当初始应力水平s si /fc 0.5时，徐变值与初应力基本上成正比，时，徐变值与初应力基本上成正比，也即（最终）也即（最终）徐变系数徐变系数j j = cr / el =Ec cr /s si =常数常数，这种徐变称为，这种徐变称为线性徐变线性徐变。u当初应力当初应力s si 在在(0.50.8) fc 范围时，徐变最终虽仍收敛，但最终徐范围时，徐变最终虽仍收敛，但最终徐变与初应力变与初应力s si不成比例，也即徐变系数不成比例，也即徐变系数j j 随随s s

19、i的增大而增大，这的增大而增大，这种徐变称为种徐变称为非线性徐变非线性徐变。当初应力。当初应力s si 0.8fc 时，混凝土内部微裂时，混凝土内部微裂缝的发展已处于不稳定的状态，徐变的发展将不收敛，最终导缝的发展已处于不稳定的状态，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。u高强混凝土高强混凝土的密实性好，在相同的的密实性好，在相同的s s /fc比值下，徐变比普通混凝比值下，徐变比普通混凝土小得多。但由于高强混凝土承受较高的应力值，初始变形较土小得多。但由于高强混凝土承受较高的应力值，初始变形较大，故两

20、者总变形接近。此外，高强混凝土线性徐变的范围可大，故两者总变形接近。此外，高强混凝土线性徐变的范围可达达0.65fc，长期强度约为，长期强度约为0.85fc，也比普通混凝土大一些。，也比普通混凝土大一些。第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土六、混凝土的疲劳与六、混凝土的疲劳与温度变形温度变形1、混凝土的疲劳、混凝土的疲劳 (P.19) 混凝土在重复荷载作用下的强度和变形，与一次加载时不混凝土在重复荷载作用下的强度和变形，与一次加载时不同，图同，图2-21（ P.20）。 能使棱柱体试件承受能使棱柱体试件承受200万次或以上循环荷载而发生破坏的万次或以上循环荷载而发生破坏的压应力值称为混凝土的压应力值称为混凝土的疲劳抗压强度。疲劳抗压强度。疲劳强度随疲劳应力比值疲劳强度随疲劳应力比值 f 的增加而增大，规范定义的混凝的增加而增大，规范定义的混凝土疲劳抗压强度的土疲劳抗压强度的 f 为为0。 maxminfffss混凝土的疲劳强