第3章结构材料及其物理力学性能

1、混凝土结构设计原理混凝土结构设计原理Principles Principles of of Concrete Concrete Structure DesignStructure Design 第第3章章 结构材料及其物理力学性能结构材料及其物理力学性能 本章的主要内容l钢筋混凝土的基本概念钢筋混凝土的基本概念 l混凝土在各种受力状态下的强度与变形性能混凝土在各种受力状态下的强度与变形性能 l钢筋的品种、级别及其力学性能钢筋的品种、级别及其力学性能 l钢筋和混凝土的粘结钢筋和混凝土的粘结学习目标学习目标 1. 1.理解材料强度指标的取值原则。理解材料强度指标的取值原则。 2. 2.掌握混凝土、

2、钢筋的主要物理力学性能。掌握混凝土、钢筋的主要物理力学性能。 3. 3.理解钢筋和混凝土共同工作的粘结作用、粘理解钢筋和混凝土共同工作的粘结作用、粘结机理及影响因素。结机理及影响因素。本章重点本章重点混凝土、钢筋的各种强度及其含义，混凝土的混凝土、钢筋的各种强度及其含义，混凝土的变形特点、混凝土的收缩和徐变。变形特点、混凝土的收缩和徐变。钢筋混凝土是由钢筋和混凝土这两种力学性能不同的钢筋混凝土是由钢筋和混凝土这两种力学性能不同的材料所组成。为了正确合理地进行钢筋混凝土结构设材料所组成。为了正确合理地进行钢筋混凝土结构设计，必须深入了解钢筋混凝土结构及其构件的受力性计，必须深入了解钢筋混凝土结构

3、及其构件的受力性能和特点。能和特点。而对于混凝土和钢筋材料的物理力学性能（强度和变而对于混凝土和钢筋材料的物理力学性能（强度和变形的变化规律）的了解，则是掌握钢筋混凝土结构的形的变化规律）的了解，则是掌握钢筋混凝土结构的构件性能、结构分析和设计的基础。构件性能、结构分析和设计的基础。知识引入知识引入 1. 材料强度的标准值材料强度的标准值:材料强度的一种特征值。是由标准试材料强度的一种特征值。是由标准试件按标准试验方法经数理统计以概率分布的件按标准试验方法经数理统计以概率分布的0.05分位值确分位值确定的强度值。定的强度值。 2. 取值原则：取值原则：是在符合规定质量的材料强度实测值的总体中，

4、是在符合规定质量的材料强度实测值的总体中，材料的强度标准值应具有不小于材料的强度标准值应具有不小于95的保证率。的保证率。 3. 表达式：表达式：3.1 3.1 材料材料强度指标的取值原则强度指标的取值原则3.1.13.1.1材料强度的标准值材料强度的标准值(1 1.645)kmfff 材料强度的设计值是材料强度标准值除以材料性能分项系材料强度的设计值是材料强度标准值除以材料性能分项系数后的值，基本表达式为数后的值，基本表达式为3.1 3.1 材料材料强度指标的取值原则强度指标的取值原则3.1.23.1.2材料材料强度强度的设计值的设计值kmff3.2 3.2 混凝土混凝土混凝土混凝土是用水泥

5、、砂子和石子三种材料，经水拌和凝固是用水泥、砂子和石子三种材料，经水拌和凝固硬化后制成的人工石材。硬化后制成的人工石材。 混凝土的要求：混凝土的要求： 和易性和易性好好 强度要高强度要高( (重点重点) ) 耐久性要好耐久性要好 经济上要节省经济上要节省 评定混凝土评定混凝土 品质的品质的主要指标主要指标 3.2.1 3.2.1 混凝土的强度混凝土的强度1.1.混凝土混凝土立方体抗压强度立方体抗压强度及其及其标准值标准值与与混凝土强度混凝土强度等级等级2.2.混凝土混凝土轴心抗压强度轴心抗压强度及其及其标准值标准值与与设计设计值值3.3.混凝土混凝土抗拉强度抗拉强度及其及其标准值标准值与与设计

6、值设计值4.4.复合复合应力状态下的混凝土强度应力状态下的混凝土强度100100 100100 500500150150 150150 150150150150 150150 300300 3.2.1 3.2.1 混凝土的强度混凝土的强度1.1.混凝土混凝土立方体抗压强度立方体抗压强度及其及其标准值标准值与与混凝土强度混凝土强度等级等级1 1）混凝土立方体）混凝土立方体抗压强度抗压强度 fcu混凝土强度混凝土强度基本指标基本指标 （1 1）定义定义规范规范规定以每边边长为规定以每边边长为150mm150mm的立方体为标准试件，在的立方体为标准试件，在20202 2的温度和相对湿度在的温度和相对

7、湿度在95%95%以上的潮湿空气中养护以上的潮湿空气中养护28d28d，依照标准制作方法和试验，依照标准制作方法和试验方法试件表面不涂润滑剂，方法试件表面不涂润滑剂，全截面受压，加载速度全截面受压，加载速度0.150.150.25MPa/sec0.25MPa/sec）测）测得的抗压得的抗压强度值（以强度值（以MPaMPa为单位）作为混凝土的立方体为单位）作为混凝土的立方体抗压强度，抗压强度，用符号用符号fcu表示。表示。立方体抗压强度立方体抗压强度fcu承压板承压板试块试块摩擦力摩擦力不涂润滑剂不涂润滑剂涂润滑剂涂润滑剂强度大于强度大于我国规范的方法：不涂润滑剂我国规范的方法：不涂润滑剂压力压

8、力试件试件裂缝裂缝发展发展扩张扩张整个体整个体系解体，丧失承载力系解体，丧失承载力单轴受力状态下混凝土的抗压强度单轴受力状态下混凝土的抗压强度l 影响因素：影响因素：材料的性质、混凝土配合比、养护环境、施工方材料的性质、混凝土配合比、养护环境、施工方法、法、 试件的形状与尺寸试件的形状与尺寸，试验方法试验方法，加载条件加载条件和试件的受力性和试件的受力性质质。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 （2） 影响因素影响因素 试件尺寸试件尺寸 ( (尺寸效应尺寸效应) ) 直接受压直接受压( (标准试验方法标准试验方法) ) 间接受压间接受压 ( (试块与承压板之间涂有油脂或填

9、以塑料薄片试块与承压板之间涂有油脂或填以塑料薄片) )试验方法试验方法 加载速度越快加载速度越快, ,强度越高强度越高 3.2.1 3.2.1 混凝土的强度混凝土的强度1.1.混凝土混凝土立方体抗压强度立方体抗压强度及其及其标准值标准值与与混凝土强度混凝土强度等级等级2 2）混凝土立方体混凝土立方体抗压强度标准值抗压强度标准值 fcu,k,(1 1.645)cu kcu mfff定义：按照标准方法制作和养护的边长为定义：按照标准方法制作和养护的边长为150mm150mm的立方体的立方体试件，在试件，在2828天龄期用标准试验方法测得的天龄期用标准试验方法测得的具有具有95%95%保证率保证率的

10、抗压强度称为混凝土立方体抗压强度标准值，用符号的抗压强度称为混凝土立方体抗压强度标准值，用符号fcu,k表示。表示。 fcu,k按下式确定按下式确定,(1 1.645)cu kcu mfff 3.2.1 3.2.1 混凝土的强度混凝土的强度1.1.混凝土混凝土立方体抗压强度立方体抗压强度及其及其标准值标准值与与混凝土强度混凝土强度等级等级2 2）混凝土立方体混凝土立方体抗压强度标准值抗压强度标准值 fcu,k 3.2.1 3.2.1 混凝土的强度混凝土的强度1.1.混凝土混凝土立方体抗压强度立方体抗压强度及其及其标准值标准值与与混凝土强度混凝土强度等级等级3 3）混凝土强度等级）混凝土强度等级

11、混凝土强度等级根据混凝土立方体抗压强度标准值进行划混凝土强度等级根据混凝土立方体抗压强度标准值进行划分，并冠以符号分，并冠以符号C C来表示。来表示。公路桥梁受力构件的混凝土强度等级有公路桥梁受力构件的混凝土强度等级有1313级，即级，即C20C20C80C80，中间以中间以5MPa5MPa进级。进级。C50C50以下为普通强度混凝土，以下为普通强度混凝土，C50C50以上为高强度混凝土，以上为高强度混凝土，C50C50表示混凝土立方体抗压强度标准值为表示混凝土立方体抗压强度标准值为 fcu,k =50MPa=50MPa。 3.2.1 3.2.1 混凝土的强度混凝土的强度1.1.混凝土混凝土立

12、方体抗压强度立方体抗压强度及其及其标准值标准值与与混凝土强度混凝土强度等级等级3 3）混凝土强度等级）混凝土强度等级公路桥规公路桥规规定受力构件的混凝土强度等级应按下列规规定受力构件的混凝土强度等级应按下列规定采用：定采用：（1）钢筋混凝土构件不应低于）钢筋混凝土构件不应低于C20，用，用HRB400、KL400级钢筋配筋时，不应低于级钢筋配筋时，不应低于C25；（2）预应力混凝土构件不应低于）预应力混凝土构件不应低于C40。 例如，美国、日本和欧洲混凝土协会、例如，美国、日本和欧洲混凝土协会、(CEB)采用直径采用直径6英寸英寸(152mm)、高、高12英寸英寸(305mm)的圆柱体标准试件

13、的的圆柱体标准试件的抗压强度作为轴心抗压强度的指标，记作抗压强度作为轴心抗压强度的指标，记作 。对。对C60以下的混凝土，圆柱体抗压强度和立方体抗压强度标准以下的混凝土，圆柱体抗压强度和立方体抗压强度标准值值fcu,k之间的关系可按下式折算之间的关系可按下式折算：kcucff,79. 0cf l 国外常采用混凝土圆柱体试件确定混凝土轴心抗压强度国外常采用混凝土圆柱体试件确定混凝土轴心抗压强度 当当fcu,k超过超过60N/mm2后随着抗压强度提高，与后随着抗压强度提高，与fcu,k的比值的比值(即即公式中的系数公式中的系数)要提高。要提高。CEB-FIPMC-90给出：对给出：对C60的混的混

14、凝土，比值为凝土，比值为0.833；对；对C70的混凝土，比值为的混凝土，比值为0.857；对；对C80的混凝土，比值为的混凝土，比值为0.875。 3.2.1 3.2.1 混凝土的强度混凝土的强度2.2.混凝土混凝土轴心抗压强度轴心抗压强度及其及其标准值标准值与与设计值设计值1 1）混凝土轴心抗压强度（棱柱体抗压强度）混凝土轴心抗压强度（棱柱体抗压强度）fc定义：按照与立方体试件相同条件下制作和试验方法所得定义：按照与立方体试件相同条件下制作和试验方法所得的棱柱体试件的棱柱体试件(150mm150mm300mm)的抗压强度值，的抗压强度值，称为混凝土轴心抗压强度，用符号称为混凝土轴心抗压强度

15、，用符号fc表示。表示。棱柱体试件的受力状态更接近于实际构件中混凝土的受力棱柱体试件的受力状态更接近于实际构件中混凝土的受力情况，能比较情况，能比较真实真实反映以受压为主的混凝土结构构件的抗反映以受压为主的混凝土结构构件的抗压强度。压强度。承压板承压板试试块块标准试块：标准试块：150150 300非标准试块：非标准试块：100100 300 换算系数换算系数 0.95 200200 400 换算系数换算系数 1.05考虑到承压板对试件的约束，立方体抗压强度大考虑到承压板对试件的约束，立方体抗压强度大于棱柱体抗压强度，且有：于棱柱体抗压强度，且有：fc=0.76fcu (试验结果试验结果)考虑

16、到构件和试件的区别，取考虑到构件和试件的区别，取fc=0.67fcu 对国外（美国、日本、欧洲混凝土协会等）采用的圆柱体试件（对国外（美国、日本、欧洲混凝土协会等）采用的圆柱体试件（d=150, h=300），有），有fc=0.79fcu 圆柱体抗圆柱体抗压强度压强度 3.2.1 3.2.1 混凝土的强度混凝土的强度2.2.混凝土混凝土轴心抗压强度轴心抗压强度及其及其标准值标准值与与设计值设计值1 1）混凝土）混凝土轴心抗压强度轴心抗压强度（棱柱体抗压强度）（棱柱体抗压强度）fc 3.2.1 3.2.1 混凝土的强度混凝土的强度2.2.混凝土混凝土轴心抗压强度轴心抗压强度及其及其标准值标准值与

17、与设计值设计值2 2）混凝土）混凝土轴心抗压强度标准值轴心抗压强度标准值 fck混凝土棱柱体抗压强度混凝土棱柱体抗压强度 fc 的平均值的平均值fc,m 与立方体抗压强度与立方体抗压强度 fcu的平均值的平均值fcu,m 存在一定的关系：存在一定的关系：,12,0.88c mcccu mff 3.2.1 3.2.1 混凝土的强度混凝土的强度2.2.混凝土混凝土轴心抗压强度轴心抗压强度及其及其标准值标准值与与设计值设计值2 2）混凝土轴心抗压强度）混凝土轴心抗压强度标准值标准值 fck若混凝土棱柱体抗压强度若混凝土棱柱体抗压强度 fc 的变异系数的变异系数与立方体抗压强与立方体抗压强度度 fcu

18、的变异系数相同，则的变异系数相同，则fck可由下式确定：可由下式确定：,12,12,(1 1.645)0.88(1 1.645)0.88ckc mfcccu mfcccu kffff 公路桥规公路桥规计算采用的混凝土轴心抗压强度标准值就计算采用的混凝土轴心抗压强度标准值就是按上式计算得到。是按上式计算得到。 3.2.1 3.2.1 混凝土的强度混凝土的强度2.2.混凝土混凝土轴心抗压强度轴心抗压强度及其及其标准值标准值与与设计值设计值3 3）混凝土轴心抗压强度设计值）混凝土轴心抗压强度设计值 fcd混凝土轴线抗压强度设计值是由混凝土轴心抗压强度标准混凝土轴线抗压强度设计值是由混凝土轴心抗压强度

19、标准值除以混凝土材料性能分项系数值除以混凝土材料性能分项系数m=1.45得到得到：/cdckmff 3.2.1 3.2.1 混凝土的强度混凝土的强度3.3.混凝土混凝土轴心抗拉强度轴心抗拉强度及其及其标准值标准值与与设计值设计值1 1）混凝土）混凝土轴心抗拉强度轴心抗拉强度 ft是钢筋混凝土构件设计中确定混凝土抗裂度的重要指标是钢筋混凝土构件设计中确定混凝土抗裂度的重要指标 tf11818tcff 试验方法试验方法 直接轴向拉伸法直接轴向拉伸法劈裂法劈裂法钢筋钢筋拉压+直接轴向拉伸法直接轴向拉伸法劈裂法劈裂法 3.2.1 3.2.1 混凝土的强度混凝土的强度3.3.混凝土混凝土轴心抗拉强度轴心

20、抗拉强度及其及其标准值标准值与与设计值设计值2）混凝土轴心抗拉强度标准值混凝土轴心抗拉强度标准值 ftk试验表明：混凝土轴心抗拉强度试验表明：混凝土轴心抗拉强度 ft 的平均值的平均值ft,m 与立方体与立方体抗压强度抗压强度 fcu的平均值的平均值fcu,m 存在一定的关系：存在一定的关系：0.55,2,0.88 0.395()t mccu mff,0.552,0.5520.550.452,(1 1.645)0.88 0.395()(1 1.645)0.88 0.395()(1 1.645)1 1.6450.88 0.395()(1 1.645)tkt mfccu mfcu kcffccu

21、kffffff通过左式，由通过左式，由fcu,k得到得到 ftk 。 3.2.1 3.2.1 混凝土的强度混凝土的强度3.混凝土混凝土轴心抗拉强度轴心抗拉强度及其及其标准值标准值与与设计值设计值3）混凝土轴心抗拉强度设计值）混凝土轴心抗拉强度设计值 ftd混凝土轴线抗拉强度设计值是由混凝土轴心抗拉强度标准混凝土轴线抗拉强度设计值是由混凝土轴心抗拉强度标准值除以混凝土材料性能分项系数值除以混凝土材料性能分项系数m m=1.45=1.45得到：得到：/tdtkmff fcu fcu,k fc fck fcd ; ft ftk ftdl 立方体抗压强度立方体抗压强度是各种力学指标的基本代表值是各种力

22、学指标的基本代表值 1, 2 (压压压压) 混凝土强度增加混凝土强度增加 （第三象限第三象限） 1, 2 (拉压拉压) 混凝土强度降低混凝土强度降低 （第二、四象限第二、四象限） 1, 2 (拉拉拉拉) 混凝土强度基本不混凝土强度基本不变（变（第一象限第一象限） 6 . 04 . 02 . 00 . 12 . 18 . 04 . 02 . 06 . 08 . 00 . 12 . 12112c2/ fc1/ fc227. 1f1c22c1c25 . 12fc127. 1maxfc15 . 0f1 . 0（1 1）双向正应力作用）双向正应力作用( (如下图如下图) ) 3.2.1 3.2.1 混凝

23、土的强度混凝土的强度4.复合应力状态下混凝土强度复合应力状态下混凝土强度（2）三轴受压（抗压强度提高）三轴受压（抗压强度提高）混凝土圆柱体三向受压时，混凝土的轴心抗压强度混凝土圆柱体三向受压时，混凝土的轴心抗压强度随另外两向压应力增加而增加。随另外两向压应力增加而增加。 3.2.1 3.2.1 混凝土的强度混凝土的强度4.复合应力状态下混凝土强度复合应力状态下混凝土强度v工程应用工程应用钢管砼、密配螺钢管砼、密配螺旋箍筋旋箍筋纵向钢筋纵向钢筋螺旋箍筋螺旋箍筋工程应用工程应用钢管混凝土、密配螺旋箍筋钢管混凝土、密配螺旋箍筋 外荷载作用而产生的外荷载作用而产生的受力变形受力变形：体积变形体积变形：

24、包括温度变形和收缩变形：包括温度变形和收缩变形长期荷载作用下的变形长期荷载作用下的变形一次短期加载下的变形一次短期加载下的变形重复荷载作用下的变形重复荷载作用下的变形分类分类 3.2.2 3.2.2 混凝土混凝土的变形的变形 影响因素影响因素加载方式、荷载作用时间、温度、湿度、加载方式、荷载作用时间、温度、湿度、试验的尺寸、形状、试验的尺寸、形状、 混凝土强度等。混凝土强度等。 受力过程：上升段OC、下降段CD、收敛段DE三个阶段。 OA 弹性阶段（弹性阶段（ 0.3fc） AB 弹塑性阶段（裂缝稳定阶段）（弹塑性阶段（裂缝稳定阶段）（ =0.3fc 0.8fc） BC 裂缝不稳定阶段：裂缝不

25、稳定阶段： （ =0.8fc 1.0fc）特征值 fc ：峰值应力（轴心抗压强度）：峰值应力（轴心抗压强度） 0 ：对应于应力峰值点的应变：对应于应力峰值点的应变 规范规范 c0 = 0.002 cu ：最大应变（混凝土极限压应：最大应变（混凝土极限压应 变）变）规范规范 cu =3.010-33.2.2 3.2.2 混凝土的变形混凝土的变形1.混凝土在单调、短期加载作用下的变形性能混凝土在单调、短期加载作用下的变形性能（1） 混凝土的应力应变曲线混凝土的应力应变曲线 影响影响混凝土轴心受压应力应变曲线的主要因素：混凝土轴心受压应力应变曲线的主要因素： l 混凝土的强度：混凝土的强度： 混凝土

26、强度愈高，应力应变曲线下降愈剧烈，延性就混凝土强度愈高，应力应变曲线下降愈剧烈，延性就愈差（延性是材料承受变形的能力）。愈差（延性是材料承受变形的能力）。0 0.001 0.002 0.003 0.004 强度等级不同的混凝土的应力应变曲线强度等级不同的混凝土的应力应变曲线 9 15 22 28 32 40 30 20 10 40 l 加载速度加载速度 应变速率小，峰值应力应变速率小，峰值应力fc降低，降低， c0 增大，下降段曲线增大，下降段曲线坡度显著地减缓。坡度显著地减缓。 l 测试技术和试验条件测试技术和试验条件 应该采用等应变加载。应该采用等应变加载。 试验机的刚度对下降段的影响很大

27、。如果试验机的刚度试验机的刚度对下降段的影响很大。如果试验机的刚度不足，无法测出应力应变曲线的下降段。不足，无法测出应力应变曲线的下降段。 应变测量的标距也有影响，应变量测的标距愈大，曲线应变测量的标距也有影响，应变量测的标距愈大，曲线坡度陡；标距愈小，坡度愈缓。坡度陡；标距愈小，坡度愈缓。 C)C)承压板和试件上下承压板和试件上下 表面之间涂以油脂润滑剂表面之间涂以油脂润滑剂a a）不）不加油脂润滑剂的试验方法加油脂润滑剂的试验方法 b b）破坏状态）破坏状态 l 侧向约束侧向约束 试件的上下表面与试验机承压板之间存在摩阻力，破坏时，形成两试件的上下表面与试验机承压板之间存在摩阻力，破坏时，

28、形成两个对顶叠置的截头方锥体。个对顶叠置的截头方锥体。（测得的强度较高测得的强度较高） 试件的上下表面与试验机承压板之间涂抹润滑剂，其破坏形态如试件的上下表面与试验机承压板之间涂抹润滑剂，其破坏形态如c)图所示。图所示。（测得的强度较低，应力应变曲线没有下降段测得的强度较低，应力应变曲线没有下降段） 抗抗压弹性模量（三种表示方法）压弹性模量（三种表示方法） 原点弹性模量原点弹性模量 切线弹性模量切线弹性模量 变形变形弹性模量弹性模量3.2.2 3.2.2 混凝土的变形混凝土的变形1.混凝土在单调、短期加载作用下的变形性能混凝土在单调、短期加载作用下的变形性能（2）混凝土的弹性模量、变形模量）混

29、凝土的弹性模量、变形模量c0cetgE cd/ dEtgl切线切线模量模量过应力应变曲线上某过应力应变曲线上某一点作切线，该切线的斜率：一点作切线，该切线的斜率： l原点原点弹性模量弹性模量（初始弹性模量）（初始弹性模量）过原点作切线，该切线的斜率：过原点作切线，该切线的斜率：0cceccccecpcecpceEE变形模量变形模量连接混凝土应力应变曲线的连接混凝土应力应变曲线的原点原点O及曲线上某一点及曲线上某一点K，该割线的斜率，该割线的斜率，也称割线模量或弹塑性模量，即也称割线模量或弹塑性模量，即l 混凝土的剪切模量混凝土的剪切模量 G：2(1)cccEGc 混凝土的泊松比混凝土的泊松比由

30、统计分析得经验公式为：由统计分析得经验公式为： 5,10(MPa)34.742.2ccu kEfl规范规范中抗压中抗压弹性模量弹性模量的的测定方法测定方法 试验采用棱柱体试件，取应力上限为试验采用棱柱体试件，取应力上限为=0.5 fc，然后卸，然后卸荷至零，再重复加载卸荷荷至零，再重复加载卸荷510次。不断消除塑性变形，次。不断消除塑性变形，直至应力直至应力-应变曲线逐渐稳定成为直线，该直线斜率即为应变曲线逐渐稳定成为直线，该直线斜率即为混凝土弹性弹性模量。混凝土弹性弹性模量。（3 3）混凝土）混凝土单轴向受压应力单轴向受压应力- -应变曲线的数学模型应变曲线的数学模型 国内外国内外采用广泛的

31、描述混凝土单轴向受压应力采用广泛的描述混凝土单轴向受压应力- -应变曲线应变曲线模型模型 上升段为二次抛物线，下降段为斜直线。上升段为二次抛物线，下降段为斜直线。 上升段：上升段： 下降段：下降段： 式中，式中，峰值应变峰值应变 极限压应变极限压应变)(2200cf)15. 01 (00ucf002. 000038. 0u 补充补充v我国我国规范规范采用的混凝土单轴向受压应力采用的混凝土单轴向受压应力-应变应变 曲线曲线模型模型 该模型形式较简单，上升段采用二次抛物线，下降段采用该模型形式较简单，上升段采用二次抛物线，下降段采用水平直线。水平直线。 上升段：上升段： 水平段：水平段： 式中，参

32、数取值如下：式中，参数取值如下： )1 (1 0ncccf0()c ccf0()cu0 . 2)50(6012,kcufn002. 010)50(5 . 0002. 05,0kcuf0033. 010)50(0033. 05,kcucuf 补充补充( (了解）了解）在荷载的长期作用下，混凝土的变形将随时间而增加，在荷载的长期作用下，混凝土的变形将随时间而增加，亦即在应力不变的情况下，混凝土的应变随时间继续增长，这亦即在应力不变的情况下，混凝土的应变随时间继续增长，这种现象被称为种现象被称为徐变。徐变。l 徐变定义：徐变定义：3.2.2 3.2.2 混凝土的变形混凝土的变形2.混凝土在荷载长期作

33、用下的变形混凝土在荷载长期作用下的变形 徐变徐变 混凝土徐变的主要原因是在荷载长期作用下，水泥凝胶混凝土徐变的主要原因是在荷载长期作用下，水泥凝胶体在荷载作用下逐渐发生粘性流动，并把它所承受的压体在荷载作用下逐渐发生粘性流动，并把它所承受的压力逐渐转给骨料颗粒。当卸载时，骨料可以又把上述压力逐渐转给骨料颗粒。当卸载时，骨料可以又把上述压力逐步转回给凝胶体，而使一部分变形逐渐得到恢复。力逐步转回给凝胶体，而使一部分变形逐渐得到恢复。l 徐变产生的原因徐变产生的原因 3.2.2 3.2.2 混凝土的变形混凝土的变形2.混凝土在荷载长期作用下的变形混凝土在荷载长期作用下的变形 徐变徐变l 影响混凝土

34、徐变的因素影响混凝土徐变的因素 当应力当应力 0.5cf时，徐变大致与应力成正比，时，徐变大致与应力成正比，产生线性徐变。产生线性徐变。 （1） 加载应力加载应力大小大小0.8cf时，徐变急剧增加，不收敛。时，徐变急剧增加，不收敛。 (0.5 0.8)cf产生非线性徐变。产生非线性徐变。 时，徐变的增长较应力快，时，徐变的增长较应力快， 当应力当应力 当应力当应力 工程应用工程应用预应力混凝土构件的预加力过高危险预应力混凝土构件的预加力过高危险 （2） 加载加载龄期龄期 加载龄期越老，水泥石晶体所占比重越大，胶体粘加载龄期越老，水泥石晶体所占比重越大，胶体粘流就越小，徐变就越小。流就越小，徐变

35、就越小。 工程应用工程应用 应避免过早的应避免过早的施加预应力施加预应力（4）养护及使用条件下的温度与湿度）养护及使用条件下的温度与湿度 养护时温度越高，湿度越大，水泥水化作用就越充分，养护时温度越高，湿度越大，水泥水化作用就越充分，徐变就越小。使用环境温度越高，徐变越大；环境的相对徐变就越小。使用环境温度越高，徐变越大；环境的相对湿度越低，徐变也越大。湿度越低，徐变也越大。温度和湿度保持不变时，构件的尺寸越大，体表比越大，温度和湿度保持不变时，构件的尺寸越大，体表比越大，徐变就越小。徐变就越小。（3） 混凝土的组成成份和配合混凝土的组成成份和配合比比 水泥水泥用量、水灰比、水泥品种，养护条件

36、等对徐变用量、水灰比、水泥品种，养护条件等对徐变有影响，水泥用量多，水灰比大，徐变则大，水泥的活有影响，水泥用量多，水灰比大，徐变则大，水泥的活性越低，徐变越大。性越低，徐变越大。 l 影响混凝土徐变的因素影响混凝土徐变的因素 l 徐变的作用徐变的作用 不利方面不利方面：引起挠度增大，造成预应力损失。引起挠度增大，造成预应力损失。 有利方面有利方面：减少由于支座不均匀沉降产生的应力；分：减少由于支座不均匀沉降产生的应力；分散应力集中，引起应力重分布（由于徐变而使应力集中散应力集中，引起应力重分布（由于徐变而使应力集中缓和）；降低温度应力缓和）；降低温度应力。 应力重分布：应力重分布：某一个给定

37、的截面在梁的不同阶段受拉区某一个给定的截面在梁的不同阶段受拉区与受压区的应力相对初始弹性分布时期的变化。与受压区的应力相对初始弹性分布时期的变化。 塑性变形：塑性变形：混凝土中结合面裂缝的扩展延伸引起；只有当混凝土中结合面裂缝的扩展延伸引起；只有当应力超过材料的弹性极限强度后才产生塑性变形，应力超过材料的弹性极限强度后才产生塑性变形，且具有且具有不可恢复性。不可恢复性。 徐变：徐变：应力不大时为混凝土内未结晶的水泥胶体的应力重应力不大时为混凝土内未结晶的水泥胶体的应力重分布所致（水泥石中的胶体具有流动的性质）；应力较大分布所致（水泥石中的胶体具有流动的性质）；应力较大时，是混凝土内微裂缝发展的

38、结果（裂缝促进徐变发展）；时，是混凝土内微裂缝发展的结果（裂缝促进徐变发展）；应力较小时就会发生，部分可恢复。应力较小时就会发生，部分可恢复。 l 徐变和塑性变形的区别徐变和塑性变形的区别 （1）定义：）定义：在混凝土凝结和硬化的物理化学过程中在混凝土凝结和硬化的物理化学过程中体积随时间推移而减小的现象称为体积随时间推移而减小的现象称为收缩收缩。蒸汽养护蒸汽养护常温养护常温养护051015200.10.20.30.4收缩收缩( 103) 时间时间 (月月)3.2.2 3.2.2 混凝土的变形混凝土的变形3. 混凝土的非荷载变形混凝土的非荷载变形 收缩收缩 （2）收缩的原因）收缩的原因硬化初期，

39、硬化初期，水泥石在凝固过程中产生的体水泥石在凝固过程中产生的体积变化（化学性收缩，本身的体积收缩）积变化（化学性收缩，本身的体积收缩）后期，后期，主要是混凝土内自由水分蒸发而引起主要是混凝土内自由水分蒸发而引起的干缩（物理收缩，失水干燥）的干缩（物理收缩，失水干燥）（3）影响收缩的）影响收缩的主要因素主要因素混凝土的组成和配比混凝土的组成和配比 构件的养护条件、使用环境的温度和湿度构件的养护条件、使用环境的温度和湿度以及凡是影响混凝土中水分保持的因素以及凡是影响混凝土中水分保持的因素 构件的体表比：比值越小，收缩越大构件的体表比：比值越小，收缩越大 构件未受荷之前产生裂缝构件未受荷之前产生裂缝

40、 预应力构件中预应力损失（预应力筋和混凝土预应力构件中预应力损失（预应力筋和混凝土一同回缩引起预应力损失一同回缩引起预应力损失 超静定结构产生次内力超静定结构产生次内力 （4）收缩对结构的影响）收缩对结构的影响3.3 3.3 钢筋钢筋 根据钢筋在混凝土结构中的作用，可将钢筋分为根据钢筋在混凝土结构中的作用，可将钢筋分为普通钢普通钢筋筋和和预应力筋预应力筋。普通钢筋普通钢筋是用于混凝土结构或构件中的各种非预应力筋是用于混凝土结构或构件中的各种非预应力筋的总称。的总称。预应力筋预应力筋是用于混凝土结构或构件中施加预应力的是用于混凝土结构或构件中施加预应力的钢丝、钢丝、钢绞线和预应力螺纹钢筋钢绞线和

41、预应力螺纹钢筋等的总称。等的总称。3.3.13.3.1钢筋的品种和规格钢筋的品种和规格钢筋钢筋普通钢筋普通钢筋热轧钢筋热轧钢筋热轧光圆钢筋热轧光圆钢筋热轧带肋钢筋热轧带肋钢筋余热处理钢筋余热处理钢筋冷轧带肋钢筋冷轧带肋钢筋预应力钢筋预应力钢筋钢绞线钢绞线钢丝钢丝精轧螺纹钢筋精轧螺纹钢筋3.3.13.3.1钢筋的品种和规格钢筋的品种和规格 20MnSi2V 碳素钢碳素钢普通低合金钢普通低合金钢低碳钢（含碳量少于低碳钢（含碳量少于0.25%）中碳钢（含碳量中碳钢（含碳量0.25%0.6%）高碳钢（含碳量大于高碳钢（含碳量大于0.6%)1.1.按化学成份分按化学成份分 注：由于冷加工钢筋延性较差，目

42、前较少使用，若由于冷加工钢筋延性较差，目前较少使用，若在工程中采用时，应遵守专门规程的规定。在工程中采用时，应遵守专门规程的规定。 l热轧钢筋热轧钢筋 光圆钢筋（光圆钢筋（R235（HPB235） 带肋钢筋带肋钢筋(HRB335,HRB400,KL400（RRB400）)2.按按钢筋的加工方法钢筋的加工方法冷拉钢筋冷拉钢筋 冷轧带肋钢筋冷轧带肋钢筋 冷轧扭钢筋冷轧扭钢筋 l热处理钢筋热处理钢筋 l 冷加工钢筋冷加工钢筋 3.热轧钢筋热轧钢筋按外型特征分类按外型特征分类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 光圆钢筋光圆钢筋（R235R235（HPB235HPB

43、235）已淘汰，已淘汰，HPB300） 带肋钢筋带肋钢筋(HRB335,HRB400,KL400（RRB400）) 软钢：有明显屈服台阶的钢筋软钢：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：无明显屈服台阶的钢筋硬钢：无明显屈服台阶的钢筋(高强碳素钢丝、钢绞线高强碳素钢丝、钢绞线)4.按按力学性能不同可分为力学性能不同可分为 主要物理力学指标：主要物理力学指标：对于有明显屈服台阶的软钢取屈服强度对于有明显屈服台阶的软钢取屈服强度 fsk 作作为强度设计依据。为强度设计依据。 对于无明显屈服台阶的硬钢取条件屈服强度对于无明显屈服台阶的硬钢取条件屈服强度 0.2作为强度设计依

44、据。作为强度设计依据。屈服强度、抗拉极限强度、伸长率、冷弯性能屈服强度、抗拉极限强度、伸长率、冷弯性能1.软钢软钢-有明显流服钢筋的应力应变曲线有明显流服钢筋的应力应变曲线3.3.23.3.2钢筋的强度和变形钢筋的强度和变形 oa弹性阶段弹性阶段 a比例极限比例极限fd强化阶段强化阶段 d极限强度极限强度de 颈缩阶段颈缩阶段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 ed流幅流幅abcfcf屈服台阶屈服台阶 c屈服强度屈服强度 极限应变极限应变四个受力阶段四个受力阶段四个特征值四个特征值 lPPAAPll 钢筋拉伸试验钢筋拉伸试验 （1）c点的屈服强度点的

45、屈服强度是钢筋混凝土结构设计计算中强度是钢筋混凝土结构设计计算中强度取值的主要依据，因为钢筋应力达到屈服极限后，荷载不增取值的主要依据，因为钢筋应力达到屈服极限后，荷载不增加，应变继续增大，使得钢筋混泥土裂缝开尺过宽，变形过加，应变继续增大，使得钢筋混泥土裂缝开尺过宽，变形过大，结构不能正常使用。大，结构不能正常使用。 （2）d点的极限强度点的极限强度材料的实际破坏强度，衡量钢筋材料的实际破坏强度，衡量钢筋经大变形后的抗拉能力，不能作为计算依据。经大变形后的抗拉能力，不能作为计算依据。屈强比屈强比极限抗拉强度极限抗拉强度屈服强度屈服强度 屈屈强比：强比：表示结构的可靠性潜力，屈强比表示结构的可

46、靠性潜力，屈强比小则结构的可靠性高，但太小钢材利用率太小则结构的可靠性高，但太小钢材利用率太低。但为了保证钢筋的综合强度性能，在检低。但为了保证钢筋的综合强度性能，在检验钢筋的质量时，仍要保证它的极限抗拉强验钢筋的质量时，仍要保证它的极限抗拉强度并满足检验标准的要求，特别在抗震结构度并满足检验标准的要求，特别在抗震结构中，由于构件要进入大变形工作，考虑到钢中，由于构件要进入大变形工作，考虑到钢筋可能受拉进入强化阶段。筋可能受拉进入强化阶段。 （1）伸长率）伸长率又称延伸率，又称延伸率，e点所对应的横坐标，用点所对应的横坐标，用（指标注为（指标注为10倍或倍或5倍钢筋直径即）表示，倍钢筋直径即）

47、表示， %100001lll（2）冷弯性能）冷弯性能指钢材在冷加工过程中产生塑性变形指钢材在冷加工过程中产生塑性变形时，对产生裂缝的抵抗能力。通过冷弯试验，检查试件表时，对产生裂缝的抵抗能力。通过冷弯试验，检查试件表面是否有裂纹或分层断裂来反映塑性。面是否有裂纹或分层断裂来反映塑性。dldl10511015 2无明显流幅钢筋的应力无明显流幅钢筋的应力应变关系曲线应变关系曲线 主要针对强度高，塑性差，脆性大的钢筋。主要针对强度高，塑性差，脆性大的钢筋。 条件流限条件流限（或条件屈服强度）（或条件屈服强度）经加载、卸载后尚存有经加载、卸载后尚存有0.2%的残余变形时的应力，用的残余变形时的应力，用

48、 0.2表示。一般取极限强度的表示。一般取极限强度的85%。 0.2% 0.2 (N/mm2) o 0.2条件屈服强度条件屈服强度3.3.23.3.2钢筋的强度和变形钢筋的强度和变形 3.3.33.3.3钢筋的强度标准值和强度设计值钢筋的强度标准值和强度设计值国标规定：国标规定： 3.3.33.3.3钢筋的强度标准值和强度设计值钢筋的强度标准值和强度设计值1.1.普通钢筋的抗拉强度标准值和抗拉、抗压强度设计值普通钢筋的抗拉强度标准值和抗拉、抗压强度设计值 3.3.33.3.3钢筋的强度标准值和强度设计值钢筋的强度标准值和强度设计值2.2.预应力钢筋的抗拉强度标准值和抗拉、抗压强度设计值预应力钢筋的抗拉强度标准值和抗拉、抗压强度设计值 3.3.33.3.3钢筋的强度标准值和强度设计值钢筋的强度标准值和强度设计值3.3.钢筋的弹性模量钢筋的弹性模量公路桥规公路桥规规定的普通钢筋的弹性模量和预应力钢筋规定的普通钢筋的弹性模量和预应力钢筋的弹性模量如下表：的弹性模量如下表：3.4 3.4 钢筋与混凝土之间的黏结钢筋与混凝土之间的黏结3.4.13.4.1 黏结黏结的作用的作用 3.4.2 3.4.2 黏结机理分析黏结机理分析 3.4.3 3.4.3