混凝土结构及砌体结构-第二章混凝土结构的物理力学性能

1、2 混凝土结构的物理力学性能混凝土结构的物理力学性能12.1 钢筋2 混凝土结构的物理力学性能混凝土结构的物理力学性能22.1.1 钢筋种类和级别钢筋钢筋热轧钢热轧钢劲性钢筋劲性钢筋中、高强钢中、高强钢丝和钢绞线丝和钢绞线冷加工钢筋冷加工钢筋柔性钢筋柔性钢筋热轧碳素钢热轧碳素钢普通低合金钢普通低合金钢3 钢筋的主要化学成分 铁（Fe）、碳（C）、锰（Mn）、 硅（Si）、磷（P）、硫（S） 钢筋和钢丝的分类 a、热轧钢筋：HPB235、 HRB335、HRB400、RRB400 b、冷拉钢筋 c、钢丝 d、热处理钢筋4. HRB335是二级钢是什么意思？ H 为热轧（Hot rolled ）

2、R 带肋（Ribbed ） B 分别钢筋（ Bars） 335: 屈服点fyk=335N/mm2HPB235光圆直条一级钢筋；Q235盘圆一级钢筋；HRB335热轧带肋二级螺纹钢筋； fyk=335N/mm2HRB400热轧带肋三级螺纹钢筋； fyk=440N/mm2HBP235冷轧一级钢筋； fyk=235N/mm25 HPB235级(级)钢筋钢筋多为光面钢筋多为光面钢筋，多作为现浇楼多作为现浇楼板的受力钢筋和箍筋。板的受力钢筋和箍筋。 HRB335级(级)和 HRB400级(级)钢筋钢筋强度较高，强度较高，多多作为钢筋混凝土构件的受力钢筋，尺寸较大的构件，作为钢筋混凝土构件的受力钢筋，尺寸

3、较大的构件，也有用也有用级钢筋作箍筋以级钢筋作箍筋以增强与混凝土的粘结，外形增强与混凝土的粘结，外形制作成月牙肋或等高肋的变形钢筋制作成月牙肋或等高肋的变形钢筋。 RRB400级(级)钢筋钢筋强度太高，不适宜作为钢筋混强度太高，不适宜作为钢筋混凝土构件中的配筋，凝土构件中的配筋，一般冷拉后作预应力筋。一般冷拉后作预应力筋。直径直径840。6钢丝钢丝中强钢丝的强度为中强钢丝的强度为8001200MPa，高强钢丝、钢绞线的，高强钢丝、钢绞线的为为 1470 1860MPa；钢丝的直径；钢丝的直径39mm；外形有光面、刻；外形有光面、刻痕和螺旋肋三种，另有二股、三股和七股钢绞线，外接圆直径痕和螺旋肋

4、三种，另有二股、三股和七股钢绞线，外接圆直径9.515.2 mm。中高强钢丝和钢绞线均用于预应力混凝土结构。中高强钢丝和钢绞线均用于预应力混凝土结构。冷加工钢筋冷加工钢筋是由热轧钢筋和盘条经冷拉、冷拔、冷轧、冷扭加是由热轧钢筋和盘条经冷拉、冷拔、冷轧、冷扭加工后而成。冷加工的目的是为了提高钢筋的强度，节约钢材。工后而成。冷加工的目的是为了提高钢筋的强度，节约钢材。但经冷加工后，钢筋的延伸率降低。但经冷加工后，钢筋的延伸率降低。近年来，冷加工钢筋的品近年来，冷加工钢筋的品种很多，应根据专门规程使用。种很多，应根据专门规程使用。热处理钢筋热处理钢筋是将是将级钢筋通过加热、淬火和回火等调质工艺处级钢

5、筋通过加热、淬火和回火等调质工艺处理，使强度得到较大幅度的提高，而延伸率降低不多。用于预理，使强度得到较大幅度的提高，而延伸率降低不多。用于预应力混凝土结构。应力混凝土结构。72.1.2 2.1.2 钢筋的应力应变曲线及塑性性能钢筋的应力应变曲线及塑性性能 有明显屈服点的钢筋有明显屈服点的钢筋eaabcdefufyfa为比例极限oa为弹性阶段de为强化阶段b为屈服上限c为屈服下限，即屈服强度 fycd为屈服台阶e为极限抗拉强度 fu ef为颈缩阶段s s8 几个指标：几个指标：屈服强度屈服强度：是钢筋强度的设计依据是钢筋强度的设计依据，因为钢筋屈服后将发生很大，因为钢筋屈服后将发生很大的塑性变

6、形，且卸载时这部分变形的塑性变形，且卸载时这部分变形不可恢复不可恢复，这会使钢筋混凝土，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。屈服上限与加载速度有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。关，不太稳定，一般取屈服下限作为屈服强度。延延 伸伸 率率：钢筋拉断后的伸长值与原长的比率，是反映钢筋塑性：钢筋拉断后的伸长值与原长的比率，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，延性较好。性能的指标。延伸率大的钢筋，在拉断前有足够预兆，延性较好。0010or 5lll s残余变形r弹性变形e屈屈 强强 比：比：反映钢

7、筋的强度储备，反映钢筋的强度储备，fy/fu=0.60.7。9无明显屈服点的钢筋无明显屈服点的钢筋a0.2%s0.2 fua点：比例极限，约为点：比例极限，约为0.65fua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s0.2 =0.85 fu102.1.32.1.3 钢筋的冷加工的热处理钢筋的冷加工的热处理 冷加工的方法：冷拉、冷拔、冷轧。 冷加工的

8、目的：改变钢材内部结构，提高 钢材强度，节约钢筋。 冷加工对钢材性能的影响：强度提高，变形降低。热处理是对某些特定型号的热轧钢进行淬火和回火处理。 11o冷拉控制应力s(N/mm2)冷拉率残余变形oabccdd冷拉无时效冷拉经时效(a)(b)d1d2Pd2d112(a) 冷拉，可采用冷拉控制应力和冷拉率控制。冷拉后可提高钢材的抗拉强度，但其屈服台阶变短。(b) 冷拔，可同时提高钢材的抗拉和抗压强度，塑性降低很多。 冷轧后，钢筋表面轧成带肋，强度与冷拔低碳 丝接近，塑性要好一些。132.1.4 钢筋混凝土结构对钢筋性能的要求钢筋混凝土结构对钢筋性能的要求 1）强度：要求钢筋有足够的强度和适宜的强

9、屈比(极限强度与屈服强度的比值)。例如，对抗震等级为一、二级的框架结构，其纵向受力钢筋的实际强屈比不应小于1.25。 2）塑性：要求钢筋应有足够的变形能力。 3）可焊性：要求钢筋焊接后不产生裂缝和过大的变形，焊接接头性能良好。 4）耐火性：要求混凝土保护层厚度满足对构件耐火极限的要求 5）与混凝土的粘结力：要求钢筋与混凝土之间有足够的粘结力，以保证两者共同工作。142.2 混凝土混凝土混凝土的组成结构混凝土的组成结构通常把混凝土的结构分为三种类型：通常把混凝土的结构分为三种类型：.微观结构：微观结构：也即水泥石结构，包括水泥凝胶、晶体骨架、未也即水泥石结构，包括水泥凝胶、晶体骨架、未水化完的水

10、泥颗粒和凝胶孔组成。水化完的水泥颗粒和凝胶孔组成。.亚微观结构：亚微观结构：即混凝土中的水泥砂浆结构。即混凝土中的水泥砂浆结构。.宏观结构：宏观结构：即砂浆和粗骨料两组分体系。即砂浆和粗骨料两组分体系。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响骨料的分布及骨料与基相之间在界面的结合强度是影响混凝土强度的重要因素；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有在荷载的作用下，微裂缝的扩展对混凝土的力学性能有着极为重要的影响着极为重要的影响。152.2.1 混凝土的强度混凝土的强度 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

11、压强度。因此抗压强度是。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。混凝土力学性能中最主要和最基本的指标。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。 单向受力状态下混凝土的强度单向受力状态下混凝土的强度 混凝土的立方体抗压强度和强度等级混凝土的立方体抗压强度和强度等级：边长为150mm的混凝土立方体试件，在标准条件下（温度为203，湿度90%）养护28天，用标准试验方法（加载速度0.150.3N/mm2/s，两端不涂润滑剂）测得的具有95%保证率的抗压强度，用符号C表示。 规范根据强度范围，从C15C80共划分为14个强度等级，级差为5N/mm2。16

12、混凝土的轴心抗压强度混凝土的轴心抗压强度 按标准方法制作的150mml50mm 300mm的棱柱体试件，在温度为20土3和相对湿度为90以上的条件下养护28d，用标准试验方法测得的具有95保证率的抗压强度 。对于同一混凝土，棱柱体抗压强度小于立方体抗压强度。 考虑到实际结构构件制作、养护和受力情况，实际构件强度与试件强度之间存在差异，规范基于安全取偏低值，规定轴心抗压强度标准值和立方体抗压强度标准值的换算关系为：17kcuccckff,2188. 0 式中：c1为棱柱体强度与立方体强度之比，对不大于C50级的混凝土取0.76，对C80取0.82，其间按线性插值。c2为高强混凝土的脆性折减系数，

13、对C40取1.0，对C80取0.87，中间按直线规律变化取值。0.88为考虑实际构件与试件混凝土强度之间的差异而取用的折减系数。 fcu,k立方体强度标准值即为混凝土强度等级fcu。18混凝土的轴心抗拉强度混凝土的轴心抗拉强度劈拉试验FaF拉压压22aFfsp 混凝土的轴心抗拉强度可以采用直接轴心受拉的试验方法来测定，但由于试验比较困难，目前国内外主要采用圆柱体或立方体的劈裂试验来间接测试混凝土的轴心抗拉强度。19复合应力下混凝土的强度实际结构中，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。受力状态。双轴应力状态双轴

14、应力状态 双向受压强度大于单向双向受压强度大于单向受压强度，最大受压强度受压强度，最大受压强度发生在两个压应力之比为发生在两个压应力之比为0.3 0.6之间，约之间，约(1.251.60 )fc。双轴受压状。双轴受压状态下混凝土的应力态下混凝土的应力-应变关应变关系与单轴受压曲线相似，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。20双轴应力状态双轴应力状态 在一轴受压一轴受拉在一轴受压一轴受拉状态下，任意应力比情况状态下，任意应力比情况下均不超过其相应单轴强下均不超过其相应单轴强度。并且抗压强度或抗拉度。并且抗压强度或抗拉强度均随另一方向拉

15、应力强度均随另一方向拉应力或压应力的增加而减小。或压应力的增加而减小。21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 和正应力和正应力s 共同作用下的复共同作用下的复合受力情况。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，压应力继续增大，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。22 三轴受压：(如图)2cc1 . 4 :sffc抗压强度提

16、高200s3= 50N/mm235N/mm2s1s3s310N/mm2150100500510152025s1s2(N/mm2)1 ()工程应用：约束混凝土钢管砼密配螺旋箍筋232.2.2混凝土的变形混凝土的变形 混凝土在一次短期加载时的变形性能混凝土在一次短期加载时的变形性能 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土受力全过应变关系反映了混凝土受力全过程的重要力学特征程的重要力学特征,是分析混凝土构件应力、建立承载力和变形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，也是利用计算机进行非线性分析的基础。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

17、础。 混凝土单轴受压应力混凝土单轴受压应力-应变关系曲线，常采用棱柱体试件来应变关系曲线，常采用棱柱体试件来测定。测定。 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加载，达到轴心抗压加载，达到轴心抗压强度强度fc时，试验机中集聚的弹性应变能大于试件所能吸收的应时，试验机中集聚的弹性应变能大于试件所能吸收的应变能，会导致试件产生突然脆性破坏，只能测得应力变能，会导致试件产生突然脆性破坏，只能测得应力-应变曲应变曲线的线的上升段上升段。 采用采用等应变速度等应变速度加载，或在试件旁附设高弹性元件与试件一加载，或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，可以测得

18、应力同受压，以吸收试验机内集聚的应变能，可以测得应力-应变应变曲线的曲线的下降段下降段。2402468102030s(MPa) 10-3BACEDA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 (0.30.4)fc 高强混凝土高强混凝土s sA (0.50.7)fc。25达到达到B点点，内部一些微裂缝相互连通，裂缝发展已不稳定，内部一些微裂缝相互连通，裂缝发展已不稳定，横向变形突然

19、增大，体积应变开始由压缩转为增加。普通强横向变形突然增大，体积应变开始由压缩转为增加。普通强度混凝土度混凝土s sB约为约为0.8fc，高强强度混凝土，高强强度混凝土s sB可达可达0.95fc以上。以上。随应变增长，试件上相继出现多条不连续的纵向裂缝，横随应变增长，试件上相继出现多条不连续的纵向裂缝，横向变形急剧发展，承载力明显下降，混凝土骨料与砂浆的向变形急剧发展，承载力明显下降，混凝土骨料与砂浆的粘结不断遭到破，裂缝连通形成斜向破坏面。粘结不断遭到破，裂缝连通形成斜向破坏面。E点的应变点的应变e = (23) e 0，应力，应力s s= (0.40.6) fc。达到达到C点点，内部微裂缝

20、连通形成破坏面，应变增长速度明显，内部微裂缝连通形成破坏面，应变增长速度明显加快，加快，C点的纵向应变值称为峰值应变点的纵向应变值称为峰值应变 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现第一条可，内部裂缝在试件表面出现第一条可见平行于受力方向的纵向裂缝。见平行于受力方向的纵向裂缝。26强度等级越高，线弹性段强度等级越高，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

21、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。不同强度混凝土的应力-应变关系曲线27混凝土的横向变形系数 泊松比：横向变形与纵向变形的比值的绝对值，反映了 材料横向变形的弹性常数。混凝土的弹性模量和变形模量0tgEc1tgEctgEc 弹性模量弹性模量变形模量变形模量切线模量切线模量28弹性模量测定方法s0.5fc510 次)N/mm(74.342 . 21025cucfE29混凝土的徐变 混凝土在荷载的长期作用下，其变形随时间而不断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徐变。增长的现象称为徐变。 徐变对混凝土结构和构件的工作性能有很大影响。徐变对混凝土结

22、构和构件的工作性能有很大影响。由于混凝土的徐变，会使构件的变形增加，在钢筋混由于混凝土的徐变，会使构件的变形增加，在钢筋混凝土截面中引起应力重分布，在预应力混凝土结构中凝土截面中引起应力重分布，在预应力混凝土结构中会造成预应力的损失。会造成预应力的损失。 混凝土的徐变特性主要与时间参数有关。混凝土的徐变特性主要与时间参数有关。30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(aggregate)的的刚度（弹性模量）越大，体积比越大，徐变就越小。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。水灰比越小，徐变也越小。环境影响环境影响包

23、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)的温湿度越高，水泥水化作用月充分，徐变就越小。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（采用蒸汽养护可使徐变减少（2035）%。受荷后构。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。件所处的环境温度越高，相对湿度越小，徐变就越大。31混凝土的收缩混凝土的收缩 混凝土在空气中硬化时体积会缩小，这种现象称为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。混凝土的收缩。 收缩是混凝土在不受外力情况下体积变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。变形。 当这种自

24、发的变形受到外部（支座）或内部（钢当这种自发的变形受到外部（支座）或内部（钢筋）的约束时，筋）的约束时，将使混凝土中产生拉应力，甚至引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。件产生预应力损失。32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护尺寸、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。条件等许多因素有关。（1）水泥的品种：水泥强度等级越高，制成的

25、混凝土收缩越）水泥的品种：水泥强度等级越高，制成的混凝土收缩越大。大。（2）水泥的用量：）水泥的用量：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。（3）骨料的性质：）骨料的性质：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。（4）养护条件：）养护条件：干燥失水及高温环境，收缩大。干燥失水及高温环境，收缩大。（5）混凝土制作方法：）混凝土制作方法：混凝土越密实，收缩越小。混凝土越密实，收缩越小。（6）使用环境：）使用环境：使用环境温度、湿度越大，收缩越小。使用环境温度、湿度越大，收缩越小。（7）构件的体积与表面积比值：）构件的体积与表面积比值：比值大

26、时，收缩小。比值大时，收缩小。332.3 钢筋和混凝土之间的粘结（握裹）力钢筋和混凝土之间的粘结（握裹）力2.3.1概述概述粘结和锚固是钢筋和混凝土形成整体、共同工粘结和锚固是钢筋和混凝土形成整体、共同工作的基础作的基础钢筋与混凝土之间粘结应力示意图（a）锚固粘结应力 （b）裂缝间的局部粘结应力34粘结强度粘结强度35dfflty362.3.2粘结（握裹）力的性能粘结（握裹）力的性能粘结力的组成粘结力的组成光圆钢筋与变形钢筋具有不同的粘结机理，其粘光圆钢筋与变形钢筋具有不同的粘结机理，其粘结作用主要由三部分组成：结作用主要由三部分组成：（）钢筋与混凝土接触面上的（）钢筋与混凝土接触面上的化学吸附作用力化学吸附作用力（胶结力）（胶结力）。一般很小，仅在受力阶段的局部无。一般很小，仅在受力阶段的局部无滑移区域起作用，当接触面发生相对滑移时，该滑移区域起作用，当接触面发