混凝土结构基本原理第2章混凝土结构材料的物理力学性能

1、混凝土结构基本原理第2章 混凝土结构材料的物理力学性能2.1 混凝土的物理力学性能2.2 钢筋的物理力学性能2.3 混凝土与钢筋的粘结学 习 目 标1.理解混凝土在各种受力状态下的强度与变形性能；2.掌握混凝土的基本强度指标和混凝土的选用原则；3.了解土木工程所用钢筋的品种、级别及其性能；4.掌握钢筋的强度及变形指标；5.掌握土木工程对钢筋性能的要求及选用原则；6.了解钢筋与混凝土的共同工作原理，理解保证钢筋与混凝土之间协同工作的构造措施。 混凝土： 由水泥、骨料和水按一定比例拌合，经过硬化后形成的人工合成材料。其为一多相复合材料，其质量的好坏与材料、施工配合比、施工工艺、龄期、环境等诸多因素

2、有关。特 点： 非弹性、非线性、非匀质材料，较大离散性。通常将其组成结构分为： 宏观结构：两组分体系，砂浆和粗骨料。 亚微观结构：水泥砂浆结构。 微观结构： 水泥石结构。2.1 混凝土的物理力学性能2.1.1 混凝土的组成结构第2章 混凝土结构材料的物理力学性能2.1 混凝土的物理力学性能宏观结构亚微观结构微观结构粗骨料（分散相）水泥石（基相）细骨料（分散相）砂浆（基相）晶体骨架晶体带核凝胶体干缩孔隙凝缩氢氧化钙凝胶体混凝土组成结构第2章 混凝土结构材料的物理力学性能2.1 混凝土的物理力学性能晶体骨架：由未水化颗粒组成，承受外力，具有弹性变形特点。塑性变形：在外力作用下由凝胶、孔隙、微裂缝产

3、生。破坏起源：孔隙、微裂缝等原因造成。PH值：由于水泥石中的氢氧化钙存在，混凝土偏碱性。由于水泥凝胶体的硬化过程需要若干年才能完成，所以，混凝土的强度、变形也会在较长时间内发生变化，强度逐渐增长，变形逐渐加大。第2章 混凝土结构材料的物理力学性能2.1 混凝土的物理力学性能第2章 混凝土结构材料的物理力学性能2.1 混凝土的物理力学性能单轴应力状态下的混凝土强度1、混凝土强度等级混凝土结构中，主要是利用它的抗压强度。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。混凝土的强度等级是用抗压强度来划分的混凝土强度等级：边长150mm立方体标准试件，在标准条件下（203，90%湿度）养护28天，

4、用标准试验方法（加载速度2/sec，两端不涂润滑剂）测得的具有95%保证率的立方体抗压强度，用符号C表示，C30表示fcu,k=30N/mm2 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。与原规范GBJ10-89相比，混凝土强度等级范围由C60提高到C80，C50以上为高强混凝土，有关指标和计算公式在C50与原规范GBJ10-89衔接。承压板试块摩擦力不涂润滑剂涂润滑剂强度大于我国规范的方法：不涂润滑剂试验机通过钢垫板对试件施加压力。由于垫板的刚度有限，以及试件内部和表层的受力状态和材料性能有差别，致使试件承压面上的竖向压应力分布不均匀。同时，钢垫板和试件混凝土

5、的弹性模量和泊松比值不等，在相同应力作用下的横向应变不等。故垫板约束了试件的横向变形，在试件的承压面上作用着水平摩擦力。第2章 混凝土结构材料的物理力学性能2.1 混凝土的物理力学性能试验录像第2章 混凝土结构材料的物理力学性能2.1 混凝土的物理力学性能100mm立方体强度与标准立方体强度之间的换算关系小于C50的混凝土，修正系数m 。随混凝土强度的提高，修正系数m 值有所降低。当fcu100=100N/mm2时，换算系数m 约为美国、日本、加拿大等国家，采用圆柱体（直径150mm，高300 mm）标准试件测定的抗压强度来划分强度等级，符号记为 fc。圆柱体强度与我国标准立方体抗压强度的换算

6、关系为，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和品质的标准（制作、测试方便）。第2章 混凝土结构材料的物理力学性能2.1 混凝土的物理力学性能2、轴心抗压强度轴心抗压强度采用棱柱体试件测定，用符号fc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般为h/b=23，我国取150mm150mm300mm的标准试件，试件上下表面不涂润滑剂。对于同一混凝土，棱柱体抗压强度小于立方体抗压强度。棱柱体抗压强度和立方体抗压强度的换算关系为，规范对小于等于C50的混凝土取c1 ，对C80取c1 ，其间按线性插值。对小于等于C40

7、的混凝土取c2，对C80取c2 =0.87 ，其间按线性插值。第2章 混凝土结构材料的物理力学性能2.1 混凝土的物理力学性能试验录像第2章 混凝土结构材料的物理力学性能2.1 混凝土的物理力学性能3、轴心抗拉强度也是其基本力学性能，用符号 ft 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有关。第2章 混凝土结构材料的物理力学性能2.1 混凝土的物理力学性能试验录像第2章 混凝土结构材料的物理力学性能2.1 混凝土的物理力学性能劈拉试验PaP拉压压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拉试验测定混凝土的抗拉强度第2章 混凝土结构材料的物理力学性

8、能2.1 混凝土的物理力学性能4、混凝土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95%的保证率立方体强度标准值即为混凝土强度等级fcuk。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。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，还采用了以下两个折减系数：结构中混凝土强度与混凝土试件强度的比值，取；脆性折减系数，对C40取，对C80取，中间按线性规律变化。第2章 混凝土结构材料的物理力学性能2.1 混凝土的物理力学性能例 fcu

9、=30MPa, d =0.12, fcu,m=fcud) fc,mcu,m fc,k=fc,mdcu第2章 混凝土结构材料的物理力学性能2.1 混凝土的物理力学性能5. 混凝土破坏机理fc xd 当x时，y0，0dd=xy x0，0y 1第2章 混凝土结构材料的物理力学性能2.1 混凝土的物理力学性能根据以上条件，过镇海提出的应力-应变全曲线表达式a=Ec/E0，Ec为初始弹性模量；E0为峰值点时的割线模量，为满足条件和，一般应有1.5a3；ac 为下降段参数第2章 混凝土结构材料的物理力学性能2.1 混凝土的物理力学性能Hognestad建议的应力-应变曲线第2章 混凝土结构材料的物理力学性

10、能2.1 混凝土的物理力学性能规范应力-应变关系上升段：下降段：第2章 混凝土结构材料的物理力学性能2.1 混凝土的物理力学性能2、混凝土的弹性模量 Elastic Modulus原点切线模量Elastic Modulus割线模量Secant Modulus切线模量Tangent Modulus弹性系数n (coefficient of elasticity) 随应力增大而减小n 第2章 混凝土结构材料的物理力学性能2.1 混凝土的物理力学性能弹性模量测定方法第2章 混凝土结构材料的物理力学性能2.1 混凝土的物理力学性能3、箍筋约束混凝土受压的应力-应变关系 螺旋箍筋约束对强度和变形能力均有

11、很大提高 矩形箍筋约束对强度的提高不是很显著，但对变形能力有显著改善Confinement with Transverse Reinforcement 第2章 混凝土结构材料的物理力学性能2.1 混凝土的物理力学性能 箍筋与内部混凝土的体积比； 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。影响因素第2章 混凝土结构材料的物理力学性能2.1 混凝土的物理力学性能建议的矩形封闭箍筋约束混凝土的应力-应变曲线第2章 混凝土结构材料的物理力学性能2.1 混凝土的物理力学性能4、混凝土受拉应力-应变关系第2章 混凝土结构材料的

12、物理力学性能2.1 混凝土的物理力学性能纤维混凝土第2章 混凝土结构材料的物理力学性能2.1 混凝土的物理力学性能第2章 混凝土结构材料的物理力学性能2.1 混凝土的物理力学性能第2章 混凝土结构材料的物理力学性能2.1 混凝土的物理力学性能2.1.4 复杂应力下混凝土的受力性能双轴应力状态 Biaxial Stress State实际结构中，混凝土很少处于单向受力状态。更多的是处于双向或三向受力状态。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。双向受压强度大于单向受压强度，最大受压强度发生在两个压应力之比为之间，约为(1.251.60 )fc。双轴受压状态下混

13、凝土的应力-应变关系与单轴受压曲线相似，但峰值应变均超过单轴受压时的峰值应变。第2章 混凝土结构材料的物理力学性能2.1 混凝土的物理力学性能在一轴受压一轴受拉状态下，任意应力比情况下均不超过其相应单轴强度。并且抗压强度或抗拉强度均随另一方向拉应力或压应力的增加而减小。2.1.4 复杂应力下混凝土的受力性能双轴应力状态 Biaxial Stress State实际结构中，混凝土很少处于单向受力状态。更多的是处于双向或三向受力状态。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。2.1 混凝土的物理力学性能第2章 混凝土结构材料的物理力学性能试验录像第2章 混凝土结构

14、材料的物理力学性能2.1 混凝土的物理力学性能构件受剪或受扭时常遇到剪应力t 和正应力s 共同作用下的复合受力情况。混凝土的抗剪强度：随拉应力增大而减小 随压应力增大而增大当压应力在fc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。第2章 混凝土结构材料的物理力学性能2.1 混凝土的物理力学性能三轴应力状态 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。第2章 混凝土结构材料的物理力学性能2.1 混凝土的物理力学性

15、能局部抗压强度 Local Bearing Strength第2章 混凝土结构材料的物理力学性能2.1 混凝土的物理力学性能2.1.5 混凝土的收缩和徐变Shrinkage and Creep1、混凝土的收缩 Shrinkage 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。 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混凝土构件产生预应力损失。 某些对跨度比较敏感的超静定结构（如拱结构），收缩也会引起不利的内力。第2章 混凝土结构材料的物理力学性能2.1

16、 混凝土的物理力学性能墙板干燥收缩裂缝与边框架的变形第2章 混凝土结构材料的物理力学性能2.1 混凝土的物理力学性能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快，两周可完成全部收缩的25%，一个月可完成50%，以后变形发展逐渐减慢，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(25)10-4 混凝土开裂应变为(0.52.7)10-4第2章 混凝土结构材料的物理力学性能2.1 混凝土的物理力学性能 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。 水泥用量多、水灰比越大，收缩越大。 骨料

17、弹性模量高、级配好，收缩就小。 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。 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。 在实际工程中，要采取一定措施减小收缩应力的不利影响 施工缝。第2章 混凝土结构材料的物理力学性能2.1 混凝土的物理力学性能2、混凝土的徐变 Creep 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。 徐变会使结构（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。 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（如支座不均匀沉降），减小大体积混凝土内的温度应力，受

18、拉徐变可延缓收缩裂缝的出现。 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比的收缩试件的变形，才可得到徐变变形。第2章 混凝土结构材料的物理力学性能2.1 混凝土的物理力学性能在应力（fc）作用瞬间，首先产生瞬时弹性应变eel（= si/Ec(t0)，t0加荷时的龄期）。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，6个月可达最终徐变的（7080）%，以后增长逐渐缓慢，23年后趋于稳定。第2章 混凝土结构材料的物理力学性能2.1 混凝土的物理力学性能记(t-t0)时间

19、后的总应变为e c(t,t0)，此时混凝土的收缩应变为esh(t，t0)，则徐变为，ecr (t,t0) = ec(t,t0)- e c(t0)- esh(t,t0)= ec(t,t0)- eel- esh(t,t0)第2章 混凝土结构材料的物理力学性能2.1 混凝土的物理力学性能如在时间t 卸载，则会产生瞬时弹性恢复应变eel。由于混凝土弹性模量随时间增大，故弹性恢复应变eel小于加载时的瞬时弹性应变 eel。再经过一段时间后，还有一部分应变eel可以恢复，称为弹性后效或徐变恢复，但仍有不可恢复的残留永久应变ecr第2章 混凝土结构材料的物理力学性能2.1 混凝土的物理力学性能徐变系数j (

20、t，t0) Creep Coefficient当初始应力小于fc时，徐变在2年以后可趋于稳定，最终的徐变系数j =24。影响因素内在因素是混凝土的组成和配比。骨料(aggregate)的刚度（弹性模量）越大，体积比越大，徐变就越小。水灰比越小，徐变也越小。环境影响包括养护和使用条件。受荷前养护(curing)的温湿度越高，水泥水化作用越充分，徐变就越小。采用蒸汽养护可使徐变减少（2035）%。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。第2章 混凝土结构材料的物理力学性能2.1 混凝土的物理力学性能应力条件是指初应力(initial stress)水平si /fc和加荷时混凝土的龄

21、期t0，它们是影响徐变的非常主要的因素。当初始应力水平si /fc 时，徐变值与初应力基本上成正比，也即（最终）徐变系数j =ecr /eel =Ececr /si =常数，这种徐变称为线性徐变。 当初应力si 在(0.50.8) fc 范围时，徐变最终虽仍收敛，但最终徐变与初应力si不成比例，也即徐变系数j 随si的增大而增大，这种徐变称为非线性徐变。当初应力si fc 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，最终导致混凝土的破坏。因此将fc作为混凝土的长期抗压强度。 高强混凝土的密实性好，在相同的s /fc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

22、应力值，初始变形较大，故两者总变形接近。此外，高强混凝土线性徐变的范围可达fc，长期强度约为fc，也比普通混凝土大一些。第2章 混凝土结构材料的物理力学性能2.1 混凝土的物理力学性能第2章 混凝土结构材料的物理力学性能2.1 混凝土的物理力学性能第2章 混凝土结构材料的物理力学性能2.1 混凝土的物理力学性能3. 混凝土的疲劳破坏重复荷载下的应力-应变曲线fcf321疲劳强度fcfcf的确定原则：100100 300或150150 450 的棱柱体试块承受200万次（或以上）循环荷载时发生破坏的最大压应力值第2章 混凝土结构材料的物理力学性能2.1 混凝土的物理力学性能包罗线与一次性加载时的

23、应力-应变曲线相似作 业：1.混凝土立方体抗压强度、轴心抗压强度标准值、轴心抗拉强度标准值是如何确定的？它们之间的关系如何？2.混凝土的强度等级是如何确定的？我国规范规定的混凝土强度等级有哪些？3.混凝土轴心受压应力-应变曲线有何特点？试列出三种常用的数学模型。4.混凝土的变形模量和弹性模量如何确定？5.混凝土的收缩和徐变对构件有何影响？6.查阅相关文献或规范给出混凝土多轴强度计算图。第2章 混凝土结构材料的物理力学性能2.1 混凝土的物理力学性能2.2 钢筋的物理力学性能按化学成分碳素钢（铁、碳、硅、锰、硫、磷等元素）普通低合金钢（另加硅、锰、钛、钒、铬等）2.2 钢筋的物理力学性能 Ste

24、el Reinforcement钢筋的种类第2章 混凝土结构材料的物理力学性能低碳钢（含碳量0.25%）中碳钢（含碳量0.250.6%）高碳钢（含碳量0.61.4%）硅系硅钒系硅钛系硅锰系硅铬系钢筋热轧钢筋：热轧光面钢筋HPB235，热轧带肋钢筋HRB335、HRB400，余热处理钢筋RRB400冷拉钢筋：由热轧钢筋在常温下用机械拉伸而成热处理钢筋：将HRB400、RRB400钢筋通过加热、淬火、回火而成按加工方法钢丝碳素钢丝：高碳镇静钢通过多次冷拔、应力消除、矫正、回火处理而成刻痕钢丝：在钢丝表面刻痕，以增强其与混凝土间的粘结力钢绞线：多根相同直径的钢丝成螺旋状铰绕在一起（3股或7股）冷拔低

25、碳钢丝：由低碳钢冷拔而成第2章 混凝土结构材料的物理力学性能第2章 混凝土结构材料的物理力学性能2.2 钢筋的物理力学性能热轧钢筋 Hot Rolled Steel Reinforcing BarHPB235级、HRB335级、HRB400级、RRB400级HPBHot rolledPlainBarHRBHot rolledRolledBarRRBRolledRibbedBar屈服强度 fyk（标准值=钢材废品限值，保证率97.73%）HPB235级： fyk = 235 N/mm2HRB335级： fyk = 335 N/mm2HRB400级、RRB400级： fyk = 400 N/mm2

26、第2章 混凝土结构材料的物理力学性能2.2 钢筋的物理力学性能HPB235级(级)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。 HRB335级(级)和 HRB400级(级)钢筋强度较高，多作为钢筋混凝土构件的受力钢筋，尺寸较大的构件，也有用级钢筋作箍筋的。为增强与混凝土的粘结（Bond），外形制作成月牙肋或等高肋的变形钢筋（Deformed Bar）。 RRB400级（级）钢筋强度太高，不适宜作为钢筋混凝土构件中的配筋，一般冷拉后作预应力筋。延伸率d5=25、16、14、10%，直径840。第2章 混凝土结构材料的物理力学性能2.2 钢筋的物理力学性能钢丝，中强钢丝

27、的强度为8001200MPa，高强钢丝、钢绞线为 1470 1860MPa；延伸率d10=6%，d100=3.54%；钢丝的直径39mm；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9.515.2 mm。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。但经冷加工后，钢筋的延伸率降低。近年来，冷加工钢筋的品种很多，应根据专门规程使用。热处理钢筋是将级钢筋通过加热、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。用于预应力混凝土结构。第2章 混凝土结构

28、材料的物理力学性能2.2 钢筋的物理力学性能se钢筋的强度与变形 有明显屈服点的钢筋 Steel bar with yield pointa为比例极限proportional limit s =Eseaa为弹性极限elastic limitade为强化段strain hardening stagebb为屈服上限upper yield strengthc为屈服下限，即屈服强度 fylower yield strengthcdcd为屈服台阶yield plateauefue为极限抗拉强度 fu ultimate tensile strengthfyf第2章 混凝土结构材料的物理力学性能2.2 钢筋

29、的物理力学性能几个指标：屈服强度yield strength：是钢筋强度的设计依据，因为钢筋屈服后将产生很大的塑性变形，且卸载时这部分变形不可恢复，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关，不太稳定，一般取屈服下限作为屈服强度。延 伸 率elongation rate：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，在拉断前有足够预兆，延性较好。屈强比反映钢筋的强度储备，fy/fu。均匀延伸率dgt对应最大应力时应变，包括了残余应变和弹性应变，反映了钢筋真实的变形能力(2.5%)第2章 混凝土结构材料的物理力学性能2.2 钢筋的物理力学性能无明显屈

30、服点的钢筋Steel bar without yield pointa点：比例极限，约为fua点前：应力-应变关系为线弹性a点后：应力-应变关系为非线性，有一定塑性变形，且没有明显的屈服点强度设计指标条件屈服点残余应变为0.2%所对应的应力规范取s fu第2章 混凝土结构材料的物理力学性能2.2 钢筋的物理力学性能钢筋的强度标准值( Characteristic or Standard Strength) 按冶金钢材质量控制标准，钢筋的强度标准值是取其出厂时的废品限值，其数值相当于fy,m-3s，具有97.73%的保证率，满足建筑结构设计统一标准材料强度标准值保证率95%的要求。第2章 混凝土

31、结构材料的物理力学性能2.2 钢筋的物理力学性能第2章 混凝土结构材料的物理力学性能2.2 钢筋的物理力学性能第2章 混凝土结构材料的物理力学性能2.2 钢筋的物理力学性能1.描述完全弹塑性的双直线模型（流幅较长）1Es第2章 混凝土结构材料的物理力学性能2.2 钢筋的物理力学性能2.2.3 钢筋的应力-应变关系曲线sss=Essys,hfyfs,us,u2.描述完全弹塑性加硬化的三折线模型（流幅较短）s,usss=Essyfys,hfs,u3.描述弹塑性的双斜线模型（无明显流幅）2.2.4 钢筋的疲劳重复荷载作用下，钢筋的强度0.7ftbh0时，las0.35la第2章 混凝土结构材料的物理力学性能2.3混凝土与钢筋的粘结锚固区箍筋要求规范规定在受力钢筋锚固长度范围内箍筋的直径不小于d（或de），箍筋间距不大于10d，采用机械锚固措施时不应大于5d，在锚固长度范围内箍筋的数量不少于三个。当锚固钢筋的混凝土保护层厚度大于5d（或5de）时，箍筋