第二章 混凝土和钢筋的物理力学性能

1、第一节 混凝土承压板试块第二章 钢筋和混凝土材料力学性能 一. 混凝土的强度（一）混凝土立方体抗压强度 fcu规范采用边长为150mm立方体试块抗压强度 fcu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：不涂润滑剂压力试件裂缝发展扩张整个体系解体，丧失承载力另影响强度的因素还有：龄期、加载速率、试块尺寸等（一）混凝土立方体抗压强度 fcu标准试块：150150 150非标准试块：100100 100 换算系数 0.95 200200 200 换算系数 1.05立方体抗压强度是区分混凝土强度等级的指标，我国规范混凝土的强度等级有：C15，C20，C25，C30，C35，C40，C4

2、5，C50，C55，C60，C65，C70，C75，C80表示混凝土Concrete立方体抗压强度立方体抗压强度fcu（一）混凝土立方体抗压强度 fcu强度指标的确定强度随机变量强度标准值根据统计资料，运用数理统计方法确定的具有一定保证率（95%）的统计特征值：强度标准值=强度平均值-1.645均方差概率密度材料强度强度平均值强度标准值（一）混凝土立方体抗压强度 fcu棱柱体抗压强度fc承压板试块标准试块：150150 300非标准试块：100100 300 换算系数 0.95 200200 400 换算系数 1.05考虑到承压板对试件的约束，立方体抗压强度大于棱柱体抗压强度，且有：fc=0.

3、76fcu (试验结果)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（d=150, h=300），有fc=0.79fcu 圆柱体抗压强度（二）混凝土轴心抗压强度 fc（二）混凝土轴心抗压强度 fc 对高强混凝土，规范取c1棱柱体强度与立方体强度的比值，C50及以下取0.76，C80取0.82，中间线性插值c2 脆性折减系数，C40以下取1.0，C80取0.87，中间线性插值 对C40以下的混凝土直接受拉试验ft100100150150500试验结果：ft=0.395fcu 0.55考虑到构件和试件的区别，尺寸效应，加荷速度等的影响，取f

4、t=0.348fcu 0.55（三）混凝土轴心抗拉强度 ft劈裂试验ftddftFFFF我国根据100mm立方体的劈裂与抗压试验结果有：ft=0.19fcu 3/4（三）混凝土轴心抗拉强度 ft对混凝土抗拉与立方体抗压强度的关系，规范取c2脆性折减系数，C40以下取1.0，C80取0.87，中间插值(四） 复合受力状态下混凝土的抗拉强度1、双轴应力下的强度双向正应力下的强度曲线法向应力和剪应力下的强度曲线(四） 复合受力状态下混凝土的抗拉强度双轴应力下的强度变化特点（1）双向受压时，一向的强度随另一向压应力的增加而增大，两向压力之比为0.5时，其强度增加约25，两向压力相等时其强度增加约16。

5、（2）双向受拉时，抗拉强度与单向抗拉强度几乎相同（3）当一向受拉而另一向受压时，混凝土的抗压和抗拉强度随另一向压应力的增加而减小。(四） 复合受力状态下混凝土的抗拉强度当单元受到剪应力外时在一个面上同时作用法向应力，形成拉剪或压剪的复合受力状态。当法向应力在（0.50.7）fc以下时，抗剪强度随压应力增加而增大。超过（0.50.7）fc时，抗剪强度随压应力增加而减小。(四） 复合受力状态下混凝土的抗拉强度2、三轴应力下的强度 混凝土三向受压时，一向的强度随着另两向压应力的增加而增大，混凝土的极限压应变也单独增加。 混凝土圆柱体三向受压时的抗压强度fcc与侧向压应力c的关系为侧压效应系数，试验给

6、出取值在4.57.0间，通常取4.01=fcc1=fcc2= 3= fLfL-侧向约束压应力（加液压）（五） 混凝土的疲劳强度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二、混凝土的变形 （一）. 混凝土的变形性能单轴受压时的应力-应变关系作用是：峰值应力后，吸收试验机的变形能，测出下降段单轴受压时的应力-应变关系的数学模型u=0.00380=0.002ocfcc0.15fcu=0.00350=0.002ocfcc美国Hognestad模型德国Rsch模型

7、（一）. 混凝土的变形性能单轴受压时的应力-应变关系的数学模型-中国规范u0ocfcc（一）. 混凝土的变形性能重复荷载下混凝土的变形性能pe包罗线与一次性加载时的应力-应变曲线相似（一）. 混凝土的变形性能混凝土的弹性模量原点切线模量（弹性模量）：拉压相同变形模量（割线模量、弹塑性模量）切线模量受压时，为0.41.0；受拉破坏时，为1.0（一）. 混凝土的变形性能混凝土的弹性模量的试验方法（150150 300标准试件）c/fcc0.5510次此线和原点切线基本平行，取其斜率作为Ec（一）. 混凝土的变形性能混凝土的泊松比和剪切模量混凝土的泊松比，在压力较小时为0.150.18，接近破坏时可

8、达0.5以上，一般可取0.2混凝土的剪切模量为（一）. 混凝土的变形性能规范近似取：长期荷载作用下混凝土的变形性能-徐变0.51.01.52.02.505101520253035(10-3)(月)c0.5fc，线性徐变c0.8fc，非线性徐变creeecrP原因之一，胶凝体的粘性流动原因之二，混凝土内部微裂缝的不断发展（二）. 混凝土在长期荷载作用下的变形性能徐变对混凝土结构的影响PAsPAs s1c1Pc2As s2P拆去，钢筋受压混凝土受拉，可能会引起混凝土开裂徐变： s， c（二）. 混凝土在长期荷载作用下的变形性能长期荷载作用下混凝土的变形性能-影响徐变的因素应力： c0.5fc，徐变

9、变形与应力成正比-线性徐变 0.5fcc0.8fc，造成混凝土破坏，不稳定加荷时混凝土的龄期，越早，徐变越大水泥用量越多，水灰比越大，徐变越大骨料越硬，徐变越小（二）. 混凝土在长期荷载作用下的变形性能混凝土的收缩-结硬过程中混凝土体积缩小的性质水泥品种：等级越高，收缩越大水泥用量：水泥用量越多，水灰比越大，收缩越大骨料：骨料越硬，收缩越小养护条件、制作方法、使用环境、体积与表面积的比值等（二）. 混凝土在长期荷载作用下的变形性能收缩对混凝土结构的影响AscAs s收缩： 钢筋受压， 混凝土受拉As（二）. 混凝土在长期荷载作用下的变形性能第二节、钢筋一、 钢筋的类型 钢筋有柔性钢筋和劲性钢筋

10、（型钢）两类，本课程主要介绍柔性钢筋（以下简称钢筋）热轧钢筋：热轧光圆钢筋HPB300（Hot rolled Plain Bars），热轧带肋钢筋HRB335、HRB400，HRB500 (Hot rolled Ribbed Bars), 细晶粒热轧钢筋HRBF335、HRBF400，HRBF500 (Hot rolled Ribbed Bars of Fine grains).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、HRB500钢筋通过加热、淬火、回火而成 按加工方法分 钢筋分为钢丝分为碳素钢丝：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

11、钢丝表面刻痕，以增强其与混凝土间的粘结力钢绞线：若干根相同直径的钢丝成螺旋状铰绕在一起冷拔低碳钢丝：由低碳钢冷拔而成 热轧带肋钢筋分为 螺纹钢筋 人字纹 月牙纹按化学成分碳素钢（铁、碳、硅、锰、硫、磷等元素）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%）普通低合金钢（另加硅、锰、钛、钒、铬等）锰系硅钒系硅钛系硅锰系硅铬系二、 钢筋的品种和级别 我国用于钢筋混凝土结构和预应力钢筋混凝土结构的钢筋和钢丝有1、普通钢筋 主要为热轧钢筋，按强度分为四个级别300MPa级，335MPa级，400MPa级，500MPa级有些工程也采用冷拉钢筋、冷拔钢筋、冷轧带翼钢

12、筋和热处理钢筋；2、预应力钢筋或钢丝 主要有中强度预应力钢丝、消除应力钢丝、钢绞线和预应力螺纹钢筋。钢筋常用直径二、 钢筋的品种和级别光圆钢筋：6, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22带肋钢筋：其直径指公称直径，即与光圆钢筋具有相同单位长度质量的当量直径，常用：6, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22, 25, 28, 32, 36, 40, 50三. 钢筋的强度和变形应力-应变曲线ABBCDE上屈服点不稳定下屈服点出现颈缩拉断BC段为屈服平台CD段为强化段标距有明显流幅的钢筋钢筋受压和受拉时的应力-应变曲线几乎相同三、钢筋的强度和变形0.2%0

13、.2标距无明显流幅的钢筋钢筋受压和受拉时的应力-应变曲线几乎相同ABBCDE0.2%0.2强度指标* 明显流幅的钢筋：下屈服点对应的强度作为设计强度的依据，因为，钢筋屈服后会产生大的塑性变形，钢筋混凝土构件会产生不可恢复的变形和不可闭合的裂缝，以至不能继续使用 。* 无明显流幅的钢筋：残余应变为0.2%时所对应的应力作为条件屈服强度，实际应用中也可取极限抗拉强度b的85%作为条件屈服点 。三、钢筋的强度和变形变形指标伸长率：钢筋拉断后的伸长与原长的比值最大力下的总伸长率gt，不低于规范要求 HPB300 10% HRB400 5.0% 其它普通钢筋7.5% 冷弯要求：将直径为d的钢筋绕直径为D

14、的钢辊弯成一定的角度而不发生断裂 三、钢筋的强度和变形弹性模量EsABBCDE0.2%0.2四、 钢筋的冷加工和热处理（一）冷拉 钢筋的冷拉是将钢筋拉伸到强化阶段后，卸载到零，经一定的冷拉时效后提高钢筋抗拉强度的冷加工方法BKZZK残余变形冷拉伸长率无时效经时效K点的选择：应力控制和应变控制温度的影响：温度达700C时恢复到冷拉前的状态，先焊后拉特性：只提高抗拉强度，不提高抗压强度，强度提高，塑性下降。目前不提倡使用（二）冷拔 冷拔是将圆6和圆8的光圆钢筋，用强力从直径较小的硬质合金钢拔丝膜拔过成较细的钢丝，以提高其抗拉强度的冷加工方法经过冷拔后钢筋没有明显的屈服点和流幅冷拔既能提高抗拉强度又

15、能提高抗压强度 冷拔后抗拉强度得到很大提高，但塑性损失较大。仅用于特殊场合，不宜用于抗压。（三）热处理对特定钢号的钢筋进行淬火和回火处理强度提高，塑性降低不降低强度的前提下，消除由淬火产生的内力，改善塑性和韧性 五、 钢筋的徐变和松弛徐变应力不变，随时间的增长应变继续增加松弛长度不变，随时间的增长应力降低对结构，尤其是预应力结构，产生不利的影响，需采取必要的措施 高强度钢筋和冷加工钢筋在应力水平较高时发生塑性变形，在高应力的长期作用下会发生徐变和松弛 六、钢筋的疲劳重复荷载作用下，钢筋的强度静载作用下的强度规定的应力幅度内，经一定次数的重复荷载后，发生疲劳破坏的最大应力值称为疲劳强度。对钢筋用

16、疲劳应力幅来表示其疲劳强度。试验方法单根钢筋的轴拉疲劳钢筋埋入混凝土中重复受拉或受弯第三节 钢筋和混凝土的粘结裂缝出现前的粘结作用PPM2=M1+MM1T2=T1+TT1xM2=M1+MM1理想分布实际分布st梁中粘结应力的分布与V的分布规律相同；实际上由于微裂缝的存在分布规律还要变化钢筋的周长 粘结作用PP裂缝出现后的粘结作用T两种粘结作用锚固粘结保证钢筋和混凝土共同工作缝间粘结改善钢筋混凝土的耗能性能一、 粘结机理光圆钢筋钢筋与混凝土接触面上的化学吸附力：钢筋与混凝土之间一旦产生滑移，该力消失。钢筋与混凝土之间的摩擦力；水泥水化时混凝土体积收缩在与钢筋交接面上产生压力，当两者有滑移趋势时产

17、生摩擦力机械咬合力，由于钢筋表面不平、钢筋微锈时可显著提高咬合力。光圆钢筋的粘结力主要来源于化学吸附力。一、 粘结机理变形钢筋钢筋与混凝土接触面上的化学吸附力：钢筋与混凝土之间的摩擦力；水泥水化时混凝土体积收缩在与钢筋交接面上产生压力，当两者有滑移趋势时产生摩擦力机械咬合力，由于变形钢筋的肋嵌入混凝土中而形成机械咬合力。变形钢筋的粘结力主要来源于机械咬合力。二、 粘结试验拔出试验搭接长度延伸长度半梁试验搭接长度试验延伸长度试验三、粘结破坏形态光圆钢筋钢筋拔出三、粘结破坏形态变形钢筋纵向分量径向分量混凝土撕裂混凝土局部挤碎刮出式破坏四、钢筋与混凝土间粘结强度lcTu一般用拔出试验测出钢筋与混凝土

18、间的平均粘结强度。钢筋周长埋置长度拔出拉力五、钢筋与混凝土间粘结强度的影响因素1、混凝土强度； 粘结强度随混凝土强度的提高而增加2、钢筋的外形特征 变形钢筋的粘结力比光圆钢筋高3、保护层厚度和钢筋的净距 混凝土保护层过薄混凝土可能发生径向劈裂；钢筋间距过小时可能出现水平劈裂裂缝；4、钢筋所处位置，深度超过300mm的试件，顶部钢筋下可能泌水从而影响粘结。5、横向钢筋及侧向压力的存在可提高粘结强度。第四节 钢筋的锚固原则钢筋屈服时正好发生锚固破坏对象以直径为2c的混凝土试件内配直径为d的变形钢筋为例假定纵裂发生在刮出式破坏以前 锚固长度的试验分析一、受拉钢筋的锚固当计算中充分利用钢筋的抗拉强度时，受拉钢筋的锚固长度满足（一）受拉钢筋的基本锚固长度 普通钢筋 预应力钢筋 普通钢筋、预应力钢筋抗拉强度设计值 混凝土轴心抗拉强度设计值，当混凝土强度大于C60时按C60取值 锚固钢筋的公称直径 锚固钢筋的外形系数，按表2-1采用 （二）锚固长度的修正 当采用不同的埋置方式和构造措施时，锚固长度按下式计算受拉钢筋的锚固长度 锚固长度的修正系数受拉带肋钢筋锚固长度的修正系数，按下列规定取值当钢筋的公称直径大于25mm时，取1.1；对环氧树脂涂抹钢筋取1