混凝土结构材料的性能（PPT114）

第1章混混凝土结构材材料的性能PhysicalandMechanicalPropertiesofMaterialsforReinforcedConcreteStructure本章重点熟悉土木工程程用钢筋的品品种、级别、、性能及其选选用原则；熟悉混凝土在在各种受力状状态下的强度度与变形性能能及其选用原原则；了解钢筋与混混凝土的共同同工作原理。。§1.1钢筋§1.2混凝土§1.3钢筋混凝土的的相互作用——粘结力§1.1钢筋<SteelReinforcement>1.1.1钢筋的品种与与性能1.1.2混凝土结构对对钢筋性能的的要求1.1.3钢筋的选用原原则1.1.1钢筋的品种与与性能按化学成份不同分为强度提高塑性提高碳素钢低碳钢（含C量<0.25%)中碳钢（含C量0.25~0.6%)高碳钢（含C量>0.6%)普通合金钢（在碳素钢中中加入少量合合金元素素如如Mn、Si、Vi、Ti、Cr等以改善性能能）按生产加工工艺艺不同分为：热轧钢筋中高强钢丝和和钢绞线预应力螺纹钢钢筋冷加工钢筋1、热轧钢筋（HotRolledSteelReinforcingBar）定义：将普通通低碳钢、普普通低合金钢钢在高温状态态下轧制而成成。热轧钢筋按外形特征不同分为光圆钢筋变形钢筋光圆钢筋螺纹钢筋月牙纹钢筋人字纹钢筋种类：新规为节材，，减耗，减少少污染，将建建筑用钢强度度提高。淘汰HPB235级代以HPB300级钢筋；增加了HRB500级；限制HRB335级，以HRB400级、HRB500级为受力的主导导钢筋。HPB—热轧光面钢筋筋（HotRolledPlainSteelBar），桥梁规范用用R表示；HRB—热轧带肋钢筋筋（HotRolledRibbedSteelBar）；RRB—余热处理钢筋筋（RemainedheattreatmentRibbedSteelBar），桥梁规范用KL表示。HRBF—细晶粒热轧带带肋钢筋屈服强度fyk（标准值=钢材废品限值值，保证率97.73%）HPB300级：fyk=300N/mm2HRB400级：fyk=400N/mm2，RRB400级：fyk=400N/mm2HRB500级：fyk=500N/mm2热轧钢筋种类类和强度标准准值（新规））牌号符号公称直径d(mm)屈服强度标准值fyk(N/mm2)极限强度标准值fstk(N/mm2)HPB3006~22300420HRB335HRBF3356~50335455HRB400HRBF400RRB4006~50400540HRB500HRBF5006~50500630常用直径：6，8，10，12，14，16，18，20，22，25，28，32，36，40，50力学性能1）应力应变曲曲线特征2）塑性性能3）钢筋强度及及弹性模量1）应力应变曲曲线特征：热轧低碳钢筋筋和普通热轧轧低合金钢为为软钢。有明显屈服点点。sea’abcdefufyf热轧钢筋的应力-应变曲线一般可简化为双双线性的理想想弹塑性关系系（有时采用用双折线或三三折线型）3002）塑性性能（plasticdeformation)：伸长率冷弯性能钢筋均匀伸长率：延伸率大的钢钢筋，在拉断断前有足够预预兆，延性较较好。均匀伸长率钢筋弹性模量实测钢筋拉断强度残余伸长已回复弹性应变变+=钢筋品种普通钢筋预应力钢筋HPB300HRB335、HRBF335、HRB400、HRBF400、HRB500、HRBF500RRB400δgt(%)10.07.55.03.5钢筋在最大力力下的总伸长长率限值:::只反映断口附近残留留变形大小，不反映映钢筋总伸长长率情况。同同一根钢筋以往采用下述述伸长率冷弯性能：是检验钢筋局局部变形能力力的指标。将将直径为d的钢筋绕直径径为D的钢辊，弯成一定的的角度而不发发生断裂，就就表示合格。。现增加反弯测测试。冷弯角度=90°,180°,反复弯曲要求：冷弯过过程中无裂缝缝、鳞落或断裂。弯心直径D愈小，要求愈愈高。反复次数愈高高，要求愈高高。3）钢筋强度及及弹性模量屈服强度yieldstrength：是钢筋强度的的设计依据，因为钢筋屈屈服后将产生生很大的塑性性变形，且卸卸载时这部分分变形不可恢恢复，这会使使钢筋混凝土土构件产生很很大的变形和和不可闭合的的裂缝。屈强比不宜过大。比例极限屈服强度极限强度o

fyfted流幅abc弹性模量：是材料单向向受力且应力力应变呈线性性关系时，正正应力与正应应变的比值。。牌号或种类弹性模量Es（105N/mm2）HPB3002.10HRB335、HRB400、HRB500、HRBF335、HRBF400、HRBF500、RRB400、预应力螺纹钢筋2.00消除应力钢丝、中强度预应力钢丝2.05钢绞线1.95钢筋的弹性模模量2、中、高强钢丝丝和钢绞线钢丝是由热轧轧钢筋经冷拔拔而成。钢丝的直径4~10mm；钢绞线可由2股、3股、7股钢丝铰成，，直径不超过过21.6mm，均可盘成卷卷状。强度高达800MPa至1960MPa。无明显屈服点点，伸长率低。““条件屈屈服点点”均用于于预应应力混混凝土土结构构。中强度度预应应力钢钢丝钢绞线线大直径径、高高强度度钢筋筋，直直径18-50mm，用于于预应应力混混凝土土结构构构件件。3、预应应力螺螺纹钢钢筋预应力力螺纹纹钢筋筋中强度度钢丝丝、预预应力力螺纹纹钢筋筋种类类和强强度标标准值值种类符号公称直径d(mm)屈服强度标准值fpyk极限强度标准值fptk中强度预应力钢丝光面螺旋肋5、7、96208007809709801270预应力螺纹钢筋螺纹18、25、32、40、50785980930108010801230种类符号公称直径d(mm)极限强度标准值fptk消除应力钢丝光面螺旋肋51570,18607157091470,1570钢绞线1×3（三股）8.6、10.8、12.91570,1860,19609.5、12.7、15.2、17.81720,1860,19601×7（七股）21.61860消除应应力钢钢丝、、钢绞绞线种种类和和强度度标准准值4、冷加加工钢钢筋冷加工工种类类冷拉、、冷拔拔、冷冷轧、、冷轧轧扭。。冷加工工目的的改变钢钢材内内部结结构，，提高强强度，节约约钢材材。但延伸率率显著著降低低，塑性减减小。（1）冷拉：冷拉时时应力力值必必须超超过钢钢筋的的屈服服强度度。o冷拉控控制应应力(N/mm2)冷拉率率残余变形o'abcc'd'd冷拉无无时效效冷拉经经时效效冷拉后后可提提高钢钢材的的抗拉拉强度度，但但其屈屈服台台阶变变短。。冷拉只只能提提高其其抗拉拉强度度不能能提高高其抗抗压强强度。。“时效效硬化化。””（2）冷拔拔将钢筋筋用强强力拔拔过比比其直直径小小的硬硬质合合金拔拔丝模模，内内部结结构发发生变变化，，强度度大大大提高高，但但塑性性也显显著降降低。。冷拔可可同时时提高高其抗抗拉强强度和和抗压压强度度。d1

d2

Pd2

d1

（3）冷轧以低碳碳钢筋筋或低低合金金钢筋筋为原原材料料，在在常温下下轧制成成的表表面带带纵肋肋或月月牙纹纹横肋肋的钢钢筋。。强度与与冷拔拔低碳碳丝接接近，，塑性性要好好一些些。冷轧带带肋钢钢筋将将逐步步取代代冷拔拔低碳碳钢丝丝。1.1.2混凝土土结构构对钢钢筋性性能的的要求求强度塑性可焊性性粘结力力耐低温温性能能1.1.3钢筋的的选用用原则则普通钢钢筋纵向受受力普普通钢钢筋宜用HRB400、HRB500、HRBF400、HRBF500，也可用HPB300、HRB335、HRBF335、RRB400钢筋；；梁、柱柱纵向向受力力普通通钢筋筋应采用用HRB400、HRB500、HRBF400、HRBF500钢筋；；箍筋宜用HRB400、HRBF400、HPB300、HRB500、HRBF500钢筋，，可用HRB335、HRBF335钢筋；；预应力力筋宜用预应力力钢丝丝、钢钢绞线线和预预应力力螺纹纹钢筋筋。§1.2混凝土土混凝土土是用水泥泥、水水和骨骨料（（砂、、石））等原原材料料经搅搅拌后后入模模浇筑筑，并并经养养护硬硬化后后做成成的人工石石材。骨料与与胶块块的接接触面面以及及胶块块内部部会形形成微裂缝缝，是薄薄弱环环节。。§1.2.1混凝土土的强强度§1.2.2混凝土土的变变形§1.2.3混凝土土的选选用原原则§1.2.1混凝土土的强强度混凝土土的强强度影影响因因素与水泥泥强度度、水水灰比比、骨骨料品品种、、混凝凝土配配合比比、硬硬化条条件和和龄期期等有有很大大关系系。试件的的尺寸寸及形形状、、试验验方法法和加加载时时间的的不同同，所所测得得的强强度也也不同同。1、混凝凝土的的抗压压强度度2、混凝凝土的的抗拉拉强度度3、混凝凝土在在复合合应力力作用用下的的强度度1、混凝凝土的的抗压压强度度（1）立方方体抗抗压强强度fcu,k（N/mm2或MPa）：是混凝凝土各各种力力学指指标的的基本本代表表值。。该强强度试试验要要求：：标准尺尺寸：：150mm×150mm×150mm养护条条件：：20℃℃±±3℃℃，湿度度≥90%；28d加荷方方法：：加荷速速度，，C30以下0.3～0.5MPa/s；C30~C60，0.5～0.8MPa/s；C60及以上上，0.8～1.0MPa/s。且垫垫板不不涂油油或垫垫橡胶胶板。。强度保保证率率：95%，f=-1.645影响因因素试件尺尺寸(尺寸效效应)200mm×200mm×200mm:1.05；100mm×100mm×100mm:0.95。6〞××12〞圆柱体体：1.20（1〞=2.54cm）6〞××12〞棱柱体体：1.32试验方方法：：试块与与承压压板之之间涂涂有油油脂或或填以以塑料料薄片片时强强度偏偏低。。加载速速度：：加载越越快，，强度度越高高龄期、、湿度度混凝土土受压压破坏坏是由由于混混凝土土内裂裂缝的的扩展展所致致。如如果对对混凝凝土的的横向向变形形加以以约束束，限限制裂裂缝的的开展展，可可以提提高混混凝土土的纵纵向抗抗压强强度。。混凝土土强度度等级级（按立方方体抗抗压强强度划划分））混凝土土强度度从C20~C80共分为为14个等级级，中中间以以5MPa进级。。C50以下为为普通通强度度混凝凝土，，C50及以上上为高高强度度混凝凝土立方体体和圆圆柱体体抗压压试验验都不不能代代表混混凝土土在实实际构构件中中的受受力状状态，，只是是用来来在同同一标标准条条件下下比较较混凝凝土强强度水水平和和品质质的标标准（（制作作、测测试方方便））。（2）轴心心抗压压强度度fc,k（N/mm2或MPa）：更真实实反映映以受受压为为主的的混凝凝土结结构构构件的的抗压压强度度。棱柱体体试件件高宽宽比一一般为为h/b=2~4，我国通通常取150mm×150mm×300mm的棱柱体体试件，，也常用用150mm×150mm×450mm试件。对于同一一混凝土土，棱柱体抗抗压强度度小于立立方体抗抗压强度度。棱柱体体抗压强强度和立立方体抗抗压强度度的换算算关系为为：混凝土强度与试块混凝土强度的修正系数脆性影响系数

棱柱体强度与立方体强度之比值混凝土强度等级≤C40C45C50C55C60C65C70C75C80

c10.760.760.760.770.780.790.800.810.82

c21.000.9840.9680.9510.9350.9190.9030.8870.87c1和c2值国外（美美国、日日本、欧欧洲混凝凝土协会会等）采采用直径径6英寸(152mm)、高12英寸(305mm)的圆柱体体试件，，有fc’=0.79fcu圆柱体抗抗压强度度混凝土破破坏机理理受压破坏坏是由于于薄弱截截面处内内裂缝的的延伸开开展，而而微裂缝缝的发展展导致横横向变形形的增大大。对横横向变形形加以约约束，可可以限制制微裂缝缝的发展展，从而而可提高高混凝土土的抗压压强度。。立方体试试件受约约束范围围大，而而棱柱体体试件中中部未受受约束，，因此fc小于fcu；局部受压压面积以以外的混混凝土对对局部受受压区域域内部部混凝土土微裂缝缝产生了了较强强的约束束。不涂润滑剂涂润滑剂剂>≈2、混凝土土的抗拉拉强度混凝土的的抗拉强强度ft,k（N/mm2或MPa）也是其基基本力学学性能。。只有抗抗压强度度的5％～10％，fcu越大ft/fcu值越小。是构件抗抗裂度的的重要指指标。混混凝土构构件开裂裂、裂缝缝、变形形，以及及受剪、、受扭、、受冲切切等的承承载力均均与抗拉拉强度有有关。试验方法法：直接拉拉伸、劈劈裂试验验（间接接拉伸））ft,s＝2F/πld式中F——破坏荷载载；d——圆柱直径径或立方方体边长长；l——圆柱体长长度或立立方体边边长。轴心抗拉拉强度与与立方体体抗压强强度的折折算系数数试验离散散性的影影响系数数试验离散散性系数数混凝土轴轴心抗拉拉强度与与立方体体抗压强强度的关关系3、复合应应力状态态下的混混凝土强强度双轴应力力状态BiaxialStressState三轴应力力状态TriaxialStressState由于混凝凝土的特特点，目目前，在在复合应应力状态态下的强强度仍只只是借助助有限的的试验资资料，推推荐一些些近似方方法作为为计算的的依据。。（1）双向正正应力作作用1,2(压－压)强度增加加1,2(拉－压)强度降低低1,2(拉－拉)强度基本本不变3)双向受拉拉：任意应应力比情情况下双双向抗拉拉强度均均接近于于单向抗抗拉强度度。2)一轴受压压一轴受受拉：抗压强强度或抗抗拉强度度均随另另一方向向拉应力力或压应应力的增增加而减减小。任任意应力力比情况况下均低低于相应应单轴强强度。1)双向受压压：一向的的受压强强度随另另一向的的压应力力增加而而增加。。最大受受压强度度发生在在两个压压应力之之比为0.3~0.6之间，约约为(1.25~1.60)fc。峰值应变变均超过过单轴受受压时的的峰值应应变。（2）剪应力t和正应力力s共同作用用下拉-剪：抗拉、抗抗剪强度度都降低低；压-剪：当时时，抗剪剪强度随随压应力力提高而而增大；；当时时，内部部裂缝增增加，抗抗剪强度度随压应应力增大大而降低低。抗压压强度均均低于单单轴抗压压强度。。（3）三轴应力力状态实际工程程遇到较较多的螺螺旋箍筋筋柱和钢钢管混凝凝土柱中中的混凝凝土为三三向受压压状态。。三向受压压试验一一般采用用圆柱体体在等侧侧压条件件进行。。施加横横向压力力可显著著提高混混凝土的的强度。。三向受压压时，强强度增加加，最大大增加5倍。1.2.2混凝土的的变形混凝土的的变形可可分为两两类：1、受力变形形：如单调短短期加载载的变形形、荷载载长期作作用下的的变形以以及多次次重复加加载的变变形。2、非受力变变形：称为体积积变形，，如混凝凝土收缩缩以及温温度变化化引起的的变形。。1、混凝土土的受力力变形（1）一次短短期加荷荷载下的的变形（2）重复荷荷载作用用下的变变形（3）荷载长长期作用用下的变变形（1）一次短短期加荷荷载下的的变形02468102030s(MPa)e×10-3BACEDOA段：弹性性阶段。对普通通强度混混凝土sA约为(0.3~0.4)fc，对高强混混凝土sA可达(0.5~0.7)fc。AB段：稳定定开裂阶阶段。A点以后，，由于微微裂缝处处的应力力集中，，裂缝开开始有所所延伸发发展，产产生部分分塑性变变形，应应变增长长开始加加快。但但该阶段段微裂缝缝的发展展是稳定定的。BC段：不稳稳定裂缝缝阶段。。达到B点，微裂裂缝相互互连通，，在此应应力的长长期作用用下，裂裂缝会持持续发展展最终导导致破坏坏。取B点的应力力作为混混凝土的的长期抗压压强度。。普通强度度混凝土土sB约为0.8fc，高强强度度混凝土土sB可达0.95fc以上。达到C点fc，内部微裂裂缝连通通形成破破坏面，，应变增增长速度度明显加加快，C点的纵向向应变值值称为峰值应变变e0，约为0.002。CE段:下降段。。纵向应变变发展达达到D点，内部裂裂缝在试试件表面出现现第一条条可见平平行于受受力方向向的纵向向裂缝。承载力力明显下下降，混混凝土骨骨料与砂砂浆的粘粘结不断断遭到破破坏，裂裂缝连通通形成斜斜向破坏坏面。至至E点的应变ecu=(2~3)e0，应力s=(0.4~0.6)fc。此时出现现反弯点点，宏观观上已破破坏。0→A:近似弹性

A→B:非线性

B→C:体积增大

C→F:破坏

高强混凝凝土：↗，↘破坏时脆脆性越显显著，下下降段越越陡。◆Hognestad建议的应应力-应变曲线线◆《规范》应力-应变关系系上升段：下降段：混凝土受受压时纵纵向应变变和横向向应变横向变形形系数：：νc=εch/εcu，当s<0.5fc时νc接近常数，s>0.5fc时νc突然急剧增大大，说明内部部微裂缝的迅迅速发展。弹性阶段的νc也称为泊松比，近似取0.2。纤维混凝土应应力-应变曲线（2）重复荷载作作用下的变形形若将试件加载载至某一数值值，然后卸载载至零，反复复多次，即重复荷载作用用。每次循环就有有一部分塑性性变形不能恢恢复，并逐逐渐积累，但但每次产生的的塑性变形将将随次数增加加而减少。存在一个界限限值fcf，当循环应力小小于它时，多多次循环后，，曲线变成直直线，此后按按弹性工作；；若大于它，，曲线将由凸凸向应力转向向应变轴而趋趋近于疲劳破破坏。该值即即疲劳强度fatiguestrength。大约为0.5fc左右。割线模量。棱柱体试件。受压：受拉：Ec′=0.5Ec剪切模量：Gc=0.4Ec

泊松比=横向应变/纵向应变=0.2弹性模量测定定方法（3）荷载长期作作用下的变形形creep定义：混凝土在荷载载的长期作用下，其变形随随时间而不断断增长的现象象称为徐变，即应力不变，，应变随时间间增长的现象象。徐变原因：水泥胶凝体粘粘性流动的结结果内部微裂缝在在长期荷载作作用下持续扩扩展和延伸。。特点：早期发展快，，但可以延续续数年。前4个月徐变增长长较快，6个月可达最终终徐变的（70~80）%，以后增长逐逐渐缓慢，2~3年后趋于稳定定。徐变对结构的的影响：使构件变形增增大；在轴压构件中中，使钢筋应应力增加，混混凝土应力减减小；在预应力构件件中，使预应应力发生损失失；在超静定结构构中，使内力力发生重分布布。徐变的影响因因素内在因素：骨料的刚度（（弹性模量））越大，体表表比越大，徐徐变就越小；；水灰比越小小，水泥用量量越少,徐变也越小。。环境影响：养护的温度越越高，水泥水水化作用越充充分，徐变就就越小；蒸汽汽养护可使徐徐变减少；受受荷后温度越越高，相对湿湿度越小，徐徐变就越大。。应力条件：初始应力水平平si/fc≤0.5时，徐变系数数j=ecr/eel=Ececr/si=常数，称为线性徐变；si=（0.5~0.8）fc时，徐变系数数j随si的增大而增大大，称为非线性徐变；si>0.8fc时，内部微裂裂缝的发展已已处于不稳定定的状态，最最终导致混凝凝土的破坏。。将0.8fc作为混凝土的的长期抗压强度度。2、混凝土的非非受力变形（1）混凝土的收收缩与膨胀（2）混凝土的温温度变形（1）混凝土的收收缩变形shrinkage定义：混凝土在空气气中硬化时体体积会缩小，，称混凝土的的收缩。是非非受力变形。。收缩率：3×10-4。收缩的原因物理作用：干干燥失水化学作用：碳碳化作用特点：早期快，可延延续1～2年。影响因素水泥用量多多、水灰比比越大，收收缩越大骨料弹性模模量高、级级配好，收收缩就小干燥失水及及高温环境境，收缩大大体表比大，，收缩小高强混凝土土收缩大收缩对结构构的影响变形受到约约束时，混混凝土中产产生拉应力力，甚至引引起混凝土土的开裂。钢筋限制混混凝土的收收缩，使混混凝土受拉拉，钢筋受受压，若配配筋率高会会导致开裂。使预应力混混凝土构件件产生预应力力损失。对跨度影响响敏感的结结构（如拱拱结构），，会产生不不利内力减少收缩的的措施限制水泥用用量；减小小水灰比；；加强振捣捣和养护；；构造钢筋数数量加强；；设置变形缝缝；掺膨胀剂。。（2）混凝土的的温度变形形混凝土的体体积同样有有热胀冷缩缩的性质，，当温度变变形受到外外界的约束束而不能自自由发生时时，将在构构件内产生生温度应力。当应力造成成变形差较较大时，将将会造成表表层混凝土土开裂。如：大体积积混凝土表表面开裂§1.2.3混凝土的选选用原则钢筋混凝土土结构中混凝土强度度等级不应应低于C20。采用强度等等级400MPa及以上钢筋筋时，不应应低于C25；承受重复荷荷载的钢筋筋混凝土构构件，混凝凝土强度等等级不应低低于C30。预应力混凝凝土结构中中混凝土强度度等级不宜宜低于C40，且不应低低于C30。§1.3钢筋混凝土土的相互作作用——粘结力1、粘结力的的定义钢筋和混凝凝土有相互互滑移时，，在交界面面上产生沿沿钢筋轴线线方向的相相互作用力力。2、粘结力的的作用保证钢筋与与混凝土共同受力变变形的基本本前提。（无粘结的的钢筋混凝凝土梁的受受力性能与与素混凝土土梁没有区区别。）ssscsc+dscss-dssssss-dsst粘结应力使使钢筋应力力发生变化化，也就是是说没有粘粘结应力就就不会有钢钢筋应力的的增量；反反之亦然。。因此在粘粘结应力传传递长度之之外的截面面上，粘结结应力为0，而钢筋应应力与混凝凝土应力均均保持不变变。3、粘结应力力的影响因素混凝土的抗抗拉强度越大，粘结结强度越高高；保护层厚度度C与钢筋间距距越大，粘结结强度越高高；横向钢筋可限制纵向向裂缝的发发展，从而而提高粘结结强度。钢筋的外观观特征钢筋端部弯弯钩等锚固措施。。4、粘结力的的组成混凝土因收收缩将钢筋筋握紧而产产生的钢筋筋与混凝土土间的摩擦力。混凝土中水水泥胶体与与钢筋表面面的胶合力。机械咬合力力（占一半以以上）钢筋端部的的锚固力光面钢筋的的粘结性能能来源于胶结结和摩擦。由中心拉