混凝土结构材料的性能

第1章混混凝凝土结构构材料的的性能PhysicalandMechanicalPropertiesofMaterialsforReinforcedConcreteStructure本章重点点熟悉土木木工程用用钢筋的的品种、、级别、、性能及及其选用用原则；；熟悉混凝凝土在各各种受力力状态下下的强度度与变形形性能及及其选用用原则；；了解钢筋筋与混凝凝土的共共同工作作原理。。§1.1钢筋§1.2混凝土§1.3钢筋混凝凝土的相相互作用用——粘结力§1.1钢筋<SteelReinforcement>1.1.1钢筋的品品种与性性能1.1.2混凝土结结构对钢钢筋性能能的要求求1.1.3钢筋的选选用原则则1.1.1钢筋的品品种与性性能按化学成份份不同分为为强度提高高塑性提高高碳素钢低碳钢（（含C量<0.25%)中碳钢（（含C量0.25~0.6%)高碳钢（（含C量>0.6%)普通合金金钢（在碳素素钢中加加入少量量合金元元素素如Mn、Si、Vi、Ti、Cr等以改善善性能））按生产加工工工艺不同分为为：热轧钢筋筋中高强钢钢丝和钢钢绞线预应力螺螺纹钢筋筋冷加工钢钢筋1、热轧钢钢筋（HotRolledSteelReinforcingBar）定义：将将普通低低碳钢、、普通低低合金钢钢在高温温状态下下轧制而而成。热轧钢筋筋按外形特征征不同分为为光圆钢筋筋变形钢筋筋光圆钢筋螺纹钢筋月牙纹钢筋人字纹钢筋种类：新规为节节材，减减耗，减减少污染染，将建建筑用钢钢强度提提高。。淘汰HPB235级代以HPB300级钢筋；增加了HRB500级；限制HRB335级，以HRB400级、HRB500级为受力的的主导钢钢筋。HPB—热轧光面面钢筋（HotRolledPlainSteelBar），桥梁规规范用R表示；HRB—热轧带肋肋钢筋（HotRolledRibbedSteelBar）；RRB—余热处理理钢筋（RemainedheattreatmentRibbedSteelBar），桥梁规范范用KL表示。HRBF—细晶粒热热轧带肋肋钢筋屈服强度度fyk（标准值值=钢材废品品限值，，保证率率97.73%）HPB300级：fyk=300N/mm2HRB400级：fyk=400N/mm2，RRB400级：fyk=400N/mm2HRB500级：fyk=500N/mm2热轧钢筋筋种类和和强度标标准值（（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常用直径径：6，8，10，12，14，16，18，20，22，25，28，32，36，40，50力学性能能1）应力应应变曲线线特征2）塑性性性能3）钢筋强强度及弹弹性模量量1）应力应应变曲线线特征：热轧低碳碳钢筋和和普通热热轧低合合金钢为为软钢。有明显屈屈服点。。sea’abcdefufyf热轧钢筋的应力-应变曲线一般可简化化为双线线性的理理想弹塑塑性关系系（有时时采用双双折线或或三折线线型）3002）塑性性性能（plasticdeformation)：伸长率冷弯性能能钢筋均匀伸长长率：延伸率大大的钢筋筋，在拉拉断前有有足够预预兆，延延性较好好。均匀伸长长率钢筋弹性模量实测钢筋筋拉断强度度残余伸长已回复弹性性应变+=钢筋品种普通钢筋预应力钢筋HPB300HRB335、HRBF335、HRB400、HRBF400、HRB500、HRBF500RRB400δgt(%)10.07.55.03.5钢筋在最最大力下下的总伸伸长率限限值:::只反映断口附近近残留变变形大小，不不反映钢钢筋总伸伸长率情情况。同同一根钢钢筋以往采用用下述伸伸长率冷弯性能能：是检验钢钢筋局部部变形能能力的指指标。将将直径为d的钢筋绕绕直径为为D的钢辊，弯成一一定的角角度而不不发生断断裂，就就表示合合格。现增加反反弯测试试。冷弯角度度=90°,180°,反复弯曲要求：冷冷弯过程程中无裂裂缝、鳞鳞落或断裂裂。弯心直径径D愈小，要要求愈高高。反复次数数愈高，，要求愈愈高。3）钢筋强强度及弹弹性模量量屈服强度度yieldstrength：是钢筋强强度的设设计依据据，因为钢钢筋屈服服后将产产生很大大的塑性性变形，，且卸载载时这部部分变形形不可恢恢复，这这会使钢钢筋混凝凝土构件件产生很很大的变变形和不不可闭合合的裂缝缝。屈强比比不宜过过大。。比例极极限屈服强强度极限强强度o

fyfted流幅abc弹性模模量：是材材料单单向受受力且且应力力应变变呈线线性关关系时时，正正应力力与正正应变变的比比值。。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钢筋的的弹性性模量量2、中、高高强钢钢丝和和钢绞绞线钢丝是是由热热轧钢钢筋经经冷拔拔而成成。钢丝的的直径径4~10mm；钢绞线线可由由2股、3股、7股钢丝丝铰成成，直直径不不超过过21.6mm，均可可盘成成卷状状。强度高高达800MPa至1960MPa。无明显显屈服服点，，伸长率率低。。“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）冷轧以低碳钢筋筋或低合金金钢筋为原原材料，在在常温下轧制成的表表面带纵肋肋或月牙纹纹横肋的钢钢筋。强度与冷拔拔低碳丝接接近，塑性性要好一些些。冷轧带肋钢钢筋将逐步步取代冷拔拔低碳钢丝丝。1.1.2混凝土结构构对钢筋性性能的要求求强度塑性可焊性粘结力耐低温性能能1.1.3钢筋的选用用原则普通钢筋纵向受力普普通钢筋宜用HRB400、HRB500、HRBF400、HRBF500，也可用HPB300、HRB335、HRBF335、RRB400钢筋；梁、柱纵向向受力普通通钢筋应采用HRB400、HRB500、HRBF400、HRBF500钢筋；箍筋宜用HRB400、HRBF400、HPB300、HRB500、HRBF500钢筋，可用HRB335、HRBF335钢筋；预应力筋宜用预应力钢丝丝、钢绞线线和预应力力螺纹钢筋筋。§1.2混凝土混凝土是用水泥、水水和骨料（（砂、石））等原材料料经搅拌后后入模浇筑筑，并经养养护硬化后后做成的人工石材。骨料与胶块块的接触面面以及胶块块内部会形形成微裂缝，是薄弱环环节。§1.2.1混凝土的强强度§1.2.2混凝土的变变形§1.2.3混凝土的选选用原则§1.2.1混凝土的强强度混凝土的强强度影响因因素与水泥强度度、水灰比比、骨料品品种、混凝凝土配合比比、硬化条条件和龄期期等有很大大关系。试件的尺寸寸及形状、、试验方法法和加载时时间的不同同，所测得得的强度也也不同。1、混凝土的的抗压强度度2、混凝土的的抗拉强度度3、混凝土在在复合应力力作用下的的强度1、混凝土的的抗压强度度（1）立方体抗抗压强度fcu,k（N/mm2或MPa）：是混凝土各各种力学指指标的基本本代表值。。该强度试试验要求：：标准尺寸：：150mm×150mm×150mm养护条件：：20℃±±3℃，湿度≥90%；28d加荷方法：：加荷速度，，C30以下0.3～0.5MPa/s；C30~C60，0.5～0.8MPa/s；C60及以上，0.8～1.0MPa/s。且垫板不不涂油或垫垫橡胶板。。强度保证率率：95%，f=-1.645影响因素试件尺寸(尺寸效应)200mm×200mm×200mm:1.05；100mm×100mm×100mm:0.95。6〞×12〞圆柱体：1.20（1〞=2.54cm）6〞×12〞棱柱体：1.32试验方法：：试块与承压压板之间涂涂有油脂或或填以塑料料薄片时强强度偏低。。加载速度：：加载越快，，强度越高高龄期、湿度度混凝土受压压破坏是由由于混凝土土内裂缝的的扩展所致致。如果对对混凝土的的横向变形形加以约束束，限制裂裂缝的开展展，可以提提高混凝土土的纵向抗抗压强度。。混凝土强度度等级（按立方体抗抗压强度划划分）混凝土强度度从C20~C80共分为14个等级，中中间以5MPa进级。C50以下为普通通强度混凝凝土，C50及以上为高高强度混凝凝土立方体和圆圆柱体抗压压试验都不不能代表混混凝土在实实际构件中中的受力状状态，只是是用来在同同一标准条条件下比较较混凝土强强度水平和和品质的标标准（制作作、测试方方便）。（2）轴心抗压压强度fc,k（N/mm2或MPa）：更真实反映映以受压为为主的混凝凝土结构构构件的抗压压强度。棱柱体试件件高宽比一一般为h/b=2~4，我国通常常取150mm×150mm×300mm的棱柱体试试件，也常常用150mm×150mm×450mm试件。对于同一混混凝土，棱柱体抗压压强度小于于立方体抗抗压强度。棱柱体抗抗压强度和和立方体抗抗压强度的的换算关系系为：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（美国国、日本、、欧洲混凝凝土协会等等）采用直直径6英寸(152mm)、高12英寸(305mm)的圆柱体试试件，有fc’=0.79fcu圆柱体抗压压强度混凝土破坏坏机理受压破坏是是由于薄弱弱截面处内内裂缝的延延伸开展，，而微裂缝缝的发展导导致横向变变形的增大大。对横向向变形加以以约束，可可以限制微微裂缝的发发展，从而而可提高混混凝土的抗抗压强度。。立方体试件件受约束范范围大，而而棱柱体试试件中部未未受约束，，因此fc小于fcu；局部受压面面积以外的的混凝土对对局部受压压区域内内部混凝土土微裂缝产产生了较较强的约束束。不涂润滑剂涂润滑剂>≈2、混凝土的的抗拉强度度混凝土的抗抗拉强度ft,k（N/mm2或MPa）也是其基本本力学性能能。只有抗抗压强度的的5％～10％，fcu越大ft/fcu值越小。是构件抗裂裂度的重要要指标。混混凝土构件件开裂、裂裂缝、变形形，以及受受剪、受扭扭、受冲切切等的承载载力均与抗抗拉强度有有关。试验方法：直接拉伸伸、劈裂试试验（间接接拉伸）ft,s＝2F/πld式中F——破坏荷载；；d——圆柱直径或或立方体边边长；l——圆柱体长度度或立方体体边长。轴心抗拉强强度与立方方体抗压强强度的折算算系数试验离散性性的影响系系数试验离散性性系数混凝土轴心心抗拉强度度与立方体体抗压强度度的关系3、复合应力力状态下的的混凝土强强度双轴应力状状态BiaxialStressState三轴应力状状态TriaxialStressState由于混凝土土的特点，，目前，在在复合应力力状态下的的强度仍只只是借助有有限的试验验资料，推推荐一些近近似方法作作为计算的的依据。（1）双向正应应力作用1,2(压－压)强度增加1,2(拉－压)强度降低1,2(拉－拉)强度基本不不变3)双向受拉：任意应力力比情况下下双向抗拉拉强度均接接近于单向向抗拉强度度。2)一轴受压一一轴受拉：抗压强度度或抗拉强强度均随另另一方向拉拉应力或压压应力的增增加而减小小。任意应应力比情况况下均低于于相应单轴轴强度。1)双向受压：一向的受受压强度随随另一向的的压应力增增加而增加加。最大受受压强度发发生在两个个压应力之之比为0.3~0.6之间，约为为(1.25~1.60)fc。峰值应变均均超过单轴轴受压时的的峰值应变变。（2）剪应力t和正应力s共同作用下下拉-剪：抗拉、抗剪剪强度都降降低；压-剪：当时时，，抗剪强度度随压应力力提高而增增大；当时时，内部裂裂缝增加，，抗剪强度度随压应力力增大而降降低。抗压压强度均低低于单轴抗抗压强度。。（3）三轴应力状状态实际工程遇遇到较多的的螺旋箍筋筋柱和钢管管混凝土柱柱中的混凝凝土为三向向受压状态态。三向受压试验验一般采用圆圆柱体在等侧侧压条件进行行。施加横向向压力可显著著提高混凝土土的强度。三向受压时，，强度增加，，最大增加5倍。1.2.2混凝土的变形形混凝土的变形形可分为两类类：1、受力变形：如单调短期加加载的变形、、荷载长期作作用下的变形形以及多次重重复加载的变变形。2、非受力变形：称为体积变形形，如混凝土土收缩以及温温度变化引起起的变形。1、混凝土的受受力变形（1）一次短期加加荷载下的变变形（2）重复荷载作作用下的变形形（3）荷载长期作作用下的变形形（1）一次短期加加荷载下的变变形02468102030s(MPa)e×10-3BACEDOA段：弹性阶段段。对普通强度度混凝土sA约为(0.3~0.4)fc，对高强混凝土土sA可达(0.5~0.7)fc。AB段：稳定开裂裂阶段。A点以后，由于于微裂缝处的的应力集中，，裂缝开始有有所延伸发展展，产生部分分塑性变形，，应变增长开开始加快。但但该阶段微裂裂缝的发展是是稳定的。BC段：不稳定裂裂缝阶段。达到B点，微裂缝相相互连通，在在此应力的长长期作用下，，裂缝会持续续发展最终导导致破坏。取B点的应力作为为混凝土的长期抗压强度度。普通强度混凝凝土sB约为0.8fc，高强强度混凝凝土sB可达0.95fc以上。达到C点fc，内部微裂缝连连通形成破坏坏面，应变增增长速度明显显加快，C点的纵向应变变值称为峰值应变e0，约为0.002。CE段:下降段。纵向应变发展展达到D点，内部裂缝在在试件表面出现第一一条可见平行行于受力方向向的纵向裂缝缝。承载力明显显下降，混凝凝土骨料与砂砂浆的粘结不不断遭到破坏坏，裂缝连通通形成斜向破破坏面。至E点的应变ecu=(2~3)e0，应力s=(0.4~0.6)fc。此时出现反弯弯点，宏观上上已破坏。0→A:近似弹性

A→B:非线性

B→C:体积增大

C→F:破坏

高强混凝土：：↗，↘破坏时脆性越越显著，下降降段越陡。◆Hognestad建议的应力-应变曲线◆《规范》应力-应变关系上升段：下降段：混凝土受压时时纵向应变和和横向应变横向变形系数数：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、、水灰比越大大，收缩越大大骨料弹性模量量高、级配好好，收缩就小小干燥失水及高高温环境，收收缩大体表比大，收收缩小高强混凝土收收缩大收缩对结构的的影响变形受到约束束时，混凝土土中产生拉应应力，甚至引引起混凝土的的开裂。钢筋限制混凝凝土的收缩，，使混凝土受受拉，钢筋受受压，若配筋筋率高会导致致开裂。使预应力混凝凝土构件产生预应力损损失。对跨度影响敏敏感的结构（（如拱结构）），会产生不不利内力减少收缩的措措施限制水泥用量量；减小水灰灰比；加强振振捣和养护；；构造钢筋数量量加强；设置变形缝；；掺膨胀剂。（2）混凝土的温温度变形混凝土的体积积同样有热胀胀冷缩的性质质，当温度变变形受到外界界的约束而不不能自由发生生时，将在构构件内产生温度应力。当应力造成变变形差较大时时，将会造成成表层混凝土土开裂。如：大体积混混凝土表面开开裂§1.2.3混凝土的选用用原则钢筋混凝土结结构中混凝土强度等等级不应低于于C20。采用强度等级级400MPa及以上钢筋时时，不应低于于C25；承受重复荷载载的钢筋混凝凝土构件，混混凝土强度等等级不应低于于C30。预应力混凝土土结构中混凝土强度等等级不宜低于于C40，且不应低于于C30。§1.3钢筋混凝土的的相互作用——粘结力1、粘结力的定义钢筋和混凝土土有相互滑移移时，在交界界面上产生沿沿钢筋轴线方方向的相互作作用力。2、粘结力的作用保证钢筋与混混凝土共同受力变形形的基本前提提。（无粘结的钢钢筋混凝土梁梁的受力性能能与素混凝土土梁没有区别别。）ssscsc+dscss-dssssss-dsst粘结应力使钢钢筋应力发生生变化，也就就是说没有粘粘结应力就不不会有钢筋应应力的增量；；反之亦然。。因此在粘结结应力传递长长度之外的截截面上，粘结结应力为0，而钢筋应力力与混凝土应应力均保持不不变。3、粘结应力的的影响因素混凝土的抗拉拉强度越大，粘结强强度越高；保护层厚度C与钢筋间距越大，粘结强强度越高；横向钢筋可限制纵向裂裂缝的发展，，从而提高粘粘结强度。钢筋的外观特特征钢筋端部弯钩钩等锚固措施。4、粘结力的组组成混凝土因收缩缩将钢筋握紧紧而产生的钢钢筋与混凝土土间的摩擦力。混凝土中水泥泥胶体与钢筋筋表面的胶合力。机械咬合力（占一半以上上）钢筋端部的锚锚固力光面钢筋的