T混凝土结构原理之材料力学性能

绪论

以混凝土为主要材料制作的结构称为混凝土结构。它包括素混凝土结构、钢筋混凝土结构、预应力混凝土结构和各种其他形式的加筋混凝土结构。素混凝土结构是指不配置任何钢材的混凝土结构，常用于路面和一些非承重结构。预应力混凝土结构是在结构或构件中配置了预应力钢筋并施加预应力的结构。

（a）素混凝土梁；（b）钢筋混凝土梁由于混凝土抗拉强度很低，在不大的荷载作用下，梁下部受拉区边缘的混凝土即出现裂缝，而受拉区混凝土一旦开裂，裂缝迅速发展，梁瞬时断裂而破坏。此时受压区混凝土的抗压强度还远远没有充分利用，梁的承载力很低。如果在梁的底部受拉区配置抗拉强度较高的钢筋，形成钢筋混凝土梁，当荷载增加到一定值时，梁的受拉区仍会开裂，但钢筋可以代替混凝土承受拉力，裂缝不会迅速发展，梁的承载能力还会继续提高。如果配筋适当，梁可以在较大的荷载作用下才被破坏，破坏时钢筋的应力可以达到屈服强度，受压区混凝土的抗压强度也能得到充分利用。而且在破坏前，裂缝充分发展，梁的变形迅速增大，有明显的破坏预兆。在混凝土适当的位置配置一定形式和数量的钢筋形成钢筋混凝土构件后，可以收到下列效果：(1)结构的承载能力有很大的提高；(2)结构的受力性能得到显著的改善钢筋和混凝土是两种物理力学性能很不相同的材料，它们能够有效地结合在一起共同工作的主要原因是：(1)混凝土硬化后，钢筋和混凝土之间存在粘结力，使两者之间能传递力和变形。粘结力是使这两种不同性质的材料能够共同工作的基础。(2)钢筋和混凝土两种材料的线膨胀系数接近，钢筋为1.2×10-5/℃，混凝土为(1.0～1.5)×l0-5/℃，所以当温度变化时，钢筋和混凝土的粘结力不会因两者之间过大的相对变形而破坏。(3)混凝土对钢筋具有良好的保护作用，能够保证结构的耐久性，使钢筋与混凝土长期可靠地工作。0.2钢筋混凝土结构的主要优缺点

钢筋混凝土结构与其他结构相比具有下列优点：

(1)就地取材。

(2)节约钢材。

(3)耐久性好。

(4)耐火性好。

(5)可模性好。

(6)整体性好。

钢筋混凝土结构也具有下述主要缺点：

(1)自重大

(2)抗裂性差。0.3混凝土结构的应用及发展简况

应用相当广泛，朝轻质高强的方向发展钢筋混凝土是由钢筋和混凝土两种性质不相同的材料组成的，钢筋混凝土结构构件受力性能与钢筋和混凝土两种材料的力学性能密切相关。

1。1钢筋

1。1。1钢筋的品种、级别和形式

（1）按化学成分：碳素钢和普通低合金钢

第1章混凝土结构用材料的力学性能（2）根据加工工艺：A.热轧钢筋：在高温下直接由碳素钢、普通低合金钢轧制成型；B.热处理钢：将热轧钢经过调质（加热、淬火和回火）处理后制成目的主要是提高强度，而塑性降低不多；C.钢丝：包括光面钢丝、消除应力钢丝、螺旋肋钢丝、刻痕钢丝和钢绞线等（定义见书）。(3）根据钢筋外形：A.光圆钢筋：表面是光滑的；（HPB235）B.变形钢筋：表面有肋（如月牙肋等）（HRB335、HRB400、RRB400）；（4）根据力学特性：A.软钢：在应力应变图上有明显屈服台阶，如普通热轧低碳钢和低合金钢；B.硬钢：在应力应变图上无屈服台阶，如中、高强钢丝和钢绞线；2．钢筋筋的弹弹性模模量ES（见表1.2）弹性模模量：：材料料在单单向受受拉或或受压压状态态下其其应力力应变变呈线线性关关系时时，截截面上上正应应力和和正应应变的的比值值。3．反映映钢筋筋塑性性性能能的指指标：：伸长长率和和冷弯弯性能能塑性（（或延延性））：指指钢材材受力力屈服服后，，能产产生显显著的的残余余变形形而不不立即即断裂裂的性性质。。伸长率率：冷弯性性能：：钢材材在冷冷加工工产生生塑性性变形形时，，对产产生裂裂缝的的抵抗抗能力力4.钢筋的的冷加加工（（常温温下加加工））目的：：提高高钢材材的屈屈服强强度，，但同同时钢钢材的的塑性性降低低。冷加工工方法法：（1）冷拉拉：在在常温温下将将钢筋筋拉伸伸至屈屈服，，然后后卸载载且再再拉伸伸，可可使屈屈服强强度提提高；时效硬硬化：：在常常温下下将钢钢筋拉拉伸至至屈服服后卸卸载，，经过过一段段时间间后再再拉伸伸，可可使屈屈服强强度和和极限限抗拉拉强度度提高高。（2）冷拔拔：在在常温温下将将钢筋筋拔过过比其其自身身直径径还小小的硬硬质合合金拔拔丝模模拉伸伸至屈屈服；；（3）冷轧轧：将将热轧轧圆盘盘条经经冷拔拔或冷冷拉工工艺减减小直直径后后，在在钢筋筋表面面轧出出月牙牙纹的的钢筋筋。5．钢筋筋的选选用原原则(1).较高的的强度度；(2).良好的的塑性性；(3).良好的的可焊焊性；；(4).较强的的耐火火性；；(5).钢筋与与混凝凝土良良好的的粘结结力。。6．设计计时如如何选选用钢钢筋（1）钢筋筋混凝凝土结结构中中的钢钢筋和和预应应力混混凝土土结构构中的的非预预应力力钢筋筋，宜宜选用用热轧轧钢筋筋，且且宜优优先采采用HRB400和HRB335级钢筋筋，也也可采采用HPB235和RRB400级热轧轧钢。。（2）预应应力钢钢筋宜宜采用用预应应力钢钢绞线线、中中高强强钢丝丝，也也可采采用热热处理理钢筋筋。（3）应尽量选选用强度较较高、塑性性较好、价价格较低的的钢材。1-2混凝土的物物理力学性性能·混凝土的组组成：混凝凝土=水泥+细骨料（砂砂）+粗骨料（碎碎石或鹅卵石）+水+外加剂·抗压强度的的测定：让让混凝土试试件均匀受受压，它在在即将破坏坏前所能承承受的最大大压应力即即为其极限限抗压强度度。·影响抗压强强度的因素素：组成材材料、施工工方法、试试件尺寸、、加荷方法法、加荷速速度等因素素。尺寸效应：：当试件的的尺寸越小小，试块与与压力机加加压板之间间摩擦力作作用的影响响就愈大，，量测所得得的极限强强度值越高高，反之愈愈低，这种种现象称为为“尺寸效效应”。一、砼强度度的分类（一）单向向受力状态态下的混凝凝土强度1.混凝土的抗抗压强度（（单位：N/mm²²或称MPa）（1）混凝土的立立方体抗压压强度的确定方法法：标准试件：：150mm×150mm××150mm的立方体；；标准制作条条件：在温温度（20±3）0C和相对湿度度90%以上的环境境下养护28天；标准试验方方法：试件件表面不涂涂润滑剂、、均匀加载载和匀速加加“静”载载的主要作用用：混凝土土强度的基基本指标和和评定混凝凝土强度等等级的标准准。（2）混凝土的的轴心抗压压强度（（N/mm²²）确定方法：：

标准试试件：高高宽比为2~3，尺150mm×150mm×300mm的棱柱体；；（其余同同的的确定定方法）；；与与的的关关系：公式式（1.3）

主要作作用:受压构件的的强度计算算。2.混凝土的轴轴心抗拉强强度

确定定方法：轴轴心受拉试试验和劈裂裂试验（自自学）；由由表1.3可知，混凝凝土轴心抗抗拉强度约约为抗压强强度的1/10；与与的的关关系:公式1.6(二).复合应力状状态下混凝凝土的强度度1.关于双向应应力状态下下的强度变变化规律·双向受压时时，混凝土土抗压强度度大于单向向；·双向受拉时时，混凝土土抗拉强度度接近于单单向；·一向受压和和受拉时，，其抗拉（（压）强度度均低于相相应的单向向强度；·由于剪应力力的存在，，混凝土抗抗压强度低低于单向；；·由于压应力力的存在，，混凝土抗抗剪强度有有限增加。。2.关于三向受受压状态下下的强度变变化规律结论：三向向受压状态态下的混凝凝土抗压强强度大于双双向和单向向。注:实际工程中中均采用单单向强度，，但要考虑虑复合应力力情况，从从构造上加加以调整。。二.混凝土的变变形变形的分类类：受力变变形(荷载产生)、非受力变变形（收缩缩、温差即即湿差产生生）。1.一次短期加加载下混凝凝土的变形形（1）混凝土受受压时的应应力-应变曲线实际试验曲曲线如图，，其规律为为：a.应力-应变关系为为曲线，上上升段中仅仅有一小段段直线；b.应力峰值对对应的应变变约为0.002（基本与等等级无关））；c.混凝土强度度高时其延延性越差。。（2）《规范》采用的混应应力-应变曲线该曲线分为为两个部分分，上升部部分为抛物物线段，另另外一部分分为水平直直线段。当≤≤时时(1.8)当＜＜≤≤时时(1.9)3．横向变形形混凝土受压压时在产生生纵向变形形的同时还还会产生横横向变形，，横向应变变与纵向应应变之比称称为泊松比比系数。。规规范取=0.2。2.荷载长期作作用下混凝凝土的变形形性能（1）徐变：在在长期不变变的荷载作作用下，变变形随时间间而增长。。（2）影响徐变变的因素：：应力（荷荷载）大小小；加载时的龄龄期；材性、工作环环境等；（3）徐变对结结构的影响响（多数情情况为不利利影响）A使结构产生生应力重分分布：B使预应力产产生损失。。3.混凝土在荷荷载重复作作用下的变变形（疲劳劳变形）疲劳破坏：：荷载重复复作用引起起的破坏；；（4）混凝土的的弹性模量量和变形摸摸量A.弹性模量（（切线模模量）：取取混凝土棱棱柱体受压压应力-应变曲线的原点切切线的斜率率作为。。（表表1.4）B变形模量（（割线模模量）：应应力-应变曲线上上原点至任任一点割线线的斜率，，称为任意意点的变形形模量，它它反映塑性性阶段的应应力应变关关系。二者关系：：（（为为弹弹性系数，，等于弹性性应变与总总应变的比比值））（5）.混凝土的收收缩与膨胀胀。影响：产生生裂缝，导导致预应力力损失。（（影响因素素见书）（6）混凝土的的温度变形形（热胀冷冷缩）（自自学）3.设计时如何何选用混凝凝土

（1）钢筋混凝凝土结构的的混凝土强强度等级不不应低于C15；

（2）当采用HRB335级钢筋时，，不宜低于于C20；

（3）当采用HRB400和RRB400级钢筋以及及对承受重重复荷载的的构件，不不得低低于C20；

（4）预应力混凝凝土结构的的混凝土强强度等级不不应低于于于C30；

（5）当采用钢丝丝、钢绞线线、热扎钢钢筋作预应应力钢筋时时，不宜低低于C40。§2.3混凝土与钢钢筋的粘结结粘结的意义义：确保混混凝土与钢钢筋能共同同工作。二.粘结力的组组成