混凝土结构材料的性能T114

第1章

混凝土结构材料的性能PhysicalandMechanicalPropertiesofMaterialsforReinforcedConcreteStructure本章重点熟悉土木工程用钢筋的品种、级别、性能及其选用原则；熟悉混凝土在各种受力状态下的强度与变形性能及其选用原则；了解钢筋与混凝土的共同工作原理。

§1.1钢筋§1.2混凝土§1.3钢筋混凝土的相互作用——粘结力§1.1钢筋

<SteelReinforcement>

1.1.1钢筋的品种与性能1.1.2混凝土结构对钢筋性能的要求1.1.3钢筋的选用原则1.1.1钢筋的品种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

（在碳素钢中加入少量合金元素如Mn、Si、Vi、Ti、Cr等以改善性能）按生产加工工艺不同分为：热轧钢筋中高强钢丝和钢绞线预应力螺纹钢筋冷加工钢筋1、热轧钢筋（HotRolledSteelReinforcingBar）定义：将普通低碳钢、普通低合金钢在高温状态下轧制而成。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，减少污染，将建筑用钢强度提高。淘汰HPB235级代以HPB300级钢筋；增加了HRB500级；限制HRB335级，以HRB400级、HRB500级为受力的主导钢筋。HPB

—热轧光面钢筋（HotRolledPlainSteelBar），桥梁规范用R表示；HRB

—热轧带肋钢筋（HotRolledRibbedSteelBar）；RRB—余热处理钢筋（RemainedheattreatmentRibbedSteelBar），桥梁规范用KL表示。HRBF

—细晶粒热轧带肋钢筋屈服强度

fyk

（标准值=钢材废品限值，保证率97.73%）HPB300级：fyk=300N/mm2HRB400级：fyk=400N/mm2，RRB400级：fyk=400N/mm2HRB500级：fyk=500N/mm2热轧钢筋种类和强度标准值（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：6，8，10，12，14，16，18，20，22，25，28，32，36，40，50力学性性能1）应力力应变变曲线线特征征2）塑性性性能能3）钢筋筋强度度及弹弹性模模量1）应力力应变变曲线线特征征：热轧低低碳钢钢筋和和普通通热轧轧低合合金钢钢为软钢。有明显显屈服服点。。sea’abcdefufyf热轧钢筋的应力-应变曲线一般可简简化为为双线线性的的理想想弹塑塑性关关系（（有时时采用用双折折线或或三折折线型型）3002）塑性性性能能（plasticdeformation)：伸长率率冷弯性性能钢筋均匀伸伸长率率：延伸率率大的的钢筋筋，在在拉断断前有有足够够预兆兆，延延性较较好。。均匀伸伸长率率钢筋弹弹性模量量实测钢钢筋拉断强强度残余伸长已回复弹弹性应应变+=钢筋品种普通钢筋预应力钢筋HPB300HRB335、HRBF335、HRB400、HRBF400、HRB500、HRBF500RRB400δgt(%)10.07.55.03.5钢筋在在最大大力下下的总总伸长长率限限值:::只反映映断口附附近残残留变变形大小，，不反反映钢钢筋总总伸长长率情情况。。同一一根钢钢筋以往采采用下下述伸伸长率率冷弯性性能：是检验验钢筋筋局部部变形形能力力的指指标。。将直径为为d的钢筋筋绕直直径为为D的钢辊辊，弯成成一定定的角角度而而不发发生断断裂，，就表表示合合格。。现增加加反弯弯测试试。冷弯角角度=90°°,180°°,反复弯弯曲要求：：冷弯弯过程程中无无裂缝缝、鳞鳞落或断断裂。。弯心直直径D愈小，，要求求愈高高。反复次次数愈愈高，，要求求愈高高。3）钢筋筋强度度及弹弹性模模量屈服强强度yieldstrength：是钢筋筋强度度的设设计依依据，因为为钢筋筋屈服服后将将产生生很大大的塑塑性变变形，，且卸卸载时时这部部分变变形不不可恢恢复，，这会会使钢钢筋混混凝土土构件件产生生很大大的变变形和和不可可闭合合的裂裂缝。。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凝土土的的抗抗拉拉强强度度ft,k（N/mm2或MPa）也是是其其基基本本力力学学性性能能。。只只有有抗抗压压强强度度的的5％～～10％，，fcu越大大ft/fcu值越越小小。是构构件件抗抗裂裂度度的的重重要要指指标标。。混混凝凝土土构构件件开开裂裂、、裂裂缝缝、、变变形形，，以以及及受受剪剪、、受受扭扭、、受受冲冲切切等等的的承承载载力力均均与与抗抗拉拉强强度度有有关关。。试验验方方法法：直直接接拉拉伸伸、、劈劈裂裂试试验验（（间间接接拉拉伸伸））ft,s＝2F/πld式中中F———破坏坏荷荷载载；；d———圆柱柱直直径径或或立立方方体体边边长长；；l———圆柱柱体体长长度度或或立立方方体体边边长长。轴心心抗抗拉拉强强度度与与立立方方体体抗抗压压强强度度的的折折算算系系数数试验验离离散散性性的的影影响响系系数数试验验离离散散性性系系数数混凝凝土土轴轴心心抗抗拉拉强强度度与与立立方方体体抗抗压压强强度度的的关关系系3、复复合合应应力力状状态态下下的的混混凝凝土土强强度度双轴轴应应力力状状态态BiaxialStressState三轴轴应应力力状状态态TriaxialStressState由于于混混凝凝土土的的特特点点，，目目前前，，在在复复合合应应力力状状态态下下的的强强度度仍仍只只是是借借助助有有限限的的试试验验资资料料，，推推荐荐一一些些近近似似方方法法作作为为计计算算的的依依据据。。（1）双双向向正正应应力力作作用用1,2(压－－压压)强度度增增加加1,2(拉－－压压)强度度降降低低1,2(拉－－拉拉)强度度基基本本不不变变3)双向向受受拉拉：任任意意应应力力比比情情况况下下双双向向抗抗拉拉强强度度均均接接近近于于单单向向抗抗拉拉强强度度。。2)一轴轴受受压压一一轴轴受受拉拉：抗抗压压强强度度或或抗抗拉拉强强度度均均随随另另一一方方向向拉拉应应力力或或压压应应力力的的增增加加而而减减小小。。任任意意应应力力比比情情况况下下均均低低于于相相应应单单轴轴强强度度。。1)双向向受受压压：一一向向的的受受压压强强度度随随另另一一向向的的压压应应力力增增加加而而增增加加。。最最大大受受压压强强度度发发生生在在两两个个压压应应力力之之比比为为0.3~0.6之间间，，约约为为(1.25~1.60)fc。峰值值应应变变均均超超过过单单轴轴受受压压时时的的峰峰值值应应变变。。（2）剪应应力力t和正正应应力力s共同同作作用用下下拉-剪：：抗拉拉、、抗抗剪剪强强度度都都降降低低；；压-剪：：当时时，，抗抗剪剪强强度度随随压压应应力力提提高高而而增增大大；；当当时时，，内内部部裂裂缝缝增增加加，，抗抗剪剪强强度度随随压压应应力力增增大大而而降降低低。。抗抗压压强强度度均均低低于于单单轴轴抗抗压压强强度度。。（3）三轴应应力状状态实际工工程遇遇到较较多的的螺旋旋箍筋筋柱和和钢管管混凝凝土柱柱中的的混凝凝土为为三向向受压压状态态。三向受受压试试验一一般采采用圆圆柱体体在等等侧压压条件件进行行。施施加横横向压压力可可显著著提高高混凝凝土的的强度度。三向受受压时时，强强度增增加，，最大大增加加5倍。1.2.2混凝土土的变变形混凝土土的变变形可可分为为两类类：1、受力变变形：如单调调短期期加载载的变变形、、荷载载长期期作用用下的的变形形以及及多次次重复复加载载的变变形。。2、非受力力变形形：称为体体积变变形，，如混混凝土土收缩缩以及及温度度变化化引起起的变变形。。1、混凝凝土的的受力力变形形（1）一次次短期期加荷荷载下下的变变形（2）重复复荷载载作用用下的的变形形（3）荷载载长期期作用用下的的变形形（1）一次次短期期加荷荷载下下的变变形02468102030s(MPa)e×10-3BACEDOA段：弹弹性阶阶段。对普普通强强度混混凝土土sA约为(0.3~0.4)fc，对高强强混凝凝土sA可达(0.5~0.7)fc。AB段：稳稳定开开裂阶阶段。。A点以后后，由由于微微裂缝缝处的的应力力集中中，裂裂缝开开始有有所延延伸发发展，，产生生部分分塑性性变形形，应应变增增长开开始加加快。。但该该阶段段微裂裂缝的的发展展是稳稳定的的。BC段：不不稳定定裂缝缝阶段段。达到B点，微微裂缝缝相互互连通通，在在此应应力的的长期期作用用下，，裂缝缝会持持续发发展最最终导导致破破坏。。取B点的应应力作作为混混凝土土的长期抗抗压强强度。。普通强强度混混凝土土sB约为0.8fc，高强强强度混混凝土土sB可达0.95fc以上。。达到C点fc，内部微微裂缝缝连通通形成成破坏坏面，，应变变增长长速度度明显显加快快，C点的纵纵向应应变值值称为为峰值应应变e0，约为0.002。CE段:下降段段。纵向应应变发发展达达到D点，内部部裂缝缝在试试件表面出出现第第一条条可见见平行行于受受力方方向的的纵向向裂缝缝。承载载力明明显下下降，，混凝凝土骨骨料与与砂浆浆的粘粘结不不断遭遭到破破坏，，裂缝缝连通通形成成斜向向破坏坏面。。至E点的应变变ecu=(2~3)e0，应力s=(0.4~0.6)fc。此时出出现反反弯点点，宏宏观上上已破破坏。0→A:近似弹性

A→B:非线性

B→C:体积增大

C→F:破坏

高强混混凝土土：↗，↘破坏时时脆性性越显显著，，下降降段越越陡。。◆Hognestad建议的的应力力-应变曲曲线◆《规范》应力-应变关关系上升段：下降段：混凝土土受压压时纵纵向应应变和和横向向应变变横向变变形系系数：：νc=εch/εcu，当s<0.5fc时νc接近常常数，，s>0.5fc时νc突然急急剧增增大，，说明明内部部微裂裂缝的的迅速速发展展。弹性阶阶段的的νc也称为泊松比比，近似似取0.2。纤维混混凝土土应力力-应变曲曲线（2）重复复荷载载作用用下的的变形形若将试试件加加载至至某一一数值值，然然后卸卸载至至零，，反复复多次次，即即重复荷荷载作作用。每次循循环就就有一一部分分塑性性变形形不能能恢复复，，并逐逐渐积积累，，但每每次产产生的的塑性性变形形将随随次数数增加加而减减少。。存在一一个界界限值值fcf，当循环环应力力小于于它时时，多多次循循环后后，曲曲线变变成直直线，，此后后按弹弹性工工作；；若大大于它它，曲曲线将将由凸凸向应应力转转向应应变轴轴而趋趋近于于疲劳劳破坏坏。该该值即即疲劳强强度fatiguestrength。大约为为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弹性模模量测测定方方法（3）荷载载长期期作用用下的的变形形creep定义：混凝土土在荷荷载的的长期作作用下，其其变形形随时时间而而不断断增长长的现现象称称为徐变，，即应力力不变变，应应变随随时间间增长长的现现象。。徐变原原因：水泥胶胶凝体体粘性性流动动的结结果内部微微裂缝缝在长长期荷荷载作作用下下持续续扩展展和延延伸。。特点：：早期发发展快快，但但可以以延续续数年年。前前4个月徐徐变增增长较较快，，6个月可可达最最终徐徐变的的（70~80）%，以后后增长长逐渐渐缓慢慢，2~3年后趋趋于稳稳定。。徐变对对结构构的影影响：：使构件件变形形增大大；在轴压压构件件中，，使钢钢筋应应力增增加，，混凝凝土应应力减减小；；在预应应力构构件中中，使使预应应力发发生损损失；；在超静静定结结构中中，使使内力力发生生重分分布。。徐变的的影响响因素素内在因因素：骨料的的刚度度（弹弹性模模量））越大大，体体表比比越大大，徐徐变就就越小小；水水灰比比越小小，水水泥用用量越越少,徐变也也越小小。环境影影响：养护的的温度度越高高，水水泥水水化作作用越越充分分，徐徐变就就越小小；蒸蒸汽养养护可可使徐徐变减减少；；受荷荷后温温度越越高，，相对对湿度度越小小，徐徐变就就越大大。应力条条件：初始应应力水水平si/fc≤0.5时，徐徐变系系数j=ecr/eel=Ececr/si=常数，，称为为线性徐徐变；si=（0.5~0.8）fc时，徐徐变系系数j随si的增大大而增增大，，称为为非线性徐变变；si>0.8fc时，内部微微裂缝的发发展已处于于不稳定的的状态，最最终导致混混凝土的破破坏。将0.8fc作为混凝土土的长期抗压强强度。2、混凝土的的非受力变变形（1）混凝土的的收缩与膨膨胀（2）混凝土的的温度变形形（1）混凝土的的收缩变形形shrinkage定义：混凝土在空空气中硬化化时体积会会缩小，称称混凝土的的收缩。是是非受力变变形。收缩率：3×10-4。收缩的原因因物理作用：：干燥失水水化学作用：：碳化作用用特点：早期快，可可延续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