混凝土结构材料的物理力学性能(简环)

第2章

混凝土结构材料的物理力学性能2.1混凝土的物理力学性能2.2钢筋的物理力学性能2.3混凝土与钢筋的粘结第2章2.1混凝土的物理力学性能2.1.2单轴应力状态下的砼强度单轴强度是基础混凝土结构中，主要是利用它的抗压强度。抗压强度是混凝土力学性能中最主要和最基本的指标。是复杂应力状态下强度的基础和重要参数。影响强度的因素水泥强度等级，水灰比，骨料性质，级配；成型方法，硬化环境，养护龄期；试件大小、形状试验方法、加载速率。2.1.2单轴应力状态下的砼强度1单轴抗压强度1）立方体抗压强度fcu,k定义边长为150mm的立方体标准试件，在标准养护条件（温度为20±3℃，湿度≥90%）下养护28d，按照标准试验方法（加载速度0.3~0.5MPa/s，两端不涂润滑剂）测得的抗压强度（MPa）。强度等级具有95%保证率的抗压强度，符号C。根据强度范围，从C15~C80共划分为14个强度等级，级差为5MPa。第2章2.1混凝土的物理力学性能2.1.2单轴应力状态下的砼强度1单轴抗压强度1）立方体抗压强度fcu,k影响强度等级的因素试验方法（接触面摩擦）加载速度速度越快，强度越高龄期随龄期逐渐增长第2章2.1混凝土的物理力学性能2.1.2单轴应力状态下的砼强度1单轴抗压强度2）轴心抗压强度标准值fck按标准方法制作的150×l50×300mm的棱柱体试件，在温度为20±3℃和相对湿度为90％以上的条件下养护28d，用标准试验方法测得的具有95％保证率的抗压强度（MPa）。对于同一混凝土，棱柱体抗压强度恒小于立方体抗压强度。第2章2.1混凝土的物理力学性能2.1.2单轴应力状态下的砼强度2轴心抗拉强度混凝土轴心抗拉强度约为立方体抗压强度的1/17~1/8；在荷载较小时，混凝土即开裂，所以混凝土结构一般带裂缝工作，混凝土轴心抗拉强度不起决定作用。第2章2.1混凝土的物理力学性能2.1.2单轴应力状态下的砼强度2轴心抗拉强度直接轴心受拉的试验方法来测定试验比较困难。采用圆柱体或立方体的劈裂试验来间接测试砼的轴心抗拉强度。第2章2.1混凝土的物理力学性能FdF拉压压2.1.3复杂应力状态下的砼强度1双轴应力状态第2章2.1混凝土的物理力学性能最大受压强度发生在两个压应力之比为0.3~0.6之间，约1.25~1.60fc。双向受压强度大于单向受压强度双轴受压状态下混凝土的应力-应变关系与单轴受压曲线相似，但峰值应变均超过单轴受压时的峰值应变。2.1.3复杂应力状态下的砼强度1双轴应力状态第2章2.1混凝土的物理力学性能在一轴受压一轴受拉状态下，任意应力比情况下均不超过其相应单轴强度。并且抗压强度或抗拉强度均随另一方向拉应力或压应力的增加而减小。2.1.3复杂应力状态下的砼强度砼平面应力状态的特点平面应力状态下，当两方向应力均为压应力时，抗压强度相互提高，最大可增加27％，而当一方向为压应力，另一方向为拉应力时，强度相互降低。当压应力不太高时，可提高砼的抗剪强度。拉应力的存在会降低砼的抗剪强度。剪应力的存在降低砼的抗压和抗拉强度。实际结构中，混凝土很少处于单向受力状态。更多的是处于双向或三向受力状态。第2章2.1混凝土的物理力学性能2.1.3复杂应力状态下的砼强度3三轴应力状态三轴应力状态有多种组合，实际工程遇到较多的螺旋箍筋柱和钢管混凝土柱中的砼为三向受压状态。三向受压状态下的砼抗压强度大于双向和单向。第2章2.1混凝土的物理力学性能2.1.4混凝土的变形混凝土的变形分为两类混凝土的受力变形一次短期加载；荷载长期作用；多次重复荷载混凝土的非受力变形温差变形；湿差变形；收缩变形第2章2.1混凝土的物理力学性能1.一次短期加载下砼的变形性能（1）单轴受压应力-应变关系第2章02468102030s(MPa)ε×10-3BACEDA点以前，微裂缝无明显发展，混凝土的变形主要弹性变形，应力-应变关系近似直线。A点应力随砼强度的提高而增加，普通砼sA≈0.3~0.4fc，高强砼sA≈0.5~0.7fc。2.1.4混凝土的变形1.一次短期加载下砼的变形性能（1）单轴受压应力-应变关系第2章02468102030s(MPa)ε×10-3BACEDA点以后，由于微裂缝处的应力集中，裂缝开始有所延伸发展，产生部分塑性变形，应变增长开始加快，应力-应变曲线逐渐偏离直线。微裂缝的发展导致混凝土的横向变形增加。但该阶段微裂缝的发展是稳定的。2.1.4混凝土的变形1.一次短期加载下砼的变形性能（1）单轴受压应力-应变关系第2章02468102030s(MPa)ε×10-3BACED达到B点，内部一些微裂缝相互连通，裂缝发展已不稳定，横向变形突然增大，体积应变开始由压缩转为增加。在此应力的长期作用下，裂缝持续发展最终导致破坏。取B点的应力作为砼的长期抗压强度。普通砼sB≈0.8fc，高强砼sB可达0.95fc以上。2.1.4混凝土的变形1.一次短期加载下砼的变形性能（1）单轴受压应力-应变关系第2章02468102030s(MPa)ε×10-3BACEDB点以后，内部微裂缝连通形成破坏面，应变增长速度明显加快，裂缝快速发展直至C点，此处的峰值应力smax即作为fc，相应的应变值称为峰值应变e0，约为0.0015~0.0025，通常取0.002。2.1.4混凝土的变形1.一次短期加载下砼的变形性能（1）单轴受压应力-应变关系第2章02468102030s(MPa)ε×10-3BACED纵向应变发展达到D点，内部裂缝在试件表面出现第一条可见平行于受力方向的纵向裂缝。2.1.4混凝土的变形1.一次短期加载下砼的变形性能（1）单轴受压应力-应变关系第2章02468102030s(MPa)ε×10-3BACED随应变增长，试件上相继出现多条不连续的纵向裂缝，横向变形急剧发展，承载力明显下降,混凝土骨料与砂浆的粘结不断遭到破，裂缝连通形成斜向破坏面。E点应变e=2~3e0，E点应力s=0.4~0.6

fc。2.1.4混凝土的变形1.一次短期加载下砼的变形性能（3）三轴受压下砼的变形性能横向受到约束时，抗压强度和延性均可提高工程应用：约束混凝土钢管砼密配螺旋箍筋混凝土的材料性质复杂多变，其多轴强度和变形又随三轴应力状态的不同而有很大差异。至今还没有，以后也难以找到一种准确的理论方法，可以从混凝土原材料的性质、组成和制备工艺等原始条件推算其多轴力学性能。第2章2.1.4混凝土的变形1.一次短期加载下砼的变形性能（4）混凝土的变形模量混凝土弹性模量值Ec取值一般取为相当于结构使用阶段的工作应力s=(0.4～0.5)fc时的割线模量值。（kN/mm2）混凝土结构设计规范GB50010-2002：砼弹性模量按下式第2章2.1.4混凝土的变形kcc0cecp0h第2章2.荷载长期作用下砼的变形性能混凝土长期变形性能——徐变混凝土在荷载的长期作用下，其变形随时间而不断增长的现象称为徐变。混凝土的徐变特性主要与时间参数有关。2.1.4混凝土的变形161284369121518212427•Acecr徐变ce弹性变形ch收缩ceaeerBCD(10–4)t(月)0第2章2.荷载长期作用下砼的变形性能混凝土的徐变曲线前4个月徐变增长较快，6个月可达最终徐变的70~80%，以后增长逐渐缓慢，2~3年后趋于稳定。2.1.4混凝土的变形161284369121518212427•Acecr徐变ce弹性变形ch收缩ceaeerBCD(10–4)t(月)0第2章2.荷载长期作用下砼的变形性能混凝土的徐变曲线经过一段时间后，还有一部分应变e’’ce

可以恢复，称为弹性后效或徐变恢复，但仍有不可恢复的残留永久应变eer。2.1.4混凝土的变形161284369121518212427•Acecr徐变ce弹性变形ch收缩ceaeerBCD(10–4)t(月)0第2章4.混凝土的收缩定义混凝土在空气中硬化时体积会缩小，这种现象称为混凝土的收缩。收缩是混凝土在不受外力情况下体积变化产生的变形。2.1.4混凝土的变形蒸汽养护常温养护051015200.10.20.30.4收缩(10–3)时间(月)第2章4.混凝土的收缩影响混凝土收缩的因素与结构周围的温度、湿度、构件断面形状及尺寸、配合比、骨料性质、水泥性质、混凝土浇筑质量及养护条件等许多因素有关。1.水泥的品种水泥强度等级越高，制成的混凝土收缩越大。2.水泥的用量水泥用量多、水灰比越大，收缩越大。3骨料的性质骨料弹性模量高、级配好，收缩就小。2.1.4混凝土的变形第2章4.混凝土的收缩影响混凝土收缩的因素与结构周围的温度、湿度、构件断面形状及尺寸、配合比、骨料性质、水泥性质、混凝土浇筑质量及养护条件等许多因素有关。4.养护条件干燥失水及高温环境，收缩大。5.混凝土制作方法混凝土越密实，收缩越小。6.使用环境使用环境温度、湿度越大，收缩越小。7.构件的体积与表面积比值比值大时，收缩小。2.1.4混凝土的变形2.2.1钢筋的品种和级别热轧钢筋种类HPB235级、HRB335级、HRB400级、RRB400级屈服强度fyk（标准值，保证率95%）HPB235级：fyk=235N/mm2；d5=25%HRB335级：fyk=335N/mm2；d5=16%HRB400级：fyk=400N/mm2；d5=14%RRB400级：fyk=400N/mm2；d5=10%第2章2.2钢筋的物理力学性能2.2.1钢筋的品种和级别热轧钢筋用途HPB235级（Ⅰ级）钢筋多为光面钢筋，多作为现浇楼板的受力钢筋和箍筋。HRB335级（Ⅱ级）

级和HRB400级（Ⅲ级）：钢筋强度较高，多作为钢筋混凝土构件的受力钢筋，尺寸较大的构件，也有用Ⅱ级钢筋作箍筋以增强与混凝土的粘结，外形制作成月牙肋或等高肋的变形钢筋。RRB400级（Ⅳ级）一般冷拉后作预应力筋。第2章2.2钢筋的物理力学性能极限强度fyftboa－弹性阶段sa－比例极限fy－屈服强度ft－极限强度cd－强化阶段de－颈缩阶段bc－流幅阶段2.2.2钢筋的钢筋的强度与变形钢筋的s－e

曲线有明显屈服点的钢筋第2章2.2钢筋的物理力学性能acde屈服强度比例极限sa流幅eo(N/mm2)fy－屈服强度ft－极限强度2.2.2钢筋的钢筋的强度与变形钢筋的s－e

曲线无明显屈服点的钢筋第2章2.2钢筋的物理力学性能s0.2－条件屈服强度fyft0.2%条件屈服强度eos(N/mm2)2.2.5混凝土结构对钢筋性能的要求1强度要求钢筋有足够的强度和适宜的强屈比(极限强度与屈服强度的比值)。例如，对抗震等级为一、二级的框架结构，其纵向受力钢筋的实际强屈比不应小于1.25。2塑性要求钢筋应有足够的变形能力。3可焊性要求钢筋焊接后不产生裂缝和过大的变形，焊接接头性能良好。4与混凝土的粘结力：要求钢筋与混凝土之间有足够的粘结力，以保证两者共同工作。第2章2.2钢筋的物理力学性能2.3混凝土与钢筋的粘结产生钢筋和混凝土粘结强度的主要原因混凝土收缩将钢筋紧紧握固而产生的摩擦力；混凝土颗料的化学作用产生的混凝土与钢筋之间的胶合力；钢筋表面凹凸不平与混凝土之间产生的局部粘结应力。第2章2.3.2粘结力的组成光圆钢筋与混凝土粘结作用1钢筋与混凝土接触面上的化学吸附作用力（胶结力）。一般很小，仅在受