混凝土结构材料的物理力学性能

混凝土结构材料的物理力学性能

内容提要一、混凝土的物理力学性能二、钢筋的物理力学性能三、钢筋与混凝土之间的粘结与锚固学习目的一、掌握混凝土强度、变形指标和耐久性规定二、掌握钢筋品种、规格、力学性能及强度设计指标三、理解钢筋和混凝土的粘结性能及保证可靠粘结和锚固的构造措施2.1

混凝土的物理力学性能一、单向应力状态下的混凝土强度1、混凝土强度等级（StrengthGrade）混凝土结构中，主要是利用它的抗压强度

(CompressiveStrength)，它是混凝土力学性能中最主要和最基本的指标。混凝土的强度等级是用立方体的抗压强度fcu,k来划分的。

边长150mm立方体标准试件，在标准条件下（20±3℃，≥90%相对湿度）养护28天，用标准试验方法（加载速度0.3~0.8N/mm2/s，两端不涂润滑剂）测得的具有95%保证率的立方体抗压强度(CubeStrength)，用符号C表示。率C30：fcu,k=30N/mm2立方体抗压强度fcu承压板试块摩擦力不涂润滑剂涂润滑剂强度大于我国规范的方法：不涂润滑剂压力试件裂缝发展扩张整个体系解体，丧失承载力另影响强度的因素还有：龄期、加载速率、试块尺寸等

单轴受力状态下混凝土的抗压强度实验方法：未采取减摩措施采取减摩措施后

《规范》根据强度范围，从C15~C80共划分为14个强度等级，级差为5N/mm2。

C50以上为高强混凝土。如采用200mm或100mm的立方体试件时，其换算系数分别取1.05和0.95。结构对混凝土强度等级的要求:钢筋混凝土结构的混凝土强度等级不应低于Ｃ20；当采用HRB400和RRB400级钢筋以及承受重复荷载的构件，混凝土强度等级不应低于Ｃ25；预应力混凝土结构的混凝土强度等级不宜低于C40，不应低于Ｃ30。混凝土轴心抗压强度fck立方体受压不是处于单轴受力状态！采用棱柱体，中间基本上是处于轴心受压。

我国采用150mm×150mm×300mm棱柱体试件测得的强度作为混凝土的轴心抗压强度。棱柱体抗压强度fc承压板试块标准试块：150×150×300非标准试块：100×100×300换算系数0.95200×200×400换算系数1.05考虑到承压板对试件的约束，立方体抗压强度大于棱柱体抗压强度，且有：fc=0.76fcu

(试验结果)考虑到构件和试件的区别，取fc=0.67fcu对国外（美国、日本、欧洲混凝土协会等）采用的圆柱体试件（d=150,h=300），有fc'=0.79fcu

圆柱体抗压强度混凝土的轴心抗压强度

fck与立方体强度的关系：

棱柱体抗压强度与立方体抗压强度比值：小于等于C50时，取0.76；大于C50时：

考虑混凝土脆性的折减系数，小于C40时，不折减取1.0；大于C40时：

c1

和c2

的取值混凝土强度等级≤C40C45C50C55C60C65C70C75C80c10.760.760.760.770.780.790.800.810.82c21.000.9840.9680.9510.9350.9190.9030.8870.87轴心抗拉强度试验方法：直接拉伸、弯折和劈裂与立方体强度的关系直接受拉试验ft考虑到构件和试件的区别，尺寸效应，加荷速度等的影响，取ft=0.395fcu0.55劈裂试验ftsddftsFFFF我国根据150mm立方体的劈裂与立方体抗压试验结果有：fts=0.19fcu3/4双轴应力下的强度1.01.01.21.2-0.2-0.22/fc1/fc拉压/fc/fc0.20.1-0.10.00.61.0单轴抗拉强度单轴抗压强度双向正应力下的强度曲线法向应力和剪应力下的强度曲线2.1.2.复合受力状态下混凝土的强度（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。）1双轴应力状态（1）双向受拉（第一象限）

任意应力比情况下，其强度均与单轴抗拉强度相近。

任意应力比情况下，其强度均不超过相应的单轴强度。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）一轴受压一轴受拉（第二、四象限）双向受压强度大于单向受压强度，最大强度发生在两个压应力之比为0.3~0.6之间，约为(1.25~1.60)fc。（3）双向受压（第三象限）（构件受剪或受扭时常遇到）2剪应力t和正应力s共同作用下的复合受力情况▲混凝土的强度：拉-剪：抗拉、抗剪强度都降低；压-剪：时，抗剪强度随压应力提高而增大；时，抗剪抗压强度均降低。

/fc/fc3、三向受压状态下混凝土的受力特点随着侧向压力的增加，混凝土的强度和应变都显著提高总结：多向受压双向压：强度提高；三向压(约束受压)：强度和延性明显提高，双向受拉:影响不大一拉一压：强度降低剪压或剪拉：剪拉：强度降低剪压：压应力较小：抗剪强度随压应力增加而增大；压应力较大：抗剪强度随压应力的增加而降低(内裂缝影响)。

/fc/fc0.20.1-0.10.00.61.0单轴抗拉强度单轴抗压强度

一次短期荷载下

受力变形长期荷载下砼变形多次重复荷载下收缩变形

体积变形

膨胀变形温度变形2.1.3、混凝土的变形1、一次短期加载下混凝土的变形性能(1)混凝土单轴受压时的应力-应变关系曲线特征

混凝土的应力-应变关系是混凝土力学性能的一个重要方面，是钢筋混凝土结构理论计算的基本依据。

混凝土受压应力-应变关系曲线一般采用圆柱体或棱柱体试件的实验测定，混凝土棱柱体在轴心受压单轴加载下应力-应变关系典型曲线有上升段和下降段两部分组成。02468102030s(MPa)e×10-3BACEDA点以前，微裂缝没有明显发展，混凝土的变形主要弹性变形，应力-应变关系近似直线。A点应力随混凝土强度的提高而增加，对普通强度混凝土sA约为

(0.3~0.4)fc，对高强混凝土sA可达(0.5~0.7)fc。A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。混凝土在结硬过程中，由于水泥石的收缩、骨料下沉以及温度变化等原因，在骨料和水泥石的界面上形成很多微裂缝，成为混凝土中的薄弱部位。混凝土的最终破坏就是由于这些微裂缝的发展造成的。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，裂缝会持续发展最终导致破坏。取B点的应力作为混凝土的长期抗压强度。普通强度混凝土sB约为0.8fc，高强强度混凝土sB可达0.95fc以上。达到C点fc，内部微裂缝连通形成破坏面，应变增长速度明显加快，C点的纵向应变值称为峰值应变

e0，约为0.002。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。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点的应变e=(2~3)e0，应力s=(0.4~0.6)

fc。（2）应力-应变关系的影响因素

影响混凝土应力-应变曲线的因素很多，如混凝上强度、实验方法以及组成材料的性质和配合比等等。强度等级越高，线弹性段越长，峰值应变也有所增大。但高强混凝土中，砂浆与骨料的粘结很强，密实性好，微裂缝很少，最后的破坏往往是骨料破坏，破坏时脆性越显著，下降段越陡。

混凝土应力-应变曲线特征还与实验时加载的速度有关，图3-19给出了相同强度混凝土试件在不同的应变速度下得到的应力—应变曲线。可以看出，应变速度愈大，应力峰值愈大，但达到应力峰值的应变降低了，而且曲线下降段也愈陡，延性愈差。(3)、混凝土单轴受压应力-应变关系曲线的数学模型美国人Hognestad

u=0.00380=0.002ocfcc0.15fc德国人Ruschu=0.00350=0.002ocfcc单轴受压时的应力-应变关系的数学模型——中国规范u0ocfcc(4)、混凝土的变形模量原点弹性模量定义：过原点作切线的斜率取值：变形模量定义：原点和任意点作割线的斜率。关系：弹性特征系数

=1~0.5

切线模量：过任一点作切线的斜率为切线模量剪切模量：根据弹性模量和泊松比确定：

ccccep01cc1cc0cc0cccc11cc1cccc00◆弹性模量测定方法采用棱柱体试件，应力上限取为0.5fc，重复加载5~10次。卸载为0存在残余变形，最终曲线趋近于一条直线，该直线的斜率即为弹性模量。（1）徐变的概念2、荷载长期作用下混凝土的变形性能－－徐变▲凝胶体的塑性流动。▲裂缝的出现与发展。（2）产生徐变的原因混凝土在荷载的长期作用下，其应变或变形随时间增长的现象称为徐变。应变与时间的关系曲线（t0

时刻加载，t时刻卸载）t0elashcrela,ela,,cr,eteeeeee瞬时恢复应变弹性后效残余应变加载瞬时应变

收缩应变

徐变

▲特点：开始快、以后慢；半年完成大部分、一年稳定、三年终止（3）徐变与时间的关系▲不利影响：徐变会使结构（或构件）的变形增大（如挠度）

；引起预应力损失；在长期高应力作用下，甚至会导致破坏。▲有利影响：

有利于结构构件产生内（应）力重分布，降低结构的受力；减小大体积混凝土内的温度应力；受拉徐变可延缓收缩裂缝的出现。（4）徐变对结构的影响▲内在因素：是混凝土的组成和配比。骨料的刚度（弹性模量）越大，体表比越大，徐变就越小;

水灰比越小，水泥用量越少，徐变也越小。▲环境影响：包括养护和使用条件。受荷前养护的温湿度越高，水泥水化作用越充分，徐变就越小。受荷后构件所处的环境温度越高，相对湿度越小，徐变就越大。（5）影响徐变的因素3、混凝土在重复荷载作用下的变形性能－疲劳（1）重复荷载作用下的应力-应变曲线▲疲劳破坏的特征：裂缝小而变形大一次重复加载下加载：随应力增加应变增加卸载：不重复加载轨迹，有弹性后效和残余变形

破坏重复荷载下的应力-应变曲线fcf321疲劳强度<fcfcf的确定原则：100×100×300或150×150×450的棱柱体试块承受200万次（或以上）循环荷载时发生破坏的最大压应力值多次重复加载下

峰值小于疲劳强度：每循环成环，面积逐渐减少，至直线；

峰值大于疲劳强度：开始与小应力的相似；成直线后，凸凹方向改变，斜率降低，裂缝和变形严重

混凝土疲劳破坏：因荷载重复作用而引起的破坏

混凝土疲劳强度：疲劳破坏需要的重复荷载的最小应力峰值

（2）混凝土疲劳强度试验▲标准试件：150×150×300或150×150×450mm

的棱柱体▲200万次▲荷载应力大小，即疲劳应力比值是影响疲劳强度大小的关键因素

▲混凝土疲劳强度fcf

fcf=gr

fc4、混凝土的收缩、膨胀和温度变形收缩：混凝土在空气中结硬时体积缩小干燥失水，水泥用量，水灰比，骨料级配，弹性模量，体积/表面积不利影响：(1)收缩变形收外部或内部的约束时，将使混凝土产生拉应力，甚至引起开裂；(2)预应力混凝土构件产生预应力损失；(3)对跨度敏感的超静定结构会引起不利内力。膨胀：混凝土在水中或处于饱和湿度下结硬时体积增大温度变形：热胀冷缩2

钢筋的物理力学性能一、钢筋的品种（柔性钢筋，劲性钢筋）钢筋热轧钢筋：热轧光圆钢筋HPB300，热轧带肋钢筋HRB335、HRB400，HRB500,细晶粒热轧钢筋HRBF335、HRBF400，HRBF500冷拉钢筋：由热轧钢筋在常温下用机械拉伸而成余热处理钢筋RRB400：钢筋通过加热、淬火、预热处理而成1、按加工方法不同分类钢丝碳素钢丝：高碳镇静钢通过多次冷拔、应力消除、矫正、回火处理而成刻痕钢丝：在钢丝表面刻痕，以增强其与混凝土间的粘结力钢绞线：若干根相同直径的钢丝成螺旋状铰绕在一起冷拔低碳钢丝：由低碳钢冷拔而成钢丝，中强钢丝的强度为800~1200MPa，高强钢丝、钢绞线的为1470~1860MPa；钢丝的直径3~9mm；外形有光面、刻痕和螺旋肋三种，另有二股、三股和七股钢绞线，外接圆直径9.5~15.2mm。中高强钢丝和钢绞线均用于预应力混凝土结构。冷加工钢筋是由热轧钢筋和盘条经冷拉、冷拔、冷轧、冷扭加工后而成。冷加工的目的是为了提高钢筋的强度，节约钢材。但经冷加工后，钢筋的延伸率降低。近年来，冷加工钢筋的品种很多，应根据专门规程使用。

热处理钢筋是将特定强度的热轧钢筋通过加热、淬火和回火等调质工艺处理，使强度得到较大幅度的提高，而延伸率降低不多。用于预应力混凝土结构。热轧钢筋

HotRolledSteelReinforcingBarHPB300、HRB335级、HRBF335、HRB400级、HRBF400、RRB400级、HRB500、HRBF500HPBHotrolledPlainBarHRBHotrolledRibbedBarRRBRolledRibbedBar屈服强度(标准值=钢材废品限值，保证率为97.73%)HPB300级：fy=300N/mm2HRB335级、HRBF335级：fy=335N/mm2

HRB400级、RRB400级、HRBF400级：fy=400N/mm2HRB500级、HRBF500级：fy=500N/mm2按表面形状光圆钢筋带肋钢筋钢筋的应用范围非预应力钢筋：HPB300,HRB335，HRB400，RRB400，HRB500HRBF335,HRBF400,HRBF500预应力钢筋：碳素钢丝，刻痕钢丝，钢绞线，预应力螺纹钢筋2.钢筋的形状及应用范围钢筋的品种热轧钢筋、中高强钢丝和钢绞线、热处理钢筋和冷加工钢筋光圆钢筋：6,8,10,12,14,16,18,20,22带肋钢筋：6,8,10,12,14,16,18,20,22，25,28,32,36,40,503.钢筋的常用直径AB’BCDE上屈服点不稳定下屈服点出现颈缩拉断BC段为屈服平台CD段为强化段标距有明显流幅的钢筋钢筋受压和受拉时的应力-应变曲线几乎相同二、钢筋的强度和变形（拉伸试验）1.钢筋的应力-应变曲线0.2%0.2标距无明显流幅的钢筋钢筋受压和受拉时的应力-应变曲线几乎相同AB’BCDE0.2%0.2（2）刚材的强度指标1.屈服强度；设计时钢材允许达到的最大应力*明显流幅的钢筋：下屈服点B对应的强度作为设计强度的依据，因为，钢筋屈服后会产生大的塑性变形，钢筋混凝土构件会产生不可恢复的变形和不可闭合的裂缝，以至不能使用

*无明显流幅的钢筋：残余应变为0.2%时所对应的应力作为条件屈服强度,随着冶金系统采用国际标准及质量的提高，在相应的产品标准中明确规定屈服强度σ0.2不得小于极限抗拉强度σb的85%（0.85σb）。因此，实际应用中可取极限抗拉强度σb的85%作为条件屈服点强度指标屈服强度有明显流幅的钢材：取屈服点的应力；无有明显流幅的钢材：取条件屈服强度。

极限强度：材料能承受的最大应力，反映安全储备屈强比：屈服强度/极限强度冷弯性能是判断钢材塑性变形能力和冶金质量的综合指标*冷弯要求：将直径为d的钢筋绕直径为D的钢辊弯成一定的角度而不发生断裂

冲击韧性(缺口韧性)：评定带有缺口的钢材在冲击荷载作用下抵抗脆性破坏能力的指标。(3)钢材的塑性指标伸长率（延伸率）截面收缩率：拉断后面积缩小率冷弯性能：以冷弯的角度来衡量sss=Essys,hfysss=Essys,hfyfs,us,us,usss=Essyfys,hfs,u有明显流幅的钢筋无明显流幅的钢筋三、钢筋应力-应变曲线的数学模型1、双直线模型——适用于长流幅软钢2、三折线模型——适用于短流幅软钢3、双斜线模型——适用于无明显流幅硬钢重复荷载作用下，钢筋的强度<静载作用下的强度规定的应力幅度内，经一定次数的重复荷载后，发生疲劳破坏的最大应力值称为疲劳强度。对钢筋用疲劳应力幅来表示其疲劳强度。试验方法单根钢筋的轴拉疲劳钢筋埋入混凝土中重复受拉或受弯2.2.5.钢筋的疲劳疲劳破坏：在动荷载反复、周期性作用下，经过一定次数后突然脆性断裂。疲劳破坏特点：包括裂纹形成，缓慢发展和迅速断裂三个过程没有明显的变形，脆性破坏疲劳强度低于静荷载作用下的极限强度

由钢材内部结构不均匀和应力分布不均引起强度要求：屈服强度和极限强度，抗震设计时还要求有一定的屈强比塑性要求：伸长率和冷弯要求可焊性：评价钢筋焊接后的接头性能的指标。与混凝土的粘结性2.2.6.混凝土结构对钢筋的要求提倡高强、高性能钢筋。一、粘结的意义作用：保证力的相互传递，是共同工作的基本条件

包括裂缝间的局部粘结应力和钢筋端部锚固粘结应力单元分析：假设：一端力T，另端为T+dT根据平衡条件：分析结果

应力变化大，粘结力大；变化小，粘结小；当钢筋应力没有变化时，粘结应力等于零

钢筋直径越大，粘结力越大

2.3

混凝土与钢筋的粘结PP裂缝出现后的粘结作用T两种粘结作用锚固粘结保证钢筋和混凝土共同工作缝间粘结改善钢筋混凝土的耗能性能1.粘结作用有关的设计问题钢筋端部的锚固锚固长度过长时靠近钢筋尾部粘结应力很小，甚至为0裂缝间应力的传递裂缝截面：混凝土拉力为零离开一段距离：混凝土有拉力两条裂缝中间：混凝土拉力最大

二、粘结力的组成化学吸附摩擦机械咬合附加咬合等作用弯钩弯折焊角钢焊短钢筋三、钢筋的锚固钢筋基本锚固长度：受拉钢筋的锚固长度且不小于200mm修正系数，P332.3钢筋与混凝土之间的粘结性能2.3钢筋与混凝土之间的粘结性能2.3.1粘结的意义◆钢筋与混凝土间具有足够的粘结是保证钢筋与混凝土共同受力、变形的基本前提。◆粘结应力通常是指钢筋与混凝土界面间的剪应力。锚固粘结裂缝间粘结粘结的作用1、锚固粘结锚固粘结应力受拉钢筋，在支座处必须要有足够的锚固长度，才能通过在锚固长度上粘结应力的积累，使钢筋中建立能发挥钢筋强度的应力。2、裂缝间粘结梁开裂后，混凝土开裂前承受的拉力通过粘结应力传递给钢筋，从而使裂缝处钢筋应力增大，这种粘结应力称为局部粘结应力，其作用是使裂缝之间的混凝土参与受拉。2.3.2粘结力的组成粘结力的组成：（１）化学胶结力：钢筋与混凝土接触面上的化学吸附作用力（２）摩擦力：混凝土收缩后将钢筋紧紧地握裹住而产生的力（３）机械咬合力：钢筋表面凹凸不平与混凝土产生的机械咬合作用而产生的力（4）钢筋端部的锚固力：一般是用在钢筋端部弯钩、弯折，在锚固区焊短钢筋、短角钢等方法来提供锚固力◆对于光面钢筋，表面轻度锈蚀有利于增加摩擦力，但摩擦作用也很有限。◆由于光面钢筋表面的自然凹凸程度很小，机械咬合作用也不大。因此，光面钢筋与混凝土的粘结强度是较低的。◆为保证光面钢筋的锚固，通常需在钢筋端部弯钩、弯折或加焊短钢筋以阻止钢筋与混凝土间产生较大的相对滑动。当钢筋与混凝土产生相对滑移后，胶结作用丧失。◆将钢筋表面轧制出肋形成带肋钢筋，即变形钢筋，可显著增加钢筋与混凝土的机械咬合作用，从而大大增加了粘结强度。◆对于强度较高的钢筋，均需作成变形钢筋，以保证钢筋与混凝土间具有足够的粘结强度使钢筋的强度得以充分发挥。◆变形钢筋受力后，其凸出的肋对混凝土产生斜向挤压力，◆其水平分力使钢筋周围的混凝土轴向受拉、受剪，径向分力使混凝土产生环向拉力。◆轴向拉力和剪力使混凝土产生内部斜向锥形裂缝，◆环向拉力使混凝土产生内部径向裂缝。◆当混凝土保护层和钢筋间距较小时，径向裂缝可发展达到构件表面，产生劈裂裂缝，机械咬合作用将很快丧失，产生劈裂式粘结破坏。◆在钢筋周围配置横向钢筋（箍筋或螺旋钢筋）或增加混凝土的保护层厚度（c/d），可提高粘结强度。◆如果钢筋周围的横向钢筋较多或混凝土的保护层（c/d）较大，径向裂缝很难发展达到构件表面，则肋前部的混凝土在水平分力和剪力作用下最终将被挤碎，发生沿肋外径圆柱面的剪切破坏，形成所谓的“刮梨式”破坏，◆“刮梨式”破坏是变形钢筋与混凝土粘结强度的上限。2.3.3粘结强度BondStrength

粘结应力-滑移关系τ-s曲线（与粘结应力对应的变形是钢筋与混凝土之间的相对滑移）图2-26τ-s曲线(a)光圆钢筋的τ-s曲线；(b)带肋钢筋的τ-s曲线4、影响粘结强度的因素混凝土的强度钢筋的粘结强度均随混凝土的强度提高而提高。保护层厚度和钢筋净间距混凝土保护层厚度和钢筋之间净距离越大，劈裂抗力越大，粘结强度越高。横向钢筋横向钢筋限制了径向裂缝的发展，可使粘结强度提高。钢筋表面和外形特征钢筋端部的弯钩，弯折及附加锚固措施（如焊钢筋和焊钢板等）可以提高锚固粘结能力保证可靠粘结的构造措施钢筋之间的距离和混凝土保护层不能太小在同等钢筋面积的条件下，宜优先采用小直径的变形钢筋，来增加局部粘结作用和减少裂缝宽度。光面钢筋粘结性能差，应在钢筋末端设弯钩，增大其锚固粘结能力。要有足够的锚固和搭接长度。钢筋的锚固和搭接长度与混凝土的强度，钢