第二章混凝土结构材料的物理力学性能

混凝土结构设计原理DesignPrincipleforConcreteStructure第二章混凝土结构材料的物理力学性能第二章钢筋和混凝土的材料性能2.1混凝土的物理力学性能2.1混凝土的物理力学性能2.1.1混凝土的组成结构通常把混凝土的结构分为三种类型：Ａ.微观结构：也即水泥石结构，包括水泥凝胶、晶体骨架、未水化完的水泥颗粒和凝胶孔组成。Ｂ.亚微观结构：即混凝土中的水泥砂浆结构。Ｃ.宏观结构：即砂浆和粗骨料两组分体系。注意：1.骨料的分布及骨料与基相之间在界面的结合强度是影响混凝土强度的重要因素；

2.在荷载的作用下，微裂缝的扩展对混凝土的力学性能有着极为重要的影响。第二章钢筋和混凝土的材料性能2.1混凝土2.1.2单轴应力状态下的混凝土强度混凝土结构中，主要是利用它的抗压强度。因此抗压强度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抗压强度来划分的2.1混凝土的物理力学性能（1）单向受力状态下混凝土的强度

1）立方体抗压强度：边长为150mm的混凝土立方体试件，在标准条件下（温度为20±3℃，湿度≥90%）养护28天，用标准试验方法（加载速度0.15~0.3N/mm2/s，两端不涂润滑剂）测得的具有95%保证率的抗压强度，用符号C表示。

《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。2）轴心抗压强度

按标准方法制作的150mm×l50mm×300mm的棱柱体试件，在温度为20土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。对于同一混凝土，棱柱体抗压强度小于立方体抗压强度。

考虑到实际结构构件制作、养护和受力情况，实际构件强度与试件强度之间存在差异，《规范》基于安全取偏低值，规定轴心抗压强度标准值和立方体抗压强度标准值的换算关系为：2.1混凝土的物理力学性能

式中：

k１为棱柱体强度与立方体强度之比，对不大于C50级的混凝土取0.76，对C80取0.82，其间按线性插值。k2为高强混凝土的脆性折减系数，对C40取1.0，对C80取0.87，中间按直线规律变化取值。0.88为考虑实际构件与试件混凝土强度之间的差异而取用的折减系数。

fcu,k立方体强度标准值即为混凝土强度等级fcu。2.1混凝土的物理力学性能3）轴心抗拉强度

混凝土的轴心抗拉强度可以采用直接轴心受拉的试验方法来测定，但由于试验比较困难，目前国内外主要采用圆柱体或立方体的劈裂试验来间接测试混凝土的轴心抗拉强度。2.1混凝土的物理力学性能劈拉试验FaF拉压压第二章钢筋和混凝土的材料性能2.1混凝土的物理力学性能《混凝土结构设计规范》规定轴心抗拉强度标准值与立方体抗压强度标准值的换算关系为：混凝土轴心抗拉强度与立方体抗压强度的关系

在平面应力状态下，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，其存在可提高混凝土的抗剪强度，拉应力的存在会降低混凝土的抗剪强度。剪应力的存在降低混凝土的抗压和抗拉强度。

侧向压应力的存在可提高混凝土的抗压强度，关系为:

式中——被约束混凝土的轴心抗压强度；

——非约束混凝土的轴心抗压强度；

——侧向约束压应力。

侧向压应力的存在还可提高混凝土的延性。

（3）复合受力状态下混凝土的强度第二章钢筋和混凝土的材料性能2.1.3复杂应力下混凝土的受力性能◆双轴应力状态实际结构中，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。双向受压强度大于单向受压强度，最大受压强度发生在两个压应力之比为0.3~0.6之间，约(1.25~1.60)fc。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混凝土的物理力学性能第二章钢钢筋和混凝土土的材料性能能在一轴受压一一轴受拉状态态下，任意应应力比情况下下均不超过其其相应单轴强强度。并且抗抗压强度或抗抗拉强度均随随另一方向拉拉应力或压应应力的增加而而减小。◆双轴应力状态态2.1混凝土的物理理力学性能实际结构中，，混凝土很少少处于单向受受力状态。更更多的是处于于双向或三向受力状态。2.1.3复杂应力下混混凝土的受力力性能第二章钢钢筋和混凝土土的材料性能能构件受剪或受受扭时常遇到到剪应力t和正应力s共同作用下的的复合受力情情况。混凝土的抗剪剪强度：随拉应力增大大而减小随压应力增大大而增大当压应力在0.6fc左右时，抗剪剪强度达到最最大，压应力继续增增大，则由于于内裂缝发展展明显，抗剪剪强度将随压压应力的增大大而减小。2.1混凝土的物理理力学性能第二章钢钢筋和混凝土土的材料性能能◆三轴应力状态态三轴应力状态态有多种组合合，实际工程程遇到较多的的螺旋箍筋柱柱和钢管混凝凝土柱中的混混凝土为三向向受压状态。。三向受压试试验一般采用用圆柱体在等等侧压条件进进行。2.1混凝土的物理力力学性能

由试验得到的经验公式为:

式中——被约束混凝土的轴心抗压强度；

——非约束混凝土的轴心抗压强度；

——侧向约束压应力。

侧向压应力的存在还可提高混凝土的延性。

第二章钢筋筋和混凝土的材材料性能2.1混凝土2.1.4混凝土的变形1、单轴受压应力力-应变关系混凝土单单轴受力力时的应应力-应变关系系反映了了混凝土土受力全全过程的的重要力力学特征征,是分析混混凝土构构件应力力、建立立承载力力和变形形计算理理论的必必要依据据，也是是利用计计算机进进行非线线性分析析的基础础。混凝土单单轴受压压应力-应变关系系曲线，，常采用用棱柱体体试件来来测定。。在普普通试验验机上采采用等应力速速度加载，达达到轴心心抗压强强度fc时，试验验机中集集聚的弹弹性应变变能大于于试件所所能吸收收的应变变能，会会导致试试件产生生突然脆脆性破坏坏，只能能测得应应力-应变曲线线的上升段。采用等应变速速度加载，或或在试件件旁附设设高弹性性元件与与试件一一同受压压，以吸吸收试验验机内集集聚的应应变能，，可以测测得应力力-应变曲线线的下降段。2.1混凝土的的物理力力学性能能第二章钢钢筋筋和混凝凝土的材材料性能能2.1混凝土2.1混凝土的的物理力力学性能能02468102030s(MPa)e×10-3第二章钢钢筋筋和混凝凝土的材材料性能能2.2混凝土BACEDA点以前，微裂缝缝没有明明显发展展，混凝凝土的变变形主要要弹性变变形，应应力-应变关系系近似直直线。A点应力随随混凝土土强度的的提高而而增加，，对普通通强度混混凝土sA约为(0.3~0.4)fc，对高强强混凝土土sA可达(0.5~0.7)fc。A点以后，由于微微裂缝处处的应力力集中，，裂缝开开始有所所延伸发发展，产产生部分分塑性变变形，应应变增长长开始加加快，应应力-应变曲线线逐渐偏偏离直线线。微裂裂缝的发发展导致致混凝土土的横向向变形增增加。但但该阶段段微裂缝缝的发展展是稳定定的。混凝土在结硬硬过程中，由由于水泥石的的收缩、骨料料下沉以及温温度变化等原原因，在骨料料和水泥石的的界面上形成成很多微裂缝缝，成为混凝凝土中的薄弱弱部位。混凝凝土的最终破破坏就是由于于这些微裂缝缝的发展造成成的。达到B点，内部一些些微裂缝相互互连通，裂缝缝发展已不稳稳定，横向变变形突然增大大，体积应变变开始由压缩缩转为增加。。在此应力的的长期作用下下，裂缝会持持续发展最终终导致破坏。。取B点的应力作为为混凝土的长长期抗压强度度。普通强度度混凝土sB约为0.8fc，高强强度混混凝土sB可达0.95fc以上。达到C点fc，内部微裂缝缝连通形成破破坏面，应变变增长速度明明显加快，C点的纵向应变变值称为峰值值应变e0，约为0.002。纵向应变发展展达到D点，内部裂缝缝在试件表面面出现第一条条可见平行于于受力方向的的纵向裂缝。。随应变增长，，试件上相继继出现多条不不连续的纵向向裂缝，横向向变形急剧发发展，承载力力明显下降，，混凝土骨料料与砂浆的粘粘结不断遭到到破，裂缝连连通形成斜向向破坏面。E点的应变e=(2~3)e0，应力s=(0.4~0.6)fc。2.1混凝土的物理理力学性能第二章钢钢筋和混凝土土的材料性能能2.1混凝土不同强度混凝凝土的应力-应变关系曲线线强度等级越高高，线弹性段段越长，峰值值应变也有所所增大。但高高强混凝土中中，砂浆与骨骨料的粘结很很强，密实性性好，微裂缝缝很少，最后后的破坏往往往是骨料破坏坏，破坏时脆脆性越显著，，下降段越陡陡。2.1混凝土的物理理力学性能2.1混凝土第二章钢钢筋和混凝土土的材料性能能◆Hognestad建议的应力-应变曲线2.1混凝土的物理理力学性能第二章钢钢筋和混凝土土的材料性能能◆《规范》应力-应变关系上升段：下降段：2.1混凝土2.1混凝土的物理理力学性能第二章钢钢筋和混凝土土的材料性能能2、混凝土的变变形模量弹性模量变形模量切线模量2.1混凝土2.1混凝土的物理理力学性能第二章钢钢筋和混凝土土的材料性能能◆弹性模量测定定方法2.1混凝土2.1混凝土的物理理力学性能第二章钢钢筋和混凝土土的材料性能能2.1混凝土2.1.5混凝土的收缩缩和徐变1、混凝土的收收缩混凝土在空气气中硬化时体体积会缩小，，这种现象称称为混凝土的的收缩。收缩是混凝土土在不受外力力情况下体积积变化产生的的变形。当这种自发的的变形受到外外部（支座））或内部（钢钢筋）的约束束时，将使混凝土中中产生拉应力力，甚至引起起混凝土的开开裂。混凝土土收缩会使预预应力混凝土土构件产生预预应力损失。。2.1混凝土的物理理力学性能第二章钢钢筋和混凝土土的材料性能能2.1混凝土◆影响因素混凝土的收缩缩受结构周围围的温度、湿湿度、构件断断面形状及尺尺寸、配合比比、骨料性质质、水泥性质质、混凝土浇浇筑质量及养养护条件等许许多因素有关关。（1）水泥的品种种：水泥强度度等级越高，，制成的混凝凝土收缩越大大。（2）水泥的用量量：水泥用量多、、水灰比越大大，收缩越大大。（3）骨料的性质质：骨料弹性模量量高、级配好好，收缩就小小。（4）养护条件：：干燥失水及高高温环境，收收缩大。（5）混凝土制作作方法：混凝土越密实实，收缩越小小。（6）使用环境：：使用环境温度度、湿度越大大，收缩越小小。（7）构件的体积积与表面积比比值：比值大时，收收缩小。2.1混凝土的物理理力学性能第二章钢钢筋和混凝土土的材料性能能2.1混凝土2、混凝土的徐徐变混凝土在荷载载的长期作用用下，其变形形随时间而不不断增长的现现象称为徐变变。徐变对混凝土土结构和构件件的工作性能能有很大影响响。由于混凝凝土的徐变，，会使构件的的变形增加，，在钢筋混凝凝土截面中引引起应力重分分布，在预应应力混凝土结结构中会造成成预应力的损损失。混凝土的徐变变特性主要与与时间参数有有关。2.1混凝土的物理理力学性能第二章钢钢筋和混凝土土的材料性能能2.1混凝土在应力（≤0.5fc）作用瞬间，，首先产生瞬瞬时弹性应变eel（=si/Ec(t0)，t0加荷时的龄期期）。随荷载作用时时间的延续，，变形不断增增长，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。2.1混凝土的物理理力学性能第二章钢钢筋和混凝土土的材料性能能2.1混凝土记(t-t0)时间后的总应应变为ec(t,t0)，此时混凝土土的收缩应变变为esh(t，t0)，则徐变为，，ecr(t,t0)=ec(t,t0)-ec(t0)-esh(t,t0)=ec(t,t0)-eel-esh(t,t0)2.1混凝土的物理理力学性能第二章钢钢筋和混凝土土的材料性能能2.1混凝土如在时间t卸载，则会产产生瞬时弹性恢复复应变eel'。由于混凝土土弹性模量随随时间增大，，故弹性恢复应变变eel'小于加载时的的瞬时弹性应变变eel。再经过一段段时间后，还还有一部分应应变eel''可以恢复，称称为弹性后效或徐变恢复，但仍有不可可恢复的残留留永久应变ecr'2.1混凝土的物理理力学性能第二章钢钢筋和混凝土土的材料性能能2.1混凝土◆影响因素内在因素是混凝土的组组成和配比。。骨料(aggregate)的刚度（弹性性模量）越大大，体积比越越大，徐变就就越小。水灰灰比越小，徐徐变也越小。。环境影响包括养护和使使用条件。受受荷前养护(curing)的温湿度越高高，水泥水化化作用月充分分，徐变就越越小。采用蒸蒸汽养护可使使徐变减少（（20~35）%。受荷后构构件所处的的环境温度度越高，相相对湿度越越小，徐变变就越大。。2.1混凝土的物物理力学性性能第二章钢钢筋和混混凝土的材材料性能2.1混凝土3、混凝土在在荷载重复复作用下的的变形（疲疲劳变形））◆疲劳强度混凝土的疲疲劳强度由由疲劳试验验测定。采采用100mm×100mm×300mm或着150mm×150mm×450mm的棱柱体，，把棱柱体体试件承受受200万次或其以以上循环荷荷载而发生生破坏的压压应力值称称为混凝土的疲疲劳抗压强强度。◆影响因素施加荷载时时的应力大大小是影响响应力-应变曲线不不同的发展展和变化的的关键因素素，即混凝凝土的疲劳劳强度与重重复作用时时应力变化化的幅度有有关。在相同的重重复次数下下，疲劳强强度随着疲疲劳应力比比值的增大大而增大。。2.1混凝土的物物理力学性性能第二章钢钢筋和混混凝土的材材料性能2.1混凝土混凝土在荷荷载重复作作用下的应应力-应变关系2.1混凝土的物物理力学性性能第二章钢钢筋和混混凝土的材材料性能2.2钢筋2.2钢筋2.2.1钢筋的品种种和级别热轧钢筋、、中高强钢钢丝和钢绞绞线、热处处理钢筋和和冷加工钢钢筋第二章钢钢筋和混混凝土的材材料性能2.2钢筋热轧钢筋的的分类HPB235级、HRB335级、HRB400级、RRB400级屈服强度fyk（标准值=钢材废品限限值，保证证率97.73%）HPB235级：fyk=235N/mm2HRB335级：fyk=335N/mm2HRB400级、RRB400级：fyk=400N/mm2第二章钢钢筋和混混凝土的材材料性能2.2钢筋HPB235级(Ⅰ级)钢筋多为光面钢钢筋，多作为现浇楼板板的受力钢筋和和箍筋。HRB335级(Ⅱ级)和HRB400级(Ⅲ级)钢筋强度较高，多作为钢筋混凝土土构件的受力钢钢筋，尺寸较大大的构件，也有有用Ⅱ级钢筋作箍筋以以增强与混凝土的的粘结，外形制制作成月牙肋或或等高肋的变形形钢筋。RRB400级(Ⅳ级)钢筋强度太高，不不适宜作为钢钢筋混凝土构构件中的配筋筋，一般冷拉后作作预应力筋。。延伸率d5=25、16、14、10%，直径8~40。第二章钢钢筋和混凝土土的材料性能能2.2钢筋钢丝，中强钢丝的强强度为800~1200MPa，高强钢丝、、钢绞线的为为1470~1860MPa；延伸率d10=6%，d100=3.5~4%；钢丝的直径径3~9mm；外形有光面面、刻痕和螺螺旋肋三种，，另有二股、、三股和七股股钢绞线，外外接圆直径9.5~15.2mm。中高强钢丝丝和钢绞线均均用于预应力力混凝土结构构。冷加工钢筋是由热轧钢筋和盘盘条经冷拉、冷拔拔、冷轧、冷扭加加工后而成。冷加加工的目的是为了了提高钢筋的强度度，节约钢材。但经冷加工后，钢钢筋的延伸率降低低。近年来，冷加工钢钢筋的品种很多，，应根据专门规程程使用。热处理钢筋是将Ⅳ级钢筋通过加热、、淬火和回火等调调质工艺处理，使使强度得到较大幅幅度的提高，而延延伸率降低不多。。用于预应力混凝凝土结构。se第二章钢钢筋筋和混凝凝土的材材料性能能2.2钢筋2.2.2钢筋的强强度与变变形◆有明显屈屈服点的的钢筋a’abcdefua´为比例极限oa为弹性阶段de为强化阶段b为屈服上限c为屈服下限，即屈服强度fycd为屈服台阶e为极限抗拉强度fu

fyfef为颈缩阶阶段第二章钢钢筋筋和混凝凝土的材材料性能能2.2钢筋几个指标标：屈服强度度：是钢筋强强度的设设计依据据，因为钢钢筋屈服服后将发发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复，这会使钢钢筋混凝土土构件产生生很大的变变形和不可可闭合的裂裂缝。屈服服上限与加加载速度有有关，不太太稳定，一一般取屈服服下限作为为屈服强度度。延伸率率：钢筋拉断断后的伸长长值与原长长的比率，，是反映钢钢筋塑性性性能的指标标。延伸率率大的钢筋筋，在拉断断前有足够够预兆，延延性较好。。屈强比比：反映钢筋的的强度储备备，fy/fu=0.6~0.7。第二章钢钢筋和混混凝土的材材料性能2.2钢筋有明显屈服服点钢筋的的应力-应变关系一般可采用用双线性的的理想弹塑塑性关系1Es第二章钢钢筋和混混凝土的材材料性能2.2钢筋◆无明显屈服服点的钢筋筋a点：比例极极限，约为为0.65fua点前：应力力-应变关系为为线弹性a点后：应力力-应变关系为为非线性，，有一定塑塑性变形，，且没有明明显的屈服服点强度设计指指标——条件屈服点点残余应变为为0.2%所对应的应应力《规范》取s0.2=0.85fu第二章钢钢筋和混混凝土的材材料性能2.2钢筋1）强度：要求钢筋筋有足够的的强度和适适宜的强屈屈比(极限强度与与屈服强度度的比值)。例如，对对抗震等级级为一、二二级的框架架结构，其其纵向受力力钢筋的实实际强屈比比不应小于于1.25。2）塑性：要求钢筋筋应有足够够的变形能能力。3）可焊性：要求钢筋筋焊接后不不产生裂缝缝和过大的的变形，焊焊接接头性性能良好。。4）与混凝土的的粘结力：要求钢筋筋与混凝土土之间有足足够的粘结结力，以保保证两者共共同工作。。2.2.3混凝土结构构对钢筋性性能的要求求第二章钢钢筋和混混凝土的材材料性能2.3混凝土与钢钢筋的粘结结2.3混凝土与钢钢筋的粘结结2.3.1粘结的意义义粘结和锚固固是钢筋和和混凝土形形成整体、、共同工作作的基础钢筋与混凝土之之间粘结应力示示意图（a）锚固粘结应力力（（b）裂缝间的局部部粘结应力第二章钢筋筋和混凝土的材材料性能2.3混凝土与钢筋的的粘结2.3混凝土与钢筋的的粘结2.3.2粘结力的形成◆光圆钢筋与变形形钢筋具有不同同的粘结机理，，其粘结作用主主要由三部分组组成：（１）钢筋与混混凝土接触面上上的化学吸附作作用力（胶结力力）。一般很小小，仅在受力阶阶段的局部无滑滑移区域起作用用，当接触面发发生相对滑移时时，该力即消失失。（２）混凝土土收缩握裹钢钢筋而产生的的摩阻力。（３）钢筋表表面凹凸不平平与混凝土之之间产生的机机械咬合作用用力（咬合力力）。对于光光圆钢筋，这这种咬合力来来自于表面的的粗糙不平。。第二章钢筋筋和混凝土的材材料性能2.3混凝土与钢筋的的粘结2.3混凝土与钢筋的的粘结◆变形钢筋与混凝凝土之间的机械械咬合作用主要要是由于变形钢钢筋肋间嵌入混混凝土而产生的的。变形钢筋和混凝凝土的机械咬合合作用第二章钢筋筋和混凝土的材材料性能2.3混凝土与钢筋的的粘结2.3混凝土与钢筋的的粘结2.3.3粘结强度◆测试第二章钢筋筋和混凝土的材材料性能2.3混凝土与钢筋的的粘结2.3混凝土与钢筋的的粘结◆计算公式式中N—钢筋的拉力；ｄｄ—钢筋的直径；ｌｌ—粘结的长度。第二章钢筋筋和混凝土的材材料性能2.3混凝土与钢筋的的粘结2.3混凝土与钢筋的的粘结◆不同强度混凝土土的粘结应力和和相对滑移的关关系第二章钢筋筋和混凝土的材材料性能2.3混凝土与钢筋的的粘结2.3混凝土与钢筋的的粘结2.3.4影响粘结的因素素影响钢筋与混凝凝土粘结强度的的因素很多，主主要有混凝土强度、保护层厚度及钢筋净间距、横向配筋及侧向压应力，以及浇筑混凝土时钢钢筋的位置等。Ａ