混凝土结构原理材料性能

混凝土结构原理材料性能第一页，共79页。第二章

混凝土与钢筋的基本性能第二页，共79页。本章主要论述混凝土的力学性能（混凝土的立方体抗压强度、轴心抗压强度、轴心抗拉强度；混凝土的变形和混凝土的选用）和钢筋的力学性能。讨论了钢筋与混凝土之间的相互作用——粘结力。它们是学习混凝土结构设计原理和构造要求的基础。本章提要第三页，共79页。钢筋混凝土两者间的粘结强度变形粘结破坏的过程和机理第四页，共79页。2.1混凝土材料混凝土材料是由水泥、砂、石子和水按一定比例组成，经凝结和硬化形成的，是一种多相复合材料。混凝土具有不同的尺度特征，分为微观结构、亚微观结构和宏观结构。2.1.1混凝土材料的组成、结构及性能第五页，共79页。微观结构（水泥石结构）由水泥凝胶、晶体骨架，未水化完的水泥颗粒和凝胶孔组成，其物理力学性能取决于水泥的化学与矿物成分、粉磨细度、水胶比和凝结硬化条件等。亚微观结构（混凝土中的水泥砂浆结构）可看作以水泥石为基相、砂子为分散相的二组分混凝土体系，砂子和水泥石的结合面是薄弱面。砂浆的配合比、砂的颗粒级配与矿物组成、砂粒形状、颗粒表面特性及砂中杂质的含量是影响物理力学性能的重要因素。第六页，共79页。宏观结构（砂浆和粗骨料两组分体系）可视为水泥作为基相，粗集料随机分布在连续的水泥砂浆中。对于普通混凝土而言，粗集料的强度远比混凝土强度要高。因此，普通混凝土破坏后，其中的粗集料一般无破损迹象，裂缝和破碎都发生在粗集料表面和水泥砂浆内部，这说明砂浆与粗集料界面是普通混凝土内的最薄弱环节。第七页，共79页。2.1.2混凝土的强度1.混凝土的立方抗压强度fcu

及强度等级。（1）混凝土的立方抗压强度确定方法：用边长为150mm的标准立方体试件，在标准养护条件下（温度20±3℃，相对湿度不小于90%）养护28天后，按照标准试验方法（试件的承压面不涂润滑剂，加荷速度约每秒0.3～0.5N/mm2）测得的具有95%保证率的抗压强度，作为混凝土的立方抗压强度标准值，用符号fcu,k表示。混凝土立方抗压强度（点击播放视频）第八页，共79页。（2）混凝土的强度等级根据立方体抗压强度标准值fcu,k的大小，混凝土强度等级分C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75、C80共14级。其中，C50~C80属高强混凝土。

与原《规范GBJ10-89》相比，混凝土强度等级范围由C60提高到C80，C50以上为高强混凝土。第九页，共79页。立方体抗压强度的试验尺寸效应及摩擦力的影响立方体抗压试验不能代表混凝土在实际构件中的受力状态，只是用来在同一标准条件下比较混凝土强度水平和品质的标准（制作、测试方便）第十页，共79页。立方体抗压强度的换算关系抗压强度试件应符合下列规定：1边长为150mm的立方体试件是标准试件。2边长为l00mm的立方体试件是非标准试件。3西方国家常采用φ150mm×300mm的圆柱体标准试件。第十一页，共79页。如果实验使用的为非标准试件，则计算结果应乘换算系数试件尺寸换算关系边长150mm的立方体边长100mm的立方体φ150mm×300mm的圆柱体第十二页，共79页。2.轴心抗压强度轴心抗压强度采用棱柱体试件测定，用符号fc表示，它比较接近实际构件中混凝土的受压情况。棱柱体试件高宽比一般为h/b=2~3，我国通常取150mm×150mm×300mm的棱柱体试件。混凝土轴心抗压强度第十三页，共79页。混凝土的轴心抗压强度标准值按下式计算：影响因素：材料成分、养护、龄期、实验方法和试件尺寸换算系数：小于等于C50时，取0.76；

C80时，取0.82；其间按线性插值计算考虑混凝土脆性的折减系数，小于C40时，不折减取1.0；

C80时，取0.87，其间按线性插值计算（2-8）第十四页，共79页。3.轴心抗拉强度也是混凝土的基本力学性能，用符号

ft

表示。混凝土构件开裂、裂缝、变形，以及受剪、受扭、受冲切等的承载力均与抗拉强度有关。混凝土的抗拉强度可采用尺寸为100×100×500mm的柱体试件进行直接轴心受拉试验，但其准确性较差。第十五页，共79页。拉压压劈拉试验aPP由于轴心受拉试验对中困难，也常常采用立方体或圆柱体劈拉试验测定混凝土的抗拉强度。第十六页，共79页。

混凝土的抗拉强度可采用尺寸为100×100×500mm的柱体试件进行直接轴心受拉试验，但其准确性较差。故国内为多采用圆柱体或立方体的劈裂试验来间接测定。混凝土轴心抗拉强度标准值按下式计算：

(2-9)第十七页，共79页。2.3混凝土的破坏机理

A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

到达B点以后，混凝土产生部分塑性变形，应力－应变逐渐偏离直线。B点时的裂缝发展已不稳定，试件的横向变形突然增大，常取sB作为混凝土的长期抗压强度；普通强度混凝土sB约为0.8fc

，高强混凝土sB可达0.95fc

到达C点时，内部微裂缝连通形成破坏面，试件承载力开始减小而进入下降段。C点时的应力称为峰值应力，即为混凝土棱柱体抗压强度；相应的纵向压应变称为峰值应变，约为0.002。继续发展至D点时，破坏面初步形成。E点以后，纵向裂缝形成一个斜向的破坏面，此破坏面在正应力和剪应力的作用下形成破坏带。此时试件的强度由破坏面上骨料间的摩阻力提供。随着应变进一步发展，摩阻力不断下降，试件的残余强度约为0.1~0.4fc第十八页，共79页。由上述混凝土的破坏机理可知，微裂缝的发展导致横向变形的增大。对横向变形加以约束，就可以限制微裂缝的发展，从而可提高混凝土的抗压强度。约束混凝土可以提高混凝土的强度，但更值得注意的是可以提高混凝土的变形能力，这一点对于抗震结构非常重要。第十九页，共79页。2.4混凝土的变形

混凝土的变形有两类：

一类是受力变形,包括一次短期加荷时的变形、多次重复加荷时的变形和长期荷载作用下的变形；另一类是体积变形，包括收缩、膨胀和温度变形。第二十页，共79页。2.4混凝土的变形混凝土在一次短期加载时的变性性能

混凝土单轴受力时的应力-应变关系反映了混凝土受力全过程的重要力学特征，是分析混凝土构件应力、建立承载力和变形计算理论的必要依据，也是利用计算机进行非线性分析的基础。混凝土单轴受压应力-应变关系曲线，常采用棱柱体试件来测定。

第二十一页，共79页。

在普通试验机上采用等应力速度加载，达到轴心抗压强度fc时，试验机中集聚的弹性应变能大于试件所能吸收的应变能，会导致试件产生突然脆性破坏，只能测得应力-应变曲线的上升段。采用等应变速度加载，或在试件旁附设高弹性元件与试件一同受压，以吸收试验机内集聚的应变能，可以测得应力-应变曲线的下降段。第二十二页，共79页。2.4.1混凝土应力－应变关系强度等级越高，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。第二十三页，共79页。数学模型

（我国规范）公式2-12普通混凝土：(C50以下)0=0.002，－对应混凝土压应力刚达到fc

时的混凝土压应变cu=0.002(均匀压),0.0033(不均匀压、弯)－混凝土极限压应变

n=2；－与混凝土强度等级有关的系数高强混凝土(C50以上)5,010)50(5.0002.0-x-+=kcufe)50(6012,--=kcufn5,10)50(0033.0-x--=kcucufe

混凝土立方体抗压强度标准值第二十四页，共79页。=γEc弹性模量变形模量2.4.2混凝土的变形模量第二十五页，共79页。弹性模量的测定方法第二十六页，共79页。2.4.3混凝土受拉应力-应变关系混凝土受拉的应力应变关系与受压的非常相似，见图2-11，,只是峰值应力与峰值应变非常小。第二十七页，共79页。2.4.4重复荷载下混凝土性能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

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：疲劳破坏需要重复荷载的最小应力峰值第二十八页，共79页。2.4.4重复荷载下混凝土性能用抗压强度乘以疲劳强度修正系数混凝土的抗压疲劳强度修正系数与疲劳应力有关，应力比越大，修正系数越大，具体数值见《规范》的相应规定或附录3、4。第二十九页，共79页。2.4.4重复荷载下混凝土性能第三十页，共79页。2.4.4重复荷载下混凝土性能第三十一页，共79页。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。混凝土在长期不变荷载的作用下，其变形随时间而不断增长的现象称为徐变。2.4.5混凝土的收缩和徐变第三十二页，共79页。混凝土的收缩是随时间而增长的变形，早期收缩变形发展较快，两周可完成全部收缩的25%，一个月可完成50%，以后变形发展逐渐减慢，整个收缩过程可延续两年以上。通常，最终收缩应变值约为(2~5)×10-4

，而混凝土开裂应变为(0.5~2.7)×10-4，说明收缩会导致开裂。(1)混凝土的收缩Shrinkage第三十三页，共79页。混凝土收缩包括凝缩和干缩两部分，凝缩是由于水泥结晶体比原材料的体积小；干缩是混凝土内自由水分蒸发引起的。第三十四页，共79页。混凝土的收缩受结构周围的温度、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：水泥强度高,水泥用量多、水灰比越大，收缩越大；骨料弹性模量高、级配好，收缩就小；干燥失水及高温环境，收缩大；小尺寸构件收缩大，大尺寸构件收缩小；高强混凝土收缩大。影响收缩的因素多且复杂，要精确计算尚有一定的困难。在实际工程中，要采取一定措施减小收缩应力的不利影响。混凝土收缩的影响因素当这种自发的变形受到外部（支座）或内部（钢筋）的约束时，将使混凝土中产生拉应力，甚至引起混凝土的开裂。混凝土收缩会使预应力混凝土构件产生预应力损失。第三十五页，共79页。混凝土的收缩变形养护条件好，使用环境湿度大，收缩小第三十六页，共79页。随荷载作用时间的延续，变形不断增长，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。瞬时恢复弹性后效残余应变收缩应变徐变应变瞬时应变徐变会使结构（构件）的（挠度）变形增大，引起预应力损失，在长期高应力作用下，甚至会导致破坏。(7)混凝土的徐变Creep第三十七页，共79页。与混凝土的收缩一样，徐变也与时间有关。因此，在测定混凝土的徐变时，应同批浇筑同样尺寸不受荷的试件，在同样环境下同时量测混凝土的收缩变形，从徐变试件的变形中扣除对比的收缩试件的变形，才可得到徐变变形。第三十八页，共79页。徐变有利于结构构件产生内（应）力重分布，降低结构的受力（如支座不均匀沉降），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。徐变系数（CreepCoefficient）第三十九页，共79页。

徐变与混凝土持续应力大小有密切关系，应力越大徐变也越大；(图)

混凝土加载龄期越长，徐变越小；(图)

水泥含量越大，徐变越大；骨料弹性模量高、级配好，徐变就小；干燥失水及高温环境，徐变大；高强混凝土徐变小。混凝土徐变的影响因素产生徐变的主要原因是水泥凝胶体和内部微裂缝的扩展第四十页，共79页。线性徐变第四十一页，共79页。第四十二页，共79页。2.5复杂应力状态下混凝土的力学性能实际结构中，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。如剪力和扭矩作用下的构件、弯剪扭和压弯剪扭构件、混凝土拱坝、核电站安全壳等。第四十三页，共79页。双轴应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，约为(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。第四十四页，共79页。构件受剪或受扭时常遇到剪应力t和正应力s共同作用下的复合受力情况。混凝土的抗剪强度：随拉应力增大而减小，随压应力增大而增大当压应力在0.6fc左右时，抗剪强度达到最大，压应力继续增大，则由于内裂缝发展明显，抗剪强度将随压应力的增大而减小。第四十五页，共79页。三轴应力状态（TriaxialStressState）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混凝土为三向受压状态。三向受压试验一般采用圆柱体在等侧压条件进行。第四十六页，共79页。按外形特征分为：光圆钢筋和变形钢筋。变形钢筋分为螺纹钢筋、“人”字纹钢筋和月牙纹钢筋2.6钢筋的基本性能第四十七页，共79页。普通钢筋根据化学成分不同划分：热轧碳素钢和普通低合金钢热扎碳素钢：以铁为主，加少量C、Mn等。按含C量又分为低碳钢（C≤0.25%），中碳钢（C=0.25～0.6%），高碳钢（C>0.6%）普通低合金钢：在碳素钢成分中加入少量的合金元素，如Si、Mn等。第四十八页，共79页。热轧钢筋的规格钢筋代号前面的字母代表生产工艺和表面形状，后面的数字代表屈服强度标准值，括号内符号为简写符号第四十九页，共79页。钢筋屈服强度、抗拉强度的标准值及极限应变应按规范表4.2.2-1采用。第五十页，共79页。钢筋的强度和变形有明显屈服点的钢筋无明显屈服点的钢筋第五十一页，共79页。有明显屈服点钢筋的应力－应变关系—比例极限—弹性极限—屈服上限—屈服下限—极限强度cd段为屈服台阶df段为强化段a’第五十二页，共79页。※

点以前，σ与ε成比例，即σ=

ε，

为弹性模量，

点应力称为比例极限；

※

点过后，σ与ε不再成比例，但仍为弹性变形；a点以后为非弹性，a点称为弹性极限；

※

降至c点后，σ不增加而ε急剧增加，σ-ε关系接近水平，直至d点，c点称为屈服下限，cd段称为屈服台阶；

※

达到b点时，ε出现塑性流动现象，b点位置与加载速度、断面形式、表面光洁度等因素有关，称为屈服上限；

※

d点以后，σ随ε的增加而继续增加，至e点σ达最大值，e点对应的σ称为钢筋的极限强度，de段称为强化段；

※

e点以后，试件的薄弱位置将产生颈缩现象，变形迅速增加，断面缩小，应力降低，直至f点拉断。

第五十三页，共79页。反映钢筋力学性能的基本指标：屈服强度和强屈比屈服强度是钢筋强度的设计依据，钢筋屈服后将产生很大的塑性变形。对于有明显屈服点钢筋，其屈服强度定义为屈服下限。强屈比为极限强度与屈服强度的比值，热轧钢筋通常在

1.4～1.6之间。第五十四页，共79页。反映钢筋塑性性能的基本指标：延伸率和冷弯性能钢筋在拉断时的应变称为延伸率，定义为：为试件的标距钢筋标距通常取为5d或10d，标距范围包括了钢筋的颈缩区域，而该区域的变形占试件变形的绝大部分且与试件标距的长短有关，所以导致不同标距的试件测得的延伸率不同。第五十五页，共79页。目前多采用总延伸率来反映钢筋的变形能力延伸率指标存在的缺陷不同量测标距长度得到结果不一致；仅考虑到颈缩断口区域的残余应变。第五十六页，共79页。总延伸率:最大力作用下的总伸长率，包括残余应变和弹性应变，反映了钢筋真实的变形能力第五十七页，共79页。冷弯性能是反映钢筋塑性变形能力的另一个指标冷弯性能合格是鉴定钢材在弯曲状态下的塑性应变能力和钢材质量的综合指标。第五十八页，共79页。钢筋的双线性理想弹塑性本构模型第五十九页，共79页。无明显屈服点钢筋的应力－应变关系条件屈服点为残余变形为0.2％时对应的应力第六十页，共79页。

冷加工钢筋是指在常温下对强度较低的热轧钢筋盘条采用某种工艺进行加工得到的钢筋。常用的冷加工工艺有冷拉、冷拔、冷轧、冷扭。目前应用于工程中的冷加工钢筋有：冷拔钢丝、冷轧带肋钢筋、冷轧扭钢筋和螺旋肋钢筋等。钢筋经冷加工后设计强度提高70％左右，延性大幅度下降，均匀伸长率普遍不足2％。对钢筋进行冷加工的目的是为了节省钢筋，同时也填补了工程中对小直径钢筋的需求。钢筋的冷加工第六十一页，共79页。冷拉和冷拔有什么异同点？

（1）工艺不同：所谓冷拉是指把有明显屈服点的钢筋（软钢钢筋）用拉伸设备拉到其应力值超过其原来的屈服强度，使之进入应力～应变曲线的强化阶段后，卸掉全部拉力，使钢筋的应力重新恢复到零。在第一次加荷过程中，钢筋随着塑性变形的不断增大，其内部晶格发生变化并进行重组，使得钢筋对塑性变形的阻力增大，从而在第二次受拉时能够获得比原来更高的屈服强度。这种现象称为钢筋的“冷拉强化”。冷拔是用强力把光圆钢筋拔过硬质合金拔丝模上的比其本身直径小的拔丝孔，使钢筋的直径变小，长度增大。第六十二页，共79页。冷拉和冷拔有什么异同点？（2）冷拉只能提高钢筋的抗拉强度，不能提高抗压强度。冷拔可以同时提高钢筋的抗拉和抗压强度。（3）经过冷拉和冷拔的钢筋，其塑性都显著降低。第六十三页，共79页。（1）结构混凝土强度等级的要求素混凝土结构的混凝土强度等级不应低于C15；钢筋混凝土结构的混凝土强度等级不应低于C20；采用强度级别400MPa及以上的钢筋时，混凝土强度等级不应低于C25。

承受重复荷载的钢筋混凝土构件，混凝土强度等级不应低于C30。预应力混凝土结构的混凝土强度等级不宜低于C40，且不应低于C30。2.7混凝土结构对混凝土和钢材性能的要求第六十四页，共79页。（2）对钢材性能的要求

2.7混凝土结构对混凝土和钢材性能的要求强度－屈服强度塑性－延伸率和冷弯性能具有较好的可焊性有较好的粘结力－带肋钢筋第六十五页，共79页。1.3钢筋与混凝土的粘结力当混凝土构件产生变形和裂缝时，钢筋与混凝土的接触面上就会产生剪应力，又称粘结应力。钢筋与混凝土的粘结力实质是接触面上的剪应力。作用：保证力的相互传递，是共同工作的基本条件第六十六页，共79页。钢筋与混凝土之间粘结应力的分布式是不均匀的。在有粘结应力的区域，粘结应力开始大，经过一段长度会达到最大值，然后逐渐减小，直至为零。第六十七页，共79页。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，粘结应力等于零第六十八页，共79页。根据钢筋混凝土构件受力性质的不同，钢筋与混凝土之间的粘结应力可分为裂缝间的局部粘结应力和钢筋端部的锚固粘结应力两种：第六十九页，共79页。粘结应力的拔出试验与粘结强度平均值钢