混凝土结构材料的物理力学性能四

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2.1.1单轴向应力状态下的混凝土强度

虽然实际工程中的混凝土结构和构件一般处于复合应力状态，但是单轴向受力状态下混凝土的强度是复合应力状态下强度的基础和重要参数。

混凝土试件的大小和形状、试验方法和加载速率都影响混凝土强度的试验结果，因此各国对各种单轴向受力下的混凝土强度都规定了统一的标准试验方法。1混凝土的抗压强度(1)混凝土的立方体抗压强度fcu,k和强度等级我国《混凝土结构设计规范》规定以边长为150mm的立方体为标准试件，标准立方体试件在(20±3)℃的温度和相对湿度90%以上的潮湿空气中养护28d，按照标准试验方法测得的抗压强度作为混凝土的立方体抗压强度，单位为“N/mm2”。用上述标准试验方法测得的具有95%保证率的立方体抗压强度作为混凝土的强度等级。《混凝土结构设计规范》规定的混凝土强度等级有C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75和C80，共14个等级。例如，C30表示立方体抗压强度标准值为30N/mm2。其中，C50～C80属高强度混凝土范畴。图2-1混凝土立方体试块的破坏情况(a)不涂润滑剂；(b)涂润滑剂(2)混凝土的轴心抗压强度混凝土的抗压强度与试件的形状有关,采用棱柱体比立方体能更好地反映混凝土结构的实际抗压能力。用混凝土棱柱体试件测得的抗压强度称为轴心抗压强度。图2-2混凝土棱柱体抗压试验和破坏情况

我国《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T50081—2002)规定以150mm×150mm×300mm的棱柱体作为混凝土轴心抗压强度试验的标准试件。《混凝土结构设计规范》规定以上述棱柱体试件试验测得的具有95%保证率的抗压强度为混凝土轴心抗压强度标准值，用符号fck表示，下标c表示受压，k表示标准值。图2-3混凝土轴心抗压强度与立方体抗压强度的关系

考虑到实际结构构件制作、养护和受力情况等方面与试件的差别，实际构件强度与试件强度之间将存在差异，《混凝土结构设计规范》基于安全取偏低值，轴心抗压强度标准值与立方体抗压强度标准值的关系按下式确定：为棱柱体抗压强度与立方体抗压强度之比，对混凝土强度等级为C50及以下的取0.76，对C80取0.82，两者之间按直线规律变化取值。为高强度混凝土的脆性折减系数，对C40及以下取1.00，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。国外常采用混凝土圆柱体试件来确定混凝土轴心抗压强度。例如美国、日本和欧洲混凝土协会(CEB)都采用直径6英寸(152mm)、高12英寸(305mm)的圆柱体标准试件的抗压强度作为轴心抗压强度的指标，记作f′c。对C60以下的混凝土，圆柱体抗压强度f′c和立方体抗压强度标准值fcu,k之间的关系可按下式计算。当fcu,k超过60N/mm2后随着抗压强度的提高，f′c与fcu,k的比值（即公式中的系数）也提高。CEB-FIP和MC-90给出：对C60的混凝土，比值为0.833；对C70的混凝土，比值为0.857；对C80的混凝土，比值为0.875。2混凝土的轴心抗拉强度抗拉强度是混凝土的基本力学指标之一，其标准值用ftk表示，下标t表示受拉，k表示标准值。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。图2-4混凝土轴心抗拉强度和立方体抗压强度的关系F——破坏荷载；d——圆柱体直径或立方体边长；l——圆柱体长度或立方体边长。图2-5混凝土劈裂试验示意图(a)用圆柱体进行劈裂试验；(b)用立方体进行劈裂试验；(c)劈裂面中水平应力分布1—压力机上压板；2—弧形垫条及垫层各一条；3—试件；4—浇模顶面；5—浇模底面；6—压力机下压板；7—试件破裂线2.1.2复合应力状态下混凝土的强度

混凝土结构构件实际上大多处于复合应力状态，例如框架梁要承受弯矩和剪力的作用；框架柱除了承受弯矩和剪力外还要承受轴向力；框架节点区混凝土的受力状态就更复杂。同时，研究复合应力状态下混凝土的强度，对于认识混凝土的强度理论也有重要的意义。图2-6双向应力状态下混凝土的破坏包络图1双向应力状态图2-7法向应力和剪应力组合的破坏曲线A—轴心受拉；B—纯剪；C—剪压；D—轴心受压2三向受压状态三向受压下混凝土圆柱体的轴向应力应变曲线可以由周围用液体压力加以约束的圆柱体进行加压试验得到，在加压过程中保持液压为常值，逐渐增加轴向压力直至破坏，并量测其轴向应变的变化。图2-8混凝土圆柱体三向受压试验时轴向应力-应变曲线2.1.3混凝土的变形

混凝土在一次短期加载、长期加载和多次重复荷载作用下都会产生变形，这类变形称为受力变形。另外，混凝土的收缩以及温度和湿度变化也会产生变形，这类变形称为体积变形。混凝土的变形是其重要物理力学性能之一。1一次短期加载下混凝土的变形性能(1)混凝土受压时的应力-应变关系图2-9混凝土棱柱体受压应力-应变曲线图2-10不同强度的混凝土的应力-应变曲线比较混凝土应力-应变曲线的形状和特征是混凝土内部结构发生变化的力学标志。

随着混凝土强度的提高，尽管上升段和峰值应变的变化不很显著，但是下降段的形状有较大的差异，混凝土强度越高，下降段的坡度越陡，即应力下降相同幅度时变形越小，延性越差。(2)混凝土单轴向受压应力-应变本构关系曲线1)美国E.Hognestad建议的模型图2-11Hognestad建议的应力-应变曲线上升段：下降段：图2-12Rüsch建议的应力-应变曲线2)德国Rüsch建议的模型(3)混凝土轴向受拉时的应力-应变关系图2-13不同强度的混凝土拉伸应力-应变全曲线(4)混凝土的变形模量图2-14混凝土变形模量的表示方法1)混凝土的弹性模量（即原点模量）2)混凝土的变形模量3)混凝土的切线模量

可以看出，混凝土的切线模量是一个变值，它随着混凝土应力的增大而减小。需要注意的是，混凝土不是弹性材料，所以不能用已知的混凝土应变乘以规范中所给的弹性模量值去求混凝土的应力。只有当混凝土应力很低时，它的弹性模量与变形模量值才近似相等。混凝土的弹性模量可按下式计算：2荷载长期作用下混凝土的变形性能图2-15混凝土的徐变(应变与时间的关系曲线)图2-16压应力与徐变的关系图2-17不同应力/强度比值再的徐变时总间曲线3混凝土气的收缩鹊与膨胀图2-1玩8混凝土送的收缩影响混着凝土收时缩的因返素有：(1)水泥的得品种：水泥强第度等级越备高制成的猛混凝土收貌缩越大。(2)水泥的动用量：水泥零越多，炼收缩越杯大；水拾灰比越包大，收洲缩也越似大。(3)骨料的赠性质：骨料的现弹性模量迁大，收缩反小。(4)养护条壤件：在结学硬过程妄中周围顿温、湿拣度越大蛇，收缩默越小。(5)混凝土制去作方法：混凝闻土越密怪实，收苏缩越小哑。(6)使用环埋境：使用律环境温度互、湿度大转时，收缩泻小。(7)构件的德体积与将表面积哥比值：比值大蚂时，收缩闲小。2.1.宽4混凝土甚的疲劳混凝土的沿疲劳是在荷载重复厉作用下产生的挖。疲劳现象浊大量存在们于工程结讯构中，钢弓筋混凝土惯吊车梁、荷钢筋混凝切土桥以及廉港口海岸肤的混凝土表结构等都骗要受到吊帐车荷载、降车辆荷载枪以及波浪境冲击等几稳百万次的使作用。混锁凝土在重货复荷载作奴用下的破蛋坏称为疲顽劳破坏。图2-1财9混凝土睡在重复滴荷载作刚用下的铲受压应其力-应变曲餐线混凝土英的疲劳话强度用篇疲劳试做验测定握。疲劳轮试验采讯用100斗mm×叼100版mm×帜300订mm或150芳mm×概150禁mm×足450腾mm的棱柱体症，把能使嘱棱柱体试计件承受200万次或其以壳上循环亚荷载而省发生破违坏的压畜应力值叶称为混竖凝土的龄疲劳抗断压强度避。混凝土药的疲劳误强度与坡重复作忠用时应晶力变化宗的幅度道有关。格在相同戚的重复醋次数下碎，疲劳牧强度随托着疲劳过应力比季值的减肃小而增族大。疲狮劳应力某比值按炒下式计净算：2.2钢筋的屋物理力斜学性能2.2.豪1钢筋的究种类混凝土颤结构中熟采用的柔钢筋有柔性钢筋和劲性钢士筋两种。1柔性钢佛筋图2-20钢筋的键外形（a)光圆钢筋；(b)螺旋纹钢造筋；(c)人字纹连钢筋；(d)月牙纹钢惧筋线形的悟普通钢乎筋统称弄为柔性技钢筋，跃其外形享有光圆酬和带肋据两类。2劲性钢筋劲性钢乐筋是指款配置在初混凝土燥中的各爆种型钢、零钢轨或阁者用钢希板焊成炸的钢骨缎架。劲性钢猴筋本身刚鸦度很大，终施工时模腐板及混凝喘土的重力崖可以由劲今性钢筋本迅身来承担厌，因此能蛾加速并简堪化支模工禁作。配置糖了劲性钢溉筋的混凝攻土结构具顾有较大的吹承载能力蛇和变形能袄力，常用秒于高层建召筑的框架寻梁、柱以善及剪力墙厕和筒体结杯构中。2.2内.2国产普做通钢筋《混凝土食结构设宵计规范》规定，用伙于钢筋混鞠凝土结构来的国产普事通钢筋为热轧钢筋。热轧钢债筋是低碳案钢、普通淘低合金钢须在高温状豪态下轧制声而成的软扭钢，其应屠力-应变曲线扭有明显的祖屈服点和挤流幅，断旨裂时有颈屑缩现象，升伸长率比泊较大。1强度等级随和牌号国产普通既钢筋按其臭屈服强度于标准值的抗高低，分魄为4个强度杂等级：300银MPa、335M吓Pa、400M抚Pa和500撇MPa。2工程应村用《混凝土结蓬构设计规军范》提出了推铁广高强度彻、高性能辫钢筋HRB4巾00和HRB5缘瑞00的要求撞。因此根，本教貌材的例峰题中，蹦对梁、辫柱的纵盟向受力瓜钢筋将籍主要采称用这两崇种钢筋驶，特别膛是HRB4斑00。箍筋宜察采用HRB自400、HRBF法400、HRB3林35和HPB效300。光圆钢偷筋HPB滩300虽然也可查用作纵向剂受力钢筋径，因其强剂度较低，蔽故主要用呆作箍筋。当HRB5卡00和HRBF萄500用作箍丸筋时，赶只能用辩于约束吐混凝土旨的间接株钢筋，郊即螺旋修箍筋或美焊接环宋筋，见5.2.厉2节。细晶粒为系列HRBF钢筋、HRB5摧00和热处理折钢筋RRB题400都不能毅用作承际受疲劳蝴作用的掠钢筋，侮这时宜太采用HRB基400钢筋。工地上常脱把上述4个强度虫等级的朽钢筋俗杰称为Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级和Ⅳ级钢筋，肠但在施工言图和正式魄文件中，扶都不应采蓬用此俗称洲。2.2泽.3钢筋的脖强度与迫变形图2-21有明显流缴幅的钢筋图的应力-应变曲线有明显覆流幅的箱热轧钢骗筋屈服云强度是辨按屈服掏下限确若定的。对有明聚显流幅艳的钢筋界，在计途算承载渐力时以锡屈服点悲作为钢跟筋强度股限值。对没有顺明显流烧幅或屈吩服点的学预应力逼钢筋，滤一般取闭残余应孟变0.2%所对应荒的应力喝作为其住条件屈塔服强度沸标准值悉。图2-22无明显流墙幅的钢筋再的应力-应变曲刺线2.2霸.4钢筋本欺构关系钢筋单便调加载寇的应力-应变本姻构关系床曲线有舍以下三侮种：1描述完全蓄弹塑性的隶双直线模头型双直线都模型适冬用于流并幅较长庆的低强贤度钢材己。2描述完纠全弹塑学性加硬痰化的三狮折线模写型三折线猴模型适扇用于流河幅较短稀的软钢深，要求火它可以次描述屈围服后立冰即发生碑应变硬泰化(应力强化)，并能停正确地制估计高雕出屈服棚应变后分的应力林。3描述弹塑历性的双斜包线模型双斜线出模型可啊以描述匀没有明蜡显流幅运的高强暖钢筋或原钢丝的晃应力-应变曲线离。2.2育.5钢筋的推疲劳钢筋的毙疲劳是求指钢筋赔在承受事重复、肚周期性睛的动荷闭载作用狭下，经犹过一定哗次数后差，突然脆性断裂的现象。钢吊车梁、帐桥面板、块轨枕等承鞭受重复荷随载的钢筋君混凝土构签件在正常饺使用期间追会由于疲蚁劳发生破艇坏。钢筋疲浅劳断裂童的原因岸，一般荣认为是可由于钢身筋内部肥和外部俭的缺陷粗，在这湖些薄弱垮处容易药引起应纵力集中梳。应力奸过高，振钢材晶永粒滑移镜，产生化疲劳裂滤纹，应藏力重复触作用次夹数增加魂，裂纹冈扩展，解从而造同成断裂毒。因此钢筋的横疲劳强权度低于古其在静案荷载作具用下的庄极限强周度。原状钢谣筋的疲劳款强度最低申。埋置在孩混凝土中伟的钢筋的线疲劳断裂梯通常发生醉在纯弯段非内裂缝截福面附近，墨疲劳强度篮稍高。钢筋的金疲劳试范验有两些种方法雹：一种恐是直接誓进行单杨根原状涨钢筋轴扭拉试验仁；另一侄种是将逗钢筋埋让入混凝声土中使迈其重复锡受拉或饼受弯的刘试验。贷由于影挠响钢筋耐疲劳强折度的因污素很多诸，钢筋删疲劳强筝度试验桌结果是延很分散拒的。我蒸国采用初直接做订单根钢悉筋轴拉革试验的尚方法。2.2.方6混凝土盛结构对疑钢筋性肢能的要守求钢筋的强议度钢筋的业延性钢筋的撑可焊性机械连嘱接性能施工适应耻性钢筋与喷混凝土字的粘结妥力2.3混凝土与藏钢筋的粘组结2.3誓.1粘结的塘意义混凝土与钓钢筋的粘滩结是指钢流筋与周围寨混凝土之婆间的相互选作用，包热括沿钢筋惰长度的粘还结和钢筋陷端部的锚耕固两种情储况。图2-2桨4钢筋和混脊凝土之间猜粘结应力举示意图(a)锚固粘结绣应力；(b)裂缝间的流局部粘结秃应力2.3.驶2粘结力的屈组成光圆钢到筋与混战凝土的当粘结作秘用主要深由以下勿三部分骄组成：(1)钢筋与掉混凝土诊接触面食上的胶结力。这种费胶结力济来自水率泥浆体对抚钢筋表遍面氧化歪层的渗建透以及右水化过娘程中水赛泥晶体赖的生长嚼和硬化野。这种烫胶结力约一般很真小，仅始在受力非阶段的雹局部无哥滑移区盐域起作液用，当拴接触面向发生相喊对滑移循时即消楼失。(2)混凝土纪收缩握伯裹钢筋枪而产生摩阻力。混凝沟土凝固余时收缩奥，对钢拥筋产生冶垂直于病摩擦面叮的压应蚂力。这宋种压应雷力越大年，接触脑面的粗挪糙程度芬越大，歌摩阻力漫就越大把。(3)钢筋表欢面凹凸朋不平与舒混凝土鹿之间产巨生的机械咬合族力。对于光标圆钢筋这丙种咬合力雾来自表面塑的粗糙不际平。带肋钢筋赤的横肋对慎混凝土的皱挤压如同赛一个楔，商会产生很续大的机械胳咬合力。带肋钢筋与混望凝土之间乞的这种机蒸械咬合作陵用，改变秋了钢筋与贷混凝土间叨相互作用部的方式，差显著提高深了粘结强海度。图2-25给出了带肋钢筋对周沿围混凝土大的斜向挤找压力从而划使得周围蚊混凝土产惹生内裂缝祖的示意图笔。图2-25带肋钢筋嘴周围混凝心土的内裂飘缝光圆钢筋戏的粘结机土理与带肋钢筋的主烫要差别是户，光圆钢染筋的粘结脆力主要来平自胶结力款和摩阻力帐，而带肋钢筋的沸粘结力架主要来恒自机械牵咬合作足用。2.3.欣3粘结应力-滑移关芳系图2-26舒τ-s曲线(a)光圆钢锦筋的τ-s曲线；(b)带肋钢筋的τ-s曲线2.3劲.4钢筋的诵锚固1基本锚固尝长度lab《混凝土结珍构设计规染范》GB庆50头010病—20夸10规定的受化拉钢筋锚固固长度lab为钢筋的基本锚固杨长度。图2-27钢筋的受从拉锚固长择度计算简渔图2受拉钢筋芬的锚固（1）受拉钢桶筋的锚固冰长度实际结民构中的撇受拉钢咏筋锚固型长度还眼应根据侧锚固条咸件的不备同按下莲式计算炒，并不静小于200m忘m。1）当带企肋钢筋勇的公称舱直径大宜于25m齐m时，取1.1堂0；2）环氧届树脂涂冤层带肋络钢筋取1.25；3）施工牛过程中浙易扰动有的钢筋雷取1.1烂0；4）当纵神向受力泡钢筋的系实际