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筋和混凝土的材料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。◆双轴应力状态2.1混凝土的物理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。2.1.3复杂应力下混凝土的受力性能第二章钢筋和混凝土的材料性能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。2.1混凝土的物理力学性能第二章钢筋和混凝土的材料性能◆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。2.1混凝土的物理力学性能

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。

第二章钢筋和混凝土的材料性能2.1混凝土2.1.4混凝土的变形1、单轴受压应力-应变关系

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。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。2.1混凝土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2.1混凝土的物理力学性能02468102030s(MPa)e×10-3第二章钢筋和混凝土的材料性能2.2混凝土BACEDA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。2.1混凝土的物理力学性能第二章钢筋和混凝土的材料性能2.1混凝土不同强度混凝土的应力-应变关系曲线强度等级越高，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。2.1混凝土的物理力学性能2.1混凝土第二章钢筋和混凝土的材料性能◆Hognestad建议的应力-应变曲线2.1混凝土的物理力学性能第二章钢筋和混凝土的材料性能◆《规范》应力-应变关系上升段：下降段：2.1混凝土2.1混凝土的物理力学性能第二章钢筋和混凝土的材料性能2、混凝土的变形模量弹性模量变形模量切线模量2.1混凝土2.1混凝土的物理力学性能第二章贞钢筋和搂混凝土的滴材料性能◆弹性模她量测定笋方法2.1混凝土2.1混凝土滑的物理洪力学性逝能第二章杀钢筋和圆混凝土的乒材料性能2.1混凝土2.1.耀5混凝土的魄收缩和徐趋变1、混凝土泊的收缩混凝土姜在空气趟中硬化迹时体积迷会缩小她，这种察现象称饰为混凝笋土的收兼缩。收缩是混汁凝土在不妖受外力情腐况下体积灰变化产生掩的变形。当这种眉自发的绞变形受亲到外部匀（支座并）或内驳部（钢章筋）的耗约束时悉，将使混租凝土中归产生拉验应力，厉甚至引臣起混凝笋土的开膜裂。混凤凝土收乏缩会使陷预应力处混凝土乳构件产捉生预应价力损失淋。2.1混凝土毛的物理详力学性叶能第二章碎钢针筋和混插凝土的趟材料性蔬能2.1混凝土◆影响因素混凝土吴的收缩临受结构粱周围的走温度、味湿度、帜构件断太面形状济及尺寸并、配合态比、骨随料性质袜、水泥痛性质、戚混凝土淡浇筑质叔量及养奶护条件拆等许多晨因素有虫关。（1）水泥的迟品种：水饰泥强度等菜级越高，灿制成的混厉凝土收缩伤越大。（2）水泥走的用量队：水泥用量珍多、水灰面比越大，露收缩越大盆。（3）骨料寇的性质国：骨料弹性雨模量高、侄级配好，决收缩就小川。（4）养护说条件：干燥失水值及高温环划境，收缩侨大。（5）混凝遭土制作榜方法：混凝土私越密实狭，收缩叮越小。（6）使用炮环境：使用环挽境温度对、湿度劫越大，曾收缩越酱小。（7）构件的甜体积与表钥面积比值哈：比值大尼时，收辅缩小。2.1混凝土的速物理力学辣性能第二章骗钢筋和喘混凝土的袭材料性能2.1混凝土2、混凝孩土的徐攀变混凝土验在荷载供的长期胜作用下驻，其变扑形随时规间而不辰断增长泊的现象下称为徐宵变。徐变对混设凝土结构吧和构件的拣工作性能紧有很大影加响。由于贱混凝土的绢徐变，会甜使构件的垫变形增加某，在钢筋臂混凝土截烈面中引起佛应力重分结布，在预杀应力混凝垦土结构中恐会造成预厕应力的损危失。混凝土的皆徐变特性叔主要与时统间参数有芬关。2.1混凝土慈的物理劲力学性柜能第二章编钢筋和瞎混凝土的凶材料性能2.1混凝土在应力（费≤0.5fc）作用蝴瞬间，猛首先产鞋生瞬时弹性应变eel（=si/Ec(t0)，t0加荷时答的龄期冶）。随荷载作慢用时间的够延续，变螺形不断增赞长，前4个月徐变貌增长较快援，6个月可北达最终筋徐变的斩（70~8软0）%，以后致增长逐忠渐缓慢孝，2~3年后趋喉于稳定桐。2.1混凝土支的物理杨力学性密能第二章滴钢筋和值混凝土的批材料性能2.1混凝土记(t-t0)时间后数的总应贸变为ec(t,t0)，此时混旋凝土的收检缩应变为esh(t，t0)，则徐变喝为，ecr(t,t0)=ec(t,t0)-ec(t0)-esh(t,t0)=ec(t,t0)-eel-esh(t,t0)2.1混凝土圆的物理辰力学性用能第二章草钢辱筋和混乒凝土的坏材料性圆能2.1混凝土如在时间t卸载，晒则会产析生瞬时弹性殊恢复应变eel'。由于法混凝土写弹性模移量随时闭间增大吵，故弹性恢夹复应变eel'小于加载爹时的瞬时弹武性应变eel。再经过瓶一段时间踩后，还有牺一部分应星变eel''可以恢复腥，称为弹性后效或徐变恢复，但仍有醋不可恢复禁的残留永柿久应变ecr'2.1混凝土恼的物理崖力学性侵能第二章伞钢筋和长混凝土的稳材料性能2.1混凝土◆影响因众素内在因素是混凝土夏的组成和也配比。骨拌料(agg挂rega两te)的刚度（狮弹性模量摆）越大，坦体积比越故大，徐变塌就越小。史水灰比越抖小，徐变电也越小。环境影许响包括养护珍和使用条尤件。受荷忙前养护(cu兔rin锻g)的温湿度平越高，水型泥水化作带用月充分规，徐变就盼越小。采远用蒸汽养天护可使徐案变减少（20~3踏5）%。受荷后皂构件所处怎的环境温嫂度越高，烈相对湿度奥越小，徐畜变就越大脑。2.1混凝土的馅物理力学泳性能第二章手钢筋和棍混凝土的耕材料性能2.1混凝土3、混凝土星在荷载重菊复作用下咸的变形（幻玉疲劳变形饰）◆疲劳强度混凝土叹的疲劳絮强度由旱疲劳试僻验测定喊。采用100m闻m×10察0mm×绳300m尝m或着150m盘m×15属0mm×返450m扮m的棱柱体倡，把棱柱绢体试件承柳受200万次或兴其以上楼循环荷庄载而发涨生破坏戏的压应括力值称碧为混凝土的顺疲劳抗压设强度。◆影响因素施加荷载原时的应力广大小是影铃响应力-应变曲线惑不同的发佛展和变化适的关键因猜素，即混父凝土的疲矮劳强度与独重复作用帐时应力变陪化的幅度异有关。在相同叨的重复暗次数下饮，疲劳霜强度随瞎着疲劳过应力比崇值的增沾大而增补大。2.1混凝土论的物理参力学性墨能第二章誓钢拉筋和混切凝土的班材料性搁能2.1混凝土混凝土在毒荷载重复供作用下的方应力-应变关基系2.1混凝土的窝物理力学窗性能第二章鹅钢筋和主混凝土的押材料性能2.2钢筋2.2钢筋2.2.调1钢筋的品钞种和级别热轧钢筋温、中高强堪钢丝和钢巧绞线、热型处理钢筋估和冷加工岸钢筋第二章崭钢包筋和混歇凝土的随材料性建能2.2钢筋热轧钢性筋的分圾类HPB2朴35级、HRB某335级、HRB巡寿400级、RRB4危00级屈服强度fyk（标准值=钢材废品乘限值，保博证率97.7躺3%）HPB脸235级：fyk=235倍N/称mm2HRB重335级：fyk=335霸N/经mm2HRB栏400级、RRB辰400级：fyk=400丈N/睁mm2第二章缠钢巨筋和混布凝土的晒材料性捉能2.2钢筋HPB泄235级(Ⅰ级)钢筋多为光准面钢筋，多作为袜现浇楼挠板的受毕力钢筋店和箍筋诸。HRB3者35级(Ⅱ级)和HRB4务00级(Ⅲ级)钢筋强度较高议，多作为钢筋炉混凝土构萌件的受力求钢筋，尺种寸较大的阳构件，也完有用Ⅱ级钢筋作斗箍筋以增强与混园凝土的粘努结，外形后制作成月芳牙肋或等飘高肋的变沉形钢筋。RRB4摇00级(Ⅳ级)钢筋强度太倍高，不地适宜作歪为钢筋选混凝土担构件中喊的配筋活，一般冷拉测后作预应串力筋。延伸率d5=25、16、14、10%，直径8~4五0。第二章愚钢炕筋和混暂凝土的本材料性灯能2.2钢筋钢丝，中强钢丝降的强度为800~芒1200门MPa，高强钢粉丝、钢绞海线的为1470耳~18搞60MP毒a；延伸率d10=6%，d100=3.术5~4戚%；钢丝的蒸直径3~9浴mm；外形有研光面、刻危痕和螺旋秧肋三种，声另有二股亭、三股和哀七股钢绞岛线，外接穷圆直径9.5~厦15.2菠mm。中高帆强钢丝深和钢绞坛线均用打于预应挤力混凝斥土结构律。冷加工殿钢筋是由热轧叠钢筋和盘滚条经冷拉嫩、冷拔、污冷轧、冷白扭加工后挽而成。冷斧加工的目搏的是为了简提高钢筋铃的强度，云节约钢材眼。但经冷煮加工后称，钢筋演的延伸储率降低肃。近年来，惹冷加工钢分筋的品种搏很多，应沿根据专门绕规程使用透。热处理央钢筋是将Ⅳ级钢筋通添过加热、尼淬火和回青火等调质串工艺处理泄，使强度膀得到较大要幅度的提芦高，而延孝伸率降低苏不多。用办于预应力迈混凝土结富构。se第二章习钢跑筋和混渔凝土的绢材料性瞒能2.2钢筋2.2.辨2钢筋的挡强度与牲变形◆有明显倡屈服点彻的钢筋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为颈缩魔阶段第二章罗钢晴筋和混理凝土的堆材料性葡能2.2钢筋几个指标亲：屈服强度：是钢筋浇强度的帜设计依禽据，因为符钢筋屈柴服后将跟发生很焦大的塑芹性变形浴，且卸盖载时这歉部分变悬形不可恢辫复，这会饲使钢筋犯混凝土插构件产逢生很大熊的变形饿和不可池闭合的停裂缝。松屈服上峰限与加柄载速度边有关，顾不太稳欲定，一线般取屈朱服下限滑作为屈沙服强度五。延伸声率：钢筋拉戚断后的伸雾长值与原牢长的比率鞭，是反映吗钢筋塑性说性能的指螺标。延伸词率大的钢评筋，在拉昼断前有足统够预兆，怜延性较好翁。屈强涛比：反映钢撤筋的强绪度储备矛，fy/fu=0.勺6~0脆.7。第二章掉钢遍筋和混饱凝土的妥材料性抱能2.2钢筋有明显幸屈服点杀钢筋的钓应力-应变关辜系一般可铺采用双慢线性的溪理想弹伸塑性关垫系1Es第二章拔钢桨筋和混谣凝土的掉材料性朝能2.2钢筋◆无明显屈考服点的钢缸筋a点：比怕例极限口，约为0.6雨5fua点前：应震力-应变关耻系为线虾弹性a点后：应拔力-应变关偿系为非袜线性，这有一定凡塑性变裁形，且臂没有明诉显的屈梳服点强度设计旺指标——条件屈服部点残余应斩变为0.2剪%所对应彼的应力《规范》取s0.2=0.8同5fu第二章漠钢窝筋和混闻凝土的鞋材料性箱能2.2钢筋1）强度：要求悉钢筋有析足够的啄强度和潮适宜的矿强屈比(极限强度啄与屈服强累度的比值)。例如旦，对抗栏震等级温为一、亩二级的涂框架结新构，其复纵向受弱力钢筋光的实际安强屈比醋不应小初于1.25。2）塑性：要求钢的筋应有足献够的变形迟能力。3）可焊性：要求钢悟筋焊接后睁不产生裂池缝和过大岛的变形，痰焊接接头配性能良好恰。4）与混凝土点的粘结力：要求钢化筋与混凝厅土之间有祸足够的粘跌结力，以能保证两者振共同工作榜。2.2.胳3混凝土曲结构对紧钢筋性传能的要鲁求第二章达钢底筋和混摩凝土的护材料性业能2.3混凝土与后钢筋的粘技结2.3混凝土找与钢筋龟的粘结2.3桥.1粘结的意洋义粘结和锚舱固是钢筋站和混凝土吧形成整体安、共同工严作的基础钢筋与萌混凝土肆之间粘帆结应力竿示意图（a）锚固粘牲结应力另（b）裂缝孟间的局末部粘结杠应力第二章贼钢照筋和混想凝土的报材料性逢能2.3混凝土心与钢筋图的粘结2.3混凝土县与钢筋博的粘结2.3翅.2粘结力的客形成◆光圆钢筋疗与变形钢翻筋具有不吼同的粘结索机理，其忽粘结作用晒主要由三劝部分组成宏：（１）结钢筋与灭混凝土顶接触面筝上的化翅学吸附歌作用力央（胶结牢力）。米一般很抬小，仅榴在受力雾阶段的灿局部无脑滑移区凳域起作显用，当索接触面仓发生相令对滑移旷时，该梨力即消惜失。（２）共混凝土拥收缩握短裹钢筋宗而产生绩的摩阻后力。（３）钢择筋表面凹粒凸不平与欠混凝土之伸间产生的规机械咬合刻作用力（渔咬合力）严。对于光伞圆钢筋，着这种咬合夜力来自于疯表面的粗岗糙不平。第二章获钢筋和婚混凝土的乒材料性能2.3混凝土与割钢筋的粘熔结2.3混凝土与穿钢筋的粘挪结◆变形钢筋北与混凝土裕之间的机洪械咬合作脆用主要是值由于变形经钢筋肋间竹嵌入混凝画土而产生筹的。变形钢齿筋和混尽凝土的饼机械咬洗合作用第二章样钢筋和婆混凝土的亭材料性能2.3混凝土虎与钢筋爆的粘结2.3混凝土与震钢筋的粘庭结2.3.岔3粘结强忧度◆测试第二章额钢筋和都混凝土的肠材料性能2.3混凝土歼与钢筋架的粘结2.3混凝土与怠钢筋的粘器结◆计算公式式中N—钢筋的正拉力；她ｄ—钢筋的含直径；牲ｌ—粘结的长磁度。第二章巧钢跳筋和混唤凝土的脑材料性僻能2.3混凝土戒与钢筋馋的粘结2.3混凝土与醒钢筋的粘男结◆不同强谨度混凝局土的粘叹结应力恰和相对费滑移的撑关系第二章合钢密筋和混舱凝土的裤材料性剥能2.3混凝土铁与钢筋交的粘结2.3混凝土与饲钢筋的粘秀结2.3.雾4影响粘磨结的因福素影响钢筋吴与混凝土失粘结强度绕的因素很球多，主要像有混凝土炊强度、保护层秒厚度及钢筋净升间距、横向配筋及侧向压应筝力，以及浇筑混甚凝土时充钢筋的废位置等。Ａ.光圆钢筋按及变形钢叫筋的粘结呈强度都随葬混凝土强潮度等级的节提高而提镇高，但不唤与立方体馋强度成正另比。Ｂ.