混凝土结构材料的物理力学性能

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荷载先长期快作用据下混序凝土崭的变疼形性定能图2-宾15混凝恋土的锁徐变(应变拥与时浮间的闹关系闸曲线)图2-竖16压应殊力与侨徐变贤的关更系图2-肺17不同仁应力/强度六比值届的徐叫变时黄间曲帽线3混凝虹土的宴收缩乞与膨舱胀图2-斤18混凝玻土的王收缩影响颗混凝远土收亚缩的筒因素基有：(1貌)水泥毒的品回种：水渴泥强骡度等莲级越冶高制雕成的勺混凝衰土收鸽缩越早大。(2走)水泥植的用翼量：水某泥越咬多，船收缩泛越大舱；水筋灰比鱼越大辫，收缘瑞缩也纺越大贱。(3尺)骨料可的性净质：骨植料的督弹性商模量领大，钱收缩呈小。(4遭)养护滩条件：在穷结硬肿过程侄中周合围温筋、湿极度越拥大，划收缩添越小画。(5器)混凝彼土制季作方秤法：混抚凝土吐越密残实，禽收缩稻越小句。(6踏)使用央环境：粥使用衣环境肉温度俱、湿蔽度大宇时，叹收缩匀小。(7穿)构件封的体牢积与炭表面青积比值值：比胶值大量时，商收缩例小。2.册1.甘4混凝范土的摇疲劳混凝漆土的筹疲劳就是在荷载书重复殖作用下产滑生的嘉。疲劳卧现象冈大量挪存在妈于工愿程结诸构中克，钢启筋混俱凝土坟吊车锐梁、哭钢筋焦混凝全土桥手以及火港口宽海岸芳的混宝凝土喊结构注等都诸要受不到吊痕车荷灯载、师车辆无荷载孔以及浩波浪矿冲击匆等几秋百万理次的毕作用草。混厦凝土影在重劣复荷遗载作患用下仿的破器坏称抓为疲菊劳破矿坏。图2-员19混凝陪土在者重复睬荷载纽奉作用鸟下的旁受压直应力-应变映曲线混凝到土的寸疲劳虽强度臭用疲雨劳试快验测演定。舒疲劳等试验庙采用10批0m控m×胞10狗0m岭m×膜30此0m袭m或15潜0m炊m×零15酒0m鞋m×猫45善0m昂m的棱貌柱体对，把阻能使鸣棱柱毅体试钻件承胡受20好0万次或其继以上早循环姐荷载长而发没生破班坏的灾压应激力值扩称为的混凝黄土的碍疲劳悼抗压钩强度龄。混凝彻土的假疲劳岭强度助与重释复作甩用时匹应力爸变化秘的幅流度有副关。梦在相鞠同的涌重复我次数休下，伐疲劳浮强度拾随着上疲劳妙应力贩比值树的减瓣小而梨增大畜。疲两劳应聋力比偏值按块下式标计算宪：2.姻2钢筋塑的物项理力棕学性缎能2.孙2.邀1钢筋揪的种兽类混凝胆土结撇构中革采用勇的钢磨筋有柔性闹钢筋和劲性系钢筋两种削。1柔性驻钢筋图2-脏20钢筋狮的外猜形（a)光圆钢筋骗；(b慌)螺旋虑纹钢虾筋；(c绳)人字斩纹钢埋筋；(d简)月牙谜纹钢解筋线形吊的普魂通钢瓣筋统套称为尊柔性牧钢筋支，其哲外形庆有光爆圆和摊带肋毁两类膜。2劲性煮钢筋劲性以钢筋狐是指脸配置枯在混咳凝土仓中的幻玉各种型钢讽、钢育轨或胞者用耗钢板竭焊成谱的钢貌骨架。劲圾性钢壮筋本患身刚转度很物大，乘施工丸时模持板及宝混凝畏土的桥重力皆可以纳由劲肯性钢烈筋本臭身来龙承担孩，因然此能悲加速贸并简娃化支球模工齐作。指配置魔了劲捏性钢宪筋的垮混凝眉土结辣构具缓有较熟大的边承载帝能力臂和变咱形能文力，此常用橡于高蜡层建须筑的弯框架腿梁、尿柱以率及剪滩力墙图和筒污体结梦构中所。2.累2.浩2国产盛普通厅钢筋《混凝讲土结稀构设和计规们范》规定锈，用害于钢畏筋混岭凝土钟结构歉的国澡产普远通钢纱筋为热轧抵钢筋。热艰轧钢陷筋是甚低碳针钢、耻普通凡低合灵金钢然在高幸温状织态下讯轧制旅而成庄的软疗钢，狭其应暴力-应变娇曲线悲有明俊显的剃屈服连点和庄流幅税，断漂裂时雀有颈洗缩现艘象，平伸长扔率比虎较大划。1强度夺等级允和牌糟号国产扛普通敌钢筋塞按其歇屈服躺强度求标准戏值的圣高低托，分蛮为4个强脸度等索级：30区0M遮Pa、33倦5M起Pa、40抓0M瓣Pa和50申0M疏Pa。2工程停应用《混凝士土结费构设即计规撤范》提出吩了推划广高僚强度依、高醋性能肆钢筋HR疮B4从00和HR千B5魔00的要脏求。代因此追，本沙教材弹的例狐题中捡，对喂梁、陷柱的世纵向禁受力差钢筋姜将主羡要采棉用这嗽两种证钢筋笋，特垃别是HR挠B4饥00。箍筋悄宜采脾用HR鸟B4麻00、HR位BF犯40若0、HR村B3勇35和HP殊B3壶00。光圆老钢筋HP股B3绍00虽然厅也可推用作河纵向本受力位钢筋今，因摩其强之度较关低，胃故主滔要用僻作箍帽筋。当HR颤B5纳00和HR尿BF赤50丙0用作脚箍筋途时，勾只能黑用于亲约束切混凝叛土的伪间接傍钢筋棚，即唯螺旋坛箍筋耳或焊拌接环戒筋，盐见5.泪2.裹2节。细晶右粒系女列HR诱BF钢筋犯、HR榆B5导00和热第处理轨钢筋RR危B4拿00都不猜能用旨作承混受疲算劳作守用的母钢筋些，这廊时宜泳采用HR临B4森00钢筋市。工地筹上常鄙把上逼述4个强予度等厨级的甲钢筋谅俗称说为Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级和Ⅳ级钢哗筋，派但在美施工掩图和因正式需文件裹中，煎都不酱应采示用此混俗称头。2.富2.虎3钢筋饿的强棋度与块变形图2-蚕21有明蹈显流帮幅的光钢筋刃的应架力-应变财曲线有明怜显流环幅的扬热轧表钢筋窜屈服胡强度能是按套屈服据下限数确定叔的。对有虑明显叫流幅脸的钢批筋，泽在计滔算承婚载力敏时以燥屈服滨点作洋为钢峰筋强似度限赠值。对没裕有明抬显流倍幅或蛇屈服阿点的融预应佣力钢谣筋，千一般劝取残境余应鬼变0.练2%所对凝应的岸应力胶作为奔其条产件屈轮服强姐度标测准值鼠。图2-标22无明抛显流携幅的槐钢筋址的应江力-应变授曲线2.侧2.纱4钢筋婆本构析关系钢筋率单调柴加载理的应小力-应变先本构软关系舱曲线近有以叔下三减种：1描述范完全触弹塑涝性的障双直季线模何型双直翼线模样型适务用于室流幅东较长垂的低从强度乌钢材钱。2描述服完全猾弹塑事性加鸡硬化险的三垂折线初模型三折非线模阅型适锅用于谅流幅胀较短辣的软洋钢，必要求桑它可劝以描奇述屈及服后份立即纱发生砌应变扛硬化(应力扒强化)，并茅能正牧确地战估计命高出稻屈服僻应变墓后的换应力斑。3描述令弹塑膀性的核双斜耻线模葡型双斜他线模茫型可揉以描建述没境有明产显流梦幅的他高强肯钢筋猴或钢辛丝的狗应力-应变复曲线亚。2.粘2.维5钢筋被的疲垫劳钢筋铜的疲派劳是测指钢质筋在骂承受吩重复昏、周云期性烘的动填荷载卷作用请下，碧经过颗一定胀次数控后，浓突然脆性异断裂的现践象。技吊车将梁、晋桥面徒板、如轨枕睬等承障受重太复荷梁载的羞钢筋章混凝喜土构愁件在局正常盛使用疫期间古会由渗于疲及劳发纤生破孩坏。钢筋枯疲劳判断裂吵的原遗因，戚一般稠认为被是由舞于钢勉筋内辈部和局外部稳的缺糖陷，泊在这酒些薄仙弱处绞容易逆引起桌应力边集中遍。应秋力过涛高，坟钢材粉晶粒腾滑移挡，产吸生疲薄劳裂览纹，琴应力刚重复深作用安次数暖增加渴，裂退纹扩熔展，映从而手造成沈断裂辨。因乞此钢筋亲的疲椒劳强课度低顾于其趁在静支荷载糊作用毫下的罩极限涌强度。原剃状钢那筋的滨疲劳叹强度磨最低饱。埋求置在俯混凝秩土中井的钢慨筋的肢疲劳艘断裂丑通常溉发生度在纯休弯段忍内裂网缝截喷面附弃近，烧疲劳们强度线稍高旬。钢筋芬的疲盖劳试挣验有灯两种舌方法刺：一闹种是捡直接坟进行傍单根小原状茫钢筋狭轴拉炉试验签；另跟一种速是将弊钢筋挠埋入绞混凝厨土中君使其逝重复摊受拉界或受愚弯的团试验男。由情于影交响钢易筋疲脱劳强原度的毫因素通很多叛，钢哑筋疲脉劳强捐度试驳验结鸦果是锋很分豆散的体。我赚国采盆用直占接做西单根劲钢筋并轴拉凝试验嘱的方案法。2.产2.址6混凝工土结疯构对床钢筋忆性能子的要棋求钢筋瘦的强饥度钢筋亭的延互性钢筋球的可纹焊性机械登连接鼓性能施工蒙适应烛性钢筋薯与混泻凝土青的粘春结力2.趴3混凝铜土与蛛钢筋云的粘野结2.酒3.雨1粘结丛的意描义混凝捕土与肿钢筋晃的粘权结是号指钢糟筋与潮周围集混凝酒土之另间的哑相互阶作用第，包叹括沿符钢筋绿长度魄的粘干结和卫钢筋貌端部握的锚革固两门种情隶况。图2-寻24钢筋量和混刷凝土烛之间辫粘结拦应力置示意科图(a全)锚固朴粘结户应力椒；(b众)裂缝莫间的勺局部捧粘结蓬应力2.利3.左2粘结语力的塘组成光圆枕钢筋铅与混斥凝土苦的粘夺结作还用主滑要由衰以下禽三部迹分组娇成：(1浮)钢筋奏与混筛凝土尤接触者面上偷的胶结龟力。这研种胶扮结力耳来自舞水泥浆体笛对钢妻筋表闹面氧阿化层烦的渗多透以粉及水凳化过脉程中屑水泥肺晶体检的生译长和悲硬化挂。这逐种胶诞结力具一般剩很小孙，仅赏在受闭力阶迎段的饭局部阻无滑珠移区伞域起太作用令，当谦接触创面发忌生相葱对滑我移时渡即消芹失。(2接)混凝酬土收张缩握迁裹钢恐筋而银产生摩阻字力。混土凝土支凝固飞时收狱缩，椅对钢坦筋产翻生垂艺直于浅摩擦雅面的熔压应俗力。庆这种浮压应认力越武大，覆接触剩面的猫粗糙鹊程度排越大误，摩拥阻力艺就越索大。(3野)钢筋够表面签凹凸昌不平稳与混密凝土殖之间赖产生及的机械壁咬合放力。对洗于光娇圆钢遮筋这躺种咬展合力延来自哀表面麦的粗纯糙不鸟平。带肋授钢筋爪的横波肋对药混凝聚土的饼挤压睬如同搜一个处楔，号会产狗生很指大的茫机械安咬合史力。带肋钢筋蛛与混外凝土迁之间半的这团种机雷械咬脏合作盈用，法改变延了钢兔筋与竟混凝薯土间书相互敢作用颂的方菠式，饱显著湖提高中了粘栗结强观度。趁图2-接25给出此了带肋钢筋悉对周拼围混姿凝土田的斜椅向挤坟压力端从而嗽使得占周围荷混凝守土产状生内等裂缝鸭的示村意图索。图2-绞25带肋存钢筋数周围校混凝丧土的糟内裂季缝光圆欣钢筋增的粘纺结机刃理与带肋钢筋挑的主惠要差暗别是稳，光粗圆钢历筋的巨粘结近力主路要来衰自胶梅结力睁和摩胶阻力气，而带肋钢筋违的粘灶结力繁主要爪来自棵机械途咬合跑作用弟。2.桨3.疑3粘结拒应力-滑移绣关系图2-弹26僻τ您-s曲线(a礼)光圆裤钢筋福的τ-丘s曲线灰；(b蔑)带肋钢筋浴的τ-霞s曲线2.郑3.杂4钢筋卵的锚叙固1基本宵锚固允长度lab《混凝远土结悟构设竖计规粱范》G迈B忧50率01已0—叙20纱10规定领的受丽拉钢微筋锚泉固长们度lab为钢恐筋的基本招锚固印长度。图2-杯27钢筋和的受主拉锚董固长蚁度计急算简付图2受拉锄钢筋哥的锚矩固（1）受掌拉钢念筋的剧锚固更长度实际阔结构飘中的列受拉拢钢筋剖锚固开长度糖还应境根据煮锚固等条件年的不陈同按子下式龟计算营，并斤不小凭于20伯0m岔m。1）当钩带肋撞钢筋捏的公恒称直茂径大狂于25亏mm时，裳取1.踩10；2）环啄氧树张脂涂绞层带伞肋钢阀筋取1.伸25；3）施众工过艇程中枣易扰叹动的位钢筋散取1.节10；4）当常纵向烛受力潜钢筋浓的实梁际面股积大杜于其之设计码计算痰面积颤时，道修正补系数爽取设僚计计蒸算面俩积与舅实际花配筋钞面积赚的比梢值，正但对偏有抗策震设