材料基本力学性能课件

材料基本力學性能1.1

鋼筋的物理力學性能

1.1.1鋼筋的品種和級別

熱軋鋼筋中高強鋼絲和鋼絞線熱處理鋼筋冷加工鋼筋

熱軋鋼筋的分類HPB235級、HRB335級、HRB400級、RRB400級

◆HPB235級:鋼筋多為光面鋼筋，多作為現澆樓板的受力鋼筋和箍筋

◆HRB335級和

HRB400級:鋼筋強度較高，多作為鋼筋混凝土構件的受力鋼筋，尺寸較大的構件，也有用Ⅱ級鋼筋作箍筋以增強與混凝土的粘結，外形製作成月牙肋或等高肋的變形鋼筋。

◆RRB400級鋼筋:強度太高，不適宜作為鋼筋混凝土構件中的配筋，一般冷拉後作預應力筋。

se1.1.2鋼筋的強度與變形

◆有明顯屈服點的鋼筋a’abcdefua´為比例極限oa為彈性階段de為強化階段b為屈服上限c為屈服下限，即屈服強度fycd為屈服臺階e為極限抗拉強度fu

fyfef為頸縮階段

有明顯屈服點鋼筋的應力-應變關係一般可採用雙線性的理想彈塑性關係1Es

幾個指標：※屈服強度：是鋼筋強度的設計依據，因為鋼筋屈服後將發生很大的塑性變形，且卸載時這部分變形不可恢復，這會使鋼筋混凝土構件產生很大的變形和不可閉合的裂縫。屈服上限與加載速度有關，不太穩定，一般取屈服下限作為屈服強度。※屈強比：反映鋼筋的強度儲備，fy/fu=0.6~0.7。

◆無明顯屈服點的鋼筋a點：比例極限，約為0.65fba點前：應力-應變關係為線彈性a點後：應力-應變關係為非線性，有一定塑性變形，且沒有明顯的屈服點條件屈服點:殘餘應變為0.2%所對應的應力σ0.2

《規範》取s0.2=0.85fb

鋼筋的塑性性能伸長率：鋼筋拉斷後的伸長值與原長的比率，是反映鋼筋塑性性能的指標。延伸率大的鋼筋，在拉斷前有足夠預兆，延性較好。鋼筋的冷彎：鋼筋的冷彎性能是檢驗鋼筋的韌性和內部品質的有效方法。即防止在彎折加工和使用時不致發生脆斷的試驗手段。在常溫下要求把鋼筋圍繞具有某個規定直徑D的輪軸（彎心）進行彎轉，在達到規定的冷彎角度“α”後不發生裂紋、鱗落或裂斷現象。

1）強度：要求鋼筋有足夠的強度和適宜的強屈比(極限強度與屈服強度的比值)。例如，對抗震等級為一、二級的框架結構，其縱向受力鋼筋的實際強屈比不應小於1.25。

2）塑性：要求鋼筋應有足夠的變形能力。

3）可焊性：要求鋼筋焊接後不產生裂縫和過大的變形，焊接接頭性能良好。

4）與混凝土的粘結力：要求鋼筋與混凝土之間有足夠的粘結力，以保證兩者共同工作。1.1.3混凝土結構對鋼筋性能的要求

1.3.1粘結力的形成◆光圓鋼筋與變形鋼筋具有不同的粘結機理，其粘結作用主要由三部分組成：（１）鋼筋與混凝土接觸面上的化學吸附作用力（膠結力）。一般很小，僅在受力階段的局部無滑移區域起作用，當接觸面發生相對滑移時，該力即消失。（２）混凝土收縮握裹鋼筋而產生的摩阻力。（３）鋼筋表面凹凸不平與混凝土之間產生的機械咬合作用力（咬合力）。對於光圓鋼筋，這種咬合力來自於表面的粗糙不平。

1.3混凝土與鋼筋的粘結◆變形鋼筋與混凝土之間的機械咬合作用主要是由於變形鋼筋肋間嵌入混凝土而產生的。變形鋼筋和混凝土的機械咬合作用

1.2混凝土的物理力學性能1.2.1混凝土的組成結構通常把混凝土的結構分為三種類型：1.微觀結構：也即水泥石結構，包括水泥凝膠、晶體骨架、未水化完的水泥顆粒和凝膠孔組成。2.亞微觀結構：即混凝土中的水泥砂漿結構。3.宏觀結構：即砂漿和粗骨料兩組分體系。注意：1.骨料的分佈及骨料與基相之間在介面的結合強度是影響混凝土強度的重要因素；

2.在荷載的作用下，微裂縫的擴展對混凝土的力學性能有著極為重要的影響。

1.2.2單軸應力狀態下的混凝土強度

混凝土結構中，主要是利用它的抗壓強度。因此抗壓強度是混凝土力學性能中最主要和最基本的指標。混凝土的強度等級是用抗壓強度來劃分的（1）單向受力狀態下混凝土的強度

1）混凝土立方體抗壓強度：邊長為150mm的混凝土立方體試件，在標準條件下（溫度為20±3℃，相對濕度≥90%）養護28天，用標準試驗方法（加載速度0.3~0.5N/mm2，兩端不塗潤滑劑）測得的具有95%保證率的抗壓強度，用符號fcu表示。

《規範》根據強度範圍，從C15~C80共劃分為14個強度等級，級差為5N/mm2。

2）軸心抗壓強度(fc)

按標準方法製作的150mm×l50mm×300mm的棱柱體試件，在溫度為20土3℃和相對濕度為90％以上的條件下養護28d，用標準試驗方法測得的具有95％保證率的抗壓強度。對於同一混凝土，棱柱體抗壓強度小於立方體抗壓強度。考慮到實際結構構件製作、養護和受力情況，實際構件強度與試件強度之間存在差異，《規範》基於安全取偏低值，規定軸心抗壓強度標準值和立方體抗壓強度標準值的換算關係為：

fcu,k立方體強度標準值即為混凝土強度等級fcu。式中：

αc1為棱柱體強度與立方體強度之比，對不大於C50級的混凝土取0.76，對C80取0.82，其間按線性插值。

αc２為高強混凝土的脆性折減係數，對C40取1.0，對C80取0.87，中間按直線規律變化取值。

0.88為考慮實際構件與試件混凝土強度之間的差異而取用的折減係數。

3）軸心抗拉強度（ft）

混凝土的軸心抗拉強度可以採用直接軸心受拉的試驗方法來測定，但由於試驗比較困難，目前國內外主要採用圓柱體或立方體的劈裂試驗來間接測試混凝土的軸心抗拉強度。劈拉試驗FaF拉壓壓

《混凝土結構設計規範》規定軸心抗拉強度標準值與立方體抗壓強度標準值的換算關係為：混凝土軸心抗拉強度與立方體抗壓強度的關係

在平面應力狀態下，當兩方向應力均為壓應力時，抗壓強度相互提高，最大可增加27％，而當一方向為壓應力，另一方向為拉應力時，強度相互降低。當壓應力不太高時，其存在可提高混凝土的抗剪強度，拉應力的存在會降低混凝土的抗剪強度。剪應力的存在降低混凝土的抗壓和抗拉強度。

（3）複合受力狀態下混凝土的強度

由試驗得到的經驗公式為:

式中f’cc——被約束混凝土的軸心抗壓強度；

f’c——非約束混凝土的軸心抗壓強度；

fl——側向約束壓應力。側向壓應力的存在還可提高混凝土的延性。f’cc=f’c+(4.5~7.0)fl1.2.3複雜應力下混凝土的受力性能◆雙軸應力狀態實際結構中，混凝土很少處於單向受力狀態。更多的是處於雙向或三向受力狀態。雙向受壓強度大於單向受壓強度，最大受壓強度發生在兩個壓應力之比為0.3~0.6之間，約(1.25~1.60)fc。雙軸受壓狀態下混凝土的應力-應變關係與單軸受壓曲線相似，但峰值應變均超過單軸受壓時的峰值應變。

在一軸受壓一軸受拉狀態下，任意應力比情況下均不超過其相應單軸強度。並且抗壓強度或抗拉強度均隨另一方向拉應力或壓應力的增加而減小。◆雙軸應力狀態

構件受剪或受扭時常遇到剪應力t和正應力s共同作用下的複合受力情況。混凝土的抗剪強度：隨拉應力增大而減小隨壓應力增大而增大當壓應力在0.6fc左右時，抗剪強度達到最大，壓應力繼續增大，則由於內裂縫發展明顯，抗剪強度將隨壓應力的增大而減小。

◆三軸應力狀態

三軸應力狀態有多種組合，實際工程遇到較多的螺旋箍筋柱和鋼管混凝土柱中的混凝土為三向受壓狀態。三向受壓試驗一般採用圓柱體在等側壓條件進行。由試驗得到的經驗公式為:

式中f’cc

——被約束混凝土的軸心抗壓強度；

f’c

——非約束混凝土的軸心抗壓強度；

fl

——側向約束壓應力。側向壓應力的存在還可提高混凝土的延性。f’cc=f’c+(4.5~7.0)fl

1.2.4混凝土的變形1、單軸受壓應力-應變關係

混凝土單軸受力時的應力-應變關係反映了混凝土受力全過程的重要力學特徵,是分析混凝土構件應力、建立承載力和變形計算理論的必要依據，也是利用電腦進行非線性分析的基礎

混凝土單軸受壓應力-應變關係曲線，常採用棱柱體試件來測定。在普通試驗機上採用等應力速度加載，達到軸心抗壓強度fc時，試驗機中集聚的彈性應變能大於試件所能吸收的應變能，會導致試件產生突然脆性破壞，只能測得應力-應變曲線的上升段。

採用等應變速度加載，或在試件旁附設高彈性元件與試件一同受壓，以吸收試驗機內集聚的應變能，可以測得應力-應變曲線的下降段。

02468102030s(MPa)e×10-3BACED

A點以前，微裂縫沒有明顯發展，混凝土的變形主要彈性變形，應力-應變關係近似直線。A點應力隨混凝土強度的提高而增加，對普通強度混凝土sA約為

(0.3~0.4)fc，對高強混凝土sA可達(0.5~0.7)fc。A點以後，由於微裂縫處的應力集中，裂縫開始有所延伸發展，產生部分塑性變形，應變增長開始加快，應力-應變曲線逐漸偏離直線。微裂縫的發展導致混凝土的橫向變形增加。但該階段微裂縫的發展是穩定的。◆達到B點，內部一些微裂縫相互連通，裂縫發展已不穩定，橫向變形突然增大，體積應變開始由壓縮轉為增加。在此應力的長期作用下，裂縫會持續發展最終導致破壞。取B點的應力作為混凝土的長期抗壓強度。普通強度混凝土sB約為0.8fc，高強強度混凝土sB可達0.95fc以上。◆達到C點fc，內部微裂縫連通形成破壞面，應變增長速度明顯加快，C點的縱向應變值稱為峰值應變

ε0，約為0.002。◆縱向應變發展達到D點，內部裂縫在試件表面出現第一條可見平行於受力方向的縱向裂縫。◆隨應變增長，試件上相繼出現多條不連續的縱向裂縫，橫向變形急劇發展，承載力明顯下降，混凝土骨料與砂漿的粘結不斷遭到破，裂縫連通形成斜向破壞面。E點的應變ε

=(2~3)

ε

0，應力σ=(0.4~0.6)fc。◆混凝土在結硬過程中，由於水泥石的收縮、骨料下沉以及溫度變化等原因，在骨料和水泥石的介面上形成很多微裂縫，成為混凝土中的薄弱部位。混凝土的最終破壞就是由於這些微裂縫的發展造成的。

不同強度混凝土的應力-應變關係曲線強度等級越高，線彈性段越長，峰值應變也有所增大。但高強混凝土中，砂漿與骨料的粘結很強，密實性好，微裂縫很少，最後的破壞往往是骨料破壞，破壞時脆性越顯著，下降段越陡。

2、混凝土的變形模量彈性模量變形模量切線模量

◆彈性模量測定方法

1.2.5混凝土的收縮和徐變1、混凝土的收縮

混凝土在空氣中硬化時體積會縮小，這種現象稱為混凝土的收縮。收縮是混凝土在不受外力情況下體積變化產生的變形。當這種自發的變形受到外部（支座）或內部（鋼筋）的約束時，將使混凝土中產生拉應力，甚至引起混凝土的開裂。混凝土收縮會使預應力混凝土構件產生預應力損失。

◆影響因素

混凝土的收縮受結構周圍的溫度、濕度、構件斷面形狀及尺寸、配合比、骨料性質、水泥性質、混凝土澆築品質及養護條件等許多因素有關。（1）水泥的品種：水泥強度等級越高，製成的混凝土收縮越大。（2）水泥的用量：水泥用量多、水灰比越大，收縮越大。（3）骨料的性質：骨料彈性模量高、級配好，收縮就小。（4）養護條件：乾燥失水及高溫環境，收縮大。（5）混凝土製作方法：混凝土越密實，收縮越小。（6）使用環境：使用環境溫度、濕度越大，收縮越小。（7）構件的體積與表面積比值：比值大時，收縮小。

2、混凝土的徐變

混凝土在荷載的長期作用下，其變形隨時間而不斷增長的現象稱為徐變。徐變對混凝土結構和構件的工作性能有很大影響。由於混凝土的徐變，會使構件的變形增加，在鋼筋混凝土截面中引起應力重分佈，在預應力混凝土結構中會造成預應力的損失。混凝土的徐變特性主要與時間參數有關。

在應力（≤0.5fc）作用瞬間，首先產生暫態彈性應變eel（=si/Ec(t0)，t0加荷時的齡期）。隨荷載作用時間的延續，變形不斷增長，前4個月徐變增長較快，6個月可達最終徐變的（70~80）%，以後增長逐漸緩慢，2~3年後趨於穩定。

如在時間t卸載，則會產生暫態彈性恢復應變eel'。由於混凝土彈性模量隨時間增大，故彈性恢復應變eel'小於加載時的暫態彈性應變

eel。再經過一段時間後，還有一部分應變eel''可以恢復，稱為彈性後效或徐變恢復，但仍有不可恢復的殘留永久應變ecr'

◆影響因素

內在因素是混凝土的組成和配比。骨料(aggregate)的剛度（彈性模量）越大，體積比越大，徐變就越小。水灰比越小，徐變也越小。

環境影響包括養護和使用條件。受荷前養護(curing)的溫濕度越高，水泥水化作用月充分，徐變就越小。採用蒸汽養護可使徐變減少（20~35）%。受荷後構件所處的環境溫度越高，相對濕度越小，徐變就越大。

3、混凝土在荷載重複作用下的變形（疲勞變形）◆疲勞強度

混凝土的疲勞強度由疲勞試驗測定。採用100mm×100mm×300mm或著150mm×150mm×450mm的棱柱體，把棱柱體試件承受200萬次或其以上迴圈荷載而發生破壞的壓應力值稱為混凝土的疲勞抗壓強度。◆影響因素施加荷載時的應力大小是影響應力-應變曲線不同的發展和變化的關鍵因素，即混凝土的疲勞強度與重複作用時應力變化的幅度有關。在相同的重複次數下，疲勞強度隨著疲勞應力比值的增大而增大。

混凝土在荷載重複作用下的

應力-應變關係

1.3.2粘結的意義

粘結和錨固是鋼筋和混凝土形成整體、共同工作的基礎鋼筋與混凝土之間粘結應力示意圖（a）錨固粘結應力（b）裂縫間的局部粘結應力

1.3.3粘結強度◆測試

◆計算公式

式中p—鋼筋的拉力；ｄ—鋼筋的直徑；la—粘結的長度。

1.3.4影響粘結的因素

影響鋼筋與混凝土粘結強度的因素很多，主要有