《混凝土结构基本原理》 课件 第2章 混凝土结构材料性能

混凝土结构基本原理混凝土结构材料性能第2章2.1混凝土材料性能2.2钢筋材料性能2.3钢筋与混凝土黏结性能32.1混凝土材料性能

◆混凝土强度

◆混凝土变形

◆混凝土耐久性

混凝土结构材料性能1.混凝土强度★简单受力状态下混凝土的强度

立方体抗压强度(uniaxialcompressivecubestrength)

轴心抗压强度(uniaxialcompressivestrength)

轴心抗拉强度(uniaxialtensilestrength)★复杂受力状态下混凝土的强度双轴受力强度三轴受力强度剪压及剪拉强度2.1混凝土材料性能第2章2.1混凝土材料性能■

混凝土立方体抗压强度混凝土立方体抗压强度试验方法边长为150mm的标准立方体试块、在标准条件下养护28d或设计规定龄期后，以标准试验方法测得的破坏时的平均压应力为混凝土的立方体抗压强度。注：对掺加粉煤灰等时，规定龄期为60、90天等。立方体抗压强度标准值fcu,k按上述规定所测得的具有95%保证率的抗压强度称为混凝土的立方体抗压强度标准值。

混凝土强度等级

《混凝土结构设计规范》规定：混凝土强度等级按立方体抗压强度标准值确定第2章2.1混凝土材料性能混凝土强度等级的分级按fcu,k划分为14级，即

C15~C80，级差5MPa。

符号

C35含义

C：立方体(Cube)

35：立方体抗压强度标准值，单位N/mm2当≤C50时，普通混凝土（normal-strengthconcrete）

当＞C50时，高强混凝土（high-strengthconcrete）

按C50配置的混凝土，其实测立方体抗压强度与50MPa是什么关系？fcu,k是混凝土各种强度指标的基本代表值第2章2.1混凝土材料性能■

混凝土立方体抗压强度砂的颗粒级配（a）（b）（c）①原材料品质第2章影响因素2.1混凝土材料性能■

混凝土立方体抗压强度②配合比※水灰比愈大，多余水分愈多，留下孔隙也愈多，混凝土强度也就愈低。反之则混凝土强度愈高。一般控制在0.3～0.6之间。※骨灰比（骨料重量与水泥重量之比）对C35以上的混凝土强度影响较大。在相同水灰比和塌落度下，混凝土强度随骨灰比的增大而提高。第2章影响因素2.1混凝土材料性能■

混凝土立方体抗压强度③养护龄期和养护条件※温度越高，早期强度越大夏天气温为30～35℃，10天的强度可达28天强度的80％冬天气温为5～10℃，28天的强度只能达正常条件≤80％※在潮湿环境中强度增长可延续若干年（⑤龄期）

在干燥环境中强度增长则受到影响第2章影响因素2.1混凝土材料性能■

混凝土立方体抗压强度※试件尺寸越小时，测得的抗压强度越高当采用边长200mm立方体时，测小了，要×1.05的系数当采用边长100mm立方体时，测大了，要×0.95的系数④试件尺寸和形状※美国、日本等国采用直径6in（152mm）、高度12in（305mm）圆柱体试件作为标准试件，测得的强度值不等于立方体强度值。对C60以下混凝土，圆柱体抗压强度和标准立方体抗压强度的比值为0.83，换算系数为1.2。第2章影响因素2.1混凝土材料性能■

混凝土立方体抗压强度影响因素⑤试验方法表面涂润滑剂，测得的砼抗压强度变小加载速度越快，测得的砼强度高截面局部受压时要比全截面受压时的砼强度高涂润滑剂不涂润滑剂第2章2.1混凝土材料性能

混凝土棱柱体试件轴向单位面积上所能承受的最大压力称为轴心抗压强度（axialcompressivestrength），又称棱柱体抗压强度。标准试验是以150mm×150mm×300mm的棱柱体作为混凝土轴心抗压强度的标准试件。所测得的具有95%保证率的抗压强度标准值用fck表示。混凝土棱柱体试件抗压试验和试件破坏情况a.定义■

混凝土轴心抗压强度第2章2.1混凝土材料性能■

混凝土轴心抗压强度b.取值试验表明：混凝土轴心抗压强度比立方体抗压强度要低，且高宽比h/b越大，测得的强度越低，当当高宽比达到一定值后，这种影响就不明显了。棱柱体试件高宽比一般为h/b=2～3时，基本可消除摩阻力和挠曲变形因素的影响。◆试件强度不受端部摩擦力和附加偏心距的影响。◆中间处于均匀受压状态。

第2章2.1混凝土材料性能■

混凝土轴心抗压强度b.取值大量混凝土棱柱体与立方体抗压强度的对比试验试验结果表明：的统计平均值大致呈线性关系，其比值大致在0.70~0.92之间变化和《规范》基于安全取统计平均值的0.88倍第2章2.1混凝土材料性能■

混凝土轴心抗压强度b.取值轴心抗压强度和立方体抗压强度的换算关系为：结构中混凝土强度与立方体试件混凝土强度差异修正系数脆性系数混凝土轴心抗压强度与立方体抗压强度比值第2章■

混凝土轴心抗拉强度2.1混凝土材料性能

测定混凝土轴心抗拉强度（axialtensilestrengthofconcrete）的试验方法主要有轴向拉伸试验和劈裂抗拉强度试验。对于轴向拉伸试验，试件制作相对比较复杂，目前国内外多采用劈裂抗拉强度试验测定混凝土轴心抗拉强度。劈裂试验拉压压FdFdFF第2章■

混凝土轴心抗拉强度2.1混凝土材料性能换算关系：结构中混凝土强度与立方体试件混凝土强度差异修正系数试验脆性系数试验结果的变异系数第2章2.1混凝土材料性能实际工程中的混凝土构件，通常承受弯矩、剪力、轴力及扭矩的不同组合作用，混凝土多处于复合应力（combinedstresses）状态，其强度与单向受力状态相比会有明显的变化。（1）双向受力状态下的强度■

混凝土在复合应力状态下的强度最大受压强度发生在两个压应力之比为0.4-0.7时，约为1.3fc。a.压－压作用

一向的强度随另一向压应力的增加而增加。第2章2.1混凝土材料性能■

混凝土在复合应力状态下的强度b、拉－压作用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。c、拉－拉作用

两向应力相互影响不大，混凝土的双向受拉强度接近于单向强度。（1）双向受力状态下的强度第2章2.1混凝土材料性能（2）正应力和剪应力共同作用下的强度混凝土在正应力和剪应力共同作用下的强度曲线混凝土的抗剪强度：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2章2.1混凝土材料性能（3）三向应力状态下的强度混凝土圆柱体试件三向受压试验三向受压试验一般采用圆柱体在等侧压条件进行。侧向压力效应系数，根据试验结果b取4.0~7.0第2章2.1混凝土材料性能2.混凝土变形混凝土变形可分为两类：一类是受力变形，包括一次短期加载下的变形、长期加载下的变形和多次重复加载下的变形；另一类为非受力变形（体积变形），一般指混凝土由于收缩、膨胀或温度变化所产生的变形等。第2章2.1混凝土材料性能2.混凝土变形02468102030s(MPa)e×10-3A比例极限C峰点E收敛点D拐点混凝土在一次短期加载下的变形FB临界点第2章2.1混凝土材料性能2.混凝土变形强度等级越高，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。不同强度混凝土的应力－应变曲线

第2章2.1混凝土材料性能2.混凝土变形弹性模量：过原点切线的斜率。切线模量：过某一点切线的斜率。割线模量：某一点与原点连线的斜率。2024/7/222024/7/22第2章2.1混凝土材料性能★弹性模量：过原点切线的斜率。——曲线原点处的切线与横坐标的夹角——混凝土弹性应变2.混凝土变形第2章2.1混凝土材料性能——曲线上应力为sc处的割线与横坐标的夹角——混凝土弹性变形ece和塑性变形ecp之和的总变形2.混凝土变形★割线模量：某一点与原点连线的斜率。弹性系数n随应力增大而减小,n=1~0.4E’=nE第2章2.1混凝土材料性能——曲线上应力为sc处的切线与横坐标的夹角2.混凝土变形★切线模量：过某一点切线的斜率。混凝土切线模量是一个变量，它随应力sc增大而减小。切线模量主要用于混凝土非线性分析时的增量法。

第2章2.1混凝土材料性能2.混凝土变形★剪切模量：混凝土剪切模量可近似根据弹性理论计算。《规范》近似取Gc=0.4Ec

第2章2.1混凝土材料性能单轴受拉时混凝土变形性能单轴受拉时混凝土应力-应变曲线2.混凝土变形◆单轴受拉时混凝土应力-应变曲线与受压时类似，既有上升段也有下降段。第2章2.1混凝土材料性能长期荷载作用下混凝土变形性能2.混凝土变形a.定义

混凝土在荷载的长期作用下，其变形随时间不断增长的现象称为徐变。b.特点早期发展较快，然后趋于稳定应力不变,应变增长第2章2.1混凝土材料性能2.混凝土变形弹性恢复残余变形徐变恢复弹性变形徐变变形混凝土的徐变徐变第2章2.1混凝土材料性能2.混凝土变形c.

影响因素持荷时间徐变增长先快后慢，最后趋于稳定。内在因素是混凝土的组成和配比。骨料的刚度（弹性模量）越大，级配越好，徐变就越小。水泥用量越大，水胶比越高，徐变越大。外部环境包括养护和使用条件。受荷前养护的温湿度越高，水泥水化作用越充分，徐变就越小。受荷后构件所处的环境温度越高，相对湿度越小，徐变就越大。应力条件主要是加载龄期，加载龄期越短早期徐变越大。徐变第2章2.1混凝土材料性能2.混凝土变形压应力与徐变的关系徐变第2章c.影响因素2.1混凝土材料性能混凝土收缩、膨胀和温度变形a.定义

混凝土在空气中凝结硬化时体积缩小的现象称为收缩。b.特点初期发展较快，然后趋于稳定。空气中体积收缩水中体积膨胀2.混凝土变形第2章2.1混凝土材料性能c.影响因素内在因素指混凝土中水泥的品种、用量和骨料的性质。

水泥强度等级越高制成的混凝土收缩越大；水泥越多，收缩越大；水灰比越大，收缩越大；骨料的弹性模量大，收缩小；体表比越大，收缩越小。环境影响包括养护和使用条件。结硬过程中或是使用环境周围温、湿度越大，收缩就越小。制作方法混凝土越密实，收缩越小。收缩2.混凝土变形第2章2.1混凝土材料性能混凝土收缩、膨胀和温度变形混凝土在水中凝结硬化时体积缩增的现象称为膨胀。混凝土热胀冷缩引起的变形，称为温度变形★

温度变形对大体积、大面积和纵长结构混凝土工程等极为不利，极易产生温度裂缝，应采取相应措施尽量减少混凝土的发热量，★通常，收缩值要比膨胀值大很多。混凝土膨胀往往对结构受力有利，一般可不予考虑；收缩往往对结构不利，当混凝土受到各种约束不能自由收缩时，将产生拉应力，甚至产生裂缝。对预应力混凝土构件，收缩会造成预应力损失。对跨度变化比较敏感的超静定结构（如拱结构），收缩会产生不利的应力。2.混凝土变形第2章2.1混凝土材料性能(1)．混凝土抗渗性3.混凝土耐久性(2)．混凝土抗冻性混凝土耐久性（durability）是指混凝土在使用环境下抵抗各种物理化学作用并长期保持原有性能的能力。指混凝土抵抗压力液体（水、油等）渗透作用的能力。它是决定混凝土耐久性最主要的技术指标，直接影响混凝土抗冻性和抗侵蚀性。指混凝土在水饱和状态下经受多次冻融循环作用而保持强度和外观完整性的能力。(3)．混凝土抗侵蚀性混凝土处于含腐蚀性介质的环境中会遭受侵蚀作用。一是化学作用；二是物理作用。第2章2.1混凝土材料性能3.混凝土耐久性(4)．混凝土碳化(5)．碱骨料反应混凝土耐久性（durability）是指混凝土在使用环境下抵抗各种物理化学作用并长期保持原有性能的能力。混凝土碳化是空气中二氧化碳与水泥石中的氢氧化钙作用，生成碳酸钙和水，通常用碳化深度来衡量，碳化深度与时间的平方根成正比。碱骨料反应出现的裂缝碱骨料反应是指骨料中的活性氧化硅与水泥中的氢氧化钠和氢氧化钾发生化学反应，在骨料表面生成的碱-硅酸凝胶。这种凝胶遇水不断膨胀，会把骨料与水泥石界面胀裂，对混凝土耐久性十分不利。第2章402.2钢筋材料性能

◆钢筋种类

◆钢筋强度和变形

◆钢筋性能要求

混凝土结构材料性能2.2钢筋材料性能1.钢筋的种类常用钢筋外形a.光面钢筋(光圆钢筋)b.变形钢筋(带肋钢筋):一般轧成人字纹、月牙纹或螺旋纹。◆外形人字纹钢筋第2章2.2钢筋材料性能◆按化学成分可分为碳素钢和普通低合金钢1.钢筋的种类a、碳素钢

按碳的含量的高低又分为：①低碳钢（Wc＜0.25％）②中碳钢（Wc=0.25％～0.6％）③高碳钢（0.6％≤Wc＜1.4％）

碳素钢的力学性能与含碳量多少有关，含碳量增加能

使钢筋的强度提高，性质变硬，但也使得钢材的塑性

和韧性降低，焊接性能也会变差。第2章2.2钢筋材料性能◆生产工艺2.2.1钢筋的种类用加热钢坯轧成的条形钢筋。由轧钢厂经过热轧成材供应。直径一般为6～40mm，分为直条和盘条两种：

d

<

12mm的钢筋一般以盘条形式供给，由一条钢筋组成。

d≥12mm的钢筋一般以直条形式供给，长度为6～12m。a.热轧钢筋第2章2.2钢筋材料性能1.钢筋的种类b.冷加工钢筋

由热轧钢筋在常温下用拉伸而成，冷拉后内部组织结构发生变化，其屈服强度提高。c.热处理钢筋

将强度比较高的钢筋经淬火和回火等调质热处理而制成，这样能大大提高钢筋的强度，主要用作预应力钢筋。d.中、高强钢丝中高强钢丝的直径为4-10mm,捻制成钢绞线后也不超过21.6mm。钢筋外形分光面、螺旋肋和刻痕钢丝三种。e.钢绞线◆生产工艺第2章2.2钢筋材料性能1.钢筋的种类中强度预应力钢丝：由由热轧钢筋冷加工而成，强度提高很多。消除应力钢丝：将钢筋拉拔后矫直，经中温回火消除应力并经稳定化处

理而成。钢绞线：将多根高强钢丝捻制在一起，经低温回火处理清除内应力后而制成。钢

丝第2章2.2钢筋材料性能a.HPB300它是一种低碳钢，塑性，焊接性好，但强度稍低，一般为光圆钢筋。Q300（屈服强度标准值为fyk=300MPa），d=6～22mm。1.钢筋的种类◆强度等级第2章c.HRB400HRBF400RRB400主要产品：20MnSiV、20MnSiNb、20MnSiTi，d=6～50mm。热轧后立即穿水，进行快速冷却，再利用芯部的热量自行回火而成的钢筋，称为余热处理钢筋，月牙纹。d=8～40mm特点：强度高，塑性、韧性好，但焊接后强度降低，使用时应注意。d.HRB500HRBF500F2.2钢筋材料性能HPBHot--rolledPlainBarHRBHot--rolledRibbedBar钢筋牌号英文大写字母表示钢筋的生产工艺数字表示钢筋的标准强度等级具有较好的延性、可焊性、机械连接性能及施工适应性1.钢筋的种类◆强度等级第2章2.2钢筋材料性能1.钢筋的种类◆强度等级HRBFHot--rolledPlainBarRRBRemainedheattreatmeatRibbedBar钢筋牌号Finegrain

其延性、可焊性、机械连接性等较差与热轧钢筋相比，其可焊性、机械连接性能及施工适应性等降低，延性和强屈比稍低，不宜用作重要部位的受力钢筋和直接承受疲劳荷载的构件。第2章2.2钢筋材料性能◆钢筋应力-应变关系2.钢筋强度和变形sea’abcdefufyf有明显屈服台阶的钢筋（软钢）o弹性阶段屈服阶段强化阶段破坏阶段第2章2.2钢筋材料性能◆钢筋应力-应变关系2.钢筋强度和变形讨论：钢筋强度的设计依据是取屈服强度还是极限强度？屈服强度是钢筋强度的设计依据，因为钢筋屈服后将很大的塑性变形，且卸载时这部分变形不可恢复，这会使钢筋混凝土构件产生很大的变形和不可闭合的裂缝。屈服上限与加载速度有关，不太稳定，一般取屈服下限作为屈服强度。第2章2.2钢筋材料性能◆钢筋应力-应变关系2.钢筋强度和变形a点：比例极限，约为0.65sba点前应力-应变关系为线弹性a点后应力-应变关系为非线性，有一定塑性变形，且没有明显的屈服点。强度设计指标——条件屈服点残余应变为0.2%所对应的应力《规范》取s0.2=0.85

sb无明显屈服台阶的钢筋（硬钢）第2章2.2钢筋材料性能2.钢筋强度和变形◆钢筋伸长率

塑性变形——

伸长量越大，塑性越好。建筑上用伸长率(延伸率)来反映塑性能力大小（塑性性能指标）。延伸率大的钢筋，在拉断前有足够预兆，延性较好。（1）钢筋断后伸长率断后伸长率只能反映钢筋残余变形的大小，其中还包含断口颈缩区域的局部变形；不同量测标距长度得到的结果不一致；忽略了钢筋的弹性变形，不能反映钢筋受力时的总体变形能力；量测时易产生人为误差。第2章2.2钢筋材料性能2.钢筋强度和变形◆钢筋伸长率

（2）钢筋最大力下的总延伸率（均匀伸长率）上式括号中第一项反映钢筋的塑性变形，第二项反映钢筋在最大拉应力下的弹性变形。第2章2.2钢筋材料性能2.2.2钢筋强度和变形《规范》采用“最大力下的总伸长率（均匀伸长率）”表示钢筋塑性变形能力。最大力下的总伸长率的量测方法夹持区夹持区量测区l0VY颈缩区≥20mm或≥d≥50mm或≥2d◆钢筋伸长率第2章2.2钢筋材料性能2.钢筋强度和变形

冷弯性能也是评价钢筋塑性性能的一项指标，主要检验钢筋在常温下承受弯曲变形的能力，检查钢筋内部是否存在缺陷和杂质。钢筋冷弯试验◆冷弯性能D=dD=3dα＝180oα＝90o第2章2.2钢筋材料性能3.钢筋性能要求讨论：反映有明显屈服点钢筋和无明显屈服点的钢筋的力学性能的检验指标分别是？屈服强度伸长率极限抗拉强度冷弯性能强度高塑性好可焊性好粘结性能好第2章572.3钢筋与混凝土的黏结性能

◆黏结作用

◆黏结机理

◆影响黏结强度的因素

混凝土结构材料性能2.3

钢筋与混凝土黏结性能1.黏结作用黏结应力（bondstress）是指钢筋和混凝土接触面上的剪应力，其大小取决于钢筋与混凝土之间的应变差。第2章2.3

钢筋与混凝土黏结性能1.黏结作用粘结应力第2章2.3

钢筋与混凝土黏结性能2.黏结机理摩阻力胶结力机械咬合力吸附作用，滑移即失收缩引起，粗糙越大凹凸不平、粗糙不平◆粘结力组成第2章2.3

钢筋与混凝土黏结性能2.黏结机理◆光圆钢筋黏结性能拔出试验粘结应力沿钢筋长度分布是不均，试验取钢筋拔出时的平均粘结应力作为