yA第2章混凝土结构材料的物理力性能

1、第第2 2章章 混凝土结构材料混凝土结构材料 的物理力学性能的物理力学性能河南大学土木建筑学院河南大学土木建筑学院土木工程系土木工程系盛桂琳盛桂琳混凝土的物理力学性能混凝土的物理力学性能钢筋的物理力学性能钢筋的物理力学性能钢筋与混凝土的粘结钢筋与混凝土的粘结钢筋的锚固和连接钢筋的锚固和连接钢筋的级别、强度和变形性能钢筋的级别、强度和变形性能混凝土的强度和变形性能混凝土的强度和变形性能粘结破坏机理粘结破坏机理立方体抗压强度立方体抗压强度 fcu,k 用边长为用边长为150mm的的标准标准立方体试块在立方体试块在标准标准条件下养护条件下养护28d后，以后，以标准标准试验方法测得的破坏时的试验方法测

2、得的破坏时的平均平均压应力为混凝土的压应力为混凝土的立方体抗压强度立方体抗压强度。 影响因素影响因素： 按上述规定所测得的具有按上述规定所测得的具有95%保证率保证率的抗压强度称为混凝土的的抗压强度称为混凝土的立方体立方体抗压强度标准值抗压强度标准值 。 cu,kf 尺寸效应：尺寸越大，内部缺陷较多，尺寸效应：尺寸越大，内部缺陷较多， 强度较低。强度较低。 加载速度：加载速度越快，强度越高。（标准加载速度加载速度：加载速度越快，强度越高。（标准加载速度 0.150.3n/mm2/s） 端部约束：涂润滑油端部约束：涂润滑油 ，强度降低。（，强度降低。（两端不涂润滑剂）2.1 混凝土的物理力学性能

3、1.1.单轴向应力状态下的混凝土强度单轴向应力状态下的混凝土强度 混凝土混凝土强度等级强度等级 按立方体抗压强度标准值确定，按按立方体抗压强度标准值确定，按 的大小划分为的大小划分为14级。级。c15、 c20、 c25、 c30 c80。 cu,kf 混凝土混凝土强度等级强度等级的选用的选用 采用采用hrb335、 hrb400、 rrb400级钢筋时，级钢筋时， 不得不得低于低于c20； 预应力混凝土结构，预应力混凝土结构， 不应不应低于低于c30； 采用高强钢丝作预应力钢筋时，采用高强钢丝作预应力钢筋时，不宜不宜低于低于c40。 承受重复荷载构件的混凝土，承受重复荷载构件的混凝土， 不得

4、不得低于低于c20；立方体抗压强度表示混凝土concrete立方体抗压强度fcu,k承压板试块摩擦力不涂润滑剂涂润滑剂强度大于我国规范的方法：不涂润滑剂压力压力试件试件裂缝裂缝发展发展扩张扩张整个体整个体系解体，丧失承载力系解体，丧失承载力另影响强度的因素另影响强度的因素还有：龄期、加载速还有：龄期、加载速率、试块尺寸等率、试块尺寸等2.1 轴心抗压强度轴心抗压强度fck （棱柱体抗压强度）（棱柱体抗压强度） 棱柱体棱柱体高度高度的取值：的取值： 摆脱端部摩擦力的影响；摆脱端部摩擦力的影响； 试件不致失稳。试件不致失稳。 试验目的：采用棱柱体试件，反映混凝土的实际工作状态。试验目的：采用棱柱体

5、试件，反映混凝土的实际工作状态。 试件尺寸：我国取试件尺寸：我国取 mm为标准试件。为标准试件。150 150 300承压板试块考虑到承压板对试件的约束，立方体抗压强度大考虑到承压板对试件的约束，立方体抗压强度大于棱柱体抗压强度；并考虑到构件和试件的区别于棱柱体抗压强度；并考虑到构件和试件的区别且有：取且有：取kcuccckff,2188. 0考虑实际构件与试件混凝土强度之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间的差异而取用的折减系数直接受拉试验ftk100100150150500试验结果：试验结果：0.88的意义与的意义与 的取值同前的取值同前245. 055. 0,)645

6、. 11 (395. 088. 0ckcutkff2c2.1 轴心抗拉强度轴心抗拉强度 ftk 劈裂试验ftsddftsffff我国根据我国根据100mm立方体的立方体的劈裂与抗压试验结果有：劈裂与抗压试验结果有：fts=0.19fcu 3/4dlfft202.2.复合应力状态下混凝土的强度复合应力状态下混凝土的强度2.1 双轴应力状态双轴应力状态 双向受拉，接近单轴抗拉双向受拉，接近单轴抗拉强度；强度； 双向受压，混凝土的侧向双向受压，混凝土的侧向变形受到约束，强度变形受到约束，强度提高提高 ； 一拉一压，一拉一压，加速了混凝土加速了混凝土内部微裂缝的发展内部微裂缝的发展 ，抗拉、，抗拉、抗

7、压强度均抗压强度均降低降低。 剪压或剪拉复合应力状态剪压或剪拉复合应力状态 混凝土的剪压复合强度混凝土的剪压复合强度 2.1混凝土的抗剪强度：随拉应力增大而减小混凝土的抗剪强度：随拉应力增大而减小 随压应力增大而增大随压应力增大而增大当压应力在当压应力在0.6fc左右时，抗剪强度达到最大，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力的增大而减小。1=fcc1=fcc2= 3= flfl-侧向约束压应力（加液压）圆柱体试验lcccfff）（0 . 75 . 4有侧向约束时的抗压强度无侧向约束

8、时圆柱体的单轴抗压强度2.1 三轴应力状态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。采用圆柱体在等侧压条件进行。 混凝土单轴受力时的应力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应变关系反映了混凝土受力全过程的重要力学特征的重要力学特征,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。算

9、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混凝土单轴受压应力-应变关系曲线，常采用棱柱体试件来应变关系曲线，常采用棱柱体试件来测定。测定。 在普通试验机上采用在普通试验机上采用等应力速度等应力速度加载，达到轴心抗压强加载，达到轴心抗压强度度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-应变曲线的应变曲线的上升段上升段。 采用采用等应变速度等应变速度加载，或在试件旁附设高弹性元件与试件一加载，或在试件旁附设高弹性元件与试

10、件一同受压，以吸收试验机内集聚的应变能，可以测得应力同受压，以吸收试验机内集聚的应变能，可以测得应力-应变曲应变曲线的线的下降段下降段。2.13. 3. 混凝土的变形混凝土的变形 一次短期加载下混凝土的变形性能一次短期加载下混凝土的变形性能2.1 混凝土受压时的应力混凝土受压时的应力-应变关系应变关系作用是：峰值应力后，吸收试验机的变形能，测出下降段2.102468102030(mpa)e 10abcde不同强度混凝土的应力-应变关系曲线强度等级越高，线弹性段强度等级越高，线弹性段越长，峰值应变也有所增越长，峰值应变也有所增大。但高强混凝土中，砂大。但高强混凝土中，砂浆与骨料的粘结很强，密浆与

11、骨料的粘结很强，密实性好，微裂缝很少，最实性好，微裂缝很少，最后的破坏往往是骨料破坏，后的破坏往往是骨料破坏，破坏时脆性越显著，下降破坏时脆性越显著，下降段越陡。段越陡。2.1 混凝土单轴受压时的应力混凝土单轴受压时的应力-应变关系的数学模型应变关系的数学模型eu=0.0038e0=0.002ocfcec0.15fc2011eecccf0015. 01eeeeucccfeu=0.0035e0=0.002ocfcec2011eecccf美国hognestad模型德国rsch模型2.1规范规范应力应力-应变关系应变关系上升段：)1 (1 0ncccfee0ee下降段：ccfueee055010)5

12、0(0033. 010)50(5 . 0002. 0)50(6012cuucucufffnee规范混凝土应力-应变曲线参数fcuc50c60c70c80n21.831.671.5e00.0020.002050.00210.00215eu0.00330.00320.00310.00300.0010.0020.0030.00410203040506070c80c60c40c20e2.1 三向受压状态下混凝土的受力特点三向受压状态下混凝土的受力特点 试件纵向受压时，混凝土的横向膨胀受到约束，使核心试件纵向受压时，混凝土的横向膨胀受到约束，使核心混凝土处于混凝土处于三向受压三向受压状态，内部状态，内部

13、微裂缝微裂缝的发展受到抑制，从的发展受到抑制，从而提高了试件的纵向强度和而提高了试件的纵向强度和延性延性，特别是延性大为提高。，特别是延性大为提高。 混凝土圆柱体三向受压时轴向应力混凝土圆柱体三向受压时轴向应力应变曲线应变曲线 三向受压状态下混凝土的受力特点三向受压状态下混凝土的受力特点 螺旋箍筋圆柱体约束混凝土的应力螺旋箍筋圆柱体约束混凝土的应力应变曲线应变曲线 混凝土的变形模量混凝土的变形模量弹性模量弹性模量0tgec变形模量变形模量1tgec切线模量切线模量tgec 混凝土变形模量的表示方法混凝土变形模量的表示方法 混凝土的弹性模量的试验方法（150150 300标准试件）c/fcec0

14、.5510次此线和原点切线基本平行，取其斜率作为ec)/(74.342 . 21025mmnfecuc 混凝土的变形模量混凝土的变形模量 混凝土的变形模量混凝土的变形模量52ccu,k10(n/mm )34.72.2ef混凝土混凝土弹性模量弹性模量与与立方体抗压强度立方体抗压强度之间的关系：之间的关系：混凝土的泊松比和剪切模量混凝土的泊松比，在压力较小时为混凝土的泊松比，在压力较小时为0.150.18，接近破坏时可达，接近破坏时可达0.5以上，以上，一般可取一般可取0.2混凝土的剪切模量为混凝土的剪切模量为)1 (2ccceg 混凝土的变形模量混凝土的变形模量轴向受拉时混凝土的应力应变关系te

15、to et0 etu ftt(mpa)0 (mm)ecr =0.00012试件：7619305mmfc = 44mpa43210.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06标距83mm理论模型荷载长期作用下混凝土的变形性能荷载长期作用下混凝土的变形性能-徐变徐变原因之一，胶凝体原因之一，胶凝体的粘性流动的粘性流动原因之二，混凝土原因之二，混凝土内部微裂缝的不断发内部微裂缝的不断发展展定义定义：在荷载：在荷载长期长期作用下，混凝土的作用下，混凝土的变形变形随时间而随时间而徐徐增长徐徐增长 的现象。的现象。徐变的特点徐变的特点：开始增长较快，以后逐渐减慢，最后趋于稳定。：开始增长较快，

16、以后逐渐减慢，最后趋于稳定。 荷载长期作用下混凝土的变形性能荷载长期作用下混凝土的变形性能-影响徐变的因素应力的大小；应力的大小；应力越大，徐变越大应力越大，徐变越大混凝土的龄期；混凝土的龄期；加荷时混凝土的龄期，越早，徐变越大加荷时混凝土的龄期，越早，徐变越大混凝土的制作、养护环境；混凝土的制作、养护环境； 温度越高，湿度越大，徐变越小温度越高，湿度越大，徐变越小水灰比与水泥用量；水灰比与水泥用量；水泥用量越多，水灰比越大，徐变越大水泥用量越多，水灰比越大，徐变越大骨料用量及力学性能。骨料用量及力学性能。骨料越硬，徐变越小骨料越硬，徐变越小 徐变对混凝土结构和构件的工作性能有很大影响。由于混

17、凝土的徐变，徐变对混凝土结构和构件的工作性能有很大影响。由于混凝土的徐变，会使构件的变形增加，在钢筋混凝土截面中引起应力重分布，在预应力混凝会使构件的变形增加，在钢筋混凝土截面中引起应力重分布，在预应力混凝土结构中会造成预应力的损失。土结构中会造成预应力的损失。 混凝土的徐变特性主要与时间参数有关。混凝土的徐变特性主要与时间参数有关。徐变对混凝土结构的影响paspas s1c1ps2as s2p拆去，钢筋受压混凝土受拉，可能会引起混凝土开裂徐变：徐变： s， c荷载长期作用下混凝土的变形性能荷载长期作用下混凝土的变形性能-徐变徐变定义：定义：混凝土在空气中硬化时体积会缩小，这种现象称为混凝土的

18、收缩。混凝土在空气中硬化时体积会缩小，这种现象称为混凝土的收缩。 收缩是混凝土在不受外力情况下体积变化产生的变形。收缩是混凝土在不受外力情况下体积变化产生的变形。 当这种自发的变形受到外部（支座）或内部（钢筋）的约束时，当这种自发的变形受到外部（支座）或内部（钢筋）的约束时，将使将使混凝土中产生拉应力，甚至引起混凝土的开裂。混凝土收缩会使预应力混混凝土中产生拉应力，甚至引起混凝土的开裂。混凝土收缩会使预应力混凝土构件产生预应力损失。凝土构件产生预应力损失。 荷载长期作用下混凝土的变形性能荷载长期作用下混凝土的变形性能-收缩收缩养护条件、制作方法、使用环境、体积与表面积的比值等养护条件、制作方法

19、、使用环境、体积与表面积的比值等骨料：骨料越硬，收缩越小骨料：骨料越硬，收缩越小水泥用量：水泥用量越多，水灰比越大，收缩越大水泥用量：水泥用量越多，水灰比越大，收缩越大水泥品种：等级越高，收缩越大水泥品种：等级越高，收缩越大影响因素：影响因素：收缩对混凝土结构的影响assas s收缩：收缩： 钢筋受压， 混凝土受拉as荷载长期作用下混凝土的变形性能荷载长期作用下混凝土的变形性能-收缩收缩重复荷载下混凝土的变形性能epeeee包罗线与一次性加载时的应力-应变曲线相似4.4.混凝土的疲劳混凝土的疲劳 疲劳强度疲劳强度 混凝土的疲劳强度由疲劳试验测定。采用混凝土的疲劳强度由疲劳试验测定。采用100m

20、m100mm300mm 或着或着150mm150mm450mm的棱柱体，把棱柱体试件承受的棱柱体，把棱柱体试件承受200万次或其万次或其以上循环荷载而发生破坏的压应力值称为以上循环荷载而发生破坏的压应力值称为混凝土的疲劳抗压强度混凝土的疲劳抗压强度。破坏重复荷载下的应力-应变曲线fcf321e疲劳强度fcfcf的确定原则：100100 300或150150 450 的棱柱体试块承受200万次（或以上）循环荷载时发生破坏的最大压应力值 影响因素影响因素 施加荷载时的应力大小是影响应力施加荷载时的应力大小是影响应力-应变曲线不同的发展应变曲线不同的发展和变化的关键因素，即混凝土的疲劳强度与重复作用

21、时应力和变化的关键因素，即混凝土的疲劳强度与重复作用时应力变化的幅度有关。变化的幅度有关。在相同的重复次数下，疲劳强度随着疲劳在相同的重复次数下，疲劳强度随着疲劳应力比值的增大而增大。应力比值的增大而增大。fcfcfcmax,min,土最小应力及最大应力截面同意纤维上的混凝fcfcmax,min,钢筋热轧钢筋：热轧光面钢筋hpb235，热轧带肋钢筋hrb335、hrb400，余热处理钢筋rrb400冷拉钢筋：由热轧钢筋在常温下用机械拉伸而成热处理钢筋：将hrb400、rrb400钢筋通过加热、淬火、回火而成按加工钢丝碳素钢丝：高碳镇静钢通过多次冷拔、应力消除、矫正、回火处理而成刻痕钢丝：在钢丝

22、表面刻痕，以增强其与混凝土间的粘结力钢绞线：六根相同直径的钢丝成螺旋状铰绕在一起冷拔低碳钢丝：由低碳钢冷拔而成2.2 钢筋的物理力学性能1. 1. 钢筋的种类钢筋的种类按表面形状光圆钢筋变形钢筋钢筋的应用范围非预应力钢筋：hrb235，hrb335，hrb400，rrb400预应力钢筋：碳素钢丝，刻痕钢丝，钢绞线，热处理钢筋，冷拉钢筋热轧钢筋的热轧钢筋的符号说明符号说明hpb235 生产工艺生产工艺： hot rolled 表面形状表面形状：plain 钢筋钢筋：bar 屈服强度屈服强度热轧钢筋的热轧钢筋的符号说明符号说明hrb335 hot rolledribbed bar rrb400 r

23、emained heat treatmentribbed bar 预应力钢筋的符号说明s钢绞线 s strand p光面钢丝 p plain i刻痕钢丝 i indented h螺旋肋钢丝 h helix ht热处理钢筋 ht heat-treated 按化学成分碳素钢（铁、碳、硅、锰、硫、磷等元素）低碳钢（含碳量0.25%）中碳钢（含碳量0.250.6%）高碳钢（含碳量0.61.4%）普通低合金钢（另加硅、锰、钛、钒、铬等）硅系硅钒系硅钛系硅锰系硅铬系冷拉ebkzzk残余变形冷拉伸长率无时效经时效k点的选择：应力控制和应变控制温度的影响：温度达700c时恢复到冷拉前的状态，先焊后拉特性：只提

24、高抗拉强度，不提高抗压强度，强度提高，塑性下降冷加工钢筋冷加工钢筋是由热轧钢筋和盘条经冷拉、冷拔、冷轧、冷扭加工后而成。冷加是由热轧钢筋和盘条经冷拉、冷拔、冷轧、冷扭加工后而成。冷加工的目的是为了提高钢筋的强度，节约钢材。工的目的是为了提高钢筋的强度，节约钢材。但经冷加工后，钢筋的延伸率降但经冷加工后，钢筋的延伸率降低。低。近年来，冷加工钢筋的品种很多，应根据专门规程使用。近年来，冷加工钢筋的品种很多，应根据专门规程使用。冷拔经过冷拔后钢筋没有明显的屈服点和流幅冷拔既能提高抗拉强度又能提高抗压强度热处理钢筋热处理钢筋是将是将级钢筋通过加热、淬火和回火等调质工艺处理，级钢筋通过加热、淬火和回火等

25、调质工艺处理，使强度得到较大幅度的提高，而延伸率降低不多。用于预应力混凝使强度得到较大幅度的提高，而延伸率降低不多。用于预应力混凝土结构。土结构。对特定钢号的钢筋进行淬火和回火处理强度提高，塑性降低不降低强度的前提下，消除由淬火产生的内力，改善塑性和韧性热处理 有明显屈服点的钢筋有明显屈服点的钢筋a 比例极限比例极限b 弹性极限弹性极限ob 弹性阶段弹性阶段d 极限抗拉强度极限抗拉强度bc 屈服阶段屈服阶段cd 强化阶段强化阶段de 破坏阶段破坏阶段e 极限应变极限应变 无明显屈服点的钢筋无明显屈服点的钢筋d 极限抗拉强度极限抗拉强度e 极限应变极限应变 条件屈服强度：条件屈服强度： 取残余应

26、变为取残余应变为0.2%所对应的应力作为无明显流幅钢筋所对应的应力作为无明显流幅钢筋的强度限值，通常称为的强度限值，通常称为条件屈服强度条件屈服强度。几个指标：几个指标：屈服强度屈服强度：是钢筋强度的设计依据是钢筋强度的设计依据，因为钢筋屈服后将发生，因为钢筋屈服后将发生很大的塑性变形，且卸载时这部分变形很大的塑性变形，且卸载时这部分变形不可恢复不可恢复，这会使钢，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。与加载速度有关，不太稳定，一般取屈服下限作为屈服强度。延延 伸伸

27、率率：钢筋拉断后的伸长值与原长的比率，是反映钢筋塑：钢筋拉断后的伸长值与原长的比率，是反映钢筋塑性性能的指标。延伸率大的钢筋，在拉断前有足够预兆，延性性能的指标。延伸率大的钢筋，在拉断前有足够预兆，延性较好。性较好。0010or 5lll 屈屈 强强 比：比：反映钢筋的强度储备，反映钢筋的强度储备，fy/fu=0.60.7。 冷弯要求冷弯要求：将直径为：将直径为d的钢筋绕直径为的钢筋绕直径为d的钢辊弯成一定的的钢辊弯成一定的角度而不发生断裂角度而不发生断裂 sess=eseseyes,hfysess=eseseyes,hfyfs,ues,ues,usess=eseseyfyes,hfs,u有明

28、显流幅的钢筋无明显流幅的钢筋3.3.钢筋的应力钢筋的应力- -应变曲线的数学模型应变曲线的数学模型重复荷载作用下，钢筋的强度静载作用下的强度规定的应力幅度内，经一定次数的重复荷载后，发生疲劳破坏的最大应力值称为疲劳强度。对钢筋用疲劳应力幅来表示其疲劳强度。试验方法单根钢筋的轴拉疲劳钢筋埋入混凝土中重复受拉或受弯4.4.钢筋的疲劳钢筋的疲劳强度要求：屈服强度和极限强度，抗震设计时还要求有一定的强度要求：屈服强度和极限强度，抗震设计时还要求有一定的屈强比屈强比要求钢筋有足够的强度和适宜的强屈比要求钢筋有足够的强度和适宜的强屈比(极限强度与屈服强度的极限强度与屈服强度的比值比值)。例如，对抗震等级为

29、一、二级的框架结构，其纵向受力。例如，对抗震等级为一、二级的框架结构，其纵向受力钢筋的实际强屈比不应小于钢筋的实际强屈比不应小于1.25。塑性要求：伸长率和冷弯要求塑性要求：伸长率和冷弯要求,避免发生脆性破坏避免发生脆性破坏可焊性可焊性:要求钢筋焊接后不产生裂缝和过大的变形，焊接接要求钢筋焊接后不产生裂缝和过大的变形，焊接接头性能良好头性能良好与混凝土的粘结性与混凝土的粘结性:要求钢筋与混凝土之间有足够的粘结要求钢筋与混凝土之间有足够的粘结力，以保证两者共同工作力，以保证两者共同工作5.5.混凝土结构对钢筋性能的要求混凝土结构对钢筋性能的要求 粘结应力的粘结应力的定义定义钢筋与混凝土接触面上产生的沿钢筋纵向的剪应力钢筋与混凝土接触面上产生的沿钢筋纵向的剪应力 。粘结强度粘结强度：粘结失效时的最大（平均）粘结应力。：粘结失效时的最大（平均）粘结应力。粘结强度的测试粘结强度的测试 1.1.粘结的意义粘结的意义粘结和锚固是钢筋和混凝土形成整体、共同工作的基础粘结和锚固是钢筋和混凝土形成整体、共同工作的基础拔出试验拔出试验光圆钢筋与变形钢筋具有不同的粘结机理，其光圆钢筋与变形钢筋具有不同的粘结机理，其粘结作用主要由三部分组成：粘结作用主要由三部分组成：（）钢筋与混凝土接触面上的化学吸附作用力（）钢筋与混凝土接触面上的化学吸附作用力（胶结力）。一般很小，仅在受力