第一章：混凝土结构材料的性能

1、给水排水工程结构给水排水工程结构第 1 章主主 页页目目 录录帮帮 助助上一章上一章下一章下一章第第 1 章章 混凝土结构材料的性能混凝土结构材料的性能（Properties of Concrete Structural Materials）给水排水工程结构给水排水工程结构第 1 章主主 页页目目 录录帮帮 助助上一章上一章下一章下一章本章重点本章重点 熟悉土木工程用钢筋的品种、级别、性能熟悉土木工程用钢筋的品种、级别、性能及其选用原则；及其选用原则； 熟悉熟悉混凝土在各种受力状态下的强度与混凝土在各种受力状态下的强度与变变 形性能及其选用原则；形性能及其选用原则； 了解了解钢筋与混凝土的共同

2、工作原理。钢筋与混凝土的共同工作原理。给水排水工程结构给水排水工程结构第 1 章主主 页页目目 录录帮帮 助助上一章上一章下一章下一章1.1.1 建筑用钢筋的种类建筑用钢筋的种类v热轧钢筋热轧钢筋400840RRB400(K20MnSi)400650HRB400(20MnSiV, 20MnSiNb,20MnTi)335650HRB335(20MnSi)235820HPB235(Q235)fyk/(N/mm2)d/(mm)符号符号种种 类类1.1钢钢 筋筋 （Reinforcement；bar）给水排水工程结构给水排水工程结构第 1 章主主 页页目目 录录帮帮 助助上一章上一章下一章下一章 HP

3、B（hot-rolled plane bar）热轧光面钢筋；热轧光面钢筋； HRB （hot-rolled rib bar）热轧带肋钢筋；热轧带肋钢筋； RRB （residual heat rib bar）余热处理钢筋。余热处理钢筋。Mn 锰，锰，Si 硅，硅， V 钒，钒，Nb 铌，铌，Ti 钛，钛， C 碳碳低低 碳：碳：C0.6%20MnSiV含碳含碳万分数万分数含锰、硅、钒的含锰、硅、钒的百分数百分数，取整。，取整。光面钢筋螺纹钢筋月牙纹钢筋人字纹钢筋给水排水工程结构给水排水工程结构第 1 章主主 页页目目 录录帮帮 助助上一章上一章下一章下一章v 中、高强钢丝、钢绞线（中、高强钢丝

4、、钢绞线（steel wire）做预应力筋用。做预应力筋用。中强：中强：8001370MPa高强：高强：14701860MPa1003.5% 4% v 热处理钢筋（热处理钢筋（heat treated bar） 经淬火处理得，经淬火处理得，fptk=1470MPa，无明显屈服点。，无明显屈服点。给水排水工程结构给水排水工程结构第 1 章主主 页页目目 录录帮帮 助助上一章上一章下一章下一章v 冷加工钢筋（冷加工钢筋（cold draw bar） 冷加工工艺：冷加工工艺：冷拉、冷拔、冷轧、冷轧扭。冷拉、冷拔、冷轧、冷轧扭。 目的：目的：提高强度，节约钢材。但塑性减小。提高强度，节约钢材。但塑性减

5、小。冷拉钢筋仍有屈服台阶。冷拉钢筋仍有屈服台阶。给水排水工程结构给水排水工程结构第 1 章主主 页页目目 录录帮帮 助助上一章上一章下一章下一章1.1.2 钢筋的强度和变形钢筋的强度和变形v 应力应变曲线应力应变曲线上屈服点不稳定下屈服点出现颈缩拉断OA段为弹性段BC段为屈服平台CD段为强化段DE段为颈缩段0.2%0.2标距有明显流幅的钢筋（软钢）无明显流幅的钢筋* *钢筋受压和受拉时的应力钢筋受压和受拉时的应力- -应变曲线几乎相同应变曲线几乎相同ABBCDEOfyfub0.2=0.85 b条件屈服强度（offset yield strength）给水排水工程结构给水排水工程结构第 1 章主

6、主 页页目目 录录帮帮 助助上一章上一章下一章下一章v 伸长率（伸长率（extension ratio）同一根钢筋同一根钢筋上述伸长率只反映断口附近残留变形大小，上述伸长率只反映断口附近残留变形大小， 不反映钢筋总伸长率情况。不反映钢筋总伸长率情况。105： ： 1510100100%510100m mlllldldl l1ld:给水排水工程结构给水排水工程结构第 1 章主主 页页目目 录录帮帮 助助上一章上一章下一章下一章v均匀伸长率均匀伸长率钢筋弹钢筋弹性模量性模量实测钢筋实测钢筋拉断强度拉断强度gt残余残余伸长伸长00lll s0bE已回复弹已回复弹性应变性应变+=给水排水工程结构给水排

7、水工程结构第 1 章主主 页页目目 录录帮帮 助助上一章上一章下一章下一章钢筋均匀伸长率的测定：钢筋均匀伸长率的测定：给水排水工程结构给水排水工程结构第 1 章主主 页页目目 录录帮帮 助助上一章上一章下一章下一章v 冷弯性能（冷弯性能（cold bend behavior）Dd =90,180 ,反复弯曲反复弯曲要要求：冷弯过程中无裂缝、鳞求：冷弯过程中无裂缝、鳞落或断裂。落或断裂。D 愈小，要求愈高。愈小，要求愈高。反复次数愈高，要求愈高。反复次数愈高，要求愈高。 冷弯是检验钢筋加工性能的指标。冷弯是检验钢筋加工性能的指标。 钢筋塑性愈好，构件破坏前预兆愈明显。钢筋塑性愈好，构件破坏前预兆

8、愈明显。 给水排水工程结构给水排水工程结构第 1 章主主 页页目目 录录帮帮 助助上一章上一章下一章下一章1.1.3 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v 强度高强度高屈 服 点0by0b0.2条 件 屈 服 点残 余 应 变 0.2热轧钢筋热轧钢筋钢丝、钢绞线、钢丝、钢绞线、各种冷加工钢筋各种冷加工钢筋给水排水工程结构给水排水工程结构第 1 章主主 页页目目 录录帮帮 助助上一章上一章下一章下一章v 可加工性好可加工性好焊接弯折v 与混凝土粘结锚固性好与混凝土粘结锚固性好光面变形变形钢筋比光面钢筋好变形钢筋比光面钢筋好给水排水工程结构给水排水工程结构第 1 章主主 页页目目

9、 录录帮帮 助助上一章上一章下一章下一章v 钢筋的直径钢筋的直径常用：常用： 6mm，6.5mm，8mm，8.2mm，10mm，12mm， 14mm，16mm，18mm，20mm，22mm，25mm， 28mm，32mm，36mm，40mm，50mm。其中，。其中， 8.2mm仅适用有纵肋的热处理钢筋。仅适用有纵肋的热处理钢筋。v 钢筋的选用钢筋的选用普通钢筋：普通钢筋：宜用宜用HRB400和和HRB335钢筋钢筋 可用可用HPB235、RRB400预应力筋：预应力筋：宜用宜用钢铰线、钢丝钢铰线、钢丝 可用可用热处理钢筋和强度较高的冷加工钢筋热处理钢筋和强度较高的冷加工钢筋d=650mm给水排

10、水工程结构给水排水工程结构第 1 章主主 页页目目 录录帮帮 助助上一章上一章下一章下一章1.1.4 钢筋应力钢筋应力-应变曲线的数学模型应变曲线的数学模型sss=Essys,h fysss=Essys,hfyfs,us,us,usss=Essyfys,hfs,u有明显流幅的钢筋无明显流幅的钢筋给水排水工程结构给水排水工程结构第 1 章主主 页页目目 录录帮帮 助助上一章上一章下一章下一章1.1.5 钢筋的施工图片钢筋的施工图片给水排水工程结构给水排水工程结构第 1 章主主 页页目目 录录帮帮 助助上一章上一章下一章下一章1.2混凝土（混凝土（Concrete）1.2.1 组成及特点组成及特点

11、主要材料：主要材料：水泥、水、砂、石水泥、水、砂、石 特点特点:1）以固相为主，包含固体、液体、气体的三相体；）以固相为主，包含固体、液体、气体的三相体；2）水化过程长，性能要很长时间才稳定；）水化过程长，性能要很长时间才稳定； 3）水泥石收缩可形成微裂缝；）水泥石收缩可形成微裂缝；4）受制作、养护、使用条件影）受制作、养护、使用条件影 响大。响大。 给水排水工程结构给水排水工程结构第 1 章主主 页页目目 录录帮帮 助助上一章上一章下一章下一章1.2.2 混凝土强度混凝土强度v立方体抗压强度立方体抗压强度 fcu,k （cube compressive strength） * 标准测试方法标

12、准测试方法 1.标准尺寸：标准尺寸：150mm150mm150mm 2.养护条件：养护条件：20 3，湿度，湿度90%；28d 3.加荷方法：加荷速度加荷方法：加荷速度0.150.25MPa/s，可垫橡胶板，可垫橡胶板 4.强度保证率：强度保证率：95% ，f cu,k= -1.645 承压板试块摩擦力不涂润滑剂不涂润滑剂 涂润滑剂涂润滑剂影响强度的因影响强度的因素有：横向约素有：横向约束、龄期、加束、龄期、加载速率、试块载速率、试块尺寸等尺寸等给水排水工程结构给水排水工程结构第 1 章主主 页页目目 录录帮帮 助助上一章上一章下一章下一章 *非标准试块强度换算系数：非标准试块强度换算系数：

13、200mm200mm200mm:1.05； 100mm100mm100mm:0.95。 612圆柱体：圆柱体：1.20 （日本、美国等）（日本、美国等） 612棱柱体：棱柱体：1.32 （1=2.54cm） *分级：分级：C15,C20,C25,C30,C35,C40,C45,C50, C55, C60, C65,C70,C75,C80 (高强混凝土）高强混凝土），共，共14个等级。个等级。 CConcrete,单位：单位：N/mm2或或MPa。给水排水工程结构给水排水工程结构第 1 章主主 页页目目 录录帮帮 助助上一章上一章下一章下一章v轴心抗压强度轴心抗压强度 fck （prism st

14、rength）ckc1c2cu,k0.88ff 混凝土强度与试混凝土强度与试块混凝土强度的块混凝土强度的修正系数修正系数脆性影响脆性影响系数系数 棱柱体强度棱柱体强度与立方体强与立方体强度之比值度之比值fckfcu,kh b1.00.5012345bbh标准试块：150150 300h/b=24给水排水工程结构给水排水工程结构第 1 章主主 页页目目 录录帮帮 助助上一章上一章下一章下一章混凝土混凝土强度强度等级等级C40C45C50C55C60C65C70C75C80 c10.760.760.760.770.780.790.800.810.82 c21.000.9840.9680.9510.

15、9350.9190.9030.8870.87 c1 和和 c2 值值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，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，且有：且有：fc=0.76fcu (试验结果)考虑到构件和试件的区别，取考虑到构件和试件的区别，取 fc=0.67fcu 对国外（美国、日本、欧洲混凝土协会等）采用的圆柱体试件对国外（美国、日本、欧洲混凝土协会等）采用的圆柱体试件（d=150, h=300），有有 fc=0.79fcu 给水排水工程结构给水排水工程结构第 1 章主主 页页目目 录录帮帮 助助上一章上一章下一章下一章v 轴心抗拉强度轴心抗拉强度

16、 ftk （axis tensile strength） 直接测试法直接测试法ddftsFFFFdlFfts2间接测试法（劈裂试验）间接测试法（劈裂试验）给水排水工程结构给水排水工程结构第 1 章主主 页页目目 录录帮帮 助助上一章上一章下一章下一章45. 00.55kcu,2tk)645. 11 (395. 088. 0ff轴心抗拉强度与轴心抗拉强度与立方体抗压强度立方体抗压强度的折算系数的折算系数 试验离散性的试验离散性的影响系数影响系数 试验离散试验离散性系数性系数 给水排水工程结构给水排水工程结构第 1 章主主 页页目目 录录帮帮 助助上一章上一章下一章下一章v 复合应力下的强度复合应

17、力下的强度 双向受力双向受力6 .04 .02 .00 .12 .18 .04 .02 .06 .08 .00 .12 .12112c2/ fc1/ fc227.1f1c22c127.1maxfc15 .0f01 .0拉拉-拉：强度不变拉：强度不变压压-压：强度提高压：强度提高拉拉-压：抗拉和压：抗拉和抗压强度都抗压强度都降低降低给水排水工程结构给水排水工程结构第 1 章主主 页页目目 录录帮帮 助助上一章上一章下一章下一章 压剪和拉剪压剪和拉剪拉拉-剪：抗拉、抗剪强度都降低；剪：抗拉、抗剪强度都降低；压压-剪：当剪：当 时，抗剪强度随压应力提高而增大；时，抗剪强度随压应力提高而增大； 当当

18、时，内部裂缝增加，抗剪抗压强度时，内部裂缝增加，抗剪抗压强度 均降低。均降低。 6 . 0/cf6 . 0/cf给水排水工程结构给水排水工程结构第 1 章主主 页页目目 录录帮帮 助助上一章上一章下一章下一章 三向受力：三向受力：1=fcc1=fcc2= 3= fLfL-侧向约束压应力（加液压）圆柱体试验Lcccfff1 . 4有侧向约束时的抗压强度无侧向约束时圆柱体的单轴抗压强度给水排水工程结构给水排水工程结构第 1 章主主 页页目目 录录帮帮 助助上一章上一章下一章下一章1.2.3 混凝土的变形（混凝土的变形（deformation of concrete）v 一次加载时一次加载时0A:近

19、似弹性近似弹性 AB:非线性非线性 BC:体积增大体积增大 CF:破坏破坏 高强混凝土：高强混凝土： ， 0cu 给水排水工程结构给水排水工程结构第 1 章主主 页页目目 录录帮帮 助助上一章上一章下一章下一章微观机理微观机理max=0.85max=0.65max粘结裂缝=0用X光观测的混凝土单轴受压的裂缝过程注：注：1）峰值应变）峰值应变 2）下降段须在刚性试验机上方能测试出来；）下降段须在刚性试验机上方能测试出来； 3）下降段的承载力主要由裂缝滑移面上的摩）下降段的承载力主要由裂缝滑移面上的摩擦咬合力提供。擦咬合力提供。0.002 ,10)5 . 25 . 1 (30我国取给水排水工程结构

20、给水排水工程结构第 1 章主主 页页目目 录录帮帮 助助上一章上一章下一章下一章增设刚性元件的试验方法增设刚性元件的试验方法 用千斤顶用千斤顶作为刚性作为刚性元件的试元件的试验方法验方法给水排水工程结构给水排水工程结构第 1 章主主 页页目目 录录帮帮 助助上一章上一章下一章下一章v弹性模量（弹性模量（elastic modulus）（杨氏模量）（杨氏模量）棱柱体试件。棱柱体试件。受压：受压：受拉：受拉：Ec=0.5 Ec剪切模量：剪切模量：Gc=0.4 Ec 泊松比泊松比 = 横向应变横向应变/纵向纵向 应变应变=0.2cu5c7 .342 . 210tanfE给水排水工程结构给水排水工程结

21、构第 1 章主主 页页目目 录录帮帮 助助上一章上一章下一章下一章v 徐变（徐变（creep） 定义：定义：在荷载保持不变的情况下，混凝土变形随时在荷载保持不变的情况下，混凝土变形随时 间推移继续增大的现象。间推移继续增大的现象。 原因：原因：水泥凝胶体粘性流动和内部微裂缝的发展。水泥凝胶体粘性流动和内部微裂缝的发展。 特点：特点：早期发展快（早期发展快（180d可达总量的可达总量的7080%），）， 但可以延续数年。但可以延续数年。161284369121518212427Acecr徐变ce弹性变形ch收缩ceaeerBCD(104)t (月)0给水排水工程结构给水排水工程结构第 1 章主主

22、 页页目目 录录帮帮 助助上一章上一章下一章下一章*初应力对徐变的影响初应力对徐变的影响*影响因素影响因素a) 组成成分和配合比组成成分和配合比b) 养护条件养护条件c) 龄期龄期）非线性徐变（cc8 . 00.5ff）线形徐变（c0.5f给水排水工程结构给水排水工程结构第 1 章主主 页页目目 录录帮帮 助助上一章上一章下一章下一章*徐变对结构的影响：徐变对结构的影响：混凝土长期抗压强度降低约混凝土长期抗压强度降低约20；梁、板的挠度增大一倍；梁、板的挠度增大一倍；预应力结构的预应力损失预应力结构的预应力损失50%,降低构件的抗裂降低构件的抗裂性；性；构件的截面应力和结构的内力发生重分布等；

23、构件的截面应力和结构的内力发生重分布等；在大体积水工结构中，徐变的出现降低了温度在大体积水工结构中，徐变的出现降低了温度应力（即松弛），减少收缩裂缝；应力（即松弛），减少收缩裂缝；结构的局部应力集中区，徐变可调整应力分布结构的局部应力集中区，徐变可调整应力分布等。等。在轴压构件中，使钢筋应力增加，混凝土应力在轴压构件中，使钢筋应力增加，混凝土应力减小；减小；给水排水工程结构给水排水工程结构第 1 章主主 页页目目 录录帮帮 助助上一章上一章下一章下一章v收缩（收缩（contraction/shrinkage）定义：定义：混凝土在空气中结硬时体积减小的现象。混凝土在空气中结硬时体积减小的现象。

24、收缩率：收缩率：310-4。收缩。收缩=凝缩凝缩+干缩干缩特点：特点：早期快，可延续早期快，可延续12年。年。给水排水工程结构给水排水工程结构第 1 章主主 页页目目 录录帮帮 助助上一章上一章下一章下一章收缩对结构的影响：收缩对结构的影响： 当收缩受到约束时，引起构件开裂。尤其对钢筋当收缩受到约束时，引起构件开裂。尤其对钢筋混凝土构件（自由状态时）。混凝土构件（自由状态时）。减少收缩的措施：减少收缩的措施： 限制水泥用量；减小水灰比；加强振捣和养护限制水泥用量；减小水灰比；加强振捣和养护； 构造钢筋数量加强；设置变形缝；掺膨胀剂。构造钢筋数量加强；设置变形缝；掺膨胀剂。影响因素：影响因素：

25、混凝土的组成及配合比，尤其是水灰比；混凝土的组成及配合比，尤其是水灰比； 养护条件；使用时的温度与湿度。养护条件；使用时的温度与湿度。给水排水工程结构给水排水工程结构第 1 章主主 页页目目 录录帮帮 助助上一章上一章下一章下一章v温度变形温度变形 受到外部约束时将产生温度应力，尤受到外部约束时将产生温度应力，尤其是在大体积混凝土中；其是在大体积混凝土中； 可设置伸缩缝减少温度变形，或配置可设置伸缩缝减少温度变形，或配置温度钢筋加以限制。温度钢筋加以限制。给水排水工程结构给水排水工程结构第 1 章主主 页页目目 录录帮帮 助助上一章上一章下一章下一章1.2.4 混凝土的选用原则混凝土的选用原则

26、v 钢筋混凝土结构中钢筋混凝土结构中 混凝土强度等级不应低于混凝土强度等级不应低于C15。 用用HRB335级钢筋时，不宜低于级钢筋时，不宜低于C20； 用用HRB400和和RRB400级钢筋时，不得低于级钢筋时，不得低于C20； 给水排水结构中，不得低于给水排水结构中，不得低于C25。v 预应力混凝土结构中预应力混凝土结构中 混凝土强度等级不应低于混凝土强度等级不应低于C30。 当采用钢丝、钢绞线、热处理钢筋时，不宜当采用钢丝、钢绞线、热处理钢筋时，不宜 低于低于C40。 给水排水工程结构给水排水工程结构第 1 章主主 页页目目 录录帮帮 助助上一章上一章下一章下一章1.2.5 施工图片施工图片给水排水工程结构给水排水工程结构第 1 章主主 页页目目 录录帮帮 助助上一章上一章下一章下一章1.3钢筋与混凝土之间的粘结钢筋与混凝土之间的粘结v粘结机理（粘结机理（bonding mechanism）光圆钢筋胶合力摩擦力机械咬合力（钢筋表面不平、微锈时）有滑移时胶合力即消失钢筋受力较大时粘结力主要由此二部分组成光圆钢筋F