【混凝土结构】第2章混凝土结构材料的物理力学性能_百

1、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。边长为150mm的立方体，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。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、C35、C40、C45、C50、C55、 C60、C65、C70、C75,共14个等级。例如，C3

2、0表示立方体抗压强度标准值为强度混凝土范畴图2-1混凝土立方体试块的破坏情况(a不涂润滑剂；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图2-2混凝土棱柱体抗压试验和破坏情况以150mrK 150mrK 300mm的棱柱体作为混凝土轴心抗压强度试验的标准试件保证率的抗压强度为混凝土轴心抗压强度标 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12,0.88ck c c cu kf f a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。1c的高强度混凝土白脆性折减系数，对C40及以下取1.00，

3、对C80取0.87,中间按直线规律变化取值。2c a 0.88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'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f cu,k超过60N/mm 2后随着抗压强度的提高，f '与f cu,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

4、凝土，比值为 0.833;对C70的混凝土，比值为0.857Wt C80的混凝土，比值为0.875。,'0.79c cu kf f =轴心抗拉强度图2-4混凝土轴心抗拉强度和立方体抗压强度的关系0.550.45,20.880.395(1 1.645tk cu k c f f&a=X-X圆柱体长度或立方体边长。02t F f dl图t2-5混凝土劈裂试验示意图(a用圆柱体进行劈裂试验；(c劈裂面中水平应力分布1一压力机上压板；2一弧形垫条及垫层各一条；模顶面;5浇模底面;62.1.2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

5、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图2-8混凝土圆柱体三向受压试验时轴向应力2.1.3混凝土的变形受力变形体积变形。混凝土的变形是其重要物理力学性能之一。图2-9混凝土棱柱体受压应力混凝土应力-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建议的应力-应变曲线上升段： 下降段:,10.15cucu

6、63; £ (T00,2£ £ (T应变曲线000,2c fe?在与？0,CU C f eeecrWW 二图2-13不同强度的混凝土拉伸应力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tan c E祗M2 ±的变形模量1'tan c c e c c c c''tan c E=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 ：210(/34.72.2c E kN mm =+图2

7、-15混凝土的徐变（应变与时间的关系曲线图2-17不同应力/强度比值的徐变时间曲线影响混凝土收缩的因素有：(1水泥的品种：水泥强度等级越高制成的混凝土收缩越大。(2水泥的用量：水泥越多，收缩越大；水灰比越大，收缩也越大(3骨料的性质：骨料的弹性模量大，收缩小。(4养护条件:在结硬过程中周围温、湿度越大，收缩越小。(5混凝土制作方法：混凝土越密实，收缩越小。(6使用环境:使用环境温度、湿度大时，收缩小。(7构件的体积与表面积比值：比值大时，收缩小。2.1.4 混凝土的疲劳荷载、车辆荷载以及波浪冲击等几百万次的作用。混凝土图 2-19混凝土在重 复荷载作用下的受压应力-应变曲线混凝土的疲劳强度用疲

8、劳试验测定。疲劳试验采用 100mmx 100mmx300mm 或150mmX 150mmX450mm的棱柱体，把能使棱柱体试件承受200万次或其以上循 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。混凝土的疲劳强度与重复作用时应力变化的幅度有关。在相同的重复次数下 疲劳强度随着疲劳应力比值的减小而增大。疲劳应力比值按下式计算：,min ,maxf c fc fC (T p (T 二2.2.1 钢筋的种类混凝土结构中采用的钢筋有柔性钢筋和劲性钢筋两种。1柔性钢筋图2-20线形的普通钢筋统称为柔性钢筋，其外形有光圆和带肋两类。劲性钢筋是指配置在混凝土中的各种型钢、钢轨或者用钢板焊成的钢骨架

9、。劲 性钢筋本身刚度很大，施工时模板及混凝土的重力可以由劲性钢筋本身来承担 ，因此 能加速并简化支模工作。配置了劲性钢筋的混凝土结构具有较大的承载能力和变形 能力,常用于高层建筑的框架梁、柱以及剪力墙和筒体结构中。2.2.2 国产普通钢筋混凝土结构设计规范规定，用于钢筋混凝土结构的国产普通钢筋为热轧钢筋。热轧钢筋是低碳钢、普通低合金钢在高温状态下轧制而成的软钢，其应力-应变曲线有明显的屈服点和流幅，断 裂时有颈缩现象，伸长率比较大。1强度等级和牌号国产普通钢筋按其屈服强度标准值的高低，分为4个强度等级:300MPa、 335MPa、400MPa和 500MPa。混凝土结构设计规范提出了推广高强

10、度、高性能钢筋 HRB400和HRB500 的要求。因此，本教材的例题中，对梁、柱的纵向受力钢筋将主要采用这两种钢筋，特 别是 HRB400O箍筋宜采用 HRB400、HRBF400、HRB335 和 HPB300。光圆钢筋HPB300虽然也可用作纵向受力钢筋，因其强度较低，故主要用作箍 筋。当HRB500和HRBF500用作箍筋时，只能用于约束混凝土的间接钢筋，即螺旋 箍筋或焊接环筋，见5.2.2节。细晶粒系列HRBF钢筋、HRB500和热处理钢筋RRB400都不能用作承受疲劳 作用的钢筋，这时宜采用HRB400钢筋。工地上常把上述4个强度等级的钢筋俗称为I级、II级、m级和IV级钢筋，但在

11、施工图和正式文件中，都不应采用此俗称。2.2.3钢筋的强度与变形图2-21有明显流幅的钢筋的应力有明显流幅的热轧钢筋屈服强度是按屈服下 限确定的。对有明显流幅的钢筋，在计算承载力时以屈服点作为钢筋强度限值。图2-22无明显流幅的钢筋的应力-应变曲线对没有明显流幅或屈服点的预应力钢筋，一般取残余应变0.2%所对应的应力作 为其条件屈服强度标准值。2.2.4 钢筋本构关系钢筋单调加载的应力-应变本构关系曲线有以下三种：1描述完全弹塑性的双直线模型双直线模型适用于流幅较长的低强度钢材。,s y y f E ?痣s=,y s s h s yf eeecrWW 二2描述完全弹塑性加硬化的三折线模型,s

12、y s s s s E E ? ee(re< =?,y s s h s yf £ £ £ o- < < =,(tan 's h s s u s y s s h f£££o-££0<< =+-tan ''0.01s sE E 0 =,y s s h s yf eeecrWW 二,s y s s s s E E ? < =? &,(tan ''y s s u s y s f £££o-£0<

13、< =+-,tan ''''s u ys s u yf f E 9 £ £ -=2.2.5 钢筋的疲劳钢筋的疲劳是指钢筋在承受重复、周期性的动荷载作用下，经过一定次数后，突 然脆性断裂的现象。吊车梁、桥面板、轨枕等承受重复荷载的钢筋混凝土构件在正 常使用期间会由于疲劳发生破坏。钢筋疲劳断裂的原因，一般认为是由于钢筋内部和外部的缺陷，在这些薄弱处容 易引起应力集中。应力过高，钢材晶粒滑移，产生疲劳裂纹，应力重复作用次数增加，裂纹扩展，从而造成断裂。因此钢筋的疲劳强度低于其在静荷载作用下的极限强度。原状钢筋的疲劳强度最低。埋置在混凝土中的钢

14、筋的疲劳断裂通常发生在纯弯段内 裂缝截面附近，疲劳强度稍高。钢筋的疲劳试验有两种方法：一种是直接进行单根原状钢筋轴拉试验；另一种是 将钢筋埋入混凝土中使其重复受拉或受弯的试验。由于影响钢筋疲劳强度的因素很 多，钢筋疲劳强度试验结果是很分散的。我国采用直接做单根钢筋轴拉试验的方 法。2.2.6混凝土结构对钢筋性能的要求2.3.1 粘结的意义，包括沿钢筋长度混凝土与钢筋的粘结是指钢筋与周围混凝土之间的相互作用 的粘结和钢筋端部的锚固两种情况。图2-24钢筋和混凝土之间粘结应力示意图(a锚固粘2应力；2.3.2 粘结力的组成光圆钢筋与混凝土的粘结作用主要由以下三部分组成(1钢筋与混凝土接触面上的胶结

15、力。这种胶结力来自水泥浆体对钢筋表面氧化层的渗透以及水化过程中水泥晶体的生长和硬化。这种胶 结力一般很小，仅在受力阶段的局部无滑移区域起作用，当接触面发生相对滑移时即 消失。(2混凝土收缩握裹钢筋而产生摩阻力。混凝土凝固时收缩，对钢筋产生垂直于摩擦面的压应力。这种压应力越大，接触面的粗糙程度越大，摩阻力就越大。(3钢筋表面凹凸不平与混凝土之间产生的机械咬合力。对于光圆钢筋这种咬合力来自表面的粗糙不平。图2-25带肋钢筋周围混凝土的内裂缝光圆钢筋的粘结机理与带肋钢筋的主要差别是，光圆钢筋的粘结力主要来自胶 结力和摩阻力，而带肋钢筋的粘结力主要来自机2.3.3 粘结应力-滑移关系图2-26曲线(a

16、光圆钢筋的守s曲线；2.3.4 钢筋的锚固混凝土结构设计规范GB 500102010规定的受拉钢筋锚固长度l ab为钢 筋的基本锚固长度图2-27钢筋的受拉锚固长度计算简图yab f da =2受拉钢筋的锚固（1）受拉钢筋的锚固长度 实际结构中的受拉钢筋锚固长度 还应根据锚固 条件的不同按下式计算，并不小于 200mm。la = （ a lab 1f带肋钢 筋的公称直径大于25mm时，取1.10; 2）环氧树脂涂层带肋钢筋取1.25; 3）施工过程中易扰动的钢筋取1.10; 4）当纵向受力钢筋的实际面积大于其设计计算面 积时，修 正系数取设计计算面积与实际配筋面积的比值，但对有抗震设防要求及直接承受动力荷载的结构构件，不应考虑此项修正；5）锚固钢筋的保护层厚度为3d时修正系数可取0.80,保护层厚度为5d时修正系数可取0.70,中间按内插取 值，此处d为锚固钢筋直径；6）当多于上述一项时，可按连乘计算，但不应小于 0.6;对预应力筋，可取1.0。（2）锚固区的横向构造钢筋 当锚固钢筋的保护层厚度不大于 5d时，锚周长 度范围内应 配置直径不小于d/4的横向构造钢筋。（3）锚固措施 当纵向受拉普通 钢筋末端采用弯钩或机械锚固措施时，包 括弯钩或锚