子项目 1~2 混凝土结构材料的物理力学性能

1、钢筋及混凝土的物理力学性能钢筋及混凝土的物理力学性能道路桥梁工程技术专业道路桥梁工程技术专业能力目标能力目标钢筋混凝土材料能够掌握钢筋力学性能目标能够掌握混凝土力学性能目标2了解混凝土结构的发展目标3 混凝土是由是由等其它材料，按等其它材料，按的具有一定强的具有一定强度的人工石材。因此，也被工程人员称为度的人工石材。因此，也被工程人员称为“砼”。胶凝材料包括水泥、石灰、水、粉煤灰和矿粉等。胶凝材料包括水泥、石灰、水、粉煤灰和矿粉等。 混凝土结构混凝土结构素混凝土结构素混凝土结构Plain concrete structure Reinforced concrete structurePrest

2、ressed concrete structure混凝土分类混凝土分类返回钢筋混凝土结构： 由配置由配置受力的普通钢筋受力的普通钢筋、或或的混凝土制成的结构。的混凝土制成的结构。预应力混凝土结构： 由配置受力的由配置受力的通过通过张拉张拉或其他方法建立或其他方法建立预应力预应力的混凝的混凝土制成的结构。土制成的结构。素混凝土结构： 由由或或的混凝的混凝土制成的结构。土制成的结构。返回现将素混凝土梁和配置钢筋的梁进行分析：a) 素砼梁 由由砼抗拉强度控制控制； 破坏形态：破坏形态：b) 钢筋砼梁钢筋砼梁 由由钢筋受拉、砼受压而破坏； 破坏形态：破坏形态：由此得出钢筋和混凝土结合的有效性： 大大提

3、高结构的承载力 结构的受力性能得到改善混凝土结构特点混凝土结构特点优点：优点：（1）就地取材。（2）合理用材、降低造价。（3）耐久性好。（4）耐火性好。（5）可模性好。（6）整体性好。缺点：缺点：（1）自重大。 （2）抗裂性差。 （3）施工周期长、施工工序复杂、费工、费模板、施工受季节气候影响、结构的隔热隔声性能较差以及修复加固困难等缺点 钢筋混凝土结构钢筋混凝土结构不是钢筋和混凝土之间的钢筋和混凝土之间的任意组合。其组合的原则：发挥钢筋抗拉、抗压强度高的特点；发挥混凝土抗压强度高，而避免抗拉强度低的弱点。钢筋与混凝土合理的组合原则钢筋与混凝土合理的组合原则返回1. 1. 混凝土浇注后，随着凝

4、结，能与钢筋牢固地混凝土浇注后，随着凝结，能与钢筋牢固地粘结在一起，传递应力。2. 2. 二者具有二者具有相近的线膨胀系数，不会由于温度变化，不会由于温度变化产生较大的温度应力和相对变形而破坏粘结力。产生较大的温度应力和相对变形而破坏粘结力。钢筋 st = 1.2 105混凝土 ct = 1.0 1.5 1053. 3. 呈呈碱性的的混凝土可以可以保护钢筋，使钢筋混凝土结钢筋，使钢筋混凝土结构具有较好的构具有较好的耐久性。返回钢筋与混凝土能长期工作的条件钢筋与混凝土能长期工作的条件梁（受弯、受剪、受扭） beam直杆柱（轴心受压、偏心受压） column杆件拱（受压、受弯） arch曲杆曲梁（

5、受弯、受剪、受扭） curved beam基本构件板（受弯构件） plate平板墙（受压、受弯） wall板曲板 拱、薄壳 dome工程结构基本构件工程结构基本构件返回 Fe C Si、Mn S、P 合金元素钢钢 筋筋1）钢钢 筋筋 的的 成成 分分 2 2）钢筋的品种）钢筋的品种 碳素钢碳素钢 (C%)(C%) 普通低合金钢普通低合金钢0.25% -0.6%(0.61.4% ) -0.6%(0.61.4% ) -高碳钢高碳钢软钢 有明显屈服台阶 变形性能好 eg：热轧钢筋 硬钢 无明显屈服台阶 eg：高强钢丝、 钢绞线、 热处理钢筋、 冷加工钢筋 光面钢筋光面钢筋 egeg：HPB300HP

6、B300级级变形钢筋（螺纹变形钢筋（螺纹 人字形人字形 月牙纹）；月牙纹）； 钢绞线（7股）预应力螺纹钢筋（精轧螺纹钢筋）光面钢筋螺旋肋钢丝月牙纹钢筋 1 热轧钢筋-低碳钢、普通低合金钢或 细晶粒钢在高温状态下轧制而成 HPB300级（ ）、 HRB335级（ ）、HRBF335级（ ）、 HRB400级（ ）、 HRBF400级（ ）、RRB400级（ ） HRB500级（ ）和HRBF500级（ ）2 中强度预应力钢丝：抗拉强度为8001270MPa，外 形有光面（ ）和螺旋肋（ ）两种 3 消除应力钢丝：抗拉强度为14701860MPa，外形也有光面（ ）和螺旋肋（ ）两种 4 钢绞线（

7、 ）：是由多根高强钢丝扭结而成，常用的有17（7股）和13（3股）等，抗拉强度为15701960MPa5 预应力螺纹钢筋（ ）：16钢筋的应力钢筋的应力- -应变关系应变关系 热轧低碳钢、普通热轧低合金钢热轧低碳钢、普通热轧低合金钢s se ea 为比例极限为比例极限proportional limit s =Eseaa 为弹性极限为弹性极限elastic limitad-e 强化段强化段strain hardening stagebb 为屈服上限为屈服上限upper yield strengthc 为屈服下限，即屈服强度为屈服下限，即屈服强度 fy lower yield strengthc

8、dc-d 为屈服台阶为屈服台阶yield plateauefue 为极限抗拉强度为极限抗拉强度 fu ultimate tensile strengthfyf17极限强度：材料能承受的最大应力反映安全储极限强度：材料能承受的最大应力反映安全储备备屈强比：屈服强度屈强比：屈服强度/ /极限强度极限强度= =0.60.7 钢材的强度指标钢材的强度指标屈服强度：设计时钢材屈服强度：设计时钢材允许达到允许达到的最大应力的最大应力 有明显流幅的钢材：取屈服点的应力；：取屈服点的应力； 无有明显流幅的钢材：取条件屈服强度：取条件屈服强度（残余应变为（残余应变为0.2%对应的应力）对应的应力）0.2%ses

9、0.218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；足够的塑性：避免发生脆性破坏；可焊性：要求钢筋具备良好的焊接性能；耐久性和耐火性：必要的混凝土保护层厚度以满足对构件耐火极限的要求； 与混凝土具有良好的粘结；寒冷地区，防止钢筋低温冷脆导致破坏。混凝土混凝土 (concrete)(concrete)Key wordsKey words：混凝土的强度：混凝土的强度(Strength of Concrete)(Strength of Concrete)、混凝土的、混凝土的变形变形(Deformation of Concrete

10、)(Deformation of Concrete) 混凝土是一种不均匀、不密实的混合体，且其内部结混凝土是一种不均匀、不密实的混合体，且其内部结构复杂。混凝土的强度也就受到许多因素的影响，诸如水构复杂。混凝土的强度也就受到许多因素的影响，诸如水泥的品质和用量、骨料的性质、混凝土的配合比、水灰比、泥的品质和用量、骨料的性质、混凝土的配合比、水灰比、制作的方法、养护环境的温湿度、龄期、试件的形状和尺制作的方法、养护环境的温湿度、龄期、试件的形状和尺寸、试验的方法等等，因此，在建立混凝土的强度时需要寸、试验的方法等等，因此，在建立混凝土的强度时需要规定一个规定一个统一的标准作为依据统一的标准作为依

11、据 。 根据实际工程中，混凝土构件的受力形式，给出混凝根据实际工程中，混凝土构件的受力形式，给出混凝土的抗压、抗拉和复合应力下混凝土的强度。土的抗压、抗拉和复合应力下混凝土的强度。混凝土立方体抗压强度混凝土立方体抗压强度 混凝土的混凝土的立方体抗压强度是是按规定的标准试件按规定的标准试件和和标准试标准试验方法验方法得到的混凝土强度基本代表值。得到的混凝土强度基本代表值。 国标国标普通混凝土力学性能试验方法普通混凝土力学性能试验方法(GB/T 50081-2002)(GB/T 50081-2002)规规定以边长为定以边长为的立方体为标准试件，在温度为的立方体为标准试件，在温度为，的标准养护室中养

12、护的标准养护室中养护28d28d，按照标准试验，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，单位为为 。 混凝土立方体抗压强度与试验方法密切相关混凝土立方体抗压强度与试验方法密切相关混凝土立方体抗压强度与试件尺寸有关混凝土立方体抗压强度与试件尺寸有关2/mmN混凝土的强度混凝土的强度 混凝土强度等级混凝土强度等级 ：分别为C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75和C80。 符号“C”代表混凝土代表混凝土，后面的后面的数字表示混凝土数字表示混凝土的立方体抗压强度的标准值的

13、立方体抗压强度的标准值（以N/mm2计），例如例如C60C60表示混凝土立方体抗压强度标准值为表示混凝土立方体抗压强度标准值为60N/mm60N/mm2 2。涂润滑油无润滑油混凝土棱柱体抗压试验和试件破坏情况混凝土棱柱体抗压试验和试件破坏情况 混凝土轴心抗压强度与立方体抗压强度的关系混凝土轴心抗压强度与立方体抗压强度的关系 混凝土轴心抗拉强度混凝土轴心抗拉强度u直接受拉试验直接受拉试验 u劈裂试验劈裂试验 由于轴心受拉试验对中困难，常由于轴心受拉试验对中困难，常常采用立方体或圆柱体劈拉试验测定常采用立方体或圆柱体劈拉试验测定混凝土的抗拉强度混凝土的抗拉强度22tF强度种类强度种类符号符号混混

14、凝凝 土土 强强 度度 等等 级级C15C20C25C30C35轴心抗压强度轴心抗压强度fck10.013.416.720.123.4轴心抗拉强度轴心抗拉强度ftk1.271.541.782.012.20混混 凝凝 土土 强强 度度 等等 级级C40C45C50C55C60C65C70C75C8026.829.632.435.538.541.544.547.450.22.392.512.642.742.852.932.993.053.11混凝土强度标准值（混凝土强度标准值（N/mm2）双向受拉，接近单轴抗拉强度；双向受拉，接近单轴抗拉强度； 一拉一压，加速了混凝土内部一拉一压，加速了混凝土内部

15、 微裂缝的发展微裂缝的发展 ，抗拉、抗压强，抗拉、抗压强 度均降低。度均降低。 双向受压，混凝土的侧向变形双向受压，混凝土的侧向变形 受到约束，强度提高受到约束，强度提高 ； 实际结构中，混凝土很少处于单向受力状态。更多的是处实际结构中，混凝土很少处于单向受力状态。更多的是处于双向或三向受力状态。如剪力和扭矩作用下的构件、弯剪扭于双向或三向受力状态。如剪力和扭矩作用下的构件、弯剪扭和压弯剪扭构件等。和压弯剪扭构件等。复杂受力状态下混凝土的强度复杂受力状态下混凝土的强度混凝土的疲劳强度混凝土的疲劳强度破坏破坏重复荷载下的应力重复荷载下的应力- -应变曲线应变曲线fcfs s3s s2s s1e

16、e疲劳强疲劳强度度fcfcf的确定原则：的确定原则：100100 300或或150150 450 的棱的棱柱体试块承受柱体试块承受200万万次（或以上）循环次（或以上）循环荷载时发生破坏的荷载时发生破坏的最大压应力值最大压应力值 混凝土的疲劳强度与混凝土的疲劳强度与疲劳应力比疲劳应力比pcf有关，疲劳应力比有关，疲劳应力比pcf越大，疲劳强度越高。越大，疲劳强度越高。混凝土的变形混凝土的变形混凝土的变形可分为两类：混凝土的变形可分为两类： （1）荷载作用下的）荷载作用下的受力变形受力变形，如单调短期加载的变形、，如单调短期加载的变形、荷载长期作用下的变形以及多次重复加载的变形。荷载长期作用下的

17、变形以及多次重复加载的变形。 （2）与受力无关，称为）与受力无关，称为体积变形体积变形，如混凝土收缩以及温，如混凝土收缩以及温度变化引起的变形。度变化引起的变形。s(MPa)fc0e0e(10-3)abcd225201510546810混凝土强度提高混凝土强度提高加载速度减慢加载速度减慢作用是作用是: :峰值应峰值应力后力后, ,吸收试验吸收试验机的变形能机的变形能, ,测测出下降段出下降段1 1、单轴受压时的应力、单轴受压时的应力- -应变关系应变关系0(MPa) BAD0 cu fc s COA段弹性变形，段弹性变形，A点混凝点混凝土的弹性极限土的弹性极限AB段应变增长较应力快，段应变增长

18、较应力快，内部微裂缝有所发展但稳定，内部微裂缝有所发展但稳定，B点临界应力点点临界应力点BC段应变增长速度进一段应变增长速度进一步加快，内部微裂缝不稳定，步加快，内部微裂缝不稳定，C点轴心抗压强度点轴心抗压强度CD段位应力段位应力-应变下降段。应变下降段。C点后承载能力随应变增长点后承载能力随应变增长逐渐减小逐渐减小(应变软化应变软化)。混凝土的变形混凝土的变形长期荷载作用下混凝土的变形性能长期荷载作用下混凝土的变形性能-徐变徐变sc0.5fc，徐变变形与应，徐变变形与应力成正比力成正比线性徐变线性徐变 0.5fcsc0.8fc，造成混凝土，造成混凝土破坏，不稳定破坏，不稳定 sc=0.8fc

19、作为混凝土作为混凝土长期抗压强度长期抗压强度影响混凝土徐变的因素主要有以下几方面：影响混凝土徐变的因素主要有以下几方面：u内在因素：骨料越坚硬，徐变越小；水灰比越大，水泥用内在因素：骨料越坚硬，徐变越小；水灰比越大，水泥用量越多，徐变越大。量越多，徐变越大。u环境因素：受荷前养护的温度越高，湿度越大，水泥水化环境因素：受荷前养护的温度越高，湿度越大，水泥水化作用就越充分，徐变就越小；加荷期间温度越高，湿度越作用就越充分，徐变就越小；加荷期间温度越高，湿度越低，徐变就越大。低，徐变就越大。u应力条件：初始加荷应力越大，徐变越大；加载时混凝土应力条件：初始加荷应力越大，徐变越大；加载时混凝土的龄期

20、越短，徐变越大。在实际工程中，应加强养护使混的龄期越短，徐变越大。在实际工程中，应加强养护使混凝土尽早结硬可减小徐变。凝土尽早结硬可减小徐变。u徐变会使结构（构件）的（挠度）变形增大，引起预应力徐变会使结构（构件）的（挠度）变形增大，引起预应力损失，在长期高应力作用下，甚至会导致破坏。损失，在长期高应力作用下，甚至会导致破坏。u徐变有利于结构构件产生内（应）力重分布，降低结构的徐变有利于结构构件产生内（应）力重分布，降低结构的受力（如支座不均匀沉降），减小大体积混凝土内的温度受力（如支座不均匀沉降），减小大体积混凝土内的温度应力，受拉徐变可延缓收缩裂缝的出现。应力，受拉徐变可延缓收缩裂缝的出现

21、。混凝土徐变对结构的影响：混凝土徐变对结构的影响：33破破坏坏重复荷载下的应力重复荷载下的应力- -应变曲线应变曲线fcfs s3s s2s s1e e 当重复作用应力值当重复作用应力值小于小于混混凝土疲劳强度，其加荷、卸荷凝土疲劳强度，其加荷、卸荷的应力的应力应变曲线形成了一个应变曲线形成了一个环状。在多次加荷、卸荷作用环状。在多次加荷、卸荷作用下，应力下，应力应变环越来越闭合，应变环越来越闭合，最后闭合成最后闭合成一条直线一条直线。 当重复作用应力值当重复作用应力值大于大于混混凝土疲劳强度，则其加卸载不凝土疲劳强度，则其加卸载不能再形成闭合环。至荷载重复能再形成闭合环。至荷载重复到某一定次

22、数时，构件会因到某一定次数时，构件会因严严重开裂或变形过大而破坏重开裂或变形过大而破坏。重复荷载作用下混凝土的变形重复荷载作用下混凝土的变形混凝土的收缩和膨胀混凝土的收缩和膨胀 混凝土在空气中硬化时体积会缩小，这种现象称为混凝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；而在水中硬化时体积则会膨胀。土的收缩；而在水中硬化时体积则会膨胀。 引起混凝土收缩的原因，在硬化初期主要是水泥石在水引起混凝土收缩的原因，在硬化初期主要是水泥石在水化凝固结硬过程中产生的体积变化，后期主要是混凝土内自化凝固结硬过程中产生的体积变化，后期主要是混凝土内自由水分蒸发而引起的干缩。由水分蒸发而引起的干缩。

23、 收缩和膨胀是混凝土在不受外力情况下体积变化产生的收缩和膨胀是混凝土在不受外力情况下体积变化产生的变形。变形。混凝土的收缩和膨胀混凝土的收缩和膨胀收缩的性质收缩的性质自由收缩自由收缩约束收缩约束收缩来自内部的钢筋约束来自内部的钢筋约束来自支座的外部约束来自支座的外部约束自由收缩自由收缩一般不会引起拉应力，故不会开裂一般不会引起拉应力，故不会开裂约束收缩约束收缩产生收缩应力甚至开裂产生收缩应力甚至开裂 影响混凝土收缩的因素主要有以下几方面：影响混凝土收缩的因素主要有以下几方面： 混凝土的收缩受结构周围的温度、湿度、构件断面形状混凝土的收缩受结构周围的温度、湿度、构件断面形状及尺寸、配合比、骨料性

24、质、水泥性质、混凝土浇筑质量及及尺寸、配合比、骨料性质、水泥性质、混凝土浇筑质量及养护条件等许多因素有关。养护条件等许多因素有关。u水泥用量多、水灰比越大，收缩越大；水泥用量多、水灰比越大，收缩越大；u骨料弹性模量高、级配好，收缩就小；骨料弹性模量高、级配好，收缩就小；u干燥失水及高温环境，收缩大；干燥失水及高温环境，收缩大；u小尺寸构件收缩大，大尺寸构件收缩小；小尺寸构件收缩大，大尺寸构件收缩小；u高强混凝土收缩大；高强混凝土收缩大；37 混凝土收缩对结构的影响：混凝土收缩对结构的影响：u会使混凝土中产生拉应力，甚至引起混凝土的开裂。会使混凝土中产生拉应力，甚至引起混凝土的开裂。u会使预应力

25、混凝土构件产生预应力损失。会使预应力混凝土构件产生预应力损失。u对跨度比较敏感的超静定结构对跨度比较敏感的超静定结构( (如拱结构如拱结构) )会引起不利的内力会引起不利的内力.AsscAs ss收缩：收缩： 钢筋受压，钢筋受压， 混凝土受拉混凝土受拉As混凝土与钢筋的粘结混凝土与钢筋的粘结 钢筋和混凝土这两种材料能够结合在一起共同工作，钢筋和混凝土这两种材料能够结合在一起共同工作，粘结和和锚固是钢筋和混凝土形成整体、共同工作的基础。是钢筋和混凝土形成整体、共同工作的基础。 。粘结强度：粘结失效时的最大（平均）粘结应力。粘结强度：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 钢筋与混凝土的粘结作用由三部分组成：钢筋与混凝土的粘结作用由三部分组成： 混凝土中水泥胶体与钢筋表面的混凝土中水泥胶体与钢筋表面的胶结力； 混凝土因收缩将钢筋握紧而产生的混凝土因收缩将钢筋握紧而产生的摩擦力； 机械咬合力。 当钢筋与混凝土产生相对滑动后，胶结作用即丧失。当钢筋与混凝土产生相对滑动后，胶结作用即丧失。摩擦力的大小取决于的大小取决于握裹力和钢筋与混凝土表面的和钢筋与混凝土表面的摩擦系