混凝土结构材料的力学性能

1、第一章第一章 钢筋混凝土结构钢筋混凝土结构 的材料的材料 钢筋的品种钢筋的品种 和和 力学性能力学性能 混凝土的混凝土的 力学性能力学性能 钢筋与混凝土的钢筋与混凝土的 粘结粘结 钢筋的品种钢筋的品种 和和 力学性能力学性能 混凝土的混凝土的 力学性能力学性能 钢筋与混凝土的钢筋与混凝土的 粘结粘结第第11节节 钢筋钢筋第第11节节 钢筋钢筋热轧钢筋热轧钢筋 （ Hot Rolled Steel Reinforcing Bar） 是由钢材在高温状态下压制成型。是由钢材在高温状态下压制成型。根据其强度的高低，分为：根据其强度的高低，分为： HPB235RRB400参见401页表3RRB400余热

2、处理钢筋余热处理钢筋 是将热轧钢筋的螺纹钢筋再通过淬火和余热回火是将热轧钢筋的螺纹钢筋再通过淬火和余热回火的处理，能显著提高钢筋强度并保留一定延性。的处理，能显著提高钢筋强度并保留一定延性。用于预应力混凝土结构。用于预应力混凝土结构。淬火：将钢材加热到某一适当温度并保持一段时间，随即浸淬火：将钢材加热到某一适当温度并保持一段时间，随即浸入淬冷介质中快速冷却的热处理工艺。常用的淬冷介质有盐入淬冷介质中快速冷却的热处理工艺。常用的淬冷介质有盐水、水、矿物油、空气等。淬火可以提高金属工件的硬度及水、水、矿物油、空气等。淬火可以提高金属工件的硬度及耐磨性。耐磨性。回火：将经过淬火的钢材利用芯部余热保温

3、一段时间后在空回火：将经过淬火的钢材利用芯部余热保温一段时间后在空气或水、油等介质中冷却的热处理工艺。回火时，硬度和强气或水、油等介质中冷却的热处理工艺。回火时，硬度和强度下降，延性提高。度下降，延性提高。 光面钢筋光面钢筋 变形钢筋变形钢筋 光面钢筋光面钢筋 变形钢筋变形钢筋 由于变形钢筋与混凝土有良好的由于变形钢筋与混凝土有良好的粘结性能，在建筑工程中多用粘结性能，在建筑工程中多用. .HRB400光圆钢丝，光圆钢丝， 刻痕钢丝，刻痕钢丝，螺旋肋钢丝螺旋肋钢丝钢绞线，钢绞线，用优质碳素钢经冷拔或回火等而形成在光圆钢丝表面上进行机械刻痕处理用热轧的圆盘条冷轧减径后而成由多根光圆或刻痕钢丝绞捻

4、后消除内力而成高强钢丝高强钢丝 、钢绞线钢绞线螺纹钢筋螺纹钢筋 是一种热轧成带是一种热轧成带有不连续的外螺纹的直有不连续的外螺纹的直条钢筋，该钢筋在任意条钢筋，该钢筋在任意截面处，均可用带有匹截面处，均可用带有匹配形状的内螺纹连接器配形状的内螺纹连接器或锚具进行连接或锚固。或锚具进行连接或锚固。18mm25mm32mm40mm50mm钢棒钢棒 热轧盘条经冷淬热轧盘条经冷淬火和回火所得。火和回火所得。光圆钢棒光圆钢棒带肋钢棒带肋钢棒螺旋槽钢棒螺旋槽钢棒螺旋肋钢棒螺旋肋钢棒冷拉钢筋冷拉钢筋 是由热轧钢筋在常温下用机是由热轧钢筋在常温下用机械拉伸而成，冷拉后钢筋内部组织结械拉伸而成，冷拉后钢筋内部组

5、织结构发生变化，可提高屈服强度。构发生变化，可提高屈服强度。 冷拉冷拉级，冷拉级，冷拉级，冷拉级，冷拉级，冷拉级，冷拉级级冷轧带肋钢筋冷轧带肋钢筋 是由热轧圆盘条经冷轧减小是由热轧圆盘条经冷轧减小直径后在其表面冷轧成带有斜肋的直径后在其表面冷轧成带有斜肋的钢筋，可明显提高屈服强度。钢筋，可明显提高屈服强度。 LL550级，级， LL650级，级，LL800级级第第 1.1 节节 钢钢 筋筋力学性质较软的钢筋，热轧力学性质较软的钢筋，热轧级、级、级、级、级、级、级级力学性质高强而硬的钢筋，热处理钢筋、高强钢丝力学性质高强而硬的钢筋，热处理钢筋、高强钢丝2.钢筋的强度指标钢筋的强度指标3.钢筋的塑

6、性指标钢筋的塑性指标第第 1.1 节节 钢钢 筋筋是钢筋试件拉断时的伸长值与原长的比率： 伸长率越大表示钢筋的塑性好。 冷弯冷弯是将直径为d的钢筋绕直径为D的钢辊弯转，以其不发生裂纹的最大转角来检验钢筋的塑性性能。 钢辊直径越小，冷弯角越大，钢筋的塑性就越好。 钢筋在屈服前，其应力和应变的比值为钢筋的弹性模量 Es 各种 钢筋的弹性模量是根据受拉试验测定。同一种钢筋的受拉受压弹性模量相同。参见402页 表5 硬钢的应力硬钢的应力应变曲线应变曲线 a0.2%0.2 fuubd冷拉钢筋的应力冷拉钢筋的应力应变曲线应变曲线 第第1.2节节 混凝土混凝土混凝土是用水泥、水和骨料（细骨料如砂，粗骨料如卵

7、石、碎石）等原料，按一定配合比经搅拌（人工或机械）后，入模浇捣、并经养护做成的人工石材。 一、混凝土的强度一、混凝土的强度 第第 1.2 节节 混混 凝凝 土土一、混凝土的强度一、混凝土的强度 第第 1.2 节节 混混 凝凝 土土 我国规范规定：用边长我国规范规定：用边长150 150 mm mm 的标准立方体试块，的标准立方体试块，在标准条件（温度在标准条件（温度202033、相对湿度、相对湿度90%90%及以上）下养护及以上）下养护2828天后，在压力机上用标准试验方法（天后，在压力机上用标准试验方法（ 中心加荷中心加荷, ,加荷速度为加荷速度为0.20.30.20.3N/mmN/mm2

8、2s s，试件上、下表面不涂润滑剂）测得的破坏试件上、下表面不涂润滑剂）测得的破坏时的平均压应力，作为混凝土的立方体抗压强度。时的平均压应力，作为混凝土的立方体抗压强度。一、混凝土的强度一、混凝土的强度 我国规范规定：用边长我国规范规定：用边长150 150 mm mm 的标准立方体试块，的标准立方体试块，在标准条件（温度在标准条件（温度202033、相对湿度、相对湿度90%90%及以上）下养护及以上）下养护2828天后，在压力机上用标准试验方法（天后，在压力机上用标准试验方法（ 中心加荷中心加荷, ,加荷速度为加荷速度为0.20.30.20.3N/mmN/mm2 2s s，试件上、下表面不涂

9、润滑剂）测得的破坏试件上、下表面不涂润滑剂）测得的破坏时的平均压应力，作为混凝土的立方体抗压强度。时的平均压应力，作为混凝土的立方体抗压强度。第第 1.2 节节 混混 凝凝 土土 混凝土立方体抗压强度的标准值，是指按前述标准 试 验 方 法 测 得 的 具 有 9 5 % 保 证 率的立方体抗压强度。(亦即强度低于该值的概率不大于5%)第第 1.2 节节 混混 凝凝 土土我国规范就是按照混凝土立方体抗压强度的标准值来划分强度等级的。 我国规范我国规范，按立方体抗压强度标准值按立方体抗压强度标准值f fcukcuk的大小的大小将混凝土划分为不同的强度等级，用符号将混凝土划分为不同的强度等级，用符

10、号C C表示，单表示，单位为位为N/mmN/mm2 2（也可以记作也可以记作MpaMpa）。）。 例如，例如，C20C20级混凝土级混凝土表示混凝土立方体抗压表示混凝土立方体抗压强度的标准值为强度的标准值为2020N/mmN/mm2 2（即即2020MpaMpa）。 有有 C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60 10级。级。第第 1.2 节节 混混 凝凝 土土 用用150150150150300300mmmm的的棱柱体棱柱体在标准条件下测得的在标准条件下测得的抗压强度称轴心抗压强度。抗压强度称轴心抗压强度。 对于同一混凝土， ，其换算关系为cucff67

11、. 0第第 1.2 节节 混混 凝凝 土土混凝土的轴心抗压强度是用于设计的最重要的强度指标。 1/181/9，混凝土强度等级愈高，这个比值愈小。3223. 0cutff 用用100100100100500500mmmm的的棱柱体棱柱体测得的抗拉强度称轴测得的抗拉强度称轴心抗拉强度。心抗拉强度。 混凝土的轴心抗拉强度是混凝土构件抗裂及裂缝宽度验算的重要强度指标。 对于同一混凝土， 的换算关系为 4.复合应力状态下的混凝土强度复合应力状态下的混凝土强度 双向受力状态双向受力状态 （1 1）双向受压时，一向强度随另一向压应）双向受压时，一向强度随另一向压应力的增大而增大。力的增大而增大。 （2 2）

12、双向受拉时，混凝土强度与单向受拉）双向受拉时，混凝土强度与单向受拉强度基本一样。强度基本一样。 （3 3）一向受拉一向受压时，混凝土抗压强）一向受拉一向受压时，混凝土抗压强度随另一向拉应力的增大而降低，或者说、度随另一向拉应力的增大而降低，或者说、混凝土的抗拉强度随另一向的压应力的增大混凝土的抗拉强度随另一向的压应力的增大而降低。而降低。第第 1.2 节节 混混 凝凝 土土侧向约束压应力的轴心抗压强度无侧向压力约束试件轴心抗压强度有侧向压力约束试件的flfcccfflfcfcc)0 . 75 . 4( 试验表明，当测向压应力值不很大时，最大主试验表明，当测向压应力值不很大时，最大主压应力轴的抗

13、压强度随侧向应力的增大而提高，经压应力轴的抗压强度随侧向应力的增大而提高，经验公式为：验公式为：第第 1.2 节节 混混 凝凝 土土砼的抗剪强度：随砼的抗剪强度：随拉拉应力增大而减小，应力增大而减小， 随随压压应力增大而增大；应力增大而增大； 当当压应力在压应力在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，压应力继续应力继续增大，内裂缝发展明显，抗剪强度随压应力的增大而减小。增大，内裂缝发展明显，抗剪强度随压应力的增大而减小。受力变形受力变形体积变形体积变形 混凝土在混凝土在、和和下产生的变形。下产生的变形。 混凝土由于混凝土由于温度温度和和湿度湿度变化而引起的变化而引起的

14、和和。第第 1.2 节节 混混 凝凝 土土第第 1.2 节节 混混 凝凝 土土cucucu如加载到如加载到0.30.3fcfc 时，卸载可时，卸载可发现，混凝土的应变不能全部恢发现，混凝土的应变不能全部恢复。复。瞬时恢复的应变为瞬时恢复的应变为停留一段时间后又恢复的变形停留一段时间后又恢复的变形称为称为。不能恢复的残余变形为不能恢复的残余变形为。因此混凝土是因此混凝土是。 由于混凝土是弹塑性材料，一次加载后，卸截至应力为由于混凝土是弹塑性材料，一次加载后，卸截至应力为零时，应变不能全部恢复，保留有残余应变。零时，应变不能全部恢复，保留有残余应变。 混凝土在重复加载短期作用下的变形，称为疲劳变形

15、。混凝土在重复加载短期作用下的变形，称为疲劳变形。 第第 1.2 节节 混混 凝凝 土土 但重复加载卸载时，随着次数但重复加载卸载时，随着次数的增加，残余应变值会逐渐减小，的增加，残余应变值会逐渐减小，一般重复一般重复5 51010次后，重复加载和次后，重复加载和卸载的应力卸载的应力应变曲线就会越应变曲线就会越来越闭合并接近一直线，此时混凝来越闭合并接近一直线，此时混凝土如同弹性材料一样工作。土如同弹性材料一样工作。 但当应力超过限值，经多次循但当应力超过限值，经多次循环，曲线又会变弯，试件很快破坏。环，曲线又会变弯，试件很快破坏。510次 混凝土在不变荷载长期作用下，应力不变，变形混凝土在不

16、变荷载长期作用下，应力不变，变形会随时间而增长。这种现象称为混凝土的徐变。会随时间而增长。这种现象称为混凝土的徐变。第第 1.2 节节 混混 凝凝 土土第第 1.2 节节 混混 凝凝 土土影响混凝土徐变得因素影响混凝土徐变得因素:内在因素内在因素是混凝土的组成和配比。是混凝土的组成和配比。 骨料骨料( (aggregate)aggregate)的刚度（弹性模量）越大，体积的刚度（弹性模量）越大，体积比越大，徐变就越小。比越大，徐变就越小。 水灰比越小，徐变也越小。水灰比越小，徐变也越小。 环境影响环境影响包括养护和使用条件。包括养护和使用条件。 受荷前养护受荷前养护( (curing)curi

17、ng)的温湿度越高，水泥水化作用的温湿度越高，水泥水化作用越充分，徐变就越小。越充分，徐变就越小。 采用蒸汽养护可使徐变减少（采用蒸汽养护可使徐变减少（20352035）% %。 受荷后构件所处的环境温度越高，相对湿度越小，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。徐变就越大。 第第 1.2 节节 混混 凝凝 土土 应力条件应力条件是指是指 初应力水平初应力水平s si i / /f fc c 和加荷时混和加荷时混凝土的龄期凝土的龄期t t0 0。 它们是影响徐变的非常主要的因素。它们是影响徐变的非常主要的因素。 当初始应力水平当初始应力水平 0.5 0.5 f fc c时，徐变

18、值与初应力基本时，徐变值与初应力基本上成正比上成正比 ，这种徐变称为线性徐变，这种徐变称为线性徐变; ; 当初应力当初应力 在在(0.5-0.8)(0.5-0.8) f fc c 范围时，徐变与初应力范围时，徐变与初应力s si i不成比例，徐变变形比应力增长快，这种徐变称为非不成比例，徐变变形比应力增长快，这种徐变称为非线性徐变线性徐变. . 加载时混凝土的龄期越早，徐变越大。加载时混凝土的龄期越早，徐变越大。第第 1.2 节节 混混 凝凝 土土4. 温度变形温度变形 第第 1.2 节节 混混 凝凝 土土大体积混凝土结构需要计算温度应力。大体积混凝土结构需要计算温度应力。温度变化取决于混凝土

19、的浇筑温度、水泥结硬过程中温度变化取决于混凝土的浇筑温度、水泥结硬过程中产生的水化热引起的温升以及外界介质的温度变化。产生的水化热引起的温升以及外界介质的温度变化。5. 干湿变形干湿变形 混凝土失水干燥时会产生干缩（收缩），置于水中会混凝土失水干燥时会产生干缩（收缩），置于水中会产生湿涨。产生湿涨。湿涨一般是有利的。湿涨一般是有利的。收缩在混凝土构件受约束时，是有害的。收缩在混凝土构件受约束时，是有害的。 混凝土在空气中结硬时，体积随时间增长而减小。混凝土在空气中结硬时，体积随时间增长而减小。的现象称为混凝土的收缩。的现象称为混凝土的收缩。影响混凝土收缩的因素：影响混凝土收缩的因素： （1 1

20、）水泥的品种：）水泥的品种：水泥强度等级越高制成的混凝土收缩越水泥强度等级越高制成的混凝土收缩越 大。大。 （2 2）水泥的用量：）水泥的用量：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。 （3 3）骨料的性质：）骨料的性质：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。 （4 4）养护条件：）养护条件：在结硬过程中周围温、湿度越大，收缩越在结硬过程中周围温、湿度越大，收缩越小。小。 （5 5）混凝土制作方法：）混凝土制作方法：混凝土越密实，收缩越小。混凝土越密实，收缩越小。 （6 6）使用环境：）使用环境：使用环境周围温、湿度大时，收缩就小。使用

21、环境周围温、湿度大时，收缩就小。 （7 7）构件的体积与表面积比值：）构件的体积与表面积比值：比值越大，收缩越小。比值越大，收缩越小。第第 1.2 节节 混混 凝凝 土土三三.混凝土的弹性模量和变形模量混凝土的弹性模量和变形模量 1、混凝土的弹性模量、混凝土的弹性模量 混凝土应力混凝土应力应变曲线原点处切线的斜率称应变曲线原点处切线的斜率称为原点弹性模量，简称为原点弹性模量，简称混凝土的弹性模量混凝土的弹性模量。测定方法测定方法 利用多次重复加载卸载后应力应变关系趋于直利用多次重复加载卸载后应力应变关系趋于直线的性质来求弹性模量，即加载至线的性质来求弹性模量，即加载至0.50.5fcfc ,

22、, 然后卸然后卸载至零，重复加载卸载载至零，重复加载卸载5-105-10次，应力应变关系渐趋次，应力应变关系渐趋稳定并接近于一直线，该直线的斜率为混凝土的弹稳定并接近于一直线，该直线的斜率为混凝土的弹性模量性模量. . 第第 1.2 节节 混混 凝凝 土土0.5fc510 次)/(7 .342 . 21025mmNfEcucEc= tan 变形模量不是个变形模量不是个定值，而是随着应力定值，而是随着应力的增大而减小的值。的增大而减小的值。 图中图中O点至曲线任一点处割点至曲线任一点处割线的斜率，称线的斜率，称为为混凝土的变形混凝土的变形模量模量 ，也叫割线模量，也叫割线模量Ec。 弹性模量与变

23、形模量的关弹性模量与变形模量的关系系可用弹性系数表示：可用弹性系数表示： ccEE2、混凝土的变形模量、混凝土的变形模量 弹性系数随应力的增大而减弹性系数随应力的增大而减小，在小，在1.01.0至至0.50.5之间变化。之间变化。 第第1.3节节 钢筋与混凝土钢筋与混凝土的粘结一一. .钢筋与混凝土之间的粘结力钢筋与混凝土之间的粘结力1. 粘结力（粘结应力粘结力（粘结应力 bond stress）钢筋与混钢筋与混凝土接触面上所产生的沿钢筋纵向的剪应力。凝土接触面上所产生的沿钢筋纵向的剪应力。试验表明试验表明: : 沿钢筋纵向的粘结应力是不同的沿钢筋纵向的粘结应力是不同的. .拔出试验拔出试验2

24、. 粘结强度（粘结强度（bond strengh）粘结失效（钢筋被粘结失效（钢筋被拔出或混凝土被劈裂）时的最大粘结应力拔出或混凝土被劈裂）时的最大粘结应力。拔出试验拔出试验3.影响粘结强度的因素：影响粘结强度的因素：（1 1）混凝土强度。）混凝土强度。光圆钢筋及变形钢筋的粘结强度都随光圆钢筋及变形钢筋的粘结强度都随混凝土强度等级的提高而提高，但不成正比关系。混凝土强度等级的提高而提高，但不成正比关系。（2 2）钢筋的外形。）钢筋的外形。变形钢筋的粘结强度比光面钢筋的大，变形钢筋的粘结强度比光面钢筋的大，而在光面钢筋末端做弯钩可以大大提高拔出力。而在光面钢筋末端做弯钩可以大大提高拔出力。3.影响

25、粘结强度的因素：影响粘结强度的因素：（1 1）混凝土强度。）混凝土强度。光圆钢筋及变形钢筋的粘结强度都随光圆钢筋及变形钢筋的粘结强度都随混凝土强度等级的提高而提高，但不成正比关系。混凝土强度等级的提高而提高，但不成正比关系。（2 2）钢筋的外形。）钢筋的外形。变形钢筋的粘结强度比光面钢筋的大，变形钢筋的粘结强度比光面钢筋的大，而在光面钢筋末端做弯钩可以大大提高拔出力。而在光面钢筋末端做弯钩可以大大提高拔出力。（3 3）横向钢筋。（）横向钢筋。（如梁中的箍筋）可以限制混凝土内部如梁中的箍筋）可以限制混凝土内部裂缝的开展，提高粘结强度。裂缝的开展，提高粘结强度。（4 4）混凝土保护层厚度及钢筋的净

26、间距。）混凝土保护层厚度及钢筋的净间距。混凝土保护层混凝土保护层厚度对光面钢筋影响不大，但对变形钢筋影响显著。混厚度对光面钢筋影响不大，但对变形钢筋影响显著。混凝土构件截面上一排钢筋的根数越多，净间距越小，粘凝土构件截面上一排钢筋的根数越多，净间距越小，粘结强度降低越多。结强度降低越多。3.影响粘结强度的因素：影响粘结强度的因素：（1 1）混凝土强度。）混凝土强度。光圆钢筋及变形钢筋的粘结强度都随光圆钢筋及变形钢筋的粘结强度都随混凝土强度等级的提高而提高，但不成正比关系。混凝土强度等级的提高而提高，但不成正比关系。（2 2）钢筋的外形。）钢筋的外形。变形钢筋的粘结强度比光面钢筋的大，变形钢筋的粘结强度比光面钢筋的大，而在光面钢筋末端做弯钩可以大大提高拔出力。而在光面钢筋末端做弯钩可以大大提高拔出力。（3 3）横向钢筋。（）横向钢筋。（如梁中的箍筋）可以限制混凝土内部如梁中的箍筋）可以限制混凝土内部裂缝的开展，提高粘结强度。裂缝的开展，提高粘结强度。（4 4）混凝土保护层厚度及钢筋