第2章材料物理力学性能

1、 第第2章章 混凝土结构材料的混凝土结构材料的物理力学性能物理力学性能2.1 混凝土的物理力学性能混凝土的物理力学性能 2.2 钢筋的物理力学性能钢筋的物理力学性能 2.3 混凝土与钢筋的粘结混凝土与钢筋的粘结2.1.1 2.1.1 单轴力状态的混凝土强度单轴力状态的混凝土强度 2.1.2 2.1.2 复合应力状态的混凝土强度复合应力状态的混凝土强度 2.1.3 2.1.3 混凝土的变形混凝土的变形2.1.4 2.1.4 混凝土的疲劳混凝土的疲劳2.1 混凝土的物理力学性能混凝土的物理力学性能2.1.12.1.1单轴应力状态下的混凝土强度单轴应力状态下的混凝土强度. .混凝土的抗压强度混凝土的

2、抗压强度fcu,k（1 1）混凝土的）混凝土的立方体抗压强度立方体抗压强度fcu,k 和强度等级和强度等级1 1）立方体抗压强度）立方体抗压强度 边长边长150mm150mm，温度，温度202033，湿度，湿度90%90%，养护，养护2828天，天， 加载速度加载速度0.150.150.3N/mm0.3N/mm2 2/s/s，不涂润滑剂，不涂润滑剂，95%95%保证率。保证率。 C15-C80C15-C80共共1414等级等级表示混凝土Concrete立方体抗压强度立方体抗压强度C20a.a.试件表面是否涂润滑剂试件表面是否涂润滑剂： 不不涂时强度涂时强度高高；涂涂后强度后强度低低， 原因原因

3、“套箍套箍”作用，破坏形态不一样；作用，破坏形态不一样；b.b.加载速度：加载速度： 速度速度快快强度强度高高，速度，速度慢慢强度强度低低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强度大于强度大于试验方法对立方体抗压强度的影响试验方法对立方体抗压强度的影响2）混凝土的）混凝土的轴心抗压强度轴心抗压强度 fckA.A.确定混凝土轴心抗压强度的标准方法确定混凝土轴心抗压强度的标准方法a a. 标准试件：标准试件： 150150mmmm 150mm150mm 300mm300mm的棱柱体的棱柱体；b. b. 其余同混凝土立方体抗压强度的标准方法其余同混凝土立方体抗压强度的标准方法；承压板试

4、块u轴心抗压强度轴心抗压强度更真实反映以受压为主更真实反映以受压为主的混凝土结构构件。的混凝土结构构件。u为消除端部约束的影响为消除端部约束的影响 32bhu随高宽比的随高宽比的增加增加，混凝土的轴心抗，混凝土的轴心抗压强度会压强度会降低降低. .kcuccckff,2188. 0B. fck和和fcu,k的换算关系的换算关系2.混凝土的轴心抗拉强度混凝土的轴心抗拉强度 ftku确定方法：确定方法：轴心受拉轴心受拉试验和试验和劈裂劈裂试验试验; ; u约约为立方体抗压强度的为立方体抗压强度的1/171/171/81/8；u在荷载较小时，混凝土即在荷载较小时，混凝土即开裂开裂，故混凝土结构，故混

5、凝土结构一般带裂缝工作，混凝土轴心抗拉强度不起决定一般带裂缝工作，混凝土轴心抗拉强度不起决定作用。作用。2.1.22.1.2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双向应力状态下混双向应力状态下混凝土的破坏包络图凝土的破坏包络图大于大于单向单向；1.双向受压双向受压时，混凝土抗压强度时，混凝土抗压强度2.双向受拉双向受拉时，混凝土抗拉强度时，混凝土抗拉强度3.一向受压和一向受拉一向受压和一向受拉时，时， 混凝土抗拉（抗压）强度均混凝土抗拉（抗压）强度均 4.剪应力剪应力的存在，的存在，混凝土抗压强度混凝土抗压强度5.5.压应力的存在，压应力的存在，混凝土抗剪强度混凝土抗剪强度接近于

6、接近于单向；单向；低于低于相应的单向；相应的单向；低于低于单向；单向；有限有限增加。增加。2.1.32.1.3混凝土的变形混凝土的变形变形的分类：变形的分类：受力变形受力变形荷载产生的；荷载产生的； 体积变形体积变形收缩、温差即湿差产生的。收缩、温差即湿差产生的。1.一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（1 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CBDEfc00AcuOA 弹性阶段A : 0.3fcAB 弹塑性阶段 : 0.3fc 0.8fc 裂缝稳定阶段BC 裂缝不稳定阶段 : 0.8 fc 1.0 fcCE 下降段（2 2）混凝土单轴向受压

7、应力）混凝土单轴向受压应力- -应变曲线的数学模型应变曲线的数学模型）美国）美国E.HognestadE.Hognestad模型模型（上升段为二次抛物线，上升段为二次抛物线， 下降段为斜直线下降段为斜直线）uuccff0000200 15. 010 200.0020.0038 fc0.15 fc0u）德国）德国R Rsch sch 模型模型（上升段为二次抛物线，（上升段为二次抛物线，下降段采用水平线）下降段采用水平线）u=0.00350=0.002ocfcc2011cccf（3 3）三向受压状态下混凝土的变形特点）三向受压状态下混凝土的变形特点A.A.变形特点：变形特点：侧压力约大，变形能力好

8、，强度高；侧压力约大，变形能力好，强度高；B.工程意义：工程意义：设置密排箍筋间接产生侧压力。设置密排箍筋间接产生侧压力。 2 2 2 2（4 4）混凝土的变形模量）混凝土的变形模量 由于混凝土的弹塑性性质，模量是一个变数，由于混凝土的弹塑性性质，模量是一个变数， 通常有三种表示方法。通常有三种表示方法。1 1）弹性模量（切线模量）弹性模量（切线模量）：重复加载重复加载确定确定kcucfE,57 .342 . 210000ctgE 2 2）变形模量（割线模量）变形模量（割线模量）1ctgE 3）切线模量：）切线模量：c = ela + pla tgEckcc10elapla0h割线割线切线切线

9、2.2.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：在长期在长期不变不变的荷载作用下，结构或构件的荷载作用下，结构或构件 产生的应变或变形。产生的应变或变形。影响徐变的因素：影响徐变的因素： A.A.应力（荷载）大小：应力（荷载）大小：应力大时，徐变大；应力大时，徐变大；c0.5fc， 徐变变形与应力成正比徐变变形与应力成正比-线性徐变线性徐变 0.5fcc0.8fc 造成混凝土破坏，不稳定造成混凝土破坏，不稳定 B.B.加载时的龄期加载时的龄期：龄期早，徐变大；：龄期早，徐变大；C.C.其它其它：水泥用量、水灰比、骨料、温度以及湿度。：水泥用量、水灰比、骨料、温

10、度以及湿度。 徐变对结构的影响：徐变对结构的影响： A.A.使结构产生应力重分布；使结构产生应力重分布； B.B.使预应力产生损失。使预应力产生损失。3.3.混凝土的收缩与膨胀混凝土的收缩与膨胀(1)(1)混凝土的收缩混凝土的收缩混凝土在空气中硬化时体积会缩小。混凝土在空气中硬化时体积会缩小。影响混凝土收缩的因素：影响混凝土收缩的因素：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大。：水泥强度等级越高，制成的混凝土收缩越大。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。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

11、模量高、级配好，收缩就小。养护条件：养护条件：干燥失水及高温环境，收缩大。干燥失水及高温环境，收缩大。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。使用环境：使用环境：使用环境温度、湿度越大，收缩越小。使用环境温度、湿度越大，收缩越小。构件的体积与表面积比值：构件的体积与表面积比值：比值大时，收缩小。比值大时，收缩小。(2)(2)混凝土的膨胀混凝土的膨胀混凝土在水中硬化时体积会增大。混凝土在水中硬化时体积会增大。2.1.4混凝土疲劳混凝土疲劳疲劳疲劳混凝土在荷载重复作用下的变形（疲劳变形）混凝土在荷载重复作用下的变形（疲劳变形）（1 1）疲劳破坏：疲劳破坏：荷

12、载重复作用引起的破坏；荷载重复作用引起的破坏；（2 2）疲劳强度：疲劳强度：荷载重复作用下使应力应变曲线始终保持荷载重复作用下使应力应变曲线始终保持 密合直线的最大应力值；密合直线的最大应力值；混凝土在荷载重复作用下的应力混凝土在荷载重复作用下的应力- -应变曲线应变曲线 第第2章章 混凝土结构材料的混凝土结构材料的物理力学性能物理力学性能2.1 混凝土的物理力学性能混凝土的物理力学性能 2.2 钢筋的物理力学性能钢筋的物理力学性能 2.3 混凝土与钢筋的粘结混凝土与钢筋的粘结2.2.1 2.2.1 钢筋的种类钢筋的种类2.2.2 2.2.2 钢筋的强度和变形钢筋的强度和变形 2.2.3 2.

13、2.3 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2.2.4 2.2.4 钢筋的疲劳钢筋的疲劳2.2.5 2.2.5 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 2.2 2.2 钢筋的物理力学性能钢筋的物理力学性能1.1.钢筋的分类钢筋的分类（1 1）根据化学成分）根据化学成分碳素钢：碳素钢：低碳钢、中碳钢及高碳钢。低碳钢、中碳钢及高碳钢。 （含碳量的增加，强度提高，脆性增加）（含碳量的增加，强度提高，脆性增加）普通低合金钢普通低合金钢：加入少量合金元素。：加入少量合金元素。（2 2）根据生产工艺）根据生产工艺热轧钢筋：热轧钢筋：高温下轧制成型（如碳素钢和普通低合金）

14、；高温下轧制成型（如碳素钢和普通低合金）；热处理钢：热处理钢：热轧钢经过调质热轧钢经过调质冷加工钢筋：冷加工钢筋：热轧钢筋在常温下进行热轧钢筋在常温下进行冷拉冷拉或或冷拔冷拔。2.2.12.2.1钢筋的种类钢筋的种类热轧钢筋热轧钢筋：热轧光面钢筋热轧光面钢筋Hot Rolled Plain Steel Bar HPB300热热 轧带肋钢筋轧带肋钢筋Hot Rolled Ribbed Steel Bar HRB335HRB400，余热处理钢筋余热处理钢筋Remained heat treatment Ribbed Steel Bar RRB400冷拉钢筋冷拉钢筋：由热轧钢筋在常温下用机械拉伸而成

15、：由热轧钢筋在常温下用机械拉伸而成热处理钢筋热处理钢筋：将：将HRB400、RRB400钢筋通过加热、淬火、钢筋通过加热、淬火、回火而成回火而成碳素钢丝碳素钢丝：高碳镇静钢通过多次冷拔、应力消除、矫正、回：高碳镇静钢通过多次冷拔、应力消除、矫正、回火处理而成火处理而成刻痕钢丝刻痕钢丝：在钢丝表面刻痕，以增强其与混凝土间的粘结力：在钢丝表面刻痕，以增强其与混凝土间的粘结力钢绞线钢绞线：六根相同直径的钢丝成螺旋状铰绕在一起：六根相同直径的钢丝成螺旋状铰绕在一起冷拔低碳钢丝冷拔低碳钢丝：由低碳钢冷拔而成：由低碳钢冷拔而成钢筋钢筋钢丝钢丝A.A.柔性钢筋柔性钢筋：普通钢筋：普通钢筋; ; a. a.光

16、圆钢筋：表面是光滑的；光圆钢筋：表面是光滑的； b. b.变形钢筋：表面有肋（如月牙肋等）；变形钢筋：表面有肋（如月牙肋等）； c. c.习惯上，直径大于习惯上，直径大于4mm4mm称为钢筋；小于或等于称为钢筋；小于或等于4mm4mm称为钢丝。称为钢丝。B.B.劲性钢筋：劲性钢筋：型钢、钢轨及其组合。型钢、钢轨及其组合。光面钢筋螺纹钢筋月牙纹钢筋人字纹钢筋（3 3）根据钢筋外型）根据钢筋外型ABBCDE（1 1）. .有明显屈服点的钢筋有明显屈服点的钢筋 (以以屈服强度屈服强度作为钢筋设计强度作为钢筋设计强度的的 取值依据取值依据)0.2%0.2(2).(2).无明显屈服点的钢筋无明显屈服点的

17、钢筋(以以条件屈服强度条件屈服强度作为钢筋设计强度作为钢筋设计强度的的 取值依据取值依据)OA弹性阶段弹性阶段 A比例极限比例极限 B屈服强度屈服强度CD强化阶段强化阶段 D极限强度极限强度DE 颈缩阶段颈缩阶段 0.2条件屈服强度条件屈服强度2.2.2 2.2.2 钢筋的强度与变形钢筋的强度与变形1 1 钢筋的强度钢筋的强度1 1）钢筋强度标准值）钢筋强度标准值（ fyk fpyk） 钢筋强度标准值具有钢筋强度标准值具有95%95%的保证率的保证率 2）钢筋强度设计值钢筋强度设计值,;,pyypyyffffRykyrffrR分项系数分项系数对普通钢筋：对普通钢筋： 1 .1R对预应力钢筋：对

18、预应力钢筋：2 .1R2.2.钢筋的变形钢筋的变形力学指标：伸长率和冷弯性力学指标：伸长率和冷弯性%100112lll(2)(2)冷弯性能：冷弯性能： 以弯心直径和冷弯角度以弯心直径和冷弯角度 来衡量来衡量(1)(1)伸长率：伸长率：sss=Essys,hfysss=Essys,hfyfs,us,uyyysfE 2.2.32.2.3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1.1.双直线（完全弹塑性）双直线（完全弹塑性）2.2.三折线（完全弹塑性三折线（完全弹塑性+ +硬化）硬化）3.3.疲劳强度疲劳强度fcf的确定原则：的确定原则： 100100100 100 300300或

19、或150150150 150 450450 的棱柱体试块承受的棱柱体试块承受200万万次（或以上）循环荷载时发生破坏的最大压应力值。次（或以上）循环荷载时发生破坏的最大压应力值。2.2.42.2.4钢筋的疲劳钢筋的疲劳1.钢筋的疲劳：钢筋的疲劳：钢筋在承受钢筋在承受重复、周期动荷载重复、周期动荷载作用下，经过一定作用下，经过一定 次数后，从塑性破坏的性质转变成脆性次数后，从塑性破坏的性质转变成脆性突然断裂突然断裂的现象的现象2.疲劳强度：疲劳强度： 规定的应力幅度内，经一定次数的重复荷载后规定的应力幅度内，经一定次数的重复荷载后发生疲劳破坏的最大应力值。发生疲劳破坏的最大应力值。2.2.5 2.2.5 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1.1.强度强度2.2.塑性塑性3.3.可焊性可焊性4.4.钢筋的耐火性钢筋的耐火性5.5.与混凝土的粘结力与混凝土的粘结力 2.3 2.3 混凝土与钢筋的粘结混凝土与钢筋的粘结钢筋与混凝土之间粘结应力示意图（a）锚固粘结应力 （b）裂缝间的局部粘结应力锚固粘结：保证钢筋锚固粘结：保证钢筋和混凝土共同工作和混凝土共同工作缝间粘结：改善钢筋缝间粘结：改善钢筋混凝土的耗能性能混凝土的耗能性能2.3.1