钢筋与混凝土的力学性能课件

1、第二章 钢筋与混凝土的力学性能建筑工程学院2.1.1 2.1.1 建筑钢材的品种和规格建筑钢材的品种和规格 1.1.混凝土结构对钢筋的要求混凝土结构对钢筋的要求 应具有较高的强度和良好的塑性；应具有较高的强度和良好的塑性； 便于加工和焊接；便于加工和焊接； 并应与混凝土之间具有足够的粘接力。并应与混凝土之间具有足够的粘接力。2.1 钢材的物理力学性能钢材的物理力学性能热轧钢筋热轧钢筋冷拉钢筋冷拉钢筋 热处理钢筋热处理钢筋冷轧钢筋（冷轧带肋钢筋、冷轧扭钢筋）冷轧钢筋（冷轧带肋钢筋、冷轧扭钢筋）冷拔低碳冷拔低碳 消除应力钢丝消除应力钢丝钢绞线钢绞线钢筋按加工钢筋按加工方法不同分类方法不同分类2 2

2、、钢筋的种类、钢筋的种类钢筋按在结构中是钢筋按在结构中是否施加预应力分类否施加预应力分类普通钢筋普通钢筋钢丝钢丝钢筋按外形分类钢筋按外形分类光面钢筋光面钢筋变形钢筋变形钢筋 冷拉BKZZK残余变形冷拉伸长率无时效经时效K点的选择：应力控制和应变控制温度的影响：温度达700C时恢复到冷拉前的状态，先焊后拉特性：只提高抗拉强度，不提高抗压强度，强度提高，塑性下降 冷拔经过冷拔后钢筋没有明显的屈服点和流幅冷拔既能提高抗拉强度又能提高抗压强度 徐变应力不变，随时间的增长应变继续增加松弛长度不变，随时间的增长应力降低对结构，尤其是预应力结构，产生不利的影响，需采取必要的措施建筑上常用的钢筋钢筋 普通钢筋

3、指用于钢筋混凝土结构中的钢筋和预应力混普通钢筋指用于钢筋混凝土结构中的钢筋和预应力混凝土结构中的非预应力钢筋。凝土结构中的非预应力钢筋。 用于钢筋混凝土结构的热轧钢筋分为用于钢筋混凝土结构的热轧钢筋分为HPB300(Hot Rolled Plain Steel Bars)、 HRB335(Hot Rolled Ribbed Steel Bars)、HRB400和和RRB400、HRB500四个四个 级别。级别。 混凝土规范混凝土规范规定，普通钢筋规定，普通钢筋宜采用宜采用HRB400级和级和HRB500级钢筋。级钢筋。 HPB300级钢筋：光圆钢筋，公称直径范围为级钢筋：光圆钢筋，公称直径范围

4、为820mm，推荐直径为，推荐直径为8、10、12、16、20mm。实际工程中。实际工程中只用作板、基础和荷载不大的梁、柱的受力主筋、箍筋只用作板、基础和荷载不大的梁、柱的受力主筋、箍筋以及其他构造钢筋。以及其他构造钢筋。 HRB335级钢筋：月牙纹钢筋，公称直径范围为级钢筋：月牙纹钢筋，公称直径范围为650mm，推荐直径为，推荐直径为6、8、10、12、16、20、25、32、40和和50mm。是混凝土结构的辅助钢筋，实际工程中也主要。是混凝土结构的辅助钢筋，实际工程中也主要用作结构构件中的受力主筋。用作结构构件中的受力主筋。 HRB400级钢筋：月牙纹钢筋，公称直径范围和推荐直级钢筋：月牙

5、纹钢筋，公称直径范围和推荐直径同径同HRB335钢筋。是混凝土结构的主导钢筋，实际工程钢筋。是混凝土结构的主导钢筋，实际工程中主要用作结构构件中的受力主筋。中主要用作结构构件中的受力主筋。 RRB400级钢筋：月牙纹钢筋，公称直径范围为级钢筋：月牙纹钢筋，公称直径范围为840mm，推荐直径为，推荐直径为8、10、12、16、20、25、32和和40mm。强度虽高，但疲劳性能、冷弯性能以及可焊性均较差，强度虽高，但疲劳性能、冷弯性能以及可焊性均较差，其应用受到一定限制。其应用受到一定限制。 预应力钢筋预应力钢筋 预应力钢筋应预应力钢筋应优先采用钢绞线和钢丝优先采用钢绞线和钢丝，也可采用热处，也可

6、采用热处理钢筋。理钢筋。 钢绞线：由多根高强钢丝绞织在一起而形成的，有钢绞线：由多根高强钢丝绞织在一起而形成的，有3 3股和股和7 7股两种，股两种， 多用于后张法大型构件。多用于后张法大型构件。 预应力钢丝：主要是消除应力钢丝，其外形有光面、螺预应力钢丝：主要是消除应力钢丝，其外形有光面、螺旋肋、三面刻痕三种。旋肋、三面刻痕三种。 热处理钢筋：包括热处理钢筋：包括40Si2Mn40Si2Mn、48Si2Mn48Si2Mn及及45Si2Cr45Si2Cr几种牌号，几种牌号，它们都以盘条形式供应，无需焊接、冷拉，施工方便。它们都以盘条形式供应，无需焊接、冷拉，施工方便。 钢结构用钢材钢结构用钢材

7、 （1 1）钢种和钢号）钢种和钢号 建筑工程常用碳素结构钢和低合金高强度结构钢建筑工程常用碳素结构钢和低合金高强度结构钢 1 1）碳素结构钢）碳素结构钢 碳素结构钢的牌号：碳素结构钢的牌号：质量等级代号：质量等级代号：A、B、C、D屈服点数值（屈服点数值（N/mm2）：）： 195、215、235、255、275钢材屈服点代号：钢材屈服点代号：Q脱氧程度代号：脱氧程度代号：F、b、Z、TZ，其中，其中Z、TZ可以省略可以省略 碳素结构钢牌号举例：碳素结构钢牌号举例：Q235A 2 2）低合金高强度结构钢）低合金高强度结构钢 低合金高强度结构钢的牌号：低合金高强度结构钢的牌号： 质量等级代号：质

8、量等级代号：A、B、C、D、E 屈服点数值（屈服点数值（N/mm2）：）：295、345、390、420、460 钢材屈服点代号：钢材屈服点代号：Q注：低合金高强度结构钢的注：低合金高强度结构钢的A、B级属于镇静钢，级属于镇静钢， C、D、E级属于特殊镇静钢。级属于特殊镇静钢。3 3）钢材的选用）钢材的选用 钢结构规范钢结构规范规定，承重结构的钢材宜采用规定，承重结构的钢材宜采用Q235钢、钢、Q345钢、钢、Q390钢和钢和Q420钢。钢。 承重结构采用的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服承重结构采用的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服强度和硫、磷含量的合格保证，对焊接结构尚应具有碳强度和硫、磷

9、含量的合格保证，对焊接结构尚应具有碳含量的合格保证。含量的合格保证。 焊接承重结构以及重要的非焊接承重结构采用的钢材焊接承重结构以及重要的非焊接承重结构采用的钢材还应具有冷弯试验的合格保证。还应具有冷弯试验的合格保证。 品种及规格品种及规格 1 1）热轧钢板）热轧钢板 热轧钢板热轧钢板 厚度为厚度为4.560 mm，宽，宽0.73m，长，长412m。 广泛用来组成焊接构件和连接钢板。广泛用来组成焊接构件和连接钢板。厚度为厚度为0.354 mm，宽，宽0.51.5m，长，长0.54m。薄钢板是冷弯薄壁型钢的原料薄钢板是冷弯薄壁型钢的原料厚度为厚度为460mm，宽度为，宽度为30200mm，长，长

10、39m。 钢板用符号钢板用符号“-”后加后加“厚厚宽宽长长（单位为（单位为mm）”的方法的方法表示，如表示，如-128002100。薄板薄板厚板厚板扁钢扁钢2 2）热轧型钢（图）热轧型钢（图2.1.22.1.2） 角钢角钢 有等边和不等边两种。有等边和不等边两种。 等边角钢：等边角钢：“L”后加后加“边宽边宽厚度厚度”（单位为（单位为mm），），如如L10010。 不等边角钢：不等边角钢：“L”后加后加“长边宽长边宽短边宽短边宽厚度厚度”，如如L100808。 槽钢槽钢 热轧普通槽钢与热轧轻型槽钢。热轧普通槽钢与热轧轻型槽钢。 普通槽钢：普通槽钢：“”后加截面高度（单位为后加截面高度（单位为c

11、m），并以），并以a、b、c区分同一截面高度中的不同腹板厚度，区分同一截面高度中的不同腹板厚度，30a。 轻型槽钢：轻型槽钢：“Q”后加截面高度（单位为后加截面高度（单位为cm） 工字钢工字钢 分普通工字钢和轻型工字钢。分普通工字钢和轻型工字钢。 普通工字钢：普通工字钢：“I”后加截面高度后加截面高度（单位为（单位为cm。20号以号以上的工字钢，同一截面高度有上的工字钢，同一截面高度有3种腹板厚度，以种腹板厚度，以a、b、c区分区分 （其中（其中a类腹板最薄），如类腹板最薄），如I30b。 轻型工字钢：轻型工字钢：“QI”后加截面高度后加截面高度（单位为（单位为cm），如），如Q I 25。

12、H H型钢型钢 热轧热轧H H型钢分为宽翼缘型钢分为宽翼缘H H型钢、中翼缘型钢、中翼缘H H型钢和窄翼缘型钢和窄翼缘H H型钢三类，此外还有型钢三类，此外还有H H型钢柱，其代号分别为型钢柱，其代号分别为HWHW、HMHM、HNHN、HPHP。 表示方法：代号后加表示方法：代号后加“高度高度宽度宽度腹板厚度腹板厚度翼翼缘厚度缘厚度”( (单位为单位为mm)mm)， 如如HW340HW3402502509 91414。 剖分剖分T T型钢型钢 代号与代号与H型钢相对应，采用型钢相对应，采用TW、TM、TN分别表示宽分别表示宽翼缘翼缘T型钢、中翼缘型钢、中翼缘T型钢和窄翼缘型钢和窄翼缘T型钢，其

13、表示方法型钢，其表示方法亦与亦与H型钢相同，如型钢相同，如TN22520012。 钢管钢管 分为无缝钢管和焊接钢管。分为无缝钢管和焊接钢管。 表示方法：表示方法：“”“”后加后加“外径外径厚度厚度” （单位为（单位为mm） 3 3）冷弯薄壁型材（图冷弯薄壁型材（图2.1.32.1.3） 冷弯薄壁型钢：由冷弯薄壁型钢：由26mm的薄钢板经冷弯或模压而成的薄钢板经冷弯或模压而成型的高效经济的截面；缺点是因为壁薄，对锈蚀影响较型的高效经济的截面；缺点是因为壁薄，对锈蚀影响较为敏感，故多于跨度小，荷载轻的轻型钢结构中。为敏感，故多于跨度小，荷载轻的轻型钢结构中。 压型钢板：所用钢板厚度为压型钢板：所用

14、钢板厚度为0.42mm。其优缺点同冷。其优缺点同冷弯薄壁型钢，主要用于围护结构、屋面、楼板等。弯薄壁型钢，主要用于围护结构、屋面、楼板等。 2.1.2 2.1.2 建筑钢材的力学性能建筑钢材的力学性能 1.1.影响钢材力学性能的主要因素影响钢材力学性能的主要因素 影响钢材力学性能的因素有很多，本节主要讨论化学影响钢材力学性能的因素有很多，本节主要讨论化学成分、冶金缺陷、钢材硬化、应力集中、残余应力、温成分、冶金缺陷、钢材硬化、应力集中、残余应力、温度变化及疲劳对钢材性能的影响。度变化及疲劳对钢材性能的影响。 （1 1）化学成分）化学成分 碳：形成钢材强度的主要成分。碳含量提高，则碳：形成钢材强

15、度的主要成分。碳含量提高，则钢钢材强度提高材强度提高，但同时钢材的塑性、韧性、冷弯性能、可，但同时钢材的塑性、韧性、冷弯性能、可焊性及抗锈蚀能力下降，焊性及抗锈蚀能力下降，尤其是低温下的冲击韧性也会尤其是低温下的冲击韧性也会降低降低。结构用钢在。结构用钢在1%左右左右. 锰和硅：锰和硅：钢中的有益元素钢中的有益元素，都是脱氧剂，可提高强，都是脱氧剂，可提高强度，又不会过多降低塑性和冲击韧性度，又不会过多降低塑性和冲击韧性。锰含量在锰含量在0.8%左左右右.太高对钢材的可焊性及耐久性有较大的影响太高对钢材的可焊性及耐久性有较大的影响.硅的掺入硅的掺入量在量在0.1-0.3%. 钒、铌、钛：钒、铌

16、、钛：钢中的合金元素钢中的合金元素，既可以提高钢材强度，既可以提高钢材强度，又可保持良好的塑性、韧性。又可保持良好的塑性、韧性。 铝：铝：强脱氧剂强脱氧剂，用铝进行补充脱氧，能进一步减少钢，用铝进行补充脱氧，能进一步减少钢中的有害氧化物。中的有害氧化物。 铬铬(不锈铁不锈铁)和镍（不锈钢）：和镍（不锈钢）：提高钢材强度的合金元素。提高钢材强度的合金元素。 硫和磷：冶炼过程中留在钢中的杂质，有害元素。它硫和磷：冶炼过程中留在钢中的杂质，有害元素。它们们降低降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳强度。钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳强度。硫氧能硫氧能使钢材使钢材 “热脆热脆”，磷、氮使钢材，磷、氮使钢材

17、“冷脆冷脆”。 “热脆热脆”：硫能生成易于熔化的硫化铁，当热加工及焊：硫能生成易于熔化的硫化铁，当热加工及焊接使温度达接使温度达8001000时，使钢材出现裂纹、变脆的现时，使钢材出现裂纹、变脆的现象。降低钢材的塑性、韧性、抗疲劳性能、耐锈蚀能力。象。降低钢材的塑性、韧性、抗疲劳性能、耐锈蚀能力。 “冷脆冷脆”：在低温时，磷使钢材变脆的现象。降低钢：在低温时，磷使钢材变脆的现象。降低钢材的塑性、韧性、抗疲劳性能、冷弯性能。材的塑性、韧性、抗疲劳性能、冷弯性能。 氧和氮：钢中的有害杂质。氧和氮：钢中的有害杂质。氧能使钢热脆，氮能使钢氧能使钢热脆，氮能使钢冷脆。冷脆。（2 2）冶金缺陷的影响）冶金

18、缺陷的影响 常见的冶金缺陷有偏析、非金属夹杂、气孔、裂纹、常见的冶金缺陷有偏析、非金属夹杂、气孔、裂纹、分层等，都会使钢材性能变差。分层等，都会使钢材性能变差。（3 3）钢材硬化）钢材硬化 冷拉、冷弯、冲孔、机械剪切等冷加工使钢材产生很冷拉、冷弯、冲孔、机械剪切等冷加工使钢材产生很大塑性变形，从而提高了钢的屈服点，同时降低了钢的大塑性变形，从而提高了钢的屈服点，同时降低了钢的塑性和韧性，这种现象称为塑性和韧性，这种现象称为冷作硬化或应变硬化。冷作硬化或应变硬化。 （4 4） 温度影响温度影响 钢材对温度相当敏感，温度升高与降低都使钢材性能钢材对温度相当敏感，温度升高与降低都使钢材性能发生变化。

19、发生变化。相比之下，钢材的低温性能更重要。相比之下，钢材的低温性能更重要。 在正温范围，总的趋势是随着温度的升高，钢材强度在正温范围，总的趋势是随着温度的升高，钢材强度降低，变形增大。约在降低，变形增大。约在200以内钢材性能没有很大变化，以内钢材性能没有很大变化，430540之间则强度（屈服强度和抗拉强度之间则强度（屈服强度和抗拉强度 ）急剧下）急剧下降；到降；到600时强度很低不能承担荷载。此外，时强度很低不能承担荷载。此外，250附附近有近有蓝脆现象蓝脆现象，约，约260320时有时有徐变现象徐变现象。 （5 5） 应力集中（图应力集中（图2.1.42.1.4） 应力集中系数愈大，应力集

20、中系数愈大，变脆的倾向愈变脆的倾向愈严重。严重。 在负温下或动力在负温下或动力荷载作用下工作的结荷载作用下工作的结构，应力集中的不利构，应力集中的不利影响将十分突出。影响将十分突出。（6 6）反复荷载作用反复荷载作用 钢材在反复荷载作用下，结构的抗力及性能都会发生钢材在反复荷载作用下，结构的抗力及性能都会发生重要变化，甚至发生疲劳破坏。重要变化，甚至发生疲劳破坏。2.2.钢材的力学性能钢材的力学性能 建筑钢材的力学性能是衡量钢材质量的重要指标，建筑钢材的力学性能是衡量钢材质量的重要指标，它包括它包括强度强度、塑性塑性、冷弯性能冷弯性能、冲击韧性。冲击韧性。 （1 1）强度强度 1 1）有明显屈

21、服点的钢材有明显屈服点的钢材 有明显屈服点的钢筋有明显屈服点的钢筋aabcdefua 为比例极限为比例极限oa为弹性阶段为弹性阶段de为强化阶段为强化阶段b为屈服上限为屈服上限c为屈服下限，即屈服强度为屈服下限，即屈服强度 fycd为屈服台阶为屈服台阶e为极限抗拉强度为极限抗拉强度 fu fyfef为颈缩阶段为颈缩阶段o低碳钢和低合金钢（含碳量和低碳钢相同）低碳钢和低合金钢（含碳量和低碳钢相同）一次拉伸时的应力一次拉伸时的应力-应变曲线见图应变曲线见图2.1.5。 把把y取为计算构件的强度标准，以取为计算构件的强度标准，以u作为材料的强度储备。作为材料的强度储备。 2 2）无明显屈服点的钢材无

22、明显屈服点的钢材 没有明显的屈服点和屈服台阶钢材的应力没有明显的屈服点和屈服台阶钢材的应力-应变曲线见图应变曲线见图2.16。 对于没有明显屈对于没有明显屈服点的钢材，以残余变服点的钢材，以残余变形为形为0.2%时的应力作时的应力作为名义屈服点，其值约为名义屈服点，其值约等于极限强度等于极限强度85%。 注意：钢材在一次压缩或剪切所表现出来的应力注意：钢材在一次压缩或剪切所表现出来的应力-应变应变变化规律基本上与一次拉伸试验时相似，压缩时的各强变化规律基本上与一次拉伸试验时相似，压缩时的各强度指标也取用拉伸时的数据，只是剪切时的强度指标数度指标也取用拉伸时的数据，只是剪切时的强度指标数值比拉伸

23、时的小。值比拉伸时的小。 （2 2）塑性性能塑性性能 断裂前试件的永久变形与原标定长度的百分比称为伸断裂前试件的永久变形与原标定长度的百分比称为伸长率，它是衡量钢材塑性的重要指标。长率，它是衡量钢材塑性的重要指标。 屈服点屈服点、抗拉强度抗拉强度和和伸长率伸长率，是钢材的三个重要力学，是钢材的三个重要力学性能指标。性能指标。 几个指标：几个指标：屈服强度屈服强度：是钢筋强度的设计依据是钢筋强度的设计依据，因为钢筋屈服后将发生很大，因为钢筋屈服后将发生很大的塑性变形，且卸载时这部分变形的塑性变形，且卸载时这部分变形不可恢复不可恢复，这会使钢筋混凝土，这会使钢筋混凝土构件产生很大的变形和不可闭合的

24、裂缝。屈服上限与加载速度有构件产生很大的变形和不可闭合的裂缝。屈服上限与加载速度有关，不太稳定，一般取屈服下限作为屈服强度。关，不太稳定，一般取屈服下限作为屈服强度。延延 伸伸 率率：钢筋拉断后的伸长值与原长的比率，是反映钢筋塑性：钢筋拉断后的伸长值与原长的比率，是反映钢筋塑性性能的指标。延伸率大的钢筋，在拉断前有足够预兆，延性较好。性能的指标。延伸率大的钢筋，在拉断前有足够预兆，延性较好。0010or 5lll 屈屈 强强 比：比：反映钢筋的强度储备，反映钢筋的强度储备，fy/fu=0.60.7。残余变形r弹性变形e有明显屈服点钢筋的应力-应变关系一般可采用双线性的理想弹塑性关系yyysfE

25、 fy y1Es钢筋的弹性模量(N/mm2)种 类EsHPB235 级钢筋2.1105HRB335 级钢筋、HRB400 级钢筋、RRB400 级钢筋、热处理钢筋2.0105消除应力钢丝、螺旋肋钢丝、刻痕钢丝2.05105钢绞线1.95105 冷弯性能冷弯性能 钢筋冷弯试验钢筋冷弯试验 （点击播放视频（点击播放视频） 按规定直径的弯心角将试件弯曲，试件表面出现裂纹按规定直径的弯心角将试件弯曲，试件表面出现裂纹或分层为破坏。达或分层为破坏。达180180度，为合格。度，为合格。 冷弯性能合格是鉴定钢材在弯曲状态下的塑性应变能冷弯性能合格是鉴定钢材在弯曲状态下的塑性应变能力和钢材质量的综合指标。力

26、和钢材质量的综合指标。 冷弯试验不仅能直接检验钢材的弯曲变形能力或塑性冷弯试验不仅能直接检验钢材的弯曲变形能力或塑性性能，还能暴露钢材内部的冶金缺陷，如硫、磷偏析和硫性能，还能暴露钢材内部的冶金缺陷，如硫、磷偏析和硫化物与氧化物的掺杂情况，这些都将降低钢材的冷弯性能。化物与氧化物的掺杂情况，这些都将降低钢材的冷弯性能。冲击韧性冲击韧性 韧性是钢材抵抗冲击荷载的能力。韧性是钢材强度和韧性是钢材抵抗冲击荷载的能力。韧性是钢材强度和塑性的综合指标。塑性的综合指标。 冲击韧性随温度的降低而下降。其规律是开始下降缓冲击韧性随温度的降低而下降。其规律是开始下降缓慢，当达到临界温度时，突然呈脆性，这种性质称

27、为钢慢，当达到临界温度时，突然呈脆性，这种性质称为钢材的冷脆性。钢材的脆性临界温度越低，低温冲击韧性材的冷脆性。钢材的脆性临界温度越低，低温冲击韧性越好。越好。 对于直接承受动荷载而且可能在负温下工作的重要结对于直接承受动荷载而且可能在负温下工作的重要结构，应有冲击韧性保证。构，应有冲击韧性保证。材料强度设计值：材料强度设计值：强度标准值除以材料分项系数。强度标准值除以材料分项系数。 钢筋的材料分项系数为钢筋的材料分项系数为:热轧钢筋热轧钢筋1.10，预应力钢筋，预应力钢筋1.20。 强度指标的确定强度随机变量强度标准值根据统计资料，运用数理统计方法确定的具有一定保证率（钢筋为97.73%）的

28、统计特征值：强度标准值强度标准值= =强度平均值强度平均值- -2 2均方差均方差概率密度材料强度强度平均值强度标准值3.3.建筑钢材的设计指标建筑钢材的设计指标 （1 1）钢筋的强度标准值和强度设计值）钢筋的强度标准值和强度设计值 材料强度标准值：正常情况下可能出材料强度标准值：正常情况下可能出现的最小材料强度值。现的最小材料强度值。 （2 2）钢筋的弹性模量钢筋的弹性模量 （3 3）钢材的强度设计值钢材的强度设计值 钢材的强度设计值：钢材的强度设计值：钢材的屈服点除以钢材的抗力分钢材的屈服点除以钢材的抗力分项系数。项系数。 钢材的抗力分项系数取为，钢材的抗力分项系数取为，Q235钢为钢为1

29、.087，Q345、Q390、Q420钢为钢为1.111。 钢材强度设计值根据钢材厚度或直径按规范采用。钢材强度设计值根据钢材厚度或直径按规范采用。小小 结：结： 1. 建筑钢材的品种、规格及选用要求；建筑钢材的品种、规格及选用要求； 2. 建筑钢材的力学性能。建筑钢材的力学性能。2.1.1混凝土的组成结构混凝土的组成结构通常把混凝土的结构分为三种类型：通常把混凝土的结构分为三种类型：. .微观结构：微观结构：也即水泥石结构，包括水泥凝胶、也即水泥石结构，包括水泥凝胶、晶体骨架、未水化完的水泥颗粒和凝胶孔组成。晶体骨架、未水化完的水泥颗粒和凝胶孔组成。. .亚微观结构：亚微观结构：即混凝土中的

30、水泥砂浆结构。即混凝土中的水泥砂浆结构。. .宏观结构：宏观结构：即砂浆和粗骨料两组分体系。即砂浆和粗骨料两组分体系。注意注意：1. 1.骨料的分布及骨料与基相之间在界面的结骨料的分布及骨料与基相之间在界面的结合强度是影响混凝土强度的重要因素；合强度是影响混凝土强度的重要因素；2.2.在荷载的作用下，微裂缝的扩展对混凝土在荷载的作用下，微裂缝的扩展对混凝土的力学性能有着极为重要的影响。的力学性能有着极为重要的影响。2.2 混凝土的物理力学性能混凝土的物理力学性能2.1.2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 混凝土结构中，混凝土结构中，主要是利用它的主要是利用它的抗压强度抗压强

31、度。因此抗压强度是。因此抗压强度是混凝土力学性能中最主要和最基本的指标。混凝土力学性能中最主要和最基本的指标。混凝土的强度等级是用抗压强度来划分的混凝土的强度等级是用抗压强度来划分的1 1单向受力状态下混凝土的强度单向受力状态下混凝土的强度 1）立方体抗压强度）立方体抗压强度：边长为150mm的混凝土立方体试件，在标准条件下（温度为203，湿度90%）养护28天，用标准试验方法（加载速度0.150.3N/mm2/s，两端不涂润滑剂）测得的具有95%保证率的抗压强度，用符号C表示。 规范根据强度范围，从C15C80共划分为14个强度等级，级差为5N/mm2。立方体抗压强度fcu承压板试块摩擦力不

32、涂润滑剂涂润滑剂强度大于我国规范的方法：不涂润滑剂压力压力试件试件裂缝裂缝发展发展扩张扩张整个体整个体系解体，丧失承载力系解体，丧失承载力另影响强度的因素另影响强度的因素还有：龄期、加载速还有：龄期、加载速率、试块尺寸等率、试块尺寸等砼立方体抗压试验砼立方体抗压试验标准试块：150150 150非标准试块：100100 100 换算系数 0.95 200200 200 换算系数 1.05立方体抗压强度是区分混凝土强度等级的指标，我国规范混凝土的强度等立方体抗压强度是区分混凝土强度等级的指标，我国规范混凝土的强度等级有：级有：C15，C20，C25，C30，C35，C40，C45，C50，C55

33、，C60，C65，C70，C75，C80表示混凝土Concrete立方体抗压强度立方体抗压强度fcu2 2）轴心抗压强度）轴心抗压强度 按标准方法制作的150mml50mm 300mm的棱柱体试件，在温度为20土3和相对湿度为90以上的条件下养护28d，用标准试验方法测得的具有95保证率的抗压强度 。对于同一混凝土，棱柱体抗压强度小于立方体抗压强度。 考虑到实际结构构件制作、养护和受力情况，实际构件强度与试件强度之间存在差异，规范基于安全取偏低值，规定轴心抗压强度标准值和立方体抗压强度标准值的换算关系为：kcuckfkkf,2188. 0 式中： k为棱柱体强度与立方体强度之比，对不大于C50

34、级的混凝土取0.76，对C80取0.82，其间按线性插值。k2为高强混凝土的脆性折减系数，对C40取1.0，对C80取0.87，中间按直线规律变化取值。0.88为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。 kcuckfkkf,2188. 0fcu,k立方体强度标准值即为混凝土强度等级fcu。棱柱体抗压强度fc承压板试块标准试块：150150 300非标准试块：100100 300 换算系数 0.95 200200 400 换算系数 1.05考虑到承压板对试件的约束，立方体抗压强度大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：于棱柱体抗压强度，且有：fc=0.

35、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 圆柱体抗压强度3 3）轴心抗拉强度）轴心抗拉强度 混凝土的轴心抗拉强度可以采用直接轴心受拉的试验方法来测定，但由于试验比较困难，目前国内外主要采用圆柱体或立方体的劈裂试验来间接测试混凝土的轴心抗拉强度。劈拉试验FaF拉压压22aFfsp 混凝土结构设计规范规定轴心抗拉强度标准值与立方体抗压强度标准值的换算关系为：0.450.55,

36、20.88 0.3951 1.645tkcu kff混凝土轴心抗拉强度与立方体抗压强度的关系2.1.3复杂应力下混凝土的受力性能双轴应力状态双轴应力状态实际结构中，混凝土很少处于单向受力状态。更多的是处于实际结构中，混凝土很少处于单向受力状态。更多的是处于双双向向或或三向三向受力状态。受力状态。双向受压强度大于单向受双向受压强度大于单向受压强度，最大受压强度发压强度，最大受压强度发生在两个压应力之比为生在两个压应力之比为0.3 0.3 0.60.6之间，约之间，约(1.251.60 )(1.251.60 )f fc c。双轴受压。双轴受压状态下混凝土的应力状态下混凝土的应力- -应变应变关系与

37、单轴受压曲线相似，关系与单轴受压曲线相似，但峰值应变均超过单轴受但峰值应变均超过单轴受压时压时的峰值应变。的峰值应变。构件受剪或受扭时常遇到剪应力构件受剪或受扭时常遇到剪应力t t 和正应力和正应力 共同作用下的共同作用下的复合受力情况。复合受力情况。混凝土的抗剪强度：随混凝土的抗剪强度：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压应力在当压应力在0.6fc左右时，抗剪强度达到最大，左右时，抗剪强度达到最大，压应力继续增大，则由于内裂缝发展明显，抗剪强度将随压应压应力继续增大，则由于内裂缝发展明显，抗剪强度将随压应力的增大而减小。力的增大而减小。三轴应力状态三轴

38、应力状态三轴应力状态有多种组合，实际工程遇到较多的螺旋箍筋柱和三轴应力状态有多种组合，实际工程遇到较多的螺旋箍筋柱和钢管混凝土柱中的混凝土为三向受压状态。三向受压试验一般钢管混凝土柱中的混凝土为三向受压状态。三向受压试验一般采用圆柱体在等侧压条件进行。采用圆柱体在等侧压条件进行。由试验得到的经验公式为由试验得到的经验公式为: 式中式中 被约束混凝土的轴心抗压强度；被约束混凝土的轴心抗压强度； 非约束混凝土的轴心抗压强度；非约束混凝土的轴心抗压强度； 侧向约束压应力。侧向约束压应力。 侧向压应力的存在还可提高混凝土的延性。侧向压应力的存在还可提高混凝土的延性。 (4.57.0)ccclfffcc

39、f cf lf+ +2.1.42.1.4混凝土的变形混凝土的变形1、单轴受压应力、单轴受压应力-应变关系应变关系 混凝土单轴受力时的应力混凝土单轴受力时的应力- -应变关系反映了混凝土受力全过应变关系反映了混凝土受力全过程的重要力学特征程的重要力学特征, ,是分析混凝土构件应力、建立承载力和变形是分析混凝土构件应力、建立承载力和变形计算理论的必要依据，也是利用计算机进行非线性分析的基础。计算理论的必要依据，也是利用计算机进行非线性分析的基础。 混凝土单轴受压应力混凝土单轴受压应力- -应变关系曲线，常采用棱柱体试件来应变关系曲线，常采用棱柱体试件来测定。测定。 在普通试验机上采用在普通试验机上

40、采用等应力速度等应力速度加载，达到轴心抗压加载，达到轴心抗压强度强度f fc c时，试验机中集聚的弹性应变能大于试件所能吸收的应时，试验机中集聚的弹性应变能大于试件所能吸收的应变能，会导致试件产生突然脆性破坏，只能测得应力变能，会导致试件产生突然脆性破坏，只能测得应力- -应变曲应变曲线的线的上升段上升段。 采用采用等应变速度等应变速度加载，或在试件旁附设高弹性元件与试件一加载，或在试件旁附设高弹性元件与试件一同受压，以吸收试验机内集聚的应变能，可以测得应力同受压，以吸收试验机内集聚的应变能，可以测得应力- -应变应变曲线的曲线的下降段下降段。02468102030(MPa) 10-3BACE

41、DA点以前点以前，微裂缝没有，微裂缝没有明显发展，混凝土的变明显发展，混凝土的变形主要弹性变形，应力形主要弹性变形，应力-应变关系近似直线。应变关系近似直线。A点应力随混凝土强度的点应力随混凝土强度的提高而增加，对普通强提高而增加，对普通强度混凝土度混凝土 A约为约为 (0.30.4)fc ，对高强混，对高强混凝土凝土 A可达可达(0.50.7)fc。A点以后点以后，由于微裂缝，由于微裂缝处的应力集中，裂缝开处的应力集中，裂缝开始有所延伸发展，产生始有所延伸发展，产生部分塑性变形，应变增部分塑性变形，应变增长开始加快，应力长开始加快，应力-应应变曲线逐渐偏离直线。变曲线逐渐偏离直线。微裂缝的发

42、展导致混凝微裂缝的发展导致混凝土的横向变形增加。但土的横向变形增加。但该阶段微裂缝的发展是该阶段微裂缝的发展是稳定的。稳定的。混凝土在结硬过程中，混凝土在结硬过程中，由于水泥石的收缩、骨由于水泥石的收缩、骨料下沉以及温度变化等料下沉以及温度变化等原因，在骨料和水泥石原因，在骨料和水泥石的界面上形成很多微裂的界面上形成很多微裂缝，成为混凝土中的薄缝，成为混凝土中的薄弱部位。混凝土的最终弱部位。混凝土的最终破坏就是由于这些微裂破坏就是由于这些微裂缝的发展造成的。缝的发展造成的。达到达到B点，内部一些微点，内部一些微裂缝相互连通，裂缝发裂缝相互连通，裂缝发展已不稳定，横向变形展已不稳定，横向变形突然

43、增大，体积应变开突然增大，体积应变开始由压缩转为增加。在始由压缩转为增加。在此应力的长期作用下，此应力的长期作用下，裂缝会持续发展最终导裂缝会持续发展最终导致破坏。取致破坏。取B点的应力点的应力作为混凝土的长期抗压作为混凝土的长期抗压强度。普通强度混凝土强度。普通强度混凝土 B约为约为0.8fc，高强强度，高强强度混凝土混凝土 B可达可达0.95fc以上。以上。达到达到C点点fc，内部微裂缝，内部微裂缝连通形成破坏面，应变连通形成破坏面，应变增长速度明显加快，增长速度明显加快，C点的纵向应变值称为峰点的纵向应变值称为峰值应变值应变 0，约为，约为0.002。纵向应变发展达到纵向应变发展达到D点

44、，点，内部裂缝在试件表面出内部裂缝在试件表面出现第一条可见平行于受现第一条可见平行于受力方向的纵向裂缝。力方向的纵向裂缝。随应变增长，试件上相随应变增长，试件上相继出现多条不连续的纵继出现多条不连续的纵向裂缝，横向变形急剧向裂缝，横向变形急剧发展，承载力明显下降，发展，承载力明显下降，混凝土骨料与砂浆的粘混凝土骨料与砂浆的粘结不断遭到破，裂缝连结不断遭到破，裂缝连通形成斜向破坏面。通形成斜向破坏面。E点的应变点的应变 = (23) 0，应力应力 = (0.40.6) fc。不同强度混凝土的应力-应变关系曲线强度等级越高，线弹性段强度等级越高，线弹性段越长，峰值应变也有所增越长，峰值应变也有所增

45、大。但高强混凝土中，砂大。但高强混凝土中，砂浆与骨料的粘结很强，密浆与骨料的粘结很强，密实性好，微裂缝很少，最实性好，微裂缝很少，最后的破坏往往是骨料破坏，后的破坏往往是骨料破坏，破坏时脆性越显著，下降破坏时脆性越显著，下降段越陡。段越陡。Hognestad建议的应力建议的应力-应变曲线应变曲线uuccff0000200 15. 010 200.0020.0038 fc0.15 fc0u规范规范应力应力-应变关系应变关系上升段：)1 (1 0ncccf0下降段：ccfu055010)50(0033. 010)50(5 . 0002. 0)50(6012cuucucufffn规范混凝土应力-应变

46、曲线参数fcuC50C60C70C80n21.831.671.500.0020.002050.00210.00215u0.00330.00320.00310.00300.0010.0020.0030.00410203040506070C80C60C40C202 2、混凝土的变形模量、混凝土的变形模量弹性模量弹性模量0tgEc变形模量变形模量1tgEc切线模量切线模量tgEc 弹性模量测定方法0.5fc510 次)N/mm(74.342 . 21025cucfE2.1.52.1.5混凝土的收缩和徐变混凝土的收缩和徐变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，这种现象称为

47、混凝土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。的收缩。 收缩是混凝土在不受外力情况下体积变化产生的变形。收缩是混凝土在不受外力情况下体积变化产生的变形。 当这种自发的变形受到外部（支座）或内部（钢筋）的约当这种自发的变形受到外部（支座）或内部（钢筋）的约束时，束时，将使混凝土中产生拉应力，甚至引起混凝土的开裂。将使混凝土中产生拉应力，甚至引起混凝土的开裂。混凝土收缩会使预应力混凝土构件产生预应力损失。混凝土收缩会使预应力混凝土构件产生预应力损失。 影响因素影响因素 混凝土的收缩受结构周围的温度、湿度、构件断面形状及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

48、、骨料性质、水泥性质、混凝土浇筑质量及养护尺寸、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。条件等许多因素有关。（1 1）水泥的品种：水泥强度等级越高，制成的混凝土收缩越）水泥的品种：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：干燥失水及高温环境，收缩大。干燥失水及高温环境，收缩大。（5 5）混凝土制作方法：）混凝土制作方法：混凝土越

49、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：使用环境温度、湿度越大，收缩越小。使用环境温度、湿度越大，收缩越小。（7 7）构件的体积与表面积比值：）构件的体积与表面积比值：比值大时，收缩小。比值大时，收缩小。2、混凝土的徐变 混凝土在荷载的长期作用下，其变形随时间而不断混凝土在荷载的长期作用下，其变形随时间而不断增长的现象称为徐变。增长的现象称为徐变。 徐变对混凝土结构和构件的工作性能有很大影响。徐变对混凝土结构和构件的工作性能有很大影响。由于混凝土的徐变，会使构件的变形增加，在钢筋混凝由于混凝土的徐变，会使构件的变形增加，在钢筋混凝土截面中引起应力重分布，在预应力

50、混凝土结构中会造土截面中引起应力重分布，在预应力混凝土结构中会造成预应力的损失。成预应力的损失。 混凝土的徐变特性主要与时间参数有关。混凝土的徐变特性主要与时间参数有关。 在应力（在应力（0.5fc）作用瞬间，首先产生瞬时）作用瞬间，首先产生瞬时弹性应变弹性应变 el（= i/Ec(t0)，t0加荷时的龄期）。加荷时的龄期）。 随荷载作用时间的延续，变形不断增长，前随荷载作用时间的延续，变形不断增长，前4个月徐变增个月徐变增长较快，长较快，6个月可达最终徐变的（个月可达最终徐变的（7080）%，以后增长逐渐，以后增长逐渐缓慢，缓慢，23年后趋于稳定。年后趋于稳定。 记记( (t t- -t t

51、0 0) )时间后的总应变为时间后的总应变为e e c c( (t t, ,t t0 0) )，此时混凝土的收缩应变为，此时混凝土的收缩应变为e eshsh( (t t，t t0 0) )，则徐变为，则徐变为，e ecr cr ( (t t, ,t t0 0) =) = e ec c( (t t, ,t t0 0)- )- e e c c( (t t0 0)- )- e eshsh( (t t, ,t t0 0)=)= e ec c( (t t, ,t t0 0)- )- e eel el- - e eshsh( (t t, ,t t0 0) )如在时间如在时间t t 卸载，则会产生卸载，则会

52、产生瞬时弹性恢复应变瞬时弹性恢复应变e eel el。由于混凝土。由于混凝土弹性模量随时间增大，故弹性恢复应变弹性模量随时间增大，故弹性恢复应变e eel el小于加载时的瞬时弹小于加载时的瞬时弹性应变性应变 e eel el。再经过一段时间后，还有一部分应变。再经过一段时间后，还有一部分应变e eel el 可以恢复，可以恢复，称为称为弹性后效弹性后效或徐变恢复，但仍有不可恢复的残留永久应变或徐变恢复，但仍有不可恢复的残留永久应变e ecr cr3、混凝土在荷载重复作用下的变形（疲劳变形）疲劳强度疲劳强度混凝土的疲劳强度由疲劳试验测定。采用混凝土的疲劳强度由疲劳试验测定。采用100mm100

53、mm100mm100mm300mm 300mm 或着或着150mm150mm150mm150mm450mm450mm的棱柱体，把棱柱体试件承受的棱柱体，把棱柱体试件承受200200万次或其以上循环荷载而万次或其以上循环荷载而发生破坏的压应力值称为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抗压强度。影响因素影响因素施加荷载时的应力大小是影响应力施加荷载时的应力大小是影响应力- -应变曲线不同的发展和变应变曲线不同的发展和变化的关键因素，即混凝土的疲劳强度与重复作用时应力变化化的关键因素，即混凝土的疲劳强度与重复作用时应力变化的幅度有关。的幅度有关。在相同的重复次数下，疲劳强度随着疲劳应力在相同的重复次数下，疲劳强度随着疲劳应力比值的增大而增大。比值的增大而增大。混凝土在荷载重复作用下的应力-应变关系2.3 2.3 混凝土与钢筋的粘结混凝土与钢筋的粘结2.3.1粘结的意义粘结的意义粘结和锚固是钢筋和混凝土形成整体、共同工作的基粘结和锚固是钢筋和混凝土形成整体、共同工作的基础础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2.3.2粘结力的形成粘结力的形成光圆钢筋与变形钢筋具有不同的粘结机理，其粘结作用光圆钢筋与变形钢筋具有不同的粘结机理，其粘结作用主要由三部分组