混凝土结构基本原理第2章混凝土结构材料的物理力学性能

1、由、用水拌合硬化后形成的人工石材，是包含固、液、气三相物质的微观结构（水泥石结构）由水泥凝胶、晶体骨架、未水化完的水泥颗粒和凝胶孔组成亚微观结构（水泥砂浆结构）浇注混凝土时的泌水作用引起沉缩水化造成的化学收缩和干缩受到骨料约束毛细孔、气孔和凝胶孔界面裂缝和孔隙其分布具有随机性特点。骨料、晶体、未水化水泥颗粒凝胶体、界面裂缝、孔隙水泥胶体的硬化时间长受力情况下微裂缝的扩展界面裂缝孔隙弹性骨架，主要承力并产生弹性变形受力产生塑性变形混凝土强度随时间增长混凝土变形随时间增长强度：结构材料所能承受的某种混凝土强度的影响因素内因：水泥强度、骨料特性、级配、水灰比、成型方法、龄期、试件尺寸、形状等外因：养

2、护环境、试验方法、受力状态、加载速率等a)立方体抗压强度 fcu (cube) （单位：N/mm2、MPa）标准试件：边长为150mm的立方体标准养护条件：温度2030、相对湿度90、养护28天标准试验方法：标准加载速率、试件表面不涂油在上述条件下测得的抗压强度为 fcub)混凝土强度等级 CXX按立方体抗压强度标准值划分混凝土的强度等级混凝土结构设计规范GB50010-2002规定有：C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75、C80，共14个等级CXX中的XX即为，单位为N/mm2a)压力机垫板的摩擦现象：压力机垫板与混凝土试块的

3、弹性模量和横向变形系数不同而产生原因：试件受压产生纵向压缩、横向膨胀，受压试件的上下表面受到垫板向内的摩擦力，阻碍试件横向变形，就如在试件上下端设置了一个“”。破坏时 试件中部外围砼的横向变形受约束小，首先发生剥落影响机理：“套箍作用”约束横向变形限制裂缝开展强度提高试件尺寸减小强度提高混凝土立方体强度随龄期的变化1在潮湿环境下；2在干燥环境下b)加载速度加载速度越快，测得强度越高（变形发展不充分）c)龄期与环境条件龄期越长、环境越潮湿，强度越高（混凝土强度随时间的增长有“先快后慢”的规律）a.轴心抗压强度（棱柱体抗压强度）标准试件：150mm 150mm 300mm的棱柱体标准养护条件标准试

4、验方法在上述条件下测得的抗压强度为 b.轴心抗压强度标准值 c.轴心抗压强度的工程意义高宽比对试件的强度有影响标准棱柱体试件基本消除了压力机垫板和附加偏心影响多数实际受构件的几何尺寸关系倾向于棱柱体返回a.试验结果 试验值 的统计平均值大致呈线性关系b.规范公式（基于强度标准值） 式中：1 棱柱体与立方体抗压强度之比（C50及以下 取0.76，C80取0.82，其间线性内插）2 高强混凝土的（C40及以下 取1.0，C80取0.87，其间线性内插） 0.88考虑实际构件与试件间差异（制作、养 护、运输和受力条件等）引入的kcu,21ck88. 0ff返回 美国、日本、欧洲混凝土协会（CEB）试

5、件 D6inH12in（D152mmH305mm）的圆柱体与 fc 的换算关系 式中： C60以下0.79，C60取0.833，C70取0.857， C80取0.875kcu,cffa.试验方法直拉试验、劈裂试验两种试验方法结果的比较n劈拉强度略大于直拉强度；n劈拉强度与试件尺寸有关；直拉强度受试件对中、局部粘结情况等因素影响较大，不易控制。b.试验结论混凝土轴心抗拉强度约为立方体抗压强度的1/17 1/8，随混凝土强度等级，比值ftk与 fcu, k的关系（规范公式）245. 00.55kcu,tk)645. 11 (395. 088. 0ff返回AFf/st,dlFf/2st,010203

6、0405060708090100123456 ft fcuGBJ10-89 规范轴心受拉强度与立方体强度间的换算关系55. 0395. 0cutff 3/226. 0cutff 轴心抗拉与立方抗压强度的关系轴心抗拉与立方抗压强度的关系45. 055. 0,2)645. 11 (395. 088. 0kcutkff 平面双向应力状态主要特征a.双向受压应力状态下（第三象限） 相互约束了横向变形b.拉压应力状态下（第二、四象限） 拉应力加大了另一向的受压横向变形c.双向受拉应力状态下（第一象限） 相互影响不大返回返回主要特征a.存在时，抗拉和抗压强度均低于单轴向抗拉 f t 和抗压强度 f cb.

7、压应力0.6 f c 时，抗剪强度随压应力的增大（或轴向拉应力的减小）而增大c.压应力 0.6 f c 后，抗剪强度随压应力的增大而减小d.当压应力或拉应力 0时，抗剪强度 0.1 f c 返回a.侧向压应力f L约束了混凝土的横向变形，限制了裂缝的形成和发展b.当侧向压应力f L不很大时，f cc 的实验统计公式为：c.当侧向压应力f L较低时，上式中的侧向压应力系数值较高Lccc)0 . 75 . 4(fff返回返回相关概念体积变形：硬化过程中的收缩及随温、湿度变化产生的变形一次短期加载、荷载长期作用或多次重复荷载作用下的变形采用棱柱体试件，用具有伺服装置的试验机（或附加弹性元件）获得应力

8、应变曲线的下降段。（）返回b) 受压应力应变全曲线的特征上升段（）返回下降段（）返回。a)E. Hognestad（美国）模型b)Rsch（德国）模型u00u0c0200c15. 012ffu0c0200c 2ff式中：uc0c0c0ccc11ffn22)50(6012kcu,时取当nnfn5kcu,010)50(5 . 0002. 0f5kcu,cu10)50(0033. 0f横向压应力（约束）限制了裂缝的开展，混凝土的抗压强度和延性越强横向压应力越大），强度和延性的约束可分为主动约束：如侧向施加液体压力被动约束：如箍筋、钢管所提供的约束返回返回弹性材料：混凝土：应力应变曲线过原点切线的斜率

9、：应力应变曲线上任意一点割线的斜率：应力应变曲线上任意一点切线的斜率：cc 弹性模量 变形模量0ctgE ceccecc1cEtgEcccddtgE 返回反映近似弹性状态下的应力应变关系反映平均的应力应变关系反映某一应力点附近的应力应变关系对于给定的应力应变曲线，弹性模量不变，而割线模量和切线模量均随应力的增大而减小进入后，有：Ec 返回从应力应变（）曲线上测定 Ec 有困难规范方法： 棱柱体试件，应力为 下，重复加载510次，残余变形趋于稳定,曲线 斜直线（平行于过原点的切线）根据实测值的统计分析， Ec 与 fcu，k 有下述关系：Ec 的测定c5 . 0f)mmN(7 .342 . 21

10、02kcu,5cfE返回Ec 的测定方法 具有如下特征：形状与受压时近似，亦可分为上升段和下降段应力峰值点对应的应变 e0t =7511510 6下降段比受压更陡，混凝土强度越高，陡峭程度越大受拉弹性模量与受压弹性模量基本相等，即 Et Ec返回结构或构件承受的荷载或应力不变，而应变或变形随时间增长的现象。在荷载混凝土的变形性能主要与混凝土的徐变特性有关。加载时，瞬时应变 （elastic）持荷时，徐变应变卸荷时，瞬时恢复应变cecrce41cecrcr徐变系数ce 弹性后效cr残余应变返回内在因素：凝胶体的粘性流动性质环境因素：水泥水化作用程度应力因素：微裂缝的不断发展c.影响徐变的因素a)

11、时间因素荷载作用时间越长，徐变越大初期增长较快，后期逐渐减慢，最后趋于稳定b)应力大小应力越大，徐变越大，反之越小线性徐变 非收敛徐变cc5 . 0fccc8 . 05 . 0ffcc8 . 0f非线性徐变返回返回返回d)混凝土组成成分的影响水泥用量越大，徐变越大水灰比大，徐变大骨料越坚硬，徐变越小e)制作、养护条件的影响振捣充分，徐变小；养护温度高、湿度大，徐变小f)受荷环境条件的影响受荷环境温度高、湿度低时，徐变大f)构件尺寸的影响g)钢筋用量的影响加载龄期越早，徐变越大构件尺寸大，徐变小配筋率高，徐变小返回疲劳破坏：混凝土在荷载重复作用下引起的破坏。疲劳破坏特征：裂缝小而变形大混凝土疲劳

12、抗压强度总是小于单调加载下的混凝土单轴抗压强度加载应力小于(fatigue)一次加、卸载形成封闭的环状。多次加、卸载循环后，加、卸载环逐渐密合，最终密合成斜直线（测定弹性模量Ec）可加卸载几百万次不破坏。加载应力大于应力应变曲线由凸向应力轴逐渐转变为斜直线，最后转变为凸向应变轴，以致加、卸载不能形成封闭环。随着重复荷载次数的增加，应力应变曲线倾角不断减小，至荷载重复到某一定次数时，混凝土试件因严重开裂或变形过大而导致破坏。返回a)疲劳抗压强度的定义试验测定时采用100mm100mm300mm或150mm 150mm450mm的棱柱体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

13、值称为混凝土的疲劳抗压强度b)疲劳强度设计值应由混凝土强度设计值乘以相应的疲劳强度修正系数gr确定的取值与疲劳应力比值有关随的减小而降低fmaxc,fminc,fc强度种类混凝土强度等级返回 混凝土凝结硬化时在空气中体积收缩有凝缩、干缩发生规律为：先快后慢最终的收缩值 0.00020.0005在水中体积膨胀通常收缩值远大于膨胀主要的影响因素有：水泥品种、水泥用量、骨料性质、混凝土制作方法、养护条件、使用环境、构件的体表比返回 混凝土的温度线膨胀系数为1.01.5105/混凝土能自由收缩和温度 不会产生任何强制应力只有在有约束条件下，混凝土的受到限制时才会导致强制应力构件可能开裂按化学成分a.碳

14、素钢a)根据含碳量的多少，又可分为低碳钢、中碳钢、高碳钢b)含碳量越高，强度越高，但塑性和可焊性降低b.普通低合金钢合金元素使得钢材的强度提高、性能改善应严格控制有害成分硫（S，使钢具有热脆性）、磷（P使钢具有冷脆性） 按钢筋加工的方法可分为a.热轧钢筋（hot-rolled steel bar） 根据其力学指标（屈服强度标准值 fyk ）的高低，又可分为a)HPB300级（级，符号1）（Hot-rolled Plain Bar）b)HRB335级（级，符号2）（Hot-rolled Ribbed Bar）c)HRB400级（ 级，符号3），RRB400级（余热处理 级，符号3R）， HRBF

15、500级HRBFd)HRB500级（IV级），HRBF500级热轧钢筋可再加工（如冷轧、热处理）成其它品种的钢筋b.钢丝（steel wire） c. 钢铰线（strand）d.热处理钢筋（heat-treated steel bar）e.预应力螺纹钢筋（Screw-thread steel bars for prestressing of concrete）冷轧带肋钢筋采用普通低碳钢、优质碳素钢或低合金钢热轧盘圆为母材，经冷轧减径后在其表面冷轧成具有三面或两面月牙形横肋的钢筋二面肋三面肋冷轧带肋钢筋冷轧带肋钢筋冷轧扭钢筋以热轧级盘圆为原料，经专用生产线，先冷轧扁，再冷扭转，从而形成系列螺旋状

16、直条钢筋返回a.柔性钢筋（普通钢筋） 据其外形又可分为：a)光圆钢筋（plain bar）如级钢筋b)带肋钢筋（ribbed bar， ribbed reinforced bar ）如、级钢筋（常又称为变形钢筋，deformed bar）肋纹可以是：人字纹、螺纹、月牙纹、竹节纹b.劲性钢筋（各种型钢、钢轨、或型钢与钢筋焊成的骨架）采用级钢筋的剪力墙级钢筋盘圆盘圆放开钢筋调直机钢筋切断钢筋切断返回钢筋切断机变形钢筋（直条）返回月牙纹钢筋返回c) 屈服台阶BC 应力基本不变，应变急速增长。d) 强化段CD 应变增长较快，应力有一定幅度的增长。极限应力点D是确定极限强度的依据。a) 上升段OA 应力

17、和应变成比例变化，A点为比例极限。 通过钢筋的应力应变曲线描述主要是指：热轧钢筋（低碳钢、低合金钢）a.应力应变曲线的主要特征 e) 颈缩段DE 应力下降，应变仍然增长，出现颈缩现象。b) 上升段AB A点以后 ，应变较应力增长快。B点为屈服上限，其值通常不稳定；B点为屈服下限，它是确定屈服强度的依据。b.屈服强度 fy钢筋屈服后，会产生过大的塑性变形，构件产生不适于继续承载的过大变形或过宽的裂缝，故在钢筋屈服强度的确定时不能利用钢筋强化段的能力。和伸长率（延伸率）钢筋拉断后的伸长值与原长的比率：冷弯性能将直径为d的钢筋按弯心直径D弯曲到规定的角度%ll100d.强度等级的划分HPB235级、

18、HRB335级、HRB400级、RRB400级强度等级提高屈服强度、极限抗拉强度增长，延伸率和流幅降低，弹性模量变化不大 主要特征：a)无明显屈服点、塑性性能相对差。b)以极限应力点b为界，分成上升段 和下降段。0.2 极限抗拉强度b 的 85（设计取用的应力上限值），对应的残余应变为 0.2a)冷拉工艺b)冷拉效果只提高抗拉强度，不提高抗压强度温度超过700时，冷拉钢筋恢复到冷拉前的性能c)冷拉硬化：冷拉后，钢筋屈服强度提高，塑性下降的现象d)时效强化：经过一段时间后，钢筋屈服应力超过张拉控制应力的现象a)冷拔工艺 以级光园钢筋为母材，将其多次强力拉拔通过小于钢筋直径的硬质合金拔丝模而成。b

19、)冷拔效果钢筋同时受到纵向拉力和轴向压力的作用不仅提高抗拉强度，还同时提高抗压强度强度大大提高，塑性大大降低冷拔丝呈硬钢性质适用于流幅较长的低强度钢筋理想的弹塑性模型yshs,sysssys 0fE时时tgffE)( 0hs,sysus,shs,yshs,sysssys时时时适用于流幅较短的软钢理想的弹塑性模型加硬化适用于没有明显流幅的高强钢筋或钢丝 tgfE)( 0hs,syshs,sysssys时时现象：在重复、周期的动荷载作用下，突然脆性断裂原因：材料缺陷导致应力集中，在高应力状态下由于晶粒滑移产生疲劳裂纹，最终造成断裂 钢筋的疲劳强度 在某一规定应力幅度内，经受200万次循环荷载后发生

20、疲劳破坏的最大应力值拉伸的单根原状钢筋轴拉试验（规范方法）埋入混凝土中重复受拉或受弯试验 影响疲劳强度的因素疲劳应力比值最小应力值钢筋外表面几何尺寸和形状钢筋的直径钢筋的强度钢筋的加工和使用的环境加载的频率fmaxs,fmins,fsfmins, 要求强度相对值保证钢筋有足够的潜力，不致于迅速断裂和 保证结构/构件的延性 焊接后不产生裂纹及过大变形，其强度应不低于母材 混凝土保护层厚度根据钢筋品种，满足耐火等级要求与混凝土之间必须有足够的粘结力，保证共同工作 钢筋和混凝土的基础 开裂截面混凝土退出工作，钢筋拉应力突增。 裂缝两侧混凝土回缩受到局部粘结应力阻止。 裂缝间混凝土逐步恢复受拉，而钢筋

21、拉应力逐步降低。局部粘结的丧失会影响构件的刚度降低和裂缝开展返回 在控制截面处，须充分利用钢筋的设计强度。 为此，钢筋必须从控制截面向前延伸一段长度，以积累足够的粘结应力。 与此类似，钢筋伸入支座必须有一定的锚固长度，否则将发生锚固破坏。可采取钢筋端部加弯钩、弯折，或在锚固区贴焊短钢筋、贴焊角钢的方法来提高锚固能力。返回 即钢筋与混凝土接触面上的化学吸附作用，它来源于：水泥浆体对钢筋表面氧化层的渗透水化过程中水泥晶体的生长和硬化 其作用一般很小混凝土收缩时对钢筋产生握裹力有相对运动趋势或相对运动时产生摩阻力 钢筋表面越粗糙，摩阻力越大 因钢筋表面凹凸不平而产生变形钢筋肋部对四周的挤压力混凝土中

22、产生径向拉应力或dlN图2-26 -s曲线(a)光圆钢筋的-s曲线；(b)带肋钢筋的-s曲线 粘结强度u与混凝土抗拉强度 ft 大致成正比 式中，k1 常数对变形钢筋，若保护层较薄，容易发生沿钢筋的限制相对保护层厚度不小于一定的限值，可对混凝土劈裂破坏的发生起到一定控制作用相对粘结强度与相对保护层厚度的平方根成正比 式中，k2常数；c保护层厚度；d钢筋直径t1ufkdckf2tu钢筋间净距越小，粘结强度降低越多容易产生横向钢筋可以限制混凝土内部裂缝的发展，防止保护层脱落，并保证后期粘结强度横向压应力约束了混凝土的横向变形，增大了摩阻力粘结强度提高水平钢筋下方的混凝土可能出现沉淀收缩和离析泌水，

23、气泡溢出。则容易形成强度较低的疏松空隙层削弱粘结作用变形钢筋的粘结强度大于光圆钢筋目前尚无关于粘结力的计算理论规范采用构造措施保证混凝土与钢筋的粘结性能a.保证最小搭接长度和锚固长度；b.满足钢筋最小净距和混凝土最小保护层厚度要求；c.必要部位加密箍筋（如搭接区）；d.光圆钢筋端部设置弯钩以增强粘结能力；e.施工措施，如分层、二次浇捣等。 基本锚固长度是： 式中: a钢筋的外形系数（如:、等）可有效提高钢筋的锚固力，因此可减少锚固长度，其折减系数为。但应同时有相应的配箍直径、间距及数量等构造措施。dffltyab2 受拉钢筋的锚固受拉钢筋的锚固（1）受拉钢筋的锚固长度）受拉钢筋的锚固长度 实际

24、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，并不小于计算，并不小于200mm。aa abll1）当带肋钢筋的公称直径大于）当带肋钢筋的公称直径大于25mm时，取时，取1.10；2）环氧树脂涂层带肋钢筋取）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）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）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；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）锚固钢筋的保护