T混凝土结构材料的物理力学性能

第2章混凝土结构材料的物理力学性能2.1混凝土的物理力学性能2.1.1单轴向应力状态下的混凝土强度

虽然实际工程中的混凝土结构和构件一般处于复合应力状态，但是单轴向受力状态下混凝土的强度是复合应力状态下强度的基础和重要参数。

混凝土试件的大小和形状、试验方法和加载速率都影响混凝土强度的试验结果，因此各国对各种单轴向受力下的混凝土强度都规定了统一的标准试验方法。1混凝土的抗压强度(1)混凝土的立方体抗压强度fcu,k和强度等级我国《混凝土结构设计规范》规定以边长为150mm的立方体为标准试件，标准立方体试件在(20±3)℃的温度和相对湿度90%以上的潮湿空气中养护28d，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，单位为“N/mm2”。用上述标准试验方法测得的具有95%保证率的立方体抗压强度作为混凝土的强度等级。《混凝土结构设计规范》规定的混凝土强度等级有C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75和C80，共14个等级。例如，C30表示立方体抗压强度标准值为30N/mm2。其中，C50～C80属高强度混凝土范畴。图2-1混凝土立方体试块的破坏情况(a)不涂润滑剂；(b)涂润滑剂(2)混凝土的轴心抗压强度混凝土的抗压强度与试件的形状有关,采用棱柱体比立方体能更好地反映混凝土结构的实际抗压能力。用混凝土棱柱体试件测得的抗压强度称为轴心抗压强度。图2-2混凝土棱柱体抗压试验和破坏情况

我国《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T50081—2002)规定以150mm×150mm×300mm的棱柱体作为混凝土轴心抗压强度试验的标准试件。《混凝土结构设计规范》规定以上述棱柱体试件试验测得的具有95%保证率的抗压强度为混凝土轴心抗压强度标准值，用符号fck表示，下标c表示受压，k表示标准值。图2-3混凝土轴心抗压强度与立方体抗压强度的关系

考虑到实际结构构件制作、养护和受力情况等方面与试件的差别，实际构件强度与试件强度之间将存在差异，《混凝土结构设计规范》基于安全取偏低值，轴心抗压强度标准值与立方体抗压强度标准值的关系按下式确定：为棱柱体抗压强度与立方体抗压强度之比，对混凝土强度等级为C50及以下的取0.76，对C80取0.82，两者之间按直线规律变化取值。为高强度混凝土的脆性折减系数，对C40及以下取1.00，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。国外常采用混凝土圆柱体试件来确定混凝土轴心抗压强度。例如美国、日本和欧洲混凝土协会(CEB)都采用直径6英寸(152mm)、高12英寸(305mm)的圆柱体标准试件的抗压强度作为轴心抗压强度的指标，记作f′c。对C60以下的混凝土，圆柱体抗压强度f′c和立方体抗压强度标准值fcu,k之间的关系可按下式计算。当fcu,k超过60N/mm2后随着抗压强度的提高，f′c与fcu,k的比值（即公式中的系数）也提高。CEB-FIP和MC-90给出：对C60的混凝土，比值为0.833；对C70的混凝土，比值为0.857；对C80的混凝土，比值为0.875。2混凝土的轴心抗拉强度抗拉强度是混凝土的基本力学指标之一，其标准值用ftk表示，下标t表示受拉，k表示标准值。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。图2-4混凝土轴心抗拉强度和立方体抗压强度的关系F——破坏荷载；d——圆柱体直径或立方体边长；l——圆柱体长度或立方体边长。图2-5混凝土劈裂试验示意图(a)用圆柱体进行劈裂试验；(b)用立方体进行劈裂试验；(c)劈裂面中水平应力分布1—压力机上压板；2—弧形垫条及垫层各一条；3—试件；4—浇模顶面；5—浇模底面；6—压力机下压板；7—试件破裂线2.1.2复合应力状态下混凝土的强度

混凝土结构构件实际上大多处于复合应力状态，例如框架梁要承受弯矩和剪力的作用；框架柱除了承受弯矩和剪力外还要承受轴向力；框架节点区混凝土的受力状态就更复杂。同时，研究复合应力状态下混凝土的强度，对于认识混凝土的强度理论也有重要的意义。图2-6双向应力状态下混凝土的破坏包络图1双向应力状态图2-7法向向应应力力和和剪剪应应力力组组合合的的破破坏坏曲曲线线A—轴心受拉拉；B—纯剪；C—剪压；D—轴心受压压2三向受压压状态三向受压压下混凝凝土圆柱柱体的轴轴向应力力应变变曲线可可以由周周围用液液体压力力加以约约束的圆圆柱体进进行加压压试验得得到，在在加压过过程中保保持液压压为常值值，逐渐渐增加轴轴向压力力直至破破坏，并并量测其其轴向应应变的变变化。图2-8混凝土圆圆柱体三三向受压压试验时时轴向应应力-应变曲线线2.1.3混凝土的的变形混凝土在在一次短短期加载载、长期期加载和和多次重重复荷载载作用下下都会产产生变形形，这类类变形称称为受力变形形。另外，，混凝土土的收缩缩以及温温度和湿湿度变化化也会产产生变形形，这类类变形称称为体积变形形。混凝土土的变形形是其重重要物理理力学性性能之一一。1一次短期期加载下下混凝土土的变形形性能(1)混凝土受受压时的的应力-应变关系系图2-9混凝土棱棱柱体受受压应力力-应变曲线线图2-10不同强度度的混凝凝土的应应力-应变曲线线比较混凝土应应力-应变曲线线的形状状和特征征是混凝凝土内部部结构发发生变化化的力学学标志。。随着混凝凝土强度度的提高高，尽管管上升段段和峰值值应变的的变化不不很显著著，但是是下降段段的形状状有较大大的差异异，混凝凝土强度度越高，，下降段段的坡度度越陡，，即应力力下降相相同幅度度时变形形越小，，延性越越差。(2)混凝土单单轴向受受压应力力-应变本构构关系曲曲线1)美国E.Hognestad建议的模模型图2-11Hognestad建议的应应力-应变曲线线上升段：：下降段：：图2-12Rüsch建议的应应力-应变曲线线2)德国Rüsch建议的模模型(3)混凝土轴轴向受拉拉时的应应力-应变关系系图2-13不同强度度的混凝凝土拉伸伸应力-应变全曲曲线(4)混凝土的的变形模模量图2-14混凝土变变形模量量的表示示方法1)混凝土的的弹性模模量（即即原点模模量）2)混凝土的的变形模模量3)混凝土的的切线模模量可以看出出，混凝凝土的切切线模量量是一个个变值，，它随着着混凝土土应力的的增大而而减小。。需要注意意的是，，混凝土土不是弹弹性材料料，所以以不能用用已知的的混凝土土应变乘乘以规范范中所给给的弹性性模量值值去求混混凝土的的应力。。只有当当混凝土土应力很很低时，，它的弹弹性模量量与变形形模量值值才近似似相等。。混凝土土的弹性性模量可可按下式式计算：：2荷载长期期作用下下混凝土土的变形形性能图2-15混凝土土的徐徐变(应变与与时间间的关关系曲曲线)图2-16压应力力与徐徐变的的关系系图2-17不同应应力/强度比比值的的徐变变时间间曲线线3混凝土土的收收缩与与膨胀胀图2-18混凝土土的收收缩影响混混凝土土收缩缩的因因素有有：(1)水泥的的品种种：水泥泥强度度等级级越高高制成成的混混凝土土收缩缩越大大。(2)水泥的的用量量：水泥泥越多多，收收缩越越大；；水灰灰比越越大，，收缩缩也越越大。。(3)骨料的性质质：骨料的弹弹性模量大大，收缩小小。(4)养护条件：在结硬过过程中周围围温、湿度度越大，收收缩越小。。(5)混凝土制作作方法：混凝土越越密实，收收缩越小。。(6)使用环境：使用环环境温度、、湿度大时时，收缩小小。(7)构件的体积积与表面积积比值：比值大时时，收缩小小。2.1.4混凝土的疲劳劳混凝土的疲劳劳是在荷载重复作用用下产生的。疲劳现象大量量存在于工程程结构中，钢钢筋混凝土吊吊车梁、钢筋筋混凝土桥以以及港口海岸岸的混凝土结结构等都要受受到吊车荷载载、车辆荷载载以及波浪冲冲击等几百万万次的作用。。混凝土在重重复荷载作用用下的破坏称称为疲劳破坏坏。图2-19混凝土在重复复荷载作用下下的受压应力力-应变曲线混凝土的疲劳劳强度用疲劳劳试验测定。。疲劳试验采采用100mm××100mm×300mm或150mm××150mm×450mm的棱柱体，把把能使棱柱体体试件承受200万次或其以上循环环荷载而发生生破坏的压应应力值称为混混凝土的疲劳劳抗压强度。。混凝土的疲劳劳强度与重复复作用时应力力变化的幅度度有关。在相相同的重复次次数下，疲劳劳强度随着疲疲劳应力比值值的减小而增增大。疲劳应应力比值按下下式计算：2.2钢筋的的物理理力学学性能能2.2.1钢筋的的种类类混凝土土结构构中采采用的的钢筋筋有柔性钢筋筋和劲性钢筋筋两种。1柔性钢筋筋图2-20钢筋的外外形（a)光圆钢筋；(b)螺旋纹钢筋；；(c)人字纹钢筋；；(d)月牙纹钢筋线形的普通钢钢筋统称为柔柔性钢筋，其其外形有光圆圆和带肋两类类。2劲性钢筋劲性钢筋是指指配置在混凝凝土中的各种种型钢、钢轨或或者用钢板焊焊成的钢骨架架。劲性钢筋本本身刚度很大大，施工时模模板及混凝土土的重力可以以由劲性钢筋筋本身来承担担，因此能加加速并简化支支模工作。配配置了劲性钢钢筋的混凝土土结构具有较较大的承载能能力和变形能能力，常用于于高层建筑的的框架梁、柱柱以及剪力墙墙和筒体结构构中。2.2.2国产普通钢筋筋《混凝土结构设设计规范》规定，用于钢钢筋混凝土结结构的国产普普通钢筋为热轧钢筋。热轧钢筋是是低碳钢、普普通低合金钢钢在高温状态态下轧制而成成的软钢，其其应力-应变变曲曲线线有有明明显显的的屈屈服服点点和和流流幅幅，，断断裂裂时时有有颈颈缩缩现现象象，，伸伸长长率率比比较较大大。。1强度度等等级级和和牌牌号号国产产普普通通钢钢筋筋按按其其屈屈服服强强度度标标准准值值的的高高低低，，分分为为4个强强度度等等级级：：300MPa、335MPa、400MPa和500MPa。2工程程应应用用《混凝凝土土结结构构设设计计规规范范》提出了推广广高强度、、高性能钢钢筋HRB400和HRB500的要求。因因此，本教教材的例题题中，对梁梁、柱的纵纵向受力钢钢筋将主要要采用这两两种钢筋，，特别是HRB400。箍筋宜采用用HRB400、HRBF400、HRB335和HPB300。光圆钢筋HPB300虽然也可用用作纵向受受力钢筋，，因其强度度较低，故故主要用作作箍筋。当HRB500和HRBF500用作箍筋时时，只能用用于约束混混凝土的间间接钢筋，，即螺旋箍箍筋或焊接接环筋，见见5.2.2节。细晶粒系列列HRBF钢筋、HRB500和热处理钢钢筋RRB400都不能用作作承受疲劳劳作用的钢钢筋，这时时宜采用HRB400钢筋。工地上常把把上述4个强度等级级的钢筋俗俗称为Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级和Ⅳ级钢筋，但但在施工图图和正式文文件中，都都不应采用用此俗称。。2.2.3钢筋的强度度与变形图2-21有明显流幅幅的钢筋的的应力-应变曲线有明显流幅幅的热轧钢钢筋屈服强强度是按屈屈服下限确确定的。对有明显流幅幅的钢筋，在在计算承载力力时以屈服点点作为钢筋强强度限值。对没有明显流流幅或屈服点点的预应力钢钢筋，一般取取残余应变0.2%所对应的应力力作为其条件件屈服强度标标准值。图2-22无明显流幅的的钢筋的应力力-应变曲线2.2.4钢筋本构关系系钢筋单调加载载的应力-应变本构关系系曲线有以下下三种：1描述完全弹塑塑性的双直线线模型双直线模型适适用于流幅较较长的低强度度钢材。2描述完全弹塑塑性加硬化的的三折线模型型三折线模型适适用于流幅较较短的软钢，，要求它可以以描述屈服后后立即发生应应变硬化(应力强化)，并能正确地地估计高出屈屈服应变后的的应力。3描述弹塑性的的双斜线模型型双斜线模型可可以描述没有有明显流幅的的高强钢筋或或钢丝的应力力-应变曲线。2.2.5钢筋的疲劳钢筋的疲劳是是指钢筋在承承受重复、周周期性的动荷荷载作用下，，经过一定次次数后，突然然脆性断裂的现象。吊车车梁、桥面板板、轨枕等承承受重复荷载载的钢筋混凝凝土构件在正正常使用期间钢筋疲劳断裂的原因，一般认为是由于钢筋内部和外部的缺陷，在这些薄弱处容易引起应力集中。应力过高，钢材晶粒滑移，产生疲劳裂纹，应力重复作用次数增加，裂纹扩展，从而造成断裂。因此钢筋的疲劳强度低于其在静荷载作用下的极限强度。原状钢筋的疲劳强度最低。埋置在混凝土中的钢筋的疲劳断裂通常发生在纯弯段内裂缝截面附近，疲劳强度稍高。钢筋的疲劳试验有两种方法：一种是直接进行单根原状钢筋轴拉试验；另一种是将钢筋埋入混凝土中使其重复受拉或受弯的试验。由于影响钢筋疲劳强度的因素很多，钢筋疲劳强度试验结果是很分散的。我国采用直接做单根钢筋轴拉试验的方法。2.2.6混凝土结构构对钢筋性性能的要求求钢筋的强度度钢筋的延性性钢筋的可焊焊性机械连接性性能施工适应性性钢筋与混凝凝土的粘结结力2.3混凝土与钢钢筋的粘结结2.3.1粘结的意义义混凝土与钢钢筋的粘结结是指钢筋筋与周围混混凝土之间间的相互作作用，包括括沿钢筋长长度的粘结结和钢筋端端部的锚固固两种情况况。图2-24钢筋和混凝凝土之间粘粘结应力示示意图(a)锚固粘结应应力；(b)裂缝间的局局部粘结应应力2.3.2粘结力的组组成光圆钢筋与与混凝土的的粘结作用用主要由以以下三部分分组成：(1)钢筋与混凝凝土接触面面上的胶结力。这种胶结结力来自水水泥浆体对钢筋筋表面氧化化层的渗透透以及水化化过程中水水泥晶体的的生长和硬硬化。这种种胶结力一一般很小，，仅在受力力阶段的局局部无滑移移区域起作作用，当接接触面发生生相对滑移移时即消失失。(2)混凝土收缩缩握裹钢筋筋而产生摩阻力。混凝土凝凝固时收缩缩，对钢筋筋产生垂直直于摩擦面面的压应力力。这种压压应力越大大，接触面面的粗糙程程度越大，，摩阻力就就越大。(3)钢筋筋表表面面凹凹凸凸不不平平与与混混凝凝土土之之间间产产生生的的机械械咬咬合合力力。对对于于光光圆圆钢钢筋筋这这种种咬咬合合力力来来自自表表面面的的粗粗糙糙不不平平。。带肋肋钢钢筋筋的的横横肋肋对对混混凝凝土土的的挤挤压压如如同同一一个个楔楔，，会会产产生生很很大大的的机机械械咬咬合合力力。。带肋肋钢筋筋与与混混凝凝土土之之间间的的这这种种机机械械咬咬合合作作用用，，改改变变了了钢钢筋筋与与混混凝凝土土间间相相互互作作用用的的方方式式，，显显著著提提高高了了粘粘结结强强度度。。图图2-25给出出了了带肋肋钢筋筋对对周周围围混混凝凝土土的的斜斜向向挤挤压压力力从从而而使使得得周周围围混混凝凝土土产产生生内内裂裂缝缝的的示示意意图图。。图2-25带肋肋钢钢筋筋周周围围混混凝凝土土的的内内裂裂缝缝光圆圆钢钢筋筋的的粘粘结结机机理理与与带肋肋钢筋筋的的主主要要差差别别是是，，光光圆圆钢钢筋筋的的粘粘结结力力主主要要来来自自胶胶结结力力和和摩摩阻阻力力，，而而带肋肋钢筋筋的的粘粘结结力力主主要要来来自自机机械械咬咬合合作作用用。。2.3.3粘结结应应力力-滑移移关关系系图2-26τ-s曲线线(a)光圆圆钢钢筋筋的的τ-s曲线线；；(b)带肋肋钢筋筋的的τ-s曲线线2.3.4钢筋筋的的锚锚固固1基本本锚锚固固长长度度lab《混凝凝土土结结构构设设计计规规范范》GB50010——2010规定定的的受受拉拉钢钢筋筋锚锚固固长长度度lab为钢钢筋筋的的基本本锚锚固固长长度度。图2-27钢筋筋的的受受拉拉锚锚固固长长度度计计算算简简图图2受拉拉钢钢筋筋的的锚锚固固（1）受拉拉钢筋筋的锚锚固长长度实际结结构中中的受受拉钢钢筋锚锚固长长度还还应根根据锚锚固条条件的的不同同按下下式计计算，，并不不小于于200mm。1）当带