第2章：混凝土结构材料的性能

混凝土结构设计原理第二章混凝土结构用材料峨眉校区土木工程系混凝土结构设计原理第1章主页目录帮助上一章下一章本章重点熟悉土木工程用钢筋的品种、级别、性能及其选用原则；

熟悉混凝土在各种受力状态下的强度与变形性能及其选用原则；

了解钢筋与混凝土的共同工作原理。混凝土结构设计原理第1章主页目录帮助上一章下一章1.1.1建筑用钢筋的种类§1.1钢筋低碳：C<0.25%中碳：C=0.25~0.6%

高碳：C>0.6%普通碳素钢（含碳量的多少）低合金钢：<5.0%中合金钢：=5.0~10%

高合金钢：C>10%合金钢（合金元素总含量）含碳量的增加，强度提高，塑性和可焊性降低。合金元素能提高钢筋的强度和塑形。混凝土结构设计原理第1章主页目录帮助上一章下一章普通钢筋预应力筋热轧钢筋钢绞线消除应力钢丝预应力螺纹钢筋低碳钢普通低合金钢HRB335HRB400RRB400HPB300HRB500HRBF335HRBF400HRBF5001.1.2混凝土用钢筋混凝土结构设计原理第1章主页目录帮助上一章下一章热轧钢筋：低碳钢、普通合金钢或细晶粒钢高温状态下轧制而成§1.1钢筋普通钢筋强度标准值见附表1（P303)，符号说明如下：HPB300生产工艺：hotrolled表面形状：plain钢筋：bar屈服强度HRB335hotrolledribbedbar混凝土结构设计原理第1章主页目录帮助上一章下一章RRB300remainedheattreatmentribbedbarHRBF500hotrolledribbedbar热轧钢筋fine混凝土结构设计原理第1章主页目录帮助上一章下一章预应力筋预应力筋预应力筋强度标准值见附表2（P303)混凝土结构设计原理第1章主页目录帮助上一章下一章有明显流幅钢筋的应力—应变曲线

a

——比例极限b

——弹性极限ob

——弹性阶段d

——极限抗拉强度bc

——屈服阶段cd

——强化阶段de

——破坏阶段e

——极限应变混凝土结构设计原理第1章主页目录帮助上一章下一章无明显流幅钢筋的应力—应变曲线

b——极限抗拉强度c——极限应变

条件屈服强度：取残余应变为0.2%所对应的应力作为无明显流幅钢筋的强度限值，通常称为条件屈服强度。混凝土结构设计原理第1章主页目录帮助上一章下一章钢筋的应力—应变简化模型

（1）理想弹塑性模型（2）三段线性模型混凝土结构设计原理第1章主页目录帮助上一章下一章伸长率同一根钢筋上述伸长率只反映断口附近残留变形大小，不反映钢筋总伸长率情况。：

：

:::混凝土结构设计原理第1章主页目录帮助上一章下一章钢筋均匀伸长率的测定：混凝土结构设计原理第1章主页目录帮助上一章下一章均匀伸长率钢筋弹性模量实测钢筋拉断强度残余伸长已回复弹性应变+=混凝土结构设计原理第1章=90°,180°,反复弯曲要求：冷弯过程中无裂缝、鳞落或断裂。D

愈小，要求愈高。反复次数愈高，要求愈高。主页目录帮助上一章下一章冷弯

弯心直径越小，弯过的角度越大，冷弯性能越好，钢筋的塑性性能越好。混凝土结构设计原理第1章主页目录帮助上一章下一章热处理钢筋经淬火处理得，fptk=1470MPa，无明显屈服点。冷加工钢筋

冷加工工艺：冷拉、冷拔、冷轧、冷轧扭。

目的：提高强度，节约钢材。但塑性减小。冷拉钢筋仍有屈服台阶。混凝土结构设计原理第1章主页目录帮助上一章下一章冷拔：

将热轧钢筋强行拔过小于其直径的硬质合金拔丝模具。

经过几次冷拔的钢丝，抗拉、抗压强度均大大提高，但塑性降低。混凝土结构设计原理第1章主页目录帮助上一章下一章冷轧：

冷轧带肋钢筋是用热轧圆盘条经冷轧后，在其表面带有沿长度方向均匀分布的三面或二面横肋的钢筋。冷轧带肋钢筋伸长率明显提高，可改善构件在正常使用阶段的受力性能。CRB550冷轧带肋

钢筋

屈服强度混凝土结构设计原理第1章主页目录帮助上一章下一章1.1.2混凝土结构对钢筋性能的要求

适当的强度和屈强比热轧钢筋钢丝、钢绞线、各种冷加工钢筋混凝土结构设计原理第1章主页目录帮助上一章下一章足够的塑性：避免发生脆性破坏。耐久性和耐火性：必要的混凝土保护层厚度以满足对构件耐火极限的要求。寒冷地区，防止钢筋低温冷脆导致破坏。混凝土结构设计原理第1章主页目录帮助上一章下一章可加工性好与混凝土粘结锚固性好变形钢筋比光面钢筋好混凝土结构设计原理第1章主页目录帮助上一章下一章钢筋的选用见《混凝土结构设计规范》GB50010-2010混凝土结构设计原理第1章主页目录帮助上一章下一章§1.2混凝土1.2.1组成及特点主要材料：水泥、水、砂、石

特点:1）以固相为主，包含固体、液体、气体的三相体；2）水化过程长，性能要很长时间才稳定；3）水泥石收缩可形成微裂缝；4）受制作、养护、使用条件影响大。混凝土结构设计原理第1章主页目录帮助上一章下一章1.2.2混凝土强度立方体抗压强度（强度等级）混凝土受压破坏机理骨料之间的微裂缝是内因纵向受压破坏是横向拉裂造成的。骨料之间的微裂缝混凝土结构设计原理第1章主页目录帮助上一章下一章1.2.2混凝土强度立方体抗压强度（强度等级）

1.标准尺寸：150mm×150mm×150mm2.养护条件：20℃±3℃，湿度≥90%；28d3.加荷方法：加荷速度0.15～0.25MPa/s，垫板不涂油或垫橡胶板。

4.强度保证率：95%

，f

cu，k=f-1.645

f

混凝土结构设计原理第1章主页目录帮助上一章下一章

5.非标准试块强度换算系数：

200mm×200mm×200mm:1.05；

100mm×100mm×100mm:0.95。

6〞×12〞圆柱体：1.20

（1〞=2.54cm）

6〞×12〞棱柱体：1.326.分级：C15,C20,C25,C30,C35,C40,C45,C50,C55,C60,C65,C70,C75,C80，共14个等级。

C—Concrete,单位：N/mm2或MPa。当≤C50时，普通混凝土（normal-strengthconcrete）当＞C50时，高强混凝土（high-strengthconcrete）

混凝土结构设计原理第1章主页目录帮助上一章下一章影响因素分析材料组成：最主要因素在材料组成一定时，还有下列因素:1、加载速度：加载速度快，微裂缝不能充分扩展，强度高2、试验条件：试件上、下表面不涂油，横向变形受到约束，强度高3、试件尺寸：尺寸大，内部缺陷相对较多，端部摩擦力影响相对较大，强度低4、龄期：龄期长，试件强度高5、约束：端部约束，环箍效应混凝土结构设计原理第1章主页目录帮助上一章下一章1.2.2混凝土强度轴心抗压强度

采用棱柱体试件，能够反映混凝土的实际工作状态。我国取150×150×300mm为标准试件，按与立方体试验相同的规定所得的平均应力值，为fc。棱柱体高度取值的原因：摆脱端部摩擦力的影响试件不致失稳，不受附加偏心距的影响混凝土结构设计原理第1章主页目录帮助上一章下一章轴心抗压强度

结构混凝土强度与试块混凝土强度间的修正系数脆性影响系数

棱柱体强度与立方体强度之比值混凝土结构设计原理第1章主页目录帮助上一章下一章混凝土强度等级≤C40C45C50C55C60C65C70C75C80

c10.760.760.760.770.780.790.800.810.82

c21.000.9840.9680.9510.9350.9190.9030.8870.87

c1

和c2值混凝土结构设计原理第1章主页目录帮助上一章下一章轴心抗拉强度ft混凝土的抗拉强度远低于抗压强度对于普通混凝土，抗拉强度约1/17-1/8的抗压强度对于高强混凝土，抗拉强度约1/24-1/20的抗压强度轴心抗拉强度的试验方法直接受拉试验劈裂试验弯折试验混凝土结构设计原理第1章主页目录帮助上一章下一章轴心受拉试验轴心抗拉强度与立方体抗压强度间的折算系数

结构混凝土强度与试块混凝土强度间的修正系数C40以上混凝土脆性影响系数

轴直接受拉试验的缺点：容易引起偏拉破坏混凝土结构设计原理第1章主页目录帮助上一章下一章劈裂试验PPa弯折试验

复杂受力状态下混凝土的强度

双轴应力状态双等拉双等压-1.2600.20.4-0.6-0.4-0.2-1.2-1.0-0.8-1.400.20.4-0.6-0.4-0.2-1.2-1.0-0.8-1.4Kupfer的强度包络图双向受拉的破坏强度接近于单轴抗拉强度。双向受压的破坏强度高于单轴抗压强度。一拉一压的破坏强度低于相应的单轴受力强度。双轴受压的强度最大值不是发生在双轴等压的情况下,而是发生在σ1/σ2≈0.5时。2.1.1混凝土的强度

三轴受压状态

侧向等压（常规三轴）的情况通过液体静压力对圆柱体试件施压当侧向压力较较高低时,上式不再为线性关系,可采用蔡绍怀经验公式当侧向压力较低时,对于普通混凝土混凝土结构设计原理第1章主页目录帮助上一章下一章剪力存在时：拉-剪：抗拉、抗剪强度都降低；压-剪：当时，抗剪强度随压应力提高而增大；当时，内部裂缝增加，抗剪抗压强度均降低。

混凝土结构设计原理第1章主页目录帮助上一章下一章混凝土的变形受力变形单调短期加载下的变形(重点)：轴压、轴拉、复合应力状态下承载力计算；非线性分析荷载长期作用下的变形（徐变）：变形和裂缝宽度计算；预应力损失重复荷载作用下的变形（疲劳性能）：确定弹性模量；疲劳验算体积变形收缩变形：收缩裂缝；预应力损失温度变形：温度应力→裂缝，防止温度、收缩裂缝的构造措施`混凝土结构设计原理第2章主页目录帮助上一章下一章1.2.3混凝土的变形一次加载时0→A:近似弹性

A→B:非线性

B→C:体积增大

C→F:破坏

高强混凝土：↗，↘混凝土结构设计原理第1章主页目录帮助上一章下一章应力-应变曲线特点

oa段：即应力比≤0.3时，应力-应变关系接近于直线，故a点相当于混凝土的弹性极限。ab段：当应力比约为（0.3～0.8）时，应力-应变关系偏离直线，应变的增长速度比应力增长快，故b点称为临界应力点。bc段：当应力比约为（0.8～1.0）时，应变增长速度进一步加快，应力-应变曲线的斜率急剧减小，混凝土内部微裂缝进入非稳定发展阶段。当应力到达c点时，混凝土发挥出受压时的最大承载能力，即轴心抗压强度（极限强度），相应的应变值称为峰值应变。cd段：下降段，由滑移面上的摩擦咬合力和混凝土柱体的残余强度提供2.1.2混凝土的变形性能应力-应变曲线上三个特征点

峰值应力：材料的最大承载力峰值应变：与峰值应力相应的应变极限压应变：试件破坏时的最大应变值混凝土材料的延性

混凝土试件在强度没有显著降低情况下承受变形的能力混凝土强度越高，越大；越小；材料的脆性越明显问题：混凝土应力-应变曲线如何表达？→数学表达式2.1.2混凝土的变形性能混凝土单轴受压应力-应变关系模型（本构模型）应力-应变关系模型是应力-应变曲线的数学表达式，可根据某一应变值求出相应的应力值。

应用：承载力计算；混凝土结构非线性分析本节给出的两个应力-应变关系模型，一般用于结构的非线性分析。Hognestad模型（早期）上升段下降段2.1.2混凝土的变形性能

《混凝土结构设计规范》规定的单轴受压应力-应变关系模型482ec,x

Ose

ecu

2.1.2混凝土的变形性能

《混凝土结构设计规范》规定的单轴受拉应力-应变关系模型

《混凝土规范》建议的单轴受拉应力-应变关系模型Osε

混凝土的弹性模量、剪变模量和泊松比★混凝土的变形模量

初始弹性模量：过原点切线的斜率。切线模量：过某一点切线的斜率。

割线模量：某一点与原点连线的斜率。2.1.2混凝土的变形性能混凝土弹性模量

★初始弹性模量不易准确测定；多次重复加载、卸载

后，应力-应变曲线变为直线，且与原点切线平行。

★我国规范规定用下述方法测定混凝土弹性模量：将棱柱体试件加载至应力，重复加载、卸载各5次后

应力-应变曲线基本上趋于直线，将应力-应变曲线上

与0.5N/mm2的应力差与相应的应变差的比值作为弹

性模量。

2.1.2混凝土的变形性能混凝土弹性模量与立方体抗压强度之间的关系★混凝土弹性模量是试验结果的试验平均值，保证率50%;★弹性模量随立方体强度标准值非线性增长;★混凝土受拉与受压弹性模量相同.混凝土的泊松比混凝土的剪变模量2.1.2混凝土的变形性能2.1.2混凝土的变形性能混凝土在复合应力下的应力-应变关系三轴受压：随侧向压应力增加，纵向强度和变形能力均提高。侧向压力约束了混凝土横向变形，限制了横向膨胀和内部微裂缝的扩展。（约束混凝土）2.1.2混凝土的变形性能2.混凝土在重复荷载作用下的变形性能

★一次加载、卸载下的应力-应变曲线总应变=弹性应变

+弹性后效

+残余应变

加载、卸载形成环状，其面积为加载、卸载过程中消耗的能量卸载曲线在A点的切线与加载曲线在原点的切线平行多次重复荷载作用下的应力-应变曲线

当加载、卸载的最大压应力值不超过某个限值时，每次加载、卸载过程都将形成塑性变形。经多次重复后，塑性变形将不再增长，混凝土加、卸载的应力-应变曲线呈直线变化，且此直线大致与第一次加载时的原点切线平行。当应力值超过一特定值之后，出现直线后就产生反向弯曲。应变越来越大，就会发生破坏，即疲劳破坏。该特定值就是混凝土的疲劳强度。2.1.2混凝土的变形性能3.混凝土在荷载长期作用下的变形性能徐变在不变的应力长期持续作用下，混凝土的变形随时间徐徐增长的现象称为混凝土的徐变。3000.51.01.52.0510152025压应变×10-3时间/月瞬时变形徐变变形卸载时瞬时恢复的变形残余变形卸载后的弹性后效2.1.2混凝土的变形性能徐变的特点

先快后慢，最后趋于稳定

徐变的原因

水泥凝胶体的黏性流动，使骨料应力增大混凝土中内部微裂缝的发展影响徐变的因素

线性徐变，徐变与应力成正比非线性徐变，徐变增长速度比应力增长快

徐变与时间曲线发散。2.1.2混凝土的变形性能应力的大小影响徐变的因素★混凝土组成和配合比骨料（不产生徐变）多，徐变小；水泥用量和水灰比大（混凝土中凝胶体比重大），徐变大。★环境条件湿度低，温度高，徐变大（高温干燥下，砼水份逸失较多，转化为水泥结晶体的水泥浆少，凝胶体较多）；龄期短，徐变大。注：徐变是受力变形，有应力存在就有徐变变形；

徐变方向与受力方向一致，有受拉、压徐变；徐变随时间变化。2.1.2混凝土的变形性能徐变对结构的影响（研究徐变的意义）

1）使钢筋混凝土构件截面产生内力重分布：混凝土应力减小，钢筋应力增大。

2）使受弯构件和偏压构件的变形加大：徐变使截面受压区变形增大，引起受弯构件挠度增大，偏压构件偏心距增大。

3）使预应力混凝土构件产生预应力损失：预压力使混凝土产生徐变，构件缩短，引起预应力损失。2.1.2混凝土的变形性能

混凝土的收缩混凝土在空气中结硬时其体积会缩小，这种现象称为混凝土的收缩。使结构产生收缩裂缝，引起预应力损失。

混凝土的膨胀

混凝土的温度变形混凝土在水中结硬时体积会膨胀，称为混凝土的膨胀。温度变化会使混凝土热胀冷缩，在结构中产生温度应力，甚至会使构件开裂以至于损坏。2.1.2混凝土的变形性能2.3混凝土与钢筋之间的黏结黏结力黏结机理影响黏结性能的因素2.3.1黏结力黏结力：钢筋混凝土受力后会沿其接触面产生剪应力，

通常把这种剪应力称为黏结应力局部黏结应力：在相邻两个开裂截面之间产生的；锚固黏结应力：钢筋伸进支座或在连续梁中承担负弯矩的

上部钢筋在跨中截断时，需要延伸一段长

度，即锚固长度。根据受力性质的不同，钢筋与混凝土之间的黏结应力可以分为：2.3.2黏结机理1、黏结力的组成化学胶结力：水泥凝胶体和钢筋表面化学变化而产生的吸附作用力，这种作用力很弱；摩阻力：钢筋与混凝土接触面之间的摩擦力；机械咬合力：钢筋表面凹凸不平与混凝之间产生的机械咬合作用力，变形钢筋的横肋会产生这种咬合力；钢筋端部的锚固力：一般是通过钢筋端部的弯钩、弯折、在钢筋端部焊接短钢筋或焊短角钢来提供的锚固力。2、黏结强度钢筋的黏结强度通常采用下直接拔出试验来测定，通常按下式计算平均黏结应力：P—拔出力；d—钢筋直径；l—锚固长度。2.3.3影响黏结性能的因素影响钢筋与混凝土黏结强度的因素主要有：1、混凝土强度等级；2、钢筋的外形、直径和表面状态；3、混凝土保护层厚度与钢筋净距；4、横向钢筋；5、侧向压力；6、混凝土浇筑状态。2.4钢筋锚固与接头构造钢筋锚固与搭接的意义钢筋锚固的长度钢筋的连接2.4.1钢筋锚固与搭接的意义由于黏破坏机理复杂、影响黏结力的因素众多、工程结构中黏结受力的多样性，目前尚无比较完整的黏结力计算理论。构造措施：对不同等级的混凝土和钢筋，规定了要保证最小搭接长度与锚固长度