混凝土结构设计原理-课件-第1章-材性资料

其次章钢筋和混凝土的材料性能2.1混凝土2.1混凝土一、混凝土的强度混凝土立方体抗压强度混凝土轴心抗压强度混凝土抗拉强度150×150×150150×150×300100×100×500其次章钢筋和混凝土材料的力学性能其次章钢筋和混凝土的材料性能2.1混凝土

（抗压强度是混凝土力学性能中最主要和最基本的指标）

（1）立方体抗压强度标准值：边长150mm立方体标准试件，在标准条件下（20±2℃，≥95%湿度）养护28天，用标准试验方法测得的具有95%保证率的立方体抗压强度。fcu,k=

fcu,m(1-1.645)。

2.1混凝土一、混凝土的强度1、立方体抗压强度fcu，立方体抗压强度标准值fcu,k其次章钢筋和混凝土的材料性能（2）混凝土的强度等级：《规范》是依据fcu,k从C15~C80共划分为14个强度等级（如C30表示fcu,k=30N/mm2）。

（3）非标准试块强度换算系数：

200mm×200mm×200mm:1.05；100mm×100mm×100mm:0.95。

套箍效应:

不涂润滑油涂润滑油未采取减摩措施采取减摩措施后其次章钢筋和混凝土的材料性能其次章钢筋和混凝土的材料性能2.1混凝土2、轴心抗压强度fc(棱柱体抗压强度)

（1）轴心抗压强度的概念：我国以150×150×300mm的棱柱体试件为标准试件。（2）棱柱体抗压强度和立方体抗压强度的换算关系结构混凝土强度与试块混凝土强度的比值脆性影响系数

棱柱体强度与立方体强度之比值其次章钢筋和混凝土的材料性能0102030405060708090100123456

55.0395.0cu,mt,mff=▲轴心抗拉强度试验3、轴心抗拉强度ft其次章钢筋和混凝土的材料性能拉压压▲劈裂试验（由于轴心受拉试验对中困难，常用立方体或圆柱体劈裂试验测定混凝土的抗拉强度）劈拉强度劈拉试验FdF其次章钢筋和混凝土的材料性能4、混凝土强度的标准值（1）《规范》规定材料强度的标准值fk

应具有不小于95%的保证率（3）轴心抗压强度标准值（4）轴心抗拉强度标准值（2）立方体抗压强度标准值

fcu,k=

fcu,m(1-1.645)其次章钢筋和混凝土的材料性能2.1混凝土2.392.642.993.11桥规1双轴应力状态其次章钢筋和混凝土的材料性能2.1混凝土二、困难应力下混凝土的受力性能

（实际结构中，混凝土很少处于单向受力状态。更多的是处于双向或三向受力状态。）双向受压强度大于单向受压强度，最大强度发生在两个压应力之比为0.3~0.6之间，比fc可提高27%。（1）双向受压（第三象限）其次章钢筋和混凝土的材料性能2.1混凝土随意应力比状况下，其强度均不超过相应的单轴强度。并且抗压强度或抗拉强度均随另一方向拉应力或压应力的增加而减小。（2）一轴受压一轴受拉（其次、四象限）（3）双轴受拉（第一象限）

任意应力比情况下，其强度均与单轴抗拉强度相近。其次章钢筋和混凝土的材料性能2.1混凝土2剪应力t和正应力s共同作用下的复合受力状况▲混凝土的强度：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，抗剪抗压强度均降低。

/fc/fc其次章钢筋和混凝土的材料性能2.1混凝土3三轴应力状态

一次短期荷载下

受力变形长期荷载下砼变形多次重复荷载下收缩变形

体积变形

膨胀变形温度变形三、混凝土的变形其次章钢筋和混凝土的材料性能2.1混凝土其次章钢筋和混凝土的材料性能2.1混凝土1、一次短期荷载下的变形在一般试验机上接受等应力速度加载，只能测得曲线的上升段。接受等应变速度加载，可以测得曲线的下降段。（1）单轴单调受压时的应力-应变关系（棱柱体试件）σ留意：a.塑性应变——评价砼耐受变形性能(延性)的好坏。极限应变εcu越大，则延性越好。b.对于一般砼，ε0≈0.0015~0.0025。取ε0=0.002,εcu≈0.0033。c.对于非匀整受压的砼，当砼边缘纤维的应力达到fc时，试件并未破坏。只有当其应变ε达到εcu≈0.0033时，试件整体才破坏。在此过程中存在着应力重分布——卸载给邻近的纤维其次章钢筋和混凝土的材料性能弹性阶段：

o—a段，σ＝0.3～0.4σ0弹塑性阶段：

上升段1：a—b段，σ＝0.8σ0

裂缝稳定发展阶段

上升段2：b—c段，σ＝σ0,ε=ε0

裂缝不稳定发展阶段破坏阶段：

c—d’段，σ<σ0,ε=εcu其次章钢筋和混凝土的材料性能2.1混凝土（2）不同强度等级混凝土的应力-应变曲线强度越高，峰值应变越大，极限应变越小，下降段越陡峭——延性越差强度越低，峰值应变越小，极限应变越大，下降段越平缓——延性越好2.1混凝土其次章钢筋和混凝土的材料性能▲Hognestad建议的模型（3）混凝土单轴受压应力-应变曲线的数学模型其次章钢筋和混凝土的材料性能▲我国建工规范的模型上升段：下降段：2.1混凝土（4）三向受压时的变形性能混凝土在横向受约束力作用时，不但可提高其强度，还可提高其延性。实际工程接受箍筋、钢管供应约束其次章钢筋和混凝土的材料性能2.1混凝土其次章钢筋和混凝土的材料性能（5）混凝土的变形模量混凝土弹性模量变形模量切线模量2.1混凝土弹性系数n

随应力增大而减小（n

=1~0.5）▲混凝土变形模量的概念其次章钢筋和混凝土的材料性能2.1混凝土▲混凝土弹性模量的测定与计算se5~10次epAA=(0.4~0.5)fc建规桥规

▲混凝土剪变模量GcGc=0.4Ec其次章钢筋和混凝土的材料性能2.1混凝土（1）徐变的概念2、荷载长期作用下混凝土的变形性能－－徐变▲凝胶体的塑性流动。▲裂缝的出现与发展。（2）产生徐变的原因混凝土在荷载的长期作用下，其应变或变形随时间增长的现象称为徐变。其次章钢筋和混凝土的材料性能应变与时间的关系曲线（t0时刻加载，t时刻卸载）t0elashcrela,ela,,cr,eteeeeee瞬时恢复应变弹性后效残余应变加载瞬时应变

收缩应变

徐变

▲特点：起先快、以后慢；半年完成大部分、一年稳定、三年终止（3）徐变与时间的关系其次章钢筋和混凝土的材料性能2.1混凝土▲不利影响：徐变会使结构（或构件）的变形增大（如挠度）

；引起预应力损失；在长期高应力作用下，甚至会导致破坏。▲有利影响：

有利于结构构件产生内（应）力重分布，降低结构的受力；减小大体积混凝土内的温度应力；受拉徐变可延缓收缩裂缝的出现。（4）徐变对结构的影响其次章钢筋和混凝土的材料性能2.1混凝土▲内在因素：是混凝土的组成和配比。骨料的刚度（弹性模量）越大，体表比越大，徐变就越小;水灰比越小，水泥用量越少，徐变也越小。▲环境影响：包括养护和运用条件。受荷前养护的温湿度越高，水泥水化作用越充分，徐变就越小。受荷后构件所处的环境温度越高，相对湿度越小，徐变就越大。（5）影响徐变的因素其次章钢筋和混凝土的材料性能2.1混凝土当时始应力水平si/fc≤0.5时，徐变值与初应力基本上成正比，这种徐变称为线性徐变。产生线性徐变的主要缘由是凝胶体的塑性流淌。当时应力si在(0.5~0.8)fc范围时，徐变最终虽仍收敛，但最终徐变与初应力si不成比例，这种徐变称为非线性徐变。产生非线性徐变的主要缘由是裂缝的出现与发展。▲应力条件：初应力水平si

/fc是影响徐变的主要的因素。当时应力si>0.8fc时，混凝土内部微裂缝的发展已处于不稳定的状态，徐变的发展将不收敛，最终导致混凝土的破坏。因此将0.8fc作为混凝土的长期抗压强度。3、混凝土在重复荷载作用下的变形性能－乏累其次章钢筋和混凝土的材料性能（1）重复荷载作用下的应力-应变曲线▲乏累破坏的特征：裂缝小而变形大其次章钢筋和混凝土的材料性能（2）混凝土乏累强度试验▲标准试件：150×150×300或150×150×450mm▲200万次▲荷载应力大小，是影响乏累强度大小的关键因素▲混凝土乏累强度fcffcf=gr

fc其次章钢筋和混凝土的材料性能2.1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。（收缩是混凝土在不受外力状况下由于体积变更而产生的变形。）4、混凝土的收缩▲物理方面：干燥失水。▲化学方面：混凝土的碳化（凝胶体中的Ca(OH)2CaCO3）。（2）引起收缩的缘由（1）收缩的概念其次章钢筋和混凝土的材料性能2.1混凝土▲当收缩受到约束（如支座、内部钢筋）时，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。（3）收缩对结构的影响图b)墙板干燥收缩裂缝与边框架的变形图a)钢筋混凝土构件的收缩裂缝其次章钢筋和混凝土的材料性能2.1混凝土▲早期发展快，两周可完成全部收缩的25%，一个月可完成50%；以后发展渐渐减慢，整个收缩过程可持续两年以上。一般状况下，最终收缩应变值约为(2~5)×10-4混凝土开裂应变为(0.5~2.7)×10-4（4）收缩与时间的关系ch其次章钢筋和混凝土的材料性能2.1混凝土▲水泥的强度等级高、用量多、水灰比大，收缩就大；▲骨料弹性模量高、级配好，收缩就小；▲养护时的湿度大、温度高，收缩就小；▲运用时的湿度大、温度高，收缩就小；▲构件体表比大，收缩就小；▲混凝土越密实，收缩越小；

（5）影响收缩的因素其次章钢筋和混凝土的材料性能2.1混凝土（6）膨胀的概念混凝土在水中硬化时体积会增大，这种现象称为混凝土的膨胀。但混凝土的膨胀值一般较小，对结构的影响也较小，所以常常不予考虑。（7）膨胀对结构的影响其次章钢筋和混凝土的材料性能2.2钢筋2.2钢筋一、钢筋的种类1、钢筋的化学成分：力学性能主要取决于化学成分。铁元素：主要成分。碳元素：含碳量增加，强度提高，但塑性和可焊性降低。低碳钢（<0.25%)、中碳钢（0.25~0.6%)、高碳钢（0.6~1.4%)。锰、硅元素：可提高强度，保持确定塑性。磷、硫元素：使塑性降低、焊接性能降低、冷脆（磷）或热脆（硫）。其次章钢筋和混凝土的材料性能2.2钢筋2钢筋的品种

热轧钢筋、钢绞线、高强钢丝、热处理钢筋和冷加工钢筋。热轧钢筋其次章钢筋和混凝土的材料性能2.2钢筋预应力钢筋其次章钢筋和混凝土的材料性能（1）热轧钢筋：HotRolledSteelReinforcingBar建规：

HPB300级、HRB335级、HRB400级、RRB400级桥规：R235级、HRB335级、HRB400级、KL400级2.2钢筋HPB235HotrolledPlainBarHRBHotrolledBarRRBRemainingRibbedBarRibbed屈服强度标准值fyk、fsk其次章钢筋和混凝土的材料性能2.2钢筋HRB335级(Ⅱ级)和

HRB400级(Ⅲ级)钢筋强度较高，多作为钢筋混凝土构件的受力钢筋；尺寸较大的构件，也有用Ⅱ级钢筋作箍筋。

HRB400级为主力钢筋。HPB300（R235）级(Ⅰ级)钢筋为光面钢筋，多作为现浇楼板的受力钢筋和箍筋。其次章钢筋和混凝土的材料性能屈服强度标准值钢筋屈服标准值=钢材废品限值，保证率97.73%（95%）普通钢筋强度标准值(N/mm2)其次章钢筋和混凝土的材料性能2.2钢筋（3）热处理钢筋：是将Ⅳ级钢筋通过加热、淬火和回火等调质工艺处理，使强度得到较大幅度的提高，而延长率降低不多。用于预应力混凝土结构。（4）冷加工钢筋：是由热轧钢筋和盘条经冷拉、冷拔、冷轧、冷扭加工后而成。冷加工的目的是为了提高钢筋的强度，节约钢材。但经冷加工后，钢筋的延长率降低。（2）钢绞线、钢丝：高强钢丝、钢绞线的强度为1570~1860MPa；延长率10=6%，100=3.5~4%；钢丝的直径4~9mm；外形有光面、刻痕和螺旋肋三种。高强钢绞线、钢丝为预应力主力钢筋。其次章钢筋和混凝土的材料性能2.2钢筋预应力钢筋强度标准值（N/mm2）建工“热处理钢筋”项，道桥为“精轧螺纹钢丝”其次章钢筋和混凝土的材料性能2.2钢筋3、钢筋的冷加工－－冷拉和冷拔（1）冷拉的概念冷拉是将钢筋拉至超过屈服强度的某一应力，然后卸载为零，再次拉伸时钢筋的屈服强度得到提高，是一种提高钢筋受拉屈服强度的方法。se未冷拉的屈服强度冷拉后的屈服强度ab冷拉经时效后的屈服强度c时效--常温：20天1000:2小时（2）冷拉的目的提高钢筋的抗拉强度，节约钢筋。（3）说明冷拉只能提高钢筋的抗拉强度，不能提高钢筋的抗压强度。其次章钢筋和混凝土的材料性能（4）冷拔的概念概念：用强力将钢筋拔过比它自身直径还小的硬质合金拔模，是一种提高钢筋强度的方法。作用：可大大提高抗拉、抗压强度。但塑性降低很多。其次章钢筋和混凝土的材料性能2.2钢筋a

——比例极限b——屈服上限屈服下限，即屈服强度

fyoa

——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

——极限应变二、钢筋的强度与变形1、

有明显屈服点钢筋的应力-应变关系其次章钢筋和混凝土的材料性能2.2钢筋屈服强度：是钢筋设计强度取值的依据，一般取屈服下限作为屈服强度。

这是因为钢筋屈服后将产生很大的塑性变形，而且屈服上限与加载速度有关，不稳定。2、几个指标极限强度：强屈比：极限强度与屈服强之比。反映了钢筋的强度储备。其次章钢筋和混凝土的材料性能2.2钢筋伸长率：钢筋拉断时的应变。伸长率越大，钢筋的塑性和变形能力越好。伸长率要求：d5≥25%(Ⅰ级)、16%(Ⅱ级)、14%(Ⅲ级)

、10%(Ⅳ级)。其次章钢筋和混凝土的材料性能2.2钢筋冷弯：弯芯直径越小，弯转度越大，冷弯性能越好，即塑性越好。D其次章钢筋和混凝土的材料性能2.2钢筋3、有明显屈服点钢筋应力-应变关系的数学模型（1）双直线的志向弹塑性模型－－即《规范》模型1Es0.01（2）同时理解建工的三折线模型其次章钢筋和混凝土的材料性能2.2钢筋钢筋的弹性模量Es(N/mm2)种

类EsHPB300(R235)级钢筋2.1×105HRB335级钢筋、HRB400级钢筋、RRB400(KL400)级钢筋、热处理钢筋2.0×105消除应力钢丝（光面钢丝、螺旋肋钢丝、刻痕钢丝）2.05×105钢绞线1.95×105其次章钢筋和混凝土的材料性能2.2钢筋4、无明显屈服点钢筋的应力-应变关系a点：比例极限，约为0.65fu；a点前：为线弹性关系;a点后：为非线性关系;没有明显的屈服点;强度设计指标——条件屈服点;即残余应变为0.2%所对应的应力；《规范》取s0.2=0.85fu曲线的数学模型：

见建工的双斜线模型其次章钢筋和混凝土的材料性能三、钢筋的蠕变、松弛和乏累蠕变：钢筋在高应力作用下，其应变随时间而增加的现象。松弛：钢筋受力后，长度不变，则其应力随时间增长而降低的现象。其次章钢筋和混凝土的材料性能3、乏累：（1）乏累破坏的概念：钢筋在重复、周期动荷载作用下，经过确定次数后，从塑性破坏的性质转变成脆性突然断裂的现象。（2）钢筋的乏累应力幅限值fyf：依据乏累应力比值sf，其中fyf=s,maxf-s,minffs=s,minf/s,maxf（4）需验算钢筋乏累的构件：（3）影响钢筋乏累的因素：钢筋的乏累应力幅、钢筋的乏累应力比值、钢筋的最大应力值、钢筋外表面的几何形态、钢筋直径、钢筋等级和试验方法等。吊车梁、桥梁面板等承受重复荷载的钢筋混凝土的构件。其次章钢筋和混凝土的材料性能四、混凝土结构对钢筋性能的要求1屈服强度2极限强度3伸长率4冷弯性能5焊接性能6耐火性能7粘结性能变形指标强度指标检验钢筋性能的四大指标9003dHRB40018003dHRB33518001dHPB300冷弯角度冷弯直径D级别参数Dd其次章钢筋和混凝土的材料性能其次章材料的力学性能2.3钢筋与混凝土的粘结无粘结梁受荷前ss=0无粘结梁受荷后相对滑移受力性能同素混凝土梁2.3钢筋与混凝土的粘结一、粘结的概念其次章材料的力学性能2.3钢筋与混凝土的粘结端部有锚固无粘结梁受荷前ss=常数端部有锚固无粘结梁受荷后其次章材料的力学性能2.3钢筋与混凝土的粘结有粘结梁受荷前sssst+dssssss+dss

dx

有粘结梁受荷后dx通过粘结可实现钢筋与混凝土之间的应力传递，保证两种材料结合在一起共同工作。其次章材料的力学性能2.3钢筋与混凝土的粘结三、两类粘结1、锚固粘结二、粘结的作用梁柱节点钢筋搭接

fyttfy钢筋截断悬臂梁la柱脚2、局部粘结NNt裂缝间粘结应力其次章材料的力学性能2.3钢筋与混凝土的粘结1粘结力的组成⑴混凝土中水泥胶体与钢筋表面的化学胶结力；⑵混凝土因收缩将钢筋握紧而产生的钢筋与混凝土间的摩擦力；⑶由于钢筋表面凹凸不平而产生的机械咬合力。其次章材料的力学性能2.3钢筋与混凝土的粘结四、粘结的机理▲然后主要由摩擦力发挥作用。▲当摩擦力不能阻挡两者间的相对滑动时：对于光面钢筋，粘结就遭到破坏；对于带肋钢筋，其后主要由机械咬合力发挥作用，最终机械咬合力不能阻挡两者间的相对滑动时，粘结遭到破坏。其次章材料的力学性能2.3钢筋与混凝土的粘结▲首先胶结力发挥作用。当钢筋与混凝土产生相对滑动后，胶结作用即丢失。光面钢筋与混凝土的粘结强度较低，通常需在钢筋端部增设弯钩。其次章材料的力学性能2.3钢筋与混凝土的粘结2光面钢筋的粘结手工弯钩机械弯钩（1）

肋的作用：可显著增加钢筋与混凝土的机械咬合作用，从而大大增加了粘结强度。（2）

肋的形式：人字纹、月牙纹和螺纹。其次章材料的力学性能2.3钢筋与混凝土的粘结3带肋钢筋的粘结（2）水平分力使钢筋四周的混凝土轴向受拉、受剪，并使混凝土产生内部斜向锥形裂缝。其次章材料的力学性能2.3钢筋与混凝土的粘结4带肋钢筋与砼间机械咬合作用的受力机理斜向挤压力径向分力水平分力（1）变形钢筋受力后，其凸出的肋对混凝土产生斜向挤压力。径向分力使砼中产生环向拉力，并使其产生内部径向裂缝。（3）径向裂缝发展到构件表面，产生劈裂裂缝，机械咬合作用很快丢失，产生劈裂式粘结破坏。其次章材料的力学性能2.3钢筋与混凝土的粘结其次章材料的力学性能2.3钢筋与混凝土的粘结（4）若肋前部的混凝土在水平分力和剪力作用下被挤碎，发生沿肋外径圆柱面的剪切破坏，即形成“刮梨式”粘结破坏。（钢筋四周的横向钢筋较多或混凝土的疼惜层厚度较大时发生）。（5）

“刮梨式”粘结破坏是变形钢筋与混凝土粘结强度的上限。五、粘结强度1拔出试验其次章材料的力学性能2.3钢筋与混凝土的粘结钢筋屈服时未被拔出的最小埋长称受拉钢筋的基本锚固长度。（1）锚固长度拔出试验（2）粘结强度拔出试验粘结强度tu

：粘结破坏（钢筋拔出或混凝土劈裂）时的最大平均粘结应力其次章材料的力学性能2.3钢筋与混凝土的粘结2影响粘结强度的主要因素

（1）混凝土强度：混凝土强度等级高、粘结强度大；且与ft成正比。（2）钢筋的外形特征:变形钢筋的粘结强度大于光面钢筋的粘结强度。（3）疼惜层厚度和钢筋净间距：相对疼惜层厚度c/d越大，粘结强度越高。钢筋净距s与钢筋直径d的比值s/d越大，粘结强度也越高。其次章材料的力学性能2.3钢筋与混凝土的粘结其次章材料的力学性能2.3钢筋与混凝土的粘结（4）

横向配筋：限制了径向裂缝的发展，使粘结强度得到提高。▲

存在侧压力可提高粘结强度；

▲

受反复荷载作用的钢筋，肋前后的混凝土均会被挤碎，导致咬合作用降低。（5）受力状况1、保证粘结的构造措施其次章材料的力学性能2.4钢筋的锚固与搭接2.4一般构造规定（1）规定钢筋最小的搭接长度和锚固长度。（2）规定钢筋的最小间距和混凝土疼惜层最小厚度。（3）对纵筋搭接范围内的箍筋加密进行了规定。（4）对钢筋端部的弯钩设置进行了规定。2、基本锚固长度的计算公式

其次章材料的力学性能锚固钢筋的外形系数a

见GB50010表9.3.12.4一般构造规定桥规干脆依据混凝土强度等级和钢筋级别确定钢筋的最小锚固长度。其次章材料的力学性能3钢筋的连接（1）钢筋连接的类型