混凝土结构材料的物理力学性能四

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法向应力和和剪应力组组合的破坏坏曲线A—轴心受拉；；B—纯剪；C—剪压；D—轴心受压2三向受压状状态三向受压下下混凝土圆圆柱体的轴轴向应力应变曲线线可以由周周围用液体体压力加以以约束的圆圆柱体进行行加压试验验得到，在在加压过程程中保持液液压为常值值，逐渐增增加轴向压压力直至破破坏，并量量测其轴向向应变的变变化。图2-8混凝土圆柱柱体三向受受压试验时时轴向应力力-应变曲线2.1.3混凝土的变变形混凝土在一一次短期加加载、长期期加载和多多次重复荷荷载作用下下都会产生生变形，这这类变形称称为受力变形。另外，混混凝土的收收缩以及温温度和湿度度变化也会会产生变形形，这类变变形称为体积变形。混凝土的的变形是其其重要物理理力学性能能之一。1一次短期加加载下混凝凝土的变形形性能(1)混凝土受压压时的应力力-应变关系图2-9混凝土棱柱柱体受压应应力-应变曲线图2-10不同强度的的混凝土的的应力-应变曲线比比较混凝土应力力-应变曲线的的形状和特特征是混凝凝土内部结结构发生变变化的力学学标志。随着混凝土土强度的提提高，尽管管上升段和和峰值应变变的变化不不很显著，，但是下降降段的形状状有较大的的差异，混混凝土强度度越高，下下降段的坡坡度越陡，，即应力下下降相同幅幅度时变形形越小，延延性越差。。(2)混凝土单轴轴向受压应应力-应变本构关系系曲线1)美国E.Hognestad建议的模型图2-11Hognestad建议的应力-应变曲线上升段：下降段：图2-12Rüsch建议的应力-应变曲线2)德国Rüsch建议的模型(3)混凝土轴向受受拉时的应力力-应变关系图2-13不同强度的混混凝土拉伸应应力-应变全曲线(4)混凝土的变形形模量图2-14混凝土变形模模量的表示方方法1)混凝土的弹性性模量（即原原点模量）2)混凝土的变形形模量3)混凝土的切线线模量可以看出，混混凝土的切线线模量是一个个变值，它随随着混凝土应应力的增大而而减小。需要注意的是是，混凝土不不是弹性材料料，所以不能能用已知的混混凝土应变乘乘以规范中所所给的弹性模模量值去求混混凝土的应力力。只有当混混凝土应力很很低时，它的的弹性模量与与变形模量值值才近似相等等。混凝土的的弹性模量可可按下式计算算：2荷载长期作用用下混凝土的的变形性能图2-15混凝土的徐变变(应变与时间的的关系曲线)图2-16压应力与徐变变的关系图2-17不同应力/强度比值的徐徐变时间曲线线3混凝土的收缩缩与膨胀图2-18混凝土的收缩缩影响混凝土收收缩的因素有有：(1)水泥的品种：水泥强度等等级越高制成成的混凝土收收缩越大。(2)水泥的用量：水泥越多，，收缩越大；；水灰比越大大，收缩也越越大。(3)骨料的性质：骨料的弹性性模量大，收收缩小。(4)养护条件：在结硬过程程中周围温、、湿度越大，，收缩越小。。(5)混凝土制作方方法：混凝土越密密实，收缩越越小。(6)使用环境：使用环境境温度、湿度度大时，收缩缩小。(7)构件的体积与与表面积比值值：比值大时，，收缩小。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钢筋的物理力力学性能2.2.1钢筋的种类混凝土结构中中采用的钢筋筋有柔性钢筋和劲性钢筋两种。1柔性钢筋图2-20钢筋的外形（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-应变曲线有明明显的屈服点点和流幅，断断裂时有颈缩缩现象，伸长长率比较大。。1强度等级和牌牌号国产普通钢筋筋按其屈服强强度标准值的的高低，分为为4个强度等级：：300MPa、335MPa、400MPa和500MPa。2工程应用《混凝土结构设设计规范》提出了推广高高强度、高性性能钢筋HRB400和HRB500的要求。因此此，本教材的的例题中，对对梁、柱的纵纵向受力钢筋筋将主要采用用这两种钢筋筋，特别是HRB400。箍筋宜采用HRB400、HRBF400、HRB335和HPB300。光圆钢筋HPB300虽然也可用作作纵向受力钢钢筋，因其强强度较低，故故主要用作箍箍筋。当HRB500和HRBF500用作箍筋时，，只能用于约约束混凝土的的间接钢筋，，即螺旋箍筋筋或焊接环筋筋，见5.2.2节。细晶粒系列HRBF钢筋、HRB500和热处理钢筋筋RRB400都不能用作承承受疲劳作用用的钢筋，这这时宜采用HRB400钢筋。工地上常把上上述4个强度等级的的钢筋俗称为为Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级和Ⅳ级钢筋，但在在施工图和正正式文件中，，都不应采用用此俗称。2.2.3钢筋的强度与与变形图2-21有明显流幅的的钢筋的应力力-应变曲线有明显流幅的的热轧钢筋屈屈服强度是按按屈服下限确确定的。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间会由于疲劳劳发生破坏。。钢筋疲劳断裂裂的原因，一一般认为是由由于钢筋内部部和外部的缺缺陷，在这些些薄弱处容易易引起应力集集中。应力过过高，钢材晶晶粒滑移，产产生疲劳裂纹纹，应力重复复作用次数增增加，裂纹扩扩展，从而造造成断裂。因因此钢筋的疲劳强强度低于其在在静荷载作用用下的极限强强度。原状钢筋的的疲劳强度最最低。埋置在在混凝土中的的钢筋的疲劳劳断裂通常发发生在纯弯段段内裂缝截面面附近，疲劳劳强度稍高。。钢筋的疲劳试试验有两种方方法：一种是是直接进行单单根原状钢筋筋轴拉试验；；另一种是将将钢筋埋入混混凝土中使其其重复受拉或或受弯的试验验。由于影响响钢筋疲劳强强度的因素很很多，钢筋疲疲劳强度试验验结果是很分分散的。我国国采用直接做做单根钢筋轴轴拉试验的方方法。2.2.6混凝土结构对对钢筋性能的的要求钢筋的强度钢筋的延性钢筋的可焊性性机械连接性能能施工适应性钢筋与混凝土土的粘结力2.3混凝土与钢筋筋的粘结2.3.1粘结的意义混凝土与钢筋筋的粘结是指指钢筋与周围围混凝土之间间的相互作用用，包括沿钢钢筋长度的粘粘结和钢筋端端部的锚固两两种情况。图2-24钢筋和混凝土土之间粘结应应力示意图(a)锚固粘结应力力；(b)裂缝间的局部部粘结应力2.3.2粘结力的组成成光圆钢筋与混混凝土的粘结结作用主要由由以下三部分分组成：(1)钢筋与混凝土土接触面上的的胶结力。这种胶结力力来自水泥浆体对钢筋表表面氧化层的的渗透以及水水化过程中水水泥晶体的生生长和硬化。。这种胶结力力一般很小，，仅在受力阶阶段的局部无无滑移区域起起作用，当接接触面发生相相对滑移时即即消失。(2)混凝土收缩握握裹钢筋而产产生摩阻力。混凝土凝固固时收缩，对对钢筋产生垂垂直于摩擦面面的压应力。。这种压应力力越大，接触触面的粗糙程程度越大，摩摩阻力就越大大。(3)钢筋表面凹凸不平平与混凝土之间产产生的机械咬合力。对于光圆钢筋这这种咬合力来自表表面的粗糙不平。。带肋钢筋的横肋对对混凝土的挤压如如同一个楔，会产产生很大的机械咬咬合力。带肋钢筋与混凝土之间间的这种机械咬合合作用，改变了钢钢筋与混凝土间相相互作用的方式，，显著提高了粘结结强度。图2-25给出了带肋钢筋对周围混凝土土的斜向挤压力从从而使得周围混凝凝土产生内裂缝的的示意图。图2-25带肋钢筋周围混凝凝土的内裂缝光圆钢筋的粘结机机理与带肋钢筋的主要差别是是，光圆钢筋的粘粘结力主要来自胶胶结力和摩阻力，，而带肋钢筋的粘结力主要要来自机械咬合作作用。2.3.3粘结应力-滑移关系图2-26τ-s曲线(a)光圆钢筋的τ-s曲线；(b)带肋钢筋的τ-s曲线2.3.4钢筋的锚固1基本锚固长度lab《混凝土结构设计规规范》GB50010—2010规定的受拉钢筋锚锚固长度lab为钢筋的基本锚固长度。图2-27钢筋的受拉锚固长长度计算简图2受拉钢筋的锚固（1）受拉钢筋的锚固固长度实际结构