混凝土结构材料的性能

第1章

混凝土结构材料的性能PhysicalandMechanicalPropertiesofMaterialsforReinforcedConcreteStructure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。

§1.1钢筋§1.2混凝土§1.3钢筋混凝土的相互作用——粘结力§1.1钢筋

<SteelReinforcement>

1.1.1钢筋的品种与性能1.1.2混凝土结构对钢筋性能的要求1.1.3钢筋的选用原则1.1.1钢筋的品种与性能按化学成份不同分为强度提高塑性提高碳素钢低碳钢（含C量<0.25%)中碳钢（含C量0.25~0.6%)高碳钢（含C量>0.6%)普通合金钢

（在碳素钢中加入少量合金元素如Mn、Si、Vi、Ti、Cr等以改善性能）按生产加工工艺不同分为：热轧钢筋中高强钢丝和钢绞线预应力螺纹钢筋冷加工钢筋1、热轧钢筋（HotRolledSteelReinforcingBar）定义：将普通低碳钢、普通低合金钢在高温状态下轧制而成。热轧钢筋按外形特征不同分为光圆钢筋变形钢筋光圆钢筋螺纹钢筋月牙纹钢筋人字纹钢筋种类：新规为节材，减耗，减少污染，将建筑用钢强度提高。淘汰HPB235级代以HPB300级钢筋；增加了HRB500级；限制HRB335级，以HRB400级、HRB500级为受力的主导钢筋。HPB

—热轧光面钢筋（HotRolledPlainSteelBar），桥梁规范用R表示；HRB

—热轧带肋钢筋（HotRolledRibbedSteelBar）；RRB—余热处理钢筋（RemainedheattreatmentRibbedSteelBar），桥梁规范用KL表示。HRBF

—细晶粒热轧带肋钢筋屈服强度

fyk

（标准值=钢材废品限值，保证率97.73%）HPB300级：fyk=300N/mm2HRB400级：fyk=400N/mm2，RRB400级：fyk=400N/mm2HRB500级：fyk=500N/mm2热轧钢筋种类和强度标准值（新规）牌号符号公称直径d(mm)屈服强度标准值fyk(N/mm2)极限强度标准值fstk(N/mm2)HPB3006~22300420HRB335HRBF3356~50335455HRB400HRBF400RRB4006~50400540HRB500HRBF5006~50500630常用直径：6，8，10，12，14，16，18，20，22，25，28，32，36，40，50力学性能1）应力应变曲曲线特征2）塑性性能3）钢筋强度及及弹性模量1）应力应变曲曲线特征：热轧低碳钢筋筋和普通热轧轧低合金钢为为软钢。有明显屈服点点。sea’abcdefufyf热轧钢筋的应力-应变曲线一般可简化为双双线性的理想想弹塑性关系系（有时采用用双折线或三三折线型）3002）塑性性能（plasticdeformation)：伸长率冷弯性能钢筋均匀伸长率：延伸率大的钢钢筋，在拉断断前有足够预预兆，延性较较好。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变+=钢筋品种普通钢筋预应力钢筋HPB300HRB335、HRBF335、HRB400、HRBF400、HRB500、HRBF500RRB400δgt(%)10.07.55.03.5钢筋在最大力力下的总伸长长率限值:::只反映断口附近残留留变形大小，不反映映钢筋总伸长长率情况。同同一根钢筋以往采用下述述伸长率冷弯性能：是检验钢筋局局部变形能力力的指标。将将直径为d的钢筋绕直径径为D的钢辊，弯成一定的的角度而不发发生断裂，就就表示合格。。现增加反弯测测试。冷弯角度=90°,180°,反复弯曲要求：冷弯过过程中无裂缝缝、鳞落或断裂。弯心直径D愈小，要求愈愈高。反复次数愈高高，要求愈高高。3）钢筋强度及及弹性模量屈服强度yieldstrength：是钢筋强度的的设计依据，因为钢筋屈屈服后将产生生很大的塑性性变形，且卸卸载时这部分分变形不可恢恢复，这会使使钢筋混凝土土构件产生很很大的变形和和不可闭合的的裂缝。屈强比不宜过大。比例极限屈服强度极限强度o

fyfted流幅abc弹性模量：是材料单向向受力且应力力应变呈线性性关系时，正正应力与正应应变的比值。。牌号或种类弹性模量Es（105N/mm2）HPB3002.10HRB335、HRB400、HRB500、HRBF335、HRBF400、HRBF500、RRB400、预应力螺纹钢筋2.00消除应力钢丝、中强度预应力钢丝2.05钢绞线1.95钢筋的弹性模模量2、中、高强钢丝丝和钢绞线钢丝是由热轧轧钢筋经冷拔拔而成。钢丝的直径4~10mm；钢绞线可由2股、3股、7股钢丝铰成，，直径不超过过21.6mm，均可盘成卷卷状。强度高达800MPa至1960MPa。无明显屈服点点，伸长率低。““条件屈服点””均用于预应力力混凝土结构构。中强度预应力力钢丝钢绞线大直径、高强强度钢筋，直直径18-50mm，用于预应力力混凝土结构构构件。3、预应力螺纹纹钢筋预应力螺纹钢钢筋中强度钢丝、、预应力螺纹纹钢筋种类和和强度标准值值种类符号公称直径d(mm)屈服强度标准值fpyk极限强度标准值fptk中强度预应力钢丝光面螺旋肋5、7、96208007809709801270预应力螺纹钢筋螺纹18、25、32、40、50785980930108010801230种类符号公称直径d(mm)极限强度标准值fptk消除应力钢丝光面螺旋肋51570,18607157091470,1570钢绞线1×3（三股）8.6、10.8、12.91570,1860,19609.5、12.7、15.2、17.81720,1860,19601×7（七股）21.61860消除应力钢丝丝、钢绞线种种类和强度标标准值4、冷加工钢筋筋冷加工种类冷拉、冷拔、、冷轧、冷轧轧扭。冷加工目的改变钢材内部部结构，提高强度，节约钢材。。但延伸率显著降降低，塑性减小。（1）冷拉：冷拉时应力值值必须超过钢钢筋的屈服强强度。o冷拉控制应力力(N/mm2)冷拉率残余变形o'abcc'd'd冷拉无时效冷拉经时效冷拉后可提高高钢材的抗拉拉强度，但其其屈服台阶变变短。冷拉只能提高高其抗拉强度度不能提高其其抗压强度。。“时效硬化。。”（2）冷拔将钢筋用强力力拔过比其直直径小的硬质质合金拔丝模模，内部结构构发生变化，，强度大大提提高，但塑性性也显著降低低。冷拔可同时提提高其抗拉强强度和抗压强强度。d1

d2

Pd2

d1

（3）冷轧以低碳钢筋或或低合金钢筋筋为原材料，，在常温下轧制成的表面面带纵肋或月月牙纹横肋的的钢筋。强度与冷拔低低碳丝接近，，塑性要好一一些。冷轧带肋钢筋筋将逐步取代代冷拔低碳钢钢丝。1.1.2混凝土结构对对钢筋性能的的要求强度塑性可焊性粘结力耐低温性能1.1.3钢筋的选用原原则普通钢筋纵向受力普通通钢筋宜用HRB400、HRB500、HRBF400、HRBF500，也可用HPB300、HRB335、HRBF335、RRB400钢筋；梁、柱纵向受受力普通钢筋筋应采用HRB400、HRB500、HRBF400、HRBF500钢筋；箍筋宜用HRB400、HRBF400、HPB300、HRB500、HRBF500钢筋，可用HRB335、HRBF335钢筋；预应力筋宜用预应力钢丝、、钢绞线和预预应力螺纹钢钢筋。§1.2混凝土混凝土是用水泥、水和和骨料（砂、、石）等原材材料经搅拌后后入模浇筑，，并经养护硬硬化后做成的的人工石材。骨料与胶块的的接触面以及及胶块内部会会形成微裂缝，是薄弱环节节。§1.2.1混凝土的强度度§1.2.2混凝土的变形形§1.2.3混凝土的选用用原则§1.2.1混凝土的强度度混凝土的强度度影响因素与水泥强度、、水灰比、骨骨料品种、混混凝土配合比比、硬化条件件和龄期等有有很大关系。。试件的尺寸及及形状、试验验方法和加载载时间的不同同，所测得的的强度也不同同。1、混凝土的抗抗压强度2、混凝土的抗抗拉强度3、混凝土在复复合应力作用用下的强度1、混凝土的抗抗压强度（1）立方体抗压压强度fcu,k（N/mm2或MPa）：是混凝土各种种力学指标的的基本代表值值。该强度试试验要求：标准尺寸：150mm××150mm×150mm养护条件：20℃±3℃，湿度≥90%；28d加荷方法：加荷速度，C30以下0.3～0.5MPa/s；C30~C60，0.5～0.8MPa/s；C60及以上，0.8～1.0MPa/s。且垫板不涂涂油或垫橡胶胶板。强度保证率：：95%，f=-1.645影响因素试件尺寸(尺寸效应)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：1.32试验方法：试块与承压板之间间涂有油脂或填以以塑料薄片时强度度偏低。加载速度：加载越快，强度越越高龄期、湿度混凝土受压破坏是是由于混凝土内裂裂缝的扩展所致。。如果对混凝土的的横向变形加以约约束，限制裂缝的的开展，可以提高高混凝土的纵向抗抗压强度。混凝土强度等级（按立方体抗压强度度划分）混凝土强度从C20~C80共分为14个等级，中间以5MPa进级。C50以下为普通强度混混凝土，C50及以上为高强度混混凝土立方体和圆柱体抗抗压试验都不能代代表混凝土在实际际构件中的受力状状态，只是用来在在同一标准条件下下比较混凝土强度度水平和品质的标标准（制作、测试试方便）。（2）轴心抗压强度fc,k（N/mm2或MPa）：更真实反映以受压压为主的混凝土结结构构件的抗压强强度。棱柱体试件高宽比比一般为h/b=2~4，我国通常取150mm×150mm×300mm的棱柱体试件，也也常用150mm×150mm×450mm试件。对于同一混凝土，，棱柱体抗压强度小小于立方体抗压强强度。棱柱体抗压强度度和立方体抗压强强度的换算关系为为：混凝土强度与试块混凝土强度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强度等级≤C40C45C50C55C60C65C70C75C80

c10.760.760.760.770.780.790.800.810.82

c21.000.9840.9680.9510.9350.9190.9030.8870.87c1和c2值国外（美国、日本本、欧洲混凝土协协会等）采用直径径6英寸(152mm)、高12英寸(305mm)的圆柱体试件，有有fc’=0.79fcu圆柱体抗压强度混凝土破坏机理受压破坏是由于薄薄弱截面处内裂缝缝的延伸开展，而而微裂缝的发展导导致横向变形的增增大。对横向变形形加以约束，可以以限制微裂缝的发发展，从而可提高高混凝土的抗压强强度。立方体试件受约束束范围大，而棱柱柱体试件中部未受受约束，因此fc小于fcu；局部受压面积以外外的混凝土对局部部受压区域内部部混凝土微裂缝产产生了较强的约约束。不涂润滑剂涂润滑剂>≈2、混凝土的抗拉强强度混凝土的抗拉强度度ft,k（N/mm2或MPa）也是其基本力学性性能。只有抗压强强度的5％～10％，fcu越大ft/fcu值越小。是构件抗裂度的重重要指标。混凝土土构件开裂、裂缝缝、变形，以及受受剪、受扭、受冲冲切等的承载力均均与抗拉强度有关关。试验方法：直接拉伸、劈裂裂试验（间接拉伸伸）ft,s＝2F/πld式中F——破坏荷载；d——圆柱直径或立方体体边长；l——圆柱体长度或立方方体边长。轴心抗拉强度与立立方体抗压强度的的折算系数试验离散性的影响响系数试验离散性系数混凝土轴心抗拉强强度与立方体抗压压强度的关系3、复合应力状态下下的混凝土强度双轴应力状态BiaxialStressState三轴应力状态TriaxialStressState由于混凝土的特点点，目前，在复合合应力状态下的强强度仍只是借助有有限的试验资料，，推荐一些近似方方法作为计算的依依据。（1）双向正应力作用用1,2(压－压)强度增加1,2(拉－压)强度降低1,2(拉－拉)强度基本不变3)双向受拉：任意应力比情况况下双向抗拉强度度均接近于单向抗抗拉强度。2)一轴受压一轴受拉拉：抗压强度或抗拉拉强度均随另一方方向拉应力或压应应力的增加而减小小。任意应力比情情况下均低于相应应单轴强度。1)双向受压：一向的受压强度度随另一向的压应应力增加而增加。。最大受压强度发发生在两个压应力力之比为0.3~0.6之间，约为(1.25~1.60)fc。峰值应变均超过单单轴受压时的峰值值应变。（2）剪应力t和正应力s共同作用下拉-剪：抗拉、抗剪强度都都降低；压-剪：当时时，抗剪强度随随压应力提高而增增大；当时时，，内部裂缝增加，，抗剪强度随压应应力增大而降低。。抗压强度均低于于单轴抗压强度。。（3）三轴应力状态实际工程遇到较多多的螺旋箍筋柱和和钢管混凝土柱中中的混凝土为三向向受压状态。三向受压试验一般般采用圆柱体在等等侧压条件进行。。施加横向压力可可显著提高混凝土土的强度。三向受压时，强度度增加，最大增加加5倍。1.2.2混凝土的变形混凝土的变形可分分为两类：1、受力变形：如单调短期加载的的变形、荷载长期期作用下的变形以以及多次重复加载载的变形。2、非受力变形：称为体积变形，如如混凝土收缩以及及温度变化引起的的变形。1、混凝土的受力变变形（1）一次短期加荷载载下的变形（2）重复荷载作用下下的变形（3）荷载长期作用下下的变形（1）一次短期加荷载载下的变形02468102030s(MPa)e×10-3BACEDOA段：弹性阶段。对普通强度混凝凝土sA约为(0.3~0.4)fc，对高强混凝土sA可达(0.5~0.7)fc。AB段：稳定开裂阶段段。A点以后，由于微裂裂缝处的应力集中中，裂缝开始有所所延伸发展，产生生部分塑性变形，，应变增长开始加加快。但该阶段微微裂缝的发展是稳稳定的。BC段：不稳定裂缝阶阶段。达到B点，微裂缝相互连连通，在此应力的的长期作用下，裂裂缝会持续发展最最终导致破坏。取B点的应力作为混凝凝土的长期抗压强度。普通强度混凝土sB约为0.8fc，高强强度混凝土sB可达0.95fc以上。达到C点fc，内部微裂缝连通形形成破坏面，应变变增长速度明显加加快，C点的纵向应变值称称为峰值应变e0，约为0.002。CE段:下降段。纵向应变发展达到到D点，内部裂缝在试件件表面出现第一条可可见平行于受力方方向的纵向裂缝。承载力明显下降降，混凝土骨料与与砂浆的粘结不断断遭到破坏，裂缝缝连通形成斜向破破坏面。至E点的应变ecu=(2~3)e0，应力s=(0.4~0.6)fc。此时出现反弯点，，宏观上已破坏。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：↗，↘破坏时脆性越显著著，下降段越陡。。◆Hognestad建议的应应力-应变曲线线◆《规范》应力-应变关系系上升段：下降段：混凝土受受压时纵纵向应变变和横向向应变横向变形形系数：：νc=εch/εcu，当s<0.5fc时νc接近常数数，s>0.5fc时νc突然急剧剧增大，，说明内内部微裂裂缝的迅迅速发展展。弹性阶段段的νc也称为泊松比，近似取取0.2。纤维混凝凝土应力力-应变曲线线（2）重复荷荷载作用用下的变变形若将试件件加载至至某一数数值，然然后卸载载至零，，反复多多次，即即重复荷载载作用。每次循环环就有一一部分塑塑性变形形不能恢恢复，，并逐渐渐积累，，但每次次产生的的塑性变变形将随随次数增增加而减减少。存在一个个界限值值fcf，当循环应应力小于于它时，，多次循循环后，，曲线变变成直线线，此后后按弹性性工作；；若大于于它，曲曲线将由由凸向应应力转向向应变轴轴而趋近近于疲劳劳破坏。。该值即即疲劳强度度fatiguestrength。大约为0.5fc左右。割线模量。棱柱体试件。受压：受拉：Ec′=0.5Ec剪切模量：Gc=0.4Ec

泊松比=横向应变/纵向应变=0.2弹性模量量测定方方法（3）荷载长长期作用用下的变变形creep定义：混凝土在在荷载的的长期作用用下，其变变形随时时间而不不断增长长的现象象称为徐变，即应力不不变，应应变随时时间增长长的现象象。徐变原因因：水泥胶凝凝体粘性性流动的的结果内部微裂裂缝在长长期荷载载作用下下持续扩扩展和延延伸。特点：早期发展展快，但但可以延延续数年年。前4个月徐变变增长较较快，6个月可达达最终徐徐变的（（70~80）%，以后增增长逐渐渐缓慢，，2~3年后趋于于稳定。。徐变对结结构的影影响：使构件变变形增大大；在轴压构构件中，，使钢筋筋应力增增加，混混凝土应应力减小小；在预应力力构件中中，使预预应力发发生损失失；在超静定定结构中中，使内内力发生生重分布布。徐变的影影响因素素内在因素素：骨料的刚刚度（弹弹性模量量）越大大，体表表比越大大，徐变变就越小小；水灰灰比越小小，水泥泥用量越越少,徐变也越越小。环境影响响：养护的温温度越高高，水泥泥水化作作用越充充分，徐徐变就越越小；蒸蒸汽养护护可使徐徐变减少少；受荷荷后温度度越高，，相对湿湿度越小小，徐变变就越大大。应力条件件：初始应力力水平si/fc≤0.5时，徐变变系数j=ecr/eel=Ececr/si=常数，称称为线性徐变变；si=（0.5~0.8）fc时，徐变变系数j随si的增大而而增大，，称为非线性徐徐变；si>0.8fc时，内部部微裂缝缝的发展展已处于于不稳定定的状态态，最终终导致混混凝土的的破坏。。将0.8fc作为混凝凝土的长期抗压压强度。2、混凝土土的非受受力变形形（1）混凝土土的收缩缩与膨胀胀（2）混凝土土的温度度变形（1）混凝土土的收缩缩变形shrinkage定义：混凝土在在空气中中硬化时时体积会会缩小，，称混凝凝土的收收缩。是是非受力力变形。。收缩率：：3×10-4。收缩的原原因物理作用用：干燥燥失水化学作用用：碳化化作用特点：早期快，，可延续续1～2年。影响因素素水泥用量量多、水水灰比越越大，收收缩越大大骨料弹性性模量高高、级配配好，收收缩就小小干燥失水水及高温温环境，，收缩大大体表比大大，收缩缩小高强混凝凝土收缩缩大收缩对结结构的影影响变形受到到约束时时，混凝凝土中产产生拉应应力，甚甚至引起起混凝土土的开裂。钢筋限制制混凝土土的收缩缩，使混混凝土受受拉，钢钢筋受压压，若配配筋率高高会导致致开裂。使预应力力混凝土土构件产生预应应力损失失。对跨度影影响敏感感的结构构（如拱拱结构）），会产产生不利利内力减少收缩缩的措施施限制水泥泥用量；；减小水水灰比；；加强振振捣和养养护；构造钢筋筋数量加加强；设置变形形缝；掺膨胀剂剂。（2）混凝土土的温度度变形混凝土的的体积同同样有热热胀冷缩缩的性质质，当温温度变形形受到外外界的约约束而不不能自由由发生时时，将在在构件内内产生温度应力力。当应力造造成变形形差较大大时，将将会造成成表层混混凝土开开裂。如：大体体积混凝凝土表面面开裂§1.2.3混凝土的的选用原原则钢筋混凝凝土结构构中混凝土强强度等级级不应低低于C20。采用强度度等级400MPa及以上钢钢筋时，，不应低低于C25；承受重复复荷载的的钢筋混混凝土构构件，混混凝土强强度等级级不应低低于C30。预应力混混凝土结结构中混凝土强强度等级级不宜低低于C40，且不应应低于C30。§1.3钢筋混凝凝土的相相互作用用——粘结力1、粘结力力的定义钢筋和混混凝土有有相互滑滑移时，，在交界界面上产产生沿钢钢筋轴线线方向的的相互作作用力。。2、粘结力力的作用保证钢筋筋与混凝凝土共同受力力变形的的基本前前提。（无粘结结的钢筋筋混凝土土梁的受受力性能能与素混混凝土梁梁没有区区别。））ssscsc+dscss-dssssss-dsst粘结应力力使钢筋筋应力发发生变化化，也就就是说没没有粘结结应力就就不会有有钢筋应应力的增增量；反反之亦然然。因此此在粘结结应力传传递长度度之外的的截面上上，粘结结应力为为0，而钢筋筋应力与与混凝土土应力均均保持不不变。3、粘结应应力的影响因素素混凝土的的抗拉强强度越大，粘粘结强度度越高；；保护层厚厚度C与钢筋间间距越大，粘粘结强度度越高；横向钢筋筋可限制纵纵向裂缝缝的发展展，从而而提高粘粘结强度度。钢筋的外外观特征征钢筋端部部弯钩等等锚固措施施。4、粘结力力的组成成混凝土因因收缩将将钢筋握握紧而产产生的钢钢筋与混混凝土间间的摩擦力。混凝土中中水泥胶胶体与钢钢筋表面面的胶合力。。机械咬合合力（占一半半以上））钢筋端部部的锚固固力光面钢筋筋的粘结结性能来源于胶胶结和摩摩擦。由中心心拉拔试试验可知知，在加加荷初期期，胶结结力承担担了全部部拉拔力力，随着着拉力增增大，首首先在加加载端出出现滑移移线，此此时粘结结力主要要靠钢筋筋和混凝凝土之间间的摩擦擦力提供供。光面钢筋变形钢筋

由和钢筋强度可推算出锚固长度

变形钢筋筋的粘结结性能主要来源源