混凝土结构材料的物理力学性能

混凝土结构材料的物理力学性能第1页，共52页，2023年，2月20日，星期一

Fe

C

Si、Mn

S、P

合金元素2.1

钢筋2.1.1钢筋的品种和级别1）钢筋的成分

目录

2.12.22.3第2页，共52页，2023年，2月20日，星期一2）钢筋的品种

碳素钢

(C%)按化学成分

普通低合金钢<0.25%--低碳钢

0.25~0.6%--中碳钢

>0.6%(0.6~1.4%)--高碳钢目录

2.12.22.3第3页，共52页，2023年，2月20日，星期一软钢

有明显屈服台阶变形性能好

eg：热轧钢筋

硬钢

无明显屈服台阶

eg：高强钢丝、钢绞线、热处理钢筋、冷加工钢筋

按

s-e曲线

目录

2.12.22.3第4页，共52页，2023年，2月20日，星期一按钢筋的外形

光面钢筋eg：HPB300级变形钢筋（螺纹人字形月牙纹）；

钢绞线（7股）预应力螺纹钢筋（精轧螺纹钢筋）光面钢筋螺旋肋钢丝月牙纹钢筋目录

2.12.22.3第5页，共52页，2023年，2月20日，星期一1热轧钢筋---------低碳钢、普通低合金钢或细晶粒钢在高温状态下轧制而成

HPB300级（）、

HRB335级（）、HRBF335级（）、

HRB400级（）、

HRBF400级（）、RRB400级（）

HRB500级（）和HRBF500级（）2中强度预应力钢丝：抗拉强度为800~1270MPa，外形有光面（）和螺旋肋（）两种

3消除应力钢丝：抗拉强度为1470~1860MPa，外形也有光面（）和螺旋肋（）两种

4钢绞线（）：是由多根高强钢丝扭结而成，常用的有1×7（7股）和1×3（3股）等，抗拉强度为1570~1960MPa5预应力螺纹钢筋（）：按生产工艺目录

2.12.22.3第6页，共52页，2023年，2月20日，星期一细晶粒钢筋冷加工钢筋冶金行业近年来研制开发出细粒的金相组织，达到与添加合金元素相同的效果，强度和延性完全满足混凝土结构对钢筋性能的要求。细晶粒钢筋，这种钢筋不需要添加或只需添加很少的合金元素，通过控制轧钢的温度形成细晶。《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）未列入冷加工钢筋，工程应用时可按相关的冷加工钢筋技术标准执行目录

2.12.22.3第7页，共52页，2023年，2月20日，星期一2.1.2钢筋强度和变形钢筋的应力-应变曲线1）软钢拉伸时的典型应力-应变曲线目录

2.12.22.3第8页，共52页，2023年，2月20日，星期一四阶段：

cf---屈服阶段

df---强化阶段

de---颈缩阶段三变形：

d--断后伸长率(d

5或d

10,

d

100)

（d

只能反映钢筋残余变形的大小，忽略了钢筋的弹性变形，不能反映钢筋受力时的总体变形能力；人为误差大。）

dgt---均匀伸长率

ey----屈服应变0a—弹性阶段四阶段：

cf---屈服阶段

df---强化阶段

de---颈缩阶段目录

2.12.22.3第9页，共52页，2023年，2月20日，星期一

dgt的测定图2.4钢筋最大力下的总伸长率dgt既能反映钢筋的残余变形，又能反映钢筋的弹性变形，量测结果受原始标距L0的影响较小，也不产生人为误差。因此GB50010-2010采用dgt来统一评定钢筋的塑性性能。图2.5最大力下的总伸长率的量测方法

目录

2.12.22.3第10页，共52页，2023年，2月20日，星期一钢筋的强屈比（极限抗拉强度与屈服强度的比值）表示结构的可靠性潜力，在抗震结构中考虑到受拉钢筋可能进入强化阶段，要求强屈比不小于1.25。钢筋的强屈比目录

2.12.22.3二强度屈服强度---混凝土构件计算中钢筋设计强度的依据。极限抗拉强度--材料的实际破坏强度第11页，共52页，2023年，2月20日，星期一

2）硬钢拉伸s-e曲线

图2.3无明显屈服点钢筋的应力应变曲线

条件屈服强度：《规范》规定对无明显屈服点的钢筋，条件屈服强度取极限抗拉强度的0.85倍。目录

2.1

2.2

2.3第12页，共52页，2023年，2月20日，星期一3）钢筋受压s-e

曲线

软钢和硬钢受压s-e

曲线与其受拉时s-e曲线基本相同，不同之处在于：钢筋受压时由于试件发生明显的横向塑性变形，截面面积增大，不会发生材料破坏，难以得出明显的极限抗压强度。目录

2.1

2.2

2.3第13页，共52页，2023年，2月20日，星期一概念：钢筋的冷弯性能是将直径为d的钢筋绕直径为D的弯芯进行弯折（图2.6），在达到规定冷弯角度a时，钢筋不发生裂纹、断裂或起层现象。意义：冷弯性能也是评是钢筋塑性的指标，是检验钢筋韧性、内部质量和加工可适性的有效方法，弯芯的直径D越小，弯折角a越大，说明钢筋的塑性越好。钢筋的冷弯性能目录

2.12.22.3第14页，共52页，2023年，2月20日，星期一

软钢------屈服强度、极限抗拉强度、伸长率和冷弯性能四项。

硬钢-------极限抗拉强度、伸长率和冷弯性能三项。

对在混凝土结构中应用的热轧钢筋和预应筋的具体性能要求见有关国家标准，如《钢筋混凝土用钢》GB1499、《预应力混凝土用钢丝》GB/T5223等。检验指标目录

2.1

2.2

2.3第15页，共52页，2023年，2月20日，星期一概念：钢筋的疲劳是指钢筋在承受重复、周期性的动荷载作用下，经过一定次数后，从塑性破坏变成脆性突然断裂的破坏现象。eg吊车梁、桥面板、轨枕。钢筋的疲劳强度是指在某一规定的应力幅内，经受一定次数（我国规定为200万次）循环荷载后发生疲劳破坏的最大应力值。

2.1.3钢筋的疲劳目录

2.1

2.2

2.3第16页，共52页，2023年，2月20日，星期一由于钢筋内部和外表面的缺陷引起应力集中，钢筋中晶粒发生滑移，产生疲劳裂纹，最后断裂。疲劳应力幅、最小应力值的大小，钢筋外表面几何形状，钢筋直径，钢筋强度和试验方法等。我国《混凝土结构设计规范》规定了不同等级钢筋的疲劳应力幅度限值，并规定该值与截面同一纤维上钢筋最小应力与最大应力的比值有关，rf

称为疲劳应力比。对预应力钢筋，当rf

≥0.9时，可不进行疲劳强度验算。疲劳破坏的原因影响钢筋疲劳强度的因素目录

2.1

2.2

2.3第17页，共52页，2023年，2月20日，星期一2.1.4混凝土结构对钢筋性能的要求钢筋的强度----屈服强度及极限抗拉强度钢筋的塑性------伸长率和冷弯性能合格。GB50010-2010和相关的国家标准中对各种钢筋的伸长率（dgt

）和冷弯性能均有明确规定。钢筋的可焊性-----在一定的工艺条件下钢筋焊接后不产生裂纹及过大的变形，保证焊接后的接头性能良好。钢筋与混凝土的粘结力Back目录

2.1

2.22.3第18页，共52页，2023年，2月20日，星期一2.2混凝土2.2.1混凝土的组成结构水泥+水+砂（细骨料）+石材（粗骨料）+外加剂混凝土内微缝坏情况人工石材目录

2.1

2.2

2.3第19页，共52页，2023年，2月20日，星期一按标准方法制作的边长为150mm的立方体试件，在标准条件下养护，用标准试验方法测得的具有95%保证率的抗压强度值（以N/mm2计）称为混凝土的立方体抗压强度标准值。我国规范采用立方体抗压强度作为评定混凝土强度等级的标准。

标准试验方法：不涂润滑油，加载速度为：混凝土强度低于C30时，取0.3~0.5N/mm2/sec；混凝土强度不低于C30时，取0.5~0.8N/mm2/sec。

标准养护条件：温度20±3℃、相对湿度在90%以上的潮湿空气环境，规定的试验龄期为28d。2.2.2混凝土的强度

1.立方体抗压强度fcu

目录

2.1

2.2

2.3第20页，共52页，2023年，2月20日，星期一混凝土强度等级有14级：分别为C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75和C80。符号“C”代表混凝土，后面的数字表示混凝土的立方体抗压强度的标准值（以N/mm2计），例如C60表示混凝土立方体抗压强度标准值为60N/mm2。图2.8混凝土立方体试件破坏情况

涂润滑油无润滑油目录

2.1

2.22.3第21页，共52页，2023年，2月20日，星期一用混凝土棱柱体试件测得的抗压强度称为混凝土的轴心抗压强度，也称棱柱体抗压强度。h/b，测得的强度，但当h/b达到一定值后，这种影响就不明显了。试验表明，当h/b由12时，抗压强度降低很快；我国规范以150mm×150mm×300mm的棱柱体为混凝土轴心抗压强度试验的标准试件。2.轴心抗压强度fc

但当h/b由24时，其抗压强度变化不大。目录

2.1

2.2

2.3第22页，共52页，2023年，2月20日，星期一图2.10混凝土棱柱体抗压试验和试件破坏情况

图2.11混凝土轴心抗压强度与立方体抗压强度的关系

目录

2.1

2.2

2.3第23页，共52页，2023年，2月20日，星期一《混凝土结构设计规范》采用的混凝土轴心抗压强度标准值fck与立方体抗压强度标准值fcu,k之间的换算关系为：

ac1

—混凝土轴心抗压强度立方体抗压强度的比值，当混凝土强度等级不大于C50时，ac1

=0.76；当混凝土强度等级为C80时，ac1=0.82；当混凝土强度等级为中间值时，按线性变化插值；ac2

—混凝土的脆性系数，当混凝土强度等级不大于C40时，ac2

=1.0；当混凝土强度等级为C80时，ac2=0.87；当混凝土强度等级为中间值时，按线性变化插值；

0.88—考虑结构中的混凝土强度与立方体试件混凝土强度差异等因素的修正系数。

目录

2.1

2.2

2.3第24页，共52页，2023年，2月20日，星期一轴心抗拉强度ft

直接拉伸试验

劈拉强度ft，s

ft<<fc，ft/fc=1/10~1/20，fcu,ft/fc3.混凝土的抗拉强度目录

2.1

2.22.3第25页，共52页，2023年，2月20日，星期一我国规范采用轴心抗拉强度ft作为混凝土抗拉强度的代表值。据试验结果，《规范》采用的ftk与fcu,k间的换算关系为：

目录

2.1

2.2

2.3第26页，共52页，2023年，2月20日，星期一

（图中第三象限），一向的抗压强度随另一向压应力的增大（图中第一象限），一个方向的抗拉强度受另一方向拉应力的影响不明显，其抗拉强度接近于单向抗拉强度。（图中第二、四象限），抗压强度随拉应力的增大而降低，同样抗拉强度也随压应力的增大而降低，其抗压或抗拉强度均不超过相应的单轴强度。双向受压时双向受拉时一向受拉另一向受压时4.混凝土在复合应力作用下的强度（1）混凝土的双向受力强度图2.14混凝土双向应力强度而增大目录

2.1

2.22.3第27页，共52页，2023年，2月20日，星期一

可以看出混凝土的抗剪强度随拉应力的增大当压应力小于0.6fc

时，当压应力大于0.6fc时，由于剪应力的存在，其抗压强度和抗拉强度均低于相应的单轴强度。

图2.15混凝土在正应力和剪应力共同作用下的强度曲线（2）混凝土在正应力和剪应力共同作用下的强度抗剪强度随压应力的增大抗剪强度随压应力的增大而减小；而增大；而减小。目录

2.1

2.22.3第28页，共52页，2023年，2月20日，星期一

（3）混凝土的三向受压强度

混凝土三向受压时，一向抗压强度随另两向压应力的增加而增大，并且混凝土受压的极限变形也大大增加。由试验结果得到的经验公式为：

—在等侧向压应力s2作用下混凝土圆柱体抗压强度；

—无侧向压应力时混凝土圆柱体抗压强度。

k

—为侧向压应力系数，根据试验结果取k

=4.5~7.0，平均值为5.6，当侧向压应力较低时得到的系数值较高。目录

2.1

2.2

2.3第29页，共52页，2023年，2月20日，星期一

受力变形荷载长期作用下的变形多次重复荷载作用下的变形非受力变形收缩膨胀

2.2.3混凝土的变形一次短期加荷的变形温度变化产生的变形目录

2.1

2.2

2.3第30页，共52页，2023年，2月20日，星期一图2.17混凝土棱柱体受压应力应变曲线1.混凝土在一次短期加荷时的变形性能（1）混凝土受压s-e曲线

上升段OC

,s-e关系接近于直线，A点为比例极限（图2.18a）。

，B点的应力可作为混凝土长期受压强度的依据（图2.18b）（图2.18c）；C点的应力即为混凝土的轴心抗压强度fc

，相应的应变称为峰值应变e

0

,对C50及以下的素混凝土通常取e

0=0002。

：

凸曲线变为凹曲线，出现拐点D，收敛点E；超过E点后，试件的贯通主裂缝已经很宽，失去结构意义。OA段---准弹性阶段AB段----裂缝稳定扩展阶段

BC段----裂缝不稳定扩展阶段下降段CF目录

2.1

2.22.3第31页，共52页，2023年，2月20日，星期一混凝土内微裂缝发展过程目录

2.1

2.2

2.3第32页，共52页，2023年，2月20日，星期一随着混凝土强度的提高，上升段曲线的直线部分增大，峰值应变e

0也有所增大；但混凝土强度越高，曲线下降段越陡，延性也越差。

不同强度混凝土的应力-应变曲线图2.19不同强度混凝土的应力应变曲线目录

2.1

2.22.3第33页，共52页，2023年，2月20日，星期一随着加荷速度的降低，峰值应力逐渐减小，但与峰值应力对应的应变却增大了，下降段也变得平缓一些。加载速度对混凝土强度的影响图2.20不同应变速度下混凝土的应力应变曲线

目录

2.1

2.2

2.3第34页，共52页，2023年，2月20日，星期一混凝土试件在一次短期加荷时，产生的横向应变与纵向应变的比值，称横向变形系数nc，又称为泊松比。s<

0.5fc时，nc为常数；s>0.5fc时，nc

；混凝土处于弹性阶段时，取nc=0.2。当混凝土应力较小时，体积随压应力的增大而减小，当压应力超过一定值后，随压应力的增大，体积又重新增大，最后竟然超过了原来的体积。

(2)横向变形系数nc图2.23混凝土横向应变和纵向应变的关系目录

2.1

2.2

2.3第35页，共52页，2023年，2月20日，星期一(3)混凝土的变形模量

图2.25混凝土变形模量的表示方法弹性模量（原点模量）Ec

割线模量（变形模量）切线模量Ec/

，Ec//为变值，随sc的增大而减小。目录

2.1

2.2

2.3第36页，共52页，2023年，2月20日，星期一

图2.26Ec的测定方法《规范》规定的Ec的测定方法将棱柱体试件加荷至应力0.4fc，反复加荷5~10次后，应力-应变曲线接近于直线，该直线的斜率即作为弹性模量的取值。目录

2.1

2.22.3第37页，共52页，2023年，2月20日，星期一(4)混凝土的剪切模量Gc

我国规范近似取Gc=0.4Ec。（5）混凝土轴向受拉的s-e关系曲线形状与受压时相似，有上升和下降段，曲线原点切线斜率与受压时基本一致，峰值应力和峰值应变比受压时小得多。图2.27不同强度混凝土的受拉s-e曲线目录

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2.2

2.3第38页，共52页，2023年，2月20日，星期一

图2.29混凝土多次重复加荷的s-e曲线

图2.28混凝土一次加荷卸荷的s-e曲线2.混凝土在荷载重复作用下的变形性能（疲劳变形）目录

2.1

2.2

2.3第39页，共52页，2023年，2月20日，星期一当加荷应力s1<fcf时，其一次加荷卸荷s-e曲线形成一个环状，经过多次重复后，环状曲线逐渐密合成一直线。当s3>fcf时，开始时混凝土的s-e曲线凸向应力轴，在重复加荷载过程中逐渐变化为凸向应变轴，不能形成封闭环；随着荷载重复次数的增加，s-e曲线的斜率不断降低，最后混凝土试件因严重开裂或变形太大而破坏，这种因荷载重复作用而引起的混凝土破坏称为混凝土的疲劳破坏。混凝土能承受荷载多次重复作用而不发生疲劳破坏的最大应力限值称为混凝土的疲劳强度fcf。疲劳破坏目录

2.1

2.2

2.3第40页，共52页，2023年，2月20日，星期一徐变：混凝土在荷载的长期作用下随时间而增长的变形。徐变与时间关系

图2.30混凝土的徐变ece------瞬时弹性应变；ecr-----徐变；ece´---瞬时恢复应变；ece"----弹性后效；ecr´---残余应变。3.混凝土在荷载长期作用下的变形性能—徐变目录

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2.2

2.3第41页，共52页，2023年，2月20日，星期一1）内在因素-----混凝土的组成与配合比。水泥用量大，徐变越大。2）环境影响-----混凝土的养护条件以及使用条件下的温湿度影响。养护的温度越高，湿度越大，水泥水化作用越充分，徐变就越小。3）应力条件的影响-----加荷时施加的初应力水平和混凝土的龄期。在同样的应力水平下，加荷龄期越早，混凝上硬化越不充分，徐变就越大；在同样的加荷龄期条件下，施加的初应力水平越大，徐变就越大。影响混凝土徐变的因素目录

2.1

2.2

2.3第42页，共52页，2023年，2月20日，星期一当sc/fc<0.5时，曲线接近等间距分布，即徐变值与应力的大小成正比，这种徐变称为线性徐变。通常线性徐变在两年后趋于稳定，其渐近线与时间轴平行。当sc/fc=0.5~0.8之间时，徐变的增长较应力增长为快，这种徐变称为非线性徐变；当sc>0.8fc以后．这种非线性徐变住往是不收敛的，最终将导致混凝土的破坏，如图2.32所示。

图2.31压应力与徐变的关系图2.32不同应力比值的徐变时间曲线徐变的分类目录

2.1

2.22.3第43页，共52页，2023年，2月20日，星期一使构件的变形增加；引起应力重分布；引起预应力损失。徐变对结构的影响也有有利的一面，在某些情况下，徐变可减少由于支座不均匀沉降而产生的应力，并可延缓收缩裂缝的出现。徐变对工程的影响收缩：混凝土在空气中凝结硬化过程中体积减小收缩对工程的影响：产生收缩拉应力，从而加速裂缝的出现和开展；在预应力混凝土结构中，混凝土的收缩将导致预应力的损失；对跨度变化比较敏感的超静定结构(如拱等)，混凝土的收缩还将产生不利于结构的内力。膨胀：混凝土在水中硬化时体积增大。一般说来，收缩值要比膨胀值大很多。混凝土的膨胀往往是有利的，一般可不予考虑。4.混凝土的收缩、膨胀和温度变形Back目录

2.1

2.22.3第44页，共52页，2023年，2月20日，星期一2.3钢筋与混凝土的相互作用—粘结

粘结应力：是沿钢筋纵向存在于钢筋和混凝土接触面上的剪应力。粘结力组成：化学胶结力，摩阻力，机械咬合力。作用：进行力和变形的相互传递，保证钢筋与混凝土共同受力、共同变形的基础；配筋构造的基础。大小：

粘结应力使钢筋应力沿其长度发生变化，没有粘结应力，钢筋应力就不会发生变化，反之如果钢筋应力没有变化，就说明不存在粘结应力。2.3.1粘结的作用与性质目录

2.1

2.2

2.3第45页，共52页，2023年，2月20日，星期一

2.3.2粘结机理分析变形钢筋与混凝土的相互作用光圆钢筋与混凝土的相互作用目录

2.1

2.2

2.3第46页，共52页，2023年，2月20日，星期一钢筋表面形状混凝土强度：t

u=kft保护层厚度：c/d,t

u钢筋浇注位置钢筋净间距横向钢筋和横向压力等2.3.3影响粘结强度的主要因素当钢筋的锚固区作用有侧向压应力时，使粘结强度提高。目录

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2.2

2.3第47页，共52页，2023年，2月20日，星期一1.钢筋的锚固长度式中

la—受拉钢筋的锚固长度；