第二章 材料性能

混凝土結(jié)構(gòu)基本原理城建學院土木系彭亞萍pengyp@第二章

混凝土結(jié)構(gòu)材料性能城建學院土木系

彭亞萍

pengyp@混凝土結(jié)構(gòu)基本原理第二章混凝土結(jié)構(gòu)材料性能2.1混凝土的物理力學性能2.2鋼筋的物理力學性能2.3鋼筋與混凝土的粘結(jié)第二章混凝土結(jié)構(gòu)材料性能2.1混凝土的物理力學性能2.2鋼筋的物理力學性能2.3鋼筋與混凝土的粘結(jié)混凝土的組成固體顆粒硬化的水泥砂漿氣孔縫隙混凝土是一種非勻質(zhì)、不等向的，且隨時間和環(huán)境條件而變化的一種多相混合材料，力學性能復雜多變施工因素2.1混凝土混凝土的強度混凝土的變形混凝土的選用原則2.1.1單軸向應力狀態(tài)下的混凝土強度立方體抗壓強度軸心抗壓強度軸心抗拉強度立方體抗壓強度混凝土結(jié)構(gòu)中，主要是利用它的抗壓強度。因此抗壓強度是混凝土力學性能中最主要和最基本的指標。我國《規(guī)范》規(guī)定，混凝土強度等級應按立方體抗壓強度標準值確定。混凝土抗壓強度標準值是指用邊長為150mm的標準立方體試塊，在標準養(yǎng)護室（溫度20±3oc，相對濕度不小于90%）養(yǎng)護28天后，以大約每秒0.3~0.8N/mm2的速度在試驗機上加壓至破壞，所測得的具有95%保證率的抗壓強度。用符號fcu,k表示?；炷恋膹姸鹊燃壔炷恋膹姸鹊燃壱苑朇表示，單位N/mm2。如C20級混凝土，就表示混凝土立方體抗壓強度標準值為20N/mm2（即20Mpa）。

《規(guī)范》根據(jù)強度范圍，從C15~C80共劃分為14個強度等級，級差為5N/mm2。一般將混凝土等級≥C50的混凝土稱為高強混凝土。立方體抗壓強度的影響因素尺寸效應：尺寸越大，測得的強度越低。試驗方法：加載面有橫向摩擦力時強度高，消除摩擦力后強度降低。《規(guī)范》規(guī)定的標準試驗方法是不加潤滑劑的。加載速度：加載速度越快則強度越高，通常規(guī)定的加載速度是每秒增加壓力0.3~0.8N/mm2。

試塊尺寸強度換算系數(shù)200×200×2001.05150×150×1501.00100×100×1000.95軸心抗壓強度按標準方法制作的150mm×l50mm×300mm的棱柱體試件，在溫度為20土3℃和相對濕度為90％以上的條件下養(yǎng)護28d，用標準試驗方法測得的具有95％保證率的抗壓強度，稱為軸心抗壓強度的標準值，用fc,k表示。對于同一混凝土，棱柱體抗壓強度小于立方體抗壓強度?？紤]到實際結(jié)構(gòu)構(gòu)件制作、養(yǎng)護和受力情況，實際構(gòu)件強度與試件強度之間存在差異，《規(guī)范》基于安全取偏低值，規(guī)定fcu,k和fc,k之間的換算關系為：式中：

αc1―軸心抗壓強度與立方體抗壓強度的比值，《規(guī)范》規(guī)定C50及以下取0.76，對C80取0.82，中間按線性規(guī)律變化;αc2―對C40以上混凝土的脆性折減系數(shù)，對C40取1.0，對C80取0.87，中間按線性規(guī)律變化；軸心抗壓強度

混凝土的軸心抗拉強度可以采用直接軸心受拉的試驗方法來測定，但由于試驗比較困難，目前國內(nèi)外主要采用圓柱體或立方體的劈裂試驗來間接測試混凝土的軸心抗拉強度。軸心抗拉強度

《規(guī)范》規(guī)定取軸心抗拉強度標準值與立方體抗壓強度標準值的換算關系為：式中，為變異系數(shù)；0.88的意義和αc2的取值與前相同。

試驗表明，劈裂抗拉強度略大于直接受拉強度，劈裂抗拉試件大小對試驗結(jié)果有一定的影響，標準試件尺寸為150mm×150mm×150mm，若采用100×100×100mm的非標準試件時，所得強度值應乘以尺寸換算系數(shù)0.85。

軸心抗拉強度2.1.2復合應力狀態(tài)下的混凝土強度實際結(jié)構(gòu)中，混凝土很少處于單向受力狀態(tài)。更多的是處于雙向或三向受力狀態(tài)。拉-拉稍有降低拉-壓明顯降低壓-壓明顯提高雙向（二）軸應力狀態(tài)法向應力和剪應力共同作用混凝土的抗剪強度：隨拉應力增大而減小隨壓應力增大而增大當壓應力在0.6fc左右時，抗剪強度達到最大，壓應力繼續(xù)增大，則由于內(nèi)裂縫發(fā)展明顯，抗剪強度將隨壓應力的增大而減小。

三軸應力狀態(tài)有多種組合，實際工程遇到較多的螺旋箍筋柱和鋼管混凝土柱中的混凝土為三向受壓狀態(tài)。三向受壓試驗一般采用圓柱體在等側(cè)壓條件進行。圖1—22三軸受壓下混凝土的強度關系式中——被約束混凝土的軸心抗壓強度；

——非約束混凝土的軸心抗壓強度；

——側(cè)向約束壓應力。

側(cè)向壓應力的存在還可提高混凝土的延性。

三向（三軸）應力狀態(tài)2.1混凝土混凝土的強度混凝土的變形混凝土的選用原則02468102030s(MPa)e×10-3BACEDA點以前，微裂縫沒有明顯發(fā)展，混凝土的變形主要彈性變形，應力-應變關系近似直線。A點應力隨混凝土強度的提高而增加，對普通強度混凝土sA約為

(0.3~0.4)fc，對高強混凝土sA可達(0.5~0.7)fc。A點以后，由于微裂縫處的應力集中，裂縫開始有所延伸發(fā)展，產(chǎn)生部分塑性變形，應變增長開始加快，應力-應變曲線逐漸偏離直線。微裂縫的發(fā)展導致混凝土的橫向變形增加。但該階段微裂縫的發(fā)展是穩(wěn)定的?；炷猎诮Y(jié)硬過程中，由于水泥石的收縮、骨料下沉以及溫度變化等原因，在骨料和水泥石的界面上形成很多微裂縫，成為混凝土中的薄弱部位?；炷恋淖罱K破壞就是由于這些微裂縫的發(fā)展造成的。達到B點，內(nèi)部一些微裂縫相互連通，裂縫發(fā)展已不穩(wěn)定，橫向變形突然增大，體積應變開始由壓縮轉(zhuǎn)為增加。在此應力的長期作用下，裂縫會持續(xù)發(fā)展最終導致破壞。取B點的應力作為混凝土的長期抗壓強度。普通強度混凝土sB約為0.8fc，高強強度混凝土sB可達0.95fc以上。達到C點fc，內(nèi)部微裂縫連通形成破壞面，應變增長速度明顯加快，C點的縱向應變值稱為峰值應變

e0，約為0.002。縱向應變發(fā)展達到D點，內(nèi)部裂縫在試件表面出現(xiàn)第一條可見平行于受力方向的縱向裂縫。隨應變增長，試件上相繼出現(xiàn)多條不連續(xù)的縱向裂縫，橫向變形急劇發(fā)展，承載力明顯下降，混凝土骨料與砂漿的粘結(jié)不斷遭到破，裂縫連通形成斜向破壞面。E點的應變e=(2~3)e0，應力s=(0.4~0.6)fc。一次短期加載時的應力-應變曲線不同強度混凝土的應力-應變關系曲線強度等級越高，線彈性段和峰值應變變化不大，但下降段則短而陡，延性變差。一次短期加載時的應力-應變曲線單軸向受壓應力-應變關系我國規(guī)范采用的應力應變曲線方程軸向受拉時的應力-應變關系彈性模量變形（割線）模量切線模量混凝土的變形模量和彈性模量混凝土受拉彈性模量與受壓時基本一致，可取相同數(shù)值。彈性模量的測定混凝土在長期荷載作用下的變形混凝土在荷載的長期作用下，其變形隨時間而不斷增長的現(xiàn)象稱為徐變。徐變對混凝土結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的工作性能有很大影響。由于混凝土的徐變，會使構(gòu)件的變形增加，在鋼筋混凝土截面中引起應力重分布，在預應力混凝土結(jié)構(gòu)中會造成預應力的損失?；炷恋男熳兲匦灾饕c時間參數(shù)有關。徐變

徐變是水泥石中的凝膠體粘性流動的結(jié)果，也受微裂縫在長期荷載作用下發(fā)展的影響。徐變線性徐變非線性徐變混凝土構(gòu)件在使用期間，應當避免經(jīng)常處于不變的高應力狀態(tài)。徐變的影響因素內(nèi)在因素是混凝土的組成和配比。骨料的剛度（彈性模量）越大，體積比越大，徐變就越小。水灰比越小，徐變也越小。構(gòu)件尺寸越大，徐變越小。環(huán)境影響包括養(yǎng)護和使用條件。受荷前養(yǎng)護的溫濕度越高，水泥水化作用越充分，徐變就越小。采用蒸汽養(yǎng)護可使徐變減少（20~35）%。受荷后構(gòu)件所處的環(huán)境溫度越高，相對濕度越小，徐變就越大。應力條件、加荷時間對徐變的影響見圖1-23、1-24.混凝土的非受力變形混凝土的收縮

混凝土在空氣中硬化時體積會縮小，這種現(xiàn)象稱為混凝土的收縮。收縮是混凝土在不受外力情況下體積變化產(chǎn)生的變形。當這種自發(fā)的變形受到外部（支座）或內(nèi)部（鋼筋）的約束時，將使混凝土中產(chǎn)生拉應力，甚至引起混凝土的開裂。混凝土收縮會使預應力混凝土構(gòu)件產(chǎn)生預應力損失。混凝土的非受力變形混凝土的收縮

收縮的影響因素（1）水泥的品種：水泥強度等級越高，制成的混凝土收縮越大。（2）水泥的用量：水泥用量多、水灰比越大，收縮越大。（3）骨料的性質(zhì)：骨料彈性模量高、級配好，收縮就小。（4）養(yǎng)護條件：干燥失水及高溫環(huán)境，收縮大。（5）混凝土制作方法：混凝土越密實，收縮越小。（6）使用環(huán)境：使用環(huán)境溫度、濕度越大，收縮越小。（7）構(gòu)件的體積與表面積比值：比值大時，收縮小。溫度變形溫度變化引起的溫度應力可能會使混凝土形成貫穿性裂縫，進而導致滲漏、鋼筋銹蝕、整體性下降，使結(jié)構(gòu)承載力和混凝土耐久性顯著降低。大體積混凝土中的溫度應力極易使結(jié)構(gòu)開裂，需要進行溫差控制施工。1.2混凝土混凝土的強度混凝土的變形混凝土的選用原則混凝土的選用原則建筑工程中，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的混凝土強度等級不應低于C20當采用400MPa及以上鋼筋時，混凝土強度等級不應低于C25預應力混凝土結(jié)構(gòu)的混凝土強度等級不宜低于C40，且不應低于C30承受重復荷載的鋼筋混凝土構(gòu)件，混凝土的強度等級不應低于C30第二章混凝土結(jié)構(gòu)材料性能2.1混凝土的物理力學性能2.2鋼筋的物理力學性能2.3鋼筋與混凝土的粘結(jié)2.2鋼筋鋼筋的品種與性能混凝土結(jié)構(gòu)對鋼筋性能的要求鋼筋的選用原則鋼筋的種類

柔性（熱軋）鋼筋鋼筋的種類

勁性鋼筋型鋼鋼骨鋼架熱軋鋼筋的分類HPB300級HRB335級、HRBF335級、HRB400級、

HRBF400級、RRB400級HRB500級、HRBF500級鋼筋的品種與性能HPB300

生產(chǎn)工藝：hotrolled表面形狀：plain鋼筋：bar屈服強度熱軋光圓鋼筋熱軋鋼筋的分類HPB300級HRB335級、HRBF335級、HRB400級、

HRBF400級、RRB400級HRB500級、HRBF500級鋼筋的類型、品種和級別HRB335

hotrolledribbedbarHRBF335

hotrolledribbedbarfine熱軋帶肋變形鋼筋細晶粒熱軋帶肋變形鋼筋熱軋鋼筋的分類HPB300級HRB335級、HRBF335級、HRB400級、

HRBF400級、RRB400級HRB500級、HRBF500級鋼筋的類型、品種和級別余熱處理帶肋變形鋼筋RRB400

remainedheattreatmentribbedbar熱軋鋼筋的分類（表1-1）HPB300級HRB335級HRBF335級HRB400級

HRBF400級RRB400級HRB500級

HRBF500級鋼筋的類型、品種和級別FFRF熱軋鋼筋的力學性能sea’abcdefua′為比例極限oa為彈性階段de為強化階段b為屈服上限c為屈服下限，即屈服強度fycd為屈服臺階e為極限抗拉強度

fu

fyfef為頸縮階段熱軋鋼筋的力學性能強度屈服強度：是鋼筋強度的設計依據(jù)，因為鋼筋屈服后將發(fā)生很大的塑性變形，且卸載時這部分變形不可恢復，這會使鋼筋混凝土構(gòu)件產(chǎn)生很大的變形和不可閉合的裂縫。屈服上限與加載速度有關，不太穩(wěn)定，一般取屈服下限作為屈服強度。屈強比：反映鋼筋的強度儲備

fy/fu=0.6~0.7簡化的應力-應變曲線熱軋鋼筋的力學性能塑性伸長率：鋼筋拉斷后的伸長值與原長的比率，是反映鋼筋塑性性能的指標。延伸率大的鋼筋，在拉斷前有足夠預兆，延性較好。

冷彎性能：可以反映鋼材脆化傾向，通過冷彎試驗來檢驗。保證鋼筋在彎折加工時不致斷裂和使用過程中不致脆斷。無明顯流幅的鋼筋a點：比例極限，約為0.65fua點前：應力-應變關系為線彈性a點后：應力-應變關系為非線性，有一定塑性變形，且沒有明顯的屈服點強度設計指標——條件屈服點殘余應變?yōu)?.2%所對應的應力《規(guī)范》取s0.2=0.85fu鋼筋的本構(gòu)關系2.2鋼筋鋼筋的品種與性能混凝土結(jié)構(gòu)對鋼筋性能的要求鋼筋的選用原則混凝土結(jié)構(gòu)對鋼筋性能的要求強度：鋼筋應具有可靠的屈服強度和極限強度，鋼筋的強度越高，鋼材的用量越少。要求鋼筋有足夠的強度和適宜的強屈比(極限強度與屈服強度的比值)。例如，對抗震等級為一、二級的框架結(jié)構(gòu)，其縱向受力鋼筋的實際強屈比不應小于1.25。延性：要求鋼筋應有足夠的變形能力破壞前的預兆。應保證鋼筋的伸長率和冷彎性能合格?？珊感裕阂箐摻詈附雍蟛划a(chǎn)生裂縫和過大的變形，焊接接頭性能良好。機械連接性能：以便能方便地在工地上軋制螺紋，以便進行機械連接（如套筒連接）。施工適應性：方便于在工地上對鋼筋進行加工和安裝。鋼筋與混凝土的粘結(jié)力：保障鋼筋與混凝土共同工作。混凝土結(jié)構(gòu)對鋼筋性能的要求2.2鋼筋鋼筋的品種與性能混凝土結(jié)構(gòu)對鋼筋性能的要求鋼筋的選用原則鋼筋的選用原則原則：盡量選擇強度較高、塑性較好、價格較低的鋼材。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋和預應力混凝土結(jié)構(gòu)中的非預應力鋼筋宜優(yōu)先選用HRB400、HRB500、HRBF400、HRBF500鋼筋，以節(jié)約鋼筋用量，改善我國建筑結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。除此之外，也可以采用HPB300、HRB335、HRBF335、RRB400鋼筋。第二章混凝土結(jié)構(gòu)材料性能2.1混凝土的物理力學性能2.2鋼筋的物理力學性能2.3鋼筋與混凝土的粘結(jié)1.3鋼筋與混凝土的粘結(jié)粘結(jié)力的定義粘結(jié)力的組成粘結(jié)應力-滑移關系鋼筋的錨固1.3鋼筋與混凝土的粘結(jié)粘結(jié)力的定義粘結(jié)力的組成粘結(jié)應力-滑移關系鋼筋的錨固粘結(jié)力的定義粘結(jié)應力：鋼筋與混凝土接觸面上產(chǎn)生的沿鋼筋縱向的剪應力粘結(jié)應力分為錨固粘結(jié)應力和局部粘結(jié)應力粘結(jié)作用使鋼筋與混凝土兩者之間可進行應力傳遞并協(xié)調(diào)變形。錨固粘結(jié)與局部(縫間)粘結(jié)PPT兩種粘結(jié)作用錨固粘結(jié)保證鋼筋和混凝土共同工作縫間粘結(jié)改善鋼筋混凝土的耗能性能1.3鋼筋與混凝土的粘結(jié)粘結(jié)力的定義粘結(jié)力的組成粘結(jié)應力-滑移關系鋼筋的錨固粘結(jié)力的組成鋼筋與混凝土表面的化學膠著力；鋼筋與混凝土接觸面的摩阻力

；鋼筋與混凝土表面凹凸不平的機械咬合力。粘結(jié)力的組成鋼筋與混凝土表面的化學膠著力；鋼筋與混凝土接觸面的摩阻力

；鋼筋與混凝土表面凹凸不平的機械咬合力。1.3鋼筋與混凝土的粘結(jié)粘結(jié)力的定義粘結(jié)力的組成粘結(jié)應力-滑移關系鋼筋的錨固粘結(jié)應力-滑移關系-s曲線(a)光圓鋼筋(b)變形鋼筋1.3鋼筋與混凝土的粘結(jié)粘結(jié)力的定義粘結(jié)力的組成粘結(jié)應力-滑移關系鋼筋的錨固1.基本錨固長度原則鋼筋屈服時正好發(fā)生錨固破壞對象以直徑為2c的混凝土試件內(nèi)配直徑為d的變形鋼筋為例假定縱裂發(fā)生在刮出式破壞以前1.基本錨固長度基本錨固長度（GB50010）：錨固鋼筋的外形系數(shù)，見教材P32表2-1錨固區(qū)混凝土軸心抗拉強度設計值，高于C40時按C40取值。2.受拉鋼筋的錨