鋼筋與混凝土材料的力學(xué)性能.

1、鋼筋與混凝土材料的力學(xué)性能提   要 本章的主要內(nèi)容： · 鋼筋的品種、力學(xué)性能及有關(guān)指標(biāo)。 · 混凝土強(qiáng)度等級(jí)、強(qiáng)度指標(biāo)及其換算關(guān)系。 · 混凝土的破壞機(jī)理、受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線、彈性模量。 · 復(fù)雜應(yīng)力下混凝土的強(qiáng)度。 · 混凝土的收縮和徐變性能。 材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的概念及計(jì)算公式，材料分項(xiàng)系數(shù)和材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。1.1 鋼筋鋼筋的品種圖2-1 常用鋼筋品種 熱軋鋼筋分為HPB235、HRB335、HRB400和RRB400三個(gè)等級(jí) HPB235級(jí)鋼筋為光面鋼筋，多作為現(xiàn)澆樓板的受力鋼筋和箍筋； HRB335、HRB

2、400和RRB400級(jí)鋼筋為變形鋼筋，多作為鋼筋混凝土構(gòu)件的受力鋼筋，HRB335亦可作為大尺寸構(gòu)件的箍筋。 鋼絲和鋼絞線多用于預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。鋼絲的外形有光面、刻痕和螺旋肋三種，另有三股和七股鋼絞線。高強(qiáng)鋼絲和鋼絞線的抗拉強(qiáng)度可達(dá)14701860MPa。 熱處理鋼筋多用于預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。它是將級(jí)鋼筋通過(guò)加熱、淬火和回火等調(diào)質(zhì)工藝處理，使強(qiáng)度得到較大幅度的提高，而延伸率降低不多。 冷加工鋼筋冷加工鋼筋是由熱軋鋼筋或盤(pán)條經(jīng)冷拉、冷拔、冷軋、冷軋扭加工后而成。經(jīng)冷加工后，其強(qiáng)度提高，但延伸率降低，用于預(yù)應(yīng)力構(gòu)件時(shí)易造成脆性斷裂。1.1 鋼筋(續(xù)-1）有明顯屈服點(diǎn)鋼筋的強(qiáng)度和變形 應(yīng)力-應(yīng)變（-

3、）關(guān)系曲線圖2-2 有物理屈服點(diǎn)鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系 點(diǎn)以前，與成比例，即 =，為彈性模量，點(diǎn)應(yīng)力稱(chēng)為比例極限； 點(diǎn)過(guò)后，與不再成比例，但仍為彈性變形；a點(diǎn)以后為非彈性，a點(diǎn)稱(chēng)為彈性極限； 達(dá)到b點(diǎn)時(shí)，出現(xiàn)塑性流動(dòng)現(xiàn)象，b點(diǎn)位置與加載速度、斷面形式、表面光潔度等因素有關(guān)，稱(chēng)為屈服上限； 降至c點(diǎn)后，不增加而急劇增加，-關(guān)系接近水平，直至d點(diǎn)，c點(diǎn)稱(chēng)為屈服下限，cd段稱(chēng)為屈服臺(tái)階； d點(diǎn)以后，隨的增加而繼續(xù)增加，至e點(diǎn)達(dá)最大值，e點(diǎn)對(duì)應(yīng)的稱(chēng)為鋼筋的極限強(qiáng)度，de段稱(chēng)為強(qiáng)化段； e點(diǎn)以后，試件的薄弱位置將產(chǎn)生頸縮現(xiàn)象，變形迅速增加，斷面縮小，應(yīng)力降低，直至f點(diǎn)拉斷。 反映鋼筋力學(xué)性能的基本指標(biāo)屈服

4、強(qiáng)度、延伸率和強(qiáng)屈比 屈服強(qiáng)度是鋼筋強(qiáng)度的設(shè)計(jì)依據(jù)，鋼筋屈服后將產(chǎn)生很大的塑性變形。一般取屈服下限作為屈服強(qiáng)度。 延伸率是反映鋼筋塑性性能的指標(biāo)，指鋼筋拉斷時(shí)（f點(diǎn)）對(duì)應(yīng)的應(yīng)變，按下式確定: (2-1)式中，試件拉伸前量測(cè)標(biāo)距的長(zhǎng)度，一般取5d或10d； l 拉斷時(shí)量測(cè)標(biāo)距的長(zhǎng)度，量測(cè)標(biāo)距包括頸縮區(qū)。延伸率指標(biāo)存在的缺陷不同量測(cè)標(biāo)距長(zhǎng)度得到結(jié)果不一致；僅考慮到頸縮斷口區(qū)域的殘余應(yīng)變。 均勻延伸率最大力作用下的總伸長(zhǎng)率，包括殘余應(yīng)變和彈性應(yīng)變，反映了鋼筋真實(shí)的變形能力（見(jiàn)圖2-4）。圖2-4 均勻延伸率 強(qiáng)屈比鋼筋極限強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度的比值，反映了鋼筋的強(qiáng)度儲(chǔ)備。通常熱軋鋼筋的強(qiáng)屈比約為1.41.

5、6。 規(guī)范理想彈塑性應(yīng)力-應(yīng)變（-）關(guān)系實(shí)際計(jì)算分析中，一般采用雙線性的理想彈塑性關(guān)系（見(jiàn)圖2-3），即 (2-2) 式中, 鋼筋的彈性模量； 圖2-3 鋼筋的理想彈塑性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系鋼筋的屈服應(yīng)變，=/。1.1 鋼筋(續(xù)-2）無(wú)明顯屈服點(diǎn)鋼筋的強(qiáng)度和變形 應(yīng)力-應(yīng)變（-）關(guān)系曲線由圖2-5可以看出圖2-5 無(wú)明顯物理屈服點(diǎn)鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系整個(gè)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系沒(méi)有明顯的屈服點(diǎn)，達(dá)極限抗拉強(qiáng)度后很快拉斷，延伸率很小，破壞呈脆性。圖中a點(diǎn)為比例極限，0.65。 條件屈服強(qiáng)度設(shè)計(jì)中一般取殘余應(yīng)變?yōu)?.2%所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力，作為無(wú)明顯屈服點(diǎn)鋼筋的強(qiáng)度設(shè)計(jì)指標(biāo)，稱(chēng)為“條件屈服強(qiáng)度”。一般取= 0.85，預(yù)

6、應(yīng)力鋼筋大多為無(wú)明顯屈服點(diǎn)鋼筋。 鋼筋的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值 強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的概念為保證設(shè)計(jì)時(shí)材料強(qiáng)度取值的可靠性，一般對(duì)同一等級(jí)的材料，取具有一定保證率的強(qiáng)度值作為該等級(jí)強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值。 規(guī)范對(duì)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的規(guī)定 規(guī)范規(guī)定材料強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)具有不小于95%的保證率。熱軋鋼筋的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值根據(jù)屈服強(qiáng)度確定預(yù)應(yīng)力鋼筋的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值根據(jù)極限抗拉強(qiáng)度確定 按我國(guó)冶金生產(chǎn)鋼材質(zhì)量的控制標(biāo)準(zhǔn)，鋼材產(chǎn)品出廠時(shí)的廢品限值具有97.73%的保證率，滿足規(guī)范保證率95%的要求。 規(guī)范中鋼筋強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值取鋼材質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)的廢品限值，具體數(shù)值見(jiàn)表2-1和表2-2。表2-1 普通鋼筋強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值種 類(lèi)符 號(hào)fyk熱軋鋼筋HPB235(Q235

7、)235HRB335(20MnSi)335HRB400(20MnSiV、20MnSiNb、20MnTi)400RRB400(20MnSi)400表2-2 預(yù)應(yīng)力鋼筋強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值種 類(lèi)符 號(hào)直 徑d/mmfptk鋼絞線1×38.6、10.81860、1720、157012.91720、15701×79.5、11.1、12.7186015.21860、1720消除應(yīng)力鋼絲螺旋肋鋼絲4、51770、1670、157061670、15707、8、91570刻痕鋼絲5、71570熱處理鋼筋40Si2Mn6147048Si2Mn8.245Si2Cr10鋼筋的彈性模量各種鋼筋的彈性模量Es

8、基本相同，一般在2.0×MPa左右。具體數(shù)值見(jiàn)表2-3。表2-3 鋼筋的彈性模量()種 類(lèi)EsHPB235級(jí)鋼筋2.1×HRB335級(jí)鋼筋、HRB400級(jí)鋼筋RRB400級(jí)鋼筋、熱處理鋼筋2.0×消除應(yīng)力鋼絲、螺旋肋鋼絲、刻痕鋼絲2.05×鋼絞線1.95×2.2 混凝土混凝土強(qiáng)度等級(jí) 混凝土強(qiáng)度等級(jí)的確定方法標(biāo)準(zhǔn)試件在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28天，用標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法測(cè)得的具有95%保證率的立方體抗壓強(qiáng)度，用符號(hào)fcu表示。 標(biāo)準(zhǔn)試件邊長(zhǎng)150mm的立方體試件； 標(biāo)準(zhǔn)條件溫度為20±3，濕度在90%以上； 標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法試件兩端不涂潤(rùn)滑劑，加載速度C

9、30以下為 0.30.5MPa/sec，C30以上為0.50.8/sec。從 fcu=15到 fcu=80劃分為14個(gè)強(qiáng)度等級(jí)，級(jí)差為5。C50以上為高強(qiáng)混凝土。 標(biāo)準(zhǔn)試件和非標(biāo)準(zhǔn)試件之間的強(qiáng)度換算關(guān)系同樣條件下，試件尺寸越小測(cè)得的強(qiáng)度越高。工程中常采用邊長(zhǎng)為100mm的立方體試件，它與標(biāo)準(zhǔn)試件強(qiáng)度之間的換算關(guān)系為 (2-3)式中, 修正系數(shù)，對(duì)于不超過(guò)C50的混凝土，=0.95；隨著混凝土強(qiáng)度的提高，有所降低；當(dāng)MPa時(shí)，0.90。 m表示平均值。 立方體抗壓試驗(yàn)的意義 不能代表混凝土在實(shí)際構(gòu)件中的受力狀態(tài) 可作為衡量混凝土強(qiáng)度水平和品質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)軸心抗壓強(qiáng)度 棱柱體軸心抗壓試驗(yàn) 標(biāo)準(zhǔn)試件為15

10、0mm×150mm×300mm或150mm×150mm×450mm的棱柱體 試件制作、養(yǎng)護(hù)和加載試驗(yàn)方法同立方體試件 比較接近實(shí)際構(gòu)件中混凝土的受壓情況 軸心抗壓強(qiáng)度與立方體強(qiáng)度的換算 對(duì)于不超過(guò)C50的混凝土，和之間的換算關(guān)系為 (2-4) 對(duì)于C50C80的混凝土，和之間的換算關(guān)系為 (2-5)2.2 混凝土（續(xù)-1）軸心抗拉強(qiáng)度與混凝土構(gòu)件的開(kāi)裂、變形，以及受剪、受扭、受沖切等承載力有關(guān)。圖2-6 軸心受拉強(qiáng)度 軸心拉伸試驗(yàn)如圖2-6a所示，試件為100mm×100mm×500mm的柱體，破壞時(shí)試件中部產(chǎn)生橫向裂縫，破壞截面上的

11、平均拉應(yīng)力即為軸心抗拉強(qiáng)度。軸心抗拉強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度不成線性關(guān)系，越大，/值越小，見(jiàn)圖2-6b。由試驗(yàn)回歸得 (2-6) 劈拉試驗(yàn)劈拉試驗(yàn)（見(jiàn)圖2-7）可以克服軸心受拉試驗(yàn)中存在的對(duì)中問(wèn)題。試驗(yàn)中采用邊長(zhǎng)為150mm的立方體標(biāo)準(zhǔn)試件，通過(guò)弧形鋼墊條施加壓力F，試件中間截面有著均勻分布的拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力達(dá)到混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，試件劈裂成兩半。圖 2-7 劈拉試驗(yàn) 劈拉強(qiáng)度的計(jì)算公式 (2-7)對(duì)于同一混凝土，軸拉試驗(yàn)和劈拉試驗(yàn)測(cè)得的抗拉強(qiáng)度并不相同。 劈拉強(qiáng)度與立方體強(qiáng)度的關(guān)系 (2-8)混凝土強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值 規(guī)范對(duì)標(biāo)準(zhǔn)值的規(guī)定規(guī)范規(guī)定材料強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)具有不小于95%的保證率, (2-9)材

12、料強(qiáng)度平均值 變異系數(shù)，C40級(jí)以下混凝土，=0.12；對(duì)C60級(jí)，=0.10；對(duì)C80級(jí)，=0.08。 確定混凝土和的方法和步驟假定其變異系數(shù)與立方體強(qiáng)度相同 利用(2-9)式求出與（即)對(duì)應(yīng)的 利用(2-5)式和(2-6)式求出與對(duì)應(yīng)的和 利用(2-9)式求出與和對(duì)應(yīng)的和 規(guī)范采用的折減系數(shù) 考慮實(shí)際結(jié)構(gòu)與實(shí)驗(yàn)室差別的折減系數(shù)，取=0.88 考慮混凝土脆性的折減系數(shù)，對(duì)C40及其以下混凝土取=1.0，對(duì)C80取=0.87，中間線性插值。混凝土軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為 混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為 規(guī)范中各級(jí)混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值和軸心抗拉強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值見(jiàn)附表1。2.2 混凝土（續(xù)-2）混凝土破

13、壞機(jī)理 立方體試件與棱柱體試件的破壞形態(tài) 立方體試件承壓面上不涂潤(rùn)滑劑時(shí)，試件的橫向變形受到承壓面上摩擦力的約束，處于三向受壓應(yīng)力狀態(tài)。最終形成兩個(gè)對(duì)頂角錐形破壞面。 立方體試件承壓面上涂潤(rùn)滑劑時(shí)，試件的橫向變形幾乎不受約束，接近單向均勻受壓。最終產(chǎn)生一些豎向裂縫而破壞，抗壓強(qiáng)度較低。 棱柱體試件兩端受摩擦力的影響存在三向受壓應(yīng)力，中部的橫向變形不受約束，處于單向均勻受壓。最終由于試件中部混凝土壓酥而破壞，抗壓強(qiáng)度低于立方體試件。為什么橫向變形受到約束時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度就可以提高呢？請(qǐng)看混凝土的破壞機(jī)理！ 混凝土的破壞機(jī)理在混凝土的凝固硬化過(guò)程中，由于水泥石收縮、骨料下沉以及溫度變化等原因，

14、在骨料和水泥石的界面上形成一些不規(guī)則的微裂縫?；炷恋钠茐木褪怯捎谖⒘芽p的發(fā)展造成的。在壓力作用下，微裂縫的發(fā)展過(guò)程如下（見(jiàn)圖2-9）： 圖2-9 混凝土中微裂縫的發(fā)展過(guò)程 圖2-10 縱向應(yīng)變、橫向應(yīng)變及體積應(yīng)變 A點(diǎn)以前，微裂縫沒(méi)有明顯發(fā)展，約為 (0.30.4)，對(duì)高強(qiáng)混凝土可達(dá)(0.50.7)。 A點(diǎn)以后，裂縫有所延伸發(fā)展，導(dǎo)致混凝土的橫向變形增加，但其發(fā)展是穩(wěn)定的。 達(dá)到B點(diǎn)時(shí)，一些微裂縫相互連通，其發(fā)展已不穩(wěn)定，橫向變形突然增大，體積應(yīng)變開(kāi)始由壓縮轉(zhuǎn)為膨脹（圖2-10）。常取B點(diǎn)的應(yīng)力作為混凝土的長(zhǎng)期抗壓強(qiáng)度，約為0.8，高強(qiáng)混凝土可達(dá)0.95以上。 達(dá)到C點(diǎn)時(shí)，內(nèi)部微裂縫連通形成

15、破壞面，曲線進(jìn)入下降段，峰值應(yīng)力即為棱柱體抗壓強(qiáng)度，相應(yīng)的峰值應(yīng)變0.002。 達(dá)到D點(diǎn)時(shí)，表面出現(xiàn)第一條可見(jiàn)的縱向裂縫，隨后相繼出現(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。 達(dá)到E點(diǎn)時(shí)，縱向裂縫連通形成斜向破壞面，繼而擴(kuò)展形成一破壞帶。試件強(qiáng)度不斷降低，但直至最后，仍有一定的殘余強(qiáng)度?；炷廖⒘芽p的發(fā)展將導(dǎo)致橫向變形增大，若對(duì)橫向變形加以約束，就可以限制微裂縫的發(fā)展，從而可提高混凝土的抗壓強(qiáng)度。 約束混凝土概念的提出約束混凝土通過(guò)配置螺旋箍筋，來(lái)約束混凝土的橫向變形，從而提高混凝土抗壓強(qiáng)度和變形能力。變形能力的提高對(duì)于抗震結(jié)構(gòu)十分重要。圖2-11 螺旋箍筋約束混凝土由圖2-1

16、1可見(jiàn) 當(dāng)應(yīng)力較小時(shí)，橫向變形小，箍筋的約束作用不明顯 當(dāng)應(yīng)力超過(guò)時(shí)，混凝土的側(cè)向膨脹使螺旋箍筋產(chǎn)生環(huán)向拉應(yīng)力，其反力使橫向變形受到約束，從而提高了混凝土的強(qiáng)度和變形能力。2.2 混凝土（續(xù)-3）混凝土的變形 單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系全曲線典型的單軸應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系全曲線（圖2-12）包括上升段和下降段試驗(yàn)中的加載方法 等應(yīng)變速度加載 在試件旁附設(shè)高彈性元件與試件一同受壓 圖2-12 混凝土單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系 圖2-13 不同強(qiáng)度混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線 混凝土強(qiáng)度對(duì)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的影響由圖2-13可以看出：混凝土的強(qiáng)度等級(jí)越高 -曲線中線彈性段越長(zhǎng) 峰值應(yīng)變有所增大 脆性越顯著，下降段越陡

17、高強(qiáng)混凝土的脆性為什么那么大呢？因?yàn)楦邚?qiáng)混凝土中，砂漿與骨料的粘結(jié)很強(qiáng)，密實(shí)性好，微裂縫很少，最后的破壞往往是骨料破壞。 規(guī)范采用的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線如圖2-14所示，在正截面承載力計(jì)算中，規(guī)范采用的應(yīng)力-應(yīng)變曲線是由拋物線上升段和水平段組成的。圖2-14 規(guī)范應(yīng)力-應(yīng)變曲線上升段 (2-10a)下降段 (2-10b)式中參數(shù)n，的取值為 (2-11)對(duì)各強(qiáng)度等級(jí)，上式參數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2-5表2-5 規(guī)范混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線參數(shù)C50C60C70C80n21.831.671.50.0020.002050.00210.002150.00330.00320.00310.0032.2 混凝土（續(xù)-4

18、）混凝土的彈性模量圖2-15 混凝土的彈性模量 混凝土的彈性模量指應(yīng)力-應(yīng)變曲線在原點(diǎn)切線的斜率（圖2-15a），亦稱(chēng)為原點(diǎn)切線模量。該模量?jī)H適用于應(yīng)力小于的情況。 混凝土的割線模量指應(yīng)力-應(yīng)變曲線上任一點(diǎn)處割線的斜率（圖2-15b）。當(dāng)應(yīng)力大于時(shí)，可采用該模量計(jì)算混凝土的變形。 在彈塑性階段，混凝土總應(yīng)變可由彈性應(yīng)變e和塑性應(yīng)變p疊加表示，即= +。 彈性系數(shù)彈性應(yīng)變(=/)與總應(yīng)變的比值，即=/。 因此 (2-12) 彈性系數(shù)隨應(yīng)力增大而減小，其值在10.5之間變化。 彈性模量的測(cè)定方法 用棱柱體標(biāo)準(zhǔn)試件，將應(yīng)力增加到，然后卸載至零。 在0間加載510次，不斷消除塑性變形，直至應(yīng)力-應(yīng)變曲

19、線逐漸穩(wěn)定成為線彈性。 該直線斜率即為混凝土彈性模量（見(jiàn)圖2-16）。圖2-16 混凝土彈性模量的測(cè)定方法根據(jù)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析，彈性模量與混凝土立方體強(qiáng)度的關(guān)系如圖2-17所示，即 (2-13)圖2-17 彈性模量與立方體強(qiáng)度的關(guān)系混凝土受拉應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系 混凝土受拉應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的上升段與受壓情況相似 原點(diǎn)切線模量也與受壓時(shí)基本一致 當(dāng)應(yīng)力達(dá)到抗拉強(qiáng)度f(wàn)t時(shí)，彈性特征系數(shù)0.5，即有峰值拉應(yīng)變?yōu)?(2-14)2.2 混凝土（續(xù)-5）復(fù)雜應(yīng)力下混凝土的受力性能實(shí)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)。 雙軸應(yīng)力狀態(tài)（圖2-18）雙軸受壓狀態(tài) 雙向受壓強(qiáng)度大于單向受壓強(qiáng)

20、度。 應(yīng)力比為0.30.6時(shí)，有最大受壓強(qiáng)度值，約為(1.251.60)。 圖2-18 混凝土在雙軸應(yīng)力狀態(tài)下的強(qiáng)度 峰值應(yīng)變均超過(guò)單軸受壓時(shí)的峰值應(yīng)變。一軸受壓、一軸受拉狀態(tài)（第二四象限）任意應(yīng)力比情況下，其壓、拉強(qiáng)度均低于相應(yīng)單軸強(qiáng)度。雙軸受拉狀態(tài)（第一象限）不論應(yīng)力比多大，抗拉強(qiáng)度均與單軸抗拉強(qiáng)度接近。剪應(yīng)力和正應(yīng)力的相關(guān)關(guān)系（圖2-19）圖2-19 混凝土壓（拉）剪復(fù)合受力強(qiáng)度 混凝土的抗剪強(qiáng)度隨拉應(yīng)力增大而減小 當(dāng)0.6時(shí)，抗剪強(qiáng)度隨壓應(yīng)力增大而增大 當(dāng)=0.6時(shí)，抗剪強(qiáng)度達(dá)最大值 當(dāng)0.6時(shí)，抗剪強(qiáng)度隨壓應(yīng)力增大而減小 三軸應(yīng)力狀態(tài)實(shí)際工程中常見(jiàn)的是三向受壓狀態(tài)。 三向受壓試驗(yàn)一般

21、在等側(cè)壓條件下進(jìn)行（圖2-20）。 橫向變形受到側(cè)向壓應(yīng)力的約束，限制了微裂縫的發(fā)展，因此縱向抗壓強(qiáng)度有所提高（圖2-20b）。 由試驗(yàn)給出的與的經(jīng)驗(yàn)公式為 (2-15) 圖2-20 圓柱體三向受壓試驗(yàn)混凝土的收縮收縮是混凝土在不受外力情況下(如在空氣中硬化時(shí))由于體積變化而產(chǎn)生的變形。 混凝土收縮的不利影響 受到約束時(shí)將產(chǎn)生拉應(yīng)力，引起混凝土的開(kāi)裂。 會(huì)使預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力損失。 對(duì)跨度比較敏感的超靜定結(jié)構(gòu)，會(huì)引起不利的內(nèi)力。 混凝土收縮隨時(shí)間的發(fā)展規(guī)律（圖2-21）圖2-21 混凝土的收縮隨時(shí)間發(fā)展的規(guī)律 混凝土的收縮隨時(shí)間而增長(zhǎng) 兩周可完成全部收縮的25%，一個(gè)月可完成50% 整

22、個(gè)收縮過(guò)程可延續(xù)兩年以上混凝土開(kāi)裂時(shí)應(yīng)變約為(0.52.7)×，而收縮應(yīng)變終極值約為(25)×，故收縮應(yīng)變?nèi)缡艿郊s束，極易導(dǎo)致開(kāi)裂。 混凝土收縮的影響因素 環(huán)境的溫度、濕度 構(gòu)件斷面形狀及尺寸 配合比 骨料性質(zhì)、水泥性質(zhì) 混凝土澆筑質(zhì)量、養(yǎng)護(hù)條件實(shí)際工程中，一般采用設(shè)置施工縫來(lái)減小收縮應(yīng)力的不利影響。2.2 混凝土（續(xù)-6）混凝土的徐變混凝土在壓應(yīng)力長(zhǎng)期作用下，其壓應(yīng)變隨時(shí)間的增加會(huì)不斷增長(zhǎng)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為徐變。 混凝土徐變對(duì)結(jié)構(gòu)的影響 徐變會(huì)使結(jié)構(gòu)的變形增大，引起預(yù)應(yīng)力損失 徐變有利于結(jié)構(gòu)構(gòu)件產(chǎn)生內(nèi)（應(yīng)）力重分布，減少支座不均勻沉降引起的應(yīng)力和溫度應(yīng)力 在局部應(yīng)力集中區(qū)，徐

23、變可調(diào)整應(yīng)力分布 混凝土徐變隨時(shí)間的發(fā)展規(guī)律（圖2-22）圖2-22 混凝土的收縮和徐變 在初始?jí)簯?yīng)力（0.5）作用瞬間產(chǎn)生瞬時(shí)應(yīng)變 徐變隨作用時(shí)間的延續(xù)而不斷增長(zhǎng) 前4個(gè)月徐變?cè)鲩L(zhǎng)較快，6個(gè)月可達(dá)徐變終極值（7080）%，23年后趨于穩(wěn)定注意！徐變和收縮是同時(shí)發(fā)生的，必須從徐變?cè)嚰淖冃沃锌鄢湛s變形，才可得到徐變變形。圖中為收縮變形。定義徐變變形與初始應(yīng)變的比值為徐變系數(shù)，即 (2-16)當(dāng)0.5時(shí)，徐變趨于穩(wěn)定后=24。 混凝土徐變的影響因素內(nèi)在因素混凝土的組成和配比。骨料的剛度越大，體積比越大，徐變就越小；水灰比越小，徐變也越小。環(huán)境影響?zhàn)B護(hù)條件和使用條件。受荷前養(yǎng)護(hù)的溫濕度越高，徐變

24、就越?。皇芎珊髽?gòu)件所處的環(huán)境溫度越高，相對(duì)濕度越小，徐變就越大。應(yīng)力條件初應(yīng)力水平 /和加荷時(shí)混凝土的齡期，它們是影響徐變的主要因素。由圖2-23可知 當(dāng) 0.5時(shí)，曲線接近等間距分布，徐變與初應(yīng)力基本上成正比，徐變系數(shù)為常數(shù)。稱(chēng)為線性徐變。工程中混凝土的長(zhǎng)期應(yīng)力一般處于線性徐變范圍。 當(dāng) =（0.50.8）時(shí)，徐變最終仍收斂，但徐變系數(shù)隨的增大而增大。稱(chēng)為非線性徐變。圖2-23 初應(yīng)力水平對(duì)徐變的影響 當(dāng)0.8時(shí)，徐變將不收斂，最終導(dǎo)致混凝土的破壞。因此將0.8作為混凝土的長(zhǎng)期抗壓強(qiáng)度。 加荷時(shí)構(gòu)件的齡期 越長(zhǎng)，徐變也越小。 高強(qiáng)混凝土的徐變比普通混凝土小得多。2.3 鋼筋與混凝土的粘結(jié)粘結(jié)

25、的意義鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)性能是鋼筋混凝土構(gòu)件必不可少的第三個(gè)材料性能，是配筋構(gòu)造的基礎(chǔ)。 無(wú)粘結(jié)梁若梁中的鋼筋與混凝土沒(méi)有粘結(jié)（圖2-24a），則在荷載作用下，鋼筋不受力，該梁如同素混凝土梁。 端部有錨固的無(wú)粘結(jié)梁若梁中的鋼筋僅設(shè)置機(jī)械錨固（圖2-24b），則鋼筋應(yīng)力沿全長(zhǎng)相等，其受力猶如二鉸拱，不是梁的受力狀態(tài)。因此我們可以得出結(jié)論只有梁中的鋼筋沿全長(zhǎng)與混凝土有可靠的粘結(jié)，并在端部有可靠的錨固，才符合梁的受力特點(diǎn)。圖2-24 鋼筋與混凝土的粘結(jié)粘結(jié)的概念 軸心受拉構(gòu)件端部的受力分析請(qǐng)看圖2-25?。ㄝS向拉力F施加在端部的鋼筋上）圖2-25 軸心受拉構(gòu)件開(kāi)裂前端部的受力 端部截面鋼筋應(yīng)力=

26、F/，混凝土應(yīng)力=0,二者存在著很大的應(yīng)變差，變形協(xié)調(diào)關(guān)系=不成立； 隨著距端部截面距離的增加，拉力通過(guò)粘結(jié)作用逐漸向混凝土傳遞，應(yīng)變差-逐漸減小（見(jiàn)圖2-25b、d）； 經(jīng)過(guò)一定距離lt的粘結(jié)作用力傳遞后，應(yīng)變差-=0，變形協(xié)調(diào)關(guān)系成立，二者共同受力。由上述分析可知鋼筋與混凝土之間具有足夠的粘結(jié)是保證二者共同受力、變形協(xié)調(diào)的前提。 粘結(jié)應(yīng)力的概念和表達(dá)式 粘結(jié)應(yīng)力的概念單位界面面積上粘結(jié)作用力沿鋼筋軸線方向的分力，即鋼筋與混凝土界面上的粘結(jié)剪應(yīng)力 粘結(jié)應(yīng)力的表達(dá)式, 由圖2-25f鋼筋隔離體的平衡可得 (2-17) 整理可得粘結(jié)應(yīng)力 (2-18)從上式我們可以看出鋼筋應(yīng)力的變化產(chǎn)生粘結(jié)應(yīng)力粘

27、結(jié)應(yīng)力的大小取決于二者的相對(duì)變形（滑移）2.3 鋼筋與混凝土的粘結(jié)（續(xù)-1）粘結(jié)的作用 錨固粘結(jié)圖2-27 鋼筋的錨固先看幾個(gè)鋼筋錨固的例子 圖2-27a和圖2-27c所示懸臂梁固定支座處和柱腳處，鋼筋端頭應(yīng)力為零。欲使鋼筋應(yīng)力得到充分發(fā)揮，必須經(jīng)過(guò)一段錨固長(zhǎng)度粘結(jié)應(yīng)力的積累； 圖2-27b所示梁柱節(jié)點(diǎn)處，上部鋼筋一端為壓應(yīng)力，一端為拉應(yīng)力，應(yīng)力差很大，必須通過(guò)節(jié)點(diǎn)范圍內(nèi)粘結(jié)應(yīng)力的積累才能實(shí)現(xiàn)。 圖2-27d所示鋼筋搭接，屬于錨固粘結(jié)。欲使兩側(cè)的鋼筋均達(dá)到屈服應(yīng)力，必須通過(guò)搭接長(zhǎng)度范圍內(nèi)粘結(jié)應(yīng)力的積累。對(duì)于存在錨固粘結(jié)應(yīng)力的地方，必須保證足夠的錨固長(zhǎng)度，必要時(shí)采取機(jī)械錨固措施，避免產(chǎn)生脆性粘結(jié)

28、破壞。 裂縫間粘結(jié)軸心受拉構(gòu)件開(kāi)裂前，粘結(jié)應(yīng)力僅發(fā)生在構(gòu)件端部；開(kāi)裂后（見(jiàn)圖2-28），粘結(jié)應(yīng)力發(fā)生在裂縫截面兩側(cè)；粘結(jié)應(yīng)力可以減小裂縫寬度、提高構(gòu)件的剛度。圖2-28 裂縫間粘結(jié)應(yīng)力2.3 鋼筋與混凝土的粘結(jié)（續(xù)-2）粘結(jié)的機(jī)理 粘結(jié)作用的組成 水泥膠體與鋼筋表面的膠結(jié)力當(dāng)鋼筋與混凝土產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)后，膠結(jié)作用即喪失 混凝土與鋼筋間的摩擦力取決于握裹力和鋼筋與混凝土表面的摩擦系數(shù) 機(jī)械咬合力變形鋼筋可顯著增加鋼筋與混凝土的機(jī)械咬合作用對(duì)于光面鋼筋，摩擦作用和機(jī)械咬合作用都很有限。為保證光面鋼筋的錨固，通常需在鋼筋端部設(shè)置彎鉤（圖2-29）。 圖2-29 光面鋼筋的端部彎鉤 機(jī)械咬合作用的受力機(jī)

29、理請(qǐng)看圖2-30！圖2-30 變形鋼筋外圍混凝土的內(nèi)裂縫 變形鋼筋受力后，其凸出的肋對(duì)混凝土產(chǎn)生斜向擠壓力 水平分力（軸向拉力和剪力）使產(chǎn)生內(nèi)部斜向錐形裂縫，徑向分力（環(huán)向拉力）使產(chǎn)生內(nèi)部徑向裂縫。 變形鋼筋的粘結(jié)破壞形態(tài)當(dāng)混凝土保護(hù)層、鋼筋間距較小時(shí)，徑向裂縫可發(fā)展達(dá)到構(gòu)件表面，且相互貫通，產(chǎn)生劈裂式粘結(jié)破壞（見(jiàn)圖2-31a）。 圖2-31 粘結(jié)破壞形態(tài)當(dāng)混凝土保護(hù)層厚度較大或者配置有橫向鋼筋時(shí)，徑向裂縫的發(fā)展受到限制，肋前部的混凝土在水平分力和剪力作用下最終將被擠碎，產(chǎn)生所謂 "刮犁式"的剪切型粘結(jié)破壞（見(jiàn)圖2-31b）。2.3 鋼筋與混凝土的粘結(jié)（續(xù)-3）粘結(jié)強(qiáng)度 粘

30、結(jié)強(qiáng)度的測(cè)定設(shè)拔出力為F，則以粘結(jié)破壞（鋼筋拔出或混凝土劈裂）時(shí)鋼筋與混凝土界面上最大平均粘結(jié)應(yīng)力作為粘結(jié)強(qiáng)度，即 (2-19)式中, d鋼筋直徑; l鋼筋錨固長(zhǎng)度或埋長(zhǎng)。圖2-32a所示的拔出試驗(yàn)主要用于測(cè)定錨固長(zhǎng)度。試驗(yàn)中粘結(jié)應(yīng)力分布地不均勻，加上張拉端局部應(yīng)力的影響，故不能準(zhǔn)確測(cè)定粘結(jié)強(qiáng)度。 圖2-32 拔出試驗(yàn)圖2-32b所示的拔出試驗(yàn)在張拉端設(shè)置了(23)d長(zhǎng)的套管，可避免張拉端局部應(yīng)力的影響；有粘結(jié)的錨固長(zhǎng)度僅為5d，其上粘結(jié)應(yīng)力分布較均勻，由此測(cè)定的粘結(jié)強(qiáng)度較為準(zhǔn)確。 粘結(jié)強(qiáng)度的主要影響因素混凝土強(qiáng)度試驗(yàn)表明，粘結(jié)強(qiáng)度與混凝土抗拉強(qiáng)度成正比。保護(hù)層厚度相對(duì)保護(hù)層厚度c/d越大，混

31、凝土抵抗劈裂破壞的能力也越大，粘結(jié)強(qiáng)度越高。鋼筋凈間距鋼筋的粘結(jié)破壞形態(tài)還與鋼筋凈距s有關(guān)（見(jiàn)圖2-33)。 當(dāng)鋼筋凈距較大時(shí)（s>2c），可能是保護(hù)層劈裂； 當(dāng)鋼筋凈距較小時(shí)（s<2c），可能沿鋼筋連線劈裂，導(dǎo)致粘結(jié)強(qiáng)度降低。 圖2-33橫向配筋橫向鋼筋的存在限制了徑向裂縫的發(fā)展，阻止了劈裂破壞的發(fā)生，使粘結(jié)強(qiáng)度得到提高。鋼筋表面特征和外形特征 光面鋼筋表面凹凸較小，機(jī)械咬合作用小，粘結(jié)強(qiáng)度低。 變形鋼筋肋的相對(duì)受力面積（擠壓混凝土的面積與鋼筋截面積的比值）越大，其粘結(jié)強(qiáng)度越大。受力情況 若在錨固范圍內(nèi)存在側(cè)壓力，則可增大鋼筋與混凝土界面的摩擦力，從而提高粘結(jié)強(qiáng)度； 若在錨固范圍

32、內(nèi)存在剪力，則其產(chǎn)生的斜裂縫會(huì)使錨固鋼筋受到銷(xiāo)栓作用而降低粘結(jié)強(qiáng)度； 受反復(fù)荷載作用的鋼筋，肋前肋后的混凝土?xí)粩D碎，導(dǎo)致咬合作用降低，從而降低粘結(jié)強(qiáng)度。錨固長(zhǎng)度 錨固長(zhǎng)度越短，粘結(jié)應(yīng)力分布越均勻，平均粘結(jié)應(yīng)力較高；反之亦然。但總粘結(jié)力隨錨固長(zhǎng)度的增加而增大。 當(dāng)錨固長(zhǎng)度增加到一定值，鋼筋受拉達(dá)到屈服時(shí)未產(chǎn)生粘結(jié)破壞，該臨界錨固長(zhǎng)度稱(chēng)為基本錨固長(zhǎng)度la。將式（2-18）中的換成 ,可得 (2-20)此外，對(duì)混凝土質(zhì)量和強(qiáng)度有影響的因素，如混凝土的坍落度、澆筑質(zhì)量、養(yǎng)護(hù)條件和擾動(dòng)等，以及混凝土澆筑方向、鋼筋在構(gòu)件中的位置等，都對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度產(chǎn)生一定影響。2.3 鋼筋與混凝土的粘結(jié)（續(xù)-4）粘結(jié)應(yīng)力-

33、相對(duì)滑移關(guān)系 鋼筋混凝土分析中的三大基本物理關(guān)系 鋼筋應(yīng)力-應(yīng)變(-)關(guān)系 混凝土應(yīng)力-應(yīng)變(-)關(guān)系 粘結(jié)應(yīng)力-相對(duì)滑移（-s）關(guān)系全面反映了鋼筋與混凝土的粘結(jié)性能 -s關(guān)系的測(cè)定一般采用粘結(jié)強(qiáng)度拔出試驗(yàn)測(cè)定- s關(guān)系。試驗(yàn)中可同時(shí)量測(cè)加載端和自由端的滑移，一般自由端滑移比加載端要滯后（見(jiàn)圖2-34）。 圖2-34 加載端和自由端的-s關(guān)系 圖2-35 光面鋼筋的-s關(guān)系 光面鋼筋的-s關(guān)系（圖2-35） 粘結(jié)強(qiáng)度較低 達(dá)峰值粘結(jié)應(yīng)力后，滑移急劇增大，-s曲線出現(xiàn)下降段。 破壞形態(tài)是剪切型粘結(jié)破壞，滑移可達(dá)數(shù)毫米。 表面狀況對(duì)粘結(jié)性能有很大影響（見(jiàn)圖2-35）。 變形鋼筋的-s關(guān)系（圖2-3

34、6）圖2-36 變形鋼筋的-s 關(guān)系 加載初期，-s關(guān)系接近直線，滑移主要由肋根部混凝土的局部擠壓變形引起； 在斜向擠壓力作用下，混凝土產(chǎn)生內(nèi)部裂縫，-s關(guān)系曲線斜率改變，滑移增加加快，剛度降低； 隨著荷載增大，斜向擠壓力增大，被擠碎的混凝土的粉末物堆積在肋處形成新的滑移面，產(chǎn)生較大的相對(duì)滑移； 當(dāng)徑向裂縫發(fā)展到試件表面時(shí)，產(chǎn)生劈裂裂縫，-s關(guān)系曲線產(chǎn)生明顯的轉(zhuǎn)折； 此后，滑移急劇增大，隨劈裂裂縫沿試件長(zhǎng)度的發(fā)展，很快達(dá)到峰值粘結(jié)應(yīng)力。常見(jiàn)的變形鋼筋有月牙肋和螺紋肋兩種。由圖2-37知，月牙肋鋼筋的粘結(jié)強(qiáng)度雖比螺旋肋有所降低，但其下降段平緩，強(qiáng)度降低較慢，延性較好。故工程中大都采用月牙肋變形鋼

35、筋。 圖2-37 月牙肋與螺紋肋變形鋼筋-s關(guān)系的對(duì)比 圖2-38 橫向鋼筋對(duì)-s關(guān)系的影響 橫向鋼筋對(duì)-s關(guān)系曲線的影響（圖2-38） 內(nèi)裂縫出現(xiàn)前，橫向配筋對(duì)-s關(guān)系曲線并無(wú)影響； 內(nèi)裂縫出現(xiàn)后，其發(fā)展受到橫向鋼筋約束，使得-s關(guān)系曲線的斜率增大； 劈裂裂縫出現(xiàn)后，受到橫向鋼筋的控制，直至發(fā)生剪切型的“刮犁式”破壞。下降段比較平緩，延性較好。2.4 材料強(qiáng)度代表值強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值 強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的概念為保證設(shè)計(jì)時(shí)材料強(qiáng)度取值的可靠性，一般對(duì)同一等級(jí)的材料，取具有一定保證率的強(qiáng)度值作為該等級(jí)強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值。規(guī)范規(guī)定材料強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)具有不小于95%的保證率, 即 (2-21)材料強(qiáng)度平均值 變異系數(shù)，C

36、40級(jí)以下混凝土，=0.12；對(duì)C60級(jí)，=0.10；對(duì)C80級(jí)，=0.08。 混凝土的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值 混凝土立方體強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值即為混凝土強(qiáng)度等級(jí) 利用混凝土軸心抗壓（拉）強(qiáng)度與立方體強(qiáng)度之間的關(guān)系，則可確定混凝土軸心抗壓（拉）強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。規(guī)范采用如下的折減系數(shù)： 實(shí)際結(jié)構(gòu)與實(shí)驗(yàn)室差別的折減系數(shù)，取=0.88 混凝土脆性折減系數(shù)，對(duì)C40及其以下的混凝土取=1.0，對(duì)C80取=0.87，中間線性插值。因此,混凝土軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為 混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為 根據(jù)以上計(jì)算，規(guī)范各級(jí)混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值和軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值見(jiàn)附表2。 鋼筋的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值 按我國(guó)冶金生產(chǎn)鋼材質(zhì)量的控制標(biāo)準(zhǔn)，鋼材產(chǎn)品出廠時(shí)的廢品限值具有97.73%的保證率。 規(guī)范中鋼筋的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值取鋼材質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)的廢品限值，滿足保證率95%的要求。普通鋼筋的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值見(jiàn)附表5；預(yù)應(yīng)力鋼筋的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值見(jiàn)附表6。強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為保證結(jié)構(gòu)或構(gòu)件設(shè)計(jì)安全性，規(guī)范進(jìn)一步引入材料強(qiáng)度分項(xiàng)系數(shù)對(duì)材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行折減，折減后的強(qiáng)度指標(biāo)稱(chēng)為材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，