第二章 材料性能

混凝土結(jié)構(gòu)基本原理城建學(xué)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(xué)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(xué)性能2.2鋼筋的物理力學(xué)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(xué)性能2.2鋼筋的物理力學(xué)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(shí)間和環(huán)境條件而變化的一種多相混合材料，力學(xué)性能復(fù)雜多變施工因素2.1混凝土混凝土的強(qiáng)度混凝土的變形混凝土的選用原則2.1.1單軸向應(yīng)力狀態(tài)下的混凝土強(qiáng)度立方體抗壓強(qiáng)度軸心抗壓強(qiáng)度軸心抗拉強(qiáng)度立方體抗壓強(qiáng)度混凝土結(jié)構(gòu)中，主要是利用它的抗壓強(qiáng)度。因此抗壓強(qiáng)度是混凝土力學(xué)性能中最主要和最基本的指標(biāo)。我國(guó)《規(guī)范》規(guī)定，混凝土強(qiáng)度等級(jí)應(yīng)按立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值確定?；炷量箟簭?qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值是指用邊長(zhǎng)為150mm的標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室（溫度20±3oc，相對(duì)濕度不小于90%）養(yǎng)護(hù)28天后，以大約每秒0.3~0.8N/mm2的速度在試驗(yàn)機(jī)上加壓至破壞，所測(cè)得的具有95%保證率的抗壓強(qiáng)度。用符號(hào)fcu,k表示?；炷恋膹?qiáng)度等級(jí)混凝土的強(qiáng)度等級(jí)以符號(hào)C表示，單位N/mm2。如C20級(jí)混凝土，就表示混凝土立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為20N/mm2（即20Mpa）。

《規(guī)范》根據(jù)強(qiáng)度范圍，從C15~C80共劃分為14個(gè)強(qiáng)度等級(jí)，級(jí)差為5N/mm2。一般將混凝土等級(jí)≥C50的混凝土稱為高強(qiáng)混凝土。立方體抗壓強(qiáng)度的影響因素尺寸效應(yīng)：尺寸越大，測(cè)得的強(qiáng)度越低。試驗(yàn)方法：加載面有橫向摩擦力時(shí)強(qiáng)度高，消除摩擦力后強(qiáng)度降低?！兑?guī)范》規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法是不加潤(rùn)滑劑的。加載速度：加載速度越快則強(qiáng)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(qiáng)度換算系數(shù)200×200×2001.05150×150×1501.00100×100×1000.95軸心抗壓強(qiáng)度按標(biāo)準(zhǔn)方法制作的150mm×l50mm×300mm的棱柱體試件，在溫度為20土3℃和相對(duì)濕度為90％以上的條件下養(yǎng)護(hù)28d，用標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法測(cè)得的具有95％保證率的抗壓強(qiáng)度，稱為軸心抗壓強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值，用fc,k表示。對(duì)于同一混凝土，棱柱體抗壓強(qiáng)度小于立方體抗壓強(qiáng)度?？紤]到實(shí)際結(jié)構(gòu)構(gòu)件制作、養(yǎng)護(hù)和受力情況，實(shí)際構(gòu)件強(qiáng)度與試件強(qiáng)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(guān)系為：式中：

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

混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度可以采用直接軸心受拉的試驗(yàn)方法來測(cè)定，但由于試驗(yàn)比較困難，目前國(guó)內(nèi)外主要采用圓柱體或立方體的劈裂試驗(yàn)來間接測(cè)試混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度。軸心抗拉強(qiáng)度

《規(guī)范》規(guī)定取軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值與立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的換算關(guān)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(yàn)表明，劈裂抗拉強(qiáng)度略大于直接受拉強(qiáng)度，劈裂抗拉試件大小對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有一定的影響，標(biāo)準(zhǔn)試件尺寸為150mm×150mm×150mm，若采用100×100×100mm的非標(biāo)準(zhǔn)試件時(shí)，所得強(qiáng)度值應(yīng)乘以尺寸換算系數(shù)0.85。

軸心抗拉強(qiáng)度2.1.2復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)下的混凝土強(qiáng)度實(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)。拉-拉稍有降低拉-壓明顯降低壓-壓明顯提高雙向（二）軸應(yīng)力狀態(tài)法向應(yīng)力和剪應(yīng)力共同作用混凝土的抗剪強(qiáng)度：隨拉應(yīng)力增大而減小隨壓應(yīng)力增大而增大當(dāng)壓應(yīng)力在0.6fc左右時(shí)，抗剪強(qiáng)度達(dá)到最大，壓應(yīng)力繼續(xù)增大，則由于內(nèi)裂縫發(fā)展明顯，抗剪強(qiáng)度將隨壓應(yīng)力的增大而減小。

三軸應(yīng)力狀態(tài)有多種組合，實(shí)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(yàn)一般采用圓柱體在等側(cè)壓條件進(jìn)行。圖1—22三軸受壓下混凝土的強(qiáng)度關(guān)系式中——被約束混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度；

——非約束混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度；

——側(cè)向約束壓應(yīng)力。

側(cè)向壓應(yīng)力的存在還可提高混凝土的延性。

三向（三軸）應(yīng)力狀態(tài)2.1混凝土混凝土的強(qiáng)度混凝土的變形混凝土的選用原則02468102030s(MPa)e×10-3BACEDA點(diǎn)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(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系近似直線。A點(diǎn)應(yīng)力隨混凝土強(qiáng)度的提高而增加，對(duì)普通強(qiáng)度混凝土sA約為

(0.3~0.4)fc，對(duì)高強(qiáng)混凝土sA可達(dá)(0.5~0.7)fc。A點(diǎn)以后，由于微裂縫處的應(yīng)力集中，裂縫開始有所延伸發(fā)展，產(chǎn)生部分塑性變形，應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)開始加快，應(yīng)力-應(yīng)變曲線逐漸偏離直線。微裂縫的發(fā)展導(dǎo)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。混凝土在結(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(dá)到B點(diǎn)，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(yīng)變開始由壓縮轉(zhuǎn)為增加。在此應(yīng)力的長(zhǎng)期作用下，裂縫會(huì)持續(xù)發(fā)展最終導(dǎo)致破壞。取B點(diǎn)的應(yīng)力作為混凝土的長(zhǎng)期抗壓強(qiáng)度。普通強(qiáng)度混凝土sB約為0.8fc，高強(qiáng)強(qiáng)度混凝土sB可達(dá)0.95fc以上。達(dá)到C點(diǎn)fc，內(nèi)部微裂縫連通形成破壞面，應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速度明顯加快，C點(diǎn)的縱向應(yīng)變值稱為峰值應(yīng)變

e0，約為0.002?？v向應(yīng)變發(fā)展達(dá)到D點(diǎn)，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(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)，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(diǎn)的應(yīng)變e=(2~3)e0，應(yīng)力s=(0.4~0.6)fc。一次短期加載時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線不同強(qiáng)度混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線強(qiáng)度等級(jí)越高，線彈性段和峰值應(yīng)變變化不大，但下降段則短而陡，延性變差。一次短期加載時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線單軸向受壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系我國(guó)規(guī)范采用的應(yīng)力應(yīng)變曲線方程軸向受拉時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)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(shí)基本一致，可取相同數(shù)值。彈性模量的測(cè)定混凝土在長(zhǎng)期荷載作用下的變形混凝土在荷載的長(zhǎng)期作用下，其變形隨時(shí)間而不斷增長(zhǎng)的現(xiàn)象稱為徐變。徐變對(duì)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(huì)使構(gòu)件的變形增加，在鋼筋混凝土截面中引起應(yīng)力重分布，在預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中會(huì)造成預(yù)應(yīng)力的損失?；炷恋男熳兲匦灾饕c時(shí)間參數(shù)有關(guān)。徐變

徐變是水泥石中的凝膠體粘性流動(dòng)的結(jié)果，也受微裂縫在長(zhǎng)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(yīng)當(dāng)避免經(jīng)常處于不變的高應(yīng)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?cè)叫　－h(huán)境影響包括養(yǎng)護(hù)和使用條件。受荷前養(yǎng)護(hù)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(hù)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(duì)濕度越小，徐變就越大。應(yīng)力條件、加荷時(shí)間對(duì)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(shí)體積會(huì)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(dāng)這種自發(fā)的變形受到外部（支座）或內(nèi)部（鋼筋）的約束時(shí)，將使混凝土中產(chǎn)生拉應(yīng)力，甚至引起混凝土的開裂?；炷潦湛s會(huì)使預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力損失?；炷恋姆鞘芰ψ冃位炷恋氖湛s

收縮的影響因素（1）水泥的品種：水泥強(qiáng)度等級(jí)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(jí)配好，收縮就小。（4）養(yǎng)護(hù)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(shí)，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(shí)，收縮小。溫度變形溫度變化引起的溫度應(yīng)力可能會(huì)使混凝土形成貫穿性裂縫，進(jìn)而導(dǎo)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(yīng)力極易使結(jié)構(gòu)開裂，需要進(jìn)行溫差控制施工。1.2混凝土混凝土的強(qiáng)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(qiáng)度等級(jí)不應(yīng)低于C20當(dāng)采用400MPa及以上鋼筋時(shí)，混凝土強(qiáng)度等級(jí)不應(yīng)低于C25預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的混凝土強(qiáng)度等級(jí)不宜低于C40，且不應(yīng)低于C30承受重復(fù)荷載的鋼筋混凝土構(gòu)件，混凝土的強(qiáng)度等級(jí)不應(yīng)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(xué)性能2.2鋼筋的物理力學(xué)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(duì)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(jí)HRB335級(jí)、HRBF335級(jí)、HRB400級(jí)、

HRBF400級(jí)、RRB400級(jí)HRB500級(jí)、HRBF500級(jí)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(qiáng)度熱軋光圓鋼筋熱軋鋼筋的分類HPB300級(jí)HRB335級(jí)、HRBF335級(jí)、HRB400級(jí)、

HRBF400級(jí)、RRB400級(jí)HRB500級(jí)、HRBF500級(jí)鋼筋的類型、品種和級(jí)別HRB335

hotrolledribbedbarHRBF335

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

HRBF400級(jí)、RRB400級(jí)HRB500級(jí)、HRBF500級(jí)鋼筋的類型、品種和級(jí)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(jí)HRB335級(jí)HRBF335級(jí)HRB400級(jí)

HRBF400級(jí)RRB400級(jí)HRB500級(jí)

HRBF500級(jí)鋼筋的類型、品種和級(jí)別FFRF熱軋鋼筋的力學(xué)性能sea’abcdefua′為比例極限oa為彈性階段de為強(qiáng)化階段b為屈服上限c為屈服下限，即屈服強(qiáng)度fycd為屈服臺(tái)階e為極限抗拉強(qiáng)度

fu

fyfef為頸縮階段熱軋鋼筋的力學(xué)性能強(qiáng)度屈服強(qiáng)度：是鋼筋強(qiáng)度的設(shè)計(jì)依據(jù)，因?yàn)殇摻钋髮l(fā)生很大的塑性變形，且卸載時(shí)這部分變形不可恢復(fù)，這會(huì)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(guān)，不太穩(wěn)定，一般取屈服下限作為屈服強(qiáng)度。屈強(qiáng)比：反映鋼筋的強(qiáng)度儲(chǔ)備

fy/fu=0.6~0.7簡(jiǎn)化的應(yīng)力-應(yīng)變曲線熱軋鋼筋的力學(xué)性能塑性伸長(zhǎng)率：鋼筋拉斷后的伸長(zhǎng)值與原長(zhǎng)的比率，是反映鋼筋塑性性能的指標(biāo)。延伸率大的鋼筋，在拉斷前有足夠預(yù)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(yàn)來檢驗(yàn)。保證鋼筋在彎折加工時(shí)不致斷裂和使用過程中不致脆斷。無明顯流幅的鋼筋a點(diǎn)：比例極限，約為0.65fua點(diǎn)前：應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為線彈性a點(diǎn)后：應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為非線性，有一定塑性變形，且沒有明顯的屈服點(diǎn)強(qiáng)度設(shè)計(jì)指標(biāo)——條件屈服點(diǎn)殘余應(yīng)變?yōu)?.2%所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力《規(guī)范》取s0.2=0.85fu鋼筋的本構(gòu)關(guān)系2.2鋼筋鋼筋的品種與性能混凝土結(jié)構(gòu)對(duì)鋼筋性能的要求鋼筋的選用原則混凝土結(jié)構(gòu)對(duì)鋼筋性能的要求強(qiáng)度：鋼筋應(yīng)具有可靠的屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度，鋼筋的強(qiáng)度越高，鋼材的用量越少。要求鋼筋有足夠的強(qiáng)度和適宜的強(qiáng)屈比(極限強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度的比值)。例如，對(duì)抗震等級(jí)為一、二級(jí)的框架結(jié)構(gòu)，其縱向受力鋼筋的實(shí)際強(qiáng)屈比不應(yīng)小于1.25。延性：要求鋼筋應(yīng)有足夠的變形能力破壞前的預(yù)兆。應(yīng)保證鋼筋的伸長(zhǎng)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(jī)械連接性能：以便能方便地在工地上軋制螺紋，以便進(jìn)行機(jī)械連接（如套筒連接）。施工適應(yīng)性：方便于在工地上對(duì)鋼筋進(jìn)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?；炷两Y(jié)構(gòu)對(duì)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(duì)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(qiáng)度較高、塑性較好、價(jià)格較低的鋼材。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中的非預(yù)應(yīng)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(guó)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(xué)性能2.2鋼筋的物理力學(xué)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(yīng)力-滑移關(guān)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(yīng)力-滑移關(guān)系鋼筋的錨固粘結(jié)力的定義粘結(jié)應(yīng)力：鋼筋與混凝土接觸面上產(chǎn)生的沿鋼筋縱向的剪應(yīng)力粘結(jié)應(yīng)力分為錨固粘結(jié)應(yīng)力和局部粘結(jié)應(yīng)力粘結(jié)作用使鋼筋與混凝土兩者之間可進(jìn)行應(yīng)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(yīng)力-滑移關(guān)系鋼筋的錨固粘結(jié)力的組成鋼筋與混凝土表面的化學(xué)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(jī)械咬合力。粘結(jié)力的組成鋼筋與混凝土表面的化學(xué)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(jī)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(yīng)力-滑移關(guān)系鋼筋的錨固粘結(jié)應(yīng)力-滑移關(guān)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(yīng)力-滑移關(guān)系鋼筋的錨固1.基本錨固長(zhǎng)度原則鋼筋屈服時(shí)正好發(fā)生錨固破壞對(duì)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(zhǎng)度基本錨固長(zhǎng)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(qiáng)度設(shè)計(jì)值，高于C40時(shí)按C40取值。2.受拉鋼筋的錨