混凝土結(jié)構(gòu)材料的物理力學性能四

第2章混凝土結(jié)構(gòu)材料的物理力學性能2.1混凝土的物理力學性能2.1.1單軸向應力狀態(tài)下的混凝土強度

雖然實際工程中的混凝土結(jié)構(gòu)和構(gòu)件一般處于復合應力狀態(tài)，但是單軸向受力狀態(tài)下混凝土的強度是復合應力狀態(tài)下強度的基礎和重要參數(shù)。

混凝土試件的大小和形狀、試驗方法和加載速率都影響混凝土強度的試驗結(jié)果，因此各國對各種單軸向受力下的混凝土強度都規(guī)定了統(tǒng)一的標準試驗方法。1混凝土的抗壓強度(1)混凝土的立方體抗壓強度fcu,k和強度等級我國《混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》規(guī)定以邊長為150mm的立方體為標準試件，標準立方體試件在(20±3)℃的溫度和相對濕度90%以上的潮濕空氣中養(yǎng)護28d，按照標準試驗方法測得的抗壓強度作為混凝土的立方體抗壓強度，單位為“N/mm2”。用上述標準試驗方法測得的具有95%保證率的立方體抗壓強度作為混凝土的強度等級?！痘炷两Y(jié)構(gòu)設計規(guī)范》規(guī)定的混凝土強度等級有C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75和C80，共14個等級。例如，C30表示立方體抗壓強度標準值為30N/mm2。其中，C50～C80屬高強度混凝土范疇。圖2-1混凝土立方體試塊的破壞情況(a)不涂潤滑劑；(b)涂潤滑劑(2)混凝土的軸心抗壓強度混凝土的抗壓強度與試件的形狀有關,采用棱柱體比立方體能更好地反映混凝土結(jié)構(gòu)的實際抗壓能力。用混凝土棱柱體試件測得的抗壓強度稱為軸心抗壓強度。圖2-2混凝土棱柱體抗壓試驗和破壞情況

我國《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T50081—2002)規(guī)定以150mm×150mm×300mm的棱柱體作為混凝土軸心抗壓強度試驗的標準試件?！痘炷两Y(jié)構(gòu)設計規(guī)范》規(guī)定以上述棱柱體試件試驗測得的具有95%保證率的抗壓強度為混凝土軸心抗壓強度標準值，用符號fck表示，下標c表示受壓，k表示標準值。圖2-3混凝土軸心抗壓強度與立方體抗壓強度的關系

考慮到實際結(jié)構(gòu)構(gòu)件制作、養(yǎng)護和受力情況等方面與試件的差別，實際構(gòu)件強度與試件強度之間將存在差異，《混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》基于安全取偏低值，軸心抗壓強度標準值與立方體抗壓強度標準值的關系按下式確定：為棱柱體抗壓強度與立方體抗壓強度之比，對混凝土強度等級為C50及以下的取0.76，對C80取0.82，兩者之間按直線規(guī)律變化取值。為高強度混凝土的脆性折減系數(shù)，對C40及以下取1.00，對C80取0.87，中間按直線規(guī)律變化取值。0.88為考慮實際構(gòu)件與試件混凝土強度之間的差異而取用的折減系數(shù)。國外常采用混凝土圓柱體試件來確定混凝土軸心抗壓強度。例如美國、日本和歐洲混凝土協(xié)會(CEB)都采用直徑6英寸(152mm)、高12英寸(305mm)的圓柱體標準試件的抗壓強度作為軸心抗壓強度的指標，記作f′c。對C60以下的混凝土，圓柱體抗壓強度f′c和立方體抗壓強度標準值fcu,k之間的關系可按下式計算。當fcu,k超過60N/mm2后隨著抗壓強度的提高，f′c與fcu,k的比值（即公式中的系數(shù)）也提高。CEB-FIP和MC-90給出：對C60的混凝土，比值為0.833；對C70的混凝土，比值為0.857；對C80的混凝土，比值為0.875。2混凝土的軸心抗拉強度抗拉強度是混凝土的基本力學指標之一，其標準值用ftk表示，下標t表示受拉，k表示標準值?；炷恋妮S心抗拉強度可以采用直接軸心受拉的試驗方法來測定。圖2-4混凝土軸心抗拉強度和立方體抗壓強度的關系F——破壞荷載；d——圓柱體直徑或立方體邊長；l——圓柱體長度或立方體邊長。圖2-5混凝土劈裂試驗示意圖(a)用圓柱體進行劈裂試驗；(b)用立方體進行劈裂試驗；(c)劈裂面中水平應力分布1—壓力機上壓板；2—弧形墊條及墊層各一條；3—試件；4—澆模頂面；5—澆模底面；6—壓力機下壓板；7—試件破裂線2.1.2復合應力狀態(tài)下混凝土的強度

混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件實際上大多處于復合應力狀態(tài)，例如框架梁要承受彎矩和剪力的作用；框架柱除了承受彎矩和剪力外還要承受軸向力；框架節(jié)點區(qū)混凝土的受力狀態(tài)就更復雜。同時，研究復合應力狀態(tài)下混凝土的強度，對于認識混凝土的強度理論也有重要的意義。圖2-6雙向應力狀態(tài)下混凝土的破壞包絡圖1雙向應力狀態(tài)圖2-7法向應力和剪應力組合的破壞曲線A—軸心受拉；B—純剪；C—剪壓；D—軸心受壓2三向受壓狀態(tài)三向受壓下混凝土圓柱體的軸向應力應變曲線可以由周圍用液體壓力加以約束的圓柱體進行加壓試驗得到，在加壓過程中保持液壓為常值，逐漸增加軸向壓力直至破壞，并量測其軸向應變的變化。圖2-8混凝土圓柱體三向受壓試驗時軸向應力-應變曲線2.1.3混凝土的變形

混凝土在一次短期加載、長期加載和多次重復荷載作用下都會產(chǎn)生變形，這類變形稱為受力變形。另外，混凝土的收縮以及溫度和濕度變化也會產(chǎn)生變形，這類變形稱為體積變形?；炷恋淖冃问瞧渲匾锢砹W性能之一。1一次短期加載下混凝土的變形性能(1)混凝土受壓時的應力-應變關系圖2-9混凝土棱柱體受壓應力-應變曲線圖2-10不同強度的混凝土的應力-應變曲線比較混凝土應力-應變曲線的形狀和特征是混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的力學標志。

隨著混凝土強度的提高，盡管上升段和峰值應變的變化不很顯著，但是下降段的形狀有較大的差異，混凝土強度越高，下降段的坡度越陡，即應力下降相同幅度時變形越小，延性越差。(2)混凝土單軸向受壓應力-應變本構(gòu)關系曲線1)美國E.Hognestad建議的模型圖2-11Hognestad建議的應力-應變曲線上升段：下降段：圖2-12Rüsch建議的應力-應變曲線2)德國Rüsch建議的模型(3)混凝土軸向受拉時的應力-應變關系圖2-13不同強度的混凝土拉伸應力-應變?nèi)€(4)混凝土的變形模量圖2-14混凝土變形模量的表示方法1)混凝土的彈性模量（即原點模量）2)混凝土的變形模量3)混凝土的切線模量

可以看出，混凝土的切線模量是一個變值，它隨著混凝土應力的增大而減小。需要注意的是，混凝土不是彈性材料，所以不能用已知的混凝土應變乘以規(guī)范中所給的彈性模量值去求混凝土的應力。只有當混凝土應力很低時，它的彈性模量與變形模量值才近似相等?；炷恋膹椥阅Ａ靠砂聪率接嬎悖?荷載長期作用下混凝土的變形性能圖2-15混凝土的徐變(應變與時間的關系曲線)圖2-16壓應力與徐變的關系圖2-17不同應力/強度比值再的徐變時總間曲線3混凝土氣的收縮鵲與膨脹圖2-1玩8混凝土送的收縮影響混著凝土收時縮的因返素有：(1)水泥的得品種：水泥強第度等級越備高制成的猛混凝土收貌縮越大。(2)水泥的動用量：水泥零越多，煉收縮越杯大；水拾灰比越包大，收洲縮也越似大。(3)骨料的贈性質(zhì)：骨料的現(xiàn)彈性模量遷大，收縮反小。(4)養(yǎng)護條壤件：在結(jié)學硬過程妄中周圍頓溫、濕揀度越大蛇，收縮默越小。(5)混凝土制去作方法：混凝聞土越密怪實，收蘇縮越小啞。(6)使用環(huán)埋境：使用律環(huán)境溫度互、濕度大轉(zhuǎn)時，收縮瀉小。(7)構(gòu)件的德體積與將表面積哥比值：比值大螞時，收縮閑小。2.1.寬4混凝土甚的疲勞混凝土的沿疲勞是在荷載重復厲作用下產(chǎn)生的挖。疲勞現(xiàn)象濁大量存在們于工程結(jié)訊構(gòu)中，鋼弓筋混凝土慣吊車梁、荷鋼筋混凝切土橋以及廉港口海岸膚的混凝土表結(jié)構(gòu)等都騙要受到吊帳車荷載、降車輛荷載槍以及波浪境沖擊等幾穩(wěn)百萬次的使作用?；戽i凝土在重貨復荷載作奴用下的破蛋壞稱為疲頑勞破壞。圖2-1財9混凝土睡在重復滴荷載作剛用下的鏟受壓應其力-應變曲餐線混凝土英的疲勞話強度用篇疲勞試做驗測定握。疲勞輪試驗采訊用100斗mm×叼100版mm×幟300訂mm或150芳mm×概150禁mm×足450騰mm的棱柱體癥，把能使囑棱柱體試計件承受200萬次或其以殼上循環(huán)亞荷載而省發(fā)生破違壞的壓畜應力值葉稱為混豎凝土的齡疲勞抗斷壓強度避?；炷了幍钠谡`強度與坡重復作忠用時應晶力變化宗的幅度道有關。格在相同戚的重復醋次數(shù)下碎，疲勞牧強度隨托著疲勞過應力比季值的減肅小而增族大。疲獅勞應力某比值按炒下式計凈算：2.2鋼筋的屋物理力斜學性能2.2.豪1鋼筋的究種類混凝土顫結(jié)構(gòu)中熟采用的柔鋼筋有柔性鋼筋和勁性鋼士筋兩種。1柔性鋼佛筋圖2-20鋼筋的鍵外形（a)光圓鋼筋；(b)螺旋紋鋼造筋；(c)人字紋連鋼筋；(d)月牙紋鋼懼筋線形的悟普通鋼乎筋統(tǒng)稱弄為柔性技鋼筋，躍其外形享有光圓酬和帶肋據(jù)兩類。2勁性鋼筋勁性鋼樂筋是指款配置在初混凝土燥中的各爆種型鋼、零鋼軌或閣者用鋼希板焊成炸的鋼骨緞架。勁性鋼猴筋本身剛鴉度很大，終施工時模腐板及混凝喘土的重力崖可以由勁今性鋼筋本迅身來承擔厭，因此能蛾加速并簡堪化支模工禁作。配置糖了勁性鋼溉筋的混凝攻土結(jié)構(gòu)具顧有較大的吹承載能力蛇和變形能襖力，常用秒于高層建召筑的框架尋梁、柱以善及剪力墻廁和筒體結(jié)杯構(gòu)中。2.2內(nèi).2國產(chǎn)普做通鋼筋《混凝土食結(jié)構(gòu)設宵計規(guī)范》規(guī)定，用伙于鋼筋混鞠凝土結(jié)構(gòu)來的國產(chǎn)普事通鋼筋為熱軋鋼筋。熱軋鋼債筋是低碳案鋼、普通淘低合金鋼須在高溫狀豪態(tài)下軋制聲而成的軟扭鋼，其應屠力-應變曲線扭有明顯的祖屈服點和擠流幅，斷旨裂時有頸屑縮現(xiàn)象，升伸長率比泊較大。1強度等級隨和牌號國產(chǎn)普通既鋼筋按其臭屈服強度于標準值的抗高低，分魄為4個強度雜等級：300銀MPa、335M嚇Pa、400M撫Pa和500撇MPa。2工程應村用《混凝土結(jié)蓬構(gòu)設計規(guī)軍范》提出了推鐵廣高強度徹、高性能辮鋼筋HRB4巾00和HRB5緣瑞00的要求撞。因此根，本教貌材的例峰題中，蹦對梁、辮柱的縱盟向受力瓜鋼筋將籍主要采稱用這兩崇種鋼筋駛，特別膛是HRB4斑00。箍筋宜察采用HRB自400、HRBF法400、HRB3林35和HPB效300。光圓鋼偷筋HPB灘300雖然也可查用作縱向劑受力鋼筋徑，因其強劑度較低，蔽故主要用呆作箍筋。當HRB5卡00和HRBF萄500用作箍丸筋時，趕只能用辯于約束吐混凝土旨的間接株鋼筋，郊即螺旋修箍筋或美焊接環(huán)宋筋，見5.2.厲2節(jié)。細晶粒為系列HRBF鋼筋、HRB5摧00和熱處理折鋼筋RRB題400都不能毅用作承際受疲勞蝴作用的掠鋼筋，侮這時宜太采用HRB基400鋼筋。工地上常脫把上述4個強度蟲等級的朽鋼筋俗杰稱為Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級和Ⅳ級鋼筋，腸但在施工言圖和正式魄文件中，扶都不應采蓬用此俗稱洲。2.2澤.3鋼筋的脖強度與迫變形圖2-21有明顯流繳幅的鋼筋圖的應力-應變曲線有明顯覆流幅的箱熱軋鋼騙筋屈服云強度是辨按屈服掏下限確若定的。對有明聚顯流幅艷的鋼筋界，在計途算承載漸力時以錫屈服點悲作為鋼跟筋強度股限值。對沒有順明顯流燒幅或屈吩服點的學預應力逼鋼筋，濾一般取閉殘余應孟變0.2%所對應荒的應力喝作為其住條件屈塔服強度沸標準值悉。圖2-22無明顯流墻幅的鋼筋再的應力-應變曲刺線2.2霸.4鋼筋本欺構(gòu)關系鋼筋單便調(diào)加載寇的應力-應變本姻構(gòu)關系床曲線有舍以下三侮種：1描述完全蓄彈塑性的隸雙直線模頭型雙直線都模型適冬用于流并幅較長慶的低強賢度鋼材己。2描述完糾全彈塑學性加硬痰化的三獅折線模寫型三折線猴模型適扇用于流河幅較短稀的軟鋼深，要求火它可以次描述屈圍服后立冰即發(fā)生碑應變硬泰化(應力強化)，并能停正確地制估計高雕出屈服棚應變后分的應力林。3描述彈塑歷性的雙斜包線模型雙斜線出模型可啊以描述勻沒有明蠟顯流幅運的高強暖鋼筋或原鋼絲的晃應力-應變曲線離。2.2育.5鋼筋的推疲勞鋼筋的斃疲勞是求指鋼筋賠在承受事重復、肚周期性睛的動荷閉載作用狹下，經(jīng)猶過一定嘩次數(shù)后差，突然脆性斷裂的現(xiàn)象。鋼吊車梁、帳橋面板、塊軌枕等承鞭受重復荷隨載的鋼筋君混凝土構(gòu)簽件在正常餃使用期間追會由于疲蟻勞發(fā)生破艇壞。鋼筋疲淺勞斷裂童的原因岸，一般榮認為是可由于鋼身筋內(nèi)部肥和外部儉的缺陷粗，在這湖些薄弱垮處容易藥引起應縱力集中梳。應力奸過高，振鋼材晶永?；歧R，產(chǎn)生化疲勞裂濾紋，應藏力重復觸作用次夾數(shù)增加魂，裂紋岡擴展，解從而造同成斷裂毒。因此鋼筋的橫疲勞強權(quán)度低于古其在靜案荷載作具用下的莊極限強周度。原狀鋼謠筋的疲勞款強度最低申。埋置在孩混凝土中偉的鋼筋的線疲勞斷裂梯通常發(fā)生醉在純彎段非內(nèi)裂縫截福面附近，墨疲勞強度籃稍高。鋼筋的金疲勞試范驗有兩些種方法雹：一種恐是直接誓進行單楊根原狀漲鋼筋軸扭拉試驗仁；另一侄種是將逗鋼筋埋讓入混凝聲土中使邁其重復錫受拉或餅受彎的劉試驗。貸由于影撓響鋼筋耐疲勞強折度的因污素很多諸，鋼筋刪疲勞強箏度試驗桌結(jié)果是延很分散拒的。我蒸國采用初直接做訂單根鋼悉筋軸拉革試驗的尚方法。2.2.方6混凝土盛結(jié)構(gòu)對疑鋼筋性肢能的要守求鋼筋的強議度鋼筋的業(yè)延性鋼筋的撐可焊性機械連囑接性能施工適應恥性鋼筋與噴混凝土字的粘結(jié)妥力2.3混凝土與藏鋼筋的粘組結(jié)2.3誓.1粘結(jié)的塘意義混凝土與釣鋼筋的粘灘結(jié)是指鋼流筋與周圍寨混凝土之婆間的相互選作用，包熱括沿鋼筋惰長度的粘還結(jié)和鋼筋陷端部的錨耕固兩種情儲況。圖2-2槳4鋼筋和混脊凝土之間猜粘結(jié)應力舉示意圖(a)錨固粘結(jié)繡應力；(b)裂縫間的流局部粘結(jié)禿應力2.3.駛2粘結(jié)力的屈組成光圓鋼到筋與混戰(zhàn)凝土的當粘結(jié)作秘用主要深由以下勿三部分驕組成：(1)鋼筋與掉混凝土診接觸面食上的膠結(jié)力。這種費膠結(jié)力濟來自水率泥漿體對撫鋼筋表遍面氧化歪層的滲建透以及右水化過娘程中水賽泥晶體賴的生長嚼和硬化野。這種燙膠結(jié)力約一般很真小，僅始在受力非階段的雹局部無哥滑移區(qū)鹽域起作液用，當拴接觸面向發(fā)生相喊對滑移循時即消樓失。(2)混凝土紀收縮握伯裹鋼筋槍而產(chǎn)生摩阻力?；炷郎贤聊逃鄷r收縮奧，對鋼擁筋產(chǎn)生冶垂直于病摩擦面叮的壓應螞力。這宋種壓應雷力越大年，接觸腦面的粗挪糙程度芬越大，歌摩阻力漫就越大把。(3)鋼筋表歡面凹凸朋不平與舒混凝土鹿之間產(chǎn)巨生的機械咬合族力。對于光標圓鋼筋這丙種咬合力霧來自表面塑的粗糙不際平。帶肋鋼筋赤的橫肋對慎混凝土的皺擠壓如同賽一個楔，商會產(chǎn)生很續(xù)大的機械胳咬合力。帶肋鋼筋與混望凝土之間乞的這種機蒸械咬合作陵用，改變秋了鋼筋與貸混凝土間叨相互作用部的方式，差顯著提高深了粘結(jié)強海度。圖2-25給出了帶肋鋼筋對周沿圍混凝土大的斜向擠找壓力從而劃使得周圍蚊混凝土產(chǎn)惹生內(nèi)裂縫祖的示意圖筆。圖2-25帶肋鋼筋嘴周圍混凝心土的內(nèi)裂飄縫光圓鋼筋戲的粘結(jié)機土理與帶肋鋼筋的主燙要差別是戶，光圓鋼染筋的粘結(jié)脆力主要來平自膠結(jié)力款和摩阻力帳，而帶肋鋼筋的沸粘結(jié)力架主要來恒自機械牽咬合作足用。2.3.欣3粘結(jié)應力-滑移關芳系圖2-26舒τ-s曲線(a)光圓鋼錦筋的τ-s曲線；(b)帶肋鋼筋的τ-s曲線2.3勁.4鋼筋的誦錨固1基本錨固嘗長度lab《混凝土結(jié)珍構(gòu)設計規(guī)染范》GB慶50頭010病—20夸10規(guī)定的受化拉鋼筋錨固固長度lab為鋼筋的基本錨固楊長度。圖2-27鋼筋的受從拉錨固長擇度計算簡漁圖2受拉鋼筋芬的錨固（1）受拉鋼桶筋的錨固冰長度實際結(jié)民構(gòu)中的撇受拉鋼詠筋錨固型長度還眼應根據(jù)側(cè)錨固條咸件的不備同按下蓮式計算炒，并不靜小于200m忘m。1）當帶企肋鋼筋勇的公稱艙直徑大宜于25m齊m時，取1.1堂0；2）環(huán)氧屆樹脂涂冤層帶肋絡鋼筋取1.25；3）施工牛過程中浙易擾動有的鋼筋雷取1.1爛0；4）當縱神向受力泡鋼筋的系實際