1、第2章混凝土結構材料的物理力學性能2.1混凝土的物理力學性能2.1.1單軸向應力狀態下的混凝土強度雖然實際工程中的混凝土結構和構件一般處于復合應力狀態，但是單軸向受力狀態 下混凝土的強度是復合應力狀態下強度的基礎和重要參數。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果，因此各 國對各種單軸向受力下的混凝土強度都規定了統一的標準試驗方法。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構設計規范規定以 邊長為150mm的立方體為標準試件，標準立方體 試件在(20 ±)C的溫度和相對濕度90%以上的潮濕空氣中養護28d,按照標準試驗方

2、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。混凝土結構設計規范規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，C50C80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構的 實際抗壓能力。用混凝

3、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/T 50081 2002)規定以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。混凝土結構設計規范規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。01020300506070 SO 90 10ft,/Ti.k (N/iniir)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構構件制作、養護和受力情況等方面與試件的差別，實際

4、構件強度與試件 強度之間將存在差異，混凝土結構設計規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：fck 0.88 cl c2 fcu,kci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律變化取值。c2為高強度混凝土的脆性折減系數，對 C40及以下取1.00,對C80取0.87，中間按直 線規律變化取值。0.88為考慮實際構件與試件混凝土強度之間的差異而取用的折減系數。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會(CEB)都采用直徑6英寸(152mm

5、)、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'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'與fcu,k的比值(即公式中 的系數)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。0.79 f cu,k2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。

6、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。圖2-4混凝土軸心抗拉強度和立方體抗壓強度的關系0.45c2根據彈性理論，軸心抗拉強度的試驗值可按下式計算:2Fdlftk0.88 0.395fc：55(1 1.645 )國外采用劈裂試驗F 破壞荷載；d圓柱體直徑或立方體邊長; I 圓柱體長度或立方體邊長。5壓拉(«)(b)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復合應力狀態下混凝土的強度混凝

7、土結構構件實際上大多處于復合應力狀態，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； 框架節點區混凝土的受力狀態就更復雜。 同 時，研究復合應力狀態下混凝土的強度，對于認識混凝土的強度理論也有重要的意義。圖2-6雙向應力狀態下混凝土的破壞包絡圖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。402000創6()4020"11 U11

8、O-0203070,變 Ob應0'5O.(M卜圖2-8混凝土圓柱體三向受壓試驗時軸向應力-應變曲線fccfc(4.5 7.0) fL2.1.3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生變形，這類變形稱為體積變形。混凝土的變形是其重要物理力學性能之一。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-應變關系混凝土應力-應變曲線的形狀和特征是混凝土內部結構發生變化的力學標志。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

9、，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。圖2-10不同強度的混凝土的應力-應變曲線比較(2)混凝土單軸向受壓應力-應變本構關系曲線1)美國E.Hognestad建議的模型0(1NCL2tan0ccctanEcEcE c eEc tan i混凝土軸向受拉時的應力-應變關系00X)3 0.06 0.09 0.12 0,15 0.18 0.21 0.24 0.27 A(mni)圖2-13不同強度的混凝土拉伸應力 -應變全曲線(4)混凝土的變形模量原點切線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

10、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范中所給NC12 / 20,3N/mm2 NC21 /24.4N/mn?NC3一2 fc35,58N/nmi2標距-100mmE”c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。混凝土的彈性模量可按下式計算：Ec1022.2也(KN / mm2)cu,k2荷載長期作用下混凝土的變形性能05I.I V 匸 Dctl!住甘體KE:工斗 IjOtriTH0510 IS 2<»25 M時員圖2-15混凝土的徐變圖（應變與時間的關系曲線）0510152d時（

11、月2-16壓應力與徐變的關系0.80.60.40*20lOniin .100min 1000min7 d 70 d 700 d加載時間對數坐標）圖2-17不同應力/強度比值的徐變時間曲線3混凝土的收縮與膨脹影響混凝土收縮的因素有：(1) 水泥的品種：水泥強度等級越高制成的混凝土收縮越大。 水泥的用量：水泥越多，收縮越大；水灰比越大，收縮也越大。(3)骨料的性質：骨料的彈性模量大，收縮小。 養護條件：在結硬過程中周圍溫、濕度越大，收縮越小。(5) 混凝土制作方法：混凝土越密實，收縮越小。(6) 使用環境：使用環境溫度、濕度大時，收縮小。(7) 構件的體積與表面積比值：比值大時，收縮小。2.1.4

12、混凝土的疲勞混凝土的疲勞是在 荷載重復作用下產生的。疲勞現象大量存在于工程結構中，鋼筋混凝土吊車梁、鋼筋混凝土橋以及港口海岸的混 凝土結構等都要受到吊車荷載、車輛荷載以及波浪沖擊等幾百萬次的作用。 混凝土在重復荷 載作用下的破壞稱為疲勞破壞。圖2-19混凝土在重復荷載作用下的受壓應力-應變曲線混凝土的疲勞強度用疲勞試驗測定。疲勞試驗采用100mM 100mM 300mm或150mm< 150mm< 450mm的棱柱體，把能使棱柱體試件承受200萬次或其以上循環荷載而發 生破壞的壓應力值稱為混凝土的疲勞抗壓強度。混凝土的疲勞強度與重復作用時應力變化的幅度有關。在相同的重復次數下，疲勞

13、強度隨著疲勞應力比值的減小而增大。2.2鋼筋的物理力學性能2.2.1鋼筋的種類混凝土結構中采用的鋼筋有 柔性鋼筋和勁性鋼筋兩種。1柔性鋼筋線形的普通鋼筋統稱為柔性鋼筋，其外形有光圓和帶肋兩類。（<T）（川（C）W圖2-20鋼筋的外形（a）光圓鋼筋；（b）螺旋紋鋼筋；（c）人字紋鋼筋；（d）月牙紋鋼筋2勁性鋼筋勁性鋼筋是指配置在混凝土中的各種型鋼、鋼軌或者用鋼板焊成的鋼骨架。勁性鋼筋本 身剛度很大，施工時模板及混凝土的重力可以由勁性鋼筋本身來承擔， 因此能加速并簡化支 模工作。配置了勁性鋼筋的混凝土結構具有較大的承載能力和變形能力， 常用于高層建筑的 框架梁、柱以及剪力墻和筒體結構中。2.

14、2.2國產普通鋼筋混凝土結構設計規范規定，用于鋼筋混凝土結構的國產普通鋼筋為熱軋鋼筋。熱軋鋼筋是低碳鋼、普通低合金鋼在高溫狀態下軋制而成的軟鋼，其應力-應變曲線有明顯的屈服點和流幅，斷裂時有頸縮現象，伸長率比較大。1強度等級和牌號國產普通鋼筋按其屈服強度標準值的高低，分為 4個強度等級：300MPa、335MPa、 400MPa 和 500MPa。2工程應用混凝土結構設計規范提出了推廣高強度、高性能鋼筋HRB400和HRB500的要求。因此，本教材的例題中，對梁、柱的縱向受力鋼筋將主要采用這兩種鋼筋，特別是HRB400。箍筋宜采用 HRB400、HRBF400、HRB335 和 HPB300。

15、光圓鋼筋HPB300雖然也可用作縱向受力鋼筋，因其強度較低，故主要用作箍筋。當HRB500和HRBF500用作箍筋時，只能用于約束混凝土的間接鋼筋，即螺旋箍筋或 焊接環筋，見5.2.2節。細晶粒系列HRBF鋼筋、HRB500和熱處理鋼筋RRB400都不能用作承受疲勞作用的鋼 筋，這時宜采用HRB400鋼筋。工地上常把上述4個強度等級的鋼筋俗稱為I級、U級、川級和W級鋼筋，但在施工圖 和正式文件中，都不應米用此俗稱。2.2.3鋼筋的強度與變形對有明顯流幅的鋼筋，在計算承載力時以屈服點作為鋼筋強度限值。 有明顯流幅的熱軋鋼筋屈服強度是按屈服下限確定的。圖2-22無明顯流幅的鋼筋的應力 -應變曲線對

16、沒有明顯流幅或屈服點的預應力鋼筋，一般取殘余應變0.2%所對應的應力作為其條件屈服強度標準值。2.2.4鋼筋本構關系鋼筋單調加載的應力-應變本構關系曲線有以下三種：1描述完全彈塑性的雙直線模型雙直線模型適用于流幅較長的低強度鋼材2描述完全彈塑性加硬化的三折線模型三折線模型適用于流幅較短的軟鋼，要求它可以描述屈服后立即發生應變硬化（應力強 化），并能正確地估計高出屈服應變后的應力。3描述彈塑性的雙斜線模型雙斜線模型可以描述沒有明顯流幅的高強鋼筋或鋼絲的應力-應變曲線225鋼筋的疲勞鋼筋的疲勞是指鋼筋在承受重復、周期性的動荷載作用下，經過一定次數后，突然脆性斷裂的現象。吊車梁、橋面板、軌枕等承受重

17、復荷載的鋼筋混凝土構件在正常使用期間會由 于疲勞發生破壞。鋼筋疲勞斷裂的原因，一般認為是由于鋼筋內部和外部的缺陷， 在這些薄弱處容易引起 應力集中。應力過高，鋼材晶粒滑移，產生疲勞裂紋，應力重復作用次數增加，裂紋擴展， 從而造成斷裂。因此鋼筋的疲勞強度低于其在靜荷載作用下的極限強度。原狀鋼筋的疲勞強 度最低。埋置在混凝土中的鋼筋的疲勞斷裂通常發生在純彎段內裂縫截面附近，疲勞強度稍鋼筋的疲勞試驗有兩種方法：一種是直接進行單根原狀鋼筋軸拉試驗； 另一種是將鋼筋 埋入混凝土中使其重復受拉或受彎的試驗。 由于影響鋼筋疲勞強度的因素很多， 鋼筋疲勞強 度試驗結果是很分散的。我國采用直接做單根鋼筋軸拉試驗

18、的方法。226混凝土結構對鋼筋性能的要求鋼筋的強度鋼筋的延性鋼筋的可焊性機械連接性能施工適應性鋼筋與混凝土的粘結力2.3混凝土與鋼筋的粘結2.3.1粘結的意義混凝土與鋼筋的粘結是指鋼筋與周圍混凝土之間的相互作用，包括沿鋼筋長度的粘結和鋼筋端部的 錨固兩種情況。圖2-24鋼筋和混凝土之間粘結應力示意圖(a)錨固粘結應力；(b)裂縫間的局部粘結應力2.3.2粘結力的組成 光圓鋼筋與混凝土的粘結作用主要由以下三部分組成：(1) 鋼筋與混凝土接觸面上的 膠結力。這種膠結力來自水泥漿體對鋼筋表面氧化層的滲透以及水化過程中水泥晶體的生長和硬化。這種膠結力一般很 小，僅在受力階段的局部無滑移區域起作用，當接

19、觸面發生相對滑移時即消失。(2) 混凝土收縮握裹鋼筋而產生摩阻力。混凝土凝固時收縮，對鋼筋產生垂直于摩擦面的壓應 力。這種壓應力越大，接觸面的粗糙程度越大，摩阻力就越大。(3) 鋼筋表面凹凸不平與混凝土之間產生的 機械咬合力。對于光圓鋼筋這種咬合力來自表面的 粗糙不平。2.3.3粘結應力-滑移關系(a圖2-26 -s曲線（a）光圓鋼筋的占曲線；（b）帶肋鋼筋的qs曲線234鋼筋的錨固1基本錨固長度lab混凝土結構設計規范GB 50010-2010規定的受拉鋼筋錨固長度lab為鋼筋的基本錨固長 度。1 . 1 1-1 if于面i耐%tai 11圖2-27鋼筋的受拉錨固長度計算簡圖labft2受拉鋼筋的錨固（1）受拉鋼筋的錨固長度實際結構中的受拉鋼筋錨固長度還應根據錨固條件的不同按