混凝土結構材料的物理力學性能

內容提要一、混凝土的物理力學性能二、鋼筋的物理力學性能三、鋼筋與混凝土之間的粘結與錨固學習目的一、掌握混凝土強度、變形指標和耐久性規定二、掌握鋼筋品種、規格、力學性能及強度設計指標三、理解鋼筋和混凝土的粘結性能及保證可靠粘結和錨固的構造措施2.1

混凝土的物理力學性能一、單向應力狀態下的混凝土強度1、混凝土強度等級（StrengthGrade）混凝土結構中，主要是利用它的抗壓強度

(CompressiveStrength)，它是混凝土力學性能中最主要和最基本的指標。混凝土的強度等級是用立方體的抗壓強度fcu,k來劃分的。

邊長150mm立方體標準試件，在標準條件下（20±3℃，≥90%相對濕度）養護28天，用標準試驗方法（加載速度0.3~0.8N/mm2/s，兩端不涂潤滑劑）測得的具有95%保證率的立方體抗壓強度(CubeStrength)，用符號C表示。率C30：fcu,k=30N/mm2立方體抗壓強度fcu承壓板試塊摩擦力不涂潤滑劑涂潤滑劑強度大于我國規范的方法：不涂潤滑劑壓力試件裂縫發展擴張整個體系解體，喪失承載力另影響強度的因素還有：齡期、加載速率、試塊尺寸等

單軸受力狀態下混凝土的抗壓強度實驗方法：未采取減摩措施采取減摩措施后

《規范》根據強度范圍，從C15~C80共劃分為14個強度等級，級差為5N/mm2。

C50以上為高強混凝土。如采用200mm或100mm的立方體試件時，其換算系數分別取1.05和0.95。結構對混凝土強度等級的要求:鋼筋混凝土結構的混凝土強度等級不應低于Ｃ20；當采用HRB400和RRB400級鋼筋以及承受重復荷載的構件，混凝土強度等級不應低于Ｃ25；預應力混凝土結構的混凝土強度等級不宜低于C40，不應低于Ｃ30。混凝土軸心抗壓強度fck立方體受壓不是處于單軸受力狀態！采用棱柱體，中間基本上是處于軸心受壓。

我國采用150mm×150mm×300mm棱柱體試件測得的強度作為混凝土的軸心抗壓強度。棱柱體抗壓強度fc承壓板試塊標準試塊：150×150×300非標準試塊：100×100×300換算系數0.95200×200×400換算系數1.05考慮到承壓板對試件的約束，立方體抗壓強度大于棱柱體抗壓強度，且有：fc=0.76fcu

(試驗結果)考慮到構件和試件的區別，取fc=0.67fcu對國外（美國、日本、歐洲混凝土協會等）采用的圓柱體試件（d=150,h=300），有fc'=0.79fcu

圓柱體抗壓強度混凝土的軸心抗壓強度

fck與立方體強度的關系：

棱柱體抗壓強度與立方體抗壓強度比值：小于等于C50時，取0.76；大于C50時：

考慮混凝土脆性的折減系數，小于C40時，不折減取1.0；大于C40時：

c1

和c2

的取值混凝土強度等級≤C40C45C50C55C60C65C70C75C80c10.760.760.760.770.780.790.800.810.82c21.000.9840.9680.9510.9350.9190.9030.8870.87軸心抗拉強度試驗方法：直接拉伸、彎折和劈裂與立方體強度的關系直接受拉試驗ft考慮到構件和試件的區別，尺寸效應，加荷速度等的影響，取ft=0.395fcu0.55劈裂試驗ftsddftsFFFF我國根據150mm立方體的劈裂與立方體抗壓試驗結果有：fts=0.19fcu3/4雙軸應力下的強度1.01.01.21.2-0.2-0.22/fc1/fc拉壓/fc/fc0.20.1-0.10.00.61.0單軸抗拉強度單軸抗壓強度雙向正應力下的強度曲線法向應力和剪應力下的強度曲線2.1.2.復合受力狀態下混凝土的強度（實際結構中，混凝土很少處于單向受力狀態。更多的是處于雙向或三向受力狀態。）1雙軸應力狀態（1）雙向受拉（第一象限）

任意應力比情況下，其強度均與單軸抗拉強度相近。

任意應力比情況下，其強度均不超過相應的單軸強度。并且抗壓強度或抗拉強度均隨另一方向拉應力或壓應力的增加而減小。（2）一軸受壓一軸受拉（第二、四象限）雙向受壓強度大于單向受壓強度，最大強度發生在兩個壓應力之比為0.3~0.6之間，約為(1.25~1.60)fc。（3）雙向受壓（第三象限）（構件受剪或受扭時常遇到）2剪應力t和正應力s共同作用下的復合受力情況▲混凝土的強度：拉-剪：抗拉、抗剪強度都降低；壓-剪：時，抗剪強度隨壓應力提高而增大；時，抗剪抗壓強度均降低。

/fc/fc3、三向受壓狀態下混凝土的受力特點隨著側向壓力的增加，混凝土的強度和應變都顯著提高總結：多向受壓雙向壓：強度提高；三向壓(約束受壓)：強度和延性明顯提高，雙向受拉:影響不大一拉一壓：強度降低剪壓或剪拉：剪拉：強度降低剪壓：壓應力較?。嚎辜魪姸入S壓應力增加而增大；壓應力較大：抗剪強度隨壓應力的增加而降低(內裂縫影響)。

/fc/fc0.20.1-0.10.00.61.0單軸抗拉強度單軸抗壓強度

一次短期荷載下

受力變形長期荷載下砼變形多次重復荷載下收縮變形

體積變形

膨脹變形溫度變形2.1.3、混凝土的變形1、一次短期加載下混凝土的變形性能(1)混凝土單軸受壓時的應力-應變關系曲線特征

混凝土的應力-應變關系是混凝土力學性能的一個重要方面，是鋼筋混凝土結構理論計算的基本依據。

混凝土受壓應力-應變關系曲線一般采用圓柱體或棱柱體試件的實驗測定，混凝土棱柱體在軸心受壓單軸加載下應力-應變關系典型曲線有上升段和下降段兩部分組成。02468102030s(MPa)e×10-3BACEDA點以前，微裂縫沒有明顯發展，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展，產生部分塑性變形，應變增長開始加快，應力-應變曲線逐漸偏離直線。微裂縫的發展導致混凝土的橫向變形增加。但該階段微裂縫的發展是穩定的?；炷猎诮Y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。混凝土的最終破壞就是由于這些微裂縫的發展造成的。達到B點，內部一些微裂縫相互連通，裂縫發展已不穩定，橫向變形突然增大，體積應變開始由壓縮轉為增加。在此應力的長期作用下，裂縫會持續發展最終導致破壞。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?？v向應變發展達到D點，內部裂縫在試件表面出現第一條可見平行于受力方向的縱向裂縫。隨應變增長，試件上相繼出現多條不連續的縱向裂縫，橫向變形急劇發展，承載力明顯下降，混凝土骨料與砂漿的粘結不斷遭到破，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。（2）應力-應變關系的影響因素

影響混凝土應力-應變曲線的因素很多，如混凝上強度、實驗方法以及組成材料的性質和配合比等等。強度等級越高，線彈性段越長，峰值應變也有所增大。但高強混凝土中，砂漿與骨料的粘結很強，密實性好，微裂縫很少，最后的破壞往往是骨料破壞，破壞時脆性越顯著，下降段越陡。

混凝土應力-應變曲線特征還與實驗時加載的速度有關，圖3-19給出了相同強度混凝土試件在不同的應變速度下得到的應力—應變曲線?？梢钥闯?，應變速度愈大，應力峰值愈大，但達到應力峰值的應變降低了，而且曲線下降段也愈陡，延性愈差。(3)、混凝土單軸受壓應力-應變關系曲線的數學模型美國人Hognestad

u=0.00380=0.002ocfcc0.15fc德國人Ruschu=0.00350=0.002ocfcc單軸受壓時的應力-應變關系的數學模型——中國規范u0ocfcc(4)、混凝土的變形模量原點彈性模量定義：過原點作切線的斜率取值：變形模量定義：原點和任意點作割線的斜率。關系：彈性特征系數

=1~0.5

切線模量：過任一點作切線的斜率為切線模量剪切模量：根據彈性模量和泊松比確定：

ccccep01cc1cc0cc0cccc11cc1cccc00◆彈性模量測定方法采用棱柱體試件，應力上限取為0.5fc，重復加載5~10次。卸載為0存在殘余變形，最終曲線趨近于一條直線，該直線的斜率即為彈性模量。（1）徐變的概念2、荷載長期作用下混凝土的變形性能－－徐變▲凝膠體的塑性流動。▲裂縫的出現與發展。（2）產生徐變的原因混凝土在荷載的長期作用下，其應變或變形隨時間增長的現象稱為徐變。應變與時間的關系曲線（t0

時刻加載，t時刻卸載）t0elashcrela,ela,,cr,eteeeeee瞬時恢復應變彈性后效殘余應變加載瞬時應變

收縮應變

徐變

▲特點：開始快、以后慢；半年完成大部分、一年穩定、三年終止（3）徐變與時間的關系▲不利影響：徐變會使結構（或構件）的變形增大（如撓度）

；引起預應力損失；在長期高應力作用下，甚至會導致破壞。▲有利影響：

有利于結構構件產生內（應）力重分布，降低結構的受力；減小大體積混凝土內的溫度應力；受拉徐變可延緩收縮裂縫的出現。（4）徐變對結構的影響▲內在因素：是混凝土的組成和配比。骨料的剛度（彈性模量）越大，體表比越大，徐變就越小;

水灰比越小，水泥用量越少，徐變也越小。▲環境影響：包括養護和使用條件。受荷前養護的溫濕度越高，水泥水化作用越充分，徐變就越小。受荷后構件所處的環境溫度越高，相對濕度越小，徐變就越大。（5）影響徐變的因素3、混凝土在重復荷載作用下的變形性能－疲勞（1）重復荷載作用下的應力-應變曲線▲疲勞破壞的特征：裂縫小而變形大一次重復加載下加載：隨應力增加應變增加卸載：不重復加載軌跡，有彈性后效和殘余變形

破壞重復荷載下的應力-應變曲線fcf321疲勞強度<fcfcf的確定原則：100×100×300或150×150×450的棱柱體試塊承受200萬次（或以上）循環荷載時發生破壞的最大壓應力值多次重復加載下

峰值小于疲勞強度：每循環成環，面積逐漸減少，至直線；

峰值大于疲勞強度：開始與小應力的相似；成直線后，凸凹方向改變，斜率降低，裂縫和變形嚴重

混凝土疲勞破壞：因荷載重復作用而引起的破壞

混凝土疲勞強度：疲勞破壞需要的重復荷載的最小應力峰值

（2）混凝土疲勞強度試驗▲標準試件：150×150×300或150×150×450mm

的棱柱體▲200萬次▲荷載應力大小，即疲勞應力比值是影響疲勞強度大小的關鍵因素

▲混凝土疲勞強度fcf

fcf=gr

fc4、混凝土的收縮、膨脹和溫度變形收縮：混凝土在空氣中結硬時體積縮小干燥失水，水泥用量，水灰比，骨料級配，彈性模量，體積/表面積不利影響：(1)收縮變形收外部或內部的約束時，將使混凝土產生拉應力，甚至引起開裂；(2)預應力混凝土構件產生預應力損失；(3)對跨度敏感的超靜定結構會引起不利內力。膨脹：混凝土在水中或處于飽和濕度下結硬時體積增大溫度變形：熱脹冷縮2

鋼筋的物理力學性能一、鋼筋的品種（柔性鋼筋，勁性鋼筋）鋼筋熱軋鋼筋：熱軋光圓鋼筋HPB300，熱軋帶肋鋼筋HRB335、HRB400，HRB500,細晶粒熱軋鋼筋HRBF335、HRBF400，HRBF500冷拉鋼筋：由熱軋鋼筋在常溫下用機械拉伸而成余熱處理鋼筋RRB400：鋼筋通過加熱、淬火、預熱處理而成1、按加工方法不同分類鋼絲碳素鋼絲：高碳鎮靜鋼通過多次冷拔、應力消除、矯正、回火處理而成刻痕鋼絲：在鋼絲表面刻痕，以增強其與混凝土間的粘結力鋼絞線：若干根相同直徑的鋼絲成螺旋狀鉸繞在一起冷拔低碳鋼絲：由低碳鋼冷拔而成鋼絲，中強鋼絲的強度為800~1200MPa，高強鋼絲、鋼絞線的為1470~1860MPa；鋼絲的直徑3~9mm；外形有光面、刻痕和螺旋肋三種，另有二股、三股和七股鋼絞線，外接圓直徑9.5~15.2mm。中高強鋼絲和鋼絞線均用于預應力混凝土結構。冷加工鋼筋是由熱軋鋼筋和盤條經冷拉、冷拔、冷軋、冷扭加工后而成。冷加工的目的是為了提高鋼筋的強度，節約鋼材。但經冷加工后，鋼筋的延伸率降低。近年來，冷加工鋼筋的品種很多，應根據專門規程使用。

熱處理鋼筋是將特定強度的熱軋鋼筋通過加熱、淬火和回火等調質工藝處理，使強度得到較大幅度的提高，而延伸率降低不多。用于預應力混凝土結構。熱軋鋼筋

HotRolledSteelReinforcingBarHPB300、HRB335級、HRBF335、HRB400級、HRBF400、RRB400級、HRB500、HRBF500HPBHotrolledPlainBarHRBHotrolledRibbedBarRRBRolledRibbedBar屈服強度(標準值=鋼材廢品限值，保證率為97.73%)HPB300級：fy=300N/mm2HRB335級、HRBF335級：fy=335N/mm2

HRB400級、RRB400級、HRBF400級：fy=400N/mm2HRB500級、HRBF500級：fy=500N/mm2按表面形狀光圓鋼筋帶肋鋼筋鋼筋的應用范圍非預應力鋼筋：HPB300,HRB335，HRB400，RRB400，HRB500HRBF335,HRBF400,HRBF500預應力鋼筋：碳素鋼絲，刻痕鋼絲，鋼絞線，預應力螺紋鋼筋2.鋼筋的形狀及應用范圍鋼筋的品種熱軋鋼筋、中高強鋼絲和鋼絞線、熱處理鋼筋和冷加工鋼筋光圓鋼筋：6,8,10,12,14,16,18,20,22帶肋鋼筋：6,8,10,12,14,16,18,20,22，25,28,32,36,40,503.鋼筋的常用直徑AB’BCDE上屈服點不穩定下屈服點出現頸縮拉斷BC段為屈服平臺CD段為強化段標距有明顯流幅的鋼筋鋼筋受壓和受拉時的應力-應變曲線幾乎相同二、鋼筋的強度和變形（拉伸試驗）1.鋼筋的應力-應變曲線0.2%0.2標距無明顯流幅的鋼筋鋼筋受壓和受拉時的應力-應變曲線幾乎相同AB’BCDE0.2%0.2（2）剛材的強度指標1.屈服強度；設計時鋼材允許達到的最大應力*明顯流幅的鋼筋：下屈服點B對應的強度作為設計強度的依據，因為，鋼筋屈服后會產生大的塑性變形，鋼筋混凝土構件會產生不可恢復的變形和不可閉合的裂縫，以至不能使用

*無明顯流幅的鋼筋：殘余應變為0.2%時所對應的應力作為條件屈服強度,隨著冶金系統采用國際標準及質量的提高，在相應的產品標準中明確規定屈服強度σ0.2不得小于極限抗拉強度σb的85%（0.85σb）。因此，實際應用中可取極限抗拉強度σb的85%作為條件屈服點強度指標屈服強度有明顯流幅的鋼材：取屈服點的應力；無有明顯流幅的鋼材：取條件屈服強度。

極限強度：材料能承受的最大應力，反映安全儲備屈強比：屈服強度/極限強度冷彎性能是判斷鋼材塑性變形能力和冶金質量的綜合指標*冷彎要求：將直徑為d的鋼筋繞直徑為D的鋼輥彎成一定的角度而不發生斷裂

沖擊韌性(缺口韌性)：評定帶有缺口的鋼材在沖擊荷載作用下抵抗脆性破壞能力的指標。(3)鋼材的塑性指標伸長率（延伸率）截面收縮率：拉斷后面積縮小率冷彎性能：以冷彎的角度來衡量sss=Essys,hfysss=Essys,hfyfs,us,us,usss=Essyfys,hfs,u有明顯流幅的鋼筋無明顯流幅的鋼筋三、鋼筋應力-應變曲線的數學模型1、雙直線模型——適用于長流幅軟鋼2、三折線模型——適用于短流幅軟鋼3、雙斜線模型——適用于無明顯流幅硬鋼重復荷載作用下，鋼筋的強度<靜載作用下的強度規定的應力幅度內，經一定次數的重復荷載后，發生疲勞破壞的最大應力值稱為疲勞強度。對鋼筋用疲勞應力幅來表示其疲勞強度。試驗方法單根鋼筋的軸拉疲勞鋼筋埋入混凝土中重復受拉或受彎2.2.5.鋼筋的疲勞疲勞破壞：在動荷載反復、周期性作用下，經過一定次數后突然脆性斷裂。疲勞破壞特點：包括裂紋形成，緩慢發展和迅速斷裂三個過程沒有明顯的變形，脆性破壞疲勞強度低于靜荷載作用下的極限強度

由鋼材內部結構不均勻和應力分布不均引起強度要求：屈服強度和極限強度，抗震設計時還要求有一定的屈強比塑性要求：伸長率和冷彎要求可焊性：評價鋼筋焊接后的接頭性能的指標。與混凝土的粘結性2.2.6.混凝土結構對鋼筋的要求提倡高強、高性能鋼筋。一、粘結的意義作用：保證力的相互傳遞，是共同工作的基本條件

包括裂縫間的局部粘結應力和鋼筋端部錨固粘結應力單元分析：假設：一端力T，另端為T+dT根據平衡條件：分析結果

應力變化大，粘結力大；變化小，粘結??；當鋼筋應力沒有變化時，粘結應力等于零

鋼筋直徑越大，粘結力越大

2.3

混凝土與鋼筋的粘結PP裂縫出現后的粘結作用T兩種粘結作用錨固粘結保證鋼筋和混凝土共同工作縫間粘結改善鋼筋混凝土的耗能性能1.粘結作用有關的設計問題鋼筋端部的錨固錨固長度過長時靠近鋼筋尾部粘結應力很小，甚至為0裂縫間應力的傳遞裂縫截面：混凝土拉力為零離開一段距離：混凝土有拉力兩條裂縫中間：混凝土拉力最大

二、粘結力的組成化學吸附摩擦機械咬合附加咬合等作用彎鉤彎折焊角鋼焊短鋼筋三、鋼筋的錨固鋼筋基本錨固長度：受拉鋼筋的錨固長度且不小于200mm修正系數，P332.3鋼筋與混凝土之間的粘結性能2.3鋼筋與混凝土之間的粘結性能2.3.1粘結的意義◆鋼筋與混凝土間具有足夠的粘結是保證鋼筋與混凝土共同受力、變形的基本前提。◆粘結應力通常是指鋼筋與混凝土界面間的剪應力。錨固粘結裂縫間粘結粘結的作用1、錨固粘結錨固粘結應力受拉鋼筋，在支座處必須要有足夠的錨固長度，才能通過在錨固長度上粘結應力的積累，使鋼筋中建立能發揮鋼筋強度的應力。2、裂縫間粘結梁開裂后，混凝土開裂前承受的拉力通過粘結應力傳遞給鋼筋，從而使裂縫處鋼筋應力增大，這種粘結應力稱為局部粘結應力，其作用是使裂縫之間的混凝土參與受拉。2.3.2粘結力的組成粘結力的組成：（１）化學膠結力：鋼筋與混凝土接觸面上的化學吸附作用力（２）摩擦力：混凝土收縮后將鋼筋緊緊地握裹住而產生的力（３）機械咬合力：鋼筋表面凹凸不平與混凝土產生的機械咬合作用而產生的力（4）鋼筋端部的錨固力：一般是用在鋼筋端部彎鉤、彎折，在錨固區焊短鋼筋、短角鋼等方法來提供錨固力◆對于光面鋼筋，表面輕度銹蝕有利于增加摩擦力，但摩擦作用也很有限?！粲捎诠饷驿摻畋砻娴淖匀话纪钩潭群苄?，機械咬合作用也不大。因此，光面鋼筋與混凝土的粘結強度是較低的?！魹楸ＷC光面鋼筋的錨固，通常需在鋼筋端部彎鉤、彎折或加焊短鋼筋以阻止鋼筋與混凝土間產生較大的相對滑動。當鋼筋與混凝土產生相對滑移后，膠結作用喪失?！魧摻畋砻孳堉瞥隼咝纬蓭Ю咪摻?，即變形鋼筋，可顯著增加鋼筋與混凝土的機械咬合作用，從而大大增加了粘結強度?！魧τ趶姸容^高的鋼筋，均需作成變形鋼筋，以保證鋼筋與混凝土間具有足夠的粘結強度使鋼筋的強度得以充分發揮。◆變形鋼筋受力后，其凸出的肋對混凝土產生斜向擠壓力，◆其水平分力使鋼筋周圍的混凝土軸向受拉、受剪，徑向分力使混凝土產生環向拉力。◆軸向拉力和剪力使混凝土產生內部斜向錐形裂縫，◆環向拉力使混凝土產生內部徑向裂縫?！舢敾炷帘Ｗo層和鋼筋間距較小時，徑向裂縫可發展達到構件表面，產生劈裂裂縫，機械咬合作用將很快喪失，產生劈裂式粘結破壞?！粼阡摻钪車渲脵M向鋼筋（箍筋或螺旋鋼筋）或增加混凝土的保護層厚度（c/d），可提高粘結強度。◆如果鋼筋周圍的橫向鋼筋較多或混凝土的保護層（c/d）較大，徑向裂縫很難發展達到構件表面，則肋前部的混凝土在水平分力和剪力作用下最終將被擠碎，發生沿肋外徑圓柱面的剪切破壞，形成所謂的“刮梨式”破壞，◆“刮梨式”破壞是變形鋼筋與混凝土粘結強度的上限。2.3.3粘結強度BondStrength

粘結應力-滑移關系τ-s曲線（與粘結應力對應的變形是鋼筋與混凝土之間的相對滑移）圖2-26τ-s曲線(a)光圓鋼筋的τ-s曲線；(b)帶肋鋼筋的τ-s曲線4、影響粘結強度的因素混凝土的強度鋼筋的粘結強度均隨混凝土的強度提高而提高。保護層厚度和鋼筋凈間距混凝土保護層厚度和鋼筋之間凈距離越大，劈裂抗力越大，粘結強度越高。橫向鋼筋橫向鋼筋限制了徑向裂縫的發展，可使粘結強度提高。鋼筋表面和外形特征鋼筋端部的彎鉤，彎折及附加錨固措施（如焊鋼筋和焊鋼板等）可以提高錨固粘結能力保證可靠粘結的構造措施鋼筋之間的距離和混凝土保護層不能太小在同等鋼筋面積的條件下，宜優先采用小直徑的變形鋼筋，來增加局部粘結作用和減少裂縫寬度。光面鋼筋粘結性能差，應在鋼筋末端設彎鉤，增大其錨固粘結能力。要有足夠的錨固和搭接長度。鋼筋的錨固和搭接長度與混凝土的強度，鋼