混凝土結(jié)構(gòu)原理材料性能第一頁，共79頁。第二章

混凝土與鋼筋的基本性能第二頁，共79頁。本章主要論述混凝土的力學性能（混凝土的立方體抗壓強度、軸心抗壓強度、軸心抗拉強度；混凝土的變形和混凝土的選用）和鋼筋的力學性能。討論了鋼筋與混凝土之間的相互作用——粘結(jié)力。它們是學習混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理和構(gòu)造要求的基礎(chǔ)。本章提要第三頁，共79頁。鋼筋混凝土兩者間的粘結(jié)強度變形粘結(jié)破壞的過程和機理第四頁，共79頁。2.1混凝土材料混凝土材料是由水泥、砂、石子和水按一定比例組成，經(jīng)凝結(jié)和硬化形成的，是一種多相復合材料。混凝土具有不同的尺度特征，分為微觀結(jié)構(gòu)、亞微觀結(jié)構(gòu)和宏觀結(jié)構(gòu)。2.1.1混凝土材料的組成、結(jié)構(gòu)及性能第五頁，共79頁。微觀結(jié)構(gòu)（水泥石結(jié)構(gòu)）由水泥凝膠、晶體骨架，未水化完的水泥顆粒和凝膠孔組成，其物理力學性能取決于水泥的化學與礦物成分、粉磨細度、水膠比和凝結(jié)硬化條件等。亞微觀結(jié)構(gòu)（混凝土中的水泥砂漿結(jié)構(gòu)）可看作以水泥石為基相、砂子為分散相的二組分混凝土體系，砂子和水泥石的結(jié)合面是薄弱面。砂漿的配合比、砂的顆粒級配與礦物組成、砂粒形狀、顆粒表面特性及砂中雜質(zhì)的含量是影響物理力學性能的重要因素。第六頁，共79頁。宏觀結(jié)構(gòu)（砂漿和粗骨料兩組分體系）可視為水泥作為基相，粗集料隨機分布在連續(xù)的水泥砂漿中。對于普通混凝土而言，粗集料的強度遠比混凝土強度要高。因此，普通混凝土破壞后，其中的粗集料一般無破損跡象，裂縫和破碎都發(fā)生在粗集料表面和水泥砂漿內(nèi)部，這說明砂漿與粗集料界面是普通混凝土內(nèi)的最薄弱環(huán)節(jié)。第七頁，共79頁。2.1.2混凝土的強度1.混凝土的立方抗壓強度fcu

及強度等級。（1）混凝土的立方抗壓強度確定方法：用邊長為150mm的標準立方體試件，在標準養(yǎng)護條件下（溫度20±3℃，相對濕度不小于90%）養(yǎng)護28天后，按照標準試驗方法（試件的承壓面不涂潤滑劑，加荷速度約每秒0.3～0.5N/mm2）測得的具有95%保證率的抗壓強度，作為混凝土的立方抗壓強度標準值，用符號fcu,k表示。混凝土立方抗壓強度（點擊播放視頻）第八頁，共79頁。（2）混凝土的強度等級根據(jù)立方體抗壓強度標準值fcu,k的大小，混凝土強度等級分C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75、C80共14級。其中，C50~C80屬高強混凝土。

與原《規(guī)范GBJ10-89》相比，混凝土強度等級范圍由C60提高到C80，C50以上為高強混凝土。第九頁，共79頁。立方體抗壓強度的試驗尺寸效應及摩擦力的影響立方體抗壓試驗不能代表混凝土在實際構(gòu)件中的受力狀態(tài)，只是用來在同一標準條件下比較混凝土強度水平和品質(zhì)的標準（制作、測試方便）第十頁，共79頁。立方體抗壓強度的換算關(guān)系抗壓強度試件應符合下列規(guī)定：1邊長為150mm的立方體試件是標準試件。2邊長為l00mm的立方體試件是非標準試件。3西方國家常采用φ150mm×300mm的圓柱體標準試件。第十一頁，共79頁。如果實驗使用的為非標準試件，則計算結(jié)果應乘換算系數(shù)試件尺寸換算關(guān)系邊長150mm的立方體邊長100mm的立方體φ150mm×300mm的圓柱體第十二頁，共79頁。2.軸心抗壓強度軸心抗壓強度采用棱柱體試件測定，用符號fc表示，它比較接近實際構(gòu)件中混凝土的受壓情況。棱柱體試件高寬比一般為h/b=2~3，我國通常取150mm×150mm×300mm的棱柱體試件。混凝土軸心抗壓強度第十三頁，共79頁。混凝土的軸心抗壓強度標準值按下式計算：影響因素：材料成分、養(yǎng)護、齡期、實驗方法和試件尺寸換算系數(shù)：小于等于C50時，取0.76；

C80時，取0.82；其間按線性插值計算考慮混凝土脆性的折減系數(shù)，小于C40時，不折減取1.0；

C80時，取0.87，其間按線性插值計算（2-8）第十四頁，共79頁。3.軸心抗拉強度也是混凝土的基本力學性能，用符號

ft

表示。混凝土構(gòu)件開裂、裂縫、變形，以及受剪、受扭、受沖切等的承載力均與抗拉強度有關(guān)。混凝土的抗拉強度可采用尺寸為100×100×500mm的柱體試件進行直接軸心受拉試驗，但其準確性較差。第十五頁，共79頁。拉壓壓劈拉試驗aPP由于軸心受拉試驗對中困難，也常常采用立方體或圓柱體劈拉試驗測定混凝土的抗拉強度。第十六頁，共79頁。

混凝土的抗拉強度可采用尺寸為100×100×500mm的柱體試件進行直接軸心受拉試驗，但其準確性較差。故國內(nèi)為多采用圓柱體或立方體的劈裂試驗來間接測定。混凝土軸心抗拉強度標準值按下式計算：

(2-9)第十七頁，共79頁。2.3混凝土的破壞機理

A點以前，微裂縫沒有明顯發(fā)展，混凝土的變形主要彈性變形，應力－應變關(guān)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

到達B點以后，混凝土產(chǎn)生部分塑性變形，應力－應變逐漸偏離直線。B點時的裂縫發(fā)展已不穩(wěn)定，試件的橫向變形突然增大，常取sB作為混凝土的長期抗壓強度；普通強度混凝土sB約為0.8fc

，高強混凝土sB可達0.95fc

到達C點時，內(nèi)部微裂縫連通形成破壞面，試件承載力開始減小而進入下降段。C點時的應力稱為峰值應力，即為混凝土棱柱體抗壓強度；相應的縱向壓應變稱為峰值應變，約為0.002。繼續(xù)發(fā)展至D點時，破壞面初步形成。E點以后，縱向裂縫形成一個斜向的破壞面，此破壞面在正應力和剪應力的作用下形成破壞帶。此時試件的強度由破壞面上骨料間的摩阻力提供。隨著應變進一步發(fā)展，摩阻力不斷下降，試件的殘余強度約為0.1~0.4fc第十八頁，共79頁。由上述混凝土的破壞機理可知，微裂縫的發(fā)展導致橫向變形的增大。對橫向變形加以約束，就可以限制微裂縫的發(fā)展，從而可提高混凝土的抗壓強度。約束混凝土可以提高混凝土的強度，但更值得注意的是可以提高混凝土的變形能力，這一點對于抗震結(jié)構(gòu)非常重要。第十九頁，共79頁。2.4混凝土的變形

混凝土的變形有兩類：

一類是受力變形,包括一次短期加荷時的變形、多次重復加荷時的變形和長期荷載作用下的變形；另一類是體積變形，包括收縮、膨脹和溫度變形。第二十頁，共79頁。2.4混凝土的變形混凝土在一次短期加載時的變性性能

混凝土單軸受力時的應力-應變關(guān)系反映了混凝土受力全過程的重要力學特征，是分析混凝土構(gòu)件應力、建立承載力和變形計算理論的必要依據(jù)，也是利用計算機進行非線性分析的基礎(chǔ)。混凝土單軸受壓應力-應變關(guān)系曲線，常采用棱柱體試件來測定。

第二十一頁，共79頁。

在普通試驗機上采用等應力速度加載，達到軸心抗壓強度fc時，試驗機中集聚的彈性應變能大于試件所能吸收的應變能，會導致試件產(chǎn)生突然脆性破壞，只能測得應力-應變曲線的上升段。采用等應變速度加載，或在試件旁附設(shè)高彈性元件與試件一同受壓，以吸收試驗機內(nèi)集聚的應變能，可以測得應力-應變曲線的下降段。第二十二頁，共79頁。2.4.1混凝土應力－應變關(guān)系強度等級越高，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(jié)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。第二十三頁，共79頁。數(shù)學模型

（我國規(guī)范）公式2-12普通混凝土：(C50以下)0=0.002，－對應混凝土壓應力剛達到fc

時的混凝土壓應變cu=0.002(均勻壓),0.0033(不均勻壓、彎)－混凝土極限壓應變

n=2；－與混凝土強度等級有關(guān)的系數(shù)高強混凝土(C50以上)5,010)50(5.0002.0-x-+=kcufe)50(6012,--=kcufn5,10)50(0033.0-x--=kcucufe

混凝土立方體抗壓強度標準值第二十四頁，共79頁。=γEc彈性模量變形模量2.4.2混凝土的變形模量第二十五頁，共79頁。彈性模量的測定方法第二十六頁，共79頁。2.4.3混凝土受拉應力-應變關(guān)系混凝土受拉的應力應變關(guān)系與受壓的非常相似，見圖2-11，,只是峰值應力與峰值應變非常小。第二十七頁，共79頁。2.4.4重復荷載下混凝土性能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

多次重復加載下峰值小于疲勞強度：每循環(huán)成環(huán)，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：疲勞破壞需要重復荷載的最小應力峰值第二十八頁，共79頁。2.4.4重復荷載下混凝土性能用抗壓強度乘以疲勞強度修正系數(shù)混凝土的抗壓疲勞強度修正系數(shù)與疲勞應力有關(guān)，應力比越大，修正系數(shù)越大，具體數(shù)值見《規(guī)范》的相應規(guī)定或附錄3、4。第二十九頁，共79頁。2.4.4重復荷載下混凝土性能第三十頁，共79頁。2.4.4重復荷載下混凝土性能第三十一頁，共79頁。混凝土在空氣中硬化時體積會縮小，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。混凝土在長期不變荷載的作用下，其變形隨時間而不斷增長的現(xiàn)象稱為徐變。2.4.5混凝土的收縮和徐變第三十二頁，共79頁。混凝土的收縮是隨時間而增長的變形，早期收縮變形發(fā)展較快，兩周可完成全部收縮的25%，一個月可完成50%，以后變形發(fā)展逐漸減慢，整個收縮過程可延續(xù)兩年以上。通常，最終收縮應變值約為(2~5)×10-4

，而混凝土開裂應變?yōu)?0.5~2.7)×10-4，說明收縮會導致開裂。(1)混凝土的收縮Shrinkage第三十三頁，共79頁。混凝土收縮包括凝縮和干縮兩部分，凝縮是由于水泥結(jié)晶體比原材料的體積小；干縮是混凝土內(nèi)自由水分蒸發(fā)引起的。第三十四頁，共79頁。混凝土的收縮受結(jié)構(gòu)周圍的溫度、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)量及養(yǎng)護條件等許多因素有關(guān)：水泥強度高,水泥用量多、水灰比越大，收縮越大；骨料彈性模量高、級配好，收縮就小；干燥失水及高溫環(huán)境，收縮大；小尺寸構(gòu)件收縮大，大尺寸構(gòu)件收縮小；高強混凝土收縮大。影響收縮的因素多且復雜，要精確計算尚有一定的困難。在實際工程中，要采取一定措施減小收縮應力的不利影響。混凝土收縮的影響因素當這種自發(fā)的變形受到外部（支座）或內(nèi)部（鋼筋）的約束時，將使混凝土中產(chǎn)生拉應力，甚至引起混凝土的開裂。混凝土收縮會使預應力混凝土構(gòu)件產(chǎn)生預應力損失。第三十五頁，共79頁。混凝土的收縮變形養(yǎng)護條件好，使用環(huán)境濕度大，收縮小第三十六頁，共79頁。隨荷載作用時間的延續(xù)，變形不斷增長，前4個月徐變增長較快，6個月可達最終徐變的（70~80）%，以后增長逐漸緩慢，2~3年后趨于穩(wěn)定。瞬時恢復彈性后效殘余應變收縮應變徐變應變瞬時應變徐變會使結(jié)構(gòu)（構(gòu)件）的（撓度）變形增大，引起預應力損失，在長期高應力作用下，甚至會導致破壞。(7)混凝土的徐變Creep第三十七頁，共79頁。與混凝土的收縮一樣，徐變也與時間有關(guān)。因此，在測定混凝土的徐變時，應同批澆筑同樣尺寸不受荷的試件，在同樣環(huán)境下同時量測混凝土的收縮變形，從徐變試件的變形中扣除對比的收縮試件的變形，才可得到徐變變形。第三十八頁，共79頁。徐變有利于結(jié)構(gòu)構(gòu)件產(chǎn)生內(nèi)（應）力重分布，降低結(jié)構(gòu)的受力（如支座不均勻沉降），減小大體積混凝土內(nèi)的溫度應力，受拉徐變可延緩收縮裂縫的出現(xiàn)。徐變系數(shù)（CreepCoefficient）第三十九頁，共79頁。

徐變與混凝土持續(xù)應力大小有密切關(guān)系，應力越大徐變也越大；(圖)

混凝土加載齡期越長，徐變越小；(圖)

水泥含量越大，徐變越大；骨料彈性模量高、級配好，徐變就小；干燥失水及高溫環(huán)境，徐變大；高強混凝土徐變小。混凝土徐變的影響因素產(chǎn)生徐變的主要原因是水泥凝膠體和內(nèi)部微裂縫的擴展第四十頁，共79頁。線性徐變第四十一頁，共79頁。第四十二頁，共79頁。2.5復雜應力狀態(tài)下混凝土的力學性能實際結(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)。如剪力和扭矩作用下的構(gòu)件、彎剪扭和壓彎剪扭構(gòu)件、混凝土拱壩、核電站安全殼等。第四十三頁，共79頁。雙軸應力狀態(tài)雙向受壓強度大于單向受壓強度，最大受壓強度發(fā)生在兩個壓應力之比為0.3~0.6之間，約為(1.25~1.60)fc。雙軸受壓狀態(tài)下混凝土的應力-應變關(guān)系與單軸受壓曲線相似，但峰值應變均超過單軸受壓時的峰值應變。第四十四頁，共79頁。構(gòu)件受剪或受扭時常遇到剪應力t和正應力s共同作用下的復合受力情況。混凝土的抗剪強度：隨拉應力增大而減小，隨壓應力增大而增大當壓應力在0.6fc左右時，抗剪強度達到最大，壓應力繼續(xù)增大，則由于內(nèi)裂縫發(fā)展明顯，抗剪強度將隨壓應力的增大而減小。第四十五頁，共79頁。三軸應力狀態(tài)（TriaxialStressState）三軸應力狀態(tài)有多種組合，實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)。三向受壓試驗一般采用圓柱體在等側(cè)壓條件進行。第四十六頁，共79頁。按外形特征分為：光圓鋼筋和變形鋼筋。變形鋼筋分為螺紋鋼筋、“人”字紋鋼筋和月牙紋鋼筋2.6鋼筋的基本性能第四十七頁，共79頁。普通鋼筋根據(jù)化學成分不同劃分：熱軋?zhí)妓劁摵推胀ǖ秃辖痄摕嵩妓劁摚阂澡F為主，加少量C、Mn等。按含C量又分為低碳鋼（C≤0.25%），中碳鋼（C=0.25～0.6%），高碳鋼（C>0.6%）普通低合金鋼：在碳素鋼成分中加入少量的合金元素，如Si、Mn等。第四十八頁，共79頁。熱軋鋼筋的規(guī)格鋼筋代號前面的字母代表生產(chǎn)工藝和表面形狀，后面的數(shù)字代表屈服強度標準值，括號內(nèi)符號為簡寫符號第四十九頁，共79頁。鋼筋屈服強度、抗拉強度的標準值及極限應變應按規(guī)范表4.2.2-1采用。第五十頁，共79頁。鋼筋的強度和變形有明顯屈服點的鋼筋無明顯屈服點的鋼筋第五十一頁，共79頁。有明顯屈服點鋼筋的應力－應變關(guān)系—比例極限—彈性極限—屈服上限—屈服下限—極限強度cd段為屈服臺階df段為強化段a’第五十二頁，共79頁。※

點以前，σ與ε成比例，即σ=

ε，

為彈性模量，

點應力稱為比例極限；

※

點過后，σ與ε不再成比例，但仍為彈性變形；a點以后為非彈性，a點稱為彈性極限；

※

降至c點后，σ不增加而ε急劇增加，σ-ε關(guān)系接近水平，直至d點，c點稱為屈服下限，cd段稱為屈服臺階；

※

達到b點時，ε出現(xiàn)塑性流動現(xiàn)象，b點位置與加載速度、斷面形式、表面光潔度等因素有關(guān)，稱為屈服上限；

※

d點以后，σ隨ε的增加而繼續(xù)增加，至e點σ達最大值，e點對應的σ稱為鋼筋的極限強度，de段稱為強化段；

※

e點以后，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，應力降低，直至f點拉斷。

第五十三頁，共79頁。反映鋼筋力學性能的基本指標：屈服強度和強屈比屈服強度是鋼筋強度的設(shè)計依據(jù)，鋼筋屈服后將產(chǎn)生很大的塑性變形。對于有明顯屈服點鋼筋，其屈服強度定義為屈服下限。強屈比為極限強度與屈服強度的比值，熱軋鋼筋通常在

1.4～1.6之間。第五十四頁，共79頁。反映鋼筋塑性性能的基本指標：延伸率和冷彎性能鋼筋在拉斷時的應變稱為延伸率，定義為：為試件的標距鋼筋標距通常取為5d或10d，標距范圍包括了鋼筋的頸縮區(qū)域，而該區(qū)域的變形占試件變形的絕大部分且與試件標距的長短有關(guān)，所以導致不同標距的試件測得的延伸率不同。第五十五頁，共79頁。目前多采用總延伸率來反映鋼筋的變形能力延伸率指標存在的缺陷不同量測標距長度得到結(jié)果不一致；僅考慮到頸縮斷口區(qū)域的殘余應變。第五十六頁，共79頁。總延伸率:最大力作用下的總伸長率，包括殘余應變和彈性應變，反映了鋼筋真實的變形能力第五十七頁，共79頁。冷彎性能是反映鋼筋塑性變形能力的另一個指標冷彎性能合格是鑒定鋼材在彎曲狀態(tài)下的塑性應變能力和鋼材質(zhì)量的綜合指標。第五十八頁，共79頁。鋼筋的雙線性理想彈塑性本構(gòu)模型第五十九頁，共79頁。無明顯屈服點鋼筋的應力－應變關(guān)系條件屈服點為殘余變形為0.2％時對應的應力第六十頁，共79頁。

冷加工鋼筋是指在常溫下對強度較低的熱軋鋼筋盤條采用某種工藝進行加工得到的鋼筋。常用的冷加工工藝有冷拉、冷拔、冷軋、冷扭。目前應用于工程中的冷加工鋼筋有：冷拔鋼絲、冷軋帶肋鋼筋、冷軋扭鋼筋和螺旋肋鋼筋等。鋼筋經(jīng)冷加工后設(shè)計強度提高70％左右，延性大幅度下降，均勻伸長率普遍不足2％。對鋼筋進行冷加工的目的是為了節(jié)省鋼筋，同時也填補了工程中對小直徑鋼筋的需求。鋼筋的冷加工第六十一頁，共79頁。冷拉和冷拔有什么異同點？

（1）工藝不同：所謂冷拉是指把有明顯屈服點的鋼筋（軟鋼鋼筋）用拉伸設(shè)備拉到其應力值超過其原來的屈服強度，使之進入應力～應變曲線的強化階段后，卸掉全部拉力，使鋼筋的應力重新恢復到零。在第一次加荷過程中，鋼筋隨著塑性變形的不斷增大，其內(nèi)部晶格發(fā)生變化并進行重組，使得鋼筋對塑性變形的阻力增大，從而在第二次受拉時能夠獲得比原來更高的屈服強度。這種現(xiàn)象稱為鋼筋的“冷拉強化”。冷拔是用強力把光圓鋼筋拔過硬質(zhì)合金拔絲模上的比其本身直徑小的拔絲孔，使鋼筋的直徑變小，長度增大。第六十二頁，共79頁。冷拉和冷拔有什么異同點？（2）冷拉只能提高鋼筋的抗拉強度，不能提高抗壓強度。冷拔可以同時提高鋼筋的抗拉和抗壓強度。（3）經(jīng)過冷拉和冷拔的鋼筋，其塑性都顯著降低。第六十三頁，共79頁。（1）結(jié)構(gòu)混凝土強度等級的要求素混凝土結(jié)構(gòu)的混凝土強度等級不應低于C15；鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的混凝土強度等級不應低于C20；采用強度級別400MPa及以上的鋼筋時，混凝土強度等級不應低于C25。

承受重復荷載的鋼筋混凝土構(gòu)件，混凝土強度等級不應低于C30。預應力混凝土結(jié)構(gòu)的混凝土強度等級不宜低于C40，且不應低于C30。2.7混凝土結(jié)構(gòu)對混凝土和鋼材性能的要求第六十四頁，共79頁。（2）對鋼材性能的要求

2.7混凝土結(jié)構(gòu)對混凝土和鋼材性能的要求強度－屈服強度塑性－延伸率和冷彎性能具有較好的可焊性有較好的粘結(jié)力－帶肋鋼筋第六十五頁，共79頁。1.3鋼筋與混凝土的粘結(jié)力當混凝土構(gòu)件產(chǎn)生變形和裂縫時，鋼筋與混凝土的接觸面上就會產(chǎn)生剪應力，又稱粘結(jié)應力。鋼筋與混凝土的粘結(jié)力實質(zhì)是接觸面上的剪應力。作用：保證力的相互傳遞，是共同工作的基本條件第六十六頁，共79頁。鋼筋與混凝土之間粘結(jié)應力的分布式是不均勻的。在有粘結(jié)應力的區(qū)域，粘結(jié)應力開始大，經(jīng)過一段長度會達到最大值，然后逐漸減小，直至為零。第六十七頁，共79頁。應力變化大，粘結(jié)力大，變化小，粘結(jié)小當鋼筋應力沒有變化時，粘結(jié)應力等于零第六十八頁，共79頁。根據(jù)鋼筋混凝土構(gòu)件受力性質(zhì)的不同，鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)應力可分為裂縫間的局部粘結(jié)應力和鋼筋端部的錨固粘結(jié)應力兩種：第六十九頁，共79頁。粘結(jié)應力的拔出試驗與粘結(jié)強度平均值鋼