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1、第1章 钢筋混凝土材料的主 要力学性能混凝土结构材料（主要力学性能）混凝土钢筋强度和变形第一节 混凝土的主要力学性 能一混凝土的强度荷载的性质和受力条件不同，使混凝土具有不同 的强度立方体抗压强度 单向应力状态下的强度 轴心抗压强度轴心抗拉强度复合应力状态下的强度 双向受力强度三向受压强度1混凝土的立方体抗压强度和强 度等级标准试验条件标准方法制作边长150mm立方体,(203)湿度90%以上28天龄期用标准试验方法测 立方体抗压强度标准值：95%保证率的立方体抗压强度值。 用途：力学性能的基本代表值，混凝土强 度等级划分依据。 强度等级：按立方体抗压强度标准值分为 14级，“C+标准值” 常
2、用等级：C15，C20，C25，C30，C35， C40，C45，C50，C55， C60，C65，C70，C75， C80混凝土强度等级：l例如 C20, 表示 当边长不是150mm时，可通过尺寸效应换 算系数换算成标准试块的强度。规范规定 其换算关系为：混凝土立方体抗压强度试验混凝土抗压强度试验破坏照片 影响立方体抗压强度的因素： （1）试验方法： 分为涂润滑剂和不涂润滑剂 。l通常试块与试验机垫板之间存在摩擦，这种 摩擦对试块有“套箍”作用引起抗压强度 提高。l如果涂润滑剂，摩擦力大大减小，横向不受 约束，强度不提高。注意：我国规定的标准试验方法是不涂润滑剂的。 （2）试件尺寸：尺寸越小
3、，强度越高。 （3）加载速度：速度越快，强度越高。 （4）混凝土龄期：随龄期的增长而提高。2混凝土的轴心抗压强度 l 用标准棱柱体试件（150mm 150mm 300 mm ）采用标准试验方法（与立方体相同）测定 的混凝土抗压强度轴心抗压强度。l 一般认为当 h / b = 24 时，可以消除摩擦 力的影响，中间为纯压状态，接近实际情况 。l 通过试验分析， l规范给出轴心抗压强度标准值与立方体抗压强 度标准值的关系按下式确定：l 棱柱体强度与立方体强度的比值，C50以下 取 0.76， C80取0.82。l 高强混凝土的脆性折减系数，C40及以下，取1.0，C80取0.87。l 0.88考虑
4、实际构件与试件混凝土之间的差异而 取的折减系数。l小贴示：在以后计算受弯构件，轴心受压 构件和偏心受压构件的正截面承载力时， 都是以 作为强度计算指标的。3混凝土的轴心抗拉强度 l 一般只为抗压强度的 1/18 1/9。l 轴心抗拉强度可由试验直接测得 轴心受拉试验（直接） 劈裂试验 （间接）l 通过试验分析，规范给出轴心抗拉强度标准值 与立方体抗压强度标准值的关系l注意：混凝土强度越高， 与 的比值越小 。l小贴示：在以后实际计算时， ， 不用 上式计算，当混凝土强度等级一定时，直接 查表，见附录。4、复合应力状态下的混凝土的 强度l实际上混凝土构件都处于复合应力状态，梁既受M又受V，柱同时
5、受M、N、V，所 以需研究复合应力状态下混凝土的强度。（1）混凝土的双向受力强度（正应力）双向受拉： 、 相互影响不大，双向受拉强度接近于单向受拉强度。双向受压： 一向的强度随另一向压力的增加而增加，双向受压强度比单向受压强度最多可提高27% 。一向受压、一向受拉： 双向异号应力使单向（受压或受拉）强度降低。 （2）在法向应力和剪应力组合下 的混凝土强度l“拉剪状态” 压应力低时，抗剪强度随压应 力的增大而增大，当压应力超过 时，抗 剪强度随压应力的增大而减小。 也就是说：由于剪应力存在，混凝土的抗压强 度低于单向抗压强度。l“压剪状态” 抗剪强度随拉应力增大而减小。也就是说：由于剪应力存在，
6、混凝土的抗拉强 度降低。 （3）混凝土的三向受压强度l 混凝土在三向受压时，由于侧向压应力的约 束作用，最大的主压应力轴的抗压强度大大 增大。l试验经验公式：l（实际工程中，配有螺旋钢箍柱、钢管混凝 土柱等都是利用此性质，强度、延性大大提 高）l“套箍作用”二. 混凝土的变形混凝土的变形分为: 一次短期加载下的变形 1. 混凝土的受力变形 荷载长期作用下的变形 重复荷载作用下的变形 2. 混凝土的体积变形 收缩、膨胀、温度变化 1. 一次短期加载下混凝土的变形 性能（1）混凝土受压时的应力应变曲线（通过应力应变曲线，可以了解混凝土各阶段的强度和变形）采用棱柱体试件测定混凝土受压时应力应变全曲线
7、，包括：上升段和下降段上升段（OC）:（a）加载到 ，接近直线，混凝土处于 弹性阶段； A点比例极限。 （b）加载 ，图形逐渐弯曲，混 凝土呈现出弹塑性性质，E不是常数；B点混凝土长期抗压强度的取值依据。 （c）加载至峰点C，应变增大，图形更弯曲。C点混凝土棱柱体抗压强度 ，对应的应变 。 下降段（CE）: 缓慢卸荷，裂缝继续扩展、贯 通，变形增大。收敛点E应变特点： 1）混凝土的应力应变图形是一曲线，说明混凝 土是一种弹塑性材料，只有压应力很小时， 才可视为弹性材料。 2）混凝土强度对应力应变曲线下降段有较大影 响，混凝土强度高，应力下降快，延性越差 ；强度低，下降段越平缓，延性好。（通过上
8、述受压应力应变曲线，获得混凝土的变形性能指标） （2）混凝土的弹性模量、变形模量是一曲线，非线性，E是变量不是常数。 （a）弹性模量：过 曲线上的原点作曲线的切线 ，该切线的斜率为弹性模量原点弹性模量规范规定采用反复加荷的方法确定 对标准棱柱体试件 ，取 反复加荷、卸载5至10次，随加载次数增加， 接近直线，该直线斜率即为弹性模量 。据实验值的统计分析，得出 与 的关系式：（kN/mm2）实际设计时， 可以根据混凝土等级查表。小贴士：只有在应力很小时，才能用 ，混凝土进 入弹塑性状态，要用变形模量或切线模量来表示应 力应变关系。（b）变形模量（割线模量）（弹塑性模量）连接原点至曲线上任一点处割
9、线的斜率为该 点的变形模量变量，各点不同 （c）切线模量 过某一应力 作曲线切线，其斜率为 规律： 随荷载增大， 和 不断减小。（3）混凝土轴向受拉时的应力应变曲线与受压时相似上升段、下降段但其应力、应变峰值小的多，弹性模量变形模量切线模量混凝土在长期荷载下，压应力不变，应变随 时 间而增长的现象 徐变徐变现象：在荷载长期作用下，变形将随时 间而增加； 徐变原因：凝胶体的粘性流动，内部微裂缝 不断产生和发展等 徐变影响：导致变形增大，应力重分布和内 力分布等。 2. 荷载长期作用下混凝土的变形 性能徐变的特点：a）与时间有关：开始增加快，以后慢，六个月完成 大部分，12年后稳定.（徐变应变约为
10、瞬时应变的1 4倍） b）与应力大小有关：当应力较小 时，徐变大致与应力成正比线 性徐变。当应力较大时 ，徐变增长大于应力增长 非线性徐变。当应力过高 时，徐变急剧增大，不收敛， 试件破坏所以一般取 为混凝土的长期极 限强度。c）与混凝土的龄期有关：加载时混凝土的龄期越早，徐变越大 d）与混凝土的组成成分有关：水泥用量越多或水灰比越大，徐变越大。骨料质量 好，徐变越小。 e）与混凝土养护条件有关：养护温度高，湿度大，徐变越小；受力后环境温度越高，湿度低，徐变就越大。 f）与构件形状、尺寸有关： 体表比大，徐变小。影响徐变的因素归纳为三个方面：内在因素、环境因素、应力因素。卸载时变形恢复:瞬时弹
11、性恢复、弹性后效，永久应变减小徐变的措施： 1）选用优质骨料、优质水泥，减小水泥用量和 水灰比。 2）加强养护，尽量捣实，保持温度、湿度。 3）适当控制混凝土龄期。3. 重复荷载作用下混凝土的变形在荷载重复作用下，混凝土的强度和变形有很大变化，混凝土在荷载重复作用下引起的破坏称为疲劳破坏。 容易出现疲劳破坏的构件： 吊车梁、钢筋混凝土道桥、港口海岸的混凝土结构等。l疲劳抗压强度：混凝土的疲劳强度用疲劳试验测定。 疲劳试验采用100mm100mm300mm或 150mm150mm450mm的棱柱体，把能使棱柱体试件承受 200万次或其以上循环荷载而发生破坏的压应力值称为混 凝土的疲劳抗压强度。一
12、次重复加载下 加载：随应力增加应变增加 卸载：不重复加载轨迹，有弹性后效和残余变形 多次重复加载下 峰值小于疲劳强度：每循环成环，面积逐渐减少，至直 线； 峰值大于疲劳强度：开始与小应力的相似；成直线后，凸凹方向改变，斜率降低，裂缝和变形严 重 混凝土疲劳破坏：因荷载重复作用而引起的破坏 混凝土疲劳强度：疲劳破坏需要重复荷载的最小应力峰 值 疲劳抗压强度与应力变化幅度有关：式中： ， 表示截面同一纤维上的混凝土最小应力和最大应力。4.混凝土的收缩和膨胀体积变形混凝土在空气中结硬时体积减小的现象 收缩混凝土在水中结硬时体积增大的现象 膨胀膨胀值远小于收缩值，一般不考虑。l收缩与时间有关，半年完成
13、 8090。l当这种自发的变形受到外部（支座）或内部（钢筋 ）的约束时，将使混凝土中产生拉应力，甚至引起 混凝土的开裂。混凝土收缩会使预应力混凝土构件 产生预应力损失。l混凝土收缩在钢筋混凝土结构中会产生不利影响开裂 影响因素 混凝土的收缩受结构周围的温度、湿度、构 件断面形状及尺寸、配合比、骨料性质、水泥 性质、混凝土浇筑质量及养护条件等许多因素 有关。-归纳为：内在因素、环境因素减小混凝土收缩的措施：同徐变 4）设置适当抗收缩钢筋（构造钢筋见相关构造要求 ）（ 温度变化，也会引起混凝土开裂，一般影响不大，在重 要结构、高层结构、特种结构中考虑设置伸缩缝）第二节 钢筋的主要力学性能一、钢筋的
14、品种和级别（一）钢筋的品种（分类）按化学成分分类：低碳钢碳素钢 中碳钢 随含碳量增加，钢筋强度提高，高碳钢 塑性性能降低。普通低合金钢：除碳素钢已有的成分外，再加入少量的 硅、锰、钛、钒等合金元素。强度显著提高，塑性性能也好。 按外形分类 光面钢筋表面光滑，与混凝土粘结力差 。变形钢筋表面带肋，螺旋纹、人字纹、月牙纹， 与混凝土粘结力高 。热轧钢筋 （用于钢筋混凝土结构） 按生产工艺分类 预应力钢丝和钢绞线、热处理钢筋（用于预应力混凝土结构 ）冷加工钢筋 （用于预应力混凝土结 构）三种钢筋的生产工艺不同，见P22（二）钢筋的级别1、热轧钢筋：由普通（低碳）碳素钢、低合金钢 轧制而成软钢性能：随
15、着钢筋级别的增加，强度提高，塑性降低。（ 三）钢筋的冷加工（对钢筋进行冷加工，可以提高 强度） 1.冷拉对热轧钢筋进行张拉，张拉应力超过原屈服点 ，然后放松，再张拉，屈服强度提高了，但塑性降 低。（伸长率降低）2.冷拔将 光面钢筋通过强力拔过直径小的钨合 金拔丝模孔，塑性变形后3，4mm钢丝。l 冷拉：提高抗拉强度（不宜作受压钢筋）l冷拔：同时提高抗拉、抗压强度,l冷拉有屈服明显的屈服台阶，冷拔则没有。（四）影响钢材性能的一般因素 (1)化学成分 碳：提高强度；但塑性，可焊性、耐锈蚀性等劣化。 锰：提高强度，改善脆性,但对可焊性和耐锈力不利。 硅：提高强度，但含量过高，对塑性可焊性耐锈力不 利
