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1、1第第 1 章章混凝土结构材料的物理力学性能混凝土结构材料的物理力学性能西北农林科技大学水利与建筑工程学院2本章主要讨论本章主要讨论钢筋钢筋和和混凝土混凝土品种、在不同受力品种、在不同受力 条件下的强度和变形的变化规律，以及这两种材条件下的强度和变形的变化规律，以及这两种材 料的共同工作性能。料的共同工作性能。它将为建立有关计算理论并进行钢筋混凝土构它将为建立有关计算理论并进行钢筋混凝土构 件的设计提供重要的依据。件的设计提供重要的依据。建筑材料建筑材料影响材料性质的因素，获得既定性影响材料性质的因素，获得既定性 质的方法。质的方法。钢筋混凝土结构钢筋混凝土结构材料的材料的品种品种及及力学性能
2、力学性能（强强 度和变形度和变形）以合理取材。）以合理取材。研究的顺序研究的顺序钢筋、混凝土、钢筋混凝土钢筋、混凝土、钢筋混凝土3一、钢筋的品种一、钢筋的品种钢筋是钢材的一种，由钢铁材料制造而成的，它的性质和钢筋是钢材的一种，由钢铁材料制造而成的，它的性质和 分类与钢铁材料组成由很大关系。分类与钢铁材料组成由很大关系。1.1 钢筋的品种和力学性能钢筋的品种和力学性能（一）按化学成分为（一）按化学成分为按含碳量高低分为按含碳量高低分为 3， fc趋于稳定，我国通常取趋于稳定，我国通常取 150mm150mm300mm的棱柱体试件。的棱柱体试件。也常用也常用100100300试件。试件。棱柱体抗压
3、强度和立方体抗压强度的换算关系为，棱柱体抗压强度和立方体抗压强度的换算关系为，cucucfff67. 076. 088. 0=cucff76. 0=规范给出：规范给出：试验结果：试验结果：283.局部抗压强度局部抗压强度 Local Bearing Strengthc lb cclfAAff=291.1.轴心抗拉强度轴心抗拉强度它也是混凝土基本力学性能指标之一，用符号它也是混凝土基本力学性能指标之一，用符号 ft 表示。混表示。混 凝土构件凝土构件开裂、裂缝、变形开裂、裂缝、变形，以及受剪、受扭、受冲切等的，以及受剪、受扭、受冲切等的 承载力承载力均与均与抗拉强度抗拉强度有关。有关。抗拉强度远
4、低于抗压强度，抗拉强度远低于抗压强度，ft/ fcu=（1/91/18）且混凝且混凝 土强度等级越高，土强度等级越高，ft/ fcu比值越小。比值越小。凡影响抗压强度的因素，均影响抗拉强度，但影响程凡影响抗压强度的因素，均影响抗拉强度，但影响程 度不同度不同。（二）混凝土的抗拉强度（二）混凝土的抗拉强度3055012512515016轴心受拉试验3006302.2.试验方法试验方法（1 1）直接受拉法）直接受拉法试件：试件：150mm150mm550mm 对中预埋对中预埋d=16mm的带肋钢筋，埋深的带肋钢筋，埋深 125mm 。试验时，试验机加紧两端钢筋，使试件受试验时，试验机加紧两端钢筋，
5、使试件受 拉，破坏时中部断裂。拉，破坏时中部断裂。存在问题：存在问题：a：拉力不易对中，形成偏心影响。：拉力不易对中，形成偏心影响。b：钢筋端部应力集中，断裂常出现在钢筋末端：钢筋端部应力集中，断裂常出现在钢筋末端 断面处。断面处。31劈裂试验PaP拉压压由于轴心受拉试验对中困难，由于轴心受拉试验对中困难，也常常采用立方体或圆柱体劈裂试也常常采用立方体或圆柱体劈裂试验测定混凝土的抗拉强度。验测定混凝土的抗拉强度。22 dPft=（2 2）劈裂法）劈裂法存在问题存在问题：垫条越细，应力集中越：垫条越细，应力集中越 严重，测得的抗拉强度越低。严重，测得的抗拉强度越低。劈裂法测得的抗拉强度低于直接法
6、，但也有反常情况。劈裂法测得的抗拉强度低于直接法，但也有反常情况。32试验结果给出试验结果给出ft与与 fcu 的关系为的关系为3226. 0cutff =与轴压相同的理由，规范取：与轴压相同的理由，规范取：323223. 026. 088. 0cucutfff=（三）复杂应力下混凝土的受力性能（三）复杂应力下混凝土的受力性能实际结构中，混凝土很少处于单向受力状态。更多的是处于实际结构中，混凝土很少处于单向受力状态。更多的是处于 双向双向或或三向三向受力状态。如剪力和扭矩作用下的构件、弯剪扭和受力状态。如剪力和扭矩作用下的构件、弯剪扭和 压弯剪扭构件、混凝土拱坝、核电站安全壳等。压弯剪扭构件、
7、混凝土拱坝、核电站安全壳等。双轴应力状态双轴应力状态 Biaxial Stress State双向受压；双向受拉；一拉一压双向受压；双向受拉；一拉一压33（三）复杂应力下混凝土的受力性能（三）复杂应力下混凝土的受力性能1 1、双轴应力状态、双轴应力状态 Biaxial Stress State（1 1）双向受压强度大于单向受）双向受压强度大于单向受 压强度，最大受压强度发生在两压强度，最大受压强度发生在两 个压应力之比为个压应力之比为0.30.30.60.6之间，之间， 约为约为(1.25(1.251.60 )1.60 )fc c。双轴受压。双轴受压 状态下混凝土的应力状态下混凝土的应力- -
8、应变关系应变关系 与单轴受压曲线相似，但峰值应与单轴受压曲线相似，但峰值应 变均超过单轴受压时的峰值应变。变均超过单轴受压时的峰值应变。34（3 3）在一轴受压一轴受拉状态下，任意应力比情况下）在一轴受压一轴受拉状态下，任意应力比情况下均不超过其相应单轴强度。并且抗压强度或抗拉强度均不超过其相应单轴强度。并且抗压强度或抗拉强度均随另一方向拉应力或压应力的增加而减小。均随另一方向拉应力或压应力的增加而减小。（2 2）在双轴受拉状态下，任意应力比情况下）在双轴受拉状态下，任意应力比情况下均接近其相应单轴强度。均接近其相应单轴强度。35构件受剪或受扭时常遇到剪应力构件受剪或受扭时常遇到剪应力 和正应
9、力和正应力 共同作用下共同作用下 的复合受力情况。的复合受力情况。混凝土的抗剪强度：随混凝土的抗剪强度：随拉拉应力增大而减小应力增大而减小 随随压压应力增大而增大应力增大而增大 当压应力在当压应力在0.6fc左右时，抗剪强度达到最大，左右时，抗剪强度达到最大， 压应力继续增大，则由于内裂缝发展明显，抗剪强度将随压应压应力继续增大，则由于内裂缝发展明显，抗剪强度将随压应 力的增大而减小。力的增大而减小。362 2、三轴应力状态三轴应力状态 Triaxial Stress State 三轴应力状态有多种组合，实际工程遇到较多的螺旋箍筋柱三轴应力状态有多种组合，实际工程遇到较多的螺旋箍筋柱 和钢管混
10、凝土柱中的混凝土为三向受压状态。三向受压试验一和钢管混凝土柱中的混凝土为三向受压状态。三向受压试验一 般采用圆柱体在等侧压条件进行。般采用圆柱体在等侧压条件进行。混凝土一向抗压强度会随另二向混凝土一向抗压强度会随另二向 压应力的增加而增加，极限应变也压应力的增加而增加，极限应变也 增加很多。增加很多。复合应力状态下的试验方复合应力状态下的试验方 法很不统一，影响强度的因素法很不统一，影响强度的因素 很多，加之混凝土强度理论还很多，加之混凝土强度理论还 没有解决，这是一个难度比较没有解决，这是一个难度比较 大的理论问题，到目前为止还大的理论问题，到目前为止还 没有统一的定论。没有统一的定论。37
11、二、混凝土的变形二、混凝土的变形混凝土变形混凝土变形混凝土的受力变形混凝土的受力变形多次重复荷载作用下的变形多次重复荷载作用下的变形混凝土长期作用的变形混凝土长期作用的变形混凝土一次短期加荷的变形混凝土一次短期加荷的变形混凝土的体积变形混凝土的体积变形 温度引起的变形温度引起的变形收缩徐变变形收缩徐变变形外荷载作用产生的受力变形外荷载作用产生的受力变形 由温度和干湿变化引起的体积变形由温度和干湿变化引起的体积变形混凝土的变形：混凝土的变形：38（一）混凝土的受力变形（一）混凝土的受力变形该变形与加载方式（该变形与加载方式（一次一次 或多次重复加载或多次重复加载）和）和荷载作用时间荷载作用时间长
12、短有关长短有关1.1.一次短期加载下混凝土的应力一次短期加载下混凝土的应力应变曲线应变曲线单轴（单调）受压应力单轴（单调）受压应力-应变关系应变关系Stress- strain Relationship（1 1）当应力当应力0.8fc 时，混凝土内部微裂缝的发展已处于不稳定时，混凝土内部微裂缝的发展已处于不稳定 的状态，徐变的发展将不收敛，最终导致混凝土的破坏。因此将的状态，徐变的发展将不收敛，最终导致混凝土的破坏。因此将 0.8fc作为混凝土的作为混凝土的长期抗压强度长期抗压强度。高强混凝土高强混凝土的密实性好，在相同的的密实性好，在相同的 /fc比值下，徐变比普通混比值下，徐变比普通混 凝
13、土小得多。但由于高强混凝土承受较高的应力值，初始变形较凝土小得多。但由于高强混凝土承受较高的应力值，初始变形较 大，故两者总变形接近。此外，高强混凝土线性徐变的范围可达大，故两者总变形接近。此外，高强混凝土线性徐变的范围可达 0.65fc，长期强度约为，长期强度约为0.85fc，也比普通混凝土大一些。，也比普通混凝土大一些。51(a) 引起“引起“应力松弛”，应力松弛”，如果结构受外界约束而无法变形，如果结构受外界约束而无法变形， 则结构的应力将会随时间的增长而降低，这种则结构的应力将会随时间的增长而降低，这种应力降低的现应力降低的现 象象称为应力松弛。松弛和徐变是一个事物的两种表现形式。称为
14、应力松弛。松弛和徐变是一个事物的两种表现形式。(b) 在钢筋砼结构中，引起在钢筋砼结构中，引起钢筋和砼应力的重分配钢筋和砼应力的重分配。（以钢。（以钢 筋混凝土柱为例说明）。筋混凝土柱为例说明）。(c) 缓和应力集中现象缓和应力集中现象，支座沉陷、温湿变化引起的应力因，支座沉陷、温湿变化引起的应力因 徐变而得到松弛。（开孔板为例说明）。徐变而得到松弛。（开孔板为例说明）。(d) 造成造成预应力损失、结构变形增大、刚度降低预应力损失、结构变形增大、刚度降低等。等。结论：结论：徐变引起的应力变化对水工结构来讲，大多数情况徐变引起的应力变化对水工结构来讲，大多数情况 下是有利的，在少数情况下是有害的
15、。下是有利的，在少数情况下是有害的。（5）徐变的实际意义徐变的实际意义52（二）混凝土的干湿变形和温度变形（二）混凝土的干湿变形和温度变形(1)(1)混凝土的干湿变形混凝土的干湿变形混凝土在空气中硬化时体积会缩小，这种现象称为混凝土的混凝土在空气中硬化时体积会缩小，这种现象称为混凝土的收缩（干缩）。收缩（干缩）。收缩是混凝土在不受外力情况下体积变化产生的变形。收缩是混凝土在不受外力情况下体积变化产生的变形。当这种自发的变形受到外部（支座）或内部（钢筋）的约当这种自发的变形受到外部（支座）或内部（钢筋）的约束时，束时，将使混凝土中产生拉应力，甚至引起混凝土的开裂。将使混凝土中产生拉应力，甚至引起
16、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。混凝土收缩会使预应力混凝土构件产生预应力损失。干缩对对薄壁结构造成很大影响，某些干缩对对薄壁结构造成很大影响，某些对跨度比较敏感的对跨度比较敏感的超静定结构超静定结构（如拱结构），收缩也会引起不利的内力。（如拱结构），收缩也会引起不利的内力。已经干燥的混凝土再置于水中，又会重新发生膨胀（已经干燥的混凝土再置于水中，又会重新发生膨胀（湿胀湿胀） 湿胀系数较小，常产生有利影响。湿胀系数较小，常产生有利影响。53墙板干燥收缩裂缝与边框架的变形54影响因素影响因素混凝土的收缩受结构周围的温度混凝土的收缩受结构周围的温度、湿度湿度、构件断面形状构件断面形状 及尺寸及尺寸、配合比配合比、骨料性质骨料性质、水泥性质水泥性质、混凝土浇筑质量及混凝土浇筑质量及 养护条件等许多因素有关养护条件等许多因素有关。 水泥用量多水泥用量多、水灰比越大水灰比越大，收缩越大收缩越大 骨料弹性模量高骨料弹
