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1、主讲：明承林 副教授/一注结 Tel: 15351227238 13880302789 E-mail: 建筑结构基本知识 Basic Knowledge of Building Structures 2 钢筋混凝土材料的性能Mechanical Properties of Reinforced Concrete Materials成都大学 基建处第 2 章 钢筋混凝土材料的性能2.1混凝土2.1.1 组成及特点主要材料：水泥、水、砂、石特点: 1）以固相为主，包含固体、液体、气体的三相体； 2）水化过程长，性能要很长时间才稳定； 3）水泥石收缩可形成微裂缝； 4）受制作、养护、使用条件影 响大
2、。 2.1.2 混凝土强度1.立方体抗压强度 符号:fcu (1)立方体抗压强度 单位: N/mm2a.确定方法规范规定:用边长为150mm的标准立方体试件，钢 模成型，经浇注、振捣密实后静置一昼夜，拆模后 在标准养护条件下(温度203C，相对湿度不小于 90%)养护28d后，擦干表面水，在试验机上沿浇注 的垂直方向试压。试压时，试块表面不涂润滑剂， 全截面受力,加荷速度约为0.30.5N/mm2.s。试块加 压至破坏时所测得的极限平均压应力,作为混凝土的 立方体抗压强度。试验录像b.影响因素(a)温度(b)湿度(c)龄期(d)试块尺寸 尺寸效应 立方体尺寸越小，测得的混凝土抗压强度 越大。非
3、标准试块强度换算系数：200mm200mm200mm:1.05；100mm100mm100mm:0.95。（2）混凝土强度等级a.确定依据：立方体强度的标准值fcu,k具 有95%的超值保证率b.符号: Cc.分级共14级:C15、C20、C25、C30、C35、 C40、C45、C50、 C55、 C60、C65、C70、 C75、C80 (高强混凝土）。CConcrete,单位：N/mm2或MPa。2.轴心抗压强度棱柱体抗压强度 符号:fc实际构件的混凝土 强度与试 块混凝土强度的 修正系数脆性影响 系数 棱柱体强度 与立方体强 度之比值混凝土 强度 等级级 C40C45C50C55C60
4、C65C70C75C80c10.760.760.760.770.780.790.800.810.82c21.000.9840.9680.9510.9350.9190.9030.8870.87c1 和 c2 值应用:轴心受压构件 轴心受压柱、桁架受压腹杆等。试验录试验录 像3.轴心抗拉强度 符号：ft 3.轴心抗拉强度 符号：ft 轴心抗拉强度与 立方体抗压强度 的折算系数 试验离散性的 影响系数 试验离散 性系数 注:不同强度等级的混凝土轴心抗压(拉)强度标准(设计)值，参见附录7 P467。直接测试法间接测试法-劈拉试验混凝土的轴心抗拉强度可以采用直接轴心受拉的试验 方法来测定，但由于试验比
5、较困难，目前国内外主要采 用圆柱体或立方体的劈裂试验来间接测试混凝土的轴心 抗拉强度。劈拉试验FaF拉压压4.复杂应力下的强度 双向受力图中： ft*，fc*混凝土单轴抗 拉、 抗压强度； f1 ，f2，f3混凝土的多轴强度, f1f2f3上图说明：压-压：强度提高；拉-拉：强度不变；拉-压：抗拉和抗压强度都低。 三向受力：影响混凝土强度的主要因素 1.原材料的品质2.水灰比及水泥用量3.龄期三向受压时，强 度增加，最大增 加5倍。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。2.1.3 混凝土的变形(
6、1)一次短期加载时(Stress- strain Relationship)0A:近似弹性 AB:非线性 BC:体积增大 CF:破坏 1.受力变形2.1 混凝土混凝土单轴受压应力-应变关系曲线，常采用棱柱体试件来 测定。 在普通试验机上采用等应力速度加载，达到轴心抗压 强度fc时，试验机中集聚的弹性应变能大于试件所能吸收的应 变能，会导致试件产生突然脆性破坏，只能测得应力-应变曲 线的上升段。采用等应变速度加载，或在试件旁附设高弹性元件与试件 一同受压，以吸收试验机内集聚的应变能，可以测得应力-应 变曲线的下降段。2.1 混凝土试验录试验录 像02468102030s(MPa)e 10-3BA
7、CEDA点以前，微裂缝没有明显发展，混凝土的变 形主要弹性变形，应力-应变关系近似直线。A 点应力随混凝土强度的提高而增加，对普通强 度混凝土sA约为 (0.30.4)fc ，对高强混凝土sA 可达(0.50.7)fc。A点以后，由于微裂缝处的应力集中，裂缝开 始有所延伸发展，产生部分塑性变形，应变增 长开始加快，应力-应变曲线逐渐偏离直线。 微裂缝的发展导致混凝土的横向变形增加。但 该阶段微裂缝的发展是稳定的。混凝土在结硬过程中，由于水泥石的收缩、骨 料下沉以及温度变化等原因，在骨料和水泥石 的界面上形成很多微裂缝，成为混凝土中的薄 弱部位。混凝土的最终破坏就是由于这些微裂 缝的发展造成的。
8、达到B点，内部一些微裂缝相互连通，裂缝发展 已不稳定，横向变形突然增大，体积应变开始由 压缩转为增加。在此应力的长期作用下，裂缝会 持续发展最终导致破坏。取B点的应力作为混凝 土的长期抗压强度。普通强度混凝土sB约为0.8fc，高强强度混凝土sB可达0.95fc以上。达到C点fc，内部微裂缝连通形成破坏面，应变 增长速度明显加快，C点的纵向应变值称为峰值 应变 e 0，约为0.002。纵向应变发展达到D点，内部裂缝在试件表面出 现第一条可见平行于受力方向的纵向裂缝。随应变增长，试件上相继出现多条不连续的纵 向裂缝，横向变形急剧发展，承载力明显下降 ，混凝土骨料与砂浆的粘结不断遭到破，裂缝 连通
9、形成斜向破坏面。E点的应变e = (23) e 0， 应力s = (0.40.6) fc。2.1 混凝土不同强度混凝土的应力-应变关系曲线强度等级越高，线弹性段越长，峰值应变也有所增大。但高强混凝土中，砂浆与骨料的粘结很强，密实性好，微裂缝很少，最后的破坏往往是骨料破坏，破坏时脆性越显著，下降段越陡。曲线的利用-求混凝土模量(初始)弹性模量变形模量 (割线模量)切线模量2.1 混凝土棱柱体试件。 受压：受拉：Ec=0.5 Ec 剪切模量：Gc=0.4 Ec 泊松比 = 横向应变/纵向应变=0.2混凝土的弹性模量 Elastic Modulus原点切线线模量 Elastic Modulus割线线
10、模量 Secant Modulus切线线模量 Tangent Modulus弹弹性系数n (coefficient of elasticity) 随应应力增大而减小 n =10.5弹性模量测定方法2.1 混凝土(2)多次加载时 疲劳 疲劳强度混凝土的疲劳强度由疲劳试验测定。采用 100mm100mm300mm 或150mm150mm450mm的棱柱体 ，把棱柱体试件承受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。 影响因素施加荷载时的应力大小是影响应力-应变曲线不同的发展和变化的关键因素，即混凝土的疲劳强度与重复作用时应力变化 的幅度有关。在相同的重复次数下，疲劳强
11、度随着疲劳应力 比值的增大而增大。(3)徐变 在长期荷载作用下 (Creep)定义：在荷载保持不变的情况下，变形随时间推移 继续增大的现象。特点：早期发展快，但可以延续数年。2.1 混凝土在应力（0.5fc）作用瞬间，首先产生瞬时弹性应变eel（= si/Ec(t0)，t0加荷时的龄期）。随荷载作用时间的延续，变形不断增长，前4个月徐变增 长较快，6个月可达最终徐变的（7080）%，以后增长逐渐 缓慢，23年后趋于稳定。2.1 混凝土记(t-t0)时间后的总应变为e c(t,t0)，此时混凝土的收缩应变为 esh(t，t0)，则徐变为， ecr (t,t0) = ec(t,t0)- e c(t
12、0)- esh(t,t0)= ec(t,t0)- eel- esh(t,t0)2.1 混凝土如在时间t 卸载，则会产生瞬时弹性恢复应变eel。由于混凝土 弹性模量随时间增大，故弹性恢复应变eel小于加载时的瞬时弹 性应变 eel。再经过一段时间后，还有一部分应变eel可以恢复， 称为弹性后效或徐变恢复，但仍有不可恢复的残留永久应变ecr影响因素：加载时的混凝土龄期；持续压力大小；混凝土的组成材料及配合比；混凝土的制作养护条件。具体具体影响:内在因素是混凝土的组成和配比。骨料(aggregate)的 刚度（弹性模量）越大，体积比越大，徐变就越小。 水灰比越小，徐变也越小。环境影响包括养护和使用条
13、件。受荷前养护(curing)的 温湿度越高，水泥水化作用月充分，徐变就越小。采 用蒸汽养护可使徐变减少（2035）%。受荷后构件所 处的环境温度越高，相对湿度越小，徐变就越大。徐变对结构的影响：使构件变形增大；在轴压构件中，使钢筋应力增加，混凝土应力减小；在预应力构件中，使预应力发生损失；在超静定结构中，使内力发生重分布。 2.非受力变形 体积变形(1)收缩(Shrinkage)定义：混凝土在空气中结硬时体积减小的现象。收缩率：310-4。收缩=凝缩+干缩 特点：早期快，可延续12年。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）的约束时，将
14、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。 某些对跨度比较敏感的超静定结构（如拱结构），收缩也会引起不利的内力。墙板干燥收缩裂缝与边框架的变形混凝土的收缩缩是随时间时间 而增长长的变变形，早期收缩变缩变 形 发发展较较快，两周可完成全部收缩缩的25%，一个月可完成50% ，以后变变形发发展逐渐渐减慢，整个收缩过缩过 程可延续续两年以上 。 一般情况下，最终终收缩应变值约为缩应变值约为 (25)10-4 混凝土开裂应变为应变为 (0.52.7)10-4 影响因素 混凝土的收缩缩受结结构周围围的温度、湿度、构件断面形状及 尺寸、配合比、骨料性质质、水
15、泥性质质、混凝土浇浇筑质质量及养护护 条件等许许多因素有关。 水泥用量多、水灰比越大，收缩缩越大。 骨料弹弹性模量高、级级配好，收缩缩就小。 干燥失水及高温环环境，收缩缩大。 小尺寸构件收缩缩大，大尺寸构件收缩缩小。 高强混凝土收缩缩大。 影响收缩缩的因素多且复杂杂，要精确计计算尚有一定的困难难。 在实际实际 工程中，要采取一定措施减小收缩应缩应 力的不利影响。 减少收缩的措施：限制水泥用量；减小水灰比；加强振捣和养护； 构造钢筋数量加强；设置变形缝；掺膨胀剂。 (2)膨胀定义：混凝土在水中结硬时体积增大的现象。因对工程一般有利，故不考虑2.2.1 钢筋的型式2.2钢筋1. 钢筋的型式（1）劲性钢筋（2）柔性钢筋2.劲性钢筋3.柔性钢筋Steel Reinforcement 2.2.2 钢筋的品种和级别1. 钢筋的品种（1）按钢筋的化学成分分a.碳素钢b.普通低合金钢低 碳：C0.6%Mn 锰，Si 硅，V 钒，Nb 铌，Ti 钛， C 碳2.2.2 钢筋的品种和级别（2）按钢筋的轧制外形分a.光圆钢筋 b.变形钢筋（3）按钢筋的直径大小分a. 钢丝： 3，5 b.细钢筋： 6，10c.中粗钢筋：12，20d.粗钢筋： 22，502.2.2 钢筋的品种和级别 1. 钢筋的品种（4）按钢筋的生产工艺分a.热轧钢筋 b.冷拉钢筋c.冷拔钢筋d.热处理钢筋：经
