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1、4 建筑结构材料内容概述：本章主要讲解混凝土结构材料、砌体结构材料及钢结构材料的力学性能及其各自材料之间的相互作用。学习目标，了解钢筋和混凝土材料各自的力学性能及其共同工作的原理，掌握钢筋混凝土构件的受力性能，；掌握砌体结构中砌体材料的特性；掌握钢结构中钢材的性能。一、基础知识4.1钢筋混凝土结构材料钢筋混凝土结构是由钢筋和混凝土这两种性质不相同的材料组成的，了解钢筋和混凝土材料各自的力学性能及其共同工作的原理，是掌握钢筋混凝土构件的受力性能，正确地进行钢筋混凝土结构的设计的基础。4.1.1混凝土一、 混凝土的强度普通混凝土是由水泥、砂、石和水按一定配合比拌合，经凝固硬化后作成的人工石材。混凝
2、土强度的大小不仅与组成材料的质量和配合比有关，而且与混凝土的养护条件、龄期、受力情况以及测定其强度时所采用的试件形状、尺寸和试验方法也有密切关系。因此，研究各种单向受力状态下的混凝土强度指标时必须以统一规定的标准试验方法为依据。1 立方体抗压强度我国以立方体抗压强度值作为混凝土最基本的强度指标以及评价混凝土强度等级的标准，因为这种试件的强度比较稳定。规范规定，用边长为150mm的标准立方体试件，在标准养护条件（温度在203，相对湿度不小于90）下养护28天后在试验机上试压。试验时，试块表面不涂润滑剂，全截面受力、加荷速度每秒钟约为（0.30.8）N/mm2。试块加压至破坏时，所测得的极限平均压
3、应力作为混凝土的立方体抗压强度，用符号表示，单位为N/mm2。规范规定的混凝土强度等级，是按立方体抗压强度标准值（即具有不小于95保证率）确定的，用符号C表示，共有14个等级，即C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75、C80。字母C后面的数字表示以N/mm2为单位的立方体抗压强度标准值。在试验过程中可以看到，当试件的压力达到极限值时，在竖向压力和水平摩擦力的共同作用下，首先是试块中部外围混凝土发生剥落，形成两个对顶的角锥形破坏面（如图41）。这也说明试块和试验机垫板之间的摩擦对试块有“套箍”的作用，而且这种“套箍”作用，越靠近试块
4、中部作用越弱。试验还表明，混凝土的立方体抗压强度还与试块的尺寸有关，立方体尺寸越小，测得混凝土抗压强度越高。当采用边长为200mm或100mm立方体试件时，须将其抗压强度实测值乘以1.05或0.95转换成标准试件的立方体抗压强度值。图41 混凝土立方体试件的破坏情况2轴心抗压强度在实际工程中，受压构件往往不是立方体，而是棱柱体。因此采用棱柱体试件比立方体试件能更好的放映混凝土的实际抗压能力。用标准棱柱体试件测定的混凝土抗压强度，称为混凝土的轴心抗压强度或棱柱体强度，用符号表示。试验表明，当棱柱体试件的高度h与截面边长b的比值在24之间时，混凝土的抗压强度比较稳定。这是因为在此范围内既可消除垫板
5、与试件之间摩擦力对抗压强度的影响，又可消除可能的附加偏心距对试件抗压强度的影响。因此，我国混凝土材料试验中规定以150mm150mm300mm的试件作为试验混凝土轴心抗压强度的标准试件。混凝土的轴心抗压强度与立方体抗压强度之间关系很复杂，与很多因素有关。根据试验分析，混凝土轴心抗压强度平均值与边长为150mm立方体抗压强度平均值的经验关系是： （41）式中： 轴心抗压强度平均值与立方体抗压强度平均值的比值，对C50及以下混凝土取0.76，对C80混凝土0.82，中间按线性规律变化； 高强度混凝土脆性折减系数，对C40及以下混凝土取1.0，对C80混凝土取0.87，中间按线性规律变化； 0.88
6、考虑到结构中混凝土强度与试件混凝土强度之间的差异修正系数。在钢筋混凝土结构中，计算受弯构件正截面承载力、偏心受拉和受压构件时，采用混凝土的轴心抗压强度作为计算指标。3轴心抗拉强度混凝土的抗拉强度远小于其抗压强度，一般只有抗压强度的。因此，在钢筋混凝土结构中，一般不采用混凝土承受拉力。混凝土的轴心抗拉强度用符号表示。规范采用直接测试法来测定混凝土的抗拉强度，即对棱柱体试件（100mm100mm500mm）两端预埋钢筋（每端长度为150mm，直径为16mm的变形钢筋），且使钢筋位于试件的轴线上，然后施加拉力（如图42），试件破坏时截面的平均拉应力极为混凝土的轴心抗拉强度。图42 用直接测试法测试混
7、凝土抗拉强度根据试验分析，并考虑到构件与试件的差别、尺寸效应及加荷速度等因素的影响，混凝土轴心抗拉强度平均值与立方抗拉强度平均值经验关系为： （42）在钢筋混凝土结构中，当计算受弯构件斜截面受剪、受扭构件及对某些构件进行开裂验算时，会用到混凝土的轴心抗拉强度。二、 混凝土的变形混凝土的变形分为两类，一类为混凝土的受力变形，包括一次短期加荷的变形，荷载长期作用下的变形等。另一类称为混凝土的体积变形，包括混凝土由于收缩和温度变化产生的变形等。1 混凝土在一次短期加荷时的变形性能（1）混凝土的应力应变曲线混凝土在一次单调加载（荷载从零开始单调增加至试件破坏）下的受压应力应变关系是混凝土最基本的力学性
8、能之一，它可以比较全面的放映混凝土的强度和变形特点，也是确定构件截面上混凝土受压区应力分布图形的主要依据。测定混凝土受压的应力应变曲线，通常采用标准棱柱体试件。由试验测得的典型受压应力应变曲线如图43所示。图上以A、B、C三点讲全曲线划分为四个部分：OA段：约在（0.30.4）。混凝土基本处于弹性工作阶段，应力应变呈线性关系。其变形主要是骨料和水泥结晶体的弹性变形，水泥胶凝体的粘结流动以及初始微裂缝的变化的影响很小。AB段：裂缝稳定发展阶段。混凝土表现出塑性性质，应变的增加开始大于应力的增加，应力应变关系开始偏离直线，直线逐渐弯曲。这时由于水泥胶凝体的粘结流动混凝土中微裂缝的发展，新裂缝不断产
9、生的结果。图43混凝土受压的应力应变曲线BC段：裂缝随荷载的增加迅速发展，塑性变形显著增大。C点的应力达峰值应力，即，相应于峰值应力的应变为，其值在0.00150.0025之间波动，平均值为。C点以后：试件承载能力下降，应变继续增大，最终还会留下残余应力。OC段为曲线的上升段，C点以后为下降段。试验结果表明，随着混凝土强度的提高，上升段的形状和峰值应变的变化不很显著，而下降段的形状有显著差异。混凝土的强度越高，下降段的坡度越陡，即应力下降相同幅度时变形越小，延性越差，如图44。混凝土受拉时的应力应变曲线与受压时相似，但其峰值时的应力、应变都较受压时的小的多，对应于时的很小，计算时可取0.000
10、15。（2）混凝土的弹性模量、变形模量弹性模量Ec通过应力应变曲线上原点O引切线，该切线的斜率（如图45）为混凝土的原点切线模量，也即混凝土的弹性模量。 （43）式中 Ec弹性模量 混凝土应力应变曲线在原点处的切线与横坐标轴的夹角。图44 不同强度混凝土的应 图45 混凝土的弹性模量和 力应变曲线 变形模量表示方法要在混凝土一次短期加荷时的应力应变曲线上作原点的切线，以求得的准确值，是很不容易的。我国规范中规定，混凝土弹性模量采用棱柱体试件反复加荷的方法确定，即取加载卸载510次。由于混凝土不是弹性材料，每次卸荷至零时，变形不能完全恢复，即产生了残余变形。随着加荷卸荷次数的增加，每次卸荷的残余
11、变形越来越小，应力应变曲线渐趋稳定并基本上接近于直线，该直线的斜率即为混凝土的弹性模量。大量试验结果表明，混凝土的弹性模量和混凝土立方体抗压强度标准值有关。通过对各种强度等级混凝土弹性模量试验值的统计分析，我国规范给出的混凝土弹性模量Ec（单位为N/mm2）的经验公式为： （44）变形模量由图211可见，随着压应力的增大，混凝土的塑性应变发展，初始弹性模量已不能反映这时的应力应变性质。因此，我们给出变形模量的概念。连接O点至曲线任一点应力为处割线的斜率称为称为该点的割线模量或变形模量。 或式中 混凝土应力为时的总应变，即； 混凝土的弹性应变； 混凝土的塑性应变。混凝土的变形模量与弹性模量的关系
12、如下： （45）式中 混凝土受压时的弹性系数，等于混凝土弹性应变与总应变之比。在应力较小时，处于弹性阶段，可认为；应力增大，处于弹塑性阶段，； 当应力接近时，。混凝土受拉时的弹性模量与受压时基本一致，因此可取相同值。受拉变形模量为0.5Ec。另外，混凝土的剪变模量可按混凝土弹性模量的0.4倍采用。不同强度等级混凝土的弹性模量，使用时可以查附表。2 混凝土在长期荷载作用下的变形性能混凝土在长期不变荷载作用下，其应变随时间增长的现象称为混凝土徐变。徐变将有利于结构的内力重分布，减少应力集中现象及减少温度应力等。但混凝土的徐变会使构件变形增大；在预应力混凝土构件中，徐变会导致预应力损失；对于长细比较
13、大的偏心受压构件，徐变会使偏心距增大，降低构件承载力产生十分不利的影响。混凝土徐变产生的原因目前有着各种不同的解释，通常认为，混凝土产生徐变，原因之一是混凝土中一部分尚未转化为结晶体的水泥凝胶体，在荷载的长期作用下产生的塑性变形；另一原因是混凝土内部微裂缝在荷载的长期作用下不断发展和增加，从而导致应变的增加。当应力不大时，以前者为主；当应力较大时，以后者为主。图46为混凝土棱柱体试件加荷至后使荷载保持不变，测得的变形随时间增加的关系曲线。从图中可以看出，混凝土的徐变有以下规律和特点：图46 混凝土的徐变时间曲线（1） 徐变前期增长较快，以后逐渐变慢，6个月后可达总徐变的7080，1年后趋于稳定
14、，3年后基本终止；（2） 徐变应变值约为加荷瞬间产生的瞬时应变的14倍；（3） 当长期荷载完全卸除后，混凝土的徐变会经历一个恢复的过程。其中卸载后试件瞬时要恢复的一部分应变称为瞬时恢复应变，其值比加荷时的瞬时变形略小；再经过一段时间（约20天）后，徐变逐渐恢复的那部分应变称为弹性后效，其绝对值约为徐变变形的1/2；最后剩下的不可恢复的应变称为残余应变。影响混凝土徐变的因素：（1） 加荷时混凝土的龄期愈早，则徐变愈大。因此，加强养护促使混凝土尽早结硬，对减小徐变是较有效的。蒸汽养护可使徐变减少2035；（2） 持续作用的应力越大，徐变也越大；（3） 水灰比大，水泥用量多，徐变大；（4） 使用高质
15、量水泥以及强度和弹性模量高、级配好的骨料。徐变小；（5） 混凝土工作环境的相对湿度低则徐变大，高温干燥环境下徐变将显著增大。3 混凝土的收缩混凝土在空气中结硬时体积减小的现象称为收缩。混凝土收缩的主要原因是由于混凝土硬化过程中化学反应产生的凝缩和混凝土内的自由水蒸发产生的干缩。混凝土的收缩对钢筋混凝土构件是不利的。例如混凝土构件受到约束时，混凝土的收缩将使混凝土中产生拉应力。在使用前就可能因混凝土收缩应力过大而产生裂缝；在预应力混凝土结构中，混凝土的收缩会引起预应力损失。试验表明，混凝土的收缩随时间而增长，一般在半年内可完成收缩量的8090，两年后趋于稳定，最终收缩应变约为210-4510-4。试验还表明，水泥用量愈多、水灰比愈大，则混凝土收缩愈大；集料的弹性模量大、级配好，混凝土浇捣愈密实则收缩
