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1、第二章 混凝土结构材料的 物理力学性能防灾科技学院土木工程教研室内容提要2.1 混凝土的物理力学性能2.2 钢筋的物理力学性能2.3 混凝土与钢筋的粘结2.1 2.1 混凝土混凝土2.1.1混凝土的组成结构混凝土材料是由水泥、砂、石子和水按一定比例组成，经凝混凝土材料是由水泥、砂、石子和水按一定比例组成，经凝结和硬化形成的，属于复合材料。结和硬化形成的，属于复合材料。混凝土是由水泥结晶体、水泥凝胶体和内部微裂缝组成的混凝土是由水泥结晶体、水泥凝胶体和内部微裂缝组成的2.1 2.1 混凝土混凝土一、混凝土的强度一、混凝土的强度a.a.定义：定义：立方体抗压强度是指按照标准方法制作养护的立方体抗压
2、强度是指按照标准方法制作养护的边长为边长为150mm150mm的立方体试件的立方体试件，在，在2828天龄期，用天龄期，用标准试验方法标准试验方法测得测得的抗压强度。的抗压强度。砼强度等级砼强度等级1.立方体抗压强度150mm150mm150mm150mm150mm150mm2.1.2单轴应力状态下的混凝土强度b b. . 尺寸影响尺寸影响-混凝土立方体试块尺寸愈大，实测破坏强混凝土立方体试块尺寸愈大，实测破坏强度愈低，反之愈高，这种现象称为尺寸效应度愈低，反之愈高，这种现象称为尺寸效应e. e. 强度等级：强度等级：C15,C20,C25,C30,C35,C40,C45,C50C80C15,
3、C20,C25,C30,C35,C40,C45,C50C80共共1414级级C C 混凝土混凝土1515立方体抗压强度的标准值为立方体抗压强度的标准值为15N/mm15N/mm2 2c c、加载速度、加载速度-加载速度过快，强度较高。反之，加载速度过慢，则强加载速度过快，强度较高。反之，加载速度过慢，则强度有所降低。度有所降低。d d、龄期、龄期-在一定的温度和湿度条件下，混凝土的强度开始增长较在一定的温度和湿度条件下，混凝土的强度开始增长较快，后来逐渐减慢。快，后来逐渐减慢。a.a.定义定义：b.b.折算：折算：轴心抗压强度是指按照标准方法制作养护的截面为轴心抗压强度是指按照标准方法制作养护
4、的截面为150mm150mm150150mmmm高高300mm300mm的棱柱体，在的棱柱体，在2828天龄期，用标准天龄期，用标准试验方法测得的抗压强度。试验方法测得的抗压强度。2.2.轴心抗压强度轴心抗压强度（棱柱体抗压强度）（棱柱体抗压强度）轴心抗压强度与立方体抗压强度比值轴心抗压强度与立方体抗压强度比值高强混凝土脆性折减系数高强混凝土脆性折减系数0.880.88经验折减系数经验折减系数150mm150mm300mm300mm3.轴心抗拉强度轴心抗拉强度混凝土的抗拉强度比抗压强度低得多，一般只有抗压强度的混凝土的抗拉强度比抗压强度低得多，一般只有抗压强度的5%10%5%10%2.1.3复
5、合受力状态下混凝土的强度a. 混凝土的双向受力强度混凝土的双向受力强度双向受拉：抗拉强度双向受拉：抗拉强度接近单向受拉强度接近单向受拉强度双向受压：抗压强度和双向受压：抗压强度和极限压应变均有所提高极限压应变均有所提高一拉一压：抗拉抗压强度一拉一压：抗拉抗压强度降低降低b. 混凝土的三向受压强度混凝土的三向受压强度三向受压时，混凝土的抗压强度和极限变形都有较大提高三向受压时，混凝土的抗压强度和极限变形都有较大提高Steel tubeConcrete Concrete filled tube column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t t 和正应力和正应力 共同作用下
6、的复合受力情况。共同作用下的复合受力情况。混混凝凝土土的的抗抗剪剪强强度度：随随拉拉应应力力增增大大而而减减小小，随随压压应应力力增增大大而而增增大大 当当压压应应力力在在0.6fc左左右右时时，抗抗剪剪强强度度达达到到最最大大， 压压应应力力继继续续增增大大，则则由由于于内内裂裂缝缝发发展展明明显显，抗抗剪剪强强度度将将随随压压应应力力的的增增大大而而减减小小。在在有有剪剪应应力作用时，混凝土的抗压强度将低于单轴抗压强度力作用时，混凝土的抗压强度将低于单轴抗压强度c.混凝土在正应力和剪应力作用下的复合强度混凝土在正应力和剪应力作用下的复合强度混凝土的变形可分为两类：一、荷载作用下的受力变形：
7、短期加载、长期作用；二、体积变形：混凝土收缩2.1.4混凝土的变形1、一次短期加载下混凝土的变形性能2.1 混凝土的物理力学性能（1）OA：弹性阶段弹性阶段 0.3fc（2）AB：弹塑性阶段：弹塑性阶段 0.3fc0.8fc 裂缝稳定裂缝稳定（3） BC：裂缝不稳定阶段：裂缝不稳定阶段 0.8 fc 1.0 fc（4） CE： 裂缝扩展贯通应力下降裂缝扩展贯通应力下降（5） EF： 主裂缝很宽无结构意义有残余应力主裂缝很宽无结构意义有残余应力混凝土受压时的应力应变关系不同强度混凝土的应力-应变关系曲线 峰值应变变化不大，混凝土强度越高，下降段越陡，延性越差2.1 混凝土的物理力学性能混凝土轴心
8、受压时应力应变曲线的数学模型Hognestad建议的应力建议的应力-应变曲线应变曲线2.1 混凝土的物理力学性能u西德Rsch建议的模型我国规范我国规范应力应力- -应变关系应变关系上升段：下降段：混凝土的变形模量2.1 混凝土的物理力学性能弹性模量的测定方法混凝土轴心受拉时的应力应变关系当拉应力0.5 ft*时，应力应变关系接近于直线；当约为0.8 ft*时，反映受拉时塑性变形的发展。受拉弹性模量与受压弹性模量基本相同。2.1 混凝土的物理力学性能2.1 混凝土的物理力学性能2、荷载长期作用下混凝土的变形性能徐变随荷载作用时间的延续，变形不断增长，前随荷载作用时间的延续，变形不断增长，前4个
9、月徐变增长较快，个月徐变增长较快，6个月个月可达最终徐变的（可达最终徐变的（7080）%，以后增长逐渐缓慢，以后增长逐渐缓慢，23年后趋于稳定。年后趋于稳定。徐变会使结构（构件）的（挠度）变形增大，引起预应力损失，在长期徐变会使结构（构件）的（挠度）变形增大，引起预应力损失，在长期高应力作用下，甚至会导致破坏。高应力作用下，甚至会导致破坏。混凝土徐变的影响因素混凝土徐变的影响因素产生徐变的主要原因是水泥凝胶体和内部微裂缝的扩展产生徐变的主要原因是水泥凝胶体和内部微裂缝的扩展 混凝土的收缩是混凝土的收缩是随时间而增长的变形随时间而增长的变形，早期收缩变形发展较快，一个月，早期收缩变形发展较快，一
10、个月可完成可完成50%，以后变形发展逐渐减慢，整个收缩过程可延续两年以上。，以后变形发展逐渐减慢，整个收缩过程可延续两年以上。混凝土收缩包括混凝土收缩包括凝缩凝缩和和干缩干缩两部分，凝缩是由于水泥结晶体比原材料两部分，凝缩是由于水泥结晶体比原材料的体积小；干缩是混凝土内自由水分蒸发引起的。的体积小；干缩是混凝土内自由水分蒸发引起的。 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，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， 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。 3、混凝土的收缩混凝土收缩的影响因素 当这种自发
11、的变形受到外部（支座）或内部（钢筋）的约束时，将使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力混凝土构件产生预应力损失。影响收缩的因素多且复杂，要精确计影响收缩的因素多且复杂，要精确计算尚有一定的困难。在实际工程中，算尚有一定的困难。在实际工程中，要采取一定措施减小收缩应力的不利影响。要采取一定措施减小收缩应力的不利影响。 热轧钢筋的成分热轧钢筋的成分2.2 钢钢 筋筋2.2.12.2.1、钢筋的种类及选用、钢筋的种类及选用强度高，
12、塑性低强度高，粘结性好强度高预应力钢筋钢筋热轧钢筋钢 丝钢绞线热处理钢筋HPB235HRB335HRB400RRB400光圆钢筋变形钢筋变形钢筋变形钢筋非预应力钢筋强度塑性弱强高低不同钢筋应力应变关系的比较热轧钢筋热轧钢筋 HPB235级、HRB335级、HRB400级、RRB400级HPBHot rolledPlainBarHRBHot rolledRibbedBarRRBRemainedheatRibbedBar屈服强度屈服强度 fyk（标准值标准值，保证率保证率95%）HPB235级： fyk = 235 N/mm2HRB335级： fyk = 335 N/mm2HRB400级、RRB4
13、00级： fyk = 400 N/mm22.2 钢钢 筋筋热轧钢筋的性能特点热轧钢筋的性能特点我国常见钢筋外形我国常见钢筋外形a.a.有明显屈服点（软钢）有明显屈服点（软钢）0 0 d da ab bc ce e oaoa弹性阶段弹性阶段bcbc屈服阶段屈服阶段cdcd硬化阶段硬化阶段 dede颈缩阶段颈缩阶段 d d0 0 条件屈服点条件屈服点 0.20.2 是残余应变为是残余应变为0.2%0.2%时的应力时的应力c c条件屈服强度条件屈服强度 0.20.2=0.85 f=0.85 fu ub.b.无明显屈服点（硬钢）无明显屈服点（硬钢）c c 0.20.20.2%0.2%aa比例极限比例极
14、限fpfp cc屈服强度屈服强度fyfy dd极限强度极限强度fufu 1. 1. 强度相关强度相关是钢筋强度的设计依据是钢筋强度的设计依据屈强比屈强比反映钢筋的强度储备，反映钢筋的强度储备，f fy y/ /f fu u=0.60.7=0.60.7。2.2.22.2.2、钢筋的强度与变形、钢筋的强度与变形屈强比愈小，钢材在超过屈服点以后的强度储备能力愈大，安全性愈高；屈强比大，钢材的利用率提高，但其安全可靠性降低2. 2. 塑性性能塑性性能伸长率：伸长率：钢材拉断后的塑性变形量较钢钢材拉断后的塑性变形量较钢材原始尺度的变化率，是衡量钢材变形材原始尺度的变化率，是衡量钢材变形能力的重要指标。能
15、力的重要指标。冷弯指标：冷弯指标：是检验钢材冷加工性能的指标，是检验钢材冷加工性能的指标，对于钢筋与钢板，其冷弯指标是指在常对于钢筋与钢板，其冷弯指标是指在常温下被检验材料对于某一相对的半径温下被检验材料对于某一相对的半径（相对板材厚度与钢筋直径）的弯曲角（相对板材厚度与钢筋直径）的弯曲角度。度。伸长率伸长率: :d d0 0 越大越大, , 钢筋延性或塑性越好钢筋延性或塑性越好3. 3. 钢材的加工性能钢材的加工性能常见的建筑工程钢材加工有冷加工、热加工两类：常见的建筑工程钢材加工有冷加工、热加工两类：冷加工：板材、线材的冷弯；线材的冷拉、冷拔；冷加工：板材、线材的冷弯；线材的冷拉、冷拔；热
16、加工：焊接。热加工：焊接。冷拉后的钢筋冷拉后的钢筋没有明显的屈服阶段没有明显的屈服阶段冷拉冷拉卸载后经过一段时间的停滞，再对其张卸载后经过一段时间的停滞，再对其张拉，会重新恢复屈服阶段而呈现出屈服拉，会重新恢复屈服阶段而呈现出屈服强度提高的应力应变图形；这种现象被强度提高的应力应变图形；这种现象被称为称为冷做硬化冷做硬化现象现象；冷拉冷拉仅提高钢筋的抗拉强度，不提高其仅提高钢筋的抗拉强度，不提高其抗压强度；抗压强度；冷拉工艺冷拉工艺不改变钢筋的强度级别不改变钢筋的强度级别 。冷拉冷拉冷拔是指将光圆钢筋以强力拉拽使其冷拔是指将光圆钢筋以强力拉拽使其通过小直径的硬质合金模具，使其截通过小直径的硬质
17、合金模具，使其截面减小而长度增长；面减小而长度增长；冷拔后的冷拔后的钢筋的强度会大大提高；钢筋的强度会大大提高；冷拔后钢筋的冷拔后钢筋的塑性会降低塑性会降低；冷拔后的冷拔后的钢筋与之前的钢筋不属于同钢筋与之前的钢筋不属于同一种钢筋。一种钢筋。0冷拔冷拔第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.1 钢筋有明显屈服点钢筋的应力-应变关系一般可采用双线性的理想弹塑性关系1Es2.2.32.2.3、钢筋的应力应变曲线的数学模型、钢筋的应力应变曲线的数学模型混凝土结构对钢筋的要求强度屈服强度强度屈服强度塑性延伸率和冷弯性能塑性延伸率和冷弯性能具有较好的可焊性具有较好的可焊性有较好的粘结力带肋钢筋有较好的粘结力带
18、肋钢筋2.3.1粘结的意义 钢筋混凝土受力后，钢筋与混凝土之间出现变形差钢筋混凝土受力后，钢筋与混凝土之间出现变形差(相对滑移相对滑移)，会沿，会沿钢筋和混凝土接触面上存在剪应力，称为粘结应力。通过粘结力钢筋和钢筋和混凝土接触面上存在剪应力，称为粘结应力。通过粘结力钢筋和混凝土传递二者之间的应力，使钢筋和混凝土变形协调、共同工作。混凝土传递二者之间的应力，使钢筋和混凝土变形协调、共同工作。钢筋与混凝土之间粘结应力示意图（a）锚固粘结应力 （b）裂缝间的局部粘结应力2.3 混凝土与钢筋的粘结1 锚固粘结应力 是指钢筋伸入支座或支座负弯矩钢筋在跨间截断时，必须具有足够的锚固长度，通过锚固长度积累粘
19、结力。 按钢筋所处部位和所起作用不同受压、受拉、支座、节点及钢筋截断时，锚固长度各异。2 局部粘结应力 裂缝之间的局部粘结应力，是指相邻两个开裂截面之间产生的钢筋拉力，通过裂缝两侧的粘结应力部分地向混凝土传递，使未开裂的混凝土受拉。2.3.2粘结力的形成光圆钢筋与变形钢筋具有不同的粘结机理，其粘结作用主要由三部分组成：（）钢筋与混凝土接触面上的化学吸附作用力（胶结力）。一般很小，仅在受力阶段的局部无滑移区域起作用，当接触面发生相对滑移时，该力即消失。（）混凝土收缩握裹钢筋而产生的摩阻力。（）钢筋表面凹凸不平与混凝土之间产生的机械咬合作用力（咬合力）。对于光圆钢筋，这种咬合力来自于表面的粗糙不平
20、。变形钢筋与混凝土之间的机械咬合作用主要是由于变变形钢筋与混凝土之间的机械咬合作用主要是由于变形钢筋肋间嵌入混凝土而产生的。形钢筋肋间嵌入混凝土而产生的。变形钢筋和混凝土的机械咬合作用2.3.3粘结强度粘结强度钢筋与砼粘结面上所能承受的平均剪应力的最大值。钢筋与砼粘结面上所能承受的平均剪应力的最大值。式中N钢筋的拉力；钢筋的直径；粘结的长度。计算公式计算公式2.3.4影响粘结的因素 l混凝土强度：光面钢筋和变形钢筋的粘结强度均随混凝土l强度的提高而增加，但并不与立方体强度fcu成正比，而与抗l拉强度 ft成正比。 保护层厚度、钢筋净间距：对于变形钢筋，粘结强度主要l取决于劈裂破坏。相对保护层厚
21、度c/d 越大，混凝土抵抗劈l裂破坏的能力也越大，粘结强度越高。l横向配筋：横向钢筋的存在限制了径向裂缝的发展，使粘结l强度得到提高。 侧向压应力、浇筑混凝土时钢筋的位置。(1)对不同等级的混凝土和钢筋，要保证最小搭接长度和锚固长度；(2)为了保证混凝土与钢筋之间有足够的粘结，必须满足钢筋最小间距和混凝土保护层最小厚度的要求；(3)在钢筋的搭接接头内应加密箍筋；(4)为了保证足够的粘结在钢筋端部应设置弯钩；(5)对大深度混凝土构件应分层浇筑或二次浇捣；(6)一般除重锈钢筋外，可不必除锈。2.3.5钢筋的锚固与搭接保证粘结的构造措施基本锚固长度 钢筋锚固长度钢筋锚固长度 钢筋达到屈服强度而不发生
22、粘结锚固破坏的最短长度。钢筋达到屈服强度而不发生粘结锚固破坏的最短长度。 受拉钢筋的最大拉力为d2fy/4，锚固长度la的平均粘结强度为，锚固力dla，由平衡条件可得 钢筋的基本锚固长度取决于钢筋的强度及混凝土抗拉强度，并与钢筋的外形有关。规范规定纵向受拉钢筋的锚固长度作为钢筋的基本锚固长度，其计算公式为：规范： 钢筋搭接的原则是：接头应设置在受力较小处，同一根钢筋上应尽量少设接头，机械连接接头能产生较牢固的连接力，应优先采用机械连接。受拉钢筋绑扎搭接接头的搭接长度计算公式： 式中，为受拉钢筋搭接长度修正系数，它与同一连接区内搭接钢筋的截面面积有关，详见规范。钢筋的搭接【小结小结】1. 1. 建筑用钢筋的种类、力学性能建筑用钢筋的种类、力学性能2. 2. 钢筋冷加工钢筋冷加工3. 3. 混凝土的力学性能混凝土的力学性能4. 4. 混凝土的变形混凝土的变形5. 5. 钢筋与混凝土的粘结锚固钢筋与混凝土的粘结锚固
