混凝土结构设计原理第2章混凝土结构材料的物理力学性能2

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1、第二章第二章 混凝土结构材料的混凝土结构材料的物理力学性能物理力学性能学习要点：学习要点： 钢筋和混凝土材料的物理力学性能；钢筋和混凝土材料的物理力学性能； 钢筋和混凝土两者共同工作的特性；钢筋和混凝土两者共同工作的特性； 钢筋和混凝土两种不同材料在不同受力条件下的强度钢筋和混凝土两种不同材料在不同受力条件下的强度和变形规律。和变形规律。第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.1 混凝土的物理力学性能2.1 混凝土的物理力学性能混凝土的物理力学性能2.1.1混凝土的组成结构混凝土的组成结构通常分为三种类型：通常分为三种类型：. .微观结构：微观结构：也即水泥石结构，包括水泥凝胶、晶体骨架、未也即水泥

2、石结构，包括水泥凝胶、晶体骨架、未 水化完的水泥颗粒和凝胶孔组成。水化完的水泥颗粒和凝胶孔组成。. .亚微观结构：亚微观结构：即混凝土中的水泥砂浆结构。即混凝土中的水泥砂浆结构。. .宏观结构：宏观结构：即砂浆和粗骨料两系结构。即砂浆和粗骨料两系结构。注意：注意：1.1.骨料的分布及骨料与基相之间在界面的结合强度是影响混凝骨料的分布及骨料与基相之间在界面的结合强度是影响混凝 土强度的重要因素；土强度的重要因素；2.2.在荷载的作用下，微裂缝的扩展对混凝土的力学性能有着极在荷载的作用下，微裂缝的扩展对混凝土的力学性能有着极 为重要的影响。为重要的影响。影响混凝土强度的因素o水泥强度等级o水灰比o

3、骨料性质o配合比o制作方法o硬化条件 o龄期混凝土的强度o单轴向应力状态下的强度 立方体抗压强度 棱柱体轴心抗压强度 轴心抗拉强度o复合应力状态下的强度 双向受力强度 三向受压强度 第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.1 混凝土2.1.2 单轴向应力状态下的混凝土强度单轴向应力状态下的混凝土强度 2.1 混凝土的物理力学性能（1 1）单轴向应力状态下的混凝土强度）单轴向应力状态下的混凝土强度 1 1）立方体抗压强度）立方体抗压强度：边长为150mm的混凝土立方体试件，在标准试验条件下（温度为203，湿度90%）养护28天，用标准试验方法（匀速加载0.30.8N/mm2/s，两端不涂润滑剂）测得的

4、试验结果具有95%保证率的抗压强度，用符号f fcu,k表示。使用意义：评定混凝土强度等级的标准强度等级划分：混凝土结构设计规范规定，从C15C80共划分为14个强度等级，级差为5N/mm2。2 2）轴心抗压强度）轴心抗压强度150l50300mm的棱柱体试件，试验条件、试验方法同立方体试件，测得具有95%保证率的抗压强度为轴心抗压强度标准值，用符号f fckck表示。对于同一混凝土，棱柱体抗压强度小于立方体抗压强度，但基本能反映构件的实际抗压能力。 考虑到实际结构构件制作、养护和受力情况，实际构件强度与试件强度之间存在差异，规范基于安全取偏低值，规定轴心抗压强度标准值和立方体抗压强度标准值的

5、换算关系式为：2.1 混凝土的物理力学性能式中：式中： 为棱柱体强度与立方体强度之比，对不大于为棱柱体强度与立方体强度之比，对不大于C50C50级的混凝土取级的混凝土取0.760.76，对，对C80C80取取0.820.82，其间按线性插值。，其间按线性插值。2 2为高强混凝土的脆性折减系数，对为高强混凝土的脆性折减系数，对C40C40取取1.01.0，对，对C80C80取取0.870.87，其间线性内插。，其间线性内插。0.880.88为考虑实际构件与试件混凝土为考虑实际构件与试件混凝土强度之间的差异而取用的折减系数。强度之间的差异而取用的折减系数。 使用意义：使用意义：设计计算混凝土构件的

6、受弯、设计计算混凝土构件的受弯、受压承载力时采用。受压承载力时采用。2.1 混凝土的物理力学性能3 3）轴心抗拉强度）轴心抗拉强度混凝土的轴心抗拉强度可以采用直接轴心受拉的试验方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，但由于试验比较困难，目前国内外主要采用法来测定，但由于试验比较困难，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。拉强度。2.1 混凝土的物理力学性能劈拉试验FaF拉压压两种试验方法o直接测试法轴心拉拔试验： 100l00500mm棱柱体试件o间接试验法劈裂试验： 边长150mm立方体试

7、件 轴心抗拉强度标准值用符号f ftktk表示表示 使用意义：使用意义：用于分析混凝土构件的开裂、裂缝宽用于分析混凝土构件的开裂、裂缝宽度、变形及计算混凝土构件的受冲切、受扭、受度、变形及计算混凝土构件的受冲切、受扭、受剪等承载力剪等承载力。第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.1 混凝土的物理力学性能 混凝土结构设计规范规定轴心抗拉强度标准值与立方体抗压强度标准值的换算关系为：混凝土轴心抗拉强度与立方体抗压强度的关系 混混凝凝土土结结构构和和构构件件通通常常受受到到轴轴力力、弯弯矩矩、剪剪力力和和扭扭矩矩的的不不同同组组合合作作用用，混混凝凝土土很很少少处处于于理理想想的的单单向向受受力力状状态

8、态，而而更更多多的的是是处处于于双双向向或或三三向向受受力力状状态态，因因此此分分析析混混凝凝土土在在复复合合应应力力作作用用下下的的强强度度就就很很有有必必要要。由由于于混混凝凝土土的的特特点点，在在复复合合应应力力作作用用下下的的强强度度至至今今尚尚未未建建立立起起完完善善的的强强度度理理论论，目目前前仍仍只只有有借借助助有有限限的的试试验验资资料料，推推荐荐一一些些近近似似方方法作为计算的依据。法作为计算的依据。 （2 2）复合应力状态下混凝土的强度）复合应力状态下混凝土的强度第二章 钢筋和混凝土的材料性能1）混凝土的双向（法向）受力强度 第一象限：双拉 第三象限：双压第二、四象限：拉压

9、结论：结论： 双拉双拉强度接近于单拉强度；强度接近于单拉强度； 双压双压强度比单压强度有很大强度比单压强度有很大提高（最多可提高提高（最多可提高2727）；）； 双向双向拉压拉压异号应力使强度异号应力使强度降低。降低。 2.1 混凝土的物理力学性能第二章 钢筋和混凝土的材料性能2）混凝土在剪应力和正应力共同作用下的复合强度）混凝土在剪应力和正应力共同作用下的复合强度混凝土的抗剪强度混凝土的抗剪强度：随：随拉拉应力增大而减小，随应力增大而减小，随压压应力增大而增应力增大而增大；当压应力在大；当压应力在0.6fc左右时，抗剪强度达到最大；压应力继续左右时，抗剪强度达到最大；压应力继续增大，由于内裂

10、缝发展明显，抗剪强度将随压应力增大而减小增大，由于内裂缝发展明显，抗剪强度将随压应力增大而减小结论：结论：剪剪压强度低于单压强度压强度低于单压强度 剪应力使抗拉强度降低剪应力使抗拉强度降低2.1 混凝土的物理力学性能第二章 钢筋和混凝土的材料性能3 3）混凝土的）混凝土的三向受压强度三向受压强度三向受压试验一般采用圆柱体在等侧压条件下进行。三向受压试验一般采用圆柱体在等侧压条件下进行。2.1 混凝土的物理力学性能由试验得到的经验公式为由试验得到的经验公式为: 式中式中 被约束混凝土的轴心抗压强度被约束混凝土的轴心抗压强度 非约束混凝土的轴心抗压强度非约束混凝土的轴心抗压强度 侧向约束压应力侧向

11、约束压应力结论：三压强度比单压强度显著提高！结论：三压强度比单压强度显著提高！ 规范规定最高取规范规定最高取5倍倍应用：应用：钢管混凝土柱、螺旋钢箍柱等钢管混凝土柱、螺旋钢箍柱等 2.1.42.1.4混凝土的变形混凝土的变形分两大类：受力变形、非受力（体积）变形1、受力变形：分三种情况： 1）（一次、单调）短期加载：分三种情形： a、单轴向受压模量 b、三向受压 c、轴向受拉 2）长期加载徐变 3）重复荷载疲劳2、非受力变形：分两种情况: 1) 收缩与膨胀 2）温度变形第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.1 混凝土1、单轴向受压应力单轴向受压应力-应变关系应变关系 混凝土单轴受力时的应力-应变关

12、系反映了混凝土受力全过程的重要力学特征,是分析混凝土构件应力、建立承载力和变形计算理论的必要依据，也是利用计算机进行非线性分析的基础。试验分析：试验分析：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 混凝土的物理力学性能第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.1 混凝土2.1 混凝土的物理力学性能02468102030s(MPa

13、)e 10-3第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土BACED2.1 混凝土的物理力学性能曲线特征分析： 全曲线包括两大段：上升段和下降段，以C点为分界点； 每大段又各由三小段组成： OA段接近直线段 AB段微曲线段 BC段曲线段 CD段曲线凹向应变轴段 DE段曲线凸向应变轴段 EF段凸向至平行应变轴 全曲线有六个关键点： A点比例极限点 B点临界点 C点峰点 D点拐点 E点收敛点 F点终点 A A点以前点以前，微裂缝没有明显发展，混凝土的变形主要是弹性，微裂缝没有明显发展，混凝土的变形主要是弹性变形，应力变形，应力-应变关系近似直线。应变关系近似直线。A A点应力随混凝土强度点应力随混

14、凝土强度的提高而增加，对普通强度混凝土的提高而增加，对普通强度混凝土A A约为约为 (0.3(0.30.4)0.4)f fc c， 对高强混凝土对高强混凝土A A可达可达(0.5(0.50.7)0.7)f fc c。 A A点以后点以后，由于微裂缝处的应力集中，裂缝开始有所延伸，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，应力发展，产生部分塑性变形，应变增长开始加快，应力- -应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扩展的。变形增加。但该阶段微裂缝的发展是稳定扩

15、展的。 达到达到B B点点，内部一些微裂缝相互连通，裂缝发展是快速而，内部一些微裂缝相互连通，裂缝发展是快速而不稳定，横向变形突然增大，体积应变开始由压缩转为不稳定，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。致破坏。取取B B点的应力作为混凝土的长期抗压强度点的应力作为混凝土的长期抗压强度。普通。普通强度混凝土强度混凝土B B约为约为0.80.8f fc c ，高强度混凝土，高强度混凝土B B可达可达0.950.95f fc c以以上。随应变增长，试件上相继出现多条不连续的纵向裂上。随应变增长

16、，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，裂缝连通形成斜向破坏面。与砂浆的粘结不断遭到破，裂缝连通形成斜向破坏面。达到达到C C点点时内部微裂缝连通形成破坏面，应变增长速度明显时内部微裂缝连通形成破坏面，应变增长速度明显加快。加快。C C点的应力最大，该峰值应力点的应力最大，该峰值应力maxmax即为即为混凝土棱柱混凝土棱柱体抗压强度体抗压强度f fc c，相应，相应C C点的纵向应变值称为点的纵向应变值称为峰值应变峰值应变e e0 0，其值为其值为0.00150.00150.002

17、50.0025，通常取均值，通常取均值e e0 0=0.002=0.002。纵向应变发展纵向应变发展达到达到D D点点，内部裂缝在试件表面出现第一条可，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主裂缝，曲线发生见平行于受力方向的纵向主裂缝，曲线发生反向弯曲反向弯曲直直到出现拐点到出现拐点D D。从从D D点发展到点发展到E E点，点，应力下降变快，应变增长较快，曲线凸向应力下降变快，应变增长较快，曲线凸向应变轴并逐渐凸向水平轴方向发展，应变轴并逐渐凸向水平轴方向发展，曲率最大处曲率最大处为为E E点，点，此处此处e eE E=(2=(23)3)e e0 0，应力，应力E E=(0.4

18、=(0.40.6)0.6)f fc c。从从E E点到点到F F点点，主裂缝贯通很宽，主裂缝贯通很宽，内部结构完全破坏内部结构完全破坏，对无侧，对无侧向约束的混凝土，此段已失去结构意义。向约束的混凝土，此段已失去结构意义。 混凝土破坏的根本原因混凝土破坏的根本原因：混凝土在结硬过程：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中，由于水泥石的收缩、骨料下沉以及温度变化等原因，在等原因，在骨料和水泥石的界面骨料和水泥石的界面上形成很多上形成很多微裂微裂缝缝，成为混凝土中的薄弱部位。混凝土的最终破，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。坏就是由于这些

19、微裂缝的发展造成的。第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.1 混凝土不同强度混凝土的应力-应变关系曲线上升段上升段：形状和峰值应变的变：形状和峰值应变的变化不显著，即强度等级越高，化不显著，即强度等级越高，线弹性段越长、峰点越高、峰线弹性段越长、峰点越高、峰值应变有所增大。值应变有所增大。下降段下降段：形：形状有较大差异，强度越高，坡状有较大差异，强度越高，坡度越陡，即应力下降相同幅度度越陡，即应力下降相同幅度时变形越小、延性越差。这在时变形越小、延性越差。这在高强混凝土中尤为明显，因水高强混凝土中尤为明显，因水泥石与骨料的粘结很强，密实泥石与骨料的粘结很强，密实性好，微裂缝很少，最后的破性好，微

20、裂缝很少，最后的破坏往往是骨料破坏，破坏时脆坏往往是骨料破坏，破坏时脆性越显著，下降段越陡。性越显著，下降段越陡。2.1 混凝土的物理力学性能混凝土单轴向受压应力应变曲线的数学模型（本构方程） 曲线是混凝土构件受力性能分析的依据，因此应确定其数学模型。模型很多，国际上应用较广泛的有两种：1）美国模型：上升段为二次抛物线，下降段为斜直线。2）德国模型：上升段为二次抛物线，下降段为水平直线。3）我国模型：上升段为多次抛物线，下降段为水平直线。 2.1 混凝土第二章 钢筋和混凝土的材料性能美国美国E.E.Hognestad建议的应力建议的应力-应变应变曲线曲线2.1 混凝土的物理力学性能第二章 钢筋

21、和混凝土的材料性能我国我国规范应力规范应力- -应变关系应变关系上升段：下降段：2.1 混凝土2.1 混凝土的物理力学性能混凝土的变形模量 应用意义：用于计算混凝土构件的截面应力和变形、预应力混凝土构件的预压应力及由于温度变化、支座沉降产生的内力。 混凝土受压-曲线上,在不同的应力阶段，其应力与应变的比值是一个常数。混凝土的变形模量有三种表示方法： 1)弹性模量（原点模量） 2)变形模量（割线模量、弹塑性模量） 3)切线模量第二章 钢筋和混凝土的材料性能2 2、混凝土的变形模量、混凝土的变形模量弹性模量弹性模量变形模量变形模量切线模量切线模量2.1 混凝土2.1 混凝土的物理力学性能第二章 钢

22、筋和混凝土的材料性能弹性模量测定方法2.1 混凝土2.1 混凝土的物理力学性能三向受压状态下混凝土的变形（图2-13） 混凝土试件横向受到约束时，可提高强度，也可提高延性。用圆柱体试件周围施加恒定液体压力，逐渐增加轴向压力直至破坏，测其轴向应变的变化。 结论：随着侧向压力的增加，试件的强度和延性都显著提高。工程应用：配置密排螺旋筋或箍筋的钢筋混凝土柱、钢管混凝土柱，从侧向约束了混凝土，使混凝土的受力及变形性能得到改善。混凝土轴向受拉时的应力-应变关系（图2-16）1）曲线形状与受压时相似，有上升段和下降段。2）原点切线斜率与受压时基本一致。3）A点在（0.40.5）max时出现，B点在（0.7

23、60.83）max时出现.4）fc越大，上升段越长，峰点越高，但对应的变形几乎没有增大； fc越大，下降段越陡峭，变形反而越小。5）max时0=0.0000750.00015第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.1 混凝土2.1.5 混凝土的收缩、膨胀和温度变形混凝土的收缩、膨胀和温度变形1、混凝土的收缩、混凝土的收缩 定义：定义：混凝土在空气中结硬时体积减小的现象。混凝土在空气中结硬时体积减小的现象。 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

24、约束时，将使混凝土中产生拉应力，甚至引起混凝土的开裂。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。混凝土收缩会使预应力混凝土构件产生预应力损失。 引起混凝土收缩的原因：引起混凝土收缩的原因： 1）水泥凝胶体的体积凝结缩小；）水泥凝胶体的体积凝结缩小； 2）混凝土失水干缩。）混凝土失水干缩。 收缩试验曲线：收缩试验曲线：图图2-222.1 混凝土的物理力学性能第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.1 混凝土 影响因素影响因素 混混凝凝土土的的收收缩缩受受结结构构周周围围的的温温度度、湿湿度度、构构件件断断面面形形状状及及尺尺寸寸、配配合合比比、骨

25、骨料料性性质质、水水泥泥性性质质、混混凝凝土土浇浇筑筑质质量量及及养养护护条条件等许多因素有关。件等许多因素有关。1）水泥品种：水泥强度等级越高，制成的混凝土收缩越大。2）水泥用量：水泥用量多、水灰比越大，收缩越大。3）骨料性质：骨料弹性模量高、级配好，收缩就小。4）养护条件：干燥失水及高温环境，收缩大。5）制作方法：混凝土越密实，收缩越小。6）使用环境：使用环境温度、湿度越大，收缩越小。7）形状尺寸：构件的体积与表面积比值大时，收缩小。2.1 混凝土的物理力学性能 影响因素多而复杂，准确地计算收缩量十分困难，所以针对原因、因素采取一些技术措施来降低因收缩而引起的不利影响，如加强养护、减小水灰

26、比、减少水泥用量、加强振捣、在初凝时压光构件表面等。2、混凝土的膨胀 定义：混凝土在水中结硬时体积增大的现象。 混凝土的膨胀值比收缩值小很多，而且膨胀往往是有利的，故一般不予考虑，以分析研究收缩为主。 3、混凝土的温度变形 当温度变化时，混凝土的体积同样也有热胀冷缩的性质。当温度变形受到外界的约束而不能自由发生时，将在构件内产生温度应力。 对较长结构，应按规范规定设置温度缝； 对大体积混凝土，因内部混凝土对试图缩小体积的表面混凝土形成约束，就会在表面形成拉应力若内外变形差较大，会造成表层混凝土开裂，设计时应予考虑。第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.1 混凝土2.1.6 2.1.6 混凝土的混凝

27、土的徐变 定义：混凝土在荷载的长期作用下，其变形随时间而不断混凝土在荷载的长期作用下，其变形随时间而不断增长的现象。增长的现象。 徐变对混凝土结构和构件的工作性能有很大影响。由于混徐变对混凝土结构和构件的工作性能有很大影响。由于混凝土的徐变，会使构件的变形增加，在钢筋混凝土截面中引起凝土的徐变，会使构件的变形增加，在钢筋混凝土截面中引起应力重分布，在预应力混凝土结构中会造成预应力的损失。应力重分布，在预应力混凝土结构中会造成预应力的损失。 徐变曲线（徐变曲线（-t-t曲线曲线）：）：图图2-17，试件，试件100100400，混混凝土的徐变特性主要与时间参数有关。徐变由五部分组成：凝土的徐变特

28、性主要与时间参数有关。徐变由五部分组成： 瞬时应变瞬时应变elaela: :加载应力达到0.5fc作时，其加载瞬间产生的应变，属弹性应变。2.1 混凝土的物理力学性能徐变应变cr: cr: 荷载保持不变，随着时间的增加而增长的应变，前4个月增长较快，6个月可达最终徐变的（7080）%，以后增长逐渐缓慢，1年后趋于稳定，3年左右基本终止， crcr （14）elaela 。瞬时恢复应变瞬时恢复应变ela: ela: 两年后卸载，两年后卸载，瞬时恢复的一部分应变，瞬时恢复的一部分应变， elaelaelaela 。弹性后效ela: ela: 卸载后徐变继续卸载后徐变继续恢复的应变，恢复的应变，20

29、20天左右结天左右结束，束，elaela crcr1212 。残余应变残余应变crcr：不可恢复的大部分应变。不可恢复的大部分应变。第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.1 混凝土 2.1 混凝土的物理力学性能第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.1 混凝土影响因素影响因素内在因素内在因素 是混凝土的组成、配比及构件的形状、尺寸。骨料的是混凝土的组成、配比及构件的形状、尺寸。骨料的刚度（弹性模量）越大，体积比越大，徐变就越小；水灰比越刚度（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；水泥含量越大，徐变越大。小，徐变也越小；水泥含量越大，徐变越大。环境因素环境因素 包括养护和使用条件

30、。受荷前养护的温湿度越高，水包括养护和使用条件。受荷前养护的温湿度越高，水泥水化作用越充分，徐变就越小。采用蒸汽养护可使徐变减少泥水化作用越充分，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，。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。受荷时龄期越长，徐变越小。徐变就越大。受荷时龄期越长，徐变越小。应力因素应力因素 指加荷时的应力及持荷时间。加荷时应力越大、持荷时间越长，指加荷时的应力及持荷时间。加荷时应力越大、持荷时间越长，徐变越大。混凝土构件在使用期间，应避免经常处于不变的高应力状态。徐变越大。混凝土构件在使用期间，应避免经常

31、处于不变的高应力状态。2.1 混凝土的物理力学性能引起混凝土徐变的主要原因 1) 具有粘性流动性质的水泥凝胶体，在荷载长期作用下产生粘性流动； 2） 内部微裂缝在荷载长期作用下不断发展和增加。徐变对混凝土的影响 1) 不利影响：引起混凝土结构构件变形增大及导致预应力混凝土结构中预应力损失，严重时会引起结构破坏； 2） 有利影响：引起钢筋混凝土截面中的应力重发布，减小各种外界因素对超静定结构的不利影响，降低附加应力。第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.1 混凝土2.1.7混凝土在荷载重复作用下的变形-疲劳变形 疲劳强度疲劳强度 混凝土的疲劳强度由疲劳试验测定。采用混凝土的疲劳强度由疲劳试验测定。采

32、用100mm100mm300mm 100mm100mm300mm 或着或着150mm150mm450mm150mm150mm450mm的棱柱体，把棱柱体试件承受的棱柱体，把棱柱体试件承受200200万次或其以上万次或其以上循环荷载而发生破坏的压应力值称为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混凝土的疲劳抗压强度。 影响因素影响因素 施加荷载时的应力大小是影响应力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

33、次数下，疲劳强度随着疲劳应力比值的增大而增大。相同的重复次数下，疲劳强度随着疲劳应力比值的增大而增大。2.1 混凝土的物理力学性能第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.1 混凝土混凝土在荷载重复作用下的应力混凝土在荷载重复作用下的应力-应变关系应变关系2.1 混凝土的物理力学性能结论 1）在荷载重复作用下，混凝土的强度和变形发生重要变化，即强度降低、变形增大； 2）引起疲劳破坏的主要原因是由于混凝土内部的骨料与水泥凝胶体接触处的微裂缝在荷载重复作用下不断形成、发展和贯通，导致疲劳破坏； 3) 疲劳破坏的特征：裂缝小而变形大，破坏是脆性的，无明显预兆的； 4）混凝土的疲劳强度与重复作用时应力变化的幅

34、度有关。2.1.8 混凝土的选用原则 为保证结构安全可靠、经济耐久，选择混凝土时，要综合考虑材料的力学性能、耐久性能、施工性能和经济性等方面的问题，按照混凝土结构设计规范中的要求进行选用。1、钢筋混凝土结构： 1）任何情况下不应低于C15； 2）采用HRB335级钢筋时不宜低于C20； 3）采用HRB400、RRB400级钢筋及承受重复荷载时不得低于C20。2、预应力钢筋混凝土结构： 1）任何情况下不应低于C30； 2）当采用钢绞线、钢丝、热处理钢筋作预应力钢筋时不宜低于C40。 3、当采用山砂混凝土、高炉矿渣混凝土时，尚应符合专门标准的规定。规范用词说明为便于在执行规范条文时区别对待，对要求

35、严格程度不同的用词说明如下：1、表示很严格，非这样做不可的用词： 正面词采用“必须”，反面词采用“严禁”；2、表示严格，在正常情况下均应这样做的用词： 正面词采用“应”，反面词采用“不应”或“不得”；3、表示允许稍有选择，在条件许可时首先应这样做的用词： 正面词采用“宜”，反面词采用“不宜”； 表示有选择，在一定条件下可以这样做的，采用“可”。4、条文中指明必须按其他有关标准、规范执行时，采用“应按.执行”或“应符合.要求或者规定”。第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 钢筋的物理力学性能2.2 钢筋的物理力学性能 2.2.1钢筋的品种和级别 热轧钢筋、中高强钢丝和钢绞线、热处理钢筋和冷加工钢

36、筋第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 钢筋的物理力学性能热轧钢筋的分类热轧钢筋的分类HPB235级、HRB335级、HRB400级、RRB400级屈服强度屈服强度 fyk（标准值标准值= =钢材废品限值，保证率钢材废品限值，保证率97.73%） HPB235级（）： fyk = 235 N/mm2 HRB335级（）： fyk = 335 N/mm2 HRB400级（）： fyk = 400 N/mm2 RRB400级（）： fyk = 400 N/mm2 第二章 钢筋和混凝土的材料性能HPB235HPB235级级(级级) )钢筋钢筋多为光面钢筋，多作为现浇楼板多为光面钢筋，多作为现浇楼板的

37、受力钢筋和箍筋。的受力钢筋和箍筋。HRB335HRB335级级(级级) )和和 HRB400 HRB400级级(级级) )钢筋钢筋强度较高，多强度较高，多作为钢筋混凝土构件的受力钢筋，尺寸较大的构件，作为钢筋混凝土构件的受力钢筋，尺寸较大的构件，也有用也有用级钢筋作箍筋以增强与混凝土的粘结，外形级钢筋作箍筋以增强与混凝土的粘结，外形制作成月牙肋或等高肋的变形钢筋。制作成月牙肋或等高肋的变形钢筋。RRB400RRB400级级(级级) )钢筋钢筋强度太高，不适宜作为钢筋混凝强度太高，不适宜作为钢筋混凝土构件中的配筋，一般冷拉后作预应力筋。土构件中的配筋，一般冷拉后作预应力筋。延伸率延伸率d d5

38、5=25=25、1616、1414、10%10%，直径，直径8 840mm40mm。2.2 钢筋的物理力学性能第二章 钢筋和混凝土的材料性能钢丝钢丝，中强钢丝的强度为中强钢丝的强度为8001200MPa，高强钢丝、钢绞线的，高强钢丝、钢绞线的为为 1470 1860MPa；延伸率延伸率d10=6%，d100=3.54%；钢丝的直；钢丝的直径径39mm；外形有光面、刻痕和螺旋肋三种，另有二股、三；外形有光面、刻痕和螺旋肋三种，另有二股、三股和七股钢绞线，外接圆直径股和七股钢绞线，外接圆直径9.515.2 mm。中高强钢丝和钢。中高强钢丝和钢绞线均用于预应力混凝土结构。绞线均用于预应力混凝土结构。

39、冷加工钢筋冷加工钢筋是由热轧钢筋和盘条经冷拉、冷拔、冷轧、冷扭加是由热轧钢筋和盘条经冷拉、冷拔、冷轧、冷扭加工后而成。冷加工的目的是为了提高钢筋的强度，节约钢材。工后而成。冷加工的目的是为了提高钢筋的强度，节约钢材。但经冷加工后，钢筋的延伸率降低。但经冷加工后，钢筋的延伸率降低。近年来，冷加工钢筋的品近年来，冷加工钢筋的品种很多，应根据专门规程使用。种很多，应根据专门规程使用。热处理钢筋热处理钢筋是将是将级钢筋通过加热、淬火和回火等调质工艺处级钢筋通过加热、淬火和回火等调质工艺处理，使强度得到较大幅度的提高，而延伸率降低不多。用于预理，使强度得到较大幅度的提高，而延伸率降低不多。用于预应力混凝

40、土结构。应力混凝土结构。2.2 钢筋的物理力学性能s se e第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2.2 钢筋的强度与变形钢筋的强度与变形 有明显屈服点的钢筋有明显屈服点的钢筋aabcdefua为比例极限oa为弹性阶段de为强化阶段b为屈服上限c为屈服下限，即屈服强度 fycd为屈服台阶e为极限抗拉强度 fu fyfef为颈缩阶段2.2 钢筋的物理力学性能第二章 钢筋和混凝土的材料性能几个指标：几个指标：屈服强度屈服强度：是钢筋强度的设计依据是钢筋强度的设计依据，因为钢筋屈服后将发生很大，因为钢筋屈服后将发生很大的塑性变形，且卸载时这部分变形的塑性变形，且卸载时这部分变形不可恢复不可恢复，这会使

41、钢筋混凝土，这会使钢筋混凝土构件产生很大的变形和不可闭合的裂缝。屈服上限与加载速度有构件产生很大的变形和不可闭合的裂缝。屈服上限与加载速度有关，不太稳定，一般取屈服下限作为屈服强度。关，不太稳定，一般取屈服下限作为屈服强度。延伸率延伸率：钢筋拉断后的伸长值与原长的比率，是反映钢筋塑性性：钢筋拉断后的伸长值与原长的比率，是反映钢筋塑性性能的指标。延伸率大的钢筋，在拉断前有足够预兆，延性较好。能的指标。延伸率大的钢筋，在拉断前有足够预兆，延性较好。屈屈 强强 比：反映钢筋的强度储备，比：反映钢筋的强度储备， fy/fu=0.60.7 fy/fu=0.60.7。2.2 钢筋的物理力学性能第二章 钢筋

42、和混凝土的材料性能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 钢筋的物理力学性能第二章 钢筋和混凝土的材料性能无明显屈服点的钢筋无明显屈服点的钢筋a a点：比例极限，约为点：比例极限，约为0.650.65f fu ua a点前：应力点前：应力- -应变关系为线弹性应变关系为线弹性a a点后：应力点后：应力- -应变关系为非线性，应变关系为非线性， 有一定塑性变形，且没有明有一定塑性变形，且没有明 显的屈服点显的屈服点强度设计指标强度设计指标条件屈服点条件屈服点: :残余应变为残余应变为0.2%0.2%所对应所对应的应力规范取的应力规范取s0.2 =0.85 f

43、us0.2 =0.85 fu2.2 钢筋的物理力学性能第二章 钢筋和混凝土的材料性能1 1）强度强度：要求钢筋有足够的强度和适宜的强屈比：要求钢筋有足够的强度和适宜的强屈比( (极限极限 强度与屈服强度的比值强度与屈服强度的比值) )。例如，对抗震等级为一、。例如，对抗震等级为一、 二级的框架结构，其纵向受力钢筋的实际强屈比不二级的框架结构，其纵向受力钢筋的实际强屈比不 应小于应小于1.251.25。2 2）塑性塑性( (模型模型P24-25)P24-25)：要求钢筋应有足够的变形能力：要求钢筋应有足够的变形能力， 保证伸长率和冷弯性能合格。保证伸长率和冷弯性能合格。3 3）可焊性可焊性：要求

44、钢筋焊接后不产生裂缝和过大的变形，：要求钢筋焊接后不产生裂缝和过大的变形， 焊接接头性能良好。焊接接头性能良好。4 4）与混凝土的粘结力与混凝土的粘结力：要求钢筋与混凝土之间有足够的：要求钢筋与混凝土之间有足够的 粘结力，以保证两者共同工作。粘结力，以保证两者共同工作。5 5）耐火性耐火性：要求保护层厚度应满足构件耐火极限的要求：要求保护层厚度应满足构件耐火极限的要求2.2.3 混凝土结构对钢筋性能的要求混凝土结构对钢筋性能的要求2.2 钢筋的物理力学性能钢筋的选用原则1、钢筋混凝土结构中的受力筋和预应力钢筋混凝土结构中的非受力筋： 宜采用HRB400、HRB335级钢筋，并优先采用HRB40

45、0级钢筋；也可采用HPB235、RRB400级钢筋。2、预应力钢筋： 宜采用钢绞线、钢丝，也可采用热处理钢筋。3、冷加工钢筋：若采用时应符合专门标准的规定。第二章 钢筋和混凝土的材料性能定定义义：指指钢钢筋筋在在承承受受重重复复、周周期期性性的的动动荷荷载载作作用用下下，经经过一定次数后，突然脆性断裂的现象。如吊车梁等。过一定次数后，突然脆性断裂的现象。如吊车梁等。影响因素：影响因素：1）应力变化幅值2）最小应力值3）钢筋强度4）几何形状、钢筋直径5）钢筋加工和使用环境2.2.4 钢筋的疲劳钢筋的疲劳2.2 钢筋的物理力学性能第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.3 混凝土与钢筋的粘结2.3 混凝

46、土与钢筋的粘结混凝土与钢筋的粘结2.3.1粘结的意义粘结的意义粘结和锚固是钢筋和混凝土形成整体、共同工作的基础粘结和锚固是钢筋和混凝土形成整体、共同工作的基础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第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.3 混凝土与钢筋的粘结2.3 2.3 混凝土与钢筋的粘结混凝土与钢筋的粘结2.3.2粘结力的形成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：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）钢筋与混凝土接触面上的化学吸附作用力（胶结力）

47、。一般很小，仅在受力阶段的局部无滑移区域力）。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。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。）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。自于表面的粗糙不平。第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.3 混凝土与钢筋的粘结2.3 2.3 混凝土与钢筋的粘结混凝土与钢筋的粘结变形钢筋与混凝土之间的机械咬合作用

48、主要是由于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。变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第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.3 混凝土与钢筋的粘结2.3 2.3 混凝土与钢筋的粘结混凝土与钢筋的粘结2.3.3粘结强度粘结强度测试测试第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.3 混凝土与钢筋的粘结2.3 混凝土与钢筋的粘结混凝土与钢筋的粘结计算公式计算公式式中式中N钢筋的拉力；钢筋的拉力；钢筋的直径；钢筋的直径； 粘结的长度。粘结的长度。第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.3 混凝土与钢筋的粘结2.3 2.3 混凝土与钢筋的粘结混凝土与钢筋的粘结不

49、同强度混凝土的粘结应力和相对滑移的关系不同强度混凝土的粘结应力和相对滑移的关系第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.3 混凝土与钢筋的粘结2.3 2.3 混凝土与钢筋的粘结混凝土与钢筋的粘结2.3.4影响粘结的因素影响粘结的因素影响钢筋与混凝土粘结强度的因素很多，主要有影响钢筋与混凝土粘结强度的因素很多，主要有混凝混凝土强度土强度、保护层厚度保护层厚度及及钢筋净间距钢筋净间距、横向配筋横向配筋及及侧侧向压应力向压应力，以及，以及浇筑混凝土时钢筋的位置浇筑混凝土时钢筋的位置等。等。. .光圆钢筋及变形钢筋的粘结强度都随混凝土强度等光圆钢筋及变形钢筋的粘结强度都随混凝土强度等级的提高而提高，但不与立方

50、体强度成正比。级的提高而提高，但不与立方体强度成正比。. .变形钢筋能够提高粘结强度。变形钢筋能够提高粘结强度。. .钢筋间的净距对粘结强度也有重要影响。钢筋间的净距对粘结强度也有重要影响。第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.3 混凝土与钢筋的粘结2.3 2.3 混凝土与钢筋的粘结混凝土与钢筋的粘结2.3.4影响粘结的因素影响粘结的因素. .横向钢筋可以限制混凝土内部裂缝的发展，提高粘横向钢筋可以限制混凝土内部裂缝的发展，提高粘结强度。结强度。. .在直接支撑的支座处，横向压应力约束了混凝土的在直接支撑的支座处，横向压应力约束了混凝土的横向变形，可以提高粘结强度。横向变形，可以提高粘结强度。.

51、.浇筑混凝土时钢筋所处的位置也会影响粘结强度。浇筑混凝土时钢筋所处的位置也会影响粘结强度。第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.3 混凝土与钢筋的粘结2.3 混凝土与钢筋的粘结混凝土与钢筋的粘结2.3.5钢筋的锚固与搭接钢筋的锚固与搭接保证粘结的构造措施保证粘结的构造措施1)1)对不同等级的混凝土和钢筋，要保证最小搭接长度和锚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；固长度；2)2)为了保证混凝土与钢筋之间有足够的粘结，必须满足钢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；筋最小间距和混凝土保护层最小厚度的要求；3)3)在钢筋的搭接接头内应

52、加密箍筋；在钢筋的搭接接头内应加密箍筋；4)4)为了保证足够的粘结在钢筋端部应设置弯钩；为了保证足够的粘结在钢筋端部应设置弯钩；5)5)对大深度混凝土构件应分层浇筑或二次浇捣；对大深度混凝土构件应分层浇筑或二次浇捣；6)6)一般除重锈钢筋外，可不必除锈。一般除重锈钢筋外，可不必除锈。第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.3 混凝土与钢筋的粘结2.3 2.3 混凝土与钢筋的粘结混凝土与钢筋的粘结钢筋的搭接钢筋搭接的原则是：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，详见第五章。第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.3 混凝土与钢筋的粘结2.3 2.3 混凝土与钢筋的粘结混凝土与钢筋的粘结基本锚固长度钢筋的基本锚固长度取决于钢筋的强度及混凝土抗拉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，其计拉钢筋的锚固长度作为钢筋的基本锚固长度，其计算公式算公式（式（式5-27）为）为：