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1、第2章混凝土结构材料的物理力学性能2.1混凝土的物理力学性能一.混凝土的组成结构1.组成：混凝土=水泥+细骨料（砂）+粗骨料（碎石或鹅卵石）+水+外加剂2.基本力学性质：（1）弹塑性、各向异性（2）水泥+细骨料+水 凝胶体（塑性）（3）粗骨料（弹性）1二.单轴向应力状态下的混凝土强度 混凝土构件一般处于多轴向应力状态下，为分析问题方便，先讨论单轴向应力状态下的混凝土强度。由于混凝土的各向异性性质，其各项强度是不一样的，必须分别讨论。1.混凝土的抗压强度（1）混凝土的立方体抗压强度和强度等级A. 立方体抗压强度的物理意义：混凝土强度的 基本指标和评定混凝土强度等级的标准2B.确定混凝土立方体抗压
2、强度的标准方法 a.标准试件：150mm 150mm150mm的立方体； b.标准制作条件：在温度（203）C和相对湿 度90%以上的环境下，养护28天； c.标准试验方法：试件表面不涂润滑剂、均匀加载 和匀速加“静”载； d.单位：N/mm。3C.强度等级 a.确定方法：采用混凝土的立方体抗压强度； b.数值确定：具有95%的保证率； c.工程符号： （ N/mm ），简写形式为C ； d .“规范”的等级范围：C15C80，共14级； e.应用范围：C15C45为普通混凝土，适用于一般的 混凝土结构； C50C80为高强混凝土，适用于预应力 混凝土构件。 4 D.试验方法对立方体抗压强度的
3、影响 a.试件表面是否涂润滑剂：不涂时强度高；涂后强度底，其主要原因是由于“套箍”作用；且破坏形态不一样（见图2-1）； b.加载速度：速度快强度高，速度满强度底（2）混凝土的轴心抗压强度A.确定混凝土轴心抗压强度的标准方法 a. 标准试件： 150mm 150mm300mm的棱柱体； b. 其余同混凝土立方体抗压强度的标准方法； c. 工程符号： （ N/mm ），5B.关于 的讨论 a.高宽比：随着高宽比的增加， 会降低，但高宽比为3时，会稳定； b.混凝土立方体抗压强度与轴心抗压强度的关系：上式中各系数的物理意义见书上说明。 c.国外用圆柱体试件确定混凝土轴心抗压强度。（2-1）62.混
4、凝土的轴心抗拉强度（1）确定方法：轴心受拉试验和劈裂试验；（2）由图2-6可知，混凝土轴心抗拉强度约为 立方体抗压强度的1/171/8；（3）在荷载较小时，混凝土即开裂，所以混 凝土结构一般带裂缝工作，混凝土轴心 抗拉强度不起决定作用。7三.复合应力状态下混凝土的强度 1.关于双向应力状态下的强度变化规律 根据图2-7和图2-8可得到如下基本结论： （1）双向受压时，混凝土抗压强度大于单向； （2）双向受拉时，混凝土抗拉强度接近于单向； （3）一向受压和一向受拉时，其抗拉（抗压）强度 均低于相应的单向强度； （4）由于剪应力的存在，混凝土抗压强度低于单向； （5）由于压应力的存在，混凝土抗剪强
5、度有限增加。 82.关于三向受压状态下的强度变化规律 结论：三向受压状态下的混凝土抗压强度大 于双向和单向。3.关于实际工程运用 （1）目前“规范”尚无定量计算公式； （2）实际工程中均采用单向强度，但要考虑 复合应力情况，从构造上加以调整。9四.混凝土的变形 变形的分类：受力变形荷载产生的； 体积变形收缩、温差即湿差产生的。1.一次短期加载下混凝土的变形性能（1）混凝土受压时的应力-应变关系 实际试验曲线如图2-9和图2-10，其规律为： a.应力-应变关系为曲线，上升段中仅有一小段直线； b.应力峰值对应的应变约为0.002（基本与等级无关）； c.混凝土强度高时其延性越差。10（2）混凝
6、土单轴向受压应力-应变曲线的数学模型A.美国E.Hognestad模型（上升段为二次抛物线，下降 段为斜直线）用于美国ACI规范；（图2-11）B.德国Rsch 模型（上升段为二次抛物线，下降段采 用水平线）被欧盟和中国国家规范参考。（图2-12）（3）三向受压状态下混凝土的变形特点A.变形特点：侧压力约大，变形能力约好（强度也高）；B.工程意义：设置密排箍筋间接产生侧压力。 参见图2-13和图2-14。11（4）混凝土的变形摸量 由于混凝土的弹塑性性质，其模量是一个变数，通常有三种表示方法。A.弹性模量（切线模量）：通过重复加载的方 式确定；可参见图2-21（b）B.变形模量（割线模量）：参
7、见图2-15；C.切线模量：对应力-应变曲线求导数确定；D.经验公式法：即式（2-13）。（5）混凝土轴向受拉时的应力-应变关系（略）122.荷载长期作用下混凝土的变形性能（1）徐变：在长期不变的荷载作用下，结构或构件产生的应变或变形；如图2-17；（2）线性徐变：随时间可以稳定（不在发展）的徐变；（3）非线性徐变：随时间不能稳定的徐变；（4）影响徐变的因素：A.保持的应力（荷载）大小：应力大时，徐变大；B.加载时的龄期：龄期早，徐变大；C.其它：水泥用量、水灰比、骨料、温度以及湿度。13（5）徐变对结构的影响A.使结构产生应力重分布；B.使预应力产生损失。3.混凝土在荷载重复作用下的变形（疲
8、劳变形）（1）疲劳破坏：荷载重复作用引起的破坏；（2）疲劳强度：荷载重复作用下使应力应变 曲线始终保持密合直线的最 大应力值；见图2-21；4.混凝土的收缩与膨胀（参见P.20-21）142.2钢筋的物理力学性能一.钢筋的品种和级别1.钢筋的分类（1）根据化学成分：A.碳素钢：低碳钢、中碳钢及高碳钢，其特点 是随着含碳量的增加，强度提高，脆性增加；B.普通低合金钢：为改善碳素钢的力学特性， 加入少量合金元素。15（2）根据生产工艺：A.热轧钢筋：在高温下直接轧制成型（如碳素 钢和普通低合金）；B.热处理钢：将热轧钢经过调质（加热、淬火 和回火），主要是提高强度，而 降低塑性不多；C.冷加工钢筋
9、：将普通热轧钢筋在常温下进行 冷拉或冷拔。 16（3）根据钢筋外型：（见图2-23）A.柔性钢筋：普通钢筋; a.光圆钢筋：表面是光滑的； b.变形钢筋：表面有肋（如月牙肋等）； c.习惯上，直径大于4mm称为钢筋；小于或 等于4mm称为钢丝。B.劲性钢筋：型钢、钢轨及其组合。（4）根据力学特性：A.软钢：有明显屈服台阶；（见图2-24）B.硬钢：无屈服台阶；（见图2-25）172.钢筋的级别（1）分级原则：力学特性；（2）具体分级：级钢，HPB235，强度标准 值为235 N/mm ； 级钢，HRB335，强度标准 值为335 N/mm ； 级钢，HRB400，强度标准 值为400 N/mm
10、 ；183.关于冷加工钢筋（1）冷拉A.加工方法：在常温下将钢筋拉伸至屈服，然 后卸载；B.力学性质：经过一段时间后，再次拉伸时， 其屈服强度将增大，但塑性降低；C.时效硬化：被拉伸至屈服点，经过一段时间 后，屈服强度增加的现象。19（2）冷拔A.加工方法：在常温下将钢筋拔过比其自身直 径还小的硬质合金拔丝模拉伸至 屈服；B.力学性质：经过一段时间后，再次拉伸或压 缩时，其屈服强度将增大，但塑 性降低。20二.钢筋的强度与变形1.钢筋屈服强度的取值：（1）软钢：取其屈服下限；（2）硬钢：取其极限抗拉强度的85%；（称为 条件屈服点）（3）结构设计时，用钢筋的屈服强度进行计 算，其极限抗拉强度作
11、为安全储备。2.钢筋的变形力学指标：伸长率和冷弯性21三.钢筋应力-应变曲线的数学模型1.双直线（完全弹塑性）图2-26（a），为我国采用；2.三折线（完全弹塑性+硬化）图2-26（b）；3.双斜线（弹塑性）图2-26（c）。四.钢筋的疲劳五.混凝土结构对钢筋性能的要求1.较高的强度；2.良好的塑性；3.良好的可焊性；4.较强的耐火性；5.钢筋与混凝土良好的粘结力。222.3混凝土与钢筋的粘结一.粘结的意义：确保混凝土与钢筋能共同工作。二.粘结力的组成1. 化学吸附作用力；2摩阻力；3机械咬合力。光圆钢筋的粘结力主要由前两者组成；变形钢筋的粘结力主要由机械咬合力组成。三.粘结强度四.影响粘结强度的因素五.钢筋的锚固与搭接本章结束本章结束23
