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1、1,第2章 混凝土结构材料的物理力学性能,钢 筋,混 凝 土,两者间的粘结,强 度,变 形,粘结破坏的过程和机理,2,2.1 混凝土的物理力学性能单轴应力状态下混凝土的强度复合应力状态下混凝土的强度 混凝土的变形混凝土的疲劳,3,一、单轴向应力状态下的混凝土强度,混凝土的抗压强度（1）混凝土的立方体抗压强度fcu,k和强度等级,试件尺寸：150mm150mm150mm；养护条件与时间：203，相对湿度 90%以上，28天；试验方法：标准试验方法,4,立方体抗压强度fcu,压力试件裂缝发展扩张整个体系解体，丧失承载力,5,未采取减摩措施,采取减摩措施后,6,立方体抗压强度fcu,压力试件裂缝发展
2、扩张整个体系解体，丧失承载力,另影响强度的因素还有：加载速率、龄期、试块尺寸等,加载速度：混凝土强等级低于C30时，控制在0.3MPas0.5MPas ；混凝土强等级等于或高于C30时， 控制在0.5MPas0.8MPas 。,7,立方体强度随龄期的变化关系,标准试块： 150150 150,非标准试块：100100 100 换算系数 0.95 200200 200 换算系数 1.05,立方体抗压强度fcu,8,边长150mm立方体试件，在标准条件下（203，90%湿度）养护28天，用标准试验方法（加载速度0.150.3N/mm2/sec，两端不涂润滑剂）测得的具有95%保证率的立方体抗压强度
3、。 fcu,k= fcu,m(1-1.645)。,立方体抗压强度fcu,k,9,混凝土结构设计规范是根据混凝土立方体抗压强度标准值来划分的。从C15C80共划分为14个强度等级（如C30表示fcu,k =30N/mm2），级差为5N/mm2。,混凝土的强度等级,C50及以上为高强混凝土。,10,（2）混凝土的轴心抗压强度,混凝土的抗压强度与试件的形状有关,采用棱柱体比立方体能更好地反映混凝土结构的实际抗压能力。,h,b,棱柱体试件高宽比h/b为23以150150300mm的棱柱体试件为标准试件也常用150150450mm的棱柱体试件,11,规范规定以上述棱柱体试件试验测得的具有95%保证率的抗
4、压强度为混凝土轴心抗压强度标准值，用符号fck表示，下标c表示受压，k表示标准值。,混凝土轴心抗压强度与立方体抗压强度的关系,12,考虑到实际结构构件制作、养护和受力情况等方面与试件的差别，实际构件强度与试件强度之间将存在差异，规范基于安全取偏低值，轴心抗压强度标准值与立方体抗压强度标准值的关系按下式确定：,为棱柱体抗压强度与立方体抗压强度之比，对混凝土强度等级为C50及以下的取0.76，对C80取0.82，两者之间按直线规律变化取值。,为高强度混凝土的脆性折减系数，对C40及以下取1.00，对C80取0.87，中间按直线规律变化取值。,0.88为考虑实际构件与试件混凝土强度之间的差异而取用的
5、折减系数。,13,2. 混凝土的抗拉强度(1) 轴心抗拉强度,混凝土的基本力学性能，用符号 ftk表示。混凝土构件开裂、裂缝、变形，以及受剪、受扭、受冲切等的承载力均与抗拉强度有关。,14,混凝土轴心抗拉强度和立方体抗压强度的关系,15,由于轴心受拉试验对中困难，也常常采用立方体或圆柱体劈拉试验测定混凝土的抗拉强度。,16,二、 复合应力状态下混凝土的强度,1. 双向正应力状态,双向应力状态下混凝土的破坏包络图,双向受压区（图中第三象限），一向的抗压强度随另一向压应力的增大而增大双向受拉区（图中第一象限），一个方向的抗拉强度受另一方向拉应力的影响不明显，其抗拉强度接近于单向抗拉强度。单向受压区
6、（图中第二、四象限），抗压强度随拉应力的增大而降低， 同样抗拉强度也随压应力的增大而降低，其抗压或抗拉强度均不超过相应的单轴强度。,17,法向应力和剪应力组合下的强度,2.混凝土在正应力和剪应力共同作用下的强度,混凝土的抗剪强度随拉应力的增大而减小；当压应力小于0.6fc 时，抗剪强度随压应力的增大而增大；当压应力大于0.6fc 时，抗剪强度随压应力的增大而减小；由于剪应力的存在，其抗压强度和抗拉强度均低于相应的单轴强度。,18,混凝土圆柱体三向受压试验时轴向应力-应变曲线,3. 三向受压时的混凝土强度,19,受力变形 荷载长期作用下的变形 非受力变形 收缩 膨胀,一次短期加荷的变形,温度变化
7、产生的变形,三、 混凝土的变形,多次重复荷载作用下的变形,20,1.一次短期加载下混凝土的变形性能(1)混凝土单轴受压时的应力-应变关系 （Stress- strain Relationship ）,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。,21,混凝土的破坏机理,混凝土棱柱体受压应力-应
8、变曲线,22,混凝土棱柱体受压应力-应变曲线,23,24,25,26,27,28,混凝土棱柱体受压应力-应变曲线,29,上升段OC s-e关系接近于直线，A 点为比例极限。 B点的应力可作为混凝土长期受压强度的依据。 C点的应力即为混凝土的轴心抗压强度fc ，相应的应变称为峰值应变e 0 ,对C50及以下的素混凝土通常取e 0 =0002。 凸曲线变为凹曲线，出现拐点D ，收敛点E ；超过E点后，试件的贯通主裂缝已经很宽，失去结构意义。,AB段-裂缝稳定扩展阶段：,OA段-准弹性阶段：,混凝土棱柱体受压应力应变曲线,BC段-裂缝不稳定扩展阶段：,下降段CF：,30,由上述混凝土的破坏机理可知，
9、微裂缝的发展导致横向变形的增大。对横向变形加以约束，就可以限制微裂缝的发展，从而可提高混凝土的抗压强度。,约束混凝土可以提高混凝土的强度，但更值得注意的是可以提高混凝土的变形能力，这一点对于抗震结构非常重要。,31,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。,混凝土应力-应变曲线的形状和特征是混凝土内部结构发生变化的力学标志。,不同强度等级的应力应变曲线,32,若采用无量纲坐标x=e/e0，y=s/fc，则混凝土应力-应变全曲线的几何特征必须满足:,(2) 混凝土单轴受压应
10、力-应变本构关系曲线,33,美国Hognestad模型,德国Rsch模型,单向受压应力-应变关系的数学模型,34,(3) 混凝土轴向受拉时的应力-应变关系,不同强度的混凝土拉伸应力-应变全曲线,35,(4) 混凝土的变形模量,混凝土变形模量的表示方法,混凝土的弹性模量（即原点模量）,混凝土的变形模量（割线模量）,混凝土的切线模量,混凝土的切线模量是一个变值，它随着混凝土应力的增大而减小。,36,弹性模量的测定方法,37,试验结果,弹性模量与立方体强度的关系,38,2.荷载长期作用下混凝土的变形性能徐变,徐变：结构或材料承受的应力不变，而应变随着时间增长的现象。徐变与时间关系,39,压应力与徐变
11、的关系,不同应力/强度比值的徐变时间曲线,40,41,徐变与混凝土持续应力大小有密切关系，应力越大徐变也越大； 加载时混凝土龄期越早，徐变越大； 水泥含量越大，徐变越大； 骨料弹性模量高、级配好，徐变就小； 干燥失水及高温环境，徐变大； 高强混凝土徐变小。,产生徐变的主要原因是水泥凝胶体和内部微裂缝的扩展,混凝土徐变的影响因素,42,3. 混凝土的收缩与膨胀,混凝土在空气中硬化时体积会缩小，在水中体积膨胀，这种现象称为混凝土的收缩和膨胀。,混凝土的收缩是随时间而增长的变形，早期收缩变形发展较快，两周可完成全部收缩的25%，一个月可完成50%，以后变形发展逐渐减慢，整个收缩过程可延续两年以上。通
12、常，最终收缩应变值约为(25)10-4 ，而混凝土开裂应变为(0.52.7)10-4，说明收缩会导致开裂。,43,收缩的原因,影响收缩的主要因素,混凝土的组成和配比 构件的养护条件、使用环境的温度和湿度以及凡是影响混凝土中水分保持的因素 构件的体表比：比值越小，收缩越大,44,构件未受荷之前产生裂缝 预应力构件中预应力损失（预应力筋和混凝土一同回缩引起预应力损失 超静定结构产生次内力,收缩对结构的影响,45,四、混凝土在荷载重复作用下的变形疲劳,混凝土的疲劳是在荷载重复作用下产生的。 疲劳现象大量存在于工程结构中，钢筋混凝土吊车梁、钢筋混凝土桥以及港口海岸的混凝土结构等都要受到吊车荷载、车辆荷
13、载以及波浪冲击等几百万次的作用。混凝土在重复荷载作用下的破坏称为疲劳破坏。,混凝土在重复荷载作用下的受压应力-应变曲线,46,当加荷应力s1fcf时，开始时混凝土的s-e曲线凸向应力轴，在重复加荷载过程中逐渐变化为凸向应变轴，不能形成封闭环；随着荷载重复次数的增加，s-e曲线的斜率不断降低，最后混凝土试件因严重开裂或变形太大而破坏，这种因荷载重复作用而引起的混凝土破坏称为混凝土的疲劳破坏。,疲劳破坏,47,疲劳试验 采用100mm100mm300mm (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fcf。影响因
14、素 与重复作用时应力变化的幅度有关。在相同的重复次数下，疲劳强度随着疲劳应力比值的减小而增大。,疲劳强度,48,GB50010-2010规范规定,49,50,2.2 钢筋的物理力学性能钢筋的种类钢筋的强度与变形钢筋本构关系 钢筋的疲劳混凝土结构对钢筋性能的要求,51,一、 钢筋的种类,1.柔性钢筋,线形的普通钢筋统称为柔性钢筋，其外形有光圆和带肋两类。,2.劲性钢筋,劲性钢筋是指配置在混凝土中的各种型钢、钢轨或者用钢板焊成的钢骨架。劲性钢筋本身刚度很大，施工时模板及混凝土的重力可以由劲性钢筋本身来承担，因此能加速并简化支模工作。配置了劲性钢筋的混凝土结构具有较大的承载能力和变形能力，常用于高层
15、建筑的框架梁、柱以及剪力墙和筒体结构中。,52,53,二、国产普通钢筋,混凝土结构设计规范规定，用于钢筋混凝土结构的国产普通钢筋为热轧钢筋。热轧钢筋是低碳钢、普通低合金钢在高温状态下轧制而成的软钢，其应力-应变曲线有明显的屈服点和流幅，断裂时有颈缩现象，伸长率比较大。,国产普通钢筋按其屈服强度标准值的高低，分为4个强度等级：300MPa、335MPa、400MPa和500MPa。,54,钢筋的应用范围,非预应力钢筋：HPB300，HRB335，HRB400，RRB400等,预应力钢筋：碳素钢丝，刻痕钢丝，钢绞线，热处理钢筋，冷拉钢筋,HPB300,生产工艺： hot rolled,表面形状：p
16、lain,钢筋：bar,屈服强度,55,工程应用,混凝土结构设计规范提出了推广高强度、高性能钢筋HRB400和HRB500的要求。因此，本教材的例题中，对梁、柱的纵向受力钢筋将主要采用这两种钢筋，特别是HRB400。 箍筋宜采用HRB400、HRBF400、HRB335和HPB300。 光圆钢筋HPB300虽然也可用作纵向受力钢筋，因其强度较低，故主要用作箍筋。 当HRB500和HRBF500用作箍筋时，只能用于约束混凝土的间接钢筋，即螺旋箍筋或焊接环筋，见5.2.2节。 细晶粒系列HRBF钢筋、HRB500和热处理钢筋RRB400都不能用作承受疲劳作用的钢筋，这时宜采用HRB400钢筋。 工
17、地上常把上述4个强度等级的钢筋俗称为级、级、级和级钢筋，但在施工图和正式文件中，都不应采用此俗称。,56,三、 钢筋的强度与变形,上屈服点不稳定,下屈服点,出现颈缩,拉断,BC段为屈服台阶CD段为强化段,有明显流幅的钢筋,无明显流幅的钢筋,钢筋受压和受拉时的应力-应变曲线几乎相同,57,强度指标,明显流幅的钢筋：下屈服点对应的强度作为设计强度的依据，因为，钢筋屈服后会产生大的塑性变形，钢筋混凝土构件会产生不可恢复的变形和不可闭合的裂缝，以至不能使用,无明显流幅的钢筋：残余应变为0.2%时所对应的应力作为条件屈服强度,58,钢筋力学性能的基本指标：屈服强度、伸长率、冷弯性能和强屈比,对于有明显屈
18、服点钢筋，其屈服强度定义为屈服下限。强屈比为极限强度与屈服强度的比值，热轧钢筋通常在1.41.6之间。钢筋在拉断时的应变称为伸长率，定义为：,为试件的标距,伸长率越大，钢筋的塑性和变形能力越好。,目前多采用均匀伸长率来反映钢筋的变形能力,59,冷弯性能是检验钢筋在弯折加工时或使用时不致脆断的一种试验方法。伸长率不能反映钢筋这一脆性性能,60,不同钢筋应力应变关系的比较,61,四、钢筋的本构关系,1. 描述完全弹塑性的双直线模型,双直线模型适用于流幅较长的低强度钢材。,62,2. 描述完全弹塑性加硬化的三折线模型,三折线模型适用于流幅较短的软钢，要求它可以描述屈服后立即发生应变硬化(应力强化)，
19、并能正确地估计高出屈服应变后的应力。,63,3. 描述弹塑性的双斜线模型,双斜线模型可以描述没有明显流幅的高强钢筋或钢丝的应力-应变曲线。,64,五、钢筋的疲劳,重复荷载作用下，钢筋的强度静载作用下的强度,规定的应力幅度内，经一定次数的重复荷载后，发生疲劳破坏的最大应力值称为疲劳强度。对钢筋用疲劳应力幅限值来表示其疲劳强度。,试验方法,单根原状钢筋的轴拉疲劳,钢筋埋入混凝土中重复受拉或受弯,钢筋的疲劳是指钢筋在承受重复、周期性的动荷载作用下，经过一定次数后，突然脆性断裂的现象。,65,钢筋疲劳断裂的原因：,一般认为是重复荷载作用下，由于钢筋内部和外部的缺陷引起的应力集中。高应力作用下钢筋中弱晶
20、粒滑移，产生疲劳裂纹，随着重复作用次数的增加，疲劳裂纹的不断扩展，最终导致钢筋断裂,影响钢筋疲劳的因素：,疲劳应力幅 钢筋外表面几何尺寸和形状 钢筋直径、钢筋强度等级 钢筋轧制工艺和试验方法,钢筋疲劳应力比值,66,六、混凝土结构对钢筋性能的要求,钢筋的强度屈服和极限强度,钢筋的延性伸长率和冷弯性能,钢筋的可焊性,钢筋与混凝土的粘结力,机械连接性能,施工适应性,67,粘结的意义粘结力的组成粘结应力-滑移关系钢筋的锚固,2.3 混凝土与钢筋的粘结,68,一、 粘结的意义,混凝土与钢筋的粘结是指钢筋与周围混凝土之间的相互作用，包括沿钢筋长度的粘结和钢筋端部的锚固两种情况。,钢筋和混凝土之间粘结应力
21、示意图(a)锚固粘结应力；(b)裂缝间的局部粘结应力,69,光圆钢筋,胶结力,摩阻力,机械咬合力（钢筋表面不平、微锈时可显著提高咬合力）,有滑移时胶结力即消失,二、粘结力的组成,70,变形钢筋,胶结力,摩阻力,机械咬合力,主要作用,71,三、粘结应力-滑移关系,拔出试验,1. 粘结试验,72,光圆钢筋,钢筋拔出,2. 粘结破坏形态,变形钢筋,嵌入钢筋凹陷中的混凝土被剪碎破坏,73,变形钢筋,混凝土撕裂,混凝土局部挤碎,刮出式破坏,74,3. 粘结力,一般用拔出试验测出钢筋与混凝土间的平均粘结强度,钢筋直径,埋置长度,拔出拉力,75,4. 粘结应力-滑移关系曲线,-s曲线(a)光圆钢筋的-s曲线
22、； (b)带肋钢筋的-s曲线,76,四、钢筋的锚固,1. 基本锚固长度lab,锚固钢筋的外形系数a,混凝土结构设计规范GB 500102010规定的受拉钢筋锚固长度lab为钢筋的基本锚固长度。,77,78,79,2. 受拉钢筋的锚固,（1）受拉钢筋的锚固长度 实际结构中的受拉钢筋锚固长度还应根据锚固条件的不同按下式计算，并不小于200mm。,1）当带肋钢筋的公称直径大于25mm时，取1.10；2）环氧树脂涂层带肋钢筋取1.25；3）施工过程中易扰动的钢筋取1.10；4）当纵向受力钢筋的实际面积大于其设计计算面积时，修正系数取设计计算面积与实际配筋面积的比值，但对有抗震设防要求及直接承受动力荷载
23、的结构构件，不应考虑此项修正；5）锚固钢筋的保护层厚度为3d时修正系数可取0.80，保护层厚度为5d时修正系数可取0.70，中间按内插取值，此处d为锚固钢筋直径；6）当多于上述一项时，可按连乘计算，但不应小于0.6；对预应力筋，可取1.0。,80,（2）锚固区的横向构造钢筋 当锚固钢筋的保护层厚度不大于5d时，锚固长度范围内应配置直径不小于d/4的横向构造钢筋。,81,（3）锚固措施 当纵向受拉普通钢筋末端采用弯钩或机械锚固措施时，包括弯钩或锚固端头在内的锚固长度（投影长度）可取为基本锚固长度lab的60%。,82,弯钩和机械锚固的形式和技术要求,为减小锚固长度，可在纵向受拉钢筋的末端采用弯钩和机械锚固措施,83,3. 受压钢筋的锚固 混凝土结构中的纵向受压钢筋，当计算中充分利用其抗压强度时，锚固长度不应小于相应受拉锚固长度的70%。 受压钢筋不应采用末端弯钩和一侧贴焊锚筋的锚固措施。 受压钢筋锚固长度范围内的横向构造钢筋与受拉钢筋的相同。,
