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1、第二章 混凝土结构材料的物理力学性能,混凝土的物理力学性能 钢筋的物理力学性能 混凝土与钢筋的粘接,2.1 混凝土一、混凝土的组成 水泥、石子、砂子、水、外加剂按一定比例拌合，经凝固硬化后做成的人工石材。属于多相复合材料。性能离散性大，其内部孔隙、界面微裂缝等缺陷是砼受力破坏的起源。,水泥：普通水泥（硅酸盐水泥）特种水泥（火山灰，耐火，耐酸）水泥质量：减少含泥量，粉末颗粒要小石子：碎石、卵石（碎石棱角，卵石光滑）砂：河、湖、海的中粗砂，含泥量少，细砂要求水泥量大。水：净水 水灰比（对强度影响很大）：干硬性0.30.4；塑性0.50.7塌落度：35；商品1218和易性（流动性、粘聚性、保水性）；
2、密实性（防水砼）；耐久性,二、单向受力状态的混凝土强度压、拉、剪、扭各种受力。最简单：单向受压1砼的抗压强度（1）立方抗压强度 统一评判标准 标准试件、在标准条件下养护28天、按标准试验方法测得的具有95%保证率的抗压强度（N/mm2）作为砼的强度等级。规范规定14级，C15，C20，C80。95%保证率：,标准试块：边长150mm的立方体试块。标准条件：温度，相对湿度90%以上的潮湿空气中养护28天。标准试验：侧向加压，上下表面不涂润滑剂，加载速度为 C30时0.50.8N/mm2S，C30时0.30.5N/mm2S。非标准试块，200mm、100mm立方体试块分别乘系数1.05、0.95。
3、,（2）砼的轴心抗压强度 棱柱体抗压强度标准试块：150X150X300mm，与实际构件受力相近。其强度值作为砼抗压强度取值的依据。试验表明，该强度与立方抗压强度大致呈线形关系。考虑棱柱体与立方体抗压强度比、脆性折减系数,（3）砼的受压破坏机理砼的强度远低于其组成相的强度。宏观上看破坏是裂缝累积的过程，是内部结构局部损伤到连续性遭受破坏（裂缝贯通）导致整个体系解体而丧失承载能力的过程，并非其组成相的强度耗尽。,2.砼的抗拉强度是砼的基本强度指标，可间接衡量剪切、冲切等强度。可采用100X100X500试件埋入钢筋（两端伸出150mm）拉伸试验测得（很难做得）。一般采用劈裂试验来间接测出。约为立
4、方抗压强度的1/（817）。,3.砼强度等级的选择及设计强度指标钢筋砼结构的最低强度C20，400MPa及以上钢筋时最低C25；对以受压为主的构件柱、墙宜选用较高强度的砼。一般受弯构件选C20C30；受压构件选C30C40。高层建筑底柱宜C50或以上。设计使用年限100年见规范。各强度等级的砼抗压强度、抗拉强度的标准值、设计值可直接查用，见规范。教材P288页附表2-15可用。规范中强条,三、复合应力状态下砼的强度,双向受力状态下，砼单轴强度会产生变化。双压时，单轴强度提高，最大约27%；拉压时，拉、压强度均降低；双拉时，接近单轴强度，影响不大；剪拉时，二者均低于单轴强度；剪压时，抗压强度降低
5、，压应力小时抗剪提高，压应力大时抗剪强度稍降低。三向受压时，最大主应力轴的抗压强度提高：侧向约束压应力,实际结构中，混凝土很少处于单向受力状态。更多的是处于双向或三向受力状态。,压,拉压,四、混凝土的变形 一次短期加载的变形受力变形：多次重复荷载下的变形 荷载长期作用下的变形 体积变形：收缩、温度变化等产生的变形,1、一次短期加载时的变形性能,砼受压应力应变曲线,不同强度混凝土的应力-应变关系曲线,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。,（2）应力-应变关系模型,上升段
6、：,下降段：,砼三向受压状态下的变形特点三向受压不仅可提高强度，也可提高变形能力延性。工程上采用密排螺旋筋或密排封闭箍筋使受压构件中砼三向受压，有效地提高砼的延性，改善结构的抗震性能。,（4）、混凝土的变形模量,原点弹性模量,变形模量,切线模量,弹性模量测定方法,虽应力小时好用，但适用于大多数情况下的结构分析和结构设计。,此外还有切线模量和割线模量；特别是割线模量可更准确的描述应力与应变间的关系，表示某点总应力与总应变之比，而总应变包括弹、塑性变形，也称为变形模量。剪切弹性模量：横向变形系数相当于（应力较大接近破坏时可达0.5以上）。砼受拉弹性模量与受压时基本一致，可取相同值。接近开裂时受拉弹
7、性模量为。砼受拉应力应变关系见规范。,2.砼在重复荷载下的变形性能,重复荷载下，疲劳强度与循环次数、砼强度等有关，很分散。低于疲劳强度时，多次循环后变形接近完全弹性；高于疲劳强度时，循环一定次数后变形不收敛（破坏）。循环加载200万次或稍多时发生破坏的压应力疲劳抗压强度。疲劳强度修正系数 见规范,混凝土在荷载重复作用下的应力-应变关系,3.砼在荷载长期作用下的变形性能,砼在荷载长期作用下（应力不变），应变随时间继续增长的现象徐变。约为瞬时应变的14倍，开始大并逐渐趋于稳定。一般六个月可达7080%，23年基本稳定。应力大徐变大；加荷铃期早徐变大；水泥用量多水灰比大徐变大；骨料软弹模低徐变大；温
8、度高湿度大水化充分徐变小；制作方法、构件形状、尺寸钢筋等均有影响。徐变会引起构件予应力损失，应力重分布，甚至引起结构内力重分布。,在应力（0.5fc）作用瞬间，首先产生瞬时弹性应变eel（=si/Ec(t0)，t0加荷时的龄期）。随荷载作用时间的延续，变形不断增长，前4个月徐变增长较快，6个月可达最终徐变的（7080）%，以后增长逐渐缓慢，23年后趋于稳定。,4.混凝土的收缩和膨胀变形 混凝土在空气中硬化时体积会缩小、在水中硬化时体积会增大，称为混凝土的收缩、膨胀。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）的约束时，将使混凝土中产生拉应力，甚
9、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。,混凝土的收缩受结构周围的温度、湿度、构件断面形状及尺寸、配合比、骨料性质、水泥性质、混凝土浇筑质量及养护条件等许多因素有关。（1）水泥的品种：水泥强度等级越高，混凝土收缩越大。（2）水泥的用量：用量多、水灰比越大，收缩越大。（3）骨料的性质：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）混凝土制作方法：混凝土越密实，收缩越小。（6）使用环境：环境温度、湿度越大，收缩越小。（7）构件的体表比值：比值大时，收缩小。,收缩对结构有害，而徐变对结构有时有害、有时有利。,2.2 钢筋 一、钢筋的品种和级
10、别热轧钢筋、中高强钢丝和钢绞线、热处理钢筋和冷加工钢筋,热轧钢筋分为四种（S变热脆，P变冷脆）HPB300级、HRB335级、HRB400级、HRB500；HRBF335、400、500细晶粒带肋钢筋余热处理钢筋：RRB400级主要用于基础等构件,规范规定：纵向受力普通钢筋宜采用HRB400、HRB500，也可采用HPB300、HRB335、RRB400钢筋；梁、柱纵向受力普通钢筋应采用HRB400、HRB500钢筋；箍筋宜采用HRB400、HPB300、HRB500钢筋，也可采用HRB335钢筋;予应力钢筋宜采用予应力钢丝、钢绞线和预应力钢筋。,二、钢筋的强度与变形 1、有明显屈服点的钢筋,
11、ef为颈缩阶段,2、无明显屈服点的钢筋,a点：比例极限，约为0.65fua点后：应力-应变关系为非线性，有一定塑性变形，且没有明显的屈服点强度设计指标条件屈服点残余应变为0.2%所对应的应力规范取s0.2=0.85 fu,三、应力-应变关系数学模型双直线完全弹塑性模型适于流幅较长钢材三折线完全弹塑性加硬化模型适于流幅短软钢双斜线弹塑性模型适于无明显流幅的高强钢,1.强度：要有足够的强度（屈服强度、极限强度）和适宜的强屈比(极限强度与屈服强度的比值；抗震设防时要求)。2.塑性：伸长率 和冷弯性能。3.可焊性：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。4.与混凝土的粘结力：要求钢筋与
12、混凝土之间有足够的粘结力（强度匹配），以保证两者共同工作。,四、混凝土结构对钢筋性能的要求,有时尚要求低温性能、质量稳定性、锚固性能、予应力传递性、疲劳性能、热稳定性、施工适应性、耐久性、经济性等。,五、钢筋的冷加工、松弛、蠕变、疲劳,钢筋在常温下进行加工：冷拉、冷拔；钢筋在高应力下，应变随时间增长的现象蠕变；钢筋受力后，若长度不变其应力降低的现象松弛；受承重复、周期动载下，经一定次数后，发生脆性断裂的现象疲劳。,2.3 混凝土与钢筋的粘结,一、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,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,二、影响粘结的
13、因素影响因素很多，主要有混凝土强度、保护层厚度及钢筋净间距、横向配筋及侧向压应力，以及浇筑混凝土时钢筋的位置等。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，但不成正比。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。横向钢筋可以限制混凝土内部裂缝的发展，提高粘结强度。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。浇筑混凝土时钢筋所处的位置也影响粘结强度。,三、保证粘结的构造措施 基于实验与经验，规范采取的措施是不计算，而是规定一系列构造措施予以保证。(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
14、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。,2.4 一般构造规定,1钢筋的砼保护层最小厚度钢筋外边缘至构件砼表面的距离砼保护层C。1 受力钢筋的保护层厚度不应小于钢筋的公称直径2 最外层钢筋的保护层厚度规范表规定。设计使用年限50年按表值、100年按表值1.4倍并筋等效直径：双并筋为1.4d，三并筋为1.7d。梁柱墙受力筋保护层大于50时，宜采取措施（防开裂、脱落钢筋网片等）。网片保护层不小于25,2.钢筋的
15、锚固,计算中充分利用钢筋的抗拉强度时，基本锚固长度：其中：砼抗拉强度设计值 C60以上 按C60取用 钢筋外形系数：光面0.16（带端钩）；带肋0.14；螺旋肋0.13等受拉钢筋的锚固长度按下式计算，且不应小于200mm。带肋钢筋d25时1.1；环氧1.25；保护层3d时0.7(5d0.8)等充分利用钢筋的抗压强度时，锚固长度可取0.7倍。,3、钢筋的连接钢筋的连接分两类：绑扎搭接；机械连接或焊接。,受力钢筋的接头宜在受力较小处，在同一根钢筋上宜少设接头。轴心受拉及小偏心受拉杆件的受力钢筋不得采用搭接接头。同一构件中相邻受力钢筋的搭接接头宜相互错开，不在同一连接范围内的搭接接头中心间距不应小于
16、1.3倍搭接长度。位于同一连接区段内的受拉钢筋搭接接头面积百分率：梁板墙类不宜大于25%；柱类不宜大于50%。,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。1.2(25%)；1.4(50%)；1.6(100%).,纵向受压钢筋采用搭接连接时，搭接长度不应小于拉筋搭接长度的70%。任何情况下的搭接长度：拉筋300；压筋200。搭接长度范围内箍筋应加强。,4.纵向受力钢筋的最小配筋率,钢筋结构构件中纵向受力钢筋的最小配筋百分率见规范表及注释。也可参照教材附表4-6修改全部纵筋项：500级0.50；400级0.55；300、335级0.6其他两项相同注释按规范执行,思考题,2.13；2.11；2.10；2.9；2.8；2.7；2.4；2.3；2.2；2.1.,小 结1.钢筋：钢筋的成份、种类和级别，钢筋的应力应变曲线，钢筋的塑性性能，钢筋的冷加工。2.混凝土：立方体抗压强度，影响混凝土强度的因素，轴心抗压强度，轴心抗拉强度。混凝土的变形：混凝土在一次短期加载时的应力应变性能，混凝土的变形模量。混凝土的徐变。混凝土的收缩。3.钢筋与混凝土之间的粘结力。,
