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1、第第2章章 混凝土结构材料的物理和力学性能混凝土结构材料的物理和力学性能1.11.1 第第2章章 混凝土结构材料物理和力学性能混凝土结构材料物理和力学性能 返回总目录返回总目录返回总目录返回总目录 第1页第第2章章 混凝土结构材料的物理和力学性能混凝土结构材料的物理和力学性能1.21.2 教学提醒：教学提醒：钢筋与混凝土材料物理和力学性能是混凝土结构计算理论、计算公式建立基础。主要介绍混凝土在各种受力状态下强度与变形性能；建筑工程中所用钢筋品种、级别及其性能；钢筋与混凝土粘结机理、钢筋锚固与连接结构。教学要求：教学要求：本章要求学生熟悉混凝土在各种受力状态下强度与变形性能；掌握混凝土选取标准；
2、熟悉建筑工程中所用钢筋品种、级别及其性能；掌握建筑工程对钢筋性能要求及选取标准；了解钢筋与混凝土共同工作原理，熟悉确保钢筋与混凝土之间协同工作结构办法。第2页第第2章章 混凝土结构材料的物理和力学性能混凝土结构材料的物理和力学性能1.31.3 混凝土结构是由钢筋和混凝土这两种性质不相同材料组成，它们共同承受和传递结构荷载。混凝土结构计算理论、计算公式建立，都与这两种材料力学性能亲密相关。所以，了解钢筋和混凝土这两种材料力学性能是非常主要。本章主要介绍钢筋与混凝土物理和力学性能、共同工作原理及这两种材料在工程中选取标准。第3页第第2章章 混凝土结构材料的物理和力学性能混凝土结构材料的物理和力学性
3、能1.41.4 2.1 2.1 混混 凝凝 土土 2.2 2.2 钢钢 筋筋 2.3 2.3 钢筋与混凝土之间粘结钢筋与混凝土之间粘结 2.4 2.4 钢筋锚固与接头结构钢筋锚固与接头结构 2.5 2.5 思思 考考 题题 2.6 2.6 习习 题题本章内容本章内容第4页第第2章章 混凝土结构材料的物理和力学性能混凝土结构材料的物理和力学性能1.51.52.1 混混 凝凝 土土 普通混凝土是由水泥、石子和砂3种材料用水拌和经凝固硬化后形成人造石材，是一个多相复合材料。混凝土中孔隙、界面微裂缝等缺点往往是混凝土受力破坏起源，在荷载作用下，微裂缝扩展对混凝土力学性能有着极为主要影响。因为水泥胶体硬
4、化过程需要多年才能完成，所以混凝土强度和变形也随时间逐步增加。第5页第第2章章 混凝土结构材料的物理和力学性能混凝土结构材料的物理和力学性能1.61.62.1.1 混凝土强度混凝土强度混凝土强度是其受力性能一个基本指标。荷载性质不一样及混凝土受力条件不一样，混凝土就会含有不一样强度。工程中惯用混凝土强度有工程中惯用混凝土强度有：立方体抗压强度棱柱体轴心抗压强度轴心抗拉强度等2.1 混混 凝凝 土土第6页第第2章章 混凝土结构材料的物理和力学性能混凝土结构材料的物理和力学性能1.71.71.混凝土基本强度指标混凝土基本强度指标1)立方体抗压强度立方体抗压强度 采取标准试块(规范要求边长为150m
5、m混凝土立方体)，在标准条件下(温度为 203，相对湿度在90%以上)养护28天，按要求标准试验方法(中心加载，平均速度为0.30.8MPa/s，试件上下表面不涂润滑剂)测得含有95%确保率抗压强度称为混凝土立方体抗压强度fcu,k(N/mm2)。2.1 混混 凝凝 土土第7页第第2章章 混凝土结构材料的物理和力学性能混凝土结构材料的物理和力学性能1.81.81.混凝土基本强度指标混凝土基本强度指标1)立方体抗压强度立方体抗压强度规范要求，混凝土强度等级按立方体抗压强度标准值确定，用符号规范要求，混凝土强度等级按立方体抗压强度标准值确定，用符号fcuk表示，共表示，共14个等级，即个等级，即C
6、15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75、C80。比如，比如，C40表示立方体抗压强度标准值为表示立方体抗压强度标准值为40N/mm2。其中，。其中，C50及及C50以以上为高强混凝土。上为高强混凝土。2.1 混混 凝凝 土土第8页第第2章章 混凝土结构材料的物理和力学性能混凝土结构材料的物理和力学性能1.91.9立方体抗压强度受试件尺寸、试验方法和龄期原因影响。不一样立方体抗压强度受试件尺寸、试验方法和龄期原因影响。不一样尺寸立方体试件所测得强度不一样。尺寸越大，测得强度越低。尺寸立方体试件所测得强度不一样。尺寸越大，测得强度越低。
7、边长为边长为l00mm或或200mm立方体试件测得强度要转换为边长立方体试件测得强度要转换为边长150mm试件强度时，应分别乘以尺寸效应换算系数试件强度时，应分别乘以尺寸效应换算系数0.95或或1.05。其它形状和尺寸混凝土试块强度须乘不一样换算系数。其它形状和尺寸混凝土试块强度须乘不一样换算系数。2.1 混混 凝凝 土土第9页第第2章章 混凝土结构材料的物理和力学性能混凝土结构材料的物理和力学性能1.101.102.1 混混 凝凝 土土(a)不涂油脂不涂油脂 (b)涂油脂涂油脂图图2.1 立方体抗压强度试块立方体抗压强度试块 图图2.2 混凝土立方体强度随龄期改变混凝土立方体强度随龄期改变第
8、10页第第2章章 混凝土结构材料的物理和力学性能混凝土结构材料的物理和力学性能1.111.11 混凝土立方体强度与龄期相关混凝土立方体强度与龄期相关 如图2.2所表示。图中曲线1、2分别代表在潮湿环境和干燥环境下测得数据。混凝土立方体抗压强度伴随龄期逐步增加，增加速度开始时较快，以后逐步迟缓，强度增加过程往往要延续几年，在潮湿环境中往往延续更长。2.1 混混 凝凝 土土第11页第第2章章 混凝土结构材料的物理和力学性能混凝土结构材料的物理和力学性能1.121.12 2)2)棱柱体轴心抗压强度棱柱体轴心抗压强度 采取棱柱体比立方体能更加好地反应混凝土结构实际抗压能力。规范要求以150mm150m
9、m300mm棱柱体作为标准试件，测得含有95%确保率抗压强度为混凝土轴心抗压强度标准值，用符号fck表示。试件高宽比普通取为34。2.1 混混 凝凝 土土第12页第第2章章 混凝土结构材料的物理和力学性能混凝土结构材料的物理和力学性能1.131.13如图2.4所表示是依据我国所做混凝土棱柱体与立方体抗压强度对比试验结果。从图中能够看到，试验值 与 统计平均值大致成一条直线，它们比值大致为0.70.92，强度大比值大些。2.1 混混 凝凝 土土图图2.3 混凝土棱柱体抗压试验及试件破坏情况混凝土棱柱体抗压试验及试件破坏情况图图2.4 混凝土轴心抗压强度与立方体抗压强度关系混凝土轴心抗压强度与立方
10、体抗压强度关系第13页第第2章章 混凝土结构材料的物理和力学性能混凝土结构材料的物理和力学性能1.141.14轴心抗压强度标准值与立方体抗压强度标准值关系，规范按下式确定：(2-1)式中，棱柱体强度与立方体强度之比值，对C50及C50以下混凝土取 =0.76，对C80混凝土取 =0.82，中间按线性规律取值；高强度混凝土脆性折减系数，对C40及以下取 =1.00，对C80取 =0.87，中间按线性规律取值。0.88考虑实际构件与试件混凝土强度之间差异而取用折减系数。2.1 混混 凝凝 土土第14页第第2章章 混凝土结构材料的物理和力学性能混凝土结构材料的物理和力学性能1.151.153)轴心抗
11、拉强度轴心抗拉强度抗拉强度也是混凝土基本力学指标之一，用它可确定混凝土抗裂能力，也可间接地衡量混凝土冲切强度等其它力学性能。混凝土轴心抗拉强度很低，且较离散，普通为立方体强度1/181/10。按劈裂试验间接测定混凝土轴心抗拉强度，其劈拉强度即为混凝土轴心抗拉强度ftk，可按下式计算：(2-2)(2-3)式中，Pu破坏荷载；d 立方体试件边长或圆柱体试件直径；L 圆柱体试件长度。2.1 混混 凝凝 土土第15页第第2章章 混凝土结构材料的物理和力学性能混凝土结构材料的物理和力学性能1.161.16试验表明，劈裂抗拉强度略大于直接收拉强度。轴心抗拉强度标准值试验表明，劈裂抗拉强度略大于直接收拉强度
12、。轴心抗拉强度标准值ftk与立与立方体抗压强度标准值方体抗压强度标准值fcu,k关系为关系为:(2-4)2.1 混混 凝凝 土土图图2.5 混凝土劈裂试验示意图混凝土劈裂试验示意图Ftk=0.395fcu,k0.55第16页第第2章章 混凝土结构材料的物理和力学性能混凝土结构材料的物理和力学性能1.171.172.混凝土复合受力强度混凝土复合受力强度在实际工程结构中，构件受力情况中单向受力极少，而往往受轴力、弯矩、剪力、扭矩等不一样组协力作用，处于复杂复合应力状态。1)双向受力双向受力对于双向应力状态，两个相互垂直平面上作用有法向应力时，其混凝土强度改变曲线如图2.6所表示。2.1 混混 凝凝
13、 土土图图2.6 双向受力下应力状态双向受力下应力状态第17页第第2章章 混凝土结构材料的物理和力学性能混凝土结构材料的物理和力学性能1.181.181、双向受压时、双向受压时(第第象限象限)混凝土一向强度随另一向压应力增加而增加。双向受压混凝土强度要比单向受压强度最多可提升约27%。2、双向受拉时、双向受拉时(第第象限象限)混凝土一向抗拉强度与另一向拉应力大小基本无关，即抗拉强度和单向应力时抗拉强度基本相等。3、一向受拉，一向受压时、一向受拉，一向受压时(第第、象限象限)混凝土强度均低于单向受力强度。2.1 混混 凝凝 土土第18页第第2章章 混凝土结构材料的物理和力学性能混凝土结构材料的物
14、理和力学性能1.191.192)三向受压三向受压混凝土在三向受压情况下，因为受到侧向压力约束作用，延迟和限制了沿轴线方向内部微裂缝发生和发展，因而混凝土受压后极限抗压强度和极限应变都有显著提升和发展。由试验得到经验公式为：(2-5)式中，三轴受压状态混凝土圆柱体沿纵轴抗压强度；混凝土单轴受压时抗压强度；侧向约束压应力。三轴受压时，混凝土强度及变形能力都有较大提升。在实际工程中，常利用此特征来提升混凝土构件抗压强度和变形能力。比如采取螺旋箍筋、加密箍筋等。2.1 混混 凝凝 土土第19页第第2章章 混凝土结构材料的物理和力学性能混凝土结构材料的物理和力学性能1.201.203)局部受压强度局部受
15、压强度当构件承压面积A大于荷载局部传力面积Ac时(如图2.7所表示)，承压混凝土局部受力，周围混凝土对关键混凝土受压后产生侧向变形有约束作用，所以，局部承压强度比棱柱体强度要高。局部承压强度，以fcl表示。按公式(2-6)计算：(2-6)式中，局部承压强度提升系数，大于1，其值可用 计算。2.1 混混 凝凝 土土第20页第第2章章 混凝土结构材料的物理和力学性能混凝土结构材料的物理和力学性能1.211.21图图2.7 混凝土局部承压示意图混凝土局部承压示意图 图图2.8 法向正应力和剪应力组合受力时混凝土强度曲线法向正应力和剪应力组合受力时混凝土强度曲线2.1 混混 凝凝 土土第21页第第2章
16、章 混凝土结构材料的物理和力学性能混凝土结构材料的物理和力学性能1.221.224)4)单轴正应力和剪应力共同作用时强度单轴正应力和剪应力共同作用时强度图2.8所表示为法向正应力和剪应力组合受力时混凝土强度曲线。图中面积可分为3个区域：区为拉剪状态，随 加大，抗拉强度下降；区为压剪状态，随 增大，抗剪强度增加；区为压剪状态，随 深入加大，抗剪能力反而开始下降。所以当结构中出现剪应力时，其抗压强度会有所降低，而且抗拉强度也会降低。2.1 混混 凝凝 土土第22页第第2章章 混凝土结构材料的物理和力学性能混凝土结构材料的物理和力学性能1.231.23 2.1.2 混凝土变形混凝土变形 混凝土变形普
17、通有两种。一个是受力变形，如混凝土在一次短期加载、荷载长久作用和屡次重复荷载作用下会产生变形。另一个是体积变形，如混凝土因为硬化过程中收缩以及温度和湿度改变也会产生变形。变形也是混凝土一个主要力学性能。2.1 混混 凝凝 土土第23页第第2章章 混凝土结构材料的物理和力学性能混凝土结构材料的物理和力学性能1.241.241.单轴向受压时混凝土应力单轴向受压时混凝土应力-应变关系应变关系(1)一次短期加载下混凝土变形性能一次短期加载下混凝土变形性能图图2.9所表示为棱柱体试件一次短期加荷下混凝土受压应力所表示为棱柱体试件一次短期加荷下混凝土受压应力-应变全曲线，反应了应变全曲线，反应了受荷各阶段
18、混凝土内部结构改变及破坏机理，是研究混凝土结构极限强度理论主受荷各阶段混凝土内部结构改变及破坏机理，是研究混凝土结构极限强度理论主要依据。要依据。曲线分为上升段曲线分为上升段OC和下降段和下降段CE两部分两部分。上升段又可分为上升段又可分为3段：段：OA段为第段为第阶段，阶段，=(0.30.4)fc，应力，应力-应变关系靠近应变关系靠近直线，称为弹性阶段。直线，称为弹性阶段。AB段为第段为第阶段，阶段，=(0.30.8)fc，因为水泥凝胶体塑，因为水泥凝胶体塑性变形，应力性变形，应力-应变曲线开始凸向应力轴，伴随应变曲线开始凸向应力轴，伴随 加大，微裂缝开始扩展，并出现加大，微裂缝开始扩展，并
19、出现新裂缝，新裂缝，=0.8fc可作为混凝土长久荷载作用下极限强度。可作为混凝土长久荷载作用下极限强度。BC段为第段为第阶段，阶段，fc，此时，微裂缝发展贯通，应变增加更加快，直至应力峰值点，此时，微裂缝发展贯通，应变增加更加快，直至应力峰值点C，该峰值应力，该峰值应力通常作为混凝土棱柱体抗压强度通常作为混凝土棱柱体抗压强度fc，对应应变称为峰值应变，对应应变称为峰值应变0，其值取，其值取0.00150.0025，通常取为，通常取为0.002。2.1 混混 凝凝 土土第24页第第2章章 混凝土结构材料的物理和力学性能混凝土结构材料的物理和力学性能1.251.25C点以后，进入下降段点以后，进入
20、下降段CE，裂缝继续扩展、贯通，变形快速发展，使应力裂缝继续扩展、贯通，变形快速发展，使应力-应应变曲线出现拐点变曲线出现拐点D，直至收敛点，直至收敛点E，曲线平缓下降，这时贯通主裂缝已经很宽。，曲线平缓下降，这时贯通主裂缝已经很宽。图图2.9 混凝土棱柱体受压应力混凝土棱柱体受压应力-应变曲线应变曲线2.1 混混 凝凝 土土第25页第第2章章 混凝土结构材料的物理和力学性能混凝土结构材料的物理和力学性能1.261.26混凝土受压应力混凝土受压应力-应变曲线应变曲线 当前较惯用有美国当前较惯用有美国EHognestad提议方程提议方程(如图如图2.10所表示所表示)和德国和德国Rusch提议方
21、程提议方程(如图如图2.11所表示所表示)。(1)E.Hognestad应力应力-应变曲线应变曲线(如图如图2.10所表示所表示)：该模型上升段为二次抛物线，下降段为斜直线。该模型上升段为二次抛物线，下降段为斜直线。上升段：上升段：(2-7)下降段：下降段：(2-8)式中，式中，峰值强度峰值强度 ；对应于峰值应力时应变，取对应于峰值应力时应变，取 ；极限压应变，取极限压应变，取 。2.1 混混 凝凝 土土第26页第第2章章 混凝土结构材料的物理和力学性能混凝土结构材料的物理和力学性能1.271.27(2)Rusch应力应力-应变曲线应变曲线(如图如图2.11所表示所表示)：该模型上升段为二次抛
22、物线，下降段为水平直线。该模型上升段为二次抛物线，下降段为水平直线。上升段：上升段：(2-9)下降段：下降段：(2-10)(3)GB 50010采取模型：采取模型：GB 50010采取采取Rusch应力应力-应变曲线，但取应变曲线，但取 。图图2.10 E.Hognestad应力应力-应变曲线应变曲线 图图2.11 Rusch应力应力-应变曲线应变曲线2.1 混混 凝凝 土土第27页第第2章章 混凝土结构材料的物理和力学性能混凝土结构材料的物理和力学性能1.281.282)混凝土变形模量混凝土变形模量混凝土与弹性材料不一样，受压应力混凝土与弹性材料不一样，受压应力-应变关系是一条曲线，在不一应
23、变关系是一条曲线，在不一样应力阶段，应力与应变之比变形模量不是一个常数。混凝土变形样应力阶段，应力与应变之比变形模量不是一个常数。混凝土变形模量有以下模量有以下3种表示方法。种表示方法。(1)混凝土初始弹性模量混凝土初始弹性模量(原点模量原点模量)：如图如图2.12所表示，为应力所表示，为应力-应变曲线原点处切线斜率，称为混凝土初应变曲线原点处切线斜率，称为混凝土初始弹性模量。始弹性模量。(2-11)式中式中,ao 砼应力砼应力-应变曲线原点处切线与横坐标夹角。应变曲线原点处切线与横坐标夹角。2.1 混混 凝凝 土土E0=tan a0第28页第第2章章 混凝土结构材料的物理和力学性能混凝土结构
24、材料的物理和力学性能1.291.29(2)混凝土弹性模量混凝土弹性模量因为初始弹性模量不易从试验中测定因为初始弹性模量不易从试验中测定,当前通用做法是采取棱柱体当前通用做法是采取棱柱体(150mm150mm300mm)试件，先加载至试件，先加载至 ，然后卸载至零，再重复加，然后卸载至零，再重复加载卸载。伴随加载次数增加载卸载。伴随加载次数增加(510次次)，应力，应力-应变曲线渐趋稳定并基本上趋于直应变曲线渐趋稳定并基本上趋于直线，该直线斜率即定为混凝土弹性模量。统计得混凝土弹性模量与立方体强度关线，该直线斜率即定为混凝土弹性模量。统计得混凝土弹性模量与立方体强度关系为：系为：x103 (2-
25、12)混凝土进入塑性阶段后，初始弹性模量已不能反应这时应力混凝土进入塑性阶段后，初始弹性模量已不能反应这时应力-应变性质，所以，应变性质，所以，有时用变形模量或切线模量来表示这时应力有时用变形模量或切线模量来表示这时应力-应变关系。应变关系。2.1 混混 凝凝 土土第29页第第2章章 混凝土结构材料的物理和力学性能混凝土结构材料的物理和力学性能1.301.30图图2.12 混凝土变形模量表示方法混凝土变形模量表示方法2.1 混混 凝凝 土土第30页第第2章章 混凝土结构材料的物理和力学性能混凝土结构材料的物理和力学性能1.311.31 (3)混凝土变形模量：混凝土变形模量：在图在图2.12中中
26、O点至曲线任一点应力为点至曲线任一点应力为 处割线斜率，称为任意点割线模处割线斜率，称为任意点割线模量或称变形模量。它表示式为：量或称变形模量。它表示式为：(2-13)因为总变形中包含弹性变形和塑性变形两部分。混凝土变形模量是个变因为总变形中包含弹性变形和塑性变形两部分。混凝土变形模量是个变值，它与弹性模量关系以下：值，它与弹性模量关系以下：(2-14)式中式中，弹性系数，与混凝土所受应力大小相关。弹性系数，与混凝土所受应力大小相关。2.1 混混 凝凝 土土第31页第第2章章 混凝土结构材料的物理和力学性能混凝土结构材料的物理和力学性能1.321.32 (4)混凝土切线模量：混凝土切线模量：过
27、混凝土应力过混凝土应力-应变曲线上某一点作一切线，如图应变曲线上某一点作一切线，如图2.12所表示，其切线斜率所表示，其切线斜率称为该点切线模量。称为该点切线模量。(2-15)可见，混凝土切线模量是一个变值，它伴随混凝土应力增大而减小。可见，混凝土切线模量是一个变值，它伴随混凝土应力增大而减小。2.1 混混 凝凝 土土第32页第第2章章 混凝土结构材料的物理和力学性能混凝土结构材料的物理和力学性能1.331.332.重复荷载下混凝土应力重复荷载下混凝土应力-应变关系应变关系(疲劳变形疲劳变形)图图2.13(a)所表示，是混凝土棱柱体所表示，是混凝土棱柱体(150mm150mm450mm)在屡次
28、重复荷在屡次重复荷载作用下应力载作用下应力-应变曲线。应变曲线。当混凝土棱柱体一次短期加荷，其应力抵达当混凝土棱柱体一次短期加荷，其应力抵达A点时，应力点时，应力-应变曲线为应变曲线为OA，此时卸荷至零，其卸荷应力，此时卸荷至零，其卸荷应力-应变曲线为应变曲线为AB，假如停留一段时间，再，假如停留一段时间，再量测试件变形，发觉变形恢复一部分而抵达量测试件变形，发觉变形恢复一部分而抵达B，则，则BB恢复变形称为恢复变形称为弹性弹性后效，后效，而不能恢复变形而不能恢复变形BO称为称为残余变形。残余变形。2.1 混混 凝凝 土土第33页第第2章章 混凝土结构材料的物理和力学性能混凝土结构材料的物理和
29、力学性能1.341.34图图2.13(b)所表示是混凝土棱柱体在屡次重复荷载作用下应力所表示是混凝土棱柱体在屡次重复荷载作用下应力-应变曲线。应变曲线。若若加加荷荷、卸卸荷荷循循环环往往复复进进行行，当当 小小于于疲疲劳劳强强度度 时时，在在一一定定循循环环次次数数内内，应力应力-应变曲线也靠近直线应变曲线也靠近直线EF；假假如如 大大于于 ，循循环环若若干干次次以以后后，因因为为累累积积变变形形超超出出混混凝凝土土变变形形能能力力而而破破坏坏，破破坏坏时时裂裂缝缝小小但但变变形形大大，这这种种现现象象称称为为疲疲劳劳。塑塑性性变变形形收收敛敛与与不不收收敛敛界界限限，就就是是材材料料疲疲劳劳
30、强强度度，大大致致在在(0.40.5)fc左左右右，此此值值与与荷荷载载重重复复次次数数、荷荷载载改改变变幅幅值值及及混混凝凝土土强强度度等等级级相相关关，通通常常以以使使材材料料破破坏坏所所需需荷荷载载循循环环次次数不少于数不少于200万次时疲劳应力作为疲劳强度。万次时疲劳应力作为疲劳强度。2.1 混混 凝凝 土土第34页第第2章章 混凝土结构材料的物理和力学性能混凝土结构材料的物理和力学性能1.351.35(a)(b)图图2.13 混凝土在重复荷载作用下应力混凝土在重复荷载作用下应力-应变曲线应变曲线2.1 混混 凝凝 土土第35页第第2章章 混凝土结构材料的物理和力学性能混凝土结构材料的
31、物理和力学性能1.361.36混凝土疲劳强度与重复作用时应力改变幅度相关。在相同重复次数下，混凝土疲劳强度与重复作用时应力改变幅度相关。在相同重复次数下，疲劳强度伴随疲劳应力比值增大而增大，疲劳应力比值疲劳强度伴随疲劳应力比值增大而增大，疲劳应力比值 按下式计算：按下式计算：(2-16)式中，式中，、分别表示构件截面同一纤维上混凝土最小应力及最分别表示构件截面同一纤维上混凝土最小应力及最大应力。大应力。2.1 混混 凝凝 土土第36页第第2章章 混凝土结构材料的物理和力学性能混凝土结构材料的物理和力学性能1.371.373.单轴受拉时混凝土应力单轴受拉时混凝土应力-应变关系应变关系混凝土受拉时
32、应力混凝土受拉时应力-应变曲线形状与受压时是相同，如图应变曲线形状与受压时是相同，如图2.14所表示：所表示：只不过其峰值应力和应变均比受压时小很多；只不过其峰值应力和应变均比受压时小很多；受拉应力受拉应力-应变曲线原点切线斜率与受压时是基本一致应变曲线原点切线斜率与受压时是基本一致；当拉应力当拉应力 0.5ft 时，应力时，应力-应变曲线靠近于直线，伴随应力增大，曲线逐步偏离应变曲线靠近于直线，伴随应力增大，曲线逐步偏离直线，反应了混凝土受拉时塑性变形发展。直线，反应了混凝土受拉时塑性变形发展。在构件计算中，取在构件计算中，取 =110-41.510-4。当当 =ft 时，弹性特征系数时，弹
33、性特征系数 ，对应于，对应于ft变形模量为：变形模量为：2.1 混混 凝凝 土土第37页第第2章章 混凝土结构材料的物理和力学性能混凝土结构材料的物理和力学性能1.381.38图图2.14 混凝土受拉时应力混凝土受拉时应力-应变曲线应变曲线2.1 混混 凝凝 土土第38页第第2章章 混凝土结构材料的物理和力学性能混凝土结构材料的物理和力学性能1.391.394.混凝土收缩混凝土收缩混凝土在空气中结硬时体积减小现象称为收缩；在水中结硬时体积增大现象称为混凝土在空气中结硬时体积减小现象称为收缩；在水中结硬时体积增大现象称为膨胀。膨胀。图图2.15所表示混凝土自由收缩试验结果。所表示混凝土自由收缩试
34、验结果。最终收缩应变大约为最终收缩应变大约为(25)10-4，普通取收缩应变值为，普通取收缩应变值为310-4。引发收缩主要原因：干燥失水。引发收缩主要原因：干燥失水。所以构件养护条件、使用环境温湿度都对混凝土收缩有影响。使用环境温度越高、所以构件养护条件、使用环境温湿度都对混凝土收缩有影响。使用环境温度越高、湿度越低，收缩越大，蒸汽养护收缩值要小于常温养护收缩值，这是因为在高温、湿度越低，收缩越大，蒸汽养护收缩值要小于常温养护收缩值，这是因为在高温、高湿条件下养护可加紧水化和凝结硬化作用。高湿条件下养护可加紧水化和凝结硬化作用。2.1 混混 凝凝 土土第39页第第2章章 混凝土结构材料的物理
35、和力学性能混凝土结构材料的物理和力学性能1.401.40在工程中，养护不好、混凝土构件四面受约束而阻止混凝土收缩在工程中，养护不好、混凝土构件四面受约束而阻止混凝土收缩时，混凝土表面易出现收缩裂缝。时，混凝土表面易出现收缩裂缝。试验还表明：水泥强度等级越高，收缩越大；水泥用量越多、水试验还表明：水泥强度等级越高，收缩越大；水泥用量越多、水灰比越大，收缩越大；骨料级配越好、弹性模量越大，收缩越小；灰比越大，收缩越大；骨料级配越好、弹性模量越大，收缩越小；养护时温、湿度越大，收缩越小；构件体积与表面积比值大时，养护时温、湿度越大，收缩越小；构件体积与表面积比值大时，收缩小。收缩小。图图2.15 混
36、凝土收缩混凝土收缩2.1 混混 凝凝 土土第40页第第2章章 混凝土结构材料的物理和力学性能混凝土结构材料的物理和力学性能1.411.415.混凝土徐变混凝土徐变结构在荷载或应力保持不变情况下，变形或应变随时间增加现象称为徐变。结构在荷载或应力保持不变情况下，变形或应变随时间增加现象称为徐变。徐变对于结构变形和强度、预应力砼中钢筋应力损失有主要影响。徐变对于结构变形和强度、预应力砼中钢筋应力损失有主要影响。如图如图2.16所表示，当加荷应力到达所表示，当加荷应力到达0.5fc时，其加荷瞬间产生应变为瞬时应时，其加荷瞬间产生应变为瞬时应变变，若荷载保持不变，伴随加荷时间增加，应变也将继续增加，这
37、就是混，若荷载保持不变，伴随加荷时间增加，应变也将继续增加，这就是混凝土徐变应变凝土徐变应变 ，通常，徐变开始时增加较快，以后逐步减慢，经过一，通常，徐变开始时增加较快，以后逐步减慢，经过一定时间后，徐变趋于稳定，徐变应变值约为瞬时弹性应变定时间后，徐变趋于稳定，徐变应变值约为瞬时弹性应变14倍。倍。两年后卸载，能恢复变形称为弹性后效两年后卸载，能恢复变形称为弹性后效，大部分不可恢复变形为残余应变。，大部分不可恢复变形为残余应变。2.1 混混 凝凝 土土第41页第第2章章 混凝土结构材料的物理和力学性能混凝土结构材料的物理和力学性能1.421.42图图2.16 混凝土徐变混凝土徐变2.1 混混
38、 凝凝 土土第42页第第2章章 混凝土结构材料的物理和力学性能混凝土结构材料的物理和力学性能1.431.43图图2.17 应力与徐变关系应力与徐变关系2.1 混混 凝凝 土土第43页第第2章章 混凝土结构材料的物理和力学性能混凝土结构材料的物理和力学性能1.441.44影响徐变主要原因：混凝土应力条件是影响徐变主要原因。加荷时混凝土龄期越长，徐变越小，混凝土应力条件是影响徐变主要原因。加荷时混凝土龄期越长，徐变越小，混凝土应力越大，徐变越大。混凝土应力越大，徐变越大。图图2.17所表示：当应力所表示：当应力 0.5fc时，曲线靠近等距离分布，说明徐变与初时，曲线靠近等距离分布，说明徐变与初应力
39、成正比，这种情况称为线性徐变。其加载早期徐变增加较快，应力成正比，这种情况称为线性徐变。其加载早期徐变增加较快，6个月个月时，普通已完成徐变大部分，后期徐变增加逐步减小，一年以后趋于稳定，时，普通已完成徐变大部分，后期徐变增加逐步减小，一年以后趋于稳定，普通认为普通认为3年徐变基本终止；年徐变基本终止；当当 =(0.50.8)fc时，徐变与应力不成正比，徐变变形增加较快，这种情时，徐变与应力不成正比，徐变变形增加较快，这种情况称为非线性徐变；况称为非线性徐变；当应力当应力 0.8fc时，徐变发展不再收敛，最终将造成混凝土破坏。实际工时，徐变发展不再收敛，最终将造成混凝土破坏。实际工程中，程中，
40、=0.8fc即为混凝土长久抗压强度。即为混凝土长久抗压强度。2.1 混混 凝凝 土土第44页第第2章章 混凝土结构材料的物理和力学性能混凝土结构材料的物理和力学性能1.451.45影响混凝土徐变其它原因：影响混凝土徐变其它原因：水泥用量越多和水灰比越大，徐变也越大；水泥用量越多和水灰比越大，徐变也越大；骨料越坚硬、弹性模量越高，徐变就越小；骨料越坚硬、弹性模量越高，徐变就越小；骨料相对体积越大，徐变越小；骨料相对体积越大，徐变越小；养护时温度高、湿度大、水泥水化作用充分，徐变就小。养护时温度高、湿度大、水泥水化作用充分，徐变就小。实践证实，采取蒸汽养护可使徐变减小约实践证实，采取蒸汽养护可使徐
41、变减小约20%35%；如环境温度为如环境温度为70试件受荷一年后徐变，要比温度为试件受荷一年后徐变，要比温度为20试试件大件大1倍以上，所以，高温干燥环境将使徐变显著增大。倍以上，所以，高温干燥环境将使徐变显著增大。2.1 混混 凝凝 土土第45页第第2章章 混凝土结构材料的物理和力学性能混凝土结构材料的物理和力学性能1.461.462.1.3 混凝土选取标准混凝土选取标准规范要求：规范要求：钢筋混凝土构件混凝土强度等级不应低于钢筋混凝土构件混凝土强度等级不应低于C15；当采取当采取HRB335级钢筋时，混凝土强度等级不宜低于级钢筋时，混凝土强度等级不宜低于C20；当采取当采取HRB400和和
42、RRB400级钢筋以及承受重复荷载构件，混凝土级钢筋以及承受重复荷载构件，混凝土强度等级不得低于强度等级不得低于C40；预应力混凝土构件混凝土强度等级不应低于预应力混凝土构件混凝土强度等级不应低于C30；当采取钢绞线、钢丝、热处理钢筋作预应力钢筋时，混凝土强度当采取钢绞线、钢丝、热处理钢筋作预应力钢筋时，混凝土强度等级不应低于等级不应低于C40。公路桥涵工程中，对混凝土强度等级要求比建筑结构要高。公路桥涵工程中，对混凝土强度等级要求比建筑结构要高。2.1 混混 凝凝 土土第46页第第2章章 混凝土结构材料的物理和力学性能混凝土结构材料的物理和力学性能1.471.472.2.1 钢筋品种和级别钢
43、筋品种和级别在钢筋混凝土结构中使用钢筋品种很多，主要有两大类：一类是有显著屈服点在钢筋混凝土结构中使用钢筋品种很多，主要有两大类：一类是有显著屈服点(流幅流幅)钢筋，如热轧钢筋；另一类是无显著屈服点钢筋，如热轧钢筋；另一类是无显著屈服点(流幅流幅)钢筋，如钢丝、钢铰钢筋，如钢丝、钢铰线及热处理钢筋。线及热处理钢筋。按外形分，钢筋可分为光面钢筋和变形钢筋两种。变形钢筋有热轧螺纹钢筋、按外形分，钢筋可分为光面钢筋和变形钢筋两种。变形钢筋有热轧螺纹钢筋、冷轧带肋钢筋等，如图冷轧带肋钢筋等，如图2.18所表示。所表示。2.2 钢钢 筋筋图图2.18 钢筋外形示意图钢筋外形示意图第47页第第2章章 混凝
44、土结构材料的物理和力学性能混凝土结构材料的物理和力学性能1.481.482.2.1 钢筋品种和级别钢筋品种和级别光面钢筋直径为光面钢筋直径为650mm，握裹性能稍差；变形钢筋直径普通大于，握裹性能稍差；变形钢筋直径普通大于10mm，握，握裹性能好，其直径是裹性能好，其直径是“标志尺寸标志尺寸”，即与光面钢筋含有相同重量，即与光面钢筋含有相同重量“当量直径当量直径”，其截面面积即按此当量直径确定。，其截面面积即按此当量直径确定。2.2 钢钢 筋筋图图2.18 钢筋外形示意图钢筋外形示意图第48页第第2章章 混凝土结构材料的物理和力学性能混凝土结构材料的物理和力学性能1.491.49按化学成份划分
45、：分为碳素钢和普通低合金钢两类。按化学成份划分：分为碳素钢和普通低合金钢两类。碳素钢依据含碳量多少又可分为低碳钢碳素钢依据含碳量多少又可分为低碳钢(含碳量含碳量25mm钢筋锚固长度加以修正，其原因即在于此。钢筋锚固长度加以修正，其原因即在于此。2.3 钢筋与混凝土之间粘结钢筋与混凝土之间粘结第73页第第2章章 混凝土结构材料的物理和力学性能混凝土结构材料的物理和力学性能1.741.743.混凝土保护层厚度与钢筋净距混凝土保护层厚度与钢筋净距 增大保护层厚度或钢筋之间保持一定钢筋净距，可提升外围混凝土抗劈增大保护层厚度或钢筋之间保持一定钢筋净距，可提升外围混凝土抗劈裂能力，有利于粘结强度充分发挥
46、。裂能力，有利于粘结强度充分发挥。4.横向钢筋横向钢筋 箍筋能延迟和约束纵向裂缝发展，阻止劈裂破坏，提升粘结强度。箍筋能延迟和约束纵向裂缝发展，阻止劈裂破坏，提升粘结强度。2.3 钢筋与混凝土之间粘结钢筋与混凝土之间粘结第74页第第2章章 混凝土结构材料的物理和力学性能混凝土结构材料的物理和力学性能1.751.75 5.侧向压力侧向压力 在侧向压力作用下，因为摩阻力和咬协力增加，粘结强度提升。在侧向压力作用下，因为摩阻力和咬协力增加，粘结强度提升。但过大侧压将造成混凝土裂缝提前出现，反而降低粘结强度。但过大侧压将造成混凝土裂缝提前出现，反而降低粘结强度。6.混凝土浇注情况混凝土浇注情况 若混凝
47、土浇注方向与钢筋平行，粘结强度比浇注方向与钢筋垂直情若混凝土浇注方向与钢筋平行，粘结强度比浇注方向与钢筋垂直情况有显著提升。况有显著提升。2.3 钢筋与混凝土之间粘结钢筋与混凝土之间粘结第75页第第2章章 混凝土结构材料的物理和力学性能混凝土结构材料的物理和力学性能1.761.762.4.1 钢筋锚固与搭接意义钢筋锚固与搭接意义为了确保钢筋不被从混凝土中拔出或压出，除要求钢筋与混凝土之间有一为了确保钢筋不被从混凝土中拔出或压出，除要求钢筋与混凝土之间有一定粘结强度之外，还要求钢筋有良好锚固。定粘结强度之外，还要求钢筋有良好锚固。如：钢筋在端部设置弯钩、钢筋伸入支座一定长度、钢筋搭接时有搭接长如
48、：钢筋在端部设置弯钩、钢筋伸入支座一定长度、钢筋搭接时有搭接长度等。全部这些结构要求，均是确保钢筋与混凝土之间粘结。度等。全部这些结构要求，均是确保钢筋与混凝土之间粘结。采取采取:不进行粘结计算，用结构办法来确保混凝土与钢筋粘结。不进行粘结计算，用结构办法来确保混凝土与钢筋粘结。2.4 钢筋锚固与接头结构钢筋锚固与接头结构第76页第第2章章 混凝土结构材料的物理和力学性能混凝土结构材料的物理和力学性能1.771.77通常采取结构办法有：通常采取结构办法有：对不一样等级混凝土和钢筋，要求了要确保最小搭接长度与锚固长度和考对不一样等级混凝土和钢筋，要求了要确保最小搭接长度与锚固长度和考 虑各级抗震
49、设防时最小搭接长度与锚固长度。虑各级抗震设防时最小搭接长度与锚固长度。为了确保混凝土与钢筋之间有足够粘结强度，必须满足混凝土保护层最小为了确保混凝土与钢筋之间有足够粘结强度，必须满足混凝土保护层最小厚度和钢筋最小净距要求。厚度和钢筋最小净距要求。在钢筋接头范围内应加密箍筋。在钢筋接头范围内应加密箍筋。受力光面钢筋端部应做弯钩。受力光面钢筋端部应做弯钩。2.4 钢筋锚固与接头结构钢筋锚固与接头结构第77页第第2章章 混凝土结构材料的物理和力学性能混凝土结构材料的物理和力学性能1.781.782.4.2 钢筋锚固长度钢筋锚固长度在钢筋与混凝土接触界面之间实现应力传递，建立结构承载所必须工作在钢筋与
50、混凝土接触界面之间实现应力传递，建立结构承载所必须工作应力长度为钢筋锚固长度。钢筋基本锚固长度取决于钢筋强度及混凝土应力长度为钢筋锚固长度。钢筋基本锚固长度取决于钢筋强度及混凝土抗拉强度，并与钢筋直径及外形相关。抗拉强度，并与钢筋直径及外形相关。为了充分利用钢筋抗拉强度，规范要求纵向受拉钢筋锚固长度作为为了充分利用钢筋抗拉强度，规范要求纵向受拉钢筋锚固长度作为钢筋基本锚固长度，可按式钢筋基本锚固长度，可按式(2-20)计算。计算。2.4 钢筋锚固与接头结构钢筋锚固与接头结构第78页第第2章章 混凝土结构材料的物理和力学性能混凝土结构材料的物理和力学性能1.791.79普通钢筋：普通钢筋：(2-