子項目1~2混凝土結構材料的物理力學性能

1、鋼筋及混凝土的物理力學性能鋼筋及混凝土的物理力學性能道路橋梁工程技術專業(yè)道路橋梁工程技術專業(yè)能力目標能力目標鋼筋混凝土材料能夠掌握鋼筋力學性能目標能夠掌握混凝土力學性能目標2了解混凝土結構的發(fā)展目標3 混凝土是由是由等其它材料，按等其它材料，按的具有一定強的具有一定強度的人工石材。因此，也被工程人員稱為度的人工石材。因此，也被工程人員稱為“砼”。膠凝材料包括水泥、石灰、水、粉煤灰和礦粉等。膠凝材料包括水泥、石灰、水、粉煤灰和礦粉等。 混凝土結構混凝土結構素混凝土結構素混凝土結構Plain concrete structure Reinforced concrete structurePrest

2、ressed concrete structure混凝土分類混凝土分類返回鋼筋混凝土結構： 由配置由配置受力的普通鋼筋受力的普通鋼筋、或或的混凝土制成的結構。的混凝土制成的結構。預應力混凝土結構： 由配置受力的由配置受力的通過通過張拉張拉或其他方法建立或其他方法建立預應力預應力的混凝的混凝土制成的結構。土制成的結構。素混凝土結構： 由由或或的混凝的混凝土制成的結構。土制成的結構。返回現(xiàn)將素混凝土梁和配置鋼筋的梁進行分析：a) 素砼梁 由由砼抗拉強度控制控制； 破壞形態(tài)：破壞形態(tài)：b) 鋼筋砼梁鋼筋砼梁 由由鋼筋受拉、砼受壓而破壞； 破壞形態(tài)：破壞形態(tài)：由此得出鋼筋和混凝土結合的有效性： 大大提

3、高結構的承載力 結構的受力性能得到改善混凝土結構特點混凝土結構特點優(yōu)點：優(yōu)點：（1）就地取材。（2）合理用材、降低造價。（3）耐久性好。（4）耐火性好。（5）可模性好。（6）整體性好。缺點：缺點：（1）自重大。 （2）抗裂性差。 （3）施工周期長、施工工序復雜、費工、費模板、施工受季節(jié)氣候影響、結構的隔熱隔聲性能較差以及修復加固困難等缺點 鋼筋混凝土結構鋼筋混凝土結構不是鋼筋和混凝土之間的鋼筋和混凝土之間的任意組合。其組合的原則：發(fā)揮鋼筋抗拉、抗壓強度高的特點；發(fā)揮混凝土抗壓強度高，而避免抗拉強度低的弱點。鋼筋與混凝土合理的組合原則鋼筋與混凝土合理的組合原則返回1. 1. 混凝土澆注后，隨著凝

4、結，能與鋼筋牢固地混凝土澆注后，隨著凝結，能與鋼筋牢固地粘結在一起，傳遞應力。2. 2. 二者具有二者具有相近的線膨脹系數(shù)，不會由于溫度變化，不會由于溫度變化產生較大的溫度應力和相對變形而破壞粘結力。產生較大的溫度應力和相對變形而破壞粘結力。鋼筋 st = 1.2 105混凝土 ct = 1.0 1.5 1053. 3. 呈呈堿性的的混凝土可以可以保護鋼筋，使鋼筋混凝土結鋼筋，使鋼筋混凝土結構具有較好的構具有較好的耐久性。返回鋼筋與混凝土能長期工作的條件鋼筋與混凝土能長期工作的條件梁（受彎、受剪、受扭） beam直桿柱（軸心受壓、偏心受壓） column桿件拱（受壓、受彎） arch曲桿曲梁（

5、受彎、受剪、受扭） curved beam基本構件板（受彎構件） plate平板墻（受壓、受彎） wall板曲板 拱、薄殼 dome工程結構基本構件工程結構基本構件返回 Fe C Si、Mn S、P 合金元素鋼鋼 筋筋1）鋼鋼 筋筋 的的 成成 分分 2 2）鋼筋的品種）鋼筋的品種 碳素鋼碳素鋼 (C%)(C%) 普通低合金鋼普通低合金鋼0.25% -0.6%(0.61.4% ) -0.6%(0.61.4% ) -高碳鋼高碳鋼軟鋼 有明顯屈服臺階 變形性能好 eg：熱軋鋼筋 硬鋼 無明顯屈服臺階 eg：高強鋼絲、 鋼絞線、 熱處理鋼筋、 冷加工鋼筋 光面鋼筋光面鋼筋 egeg：HPB300HP

6、B300級級變形鋼筋（螺紋變形鋼筋（螺紋 人字形人字形 月牙紋）；月牙紋）； 鋼絞線（7股）預應力螺紋鋼筋（精軋螺紋鋼筋）光面鋼筋螺旋肋鋼絲月牙紋鋼筋 1 熱軋鋼筋-低碳鋼、普通低合金鋼或 細晶粒鋼在高溫狀態(tài)下軋制而成 HPB300級（ ）、 HRB335級（ ）、HRBF335級（ ）、 HRB400級（ ）、 HRBF400級（ ）、RRB400級（ ） HRB500級（ ）和HRBF500級（ ）2 中強度預應力鋼絲：抗拉強度為8001270MPa，外 形有光面（ ）和螺旋肋（ ）兩種 3 消除應力鋼絲：抗拉強度為14701860MPa，外形也有光面（ ）和螺旋肋（ ）兩種 4 鋼絞線（

7、 ）：是由多根高強鋼絲扭結而成，常用的有17（7股）和13（3股）等，抗拉強度為15701960MPa5 預應力螺紋鋼筋（ ）：16鋼筋的應力鋼筋的應力- -應變關系應變關系 熱軋低碳鋼、普通熱軋低合金鋼熱軋低碳鋼、普通熱軋低合金鋼s se ea 為比例極限為比例極限proportional limit s =Eseaa 為彈性極限為彈性極限elastic limitad-e 強化段強化段strain hardening stagebb 為屈服上限為屈服上限upper yield strengthc 為屈服下限，即屈服強度為屈服下限，即屈服強度 fy lower yield strengthc

8、dc-d 為屈服臺階為屈服臺階yield plateauefue 為極限抗拉強度為極限抗拉強度 fu ultimate tensile strengthfyf17極限強度：材料能承受的最大應力反映安全儲極限強度：材料能承受的最大應力反映安全儲備備屈強比：屈服強度屈強比：屈服強度/ /極限強度極限強度= =0.60.7 鋼材的強度指標鋼材的強度指標屈服強度：設計時鋼材屈服強度：設計時鋼材允許達到允許達到的最大應力的最大應力 有明顯流幅的鋼材：取屈服點的應力；：取屈服點的應力； 無有明顯流幅的鋼材：取條件屈服強度：取條件屈服強度（殘余應變?yōu)椋堄鄳優(yōu)?.2%對應的應力）對應的應力）0.2%ses

9、0.218混凝土結構對鋼筋性能的要求混凝土結構對鋼筋性能的要求強度要求：屈服強度和極限強度，抗震設計時還要求有一定的屈強比；足夠的塑性：避免發(fā)生脆性破壞；可焊性：要求鋼筋具備良好的焊接性能；耐久性和耐火性：必要的混凝土保護層厚度以滿足對構件耐火極限的要求； 與混凝土具有良好的粘結；寒冷地區(qū)，防止鋼筋低溫冷脆導致破壞。混凝土混凝土 (concrete)(concrete)Key wordsKey words：混凝土的強度：混凝土的強度(Strength of Concrete)(Strength of Concrete)、混凝土的、混凝土的變形變形(Deformation of Concrete

10、)(Deformation of Concrete) 混凝土是一種不均勻、不密實的混合體，且其內部結混凝土是一種不均勻、不密實的混合體，且其內部結構復雜?；炷恋膹姸纫簿褪艿皆S多因素的影響，諸如水構復雜?；炷恋膹姸纫簿褪艿皆S多因素的影響，諸如水泥的品質和用量、骨料的性質、混凝土的配合比、水灰比、泥的品質和用量、骨料的性質、混凝土的配合比、水灰比、制作的方法、養(yǎng)護環(huán)境的溫濕度、齡期、試件的形狀和尺制作的方法、養(yǎng)護環(huán)境的溫濕度、齡期、試件的形狀和尺寸、試驗的方法等等，因此，在建立混凝土的強度時需要寸、試驗的方法等等，因此，在建立混凝土的強度時需要規(guī)定一個規(guī)定一個統(tǒng)一的標準作為依據(jù)統(tǒng)一的標準作為依

11、據(jù) 。 根據(jù)實際工程中，混凝土構件的受力形式，給出混凝根據(jù)實際工程中，混凝土構件的受力形式，給出混凝土的抗壓、抗拉和復合應力下混凝土的強度。土的抗壓、抗拉和復合應力下混凝土的強度?；炷亮⒎襟w抗壓強度混凝土立方體抗壓強度 混凝土的混凝土的立方體抗壓強度是是按規(guī)定的標準試件按規(guī)定的標準試件和和標準試標準試驗方法驗方法得到的混凝土強度基本代表值。得到的混凝土強度基本代表值。 國標國標普通混凝土力學性能試驗方法普通混凝土力學性能試驗方法(GB/T 50081-2002)(GB/T 50081-2002)規(guī)規(guī)定以邊長為定以邊長為的立方體為標準試件，在溫度為的立方體為標準試件，在溫度為，的標準養(yǎng)護室中養(yǎng)

12、護的標準養(yǎng)護室中養(yǎng)護28d28d，按照標準試驗，按照標準試驗方法測得的抗壓強度作為混凝土的立方體抗壓強度，單位方法測得的抗壓強度作為混凝土的立方體抗壓強度，單位為為 。 混凝土立方體抗壓強度與試驗方法密切相關混凝土立方體抗壓強度與試驗方法密切相關混凝土立方體抗壓強度與試件尺寸有關混凝土立方體抗壓強度與試件尺寸有關2/mmN混凝土的強度混凝土的強度 混凝土強度等級混凝土強度等級 ：分別為C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75和C80。 符號“C”代表混凝土代表混凝土，后面的后面的數(shù)字表示混凝土數(shù)字表示混凝土的立方體抗壓強度的標準值的

13、立方體抗壓強度的標準值（以N/mm2計），例如例如C60C60表示混凝土立方體抗壓強度標準值為表示混凝土立方體抗壓強度標準值為60N/mm60N/mm2 2。涂潤滑油無潤滑油混凝土棱柱體抗壓試驗和試件破壞情況混凝土棱柱體抗壓試驗和試件破壞情況 混凝土軸心抗壓強度與立方體抗壓強度的關系混凝土軸心抗壓強度與立方體抗壓強度的關系 混凝土軸心抗拉強度混凝土軸心抗拉強度u直接受拉試驗直接受拉試驗 u劈裂試驗劈裂試驗 由于軸心受拉試驗對中困難，常由于軸心受拉試驗對中困難，常常采用立方體或圓柱體劈拉試驗測定常采用立方體或圓柱體劈拉試驗測定混凝土的抗拉強度混凝土的抗拉強度22tF強度種類強度種類符號符號混混

14、凝凝 土土 強強 度度 等等 級級C15C20C25C30C35軸心抗壓強度軸心抗壓強度fck10.013.416.720.123.4軸心抗拉強度軸心抗拉強度ftk1.271.541.782.012.20混混 凝凝 土土 強強 度度 等等 級級C40C45C50C55C60C65C70C75C8026.829.632.435.538.541.544.547.450.22.392.512.642.742.852.932.993.053.11混凝土強度標準值（混凝土強度標準值（N/mm2）雙向受拉，接近單軸抗拉強度；雙向受拉，接近單軸抗拉強度； 一拉一壓，加速了混凝土內部一拉一壓，加速了混凝土內部

15、 微裂縫的發(fā)展微裂縫的發(fā)展 ，抗拉、抗壓強，抗拉、抗壓強 度均降低。度均降低。 雙向受壓，混凝土的側向變形雙向受壓，混凝土的側向變形 受到約束，強度提高受到約束，強度提高 ； 實際結構中，混凝土很少處于單向受力狀態(tài)。更多的是處實際結構中，混凝土很少處于單向受力狀態(tài)。更多的是處于雙向或三向受力狀態(tài)。如剪力和扭矩作用下的構件、彎剪扭于雙向或三向受力狀態(tài)。如剪力和扭矩作用下的構件、彎剪扭和壓彎剪扭構件等。和壓彎剪扭構件等。復雜受力狀態(tài)下混凝土的強度復雜受力狀態(tài)下混凝土的強度混凝土的疲勞強度混凝土的疲勞強度破壞破壞重復荷載下的應力重復荷載下的應力- -應變曲線應變曲線fcfs s3s s2s s1e

16、e疲勞強疲勞強度度fcfcf的確定原則：的確定原則：100100 300或或150150 450 的棱的棱柱體試塊承受柱體試塊承受200萬萬次（或以上）循環(huán)次（或以上）循環(huán)荷載時發(fā)生破壞的荷載時發(fā)生破壞的最大壓應力值最大壓應力值 混凝土的疲勞強度與混凝土的疲勞強度與疲勞應力比疲勞應力比pcf有關，疲勞應力比有關，疲勞應力比pcf越大，疲勞強度越高。越大，疲勞強度越高?；炷恋淖冃位炷恋淖冃位炷恋淖冃慰煞譃閮深悾夯炷恋淖冃慰煞譃閮深悾?（1）荷載作用下的）荷載作用下的受力變形受力變形，如單調短期加載的變形、，如單調短期加載的變形、荷載長期作用下的變形以及多次重復加載的變形。荷載長期作用下的

17、變形以及多次重復加載的變形。 （2）與受力無關，稱為）與受力無關，稱為體積變形體積變形，如混凝土收縮以及溫，如混凝土收縮以及溫度變化引起的變形。度變化引起的變形。s(MPa)fc0e0e(10-3)abcd225201510546810混凝土強度提高混凝土強度提高加載速度減慢加載速度減慢作用是作用是: :峰值應峰值應力后力后, ,吸收試驗吸收試驗機的變形能機的變形能, ,測測出下降段出下降段1 1、單軸受壓時的應力、單軸受壓時的應力- -應變關系應變關系0(MPa) BAD0 cu fc s COA段彈性變形，段彈性變形，A點混凝點混凝土的彈性極限土的彈性極限AB段應變增長較應力快，段應變增長

18、較應力快，內部微裂縫有所發(fā)展但穩(wěn)定，內部微裂縫有所發(fā)展但穩(wěn)定，B點臨界應力點點臨界應力點BC段應變增長速度進一段應變增長速度進一步加快，內部微裂縫不穩(wěn)定，步加快，內部微裂縫不穩(wěn)定，C點軸心抗壓強度點軸心抗壓強度CD段位應力段位應力-應變下降段。應變下降段。C點后承載能力隨應變增長點后承載能力隨應變增長逐漸減小逐漸減小(應變軟化應變軟化)?；炷恋淖冃位炷恋淖冃伍L期荷載作用下混凝土的變形性能長期荷載作用下混凝土的變形性能-徐變徐變sc0.5fc，徐變變形與應，徐變變形與應力成正比力成正比線性徐變線性徐變 0.5fcsc0.8fc，造成混凝土，造成混凝土破壞，不穩(wěn)定破壞，不穩(wěn)定 sc=0.8fc

19、作為混凝土作為混凝土長期抗壓強度長期抗壓強度影響混凝土徐變的因素主要有以下幾方面：影響混凝土徐變的因素主要有以下幾方面：u內在因素：骨料越堅硬，徐變越?。凰冶仍酱?，水泥用內在因素：骨料越堅硬，徐變越??；水灰比越大，水泥用量越多，徐變越大。量越多，徐變越大。u環(huán)境因素：受荷前養(yǎng)護的溫度越高，濕度越大，水泥水化環(huán)境因素：受荷前養(yǎng)護的溫度越高，濕度越大，水泥水化作用就越充分，徐變就越小；加荷期間溫度越高，濕度越作用就越充分，徐變就越小；加荷期間溫度越高，濕度越低，徐變就越大。低，徐變就越大。u應力條件：初始加荷應力越大，徐變越大；加載時混凝土應力條件：初始加荷應力越大，徐變越大；加載時混凝土的齡期

20、越短，徐變越大。在實際工程中，應加強養(yǎng)護使混的齡期越短，徐變越大。在實際工程中，應加強養(yǎng)護使混凝土盡早結硬可減小徐變。凝土盡早結硬可減小徐變。u徐變會使結構（構件）的（撓度）變形增大，引起預應力徐變會使結構（構件）的（撓度）變形增大，引起預應力損失，在長期高應力作用下，甚至會導致破壞。損失，在長期高應力作用下，甚至會導致破壞。u徐變有利于結構構件產生內（應）力重分布，降低結構的徐變有利于結構構件產生內（應）力重分布，降低結構的受力（如支座不均勻沉降），減小大體積混凝土內的溫度受力（如支座不均勻沉降），減小大體積混凝土內的溫度應力，受拉徐變可延緩收縮裂縫的出現(xiàn)。應力，受拉徐變可延緩收縮裂縫的出現(xiàn)

21、?；炷列熳儗Y構的影響：混凝土徐變對結構的影響：33破破壞壞重復荷載下的應力重復荷載下的應力- -應變曲線應變曲線fcfs s3s s2s s1e e 當重復作用應力值當重復作用應力值小于小于混混凝土疲勞強度，其加荷、卸荷凝土疲勞強度，其加荷、卸荷的應力的應力應變曲線形成了一個應變曲線形成了一個環(huán)狀。在多次加荷、卸荷作用環(huán)狀。在多次加荷、卸荷作用下，應力下，應力應變環(huán)越來越閉合，應變環(huán)越來越閉合，最后閉合成最后閉合成一條直線一條直線。 當重復作用應力值當重復作用應力值大于大于混混凝土疲勞強度，則其加卸載不凝土疲勞強度，則其加卸載不能再形成閉合環(huán)。至荷載重復能再形成閉合環(huán)。至荷載重復到某一定次

22、數(shù)時，構件會因到某一定次數(shù)時，構件會因嚴嚴重開裂或變形過大而破壞重開裂或變形過大而破壞。重復荷載作用下混凝土的變形重復荷載作用下混凝土的變形混凝土的收縮和膨脹混凝土的收縮和膨脹 混凝土在空氣中硬化時體積會縮小，這種現(xiàn)象稱為混凝混凝土在空氣中硬化時體積會縮小，這種現(xiàn)象稱為混凝土的收縮；而在水中硬化時體積則會膨脹。土的收縮；而在水中硬化時體積則會膨脹。 引起混凝土收縮的原因，在硬化初期主要是水泥石在水引起混凝土收縮的原因，在硬化初期主要是水泥石在水化凝固結硬過程中產生的體積變化，后期主要是混凝土內自化凝固結硬過程中產生的體積變化，后期主要是混凝土內自由水分蒸發(fā)而引起的干縮。由水分蒸發(fā)而引起的干縮。

23、 收縮和膨脹是混凝土在不受外力情況下體積變化產生的收縮和膨脹是混凝土在不受外力情況下體積變化產生的變形。變形?；炷恋氖湛s和膨脹混凝土的收縮和膨脹收縮的性質收縮的性質自由收縮自由收縮約束收縮約束收縮來自內部的鋼筋約束來自內部的鋼筋約束來自支座的外部約束來自支座的外部約束自由收縮自由收縮一般不會引起拉應力，故不會開裂一般不會引起拉應力，故不會開裂約束收縮約束收縮產生收縮應力甚至開裂產生收縮應力甚至開裂 影響混凝土收縮的因素主要有以下幾方面：影響混凝土收縮的因素主要有以下幾方面： 混凝土的收縮受結構周圍的溫度、濕度、構件斷面形狀混凝土的收縮受結構周圍的溫度、濕度、構件斷面形狀及尺寸、配合比、骨料性

24、質、水泥性質、混凝土澆筑質量及及尺寸、配合比、骨料性質、水泥性質、混凝土澆筑質量及養(yǎng)護條件等許多因素有關。養(yǎng)護條件等許多因素有關。u水泥用量多、水灰比越大，收縮越大；水泥用量多、水灰比越大，收縮越大；u骨料彈性模量高、級配好，收縮就小；骨料彈性模量高、級配好，收縮就?。籾干燥失水及高溫環(huán)境，收縮大；干燥失水及高溫環(huán)境，收縮大；u小尺寸構件收縮大，大尺寸構件收縮??；小尺寸構件收縮大，大尺寸構件收縮?。籾高強混凝土收縮大；高強混凝土收縮大；37 混凝土收縮對結構的影響：混凝土收縮對結構的影響：u會使混凝土中產生拉應力，甚至引起混凝土的開裂。會使混凝土中產生拉應力，甚至引起混凝土的開裂。u會使預應力

25、混凝土構件產生預應力損失。會使預應力混凝土構件產生預應力損失。u對跨度比較敏感的超靜定結構對跨度比較敏感的超靜定結構( (如拱結構如拱結構) )會引起不利的內力會引起不利的內力.AsscAs ss收縮：收縮： 鋼筋受壓，鋼筋受壓， 混凝土受拉混凝土受拉As混凝土與鋼筋的粘結混凝土與鋼筋的粘結 鋼筋和混凝土這兩種材料能夠結合在一起共同工作，鋼筋和混凝土這兩種材料能夠結合在一起共同工作，粘結和和錨固是鋼筋和混凝土形成整體、共同工作的基礎。是鋼筋和混凝土形成整體、共同工作的基礎。 。粘結強度：粘結失效時的最大（平均）粘結應力。粘結強度：粘結失效時的最大（平均）粘結應力。粘結強度的測試粘結強度的測試 鋼筋與混凝土的粘結作用由三部分組成：鋼筋與混凝土的粘結作用由三部分組成： 混凝土中水泥膠體與鋼筋表面的混凝土中水泥膠體與鋼筋表面的膠結力； 混凝土因收縮將鋼筋握緊而產生的混凝土因收縮將鋼筋握緊而產生的摩擦力； 機械咬合力。 當鋼筋與混凝土產生相對滑動后，膠結作用即喪失。當鋼筋與混凝土產生相對滑動后，膠結作用即喪失。摩擦力的大小取決于的大小取決于握裹力和鋼筋與混凝土表面的和鋼筋與混凝土表面的摩擦系