基本力學(xué)性能

高等鋼筋混凝土

結(jié)構(gòu)理論

主講：陶燕0、緒論0.1鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展和特點廣泛應(yīng)用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的工程領(lǐng)域：建筑工程橋梁和交通工程水利和海港工程地下工程特種結(jié)構(gòu)建筑工程哈利法塔高度達828米，樓層為162層，美國芝加哥公司設(shè)計，韓國三星公司負責(zé)實施

HSB旋轉(zhuǎn)中心位于瑞典馬爾默，2005年建成。54層，高190m，是歐洲第二高的住宅大廈。上海環(huán)球金融中心，492m，101層上海金茂大廈，421m，88層臺北101大樓，高508m橋梁和交通工程高速公路互通北京五環(huán)日本明石海峽大橋世界上主跨最長的懸索橋大橋全長3910m，主跨1991m，塔高280m南京長江二橋建成于2001年，世界上排名第三的斜拉橋，主跨628m1964年，日本建成了世界第一條高速鐵路——新干線，時速210m。1994年，我國第一條時速160m的準高速鐵路——廣深高速鐵路建成通車。2008年我國第一條高速鐵路京津城際高速鐵路開通，時速350m。水利和海港工程地下工程特種結(jié)構(gòu)工程鋼筋混凝土工程需要解決的問題形成人類活動需要的、功能良好和舒適美觀的空間和通道能夠抵御自然災(zāi)害或人為作用力。前者如地震、風(fēng)災(zāi)、水災(zāi)；后者如工程振動、人為破壞等；四川大地震映秀鎮(zhèn)房屋倒塌橋梁斷裂充分發(fā)揮材料作用。鋼筋混凝土工程需要解決的問題通過有效的技術(shù)途徑和組織手段，利用各個時期社會能提供的物質(zhì)條件和設(shè)備條件，把社會所需要的工程建設(shè)成功。0.2本課程特點0.2.1本科課程與本課程的區(qū)別本科學(xué)習(xí)：鋼筋和混凝土的材性→各基本構(gòu)件的性能、計算方法→設(shè)計和構(gòu)造要求課程基本遵循結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范的體系和方法目標是使學(xué)生能進行和完成常規(guī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計研究生階段：研究和分析鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的性能及其一般規(guī)律，強調(diào)以試驗結(jié)果為依據(jù)，著重介紹其受力變形和破壞的全過程、各種因素的影響、機理分析、重要技術(shù)指標的確定、計算原則和方法等。目標是初步具備解決工程中出現(xiàn)的各種問題的能力。0.2.2本課程采用的分析方法1、一般情況，采用線彈性理論來分析鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)力或內(nèi)力，而以極限狀態(tài)的設(shè)計方法確定構(gòu)件的承載能力。這種鋼筋混凝土構(gòu)件的設(shè)計方法往往是基于大量實驗數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上的經(jīng)驗公式，雖然這些經(jīng)驗公式能夠反映鋼筋混凝土構(gòu)件的非彈性性能，對常規(guī)設(shè)計來說也是行之有效且簡便易行的，但是在使用上有局限性，也缺乏系統(tǒng)的理論性。2、鋼筋混凝土有限元分析方法采用鋼筋混凝土有限元分析方法能夠給出結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形發(fā)展的全過程；能夠描述裂縫的形成和開展，以及結(jié)構(gòu)的破壞過程及其形態(tài)；能夠?qū)Y(jié)構(gòu)的極限承載能力和可靠度作出評估；能夠揭示出結(jié)構(gòu)的薄弱部位和環(huán)節(jié)，以利于優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計。同時，它能廣泛地適用于各種結(jié)構(gòu)類型和不同受力條件和環(huán)境。由于鋼筋混凝土非線性分析對計算機性能的要求比線性分析要高，計算模型也遠比線性模型復(fù)雜，計算時間長，費用高。此外對操作人員的力學(xué)知識、計算機知識和結(jié)構(gòu)知識的要求也更多。因此，雖然現(xiàn)在個人計算機和商用有限元軟件已經(jīng)得到了很大發(fā)展，但是相對于量大面廣的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，進行非線性分析的還是少數(shù)。目前非線性有限元分析常用于下列幾種情況：①用于重大結(jié)構(gòu)，例如核反應(yīng)堆的安全殼、海上采油平臺、大型地下洞室、超高結(jié)構(gòu)、超大跨結(jié)構(gòu)等。②用于結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的全過程分析，例如混凝土壩，施工工序多，工期長．交付使用后還有徐變，對這一全過程中各個階段的受力性能，應(yīng)力和位移分布，徐變后的內(nèi)力重分布等，必須采用非線性有限元的方法才能得出合理的結(jié)論，以供設(shè)計和施工參考。有些構(gòu)件，例如深梁、梁柱節(jié)點和已有主導(dǎo)裂縫的構(gòu)件等，人們需要對其受力全過程作深入了解，這時也往往借助于非線性有限元方法進行分析。③輔助實驗分析，為了研究各種參數(shù)，例如混凝土標號、鋼筋強度和配筋形式等對結(jié)構(gòu)構(gòu)件的影響，往往要做很多組實驗，工作量大，周期長，勞動強度大。用非線性有限元法輔助實驗，則可進行少量基本實驗，確定參數(shù)，校核算法模型，然后進行內(nèi)插或外推，得到參數(shù)變化的影響。這對減輕勞動，減少實驗數(shù)量，提高效率是很有意義的。④在災(zāi)害荷載作用下的結(jié)構(gòu)破壞分析，災(zāi)害作用往往會對結(jié)構(gòu)造成嚴重破壞。例如，燃氣爆炸下的房屋、設(shè)備破壞，常規(guī)武器作用下防護工程或房屋的破壞，飛機撞擊造成建筑物倒塌等。這些破壞很難或不可能做原型實驗。在這種情況下，有限元非線性仿真分析是進行研究的重要手段。0.2.3本學(xué)科研究問題的規(guī)律結(jié)構(gòu)工程科學(xué)研究的一般規(guī)律：從工程實踐中提出要求和問題，精心調(diào)查和統(tǒng)計、實驗研究、理論分析、計算對比、找出解決問題的方法；研究一般的變化規(guī)律，揭示作用機理，建立物理模型和數(shù)學(xué)表達，確定計算方法和構(gòu)造措施，回到工程實踐中驗證，改進和補充。混凝土結(jié)構(gòu)作為結(jié)構(gòu)工程的一個分支，亦服從上述規(guī)律。0.2.4參考教材[1]《鋼筋混凝土原理和分析》過鎮(zhèn)海時旭東主編清華大學(xué)出版社2003[2]《混凝土結(jié)構(gòu)基本原理》

梁興文史慶軒主編中國建筑工業(yè)出版社2011[3]《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范理解與應(yīng)用》

李國勝編著中國建筑工業(yè)出版社2012[4]《鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)理論》王傳志、藤智明主編中國建筑工業(yè)出版社1985[5]《鋼筋混凝土非線性分析》朱伯龍、董振祥同濟大學(xué)出版社1985[6]《多種混凝土材料的本構(gòu)關(guān)系和破壞準則》宋玉普中國水利水電出版社2002第一篇混凝土的力學(xué)性能混凝土：由水泥、骨料和水拌合形成的人工合成材料。作用：作為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的主體，一是自身承擔較的大的荷載；二是容納和維護各種構(gòu)造的鋼筋，組成合理的組合性結(jié)構(gòu)材料。特點：非彈性、非線性、非勻質(zhì)材料，較大離散性。本篇介紹：一般特性和破壞機理、基本應(yīng)力狀態(tài)下的強度和變形，主要因素影響下的性能變化，多軸應(yīng)力狀態(tài)下的強度和本構(gòu)關(guān)系。混凝土是由水泥、水、骨料按一定比例配合，經(jīng)過硬化后形成的人工石。其為一多相復(fù)合材料，其質(zhì)量的好壞與材料、施工配合比、施工工藝、齡期、環(huán)境等諸多因素有關(guān)。通常將其組成結(jié)構(gòu)分為：宏觀結(jié)構(gòu)：兩組分體系，砂漿和粗骨料。亞微觀結(jié)構(gòu)：水泥砂漿結(jié)構(gòu)。微觀結(jié)構(gòu)：

水泥石結(jié)構(gòu)。第1章基本力學(xué)性能1.1混凝土的組成結(jié)構(gòu)和材性特點

1.1.1材料的組成和內(nèi)部構(gòu)造宏觀結(jié)構(gòu)亞微觀結(jié)構(gòu)微觀結(jié)構(gòu)粗骨料（分散相）水泥石（基相）細骨料（分散相）砂漿（基相）晶體骨架晶體帶核凝膠體干縮孔隙凝縮氫氧化鈣凝膠體混凝土組成結(jié)構(gòu)硅酸鈣礦物顆粒的電鏡照片硅酸鈣礦物水化后的電鏡照片硅酸鈣的水化產(chǎn)物——C-S-H與Ca(OH)新拌1小時后數(shù)小時后幾天后幾周后拌合水未水化的核水化物CSHCa(OH)2晶體晶體骨架：由未水化顆粒組成，承受外力，具有彈性變形特點。塑性變形：在外力作用下由凝膠、孔隙、微裂縫產(chǎn)生。破壞起源：孔隙、微裂縫等原因造成。PH值：由于水泥石中的氫氧化鈣存在，混凝土偏堿性。由于水泥凝膠體的硬化過程需要若干年才能完成，所以，混凝土的強度、變形也會在較長時間內(nèi)發(fā)生變化，強度逐漸增長，變形逐漸加大。由前可見，混凝土材料存在非均勻微構(gòu)造、局部缺陷和離散性較大，因而極難獲得精確的計算結(jié)果。故在研究和工程中主要討論混凝土結(jié)構(gòu)的宏觀力學(xué)反應(yīng)，即混凝土結(jié)構(gòu)在一定尺度范圍內(nèi)的平均值。宏觀結(jié)構(gòu)中混凝土的兩個基本構(gòu)成部分，即粗骨料和水泥砂漿的隨機分布，以及兩者的物理和力學(xué)性能的差異是其非勻質(zhì)、不等向性質(zhì)的根本原因。粗骨料和水泥漿體的物理力學(xué)性能指標的典型值施工和環(huán)境因素引起混凝土的非勻質(zhì)性和不等向性：

當混凝土承受不同方向（即平行、垂直或傾斜于混凝土的澆注方向）的應(yīng)力時，其強度和變形值有所不同。澆注方向NN澆注方向NN≤1.1.2材性的基本特點

混凝土的材料組成和構(gòu)造決定其4個基本受力特點:1.復(fù)雜的微觀內(nèi)應(yīng)力、變形和裂縫狀態(tài)2.變形的多元組成3.應(yīng)力狀態(tài)和作用途徑對力學(xué)性能的巨大影響4.時間和環(huán)境條件的巨大影響

1．復(fù)雜的微觀內(nèi)應(yīng)力、變形和裂縫狀態(tài)將一塊混凝土按比例放大，可以看作是由粗骨料和硬化水泥砂漿等兩種主要材料構(gòu)成的不規(guī)則的三維實體結(jié)構(gòu)，且具有非勻質(zhì)、非線性和不連續(xù)的性質(zhì)?；炷猎诔惺芎奢d（應(yīng)力）之前，就已經(jīng)存在復(fù)雜的微觀應(yīng)力、應(yīng)變和裂縫，受力后更有劇烈的變化。收縮變形差使粗骨料受壓，砂槳受拉，和其它應(yīng)力分布。這些應(yīng)力場在截面上的合力為零，但局部應(yīng)力可能很大，以至在骨料界面產(chǎn)生微裂縫；溫度變形差受到相互約束而形成溫度應(yīng)力場；即使作用應(yīng)力完全均勻，混凝土內(nèi)也將產(chǎn)生不均勻的空間微觀應(yīng)力場；水泥砂漿和粗骨料的徐變差使混凝土內(nèi)部發(fā)生應(yīng)力重分布。壓力拉力

2.變形的多元組成

混凝土在承受應(yīng)力作用或環(huán)境條件改變時都將發(fā)生相應(yīng)的變形。從混凝土的組成和構(gòu)造特點分析，其變形值由3部分組成：⑴骨料的彈性變形變形與應(yīng)力成正比，卸載后變形可全部恢復(fù)，不留殘余變形。⑵水泥凝膠體的粘性流動

水泥經(jīng)水化作用后生成的凝膠體，在應(yīng)力作用下除了即時產(chǎn)生的變形外，還將隨時間的延續(xù)而發(fā)生緩慢的粘性流（移）動，混凝土的變形不斷地增長，形成塑性變形。當卸載后，這部分變形一般不能恢復(fù)，出現(xiàn)殘余變形。⑶裂縫的形成和擴展

在拉應(yīng)力作用下，混凝土沿應(yīng)力的垂直方向發(fā)生裂縫。裂縫存在于粗骨料的界面和砂漿的內(nèi)部，裂縫不斷形成和擴展，使拉變形很快增長。在壓應(yīng)力作用下，混凝土大致沿應(yīng)力平行方向發(fā)生縱向劈裂裂縫，穿過粗骨料界面和砂漿內(nèi)部。這些裂縫的增多、延伸和擴展，將混凝土分成多個小柱體，縱向變形增大。在應(yīng)力的下降過程中，變形仍繼續(xù)增長，卸載后大部分變形不能恢復(fù)。后兩部分變形成分，不與混凝土的應(yīng)力成比例變化，且卸載后大部分不能恢復(fù)，為塑性變形。

不同原材料和組成的混凝土，在不同的應(yīng)力水平下，這三部分變形所占比例有很大變化。①當混凝土應(yīng)力較低時，骨料彈性變形占主要部分，總變形很?。虎陔S應(yīng)力的增大，水泥凝膠體的粘性流動變形逐漸加速增長；③接近混凝土極限強度時，裂縫的變形才明顯顯露，但其數(shù)量級大，很快就超過其它變形成分。在應(yīng)力峰值之后，隨著應(yīng)力的下降，骨料彈性變形開始恢復(fù)，凝膠體的流動減小，而裂縫的變形卻繼續(xù)加大。

3.應(yīng)力狀態(tài)和作用途徑對力學(xué)性能的巨大影響

混凝土的單軸抗拉和抗壓強度的比值約為1:10，相應(yīng)的峰值應(yīng)變之比約為1:20，都相差一個數(shù)量級。兩者的破壞形態(tài)也有根本區(qū)別。這與鋼、木等結(jié)構(gòu)材料的拉、壓強度和變形接近相等的情況有明顯不同?；炷猎诨臼芰顟B(tài)下力學(xué)性能的巨大差別使得：①混凝土在不同應(yīng)力狀態(tài)下的多軸強度、變形和破壞形態(tài)等有很大的變化范圍；②存在橫向和縱向應(yīng)力（變）梯度的情況下，混凝土的強度和變形值又將變化；③荷載（應(yīng)力）的重復(fù)加卸和反復(fù)作用下，混凝土將產(chǎn)生程度不等的變形滯后、剛度退化和殘余變形等現(xiàn)象；④多軸應(yīng)力的不同作用途徑，改變了微裂縫的發(fā)展狀況和相互約束條件，混凝土出現(xiàn)不同力學(xué)性能反應(yīng)?；炷烈驊?yīng)力狀態(tài)和途徑的不同而引起力學(xué)性能的巨大差異，當然是其材料特性和內(nèi)部微結(jié)構(gòu)所決定的。材性的差異足以對構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能造成重大影響，在實際工程中不能不加以重視。4.時間和環(huán)境條件的巨大影響

隨時間推移，混凝土的極限強度和彈性模量值都逐漸提高，，混凝土在應(yīng)力的持續(xù)作用下，因水泥凝膠體的粘性流動和內(nèi)部微裂縫的開展而產(chǎn)生的徐變與時俱增，使混凝土材料和構(gòu)件的變形加大，長期強度降低。

環(huán)境溫度和濕度的變化，在混凝土內(nèi)部形成變化的不均勻的溫度場和濕度場，影響水泥水化作用的速度和水分的散發(fā)速度，產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)力場和變形場，促使內(nèi)部微裂縫的發(fā)展，甚至形成表面宏觀裂縫。環(huán)境介質(zhì)中的二氧化碳氣體與水泥的化學(xué)成分作用，在混凝土表面附近形成一碳化層，且逐漸增厚；介質(zhì)中的氯離子對水泥（和鋼筋）的腐蝕作用降低了混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性混凝土的這些材性特點，決定了其力學(xué)性能的復(fù)雜、多變和離散，由于混凝土原材料的性質(zhì)和組成的差別很大，完全從微觀的定量分析來解決混凝土的性能問題，得到準確而實用的結(jié)果是十分困難的。所以，從結(jié)構(gòu)工程的觀點出發(fā)，將一定尺度，（≥70mm或3～4倍粗骨料粒徑）的混凝土體積作為單元，看成是連續(xù)的、勻質(zhì)的和等向的材料，取其平均的強度、變形值和宏觀的破壞形態(tài)等作為研究的標準，可以有相對穩(wěn)定的力學(xué)性能．并且用同樣尺度的標準試件測定各項性能指標，經(jīng)過總結(jié)、統(tǒng)計和分析后建立的破壞（強度）準則和本構(gòu)關(guān)系，在實際工程中應(yīng)用，一般情況下其具有足夠的準確性。1.1.3受力破壞的一般機理混凝土的材性在不同的應(yīng)力狀態(tài)下發(fā)生顯著差別的破壞過程和形態(tài)?；炷猎诮Y(jié)構(gòu)中主要用作受壓材料，最簡單的單軸受壓狀態(tài)下的破壞過程最有代表性。詳細地了解其破壞過程和機理對于理解混凝土的材性本質(zhì)，解釋結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的各種損傷和破壞現(xiàn)象，以及采取措施改進和提高混凝土質(zhì)量和結(jié)構(gòu)性能等都有重要意義。試驗證明，結(jié)構(gòu)混凝土在承受荷載或外應(yīng)力之前，內(nèi)部就已經(jīng)存在少量、分散的微裂縫，當混凝土內(nèi)微觀拉應(yīng)力較大時，首先在粗骨料界面出現(xiàn)微裂縫，稱界面粘結(jié)裂縫。混凝土受力之后直到破壞其內(nèi)部微裂縫的發(fā)展過程也可在試驗過程中清楚地觀察到。該試驗采用方形板式試件(127mm×127mm×12.7mm），既接近理想的平面應(yīng)力狀態(tài)，又便于在加載過程中直接獲得裂縫的x光信息。試驗證實了混凝土在受力前就存在初始微裂縫，都出現(xiàn)在較大粗骨料的界面．開始受力后直到極限荷載，混凝土內(nèi)的微裂縫逐漸增多和擴展，可以分作3個階段：σmaxσ=0.85σmaxσ=0.65σmax粘結(jié)裂縫σ=0用X光觀測的混凝土單軸受壓的裂縫過程

1.微裂縫相對稱定期(σ/σmax<0.3～0.5)

這時混凝土的壓應(yīng)力較小，雖然有些微裂縫的尖端因應(yīng)力集中而沿界面略有發(fā)展，也有些微裂縫和間隙因受壓而有些閉合，對混凝土的宏觀變形性能無明顯變化。即使荷載的多次重復(fù)作用或者持續(xù)較長時間，微裂縫也不致有大發(fā)展，殘余變形很小。σmaxσ=0.85σmaxσ=0.65σmax粘結(jié)裂縫σ=0用X光觀測的混凝土單軸受壓的裂縫過程

2.穩(wěn)定裂縫發(fā)展期（σ/σmax

<0.75～

0.9）混凝土的應(yīng)力增大后，原有的粗骨料界面裂縫逐漸延伸和增寬，其它骨料界面又出現(xiàn)新的粘結(jié)裂縫。一些界面裂縫的伸展，逐漸地進入水泥砂漿，或者水泥砂漿中原有縫隙處的應(yīng)力集力將砂漿拉斷，產(chǎn)生少量微裂縫。這一階段，混凝土內(nèi)微裂縫發(fā)展較多，變形增長較大。但是，當荷載不再增大，微裂縫的發(fā)展亦將停滯，裂縫形態(tài)保持基本穩(wěn)定。故荷載長期作用下，混凝土的變形將增大，但不會提前過早破壞。σmaxσ=0.85σmaxσ=0.65σmax粘結(jié)裂縫σ=0用X光觀測的混凝土單軸受壓的裂縫過程

3.不穩(wěn)定裂縫發(fā)展期（σ/σmax

>0.75～

0.9）混凝土在高應(yīng)力作用下，粗骨料的界面裂縫突然加寬和延伸，大量地進人水泥砂漿；水泥砂漿中的已有裂縫也加快發(fā)展，并和相鄰的粗骨料界面裂縫相連。這些裂縫逐個連通，構(gòu)成大致平行于壓應(yīng)力方向的連續(xù)裂縫，或稱縱向劈裂裂縫。若混凝土中部分粗骨料的強度較低，或有節(jié)理和缺陷，也可能在高應(yīng)力下發(fā)生骨料劈裂。這一階段的應(yīng)力增量不大，而裂縫發(fā)展迅速，變形增長大。即使應(yīng)力維持常值，裂縫仍將繼續(xù)發(fā)展，不再能保持穩(wěn)定狀態(tài)?？v向的通縫將試件分隔成數(shù)個小柱體，承載力下降而導(dǎo)致混凝土的最終破壞。σmaxσ=0.85σmaxσ=0.65σmax粘結(jié)裂縫σ=0用X光觀測的混凝土單軸受壓的裂縫過程從對混凝土受壓過程的微觀現(xiàn)象的分析，其破壞機理可以概括為：⑴首先是水泥砂漿沿粗骨料的界面和砂漿內(nèi)部形成微裂縫；⑵應(yīng)力增大后這些微裂縫逐漸地延伸和擴展，并連通成為宏觀裂縫；⑶砂漿的損傷不斷積累，切斷了和骨料的聯(lián)系，混凝土的整體性遭受破壞而逐漸地喪失承載力?；炷猎谄渌鼞?yīng)力狀態(tài)，如受拉和多軸應(yīng)力狀態(tài)下的破壞過程也與此相似?；炷恋膹姸冗h低于粗骨料的強度，當混凝土破壞后，粗骨料一般無破損跡象，裂縫和破碎都發(fā)生在水泥砂漿內(nèi)部。任何改進和提高水泥砂漿質(zhì)量的措施都能較多地提高混凝土強度和改善結(jié)構(gòu)的性能。1.2抗壓強度

1.2.1立方體抗壓強度為了確定混凝土的抗壓強度，我國的國家標準《GBJ81-85普通混凝土力學(xué)性能試驗方法》中規(guī)定：標準試件取邊長為150mm的立方體，用鋼模成型，經(jīng)澆注、振搗密實后靜置一晝夜，試件拆模后放入標準養(yǎng)護室（20±3℃，相對濕度>90％），28天齡期后取出試件，擦干表面水，置于試驗機內(nèi)，沿澆注的垂直方向施加壓力，以每秒0.3～0.5N/mm2的速度連續(xù)加載直至試件破壞。試件的破壞荷載除以承壓面積，即為混凝土的標準立方體抗壓強度fcu，N/mm2（Mpa）。試驗機通過鋼墊板對試件施加壓力。由于墊板的剛度有限，以及試件內(nèi)部和表層的受力狀態(tài)和材料性能有差別，致使試件承壓面上的豎向壓應(yīng)力分布不均勻。同時，鋼墊板和試件混凝土的彈性模量(Es，Ec）和泊松比（νs,νc）值不等，在相同應(yīng)力（σ）作用下的橫向應(yīng)變不等（νsσ/Es＜νc

σ/Ec

）。故墊板約束了試件的橫向變形，在試件的承壓面上作用著水平摩擦力。試件在承壓面上這些豎向和水平力作用下，其內(nèi)部必產(chǎn)生不均勻的三維應(yīng)力場：垂直中軸線上各點為明顯的三軸受壓，四條垂直棱邊接近單軸受壓，承壓面的水平周邊為二軸受壓，豎向表面上各點為二軸受壓或二軸壓／拉，內(nèi)部各點則為三軸受壓或三軸壓／拉應(yīng)力狀態(tài)。注意這里還是將試件看作是各向同性的勻質(zhì)材料。若計及混凝土組成和材性的隨機分布，試件的應(yīng)力狀態(tài)將更復(fù)雜，且不對稱。試件加載后，豎向發(fā)生壓縮變形，水平向為伸長變形．試件的上、下端因受加載墊板的約束而橫向變形小，中部的橫向膨脹變形最大。隨著荷載或者試件應(yīng)力的增大，試件的變形逐漸加快增長。試件接近破壞前，首先在試件高度的中央、靠近側(cè)表面的位置上出現(xiàn)豎向裂縫，然后往上和往下延伸，逐漸轉(zhuǎn)向試件的角部，形成正倒相連的八字形裂縫。繼續(xù)增加荷載，新的八字形縫由表層向內(nèi)部擴展，中部混凝土向外鼓脹，開始剝落，最終成為正倒相接的四角錐破壞形態(tài)。

當采用的試件形狀和尺寸不同時，如邊長100mm或200mm的立方體，H/D=2的圓柱體混凝土的破壞過程和形態(tài)雖然相同，但得到的抗壓強度值因試件受力條件不同和尺寸效應(yīng)而有所差別。對比試驗給出的不同試件抗壓強度的換算關(guān)系如表。0.890.8750.860.830.801.0510.95抗壓強度相對值C80C70C60C50C20-C40100150200強度等級邊長／mm圓柱體(H=300mm,D=150mm)立方體混凝土試件表1-2不同形狀和尺寸試件的混凝土抗壓強度相對值混凝土立方試件的應(yīng)力和變形狀況，以及其破壞過程和破壞形態(tài)均表明，標準試驗方法并未在試件中建立起均勻的單軸受壓應(yīng)力狀態(tài)，由此測定的也不是理想的混凝土單軸抗壓強度。當然，它更不能代表實際結(jié)構(gòu)中應(yīng)力狀態(tài)和環(huán)境條件變化很大的混凝土真實抗壓強度。盡管如此，混凝土的標準立方體抗壓強度仍是確定混凝土的強度等級、評定和比較混凝土的強度和制作質(zhì)量的最主要的相對指標，又是判定和計算其他力學(xué)性能指標的基礎(chǔ)，因而有重要的技術(shù)意義。1.2.2棱柱體試件的受力破壞過程為消除立方體試件兩端局部應(yīng)力和約束變形的影響，最簡單的辦法是改用棱柱體（或圓柱體）試件進行抗壓試驗。根據(jù)SanVinent原理。加載面上的不均布垂直應(yīng)力和Σx=0的水平應(yīng)力，只影響試件端部的局部范圍（高度約等于試件寬度），中間部分已接近于均勻的單軸受壓應(yīng)力狀態(tài)。受壓試驗也證明，破壞發(fā)生在棱主體試件的中部。試件的破壞荷載除于其截面積，即為混凝土的棱柱體抗壓強度fc，或稱軸心抗壓強度。在混凝土棱柱體試件的受壓試驗過程中量測試件的縱向和橫向應(yīng)變（ε,ε’），就可以繪制：⑴受壓應(yīng)力-應(yīng)變（σ-ε）全曲線；⑵割線或切線泊松比（νs=ε’/ε，νt=dε’/dε)曲線；⑶體積應(yīng)變(εv≈ε-ε’）曲線。其典型的變化規(guī)律如下圖。試驗過程中還可以仔細地觀察到試件的表面宏觀裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展過程，以及最終的破壞形態(tài)。由于混凝土的原材料和組成的差異，以及試驗量測方法的差異，國內(nèi)外給出的實驗結(jié)果有一定的離散度。混凝土的棱柱體抗壓強度隨立方體強度單調(diào)增長：1.2.3主要抗壓性能指標1、棱柱體抗壓強度

各國研究人員給出多種經(jīng)驗計算公式，或者給出一個定值，一般在fc/fcu=0.78～0.88之間。

其比值的變化范圍為：強度等級高者比值偏大。αc1=fc/fcu

αc1=0.76（≤C50）

αc1=0.82（C80）αc2=1.0（≤C40）αc2=0.87（C80）各國設(shè)計規(guī)范中，出于結(jié)構(gòu)安全度考慮，一般取用偏低的值。例如，我國《規(guī)范》給出軸壓強度標準值為2、達棱柱體抗壓強度時的峰值應(yīng)變棱柱體試件達到極限強度fc時的相應(yīng)峰值應(yīng)變εp雖然有稍大的離散度，但是，隨混凝土強度而單調(diào)增長的規(guī)律十分明顯。過鎮(zhèn)海在分析了混凝土強度fc=20～100N/mm2的試驗數(shù)據(jù)后，給出的關(guān)系式為各國的設(shè)計規(guī)范中，對強度等級為C20至C50的混凝土常常規(guī)定單一的峰值應(yīng)變值，例如：εp=0.002。此值稍高于材性試驗值，但用于結(jié)構(gòu)和構(gòu)件分析中，由于存在應(yīng)變梯度和箍筋約束等有利因素而得到補償。各國研究人員建議的多種經(jīng)驗計算式，如表所示。彈性模