第二章 混凝土和鋼筋的物理力學性能

第二章混凝土和鋼筋的物理力學性能第一節(jié)混凝土一、混凝土的強度1、混凝土強度等級（StrengthGrade

）混凝土結構中，主要利用它的抗壓強度(CompressiveStrength)?？箟簭姸仁腔炷亮W性能中最主要和最基本指標。

混凝土強度等級：邊長150mm立方體標準試件，在標準條件下養(yǎng)護28天，用標準試驗方法測得的具有95%保證率的立方體抗壓強度(CubeStrengthfcu,k)。用符號C表示。

C30：fcu,k=30N/mm2

《規(guī)范》（GB50010-2010）根據(jù)強度范圍，從C15~C80共劃分為14個強度等級，級差為5N/mm2。鋼筋混凝土強度等級不應低于C20，采用強度等級400MPa及以上的鋼筋時，混凝土強度等級不應低于C25，預應力混凝土結構的混凝土強度等級不宜低于C40。2、軸心抗壓強度AxialCompressiveStrength

軸心抗壓強度采用棱柱體試件測定，用符號fc表示。我國通常取150mm×150mm×300mm的棱柱體試件，它比較接近實際構件中混凝土的受壓情況。對于同一混凝土，棱柱體抗壓強度和立方體抗壓強度的換算關系為：《規(guī)范》對不大于C50級的混凝土取αc1=0.76，對C80取αc1=0.82，其間按線性插值?！兑?guī)范》考慮到試件與實際結構的差異以及高強混凝土的脆性特征，對軸心抗壓強度和軸心抗拉強度，還采用了以下兩個折減系數(shù)：⑴結構中混凝土強度與混凝土試件強度的比值，取0.88；⑵脆性折減系數(shù)αc2，對強度等級不大于C40的混凝土，取1.0，對C80取0.87，中間按線性規(guī)律變化。對一般強度等級的混凝土：3、軸心抗拉強度AxialTensileStrength基本力學性能，符號ft表示?；炷翗嫾_裂、裂縫、變形，以及受剪、受扭、受沖切等的承載力均與抗拉強度有關。0102030405060708090100123456

ft

fcu軸心受拉強度與立方體強度間的換算關系55.0395.0cu,ktkff=劈拉試驗PaP拉壓壓由于軸心受拉試驗對中困難，也常常采用立方體或圓柱體劈拉試驗測定混凝土的抗拉強度(SplittingStrength)4、混凝土強度的標準值CharacteristicStrength《規(guī)范》規(guī)定材料強度的標準值fk應具有不小于95%的保證率立方體強度標準值即為混凝土強度等級fcu,k?！兑?guī)范》在確定混凝土軸心抗壓強度和軸心抗拉強度標準值時，假定它們的變異系數(shù)與立方體強度的變異系數(shù)相同，利用各指標強度與立方體強度的換算關系，便可計算得到。5、復雜應力下混凝土的受力性能◆雙軸應力狀態(tài)

BiaxialStressState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)。雙向受壓強度大于單向受壓強度，最大受壓強度發(fā)生在兩個壓應力之比為0.3~0.6之間，約為(1.25~1.60)fc。雙軸受壓狀態(tài)下混凝土的應力-應變關系與單軸受壓曲線相似，但峰值應變均超過單軸受壓時的峰值應變。6、箍筋約束混凝土受壓的應力-應變關系◎螺旋箍筋約束對強度和變形能力均有很大提高◎矩形箍筋約束對強度提高不顯著，但對變形能力有顯著改善ConfinementofTransversalReinforcement可以通過約束混凝土的橫向變形來提高混凝土的抗壓強度。如圖采用配置螺旋箍筋形成所謂“約束混凝土”，可顯著提高混凝土的抗壓強度，并且可以提高混凝土變形能力。螺旋箍筋約束混凝土混凝土結硬過程中，由于水泥石收縮、骨料下沉以及溫度變化等原因，在骨料和水泥石的界面上形成很多微裂縫Micro-fissure，成為混凝土中的薄弱部位。

混凝土的最終破壞就是由于這些微裂縫的發(fā)展造成的。02468102030s(MPa)e×10-3BACED二、混凝土破壞機理FailureMechanism02468102030s(MPa)e×10-3A

A點以前，微裂縫沒有明顯發(fā)展，混凝土變形主要是彈性變形，應力-應變關系近似為直線。A點應力隨混凝土強度提高而增加，普通強度混凝土sA約為(0.3~0.4)fc，高強混凝土可達(0.5~0.7)fc。BCED02468102030s(MPa)e×10-3BA

A點以后，由于微裂縫處的應力集中，裂縫有所延伸發(fā)展，產(chǎn)生部分塑性變形，應變增長開始加快，應力-應變曲線逐漸偏離直線。微裂縫的發(fā)展導致混凝土的橫向變形增加，但該階段微裂縫的發(fā)展是穩(wěn)定的。CED02468102030s(MPa)e×10-3BA達到B點，內(nèi)部一些微裂縫相互連通，裂縫發(fā)展已不穩(wěn)定，橫向變形突然增大，體積應變開始由壓縮轉為增加。在此應力的長期作用下，裂縫會持續(xù)發(fā)展最終導致破壞。取B點的應力作為混凝土的長期抗壓強度。CED02468102030s(MPa)e×10-3BACED達到C點（fc），內(nèi)部微裂縫連通形成破壞面，應變增長速度明顯加快，C點的縱向應變值稱為峰值應變

e0，約為0.002。達到D點，內(nèi)部裂縫發(fā)展到試件表面，出現(xiàn)第一條可見的平行于受力方向的縱向裂縫。02468102030s(MPa)e×10-3BACED混凝土骨料與砂漿的粘結不斷遭到破壞，裂縫連通形成斜向破壞面。E點的應變e=(2~3)e0，應力s=(0.4~0.6)fc。隨應變增長，試件上相繼出現(xiàn)多條不連續(xù)的縱向裂縫，橫向變形急劇發(fā)展，承載力明顯下降02468102030s(MPa)e×10-3BACEDE點以后，縱向裂縫形成一斜向破壞面，此破壞面受正應力和剪應力的作用繼續(xù)擴展，形成一破壞帶。試件的強度由斜向破壞面上的骨料間的摩阻力提供。隨應變繼續(xù)發(fā)展，摩阻力和粘結力不斷下降，但即使在很大的應變下，骨料間仍有一定摩阻力，殘余強度約為(0.1~0.4)fc不同強度混凝土的應力-應變關系曲線強度等級越高，線彈性段越長，峰值應變也有所增大。但高強混凝土中，砂漿與骨料的粘結很強，密實性好，微裂縫很少，最后的破壞往往是骨料破壞，破壞時脆性越顯著，下降段越陡。三、混凝土的應力應變關系1、混凝土受壓應力-應變關系2、混凝土受拉應力-應變關系3、《規(guī)范》簡化壓應力-應變關系上升段：下降段：4、混凝土的彈性模量

ModulusofElasticity原點切線模量InitialModulus割線模量SecantModulus切線模量TangentModulus彈性特征系數(shù)n

(coefficientofelasticity)

隨應力增大而減小n

=1~0.5eelεseEc’=tana’◆彈性模量測定方法四、混凝土的收縮和徐變ShrinkageandCreep1、混凝土的收縮Shrinkage

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。收縮是混凝土在不受外力情況下體積變化產(chǎn)生的變形。當這種自發(fā)的變形受到外部或內(nèi)部的約束時，將使混凝土中產(chǎn)生拉應力，甚至引起混凝土的開裂?；炷潦湛s會使預應力混凝土構件產(chǎn)生預應力損失。某些對跨度比較敏感的超靜定結構（如拱結構），收縮也會引起不利的內(nèi)力。墻板干燥收縮裂縫與邊框架的變形混凝土的收縮是隨時間而增長的變形，早期收縮變形發(fā)展較快，兩周可完成全部收縮的25%，一個月可完成50%，以后變形發(fā)展逐漸減慢，整個收縮過程可延續(xù)兩年以上。一般情況下，最終收縮應變值約為(2~5)×10-4

混凝土開裂應變?yōu)?0.5~2.7)×10-4◆影響因素

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。水泥用量多、水灰比越大，收縮越大；骨料彈性模量高、級配好，收縮就小；干燥失水及高溫環(huán)境，收縮大；

影響收縮的因素多且復雜，要精確計算尚有一定的困難。實際工程中，要采取一定措施減小收縮應力的不利影響--施工縫。2、混凝土的徐變Creep混凝土在荷載的長期作用下，其變形隨時間而不斷增長的現(xiàn)象稱為徐變。徐變會使結構變形增大，引起預應力損失，在長期高應力作用下，甚至會導致破壞。不過，徐變有利于結構構件產(chǎn)生內(nèi)（應）力重分布，降低結構的受力，減小大體積混凝土內(nèi)的溫度應力，受拉徐變可延緩收縮裂縫的出現(xiàn)。與混凝土的收縮一樣，徐變也與時間有關。在測定混凝土的徐變時，應同批澆筑同樣尺寸不受荷的試件，在同樣環(huán)境下同時量測混凝土的收縮變形，從徐變試件的變形中扣除對比的收縮試件的變形，才可得到徐變變形。在應力（≤0.5fc）作用瞬間，首先產(chǎn)生瞬時彈性應變eci（=si/Ec(t0)，t0加荷時的齡期）。隨荷載作用時間的延續(xù)，變形不斷增長，前4個月徐變增長較快，6個月可達最終徐變的（70~80）%，以后增長逐漸緩慢，2~3年后趨于穩(wěn)定。t0eciecieshecreel’eel’’ecr’et如在時間t卸載，則會產(chǎn)生瞬時彈性恢復應變eel'。由于混凝土彈性模量隨時間增大，故彈性恢復應變eel'小于加載時的瞬時彈性應變

eci。再經(jīng)過一段時間后，還有一部分應變eel''可以恢復，稱為彈性后效或徐變恢復，但仍有不可恢復的殘留永久應變ecr't0eciecieshecreel’eel’’ecr’et◆影響因素內(nèi)在因素：混凝土組成和配比。骨料的剛度（彈性模量）越大，體積比越大，徐變就越小。水灰比越小，徐變也越小。環(huán)境影響：包括養(yǎng)護和使用條件。受荷前養(yǎng)護的溫濕度越高，水泥水化作用月充分，徐變就越小。采用蒸汽養(yǎng)護可使徐變減少（20~35）%。受荷后構件所處的環(huán)境溫度越高，相對濕度越小，徐變就越大。當初始應力水平si/fc≤0.5時，徐變值與初應力基本上成正比，也即（最終）徐變系數(shù)j=ecr/eci=Ececr/si=常數(shù)，這種徐變稱為線性徐變。當初應力si在(0.5~0.8)fc范圍時，徐變最終雖仍收斂，但最終徐變與初應力si不成比例，也即徐變系數(shù)j隨si的增大而增大，這種徐變稱為非線性徐變。當初應力si>0.8fc時，混凝土內(nèi)部微裂縫的發(fā)展已處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，徐變的發(fā)展將不收斂，最終導致混凝土的破壞。因此將0.8fc作為混凝土的長期抗壓強度。應力條件和加荷時混凝土齡期t0第二節(jié)鋼筋一、鋼筋的品種熱軋鋼筋、中強鋼絲、消除應力鋼絲和鋼絞線。提倡采用高強、高性能鋼筋，滿足“四節(jié)一環(huán)?！币蟆彳堜摻?/p>

HotRolledSteelReinforcingBarHPB300級、HRB335級、HRBF400級、RRB400級HPBHotrolledPlainBarHRBHotrolledRolledBarHPB300級：fyk=300N/mm2直徑6～22mmHRB335級：fyk=335N/mm2直徑6～50mm屈服強度fyk（標準值=鋼材廢品限值，保證率97.73%）熱軋光圓鋼筋熱軋帶肋鋼筋熱軋鋼筋

HotRolledSteelReinforcingBarHPB300級、HRB335級、HRBF400級、RRB400級HRBFRolledBarFineRRBRolledRibbedBarHRBF335級：fyk=335N/mm2直徑6～50mmRRB400級：熱軋后立即穿水，進行表面控制冷卻，然后利用芯部余熱自身完成回火處理所得的鋼筋，延性和強屈比較低，一般用于基礎、樓板等對變形和加工性能不高的構件。細粒徑熱軋帶肋鋼筋余熱處理鋼筋Hotrolled梁、柱縱向受力普通鋼筋應采用HRB400、HRB500、HRBF400級、HRBF500鋼筋。箍筋宜采用HRB40、HRBF400級、HRB500、HRBF500、HPB300鋼筋，也可采用HRB335、HRBF335級鋼筋。用于抗剪、抗扭及抗沖切設計時，不宜采用強度高于400MPa級的鋼筋；當用于約束混凝土的配筋時，其高強度可以得到充分發(fā)揮，采用500MPa級的鋼筋更經(jīng)濟。預應力鋼筋宜采用鋼絲、鋼絞線和螺紋鋼筋。se二、鋼筋的應力-應變關系Stress-StrainRelation

◆有明顯屈服點的鋼筋Rebarwithyieldpoint（軟鋼）a’為比例極限proportionallimit

s=Esea’a為彈性極限elasticlimitade為強化段strainhardeningstagebb為屈服上限upperyieldstrengthc為屈服下限，即屈服強度fyloweryieldstrengthcdcd為屈服臺階yieldplateauefue為極限抗拉強度fu

ultimatetensilestrengthfyf屈服強度：是鋼筋強度的設計依據(jù)，因為鋼筋屈服后將很大的塑性變形，且卸載時這部分變形不可恢復，這會使鋼筋混凝土構件產(chǎn)生很大的變形和不可閉合的裂縫。屈服上限與加載速度有關，不太穩(wěn)定，一般取屈服下限作為屈服強度。延伸率：鋼筋拉斷后的殘余應變，是反映鋼筋塑性性能的指標。延伸率大的鋼筋，在拉斷前有足夠預兆，延性好。強屈比反映鋼筋的強度儲備，fu/fy=1.4-1.6。sea’abcdefufyf對鋼筋的其他要求：質量穩(wěn)定性、錨固性能、疲勞性能、可焊性、耐久性。鋼筋的抗拉強度實測值與屈服強度的實測值的比值不應小于1.25；鋼筋最大拉力下的總伸長率δgt實測值不應小于9%（抗震）有明顯屈服點鋼筋的應力-應變關系（軟鋼）一般可采用雙線性的理想彈塑性關系1Es種類彈性模量HPB3002.10HRB335、HRB400、HRB500、HRBF335、HRBF400、HRBF500

RRB400、預應力螺紋鋼筋2.00消除應力鋼絲、中強度預應力鋼絲2.05鋼絞線1.95鋼筋彈性模量（×105MPa）◆無明顯屈服點的鋼筋Rebarwithoutyieldpoint（硬鋼）a點：比例極限，約為0.65fu；a點前：應力-應變關系為線彈性；a點后：應力-應變關系為非線性，有一定塑性變形，且沒有明顯的屈服點；條件屈服點：殘余應變?yōu)?.2%所對應的應力，《規(guī)范》取s0.2=0.85fu第三節(jié)鋼筋和混凝土的黏結一、粘結的概念◆鋼筋與混凝土間具有足夠的粘結(bond)是保證鋼筋與混凝土共同受力變形(consistent)的基本前提。◆通過鋼筋與混凝土界面的粘結應力可以實現(xiàn)鋼筋與混凝土之間的應力傳遞，從而使兩種材料可以結合在一起共同工作?！粽辰Y應力通常是指鋼筋與混凝土界面間的剪應力。ssscsc+dscss-dssssss-dsst二、粘結的作用1、錨固粘結anchorage2、裂縫間粘結三、粘結的機理(mechanismofbond)鋼筋與混凝土的粘結作用由三部分組成：⑴混凝土中水泥膠體與鋼筋表面的膠結力；⑵混凝土因收縮將鋼筋握緊而產(chǎn)生的鋼筋與混凝土間的摩擦力；⑶機械咬合力。當鋼筋與混凝土產(chǎn)生相對滑動后，膠結作用即喪失。摩擦力的大小取決于握裹力和鋼筋與混凝土表面的摩擦系數(shù)?！糇冃武摻钍芰螅渫钩龅睦邔炷廉a(chǎn)生斜向擠壓力?！羝渌椒至κ逛摻钪車幕炷凛S向受拉、受剪，徑向分力使混凝土產(chǎn)生環(huán)向拉力。◆軸向拉力和剪力使混凝土產(chǎn)生內(nèi)部斜向錐形裂縫。◆環(huán)向拉力使混凝土產(chǎn)生內(nèi)部徑向裂縫。◆

當混凝土保護層和鋼筋間距較小時，徑向裂縫可發(fā)展達到構件表面，產(chǎn)生劈裂裂縫，機械咬合作用將很快喪失，產(chǎn)生“劈裂式”破壞。◆如果鋼筋周圍的橫向鋼筋較多或混凝土的保護層較大，徑向裂縫很難發(fā)展達到構件表面，則肋前部的混凝土在水平分力和剪力作用下最終將被擠碎，發(fā)生沿肋外徑圓柱面的剪切破壞，形成所謂的“刮梨式”破壞，是變形鋼筋與混凝土粘結強度的上限。四、粘結強度拔出試驗粘結強度tu：粘結破壞（鋼筋拔出或混凝土劈裂）時鋼筋與混凝土界面上的最大平均粘結應力影響粘結強度的主要因素Influencefactors混凝土強度、保護層厚度和鋼筋凈間距、橫向配筋、鋼筋表面和外形特征、受力情況及錨固長度◆

混凝土強度：光面鋼筋和變形鋼筋的粘結強度均隨混凝土強度的提高而增加，但并不與立方體強度fcu成正比，而與抗拉強度ft成正比。◆保護層厚度和鋼筋凈間距：對于變形鋼筋，粘結強度主要取決于劈裂破壞。因此相對保護層厚度c/d

越大，混凝土抵抗劈裂破壞的能力也越大，粘結強度越高。

當c/d

很大時，若錨固長度不夠，則產(chǎn)生剪切“刮梨式”破壞。同理，鋼筋凈距s與鋼筋直徑d的比值s/d

越大，粘結強度也越高?！魴M向配筋：橫向鋼筋的存在限制了徑向裂縫的發(fā)展，使粘結強度得到提高。

●由于劈裂裂縫是順鋼筋方向產(chǎn)生的，其對鋼筋銹蝕的影響比受彎垂直裂縫更大，將嚴重降低構件的耐久性。

●因此應保證不使徑向裂縫到達構件表面形成劈裂裂縫。所以，保護層應具有一定的厚度，鋼筋凈距也應保證。

●

配置橫向鋼筋可以阻止徑向裂縫的發(fā)展。因此對于直徑較大鋼筋的錨固區(qū)和搭接長度范圍，均應增加橫向鋼筋。

●當一排并列鋼筋的數(shù)量較多時，也應考慮增加橫向鋼筋來控制劈裂裂縫的發(fā)生。◆鋼筋表面和外形特征：

●

光面鋼筋表面凹凸較小，機械咬合作用小，粘結強度低。