混凝土結構材料的力學性能

混凝土結構材料的力學性能第一頁，共七十頁，2022年，8月28日3鋼筋和混凝土的力學性能本章要點1.熟悉鋼筋的強度和變形性能,鋼筋的分類和品種,鋼筋的冷加工方法,混凝土結構對鋼筋的要求;2.掌握混凝土的各類強度,混凝土的各種變形性能,收縮和徐變對結構的影響;3.保證鋼筋和混凝土的粘結力。第二頁，共七十頁，2022年，8月28日3.1.1鋼筋的強度和變形1.鋼筋的應力-應變關系(stress-strainrelationshipsforsteel)鋼筋可分為兩類:有明顯屈服點的鋼筋和無明顯屈服點的鋼筋(習慣上分別稱它們?yōu)檐涗摵陀蹭?。普通熱軋鋼筋和細晶粒熱軋鋼筋都屬于有明顯屈服點的鋼筋。預應力鋼筋一般屬于無明顯屈服點的鋼筋。

1)鋼筋的拉伸應力-應變曲線有明顯屈服點鋼筋的典型拉伸應力-應變曲線無明顯屈服點鋼筋的典型拉伸應力-應變曲線

第3章混凝土結構材料的力學性能

3.1鋼筋的物理力學性能

第三頁，共七十頁，2022年，8月28日第3章混凝土結構材料的力學性能

3.1鋼筋的物理力學性能

2軟鋼的應力—應變曲線

a

——比例極限b

——彈性極限ob

——彈性階段d

——極限抗拉強度bc

——屈服階段cd

——強化階段de

——破壞階段e

——極限應變第四頁，共七十頁，2022年，8月28日第3章混凝土結構材料的力學性能

3.1鋼筋的物理力學性能

3硬鋼的應力—應變曲線

d

——極限抗拉強度e

——極限應變

條件屈服強度：

取殘余應變?yōu)?.2%所對應的應力作為無明顯流幅鋼筋的強度限值，通常稱為條件屈服強度。第五頁，共七十頁，2022年，8月28日第3章材料的物理力學性能

3.1鋼筋的物理力學性能

4鋼筋的應力—應變簡化模型

（1）理想彈塑性模型（2）三段線性模型第六頁，共七十頁，2022年，8月28日第3章材料的物理力學性能

3.1鋼筋的物理力學性能

5鋼筋的塑性性能

（1）延伸率：（2）冷彎性能：延伸率越大，鋼筋的塑性和變形能力越好。彎心直徑越小，彎過的角度越大，冷彎性能越好，鋼筋的塑性性能越好。第七頁，共七十頁，2022年，8月28日第3章混凝土結構材料的力學性能

3.1鋼筋的物理力學性能

3.1.2鋼筋的種類及符號說明

鋼筋的外形熱軋鋼筋第八頁，共七十頁，2022年，8月28日第3章混凝土結構材料的力學性能

3.1鋼筋的物理力學性能

3.1.2鋼筋的種類及符號說明預應力鋼筋第九頁，共七十頁，2022年，8月28日第3章混凝土結構材料的力學性能

3.1鋼筋的物理力學性能

3.1.2鋼筋的種類及符號說明熱軋鋼筋的符號說明HPB235

生產工藝：hotrolled表面形狀：plain鋼筋：bar屈服強度第十頁，共七十頁，2022年，8月28日第3章混凝土結構材料的力學性能

3.1鋼筋的物理力學性能

3.1.2鋼筋的種類及符號解釋熱軋鋼筋的符號說明HRB335

hotrolledribbedbarRRB400

remainedheattreatmentribbedbar第十一頁，共七十頁，2022年，8月28日第3章混凝土結構材料的力學性能

3.1鋼筋的物理力學性能

鋼筋按外形分類光面鋼筋變形鋼筋第十二頁，共七十頁，2022年，8月28日第3章混凝土結構材料的力學性能

3.1鋼筋的物理力學性能

第十三頁，共七十頁，2022年，8月28日第3章混凝土結構材料的力學性能

3.1鋼筋的物理力學性能

第十四頁，共七十頁，2022年，8月28日第3章混凝土結構材料的力學性能

3.1鋼筋的物理力學性能

第十五頁，共七十頁，2022年，8月28日第3章材料的物理力學性能

3.1鋼筋的物理力學性能

3.1.2鋼筋的種類及符號說明熱軋鋼筋的屈服強度種類符號fyf

'y熱軋鋼筋HPB235(Q235)210210HRB335(20MnSi)300300HRB400(20MnSiV、20MnSiNb、20MnTi)360360RRB400(K20MnSi)R360360第十六頁，共七十頁，2022年，8月28日第1章材料的物理力學性能

1.1鋼筋的物理力學性能

3.1.2鋼筋的種類及符號說明預應力鋼筋的符號說明鋼絞線S——Strand光面鋼絲P——Plain刻痕鋼絲I——Indented螺旋肋鋼絲H——Helix熱處理鋼筋HT——Heat-treated第十七頁，共七十頁，2022年，8月28日第1章材料的物理力學性能

1.1鋼筋的物理力學性能

3.1.2鋼筋的種類及符號說明預應力鋼筋的屈服強度種類符號fptkfpyf'py鋼絞線1×3φS1860132039017201220157011101×71860132039017201220消除應力鋼絲光面螺旋肋φP

φH177012504101670118015701110刻痕φ處理鋼筋40Si2MnφHT1470104040048Si2Mn45Si2Cr第十八頁，共七十頁，2022年，8月28日第3章混凝土結構材料的力學性能

3.1鋼筋的物理力學性能

鋼筋主要品種

3.1.2、鋼筋的品種(Reinforcementtypes)熱軋鋼筋、中高強鋼絲和鋼絞線、熱處理鋼筋和冷加工鋼筋鋼筋鋼筋鋼絲鋼絞線第十九頁，共七十頁，2022年，8月28日第3章材料的物理力學性能

3.1鋼筋的物理力學性能

3.1.3鋼筋的冷加工冷拉：在常溫下用機械方法將有明顯流幅的鋼筋拉到超過屈服強度的某一應力值，然后卸載至零。是指在常溫下對出廠鋼材的再加工。以提高熱軋鋼筋的強度。第二十頁，共七十頁，2022年，8月28日第3章材料的物理力學性能

3.1鋼筋的物理力學性能

3.1.3鋼筋的冷加工

鋼筋在冷拉后，未經時效前，一般沒有明顯的屈服臺階；

經過停放或加熱后進一步提高了屈服強度并恢復了屈服臺階，這種現(xiàn)象稱為冷拉時效硬化。

鋼筋經冷拉和時效硬化后，屈服強度有所提高，但塑性(伸長率)相應降低。冷拉只能提高鋼筋的抗拉強度而不能提高鋼筋的抗壓強度。焊接時產生的高溫會使鋼筋軟化(強度降低，塑性增加)，需要焊接的鋼筋應先焊好再進行冷拉;第二十一頁，共七十頁，2022年，8月28日第1章材料的物理力學性能

3.1鋼筋的物理力學性能

3.1.3鋼筋的冷加工

冷拔：將HPB235級熱軋鋼筋強行拔過小于其直徑的硬質合金拔絲模具。經過幾次冷拔的鋼絲，抗拉、抗壓強度均大大提高，但塑性降低。第二十二頁，共七十頁，2022年，8月28日第3章材料的物理力學性能

3.1鋼筋的物理力學性能

3.1.4混凝土結構對鋼筋性能的要求

保證構件具有一定的強度儲備。（1）強度（2）足夠的塑性

避免發(fā)生脆性破壞。（4）耐久性和耐火性（3）可焊性要求鋼筋具備良好的焊接性能。（5）與混凝土具有良好的粘結

必要的混凝土保護層厚度以滿足對構件耐火極限的要求。（6）寒冷地區(qū)，防止鋼筋低溫冷脆導致破壞。第二十三頁，共七十頁，2022年，8月28日第3章材料的物理力學性能

3.1鋼筋的物理力學性能

3.1.5鋼筋的選用

1)普通鋼筋

選用原則為:①縱向受力普通鋼筋宜采用HRB400、HRB500、HRBF400、HRBF500,也可采用HPB300HRB335、、HRBF335、RRB400；②梁、柱縱向受力普通鋼筋應采用HRB400、HRB500、HRBF400、HRBF500鋼筋;③箍筋宜采用HRB400、HRBF400、HPB300、HRB500、HRBF500鋼筋，也可采用HRB335、HRBF335鋼筋。

2)預應力鋼筋預應力筋宜采用預應力鋼絲、鋼絞線和預應力螺紋鋼筋。

第二十四頁，共七十頁，2022年，8月28日第3章材料的物理力學性能

3.2混凝土的物理力學性能

§3.2混凝土的物理力學性能

混凝土是由水泥、砂子和石子三種材料及水按一定配合比拌合，經過凝固硬化后做成的人工石材；它是一種各組份具有不同性質的多相復合材料。第二十五頁，共七十頁，2022年，8月28日

混凝土受壓破壞機理可概括為：隨著應力的增大，沿粗骨料界面和砂漿內部的微裂縫逐漸延伸和擴展，導致砂漿的損傷不斷積累；裂縫貫通后，混凝土的連續(xù)性遭到破壞，逐漸喪失其承載力，破壞的實質是由連續(xù)材料逐步變成不連續(xù)材料的過程。第3章材料的物理力學性能

3.2混凝土的物理力學性能

第二十六頁，共七十頁，2022年，8月28日3.2.1混凝土的強度

1、立方體抗壓強度

《普通混凝土力學性能試驗方法標準》規(guī)定：邊長為150mm的標準立方體試件在標準條件（溫度20±3℃，相對濕度≥90%）下養(yǎng)護28天后，以標準試驗方法(中心加載，加載速度為0.3~1.0N/mm2·s)，試件上、下表面不涂潤滑劑，連續(xù)加載直至試件破壞，測得混凝土抗壓強度為混凝土標準立方體的抗壓強度fcc，單位N/mm2。第二十七頁，共七十頁，2022年，8月28日第3章材料的物理力學性能

3.2混凝土的物理力學性能

1立方體抗壓強度

影響因素：按上述規(guī)定所測得的具有95%保證率的抗壓強度稱為混凝土的立方體抗壓強度標準值。

尺寸效應：尺寸越大，內部缺陷較多，強度較低。反之愈高

加載速度：加載速度越快，強度越低。齡期：在一定的溫度和濕度條件下，混凝土的強度開始增長較快，后來逐漸減慢。第二十八頁，共七十頁，2022年，8月28日試驗的方法----試件兩端因受承受鋼板與試件端面間橫向摩擦力的作用，膨脹受到約束限制的程度隨離端部的距離而逐漸減小，致使裂縫大可能沿加載方向上下延伸發(fā)展，而是成斜向隨荷載增長，最終形成角錐面破壞。

將混凝土強度分為十四級，稱為混凝土強度等級，它是按立方體抗壓強度標準的大小劃分的，即C15,C20,C25,C30,C35,C40,C45,C50,C55,C60,C65,C70,C75,C80第二十九頁，共七十頁，2022年，8月28日2軸心抗壓強度

棱柱體高度的取值：

①擺脫端部摩擦力的影響；②試件不致失穩(wěn)。

試驗目的：采用棱柱體試件，反映混凝土的實際工作狀態(tài)。

試件尺寸：我國取mm為標準試件。第三十頁，共七十頁，2022年，8月28日

混凝土的其他設計強度指標，都可根據試驗分析與立方體抗壓強度標準值建立起相應的換算關系。軸心抗壓強度標準值與立方體抗壓強度標準值的關系如下2軸心抗壓強度

第三十一頁，共七十頁，2022年，8月28日3、軸心抗拉強度

混凝土的抗拉強度是混凝土的基本力學特征之一，一般只有抗壓強度的8%～10%，混凝土的抗拉強度取決于水泥石的強度和水泥石與骨料間的粘結強度。增加水泥量、減少水灰比、采用表面粗糙的骨料及良好的養(yǎng)護條件都可提高混凝土的抗拉強度。第三十二頁，共七十頁，2022年，8月28日試件尺寸100mm×100mm×500mm，兩端各埋入一根16的變形鋼筋，埋深為150mm，置于軸線上。用試驗機夾頭夾住兩端外伸的鋼筋施加拉力，破壞時試件在沒有鋼筋的中部截面被拉斷，平均拉應力即為混凝土的軸心抗拉強度。直接受拉試驗

第三十三頁，共七十頁，2022年，8月28日

《普通混凝土力學性能試驗方法標準》（GB/T50081-2002）采用邊長為150mm的立方體標準試件，劈裂抗拉強度為劈裂抗拉試驗

第三十四頁，共七十頁，2022年，8月28日

混凝土的其他設計強度指標，都可根據試驗分析與立方體抗壓強度標準值建立起相應的換算關系?；炷恋妮S心抗拉強度標準值與立方體抗壓強度標準值的關系如下：第三十五頁，共七十頁，2022年，8月28日

在實際工程中，雖然很少直接用混凝土作為受拉材料，但混凝土抗拉強度對構件的許多性能有重要影響，而且在構件的抗剪、抗扭、抗沖切計算中還直接運用混凝土的抗拉強度指標。第三十六頁，共七十頁，2022年，8月28日軸心抗壓強度和軸心抗拉強度設計值

軸心抗壓強度和軸心抗拉強度設計值是相應的標準值除以材料分項系數(shù)，具體如下第三十七頁，共七十頁，2022年，8月28日

軸心抗壓強度和軸心抗拉強度標準值

第三十八頁，共七十頁，2022年，8月28日3.2.2混凝土的變形

混凝土的變形可分為兩類：一類是荷載作用下的受力變形，包括單軸短期加載，多次重復加載以及荷載長期作用下的變形；另一類是體積變形，一般指混凝土收縮、膨脹以及由于溫度變化產生的變形等。

混凝土軸心受壓時的應力應變關系

第三十九頁，共七十頁，2022年，8月28日

在單軸短期荷載作用下，軸心受壓混凝土的應力應變關系是混凝土材料最基本的力學性能，它可以較全面的反應混凝土的強度和變形的特點，是對混凝土進行理論分析的基本依據，是研究和建立混凝土構件的承載力、變形、延性以及應用計算機進行構件的非線性全過程分析的重要依據。

1、一次短期加載下混凝土的變形性能第四十頁，共七十頁，2022年，8月28日

①當σ≤0.3時，關系接近于直線；②當σ=(0.3～0.8)時，關系偏離直線；③當σ=(0.8～1.0)時，內部微裂縫進入非穩(wěn)定發(fā)展階段?！逯祽?/p>

——極限壓應變

混凝土的應力—應變曲線

第四十一頁，共七十頁，2022年，8月28日混凝土軸心受壓時應力應變曲線的數(shù)學模型

美國E.Hognestad建議的模型

第四十二頁，共七十頁，2022年，8月28日西德Rüsch建議的模型

第四十三頁，共七十頁，2022年，8月28日《規(guī)范》推薦的模型

第四十四頁，共七十頁，2022年，8月28日2、混凝土的變形模量和彈性模量混凝土的彈性模量Ec=tgα0

混凝土的割線模量Ec″=tgα1=σc/εc

混凝土的切線模量Ec′=tgα=dσ/dε

第四十五頁，共七十頁，2022年，8月28日彈性模量

經統(tǒng)計分析

第四十六頁，共七十頁，2022年，8月28日3、長期荷載作用下混凝土的變形性能(徐變)

在不變的應力長期持續(xù)作用下，混凝土的變形隨時間而緩慢增長的現(xiàn)象稱為混凝土的徐變。

第四十七頁，共七十頁，2022年，8月28日混凝土的徐變對鋼筋混凝土結構的影響----在某種情況下，徐變有利于防止結構裂縫形成；有利于構件的應力重分布，減少應力集中現(xiàn)象及減少溫度應力等。

----由于混凝土的徐變使構件變形增大；在預應力混凝土構件中，徐變會導致預應力損失；徐變使受彎和偏心受壓構件的受壓區(qū)變形加大，故而使受彎構件撓度增加，使偏壓構件的附加偏心距增大而導致構件承載力的降低。有利影響不利影響總之，弊多利少，應盡量減少徐變。

第四十八頁，共七十頁，2022年，8月28日混凝土徐變產生的原因1是混凝土中的水泥凝膠體在荷載作用下產生粘性流動，并把它所承受的壓力逐漸轉給骨料顆粒，使骨料壓應力增大，試件變形也隨之增大；2是混凝土內部的微裂縫在荷載長期作用下不斷發(fā)展和增加，也使徐變增大。

當應力不大時，徐變的發(fā)展以第一個原因為主；當應力較大時，則以第二個原因為主。第四十九頁，共七十頁，2022年，8月28日影響徐變的因素

當σ≤0.5fcsh時，徐變與應力成正比，這種情況稱為線性徐變。

1)應力大小當σ=(0.5~0.8)fcsh時，徐變的增長速度比應力的增長速度快，為非線性徐變。當σ>0.8fcsh時，混凝土內部的微裂縫進入非穩(wěn)態(tài)發(fā)展，導致混凝土破壞。取σ=0.8fcsh作為混凝土的長期抗壓強度。初應力越大，徐變也越大。第五十頁，共七十頁，2022年，8月28日加載時混凝土的齡期越長，徐變越小。

為了減少徐變，應避免過早地給結構施加長期荷載，例如在施工期內避免過早地撤除構件的模板支柱等，也可以采取加快混凝土硬結的措施來減小齡期對徐變的影響。

2)齡期影響第五十一頁，共七十頁，2022年，8月28日

在混凝土的組成成分中，水灰比愈大，水泥水化后殘余的游離水愈多，徐變也愈大；水泥用量愈多，凝膠體在混凝土中所占比重也愈大，徐變也愈大；骨料愈堅硬，彈性模量愈大以及骨料所占體積比愈大，則由凝膠體流動后傳給骨料壓力所引起的變形也愈小，徐變也愈小。3)材料組成第五十二頁，共七十頁，2022年，8月28日

養(yǎng)護環(huán)境濕度愈大，溫度愈高，則水泥水化作用愈充分，徐變就愈小，混凝土在使用期間處于高溫、干燥條件下所產生的徐變比低溫、潮濕時明顯增大。此外，由于混凝土中水分的揮發(fā)逸散與構件的體積與表面積之比有關，因而構件尺寸愈大，表面積相對愈小，徐變就愈小。4)外部環(huán)境

第五十三頁，共七十頁，2022年，8月28日徐變對結構的影響：使構件的變形增加；在截面中引起應力重分布；在預應力混凝土結構中引起預應力損失。第五十四頁，共七十頁，2022年，8月28日2.1.3混凝土在重復荷載下的變形（疲勞變形）?如果我們將混凝土棱柱體試塊加荷使其壓應力達到某個數(shù)值σ，然后卸荷至零，并把這一循環(huán)多次重復下去，就稱為多次重復荷載。?我們通常把能使試件循環(huán)200萬次或次數(shù)稍多時發(fā)生破壞的壓應力稱為混凝土的疲勞抗壓強度，用符號表示。第五十五頁，共七十頁，2022年，8月28日

2.1.4混凝土的收縮、膨脹和溫度變形

混凝土在空氣中結硬時，體積要縮小，混凝土的收縮量可達3×10-4；混凝土的收縮是一種隨時間而增長的變形，結硬初期收縮變形發(fā)展較快，兩周完成收縮的1/4，一個月完成1/2，三個月后增長緩慢，一般2年后趨于穩(wěn)定，最終收縮應變ε約為(2~5)×10-4。

混凝土的收縮

第五十六頁，共七十頁，2022年，8月28日（1）水泥的品種：水泥強度等級越高，制成的混凝土收縮越大。（2）水泥的用量：水泥用量多、水灰比越大，收縮越大。（3）骨料的性質：骨料彈性模量高、級配好，收縮就小。（4）養(yǎng)護條件：干燥失水及高溫環(huán)境，收縮大。（5）混凝土制作方法：混凝土越密實，收縮越小。（6）使用環(huán)境：使用環(huán)境溫度、濕度越大，收縮越小。（7）構件的體積與表面積比值：比值大時，收縮小。收縮的影響因素第五十七頁，共七十頁，2022年，8月28日混凝土的膨脹

在水中結硬時，則體積膨脹?；炷恋呐蛎浱匦詫炷翗嫾怯欣?，故一般不予考慮。

收縮和膨脹是在混凝土不受力的情況下而產生的變形，一般來說，收縮值比膨脹值大得多。第五十八頁，共七十頁，2022年，8月28日溫度變形

溫度變形也是混凝土在非荷載狀態(tài)下，產生內力的一個重要因素。混凝土的線膨脹系數(shù)隨骨料性質及配合比而變化，約為(1~1.5)×10-5，一般取1.0×10-5。第五十九頁，共七十頁，2022年，8月28日

混凝土與鋼筋的線膨脹系數(shù)是相近的。溫度變化時，在混凝土和鋼筋之間引起的內應力很小，不致產生相對的變形。溫度變形的影響

水泥在水化作用時排出的熱量導致構件內部的溫度上升，構件表面由于便于散熱而溫度相對較低。構件內外的這種溫差就會引起應力，從而導致混凝土開裂。第六十頁，共七十頁，2022年，8月28日

溫度的變化與水泥種類、水泥含量、新拌混凝土的溫度、混凝土硬化速度、構件尺寸等因素有關。

大體積混凝土結構以及水池、煙囪等結構由溫度變化引起的溫度應力必須予以考慮。第六十一頁，共七十頁，2022年，8月28日2.3鋼筋與混凝土的粘結2.3.1粘結的作用及產生的原因1粘結的作用是鋼筋和混凝土共同工作的基礎,是界面上的剪應力,使鋼筋應力沿長度發(fā)生變化。2粘結產生的原因:一是因為混凝土的收縮將鋼筋緊緊握固而產生的摩擦力;二是因為混凝土顆粒的化學作用產生的混凝土與鋼筋之間的膠合力;三是由于鋼筋表面凹凸不平與混凝土之間產生的機械咬合力。第六十二頁，共七十頁，2022年，8月28日2.3.2粘結力的測定通常采用拔出試驗方法lTdmaxu第六十三頁，共七十頁，2022年，8月28日根據拔出試驗可知:①粘結應力沿鋼筋長度是按曲線分布，最大粘結應力在離端頭某一距離處，且隨拔出力的大小而變化;②鋼筋埋人長度越長，拔出力越大。但埋入長度過長時,尾部的粘結應力很小，甚至為零;③粘結強度(即混凝土和鋼筋界面上可以達到的極限粘結應力)隨混凝土強度等級的提高而增大;④帶肋鋼筋的粘結強度比光面鋼筋的大，而在光面鋼筋末端做彎鉤可以大大提高拔出力。第六十四頁，共七十頁，2022年，8月28日2.3.3保證可靠粘結的