第2章混凝土結構材料的物理力學性能鋼筋混凝土兩者間的粘結強度變形粘結破壞的過程和機理

2.1混凝土的物理力學性能2.1.1混凝土的組成2.1.2

單軸應力狀態(tài)下混凝土的強度2.1.3復合應力狀態(tài)下混凝土的強度2.1.4混凝土的變形2.1.1混凝土的組成混凝土的組份：骨料水泥結晶體水泥凝膠體彈性變形的基礎塑性變形的基礎混凝土的強度及變形隨時間、隨環(huán)境的變化而變化。水泥、石、砂、水按一定的配合比制成不同等級的砼。2.1.2單軸向應力狀態(tài)下的混凝土強度1.混凝土的抗壓強度（1）混凝土的立方體抗壓強度和強度等級承壓板試塊

試件在溫度為200C±30C，相對濕度90%以上的標準條件下養(yǎng)護28天

加載速度為：混凝土強等級低于C30時，控制在0.3MPa／S～0.5MPa／S

；混凝土強等級等于或高于C30時，控制在0.5MPa／S～0.8MPa／S

。立方體抗壓強度fcu承壓板試塊摩擦力不涂潤滑劑涂潤滑劑強度大于我國規(guī)范的方法：不涂潤滑劑壓力試件裂縫發(fā)展擴張整個體系解體，喪失承載力另影響強度的因素還有：齡期、加載速率、試塊尺寸等1246211028d2010304050在干燥環(huán)境下在潮濕環(huán)境下/年t立方體強度隨齡期的變化關系

標準試塊：150×150×150非標準試塊：100×100×100換算系數(shù)0.95200×200×200換算系數(shù)1.05立方體抗壓強度fcu立方體抗壓強度是區(qū)分混凝土強度等級的指標，我國規(guī)范混凝土的強度等級有：C15，C20，C25，C30，C35，C40，C45，C50，C55，C60，C65，C70，C75，C80表示混凝土Concrete立方體抗壓強度強度指標的確定強度隨機變量強度標準值根據(jù)統(tǒng)計資料，運用數(shù)理統(tǒng)計方法確定的具有一定保證率（95%）的統(tǒng)計特征值：強度標準值=強度平均值-1.645×均方差概率密度材料強度強度平均值強度標準值（2）混凝土的軸心抗壓強度承壓板試塊標準試塊：150×150×300非標準試塊：100×100×300換算系數(shù)0.95200×200×400換算系數(shù)1.0510102020803030404050506070701009080600

混凝土軸心抗壓強度與立方體抗壓強度的關系試驗結果：《規(guī)范》平均值的換算關系：

C50及以下取αc1＝0．76C80取αc1＝0．82

C50～C80之間按線性規(guī)律變化取值《規(guī)范》考慮到:1.實際結構中混凝土的制備、構件尺寸、混凝土成型和養(yǎng)護方法、加荷方式及受力情況與棱柱體試件之間存在的差異,取修正系數(shù)取為0．88

2.考慮高強混凝土脆性，脆性折減系數(shù)C40及以下?。?．0C80?。?．87C40～

C80之間按線性規(guī)律變化取值

對國外（美國、日本、歐洲混凝土協(xié)會等）采用的圓柱體試件（d=150,h=300），有fc’=0.79fcu圓柱體抗壓強度2.混凝土的抗拉強度(1)軸心抗拉強度也是混凝土的基本力學性能，用符號

ft表示。混凝土構件開裂、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。軸心抗拉與立方抗壓強度的關系A.修正系數(shù)取為0．88B.高強混凝土脆性折減系數(shù)αc2

平均值之間的換算關系：《規(guī)范》考慮到：

拉壓壓劈拉試驗aPP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。混凝土強度劈拉強度與立方體抗壓強度的換算關系:

2.1.3復合應力狀態(tài)下混凝土的強度雙軸應力下的強度雙向正應力下的強度曲線-1.2-1.2-1.0-1.0-0.8-0.8-0.6-0.6-0.4-0.4-0.2-0.20.20.2=s1s2s1s1s220200-0.10.10.10.20.20.30.30.40.40.50.60.70.80.91.0法向應力和剪應力組合下的強度

三向受壓時的混凝土強度1=fcc’1=fcc’2=3=fLfL----側向約束壓應力（加液壓）圓柱體試驗有側向約束時的抗壓強度無側向約束時圓柱體的單軸抗壓強度2.1.4混凝土的變形1.一次短期加載下混凝土的變形性能(1)混凝土受壓時的應力---應變關系（Stress-strainRelationship

）

混凝土單軸受壓應力-應變關系曲線，常采用棱柱體試件來測定。

在普通試驗機上采用等應力速度加載，達到軸心抗壓強度fc時，試驗機中集聚的彈性應變能大于試件所能吸收的應變能，會導致試件產生突然脆性破壞，只能測得應力-應變曲線的上升段。

采用等應變速度加載，或在試件旁附設高彈性元件與試件一同受壓，以吸收試驗機內集聚的應變能，可以測得應力-應變曲線的下降段。作用是：峰值應力后，吸收試驗機的變形能，測出下降段混凝土的破壞機理由上述混凝土的破壞機理可知，微裂縫的發(fā)展導致橫向變形的增大。對橫向變形加以約束，就可以限制微裂縫的發(fā)展，從而可提高混凝土的抗壓強度。約束混凝土可以提高混凝土的強度，但更值得注意的是可以提高混凝土的變形能力，這一點對于抗震結構非常重要。(MPa)fco0(10-3)abcd225201510546810混凝土強度提高加載速度減慢s/MPa0e10203040305060700.0040.0060.0080.0020.0100.012PP

不同強度等級的應力—應變曲線

加載速率的影響若采用無量綱坐標x=e/e0，y=s/fc，則混凝土應力-應變全曲線的幾何特征必須滿足:(2)混凝土受壓時的應力---應變關系數(shù)學模型單軸受壓時的應力-應變關系的數(shù)學模型u=0.00380=0.002ocfcc0.15fcu=0.00350=0.002ocfcc美國Hognestad模型德國Rüsch模型單軸受壓時的應力-應變關系的數(shù)學模型----中國規(guī)范u0ocfcc(3)三向受壓狀態(tài)下混凝土的變形特點

試件縱向受壓時，混凝土的橫向膨脹受到約束，使核心混凝土處于三向受壓狀態(tài)，內部微裂縫的發(fā)展受到抑制，從而提高了試件的縱向強度和延性，特別是延性大為提高?；炷翀A柱體三向受壓時軸向應力—應變曲線

螺旋箍

方形箍

非約束區(qū)

螺旋箍筋約束混凝土的應力—應變曲線

(4)混凝土的變形模量彈性模量的測定方法24310203010401050106010701080Ec+104Mpa試驗結果

彈性模量與立方體強度的關系(5)混凝土受拉時的應力——應變關系TheTensionConstitutiveRelationshipofConcrete彈性系數(shù)約為0.5不同強度混凝土應力－應變關系的比較強度等級越高，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。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。2.荷載長期作用下混凝土的變形性能——徐變瞬時恢復彈性后效殘余應變收縮應變徐變應變瞬時應變徐變會使結構（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。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。因此，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。徐變系數(shù)（CreepCoefficient）

徐變與混凝土持續(xù)應力大小有密切關系，應力越大徐變也越大；混凝土加載齡期越長，徐變越小；水泥含量越大，徐變越大；骨料彈性模量高、級配好，徐變就?。桓稍锸案邷丨h(huán)境，徐變大；高強混凝土徐變小。混凝土徐變的影響因素產生徐變的主要原因是水泥凝膠體和內部微裂縫的擴展線性徐變破壞重復荷載下的應力-應變曲線fcf321疲勞強度<fcfcf的確定原則：100×100×300或150×150×450的棱柱體試塊承受200萬次（或以上）循環(huán)荷載時發(fā)生破壞的最大壓應力值3.混凝土在荷載重復作用下的變形——疲勞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。通常，最終收縮應變值約為(2~5)×10-4

，而混凝土開裂應變?yōu)?0.5~2.7)×10-4，說明收縮會導致開裂。01213141214161811012101815月

常溫養(yǎng)護

蒸汽養(yǎng)護

4.混凝土的收縮與膨脹混凝土收縮包括凝縮和干縮兩部分，凝縮是由于水泥結晶體比原材料的體積??；干縮是混凝土內自由水分蒸發(fā)引起的?；炷恋氖湛s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??；干燥失水及高溫環(huán)境，收縮大；小尺寸構件收縮大，大尺寸構件收縮??；高強混凝土收縮大。影響收縮的因素多且復雜，要精確計算尚有一定的困難。在實際工程中，要采取一定措施減小收縮應力的不利影響?；炷潦湛s的影響因素當這種自發(fā)的變形受到外部（支座）或內部（鋼筋）的約束時，將使混凝土中產生拉應力，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生預應力損失。

2.2鋼筋的物理力學性能2.2.1鋼筋的種類2.2.2鋼筋的強度與變形2.2.3鋼筋應力—應變關系數(shù)學模型2.2.4鋼筋的疲勞2.2.5混凝土結構對鋼筋性能的要求2.2.1鋼筋的種類1.按化學成分碳素鋼（鐵、碳、硅、錳、硫、磷等元素）低碳鋼（含碳量<0.25%）中碳鋼（含碳量0.25~0.6%）高碳鋼（含碳量0.6~1.4%）普通低合金鋼（另加硅、錳、鈦、釩、鉻等）錳系硅釩系硅鈦系硅錳系硅鉻系鋼筋熱軋鋼筋：熱軋光面鋼筋HPB235，熱軋帶肋鋼筋HRB335、HRB400，余熱處理鋼筋RRB400冷拉鋼筋：由熱軋鋼筋在常溫下用機械拉伸而成熱處理鋼筋：將HRB400、RRB400鋼筋通過加熱、淬火、回火而成2.按加工鋼絲碳素鋼絲：高碳鎮(zhèn)靜鋼通過多次冷拔、應力消除、矯正、回火處理而成刻痕鋼絲：在鋼絲表面刻痕，以增強其與混凝土間的粘結力鋼絞線：若干根相同直徑的鋼絲成螺旋狀鉸繞在一起冷拔低碳鋼絲：由低碳鋼冷拔而成3.按表面形狀光圓鋼筋變形鋼筋4.鋼筋的應用范圍非預應力鋼筋：HPB235，HRB335，HRB400，RRB400預應力鋼筋：碳素鋼絲，刻痕鋼絲，鋼絞線，熱處理鋼筋，冷拉鋼筋5.熱軋鋼筋的符號說明HPB235

生產工藝：hotrolled表面形狀：plain鋼筋：bar屈服強度種類符號fyf

'y熱軋鋼筋HPB235(Q235)210210HRB335(20MnSi)300300HRB400(20MnSiV、20MnSiNb、20MnTi)360360RRB400(K20MnSi)R360360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-treated6.鋼筋的冷加工和熱處理冷拉BKZZ’K’殘余變形冷拉伸長率無時效經時效K點的選擇：應力控制和應變控制溫度的影響：溫度達700oC時恢復到冷拉前的狀態(tài)，先焊后拉特性：只提高抗拉強度，不提高抗壓強度，強度提高，塑性下降冷拔經過冷拔后鋼筋沒有明顯的屈服點和流幅冷拔既能提高抗拉強度又能提高抗壓強度熱處理對特定鋼號的鋼筋進行淬火和回火處理強度提高，塑性降低不降低強度的前提下，消除由淬火產生的內力，改善塑性和韌性2.2.2鋼筋的強度與變形AB’BCDE上屈服點不穩(wěn)定下屈服點出現(xiàn)頸縮拉斷BC段為屈服平臺CD段為強化段0.2%0.2標距有明顯流幅的鋼筋無明顯流幅的鋼筋鋼筋受壓和受拉時的應力-應變曲線幾乎相同AB’BCDE0.2%0.2強度指標*明顯流幅的鋼筋：下屈服點對應的強度作為設計強度的依據(jù)，因為，鋼筋屈服后會產生大的塑性變形，鋼筋混凝土構件會產生不可恢復的變形和不可閉合的裂縫，以至不能使用*無明顯流幅的鋼筋：殘余應變?yōu)?.2%時所對應的應力作為條件屈服強度,隨著冶金系統(tǒng)采用國際標準及質量的提高，在相應的產品標準中明確規(guī)定屈服強度σ0.2不得小于極限抗拉強度σb的85%（0.85σb）。因此，實際應用中可取極限抗拉強度σb的85%作為條件屈服點

反映鋼筋力學性能的基本指標：屈服強度、延伸率和強屈比對于有明顯屈服點鋼筋，其屈服強度定義為屈服下限。強屈比為極限強度與屈服強度的比值，熱軋鋼筋通常在

1.4～1.6之間。鋼筋在拉斷時的應變稱為延伸率，定義為：為試件的標距鋼筋標距通常取為5d或10d，標距范圍包括了鋼筋的頸縮區(qū)域，而該區(qū)域的變形占試件變形的絕大部分且與試件標距的大小關系不大，所以導致不同標距的試件測得的延伸率不同。目前多采用均勻延伸率來反映鋼筋的變形能力冷彎性能是反映鋼筋變形能力的另一個指標不同鋼筋應力－應變關系的比較2.2.3鋼筋的應力—應變曲線數(shù)學模型sss=Essys,hfysss=Essys,hfyfs,us,us,usss=Essyfys,hfs,u有明顯流幅的鋼筋無明顯流幅的鋼筋2.2.4鋼筋的疲勞重復荷載作用下，鋼筋的強度<靜載作用下的強度規(guī)定的應力幅度內，經一定次數(shù)的重復荷載后，發(fā)生疲勞破壞的最大應力值稱為疲勞強度。對鋼筋用疲勞應力幅來表示其疲勞強度。試驗方法單根鋼筋的軸拉疲勞鋼筋埋入混凝土中重復受拉或受彎鋼筋疲勞斷裂的原因：一般認為是重復荷載作用下，由于鋼筋內部和外部的缺陷引起的應力集中。高應力作用下鋼筋中弱晶?；?，產生疲勞裂紋，隨著重復作用次數(shù)的增加，疲勞裂紋的不斷擴展，最終導致鋼筋斷裂影響鋼筋疲勞的因素

疲勞應力幅鋼筋外表面幾何尺寸和形狀鋼筋直徑、鋼筋強度等級鋼筋軋制工藝和試驗方法鋼筋疲勞應力比值2.2.5混凝土結構對鋼筋性能的要求強度－屈服強度塑性－延伸率和冷彎性能具有較好的可焊性有較好的粘結力－帶肋鋼筋

2.3混凝土與鋼筋的粘結2.3.1粘結的意義2.3.2

粘結力的組成2.3.3粘結強度2.3.4

影響粘結的因素2.3.5鋼筋的錨固與搭接2.3.1粘結的意義裂縫出現(xiàn)前的粘結作用PPM2=M1+MM1T2=T1+TT1xM2=M1+MM1理想分布實際分布st梁中粘結應力的分布與V的分布規(guī)律相同；實際上由于微裂縫的存在分布規(guī)律還要變化鋼筋的周長PP裂縫出現(xiàn)后的粘結作用T兩種粘結作用錨固粘結保證鋼筋和混凝土共同工作縫間粘結改善鋼筋混凝土的耗能性能光圓鋼筋粘附力摩擦力機械咬合力（鋼筋表面不平、微銹時可顯著提高咬合力）有滑移時粘附力即消失鋼筋受力較大時粘結力主要由此二部分組成2.3.2粘結力的組成變形鋼筋粘附力摩擦力機械咬合力主要作用搭接機理2.3.3粘結強度拔出試驗搭接長度延伸長度半梁試驗搭接長度試驗截斷點延伸長度試驗1.粘結試驗光圓鋼筋鋼筋拔出2.粘結破壞形態(tài)變形鋼筋縱向分量徑向分量構件縱向開裂變形鋼筋縱向分量徑向分量混凝土撕裂混凝土局部擠碎刮出式破壞3.粘結力lcN一般用拔出試驗測出鋼筋與混凝土間的平均粘結強度鋼筋直徑埋置長度拔出拉力2.3.4影響粘結強度的因素1.混凝土強度等級0.100.40.30.2301020tMPaufMPatfcu=13.0~84.6MPad=16mm0.50.1smm00.40.30.2301040tMPa20Cd=2.6252.混凝土保護層厚度和鋼筋凈距對于帶肋筋,粘結強度與相對保護厚度c/d和鋼筋凈距s有關dsc