1、第二章 鋼筋和混凝土材料的力學性能,第二章 鋼筋和混凝土的材料性能,2.1 混凝土,2.1 砼的物理力學性能 混凝土砼（tong) 2.1.1 混凝土的組成結構 普通砼是由水泥、砂子（細骨料）、石子（粗骨料）用水拌和澆筑養(yǎng)護結硬后形成的人工石材。 砼宏觀結構砂漿和粗骨料兩組分體系 砼的收縮存在微裂縫 2.1.2 單軸向應力狀態(tài)下的砼強度 1、砼的抗壓強度 （1）砼的立方體抗壓強度和強度等級 在砼結構中，主要是利用它的抗壓強度。因此抗壓強度是混凝土力學性能中最主要和最基本的指標。,第二章 鋼筋和混凝土的材料性能,2.1 混凝土,混凝土的強度等級是用立方體抗壓強度來劃分的 混凝土強度等級：邊長15

2、0mm立方體標準試件，在標準條件下（203，90%濕度）養(yǎng)護28天，用標準試驗方法（加載速度0.150.3N/mm2/sec，兩端不涂潤滑劑）測得的具有95%保證率的立方體抗壓強度，用符號C表示，C30表示fcu,k=30N/mm2 規(guī)范根據(jù)強度范圍，從C15C80共劃分為14個強度等級，級差為5N/mm2。與原規(guī)范GBJ10-89相比，混凝土強度等級范圍由C60提高到C80，C50以上為高強混凝土，有關指標和計算公式在C50與原規(guī)范GBJ10-89銜接。,第二章 鋼筋和混凝土的材料性能,2.1 混凝土,不涂潤滑劑,試 驗 錄 像,第二章 鋼筋和混凝土的材料性能,2.1 混凝土,100mm立方

3、體強度與標準立方體強度之間的換算關系,小于C50的混凝土，修正系數(shù)m =0.95。隨混凝土強度的提高，修正系數(shù)m 值有所降低。當fcu100=100N/mm2時，換算系數(shù)m 約為0.9,美國、日本、加拿大等國家，采用圓柱體（直徑150mm，高300 mm）標準試件測定的抗壓強度來劃分強度等級，符號記為 fc。 圓柱體強度與我國標準立方體抗壓強度的換算關系為，,立方體和圓柱體抗壓試驗都不能代表混凝土在實際構件中的受力狀態(tài)，只是用來在同一標準條件下比較混凝土強度水平和品質的標準（制作、測試方便）。,第二章 鋼筋和混凝土的材料性能,2.1 混凝土,（2）軸心抗壓強度,軸心抗壓強度采用棱柱體試件測定，

4、用符號fc表示，它比較接近實際構件中混凝土的受壓情況。棱柱體試件高寬比一般為h/b=34，我國通常取150mm150mm450mm的棱柱體試件，也常用100100300試件。 對于同一混凝土，棱柱體抗壓強度小于立方體抗壓強度。棱柱體抗壓強度和立方體抗壓強度的換算關系為，,規(guī)范對小于C50級的混凝土取k=0.76，對C80取k=0.82，其間按線性插值,試 驗 錄 像,第二章 鋼筋和混凝土的材料性能,2.1 混凝土,2、軸心抗拉強度,也是其基本力學性能，用符號 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。,試 驗 錄 像,第二章 鋼筋和混凝土的材料性

5、能,2.1 混凝土,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,第二章 鋼筋和混凝土的材料性能,2.1 混凝土,2.1.3 復雜應力下混凝土的受力性能,雙軸應力狀態(tài) Biaxial Stress State,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、彎剪扭和壓彎剪扭構件、混凝土拱壩、核電站安全殼等。,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(1.251.60 )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

6、變。,第二章 鋼筋和混凝土的材料性能,2.1 混凝土,在一軸受壓一軸受拉狀態(tài)下，任意應力比情況下均不超過其相應單軸強度。并且抗壓強度或抗拉強度均隨另一方向拉應力或壓應力的增加而減小。,2.1.3 復雜應力下混凝土的受力性能,雙軸應力狀態(tài) Biaxial Stress State,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、彎剪扭和壓彎剪扭構件、混凝土拱壩、核電站安全殼等。,第二章 鋼筋和混凝土的材料性能,2.1 混凝土,在一軸受壓一軸受拉狀態(tài)下，任意應力比情況下均不超過其相應單軸強度。并且抗壓強度或抗拉強度均隨另一方向拉應力或壓應力的增加而

7、減小。,2.1.3 復雜應力下混凝土的受力性能,雙軸應力狀態(tài) Biaxial Stress State,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、彎剪扭和壓彎剪扭構件、混凝土拱壩、核電站安全殼等。,試 驗 錄 像,第二章 鋼筋和混凝土的材料性能,2.1 混凝土,構件受剪或受扭時常遇到剪應力t 和正應力s 共同作用下的復合受力情況。,混凝土的抗剪強度：隨拉應力增大而減小 隨壓應力增大而增大 當壓應力在0.6fc左右時，抗剪強度達到最大， 壓應力繼續(xù)增大，則由于內裂縫發(fā)展明顯，抗剪強度將隨壓應力的增大而減小。,第二章 鋼筋和混凝土的材料性能,

8、2.1 混凝土,三軸應力狀態(tài) Triaxial Stress State,三軸應力狀態(tài)有多種組合，實際工程遇到較多的螺旋箍筋柱和鋼管混凝土柱中的混凝土為三向受壓狀態(tài)。三向受壓試驗一般采用圓柱體在等側壓條件進行。,第二章 鋼筋和混凝土的材料性能,2.1 混凝土,2.1.4 混凝土的變形 1. 一次短期加載下砼的變形性能 (1)單軸（單調）受壓應力-應變關系Stress- strain Relationship,混凝土單軸受力時的應力-應變關系反映了混凝土受力全過程的重要力學特征 是分析混凝土構件應力、建立承載力和變形計算理論的必要依據(jù)，也是利用計算機進行非線性分析的基礎。,混凝土單軸受壓應力-應

9、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。,第二章 鋼筋和混凝土的材料性能,2.1 混凝土,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。,試 驗 錄 像,第二章 鋼筋和混凝土的材料性能,2.1 混凝土,A點以前，微裂縫沒有明顯發(fā)展，混凝土的變形主要彈性變形，應力-應變關系近似直線。A點應力隨混凝土強度的提高而增加，對普通強度混凝土sA約為 (0.30.4)f

10、c ，對高強混凝土sA可達(0.50.7)fc。,A點以后，由于微裂縫處的應力集中，裂縫開始有所延伸發(fā)展，產生部分塑性變形，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。,混凝土在結硬過程中，由于水泥石的收縮、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，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。,達到B點，內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

11、度。普通強度混凝土sB約為0.8fc，高強強度混凝土sB可達0.95fc以上。,達到C點fc，內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 e 0，約為0.002。,縱向應變發(fā)展達到D點，內部裂縫在試件表面出現(xiàn)第一條可見平行于受力方向的縱向裂縫。,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，混凝土骨料與砂漿的粘結不斷遭到破，裂縫連通形成斜向破壞面。E點的應變e = (23) e 0，應力s = (0.40.6) fc。,第二章 鋼筋和混凝土的材料性能,2.1 混凝土,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

12、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。,第二章 鋼筋和混凝土的材料性能,2.1 混凝土,根據(jù)以上條件，過鎮(zhèn)海提出的應力-應變全曲線表達式,a=Ec/E0， Ec為初始彈性模量； E0為峰值點時的割線模量， 為滿足條件和，一般應有1.5a3；ac 為下降段參數(shù),（2）砼單軸向受壓應力應變曲線的數(shù)學模型,2.1 混凝土,第二章 鋼筋和混凝土的材料性能,Hognestad建議的應力-應變曲線,第二章 鋼筋和混凝土的材料性能,規(guī)范應力-應變關系,上升段：,下降段：,2.1 混凝土,第二章 鋼筋和混凝土的材料性能,（4）混凝土的彈性模量

13、 Elastic Modulus,原點切線模量 Elastic Modulus,割線模量 Secant Modulus,切線模量 Tangent Modulus,彈性系數(shù)n (coefficient of elasticity) 隨應力增大而減小 n =10.5,2.1 混凝土,第二章 鋼筋和混凝土的材料性能,彈性模量測定方法,2.1 混凝土,第二章 鋼筋和混凝土的材料性能,2.1 混凝土,（5）混凝土受拉應力-應變關系,纖維混凝土,第二章 鋼筋和混凝土的材料性能,2.1 混凝土, 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)

14、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。 小尺寸構件收縮大，大尺寸構件收縮小。 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施工縫。,第二章 鋼筋和混凝土的材料性能,2.1 混凝土,2、砼在荷載的長期作用下的變形性能徐變 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（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。 不過，徐變有利于結構構件產生內（應）力重分布

15、，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。,第二章 鋼筋和混凝土的材料性能,2.1 混凝土,在應力（0.5fc）作用瞬間，首先產生瞬時彈性應變eel（= 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（7080）%，以后增長逐漸緩慢，23年后趨于穩(wěn)定。,第二章 鋼筋和混

16、凝土的材料性能,2.1 混凝土,記(t-t0)時間后的總應變?yōu)閑 c(t,t0)，此時混凝土的收縮應變?yōu)閑sh(t，t0)，則徐變?yōu)椋?ecr (t,t0) = ec(t,t0)- e c(t0)- esh(t,t0)= ec(t,t0)- eel- esh(t,t0),第二章 鋼筋和混凝土的材料性能,2.1 混凝土,如在時間t 卸載，則會產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 eel。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,第二章 鋼筋和混凝土的材料性能,2.1

17、 混凝土,徐變系數(shù)j (t，t0) Creep Coefficient,當初始應力小于0.5fc時，徐變在2年以后可趨于穩(wěn)定，最終的徐變系數(shù)j =24。,影響因素 內在因素是混凝土的組成和配比。骨料(aggregate)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(curing)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（2035）%。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。,第二章 鋼筋和混凝土的材料性能,2.1 混凝土,應力條件是指初應力(initial stress)水平si

18、/fc和加荷時混凝土的齡期t0，它們影響徐變的非常主要的因素。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 /eel =Ececr /si =常數(shù)，這種徐變稱為線性徐變。 當初應力si 在(0.50.8) 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。 高強混凝土的密實性好，在相同的s /fc比值下，徐變比普通

19、混凝土小得多。但由于高強混凝土承受較高的應力值，初始變形較大，故兩者總變形接近。此外，高強混凝土線性徐變的范圍可達0.65fc，長期強度約為0.85fc，也比普通混凝土大一些。,第二章 鋼筋和混凝土的材料性能,2.1 混凝土,第二章 鋼筋和混凝土的材料性能,2.1 混凝土,第二章 鋼筋和混凝土的材料性能,2.1 混凝土,4、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。 在水中硬化會膨脹 收縮是混凝土在不受外力情況下體積變化產生的變形。 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

20、會使預應力混凝土構件產生預應力損失。 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力。,墻板干燥收縮裂縫與邊框架的變形,第二章 鋼筋和混凝土的材料性能,2.1 混凝土,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(25)10-4 混凝土開裂應變?yōu)?0.52.7)10-4,第二章 鋼筋和混凝土的材料性能,2.2 鋼筋,2.2 鋼 筋 Steel Reinforcement 一、鋼材化學成分 化學成分：鐵(Fe) 碳 (C) 硅(Si)

21、錳(Mn) 硫(S) 磷(P) 氧(O) 氮(N) 鐵(Fe)主要成分，占90以上 碳(C) 含碳量高，強度高，塑性差;含碳量低，強度低，塑性好。 硅(Si) 錳(Mn) 合金元素 硫(S) 氧(O) 使鋼材高溫變脆 磷(P) 氮(N)使鋼材低溫溫變脆低碳鋼 0.25% 碳素鋼 中碳鋼 0.250.6 按化學成分分類：高碳鋼 0.61.4 普通低合金鋼 硅錳鈦釩鉻,第二章 鋼筋和混凝土的材料性能,2.2 鋼筋,二、鋼筋的品種 熱軋鋼筋、中高強鋼絲和鋼絞線、熱處理鋼筋和冷加工鋼筋,第二章 鋼筋和混凝土的材料性能,2.2 鋼 筋,1.熱軋鋼筋 Hot Rolled Steel Reinforcin

22、g Bar HPB300級、HRB335級、 HRB400級、RRB400級、 HRB500級 HRBF335級、 HRB400F級、RRB400F級、 HRB500F級,HPB,HRB,Robbed 帶肋,RRB,屈服強度 fyk（標準值=鋼材廢品限值，保證率97.73%）HPB300級： fyk = 300 N/mm2 HRB335級： fyk = 335 N/mm2 HRB400級、RRB400級： fyk = 400 N/mm2,熱軋,Ribbed,帶肋,軋制,第二章 鋼筋和混凝土的材料性能,2.2 鋼 筋,HPB300級(級)鋼筋多為光面鋼筋（Plain Bar），多作為現(xiàn)澆樓板的受

23、力鋼筋和箍筋。 HRB335級(級)和 HRB400級(級)鋼筋強度較高，多作為鋼筋混凝土構件的受力鋼筋，尺寸較大的構件，也有用級鋼筋作箍筋的為增強與混凝土的粘結，外形制作成月牙肋或等高肋的變形鋼筋（Deformed Bar） 級鋼筋不適宜作為鋼筋混凝土構件中的配筋，一般冷拉后作預應力筋。 延伸率d5=25、16、14、10%，直徑840。,第二章 鋼筋和混凝土的材料性能,2.2 鋼筋,2.鋼絲，中強鋼絲的強度為8001200MPa，高強鋼絲、鋼絞線的為 1470 1860MPa；延伸率d10=6%，d100=3.54%；鋼絲的直徑39mm；外形有光面、刻痕和螺旋肋三種，另有二股、三股和七股鋼

24、絞線，外接圓直徑9.515.2 mm。中高強鋼絲和鋼絞線均用于預應力混凝土結構。 3.冷加工鋼筋是由熱軋鋼筋和盤條經(jīng)冷拉、冷拔、冷軋、冷扭加工后而成。冷加工的目的是為了提高鋼筋的強度，節(jié)約鋼材。但經(jīng)冷加工后，鋼筋的延伸率降低。近年來，冷加工鋼筋的品種很多，應根據(jù)專門規(guī)程使用。 4.熱處理鋼筋是將級鋼筋通過加熱、淬火和回火等調質工藝處理，使強度得到較大幅度的提高，而延伸率降低不多。用于預應力混凝土結構。,第二章 鋼筋和混凝土的材料性能,2.2 鋼筋,三、鋼筋的應力-應變關系 有明顯屈服點的鋼筋 Steel bar with yield point軟鋼,a為比例極限proportional lim

25、it s =Ese,a為彈性極限elastic limit,de為強化段strain hardening stage,b為屈服上限upper yield strength,c為屈服下限，即屈服強度 fy lower yield strength,cd為屈服臺階yield plateau,e為極限抗拉強度 fu ultimate tensile strength,第二章 鋼筋和混凝土的材料性能,2.2 鋼筋,幾個指標： 屈服強度yield strength：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生很大的變形和不可閉合的裂縫。屈服上

26、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elongation rate：鋼筋拉斷時的應變，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，延性較好。,屈 強 比反映鋼筋的強度儲備，fy/fu=0.60.7。,均勻延伸率dgt對應最大應力時應變，包括了殘余應變和彈性應變，反映了鋼筋真實的變形能力(2.5%),第二章 鋼筋和混凝土的材料性能,2.2 鋼筋,有明顯屈服點鋼筋的應力-應變關系 一般可采用雙線性的理想彈塑性關系,第二章 鋼筋和混凝土的材料性能,2.2 鋼筋,無明顯屈服點的鋼筋Steel bar without yield point,a點：比例極

27、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 強度設計指標條件屈服點 殘余應變?yōu)?.2%所對應的應力 規(guī)范取s0.2 =0.85 fu,第二章 鋼筋和混凝土的材料性能,2.2 鋼筋,四、鋼筋的冷加工 冷加工方法：冷拉，冷拔，拉軋，冷（軋）扭 1. 冷拉,第二章 鋼筋和混凝土的材料性能,2.2 鋼筋,2. 冷拔,第二章 鋼筋和混凝土的材料性能,2.2 鋼筋,五、鋼筋的強度標準值 ( Characteristic or Standard Strength) 按冶金鋼材質量控制標準，鋼筋的強度標準值是取其出廠時的廢品限值，其

28、數(shù)值相當于fy,m-3s，具有97.73%的保證率，滿足建筑結構設計統(tǒng)一標準材料強度標準值保證率95%的要求。,第二章 鋼筋和混凝土的材料性能,2.2 鋼筋,第二章 鋼筋和混凝土的材料性能,2.2 鋼筋,六、砼結構對鋼筋性能的要求 強度高 屈服強度和極限強度 塑性 伸長率和冷彎性能 可焊性 與砼的粘結力 寒冷地區(qū)鋼筋的低溫性能要求,第二章 鋼筋和混凝土的材料性能,2.1 混凝土,4、混凝土強度的標準值,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。規(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)

29、相同，利用與立方體強度平均值的換算關系，便可按上式計算得到。 同時，規(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)：結構中混凝土強度與混凝土試件強度的比值，取0.88；脆性折減系數(shù)，對C40取1.0，對C80取0.87，中間按線性規(guī)律變化。,第二章 鋼筋和混凝土的材料性能,2.1 混凝土,例 fcu=30MPa, d =0.12, fcu,m=fcu/(1-1.645d) fc,m=0.76fcu,m fc,k=fc,m(1-1.645d)0.881.0 =0.76fcu0.88 1.0 =20.06MPa,第二章 鋼筋和混凝土的材料性能,2.1 混凝土,了解混凝土的破壞機理，不僅可以解釋各種不同試驗混凝土強度的差別，還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