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第二章钢筋和混凝土材料的力学性能第1页，共78页，编辑于2022年，星期三混混凝凝土土结结构构主主要要用用钢钢筋筋和和混混凝凝土土材材料料制制作作而而成成。为为了了合合理理地地进进行行混混凝凝土土结结构构设设计计，需需要要深深入入地地了了解解混混凝凝土土和和钢钢筋筋的的受受力力性性能能。对对混混凝凝土土和和钢钢筋筋力力学学性性能能、相相互互作作用用和和共共同同工工作作的的了了解解，是是掌掌握握混混凝凝土土结结构构构构件件性性能能并并对对其其进进行分析与设计的基础。行分析与设计的基础。概 述第2页，共78页，编辑于2022年，星期三钢筋混凝土结构第3页，共78页，编辑于2022年，星期三本章重点本章重点熟悉土木工程用钢筋的品种、级别、性能及熟悉土木工程用钢筋的品种、级别、性能及其选用原则；其选用原则；熟悉熟悉混凝土在各种受力状态下的强度与变形性混凝土在各种受力状态下的强度与变形性能及其选用原则；能及其选用原则；了解了解钢筋与混凝土的粘结性能。钢筋与混凝土的粘结性能。第4页，共78页，编辑于2022年，星期三一、钢筋的物理力学性能按化学成分按化学成分碳素钢碳素钢（铁、碳、硅、锰、硫、磷等元素）低碳钢（含碳量0.25%）中碳钢（含碳量0.250.6%）高碳钢（含碳量0.61.4%）普通低合金钢普通低合金钢（另加硅、锰、钛、钒、铬等）锰系硅钒系硅钛系硅锰系硅铬系1.钢筋的成分、级别和品种钢筋的成分、级别和品种含碳量越高，强度越高，但塑性和可焊性减低20MnSi40Si2MnV45SiMnTi40Si2Mn45Si2Cr第5页，共78页，编辑于2022年，星期三一、钢筋的物理力学性能按表面形状按表面形状光圆钢筋光圆钢筋变形钢筋变形钢筋无明显屈服点钢筋（无明显屈服点钢筋（“硬钢硬钢”）按力学性能按力学性能有明显屈服点钢筋（有明显屈服点钢筋（“软钢软钢”）按使用用途按使用用途普通钢筋普通钢筋预应力钢筋预应力钢筋第6页，共78页，编辑于2022年，星期三钢筋钢筋热轧钢筋：热轧钢筋：由低碳钢和普通低合金钢在高温状态下轧制而成冷拉钢筋：冷拉钢筋：由热轧钢筋在常温下用机械拉伸而成热处理钢筋：热处理钢筋：将HRB400、RRB400钢筋通过加热、淬火、回火而成按加工方法按加工方法钢丝钢丝碳素钢丝：碳素钢丝：钢筋通过多次冷拔、应力消除、矫正、回火处理而成刻痕钢丝：刻痕钢丝：在钢丝表面刻痕，以增强其与混凝土间的粘结力钢绞线：钢绞线：几根相同直径的钢丝成螺旋状铰绕在一起一、钢筋的物理力学性能第7页，共78页，编辑于2022年，星期三一、钢筋的物理力学性能强度等级强度等级代号代号钢种钢种符号符号d/mmHPB235Q235（低碳钢）（低碳钢）620HRB33520MnSi（低合金（低合金钢）钢）650HRB40020MnSiV,20MnSiNb,20MnTi（低合金（低合金钢）钢）650RRB400K20MnSi（低合金（低合金钢）钢）840表表1-1 1-1 常用热轧钢筋的种类、代表符号和直径范围常用热轧钢筋的种类、代表符号和直径范围 注注：第第一一个个字字母母H（hotrolled）表表示示热热轧轧，R(Remainedheattreated)表表示示为为余余热热处处理理；第第二二个个字母字母P(Plain)表示光圆，表示光圆，R(ribbed)表示带肋；表示带肋；第三个字母第三个字母B（Bar）代表钢筋；）代表钢筋；数字数字表示标准强度。表示标准强度。u热轧钢筋热轧钢筋第8页，共78页，编辑于2022年，星期三余热处理钢筋第9页，共78页，编辑于2022年，星期三常用热轧钢筋的直径范围常用热轧钢筋的直径范围第10页，共78页，编辑于2022年，星期三常用热轧钢筋的直径范围常用热轧钢筋的直径范围第11页，共78页，编辑于2022年，星期三u热处理钢筋热处理钢筋热处理钢筋是由普通热轧中碳合金钢经淬火和回火调质热处理制成的。热轧的螺纹钢筋经淬火和回火热处理的钢筋，其强度更高并且具有较好的抗松弛性能，用于预应力混凝土构件。第12页，共78页，编辑于2022年，星期三是在常温条件下，以超过原来热轧钢筋屈服点强度的拉应力，强行拉伸钢筋，使钢筋产生塑性变形以达到提高钢筋屈服点强度和节约钢材的目的。但冷拉钢筋硬度大,韧性差。u冷拉钢筋冷拉钢筋第13页，共78页，编辑于2022年，星期三钢丝：钢丝有冷拔钢丝（高碳镇静钢轧制成圆盘后，经多道冷拔工序后制成），消除应力钢丝（高碳镇静钢轧制成圆盘后，经多道冷拔，并进行应力消除、矫直、回火处理后制成）,刻痕钢丝（在光面钢丝表面进行机械刻痕处理制成）、螺旋肋钢丝和低松弛钢丝（冷拔钢丝在张力状态下回火而成的钢丝）。冷拔低碳钢丝主要用于小型预应力混凝土构件，如梁、空心楼板、小型电杆。光面钢丝刻痕钢丝螺旋肋钢丝预应力多孔板u冷拔钢丝冷拔钢丝第14页，共78页，编辑于2022年，星期三u冷拔钢丝冷拔钢丝光面钢丝刻痕钢丝螺旋肋钢丝预应力多孔板第15页，共78页，编辑于2022年，星期三钢绞线：钢绞线由多根高强钢丝在绞线机上绞合，再经低温回火制成。按期股数可分为三股和七股。u冷绞线冷绞线第16页，共78页，编辑于2022年，星期三u冷绞线冷绞线钢绞线第17页，共78页，编辑于2022年，星期三HPB235为热轧为热轧光面光面钢筋，普通钢筋，钢筋，普通钢筋，“软钢软钢”HRB335和和HRB400是热轧是热轧变形变形钢筋，普通钢筋，钢筋，普通钢筋，“软钢软钢”RRB400是是余余热热处处理理钢钢筋筋，余余热热处处理理钢钢筋筋是是将将屈屈服服强强度度相相当当于于HRB335的的钢钢筋筋在在轧轧制制后后穿穿水水冷冷却却，然然后后利利用用芯芯部部的的余余热热对对钢钢筋筋表表面面的的淬淬水水硬硬壳壳回回火火处处理理而而成成的的变变形形钢钢筋筋。其其性性能能接接近近于于HRB400级级钢钢筋筋，但但不不如如HRB400级级钢钢筋筋稳稳定定，应应用用范范围围受受到到限制。限制。一、钢筋的物理力学性能第18页，共78页，编辑于2022年，星期三钢筋的直径范围并不表示在此范围内任何直径的钢筋钢厂都生产。钢筋的直径范围并不表示在此范围内任何直径的钢筋钢厂都生产。钢钢厂厂提提供供的的钢钢筋筋直直径径为为6mm，6.5mm，8mm，8.2mm，10mm，12mm，14mm，16mm，18mm，20mm，22mm，25mm，28mm，32mm，36mm，40mm和和50mm。其其中中，d=8.2mm的的钢钢筋筋仅仅适适用用于于有有纵纵肋肋的的热热处处理理钢钢筋筋。设设计计时时，应应在在表表1-1的的直直径径范范围围和和上上述述提提供供的的直直径径内内选选择择钢钢筋筋。当当采采用用直直径径大大于于40mm的的钢钢筋筋时时，应应有有可可靠靠的的工工程程经验。经验。一、钢筋的物理力学性能第19页，共78页，编辑于2022年，星期三钢钢筋筋表表面面形形状状的的选选择择取取决决于于钢钢筋筋的的强强度度。为为了了使使钢钢筋筋的的强强度度能能够够充充分分地地利利用用，强强度度越越高高的的钢钢筋筋要要求求与与混混凝凝土土粘粘结结的的强强度度越越大大。提提高高粘粘结结强强度度的的办办法法是是将将钢钢筋筋表表面面轧轧成成有有规规律律的的凸凸出出花花纹纹，称称为为变变形形钢钢筋筋。HPB235钢钢筋筋的的强强度度低低，表表面面做做成光面即可。成光面即可。螺螺旋旋纹纹和和人人字字纹纹(右右图图b，c):横横肋肋较较密密，消消耗耗于于肋肋纹纹的的钢钢材材较较多多;纵纵肋肋和和横横肋肋相相交交，容容易易造造成成应应力力集集中中,对对钢筋的动力性能不利钢筋的动力性能不利.月牙纹月牙纹(右图右图d)。一、钢筋的物理力学性能第20页，共78页，编辑于2022年，星期三人字肋钢筋月牙肋钢筋螺纹钢筋光圆钢筋（线材）光圆钢筋（盘条）第21页，共78页，编辑于2022年，星期三一、钢筋的物理力学性能ABBCDE上屈服点不稳定下屈服点出现颈缩拉断BC段为屈服平台CD段为强化段0.2%0.2标距有明显流幅的钢筋无明显流幅的钢筋钢筋受压和受拉时的应力钢筋受压和受拉时的应力-应变曲线几乎相同应变曲线几乎相同2.钢筋的应力钢筋的应力-应变曲线应变曲线第22页，共78页，编辑于2022年，星期三ABBCDE强度指标强度指标*有明显流幅的钢筋：有明显流幅的钢筋：在建立钢筋混凝土构件在建立钢筋混凝土构件截面承载力计算理论时，以截面承载力计算理论时，以下屈服点下屈服点对应的强度对应的强度作为设计时钢筋强度的取值（作为设计时钢筋强度的取值（fy）。）。一、钢筋的物理力学性能两点简化：两点简化：A.A.钢筋应力不大于屈服点时应力钢筋应力不大于屈服点时应力-应变关系应变关系-直服直服从胡克定律，处于理想弹性阶段；从胡克定律，处于理想弹性阶段；B.B.不利用应力强化阶段，假设钢筋混凝土构件截不利用应力强化阶段，假设钢筋混凝土构件截面达到破坏时，钢筋拉应力保持为屈服点应力。钢面达到破坏时，钢筋拉应力保持为屈服点应力。钢筋的极限强度筋的极限强度作为一种安全储备。作为一种安全储备。第23页，共78页，编辑于2022年，星期三种类符号fyk或fpyk（标准值）fy或fpy（设计值）热轧钢筋HPB235（I级，Q235）235210HRB335（II级，20MnSi）335300HRB400（III级，20MnSiV、20MnSiNb、20MnTi）400360RRB400（III级，K20MnSi）400360冷拉钢筋I级（d12）280250（210）II级d25d=2840450430380（310）360（310）级700420（360）冷轧带肋钢筋LL550（d=412）LL650（d=4、5、6）550650360（360）480（430）LL800（d=5）800530（380）热处理钢筋40Si2Mn（d=6）48Si2Mn（d=8.2）45Si2Cr（d=10）14701000（400）种类fatk或fptk碳素钢丝4、51770、1670、1570、147061670、15707、8、91570、1470刻痕钢丝5、71570、1470冷拔低碳钢丝甲级：45I组700650II组650600乙级：35550钢绞线二股d=10.0d=12.01720三股d=10.8d=12.91720七股d=9.5d=11.1d=12.7d=15.21860186018601860、1820、1720（d=9.0）（1770、1670）（d=12.0）（1670、1570）（d=15.0）（1470、1470）第24页，共78页，编辑于2022年，星期三0.2%0.2强度指标强度指标*无明显流幅的钢筋：无明显流幅的钢筋：残余应变为残余应变为0.2%时所对应的应力作为其强时所对应的应力作为其强度限值，称为度限值，称为条件屈服强度条件屈服强度，混凝土规范取，混凝土规范取0.20.85 b，b为极为极限抗拉强度。限抗拉强度。一、钢筋的物理力学性能s,usss=Essyfys,hfs,u第25页，共78页，编辑于2022年，星期三一、钢筋的物理力学性能强度指标的确定强度指标的确定强度随机变量强度标准值根据统计资料，运用数理统计方法确定的具有95以上保证率（钢筋为97.73%）的统计特征值：强度标准值（强度标准值（fykyk）=强度平均值强度平均值-22均方差均方差概率密度材料强度强度平均值强度标准值钢筋强度用钢筋强度用标准值标准值和和设计值设计值表示。表示。钢筋强度的设计值钢筋强度的设计值fy等于钢筋强度标等于钢筋强度标准值除以材料分项系数准值除以材料分项系数s，即，即 第26页，共78页，编辑于2022年，星期三一、钢筋的物理力学性能变形指标变形指标*伸长率：伸长率：钢筋拉断后的伸长与原长的比值钢筋拉断后的伸长与原长的比值*冷弯性能：冷弯性能：将直径为将直径为d的钢筋绕直径为的钢筋绕直径为D的钢辊弯成一定的的钢辊弯成一定的角度而不发生断裂及起层现象角度而不发生断裂及起层现象为防止在弯折加工时断裂和使用过程中脆断，钢筋还应具有为防止在弯折加工时断裂和使用过程中脆断，钢筋还应具有一定的塑性变形能力。一定的塑性变形能力。伸长率越大，塑性越好。伸长率用表示，用钢筋试样拉断后断口两侧的残留应变(用百分率表示)作伸长率，即 弯芯的直径越小，弯转角越大，塑性越好第27页，共78页，编辑于2022年，星期三一、钢筋的物理力学性能冷拉BKZZK残余变形冷拉伸长率无时效经时效K点的选择：应力控制和应变控制温度的影响：温度达700C时恢复到冷拉前的状态，先焊后拉特性：只提高抗拉强度，不提高抗压强度，强度提高，塑性下降3.冷加工钢筋冷加工钢筋第28页，共78页，编辑于2022年，星期三一、钢筋的物理力学性能冷拔经过冷拔后钢筋强度提高，塑性降低，没有明显的屈服点和流幅冷拔既能提高抗拉强度又能提高抗压强度第29页，共78页，编辑于2022年，星期三冷轧带肋钢筋以以低低碳碳钢钢筋筋或或低低合合金金钢钢筋筋为为原原材材料料，在在常常温温下下进进行行轧轧制制而而成成的的表表面面带带有有纵纵肋肋和和月月牙牙纹纹横横肋肋的的钢钢筋筋。它它的的极极限限强强度度与与冷冷拔拔低低碳碳钢钢丝丝相相近近，但但伸伸长长率率比比冷冷拔拔低低碳碳钢钢丝丝有有明明显提高显提高。冷轧扭钢筋 以热轧光面钢筋以热轧光面钢筋HPB235为原材料，为原材料，按规定的工艺参数，经钢筋冷轧扭机一次按规定的工艺参数，经钢筋冷轧扭机一次加工轧扁扭曲呈连续螺旋状。加工轧扁扭曲呈连续螺旋状。一、钢筋的物理力学性能第30页，共78页，编辑于2022年，星期三徐变应力不变，随时间的增长应变继续增加松弛长度不变，随时间的增长应力降低对结构，尤其是预应力结构，产生不利的影响一、钢筋的物理力学性能4.钢筋的徐变与松弛钢筋的徐变与松弛第31页，共78页，编辑于2022年，星期三重复荷载作用下，钢筋的强度静载作用下的强度规定的应力幅度（一次循环应力中最大和最小应力的差值）内，经一定次数的重复荷载后，发生疲劳破坏的最大应力值称为疲劳强度。对钢筋用疲劳应力幅来表示其疲劳强度。试验方法单根钢筋的轴拉疲劳钢筋埋入混凝土中重复受拉或受弯5.钢筋的疲劳钢筋的疲劳一、钢筋的物理力学性能钢筋在承受重复、周期动荷载作用下，发生突然的脆性断裂破坏，称为疲劳破坏。第32页，共78页，编辑于2022年，星期三对于不同的疲劳应力比值满足循环次数为200万次条件下的钢筋最大应力值为钢筋的疲劳强度疲劳强度。一、钢筋的物理力学性能规范规定了不同等级钢筋的疲劳应力幅度限值，该值与截面同一纤维上钢筋最小应力与最大应力比值（疲劳应力比值）有关。第33页，共78页，编辑于2022年，星期三强度要求强度要求：保证经济性。屈服强度和极限强度，抗震设计时还要：保证经济性。屈服强度和极限强度，抗震设计时还要 求有求有一定的屈强比一定的屈强比塑性要求塑性要求：保证结构延性，给人以破坏的预兆。伸长率和冷弯要：保证结构延性，给人以破坏的预兆。伸长率和冷弯要求求可焊性可焊性：钢筋焊接后不产生裂纹及过大的变形，保证焊接后的接头性钢筋焊接后不产生裂纹及过大的变形，保证焊接后的接头性能良好。能良好。与混凝土的粘结性与混凝土的粘结性：保证钢筋和混凝土共同工作。：保证钢筋和混凝土共同工作。6.混凝土结构对钢筋的要求混凝土结构对钢筋的要求一、钢筋的物理力学性能第34页，共78页，编辑于2022年，星期三一、钢筋的物理力学性能普通钢筋宜优先采用普通钢筋宜优先采用HRB400级级和和HRB335级级钢筋，以节省钢筋用量。也可以钢筋，以节省钢筋用量。也可以采用采用HPB235级和级和RRB400级热轧钢筋以及强度级别较低的冷拔、冷轧和冷级热轧钢筋以及强度级别较低的冷拔、冷轧和冷轧扭钢筋。轧扭钢筋。预应力钢筋宜采用预应力预应力钢筋宜采用预应力钢绞线、中高强钢丝钢绞线、中高强钢丝，也可以采用热处理钢筋。，也可以采用热处理钢筋。还可以采用冷拉钢筋和强度级别较高的冷拔低碳钢丝和冷轧扭钢筋。还可以采用冷拉钢筋和强度级别较高的冷拔低碳钢丝和冷轧扭钢筋。7.钢筋的选用原则钢筋的选用原则第35页，共78页，编辑于2022年，星期三二、混凝土的物理力学性能u立方体抗压强度立方体抗压强度fcuk1）单轴受力状态下混凝土的抗压强度单轴受力状态下混凝土的抗压强度 规范规定以边长为规范规定以边长为150mm的立方体在的立方体在 203的温度和相的温度和相对湿度在对湿度在 90以上的潮湿空气中养护以上的潮湿空气中养护28d28d，依照标准试验方法测得的具，依照标准试验方法测得的具有有95保证率的抗压强度标准值保证率的抗压强度标准值(以以Nmm2计计)作为混凝土的强度等作为混凝土的强度等级，并用符号级，并用符号fcuk表示。表示。fcu,k与平均值与平均值f和标准差和标准差 f的关系为的关系为1.混凝土的抗压强度混凝土的抗压强度图1-1混凝土立方体试块第36页，共78页，编辑于2022年，星期三二、混凝土的物理力学性能承压板试块摩擦力不涂润滑剂涂润滑剂强度大于我国规范的方法：不涂润滑剂压力压力试件试件裂缝发裂缝发展展扩张扩张整个体系解整个体系解体，丧失承载力体，丧失承载力另影响强度的因素还另影响强度的因素还有：龄期、加载速率、有：龄期、加载速率、试块尺寸等试块尺寸等第37页，共78页，编辑于2022年，星期三标准试块：150150150非标准试块：100100100换算系数0.95200200200换算系数1.05立方体抗压强度是区分混凝土强度等级的指标，我国规范混凝土的强度等级有：立方体抗压强度是区分混凝土强度等级的指标，我国规范混凝土的强度等级有：C15，C20，C25，C30，C35，C40，C45，C50，C55，C60，C65，C70，C75，C80表示混凝土Concrete立方体抗压强度二、混凝土的物理力学性能第38页，共78页，编辑于2022年，星期三u棱柱体抗压强度棱柱体抗压强度fck承压板试块标准试块：150150300mm二、混凝土的物理力学性能 抗压强度与试件形状有关，实际构件往往不是立方抗压强度与试件形状有关，实际构件往往不是立方体，而是棱柱体，可以用棱柱体测得的抗压强度作为轴体，而是棱柱体，可以用棱柱体测得的抗压强度作为轴心抗压强度，又称为棱柱体抗压强度。受压时试件中部心抗压强度，又称为棱柱体抗压强度。受压时试件中部横向变形不受端部摩擦力的约束，代表了混凝土处于单横向变形不受端部摩擦力的约束，代表了混凝土处于单向全截面均匀受压的应力状态，比立方体试件能更好地向全截面均匀受压的应力状态，比立方体试件能更好地反映混凝土的实际抗压能力。反映混凝土的实际抗压能力。试验量测到试验量测到fck值比值比fcu,k值小，并且棱柱体试件高宽比值小，并且棱柱体试件高宽比(即即h/b)越大，它的强度越小。越大，它的强度越小。第39页，共78页，编辑于2022年，星期三二、混凝土的物理力学性能 轴心抗压强度轴心抗压强度(棱柱体强度棱柱体强度)标准值标准值fck与立方体抗压强度标准值与立方体抗压强度标准值fcu,k之间存在以下折算关系之间存在以下折算关系棱棱柱柱体体强强度度与与立立方方体体强强度度的的比比值值，当当混混凝凝土土的的强强度度等等级级不不大大于于C50时时，=0.76；当当混混凝凝土土的的强强度度等等级级为为C80时时，=0.82；其其间间按按线线性性插插值值；混混凝凝土土的的脆脆性性系系数数，当当混混凝凝土土的的强强度度等等级级不不大大于于C40时时，=1.0；当混凝土的强度等级为；当混凝土的强度等级为C80时，时，=0.87；其间按线性插值；其间按线性插值；0.88考虑结构中的混凝土强度与试块混凝土强度之间的差异等因考虑结构中的混凝土强度与试块混凝土强度之间的差异等因素的修正系数。素的修正系数。第40页，共78页，编辑于2022年，星期三混凝土轴心抗拉强度混凝土轴心抗拉强度ft1001001501505002）单轴受力状态下混凝土的抗拉强度）单轴受力状态下混凝土的抗拉强度二、混凝土的物理力学性能 试验机夹紧两端伸出的钢筋，对试件施加拉力，破坏时裂缝产生在试件试验机夹紧两端伸出的钢筋，对试件施加拉力，破坏时裂缝产生在试件的中部，此时的平均破坏应力为轴心抗拉强度的中部，此时的平均破坏应力为轴心抗拉强度f t。由于混凝土构件内部的不均匀性，加之安装试件偏差的原因，通过直接受拉由于混凝土构件内部的不均匀性，加之安装试件偏差的原因，通过直接受拉试验测量抗拉强度是很困难的，试验数据离散性很大。试验测量抗拉强度是很困难的，试验数据离散性很大。第41页，共78页，编辑于2022年，星期三劈裂试验劈裂试验ft,sddftsFFFF二、混凝土的物理力学性能试件中间垂直截面除加力点附试件中间垂直截面除加力点附近很小的范围外，有均匀分布近很小的范围外，有均匀分布的水平拉应力。当拉应力达到的水平拉应力。当拉应力达到混凝土的抗拉强度时，试件被混凝土的抗拉强度时，试件被劈成两半。劈成两半。根据弹性理论第42页，共78页，编辑于2022年，星期三抗抗拉拉强强度度标标准准值值ftk与与立立方方体体抗抗压压强强度度标标准准值值fcu,k之之间间的的折折算算关关系系为为二、混凝土的物理力学性能混混凝凝土土的的脆脆性性系系数数，当当混混凝凝土土的的强强度度等等级级不不大大于于C40时时，=1.0；当混凝土的强度等级为；当混凝土的强度等级为C80时，时，=0.87；其间按线性插值；其间按线性插值；0.88考虑结构中的混凝土强度与试块混凝上强度之间的差异等因素的修正考虑结构中的混凝土强度与试块混凝上强度之间的差异等因素的修正系数。系数。为轴心抗拉强度与立方体抗压强度的折算关系为轴心抗拉强度与立方体抗压强度的折算关系(1-1.645)0.45反映了试验离散程度对标准值保证率的影响。反映了试验离散程度对标准值保证率的影响。第43页，共78页，编辑于2022年，星期三二、混凝土的物理力学性能式式中中c混混凝凝土土的的材材料料分分项项系系数数，建建筑筑工工程程取取c=1.40，公路桥涵工程取，公路桥涵工程取c=1.45。混凝土抗压强度设计值混凝土抗压强度设计值fc和抗拉强度设计值和抗拉强度设计值ft与其对应的标准值的与其对应的标准值的关系为关系为第44页，共78页，编辑于2022年，星期三双轴应力下的强度双轴应力下的强度1.01.01.21.2-0.2-0.22/fc1/fc拉压双向正应力下的强度曲线双向正应力下的强度曲线3）复合受力状态下混凝土的强度）复合受力状态下混凝土的强度二、混凝土的物理力学性能双向受拉（第一象限），双向受拉（第一象限），1与与2的相互的相互影响不大，双向受拉强度均接近于单向影响不大，双向受拉强度均接近于单向受拉强度。受拉强度。一向受拉，另一向受压（第二、四象限）一向受拉，另一向受压（第二、四象限），混凝土强度均低于单向拉伸或压缩的强，混凝土强度均低于单向拉伸或压缩的强度，即度，即双向异号应力使强度降低双向异号应力使强度降低双向受压（第三象限），一项强度随另双向受压（第三象限），一项强度随另一项应力的增加而增加一项应力的增加而增加。第45页，共78页，编辑于2022年，星期三法向应力和剪应力下的强度曲线二、混凝土的物理力学性能抗剪强度随拉应力的增大而减抗剪强度随拉应力的增大而减小；小；混凝土的抗压强度由于剪应混凝土的抗压强度由于剪应力的存在而降低。力的存在而降低。/fc0.50.7时，时，抗剪强度抗剪强度随着压应力的增大而增大随着压应力的增大而增大；但在但在/fc0.50.7时，由于内时，由于内裂缝明显发展，裂缝明显发展，抗剪强度反而随抗剪强度反而随压应力的增大而减小压应力的增大而减小第46页，共78页，编辑于2022年，星期三三向受压时的混凝土强度三向受压时的混凝土强度3=fcc3=fcc1=2=fLfL-侧向约束压应力（加液压）圆柱体试验有侧向约束时的抗压强度无侧向约束时圆柱体的单轴抗压强度二、混凝土的物理力学性能混凝土一向抗压强度随另两向侧压力的增加而提高。第47页，共78页，编辑于2022年，星期三对对于于纵纵向向受受压压的的混混凝凝土土，如如果果约约束束混混凝凝土土的的侧侧向向变变形形，也也可可使使混混凝凝土土的的抗抗压压强强度度有有较较大大提提高高。如如采采用用钢钢管管混混凝凝土土柱柱、螺螺旋旋钢钢箍箍柱柱等等能能有有效效约约束束混混凝土的侧向变形使混凝土的抗压强度、延性凝土的侧向变形使混凝土的抗压强度、延性(承受变形的能力承受变形的能力)有相应的提高。有相应的提高。二、混凝土的物理力学性能第48页，共78页，编辑于2022年，星期三二、混凝土的物理力学性能2.混凝土的变形性能混凝土的变形性能混凝土的变形混凝土的变形非受力变形非受力变形受力变形受力变形一次短期加载下的变形一次短期加载下的变形荷载长期作用下的变形荷载长期作用下的变形 多次重复荷载作用下的变形多次重复荷载作用下的变形 硬化过程中的收缩变形硬化过程中的收缩变形 温湿度变化引起的变形温湿度变化引起的变形 第49页，共78页，编辑于2022年，星期三二、混凝土的物理力学性能受压时的应力受压时的应力-应变关系应变关系作用是：峰值应力后，作用是：峰值应力后，吸收试验机的变形能，吸收试验机的变形能，测出下降段测出下降段1）一次短期加载下的变形）一次短期加载下的变形棱柱体试块第50页，共78页，编辑于2022年，星期三二、混凝土的物理力学性能0A:第第I阶段阶段(弹性阶段）弹性阶段）(=0.30.4fck)，混凝土的变形主要是骨料和水泥结晶体的弹性混凝土的变形主要是骨料和水泥结晶体的弹性变形，应力应变关系接近直线。变形，应力应变关系接近直线。AB:第第II 阶段阶段(稳定裂缝扩展阶段），临界稳定裂缝扩展阶段），临界点点B相对应的应力可作为长期受压强度的依据相对应的应力可作为长期受压强度的依据(一般取一般取0.8 fCk)BC：第：第III阶段（裂缝快速发展阶段），阶段（裂缝快速发展阶段），应力达到的最高点为应力达到的最高点为fck，与其相应的应变，与其相应的应变称为峰值应变称为峰值应变0，平均取，平均取0.002。在在fck以后以后，裂缝迅速发展，试件的平均应，裂缝迅速发展，试件的平均应力强度下降；力强度下降；D后，曲线凸向水平方向发展，后，曲线凸向水平方向发展，在曲线中曲率最大点在曲线中曲率最大点E称为称为“收敛点收敛点”，E点以后主裂缝已很宽。结构内聚力几乎耗尽点以后主裂缝已很宽。结构内聚力几乎耗尽失去结构的意义。失去结构的意义。第51页，共78页，编辑于2022年，星期三二、混凝土的物理力学性能(MPa)fco0(10-3)abcd225201510546810混凝土强度提高混凝土强度提高加载速度减慢加载速度减慢影响因素影响因素混凝土强度对下降段影响很大，强度越高，下降段越陡峭，延性越差。混凝土强度对下降段影响很大，强度越高，下降段越陡峭，延性越差。加载速度越大，下降段越陡峭。加载速度越大，下降段越陡峭。第52页，共78页，编辑于2022年，星期三受压时应力受压时应力-应变关系的数学模型应变关系的数学模型 u=0.0038 0=0.002o cfc c0.15fc美国美国Hognestad模型模型二、混凝土的物理力学性能第53页，共78页，编辑于2022年，星期三u=0.00350=0.002ocfcc德国德国Rsch模型模型二、混凝土的物理力学性能第54页，共78页，编辑于2022年，星期三中国规范中国规范 u 0ocfcc二、混凝土的物理力学性能第55页，共78页，编辑于2022年，星期三二、混凝土的物理力学性能受拉时混凝土的应力受拉时混凝土的应力-应变关系应变关系 t to t0 tu ft理论模型理论模型第56页，共78页，编辑于2022年，星期三1二、混凝土的物理力学性能混凝土的弹性模量混凝土的弹性模量 c c ccpe原点切线模量（弹性模量）：拉压相同原点切线模量（弹性模量）：拉压相同变形模量（割线模量、弹塑性模量）变形模量（割线模量、弹塑性模量）切线模量弹性特征系数，与应力值有关受压时，为0.41.0；受拉ft时，为0.5是材料变形性能的主要指标，是材料变形性能的主要指标，在计算构件变形、截面应力和在计算构件变形、截面应力和预应力构件的预应力损失等时用。预应力构件的预应力损失等时用。0第57页，共78页，编辑于2022年，星期三二、混凝土的物理力学性能混凝土弹性模量的试验方法混凝土弹性模量的试验方法c/fcc0.5510次此线和原点切线此线和原点切线基本平行，取其基本平行，取其斜率作为斜率作为Ec（150150 300标准试件）取应力上限为取应力上限为0.50.5fc重复加载重复加载5 51010次次。试验结果试验结果回归回归第58页，共78页，编辑于2022年，星期三二、混凝土的物理力学性能混凝土的泊松比和剪切模量混凝土的泊松比和剪切模量混凝土的剪变模量为混凝土的剪变模量为混混凝凝土土的的泊泊松松比比（试试件件的的横横向向应应变变与与纵纵向向应应变变之之比比），在在压压力力较较小小时时为为0.150.18，接接近近破破坏坏时时可可达达0.5以以上上，规规范范取取0.2第59页，共78页，编辑于2022年，星期三破坏破坏重复荷载下的应力-应变曲线fcf321fcf的确定原则：100100300或150150450的棱柱体试块承受200万次（或以上）循环荷载时发生破坏的最大压应力值二、混凝土的物理力学性能疲劳强度与重复作用时应力变化的幅度有关，随疲劳应力比的增大而增大2）重复荷载下混凝土的变形性能）重复荷载下混凝土的变形性能第60页，共78页，编辑于2022年，星期三二、混凝土的物理力学性能3）长期荷载作用下混凝土的变形性能）长期荷载作用下混凝土的变形性能-徐变徐变0.51.01.52.02.505101520253035(10-3)(月)cr ela ela ela crP荷载保持不变，荷载保持不变，随时间而增长的随时间而增长的变形变形加荷瞬时变形加荷瞬时变形徐变变形徐变变形原因原因之一之一，胶凝体的，胶凝体的粘性流动粘性流动原因原因之二之二，混凝土内，混凝土内部微裂缝的不断发展部微裂缝的不断发展第61页，共78页，编辑于2022年，星期三二、混凝土的物理力学性能影响徐变的因素影响徐变的因素应力应力：c0.5fc，徐变变形与应力成正比，徐变变形与应力成正比-线性徐变线性徐变 0.5fc c0.8fc，造成混凝土破坏，不稳定，造成混凝土破坏，不稳定加荷时混凝土的龄期，越早，徐变越大加荷时混凝土的龄期，越早，徐变越大水泥用量越多，水灰比越大，徐变越大水泥用量越多，水灰比越大，徐变越大骨料越硬，徐变越小；构件尺寸越小，徐变越大骨料越硬，徐变越小；构件尺寸越小，徐变越大0.51.01.52.02.505101520253035(10-3)(月)crelaeecr0.5fcc0.8fc，非线性徐变c0.5fc，线性徐变养护温度越高、湿度越大，水化越充分，徐变越小养护温度越高、湿度越大，水化越充分，徐变越小受荷后温度越高、湿度越低，徐变越大受荷后温度越高、湿度越低，徐变越大第62页，共78页，编辑于2022年，星期三二、混凝土的物理力学性能徐变对混凝土结构的影响徐变对混凝土结构的影响PAsPAs s1c1Pc2As s2P拆去，钢筋受压混凝土受拉，可能会引起混凝土开裂徐变：徐变：s，c第63页，共78页，编辑于2022年，星期三二、混凝土的物理力学性能4）混凝土的收缩）混凝土的收缩-在空气中在空气中结硬时混凝土体积缩小的性质结硬时混凝土体积缩小的性质水泥品种：等级越高，收缩越大水泥品种：等级越高，收缩越大水泥用量：水泥用量越多，水灰比越大，收缩越大水泥用量：水泥用量越多，水灰比越大，收缩越大骨料：骨料越硬，收缩越小；骨料粒径越大，收缩越小骨料：骨料越硬，收缩越小；骨料粒径越大，收缩越小养护条件、制作方法、使用环境、体积与表面积的比值等养护条件、制作方法、使用环境、体积与表面积的比值等干燥失水干燥失水是引起收缩的重要因素是引起收缩的重要因素第64页，共78页，编辑于2022年，星期三二、混凝土的物理力学性能收缩对混凝土结构的影响收缩对混凝土结构的影响AssAs s收缩：收缩：钢筋受压，混凝土受拉As 混凝土的收缩对处于完全自由状态的构件只会引起构件的缩短而不开裂。混凝土的收缩对处于完全自由状态的构件只会引起构件的缩短而不开裂。对于周边有约束而不能自由变形的构件，对于周边有约束而不能自由变形的构件，收缩会引起构件内混凝土产生拉应收缩会引起构件内混凝土产生拉应力，甚至会有裂缝产生。力，甚至会有裂缝产生。第65页，共78页，编辑于2022年，星期三当温度变化时，混凝土的体积有热胀冷缩的性质。当温度变化时，混凝土的体积有热胀冷缩的性质。当温度变形受到外界的约束而不能自由发生时，将在构件内产生温度应力。当温度变形受到外界的约束而不能自由发生时，将在构件内产生温度应力。在在大大体体积积混混凝凝土土中中 ，由由于于混混凝凝土土表表面面较较内内部部的的收收缩缩量量大大，再再加加上上水水泥泥水水化化热热使使混混凝凝土土的的内内部部温温度度比比表表面面温温度度高高，如如果果把把内内部部混混凝凝土土视视为为相相对对不不变变形形体体，它它将将对对试试图图缩缩小小体体积积的的表表面面混混凝凝土土形形成成约约束束，在在表表面面混混凝凝土土形形成拉应力，成拉应力，如果内外变形差较大，如果内外变形差较大，将会造成表层混凝土开裂将会造成表层混凝土开裂。5）混凝土的温度变形混凝土的温度变形二、混凝土的物理力学性能第66页，共78页，编辑于2022年，星期三6）混凝土的选用原则 建筑工程中：建筑工程中：钢筋混凝土构件的钢筋混凝土构件的混凝士强度等级混凝士强度等级：一般情况下：一般情况下不应低于不应低于C15；当采用当采用HRB335级级钢筋时，混凝土的强度等级不宜低于钢筋时，混凝土的强度等级不宜低于C20；当当采采用用HRB400和和RRB400级级钢钢筋筋以以及及承承受受重重复复荷荷载载的的构构件件，混混凝凝土土的的强强度度等级不得低于等级不得低于C40。预应力预应力混凝土结构的混凝土结构的混凝土强度等级混凝土强度等级：一般情况下：一般情况下不应低于不应低于C30；当当采采用用钢钢绞绞线线、钢钢丝丝、热热处处理理钢钢筋筋作作预预应应力力钢钢筋筋时时混混凝凝土土强强度度等等级级不不宜宜低低于于C40。二、混凝土的物理力学性能第67页，共78页，编辑于2022年，星期三 公路桥涵工程中：公路桥涵工程中：钢钢筋筋混混凝凝土土构构件件的的混混凝凝土土强强度度等等级级：一一般般情情况况下下不不应应低低于于C20；当当采采用用HRB400和和KL400级级钢钢筋筋时时，混混凝凝土土的的强强度度等级不应低于等级不应低于 C25。预应力预应力混凝土构件的混凝土混凝土构件的混凝土强度等级强度等级不应低于不应低于C40。位位于于以以下下区区域域的的桥桥涵涵构构件件，混混凝凝土土的的强强度度等等级级不不低低于于C30；严严寒寒区区、海海水水区区或或使使用用除除冰冰盐盐且且受受其其影影响响的的桥涵构件；桥涵构件；有气态、液态或固态侵蚀物质的环境时不抵干有气态、液态或固态侵蚀物质的环境时不抵干C30。二、混凝土的物理力学性能第68页，共78页，编辑于2022年，星期三三、钢筋与混凝土的粘结1.粘结力的定义及组成粘结力的定义及组成当钢筋与混凝土之间产生相对变形（滑移），在钢筋和混凝土当钢筋与混凝土之间产生相对变形（滑移），在钢筋和混凝土的交界面上产生沿钢筋轴线方向的相互作用力，此作用力称为的交界面上产生沿钢筋轴线方向的相互作用力，此作用力称为粘结力。粘结力。粘结力：粘结力：与素混凝土梁无异与素混凝土梁无异第69页，共78页，编辑于2022年，星期三三、钢筋与混凝土的粘结锚固粘结应力锚固粘结应力粘结应力分类粘结应力分类局部粘结应力局部粘结应力钢筋在支座处的锚固粘结应力是构件钢筋在支座处的锚固粘结应力是构件承载力至关重要的因素。承载力至关重要的因素。钢筋的端头应力为零，在经过不长的钢筋的端头应力为零，在经过不长的粘结距离粘结距离(称锚固长度称