混凝土结构用材料的性能.pptx

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1、第一章 混凝土结构用材料的性能2.1 钢 筋1 1、热轧钢筋、热轧钢筋 ：用普通低炭钢和低合金钢高温状态下轧轧制而成。分HPB235级、HRB335级、HRB400级、RRB400级HPB235Hot rolledPlainBarHRB335Hot rolledRolledBarRRB400RolledRibbedBar屈服强度标准值屈服强度标准值 fykHPB235级：fyk=235 N/mm2HRB335级：fyk=335 N/mm2HRB400级、RRB400级：fyk=400 N/mm2注意各级钢筋的符号及直径强度（余热处理钢筋）第1页/共79页第一章 混凝土结构用材料的性能2.1 钢

2、 筋uHPB235级(级)：热轧：热轧光面钢筋（光面钢筋（Plain Bar），），多多作为现浇楼板的受力钢筋、箍筋及架立钢筋。作为现浇楼板的受力钢筋、箍筋及架立钢筋。uHRB335级(级)和 HRB400级(级)：热轧热轧变形钢变形钢筋筋钢筋。钢筋。强度较高，多强度较高，多作为钢筋混凝土构件的受力作为钢筋混凝土构件的受力钢筋。对尺寸较大的构件，也有用钢筋。对尺寸较大的构件，也有用级钢筋作箍筋级钢筋作箍筋的。的。为增强与混凝土的粘结（为增强与混凝土的粘结（Bond），外形现制作），外形现制作成成月牙纹月牙纹（为使钢筋强度能够充分利用，提高钢筋（为使钢筋强度能够充分利用，提高钢筋与砼的粘结强度）

3、。与砼的粘结强度）。u级钢筋（级钢筋（余热处理钢筋）余热处理钢筋）强度太高，不适宜作为强度太高，不适宜作为钢筋混凝土构件中的配筋，钢筋混凝土构件中的配筋，一般冷拉后作预应力筋。一般冷拉后作预应力筋。第2页/共79页s se e第一章 混凝土结构用材料的性能2.1 钢筋2 2、热轧钢筋的力学性能、热轧钢筋的力学性能 （有明显屈服点和屈服台阶软钢）a为比例极限；a为弹性极限aade为强化段；e为极限抗拉强度 fu bb为屈服上限upper yield strengthc为屈服下限，即屈服强度 f fy ycdcd为屈服台阶yield plateauefufyf应力应变曲线的一般特征第3页/共79页

4、第一章 混凝土结构用材料的性能2.1 钢筋设计采用的钢筋应力应变关系对热轧钢筋应力应变曲线的基本特征做如下简化：A、忽略从比例极限到屈服点之间微小的塑性变形；B、不利用应力强化阶段的强度简化后一般采用一般可采用双线性的理想弹塑性关系 1Es第4页/共79页第一章 混凝土结构用材料的性能2.1 钢筋塑性性能塑性性能A、伸长 率：钢筋拉断时的应变，是反映钢筋塑性性能的指标。延伸率大的钢筋，在拉断前有足够预兆，延性较好。（1）断口附近伸长率(2)均匀延伸率d dgt:对应钢筋在最大拉力时的应变，包括了残余应变和弹性应变，反映了钢筋真实的变形能力第5页/共79页B、冷弯性能：钢筋伸长率不能反映钢筋脆化

5、倾向。为使钢筋在弯折时不致断裂及使用中不致脆断，应进行冷弯试验。钢筋的冷弯性能指钢筋在常温下达到一定弯曲程度而不破坏的能力。弯曲程度用弯曲角和弯心直径D对试件直径d的比来衡量,冷弯试验是将钢材按规定的弯心直径弯曲到规定的角度,通过检查被弯曲后的钢筋试件横面和两侧面是否发生裂纹或断裂来判断合格与否,如图示，国家标准规定了各种钢筋必须达到的伸长率和冷弯时相应的弯心直径和转角的要求。反弯性能：发展趋势第6页/共79页强度及弹性模量屈服强度yield strength：是热轧钢筋的强度设计值的取值依据，钢筋屈服后将很大的塑性变形，在钢筋砼构件中钢筋与砼变形协调，由于受到砼极限应变制约，在截面破坏时，钢

6、筋不可能产生这样大的变形。（若钢筋产生这样大的变形则钢筋混凝土构件产生很大的变形和不可闭合的裂缝。）屈服上限与加载速度有关，不太稳定，一般取屈服下限作为屈服强度。极限抗拉强度：做为一种安全储备；屈 强 比反映钢筋的强度储备，fy/fu0.60.7。第7页/共79页第一章 混凝土结构用材料的性能2.1 钢筋2 2、中高强钢丝及钢绞线、中高强钢丝及钢绞线、热处理钢筋 应力应变曲线无明显的屈服点及台阶硬钢；强度很高。中强钢丝的强度为8001370MPa，高强钢丝、钢绞线的强度为 1470 1860MPa；延伸率d10=6%，d100=3.54%；钢丝的直径410mm；外形有光面、刻痕和螺旋肋三种，另

7、有二股、三股和七股钢绞线，外接圆直径9.515.2 mm。中高强钢丝和钢绞线均用于预应力混凝土结构。Heat treatment：热处理钢筋是将特定的热轧钢筋再通过加热淬火和回火等调质工艺处理的钢筋。处理后,强度有较大提高（1470MPa），,塑性有一些降低(6%),经处理后的钢筋成为硬钢,应力-应变曲线上不再有明显的流幅.用于预应力混凝土结构。第8页/共79页第一章 混凝土结构用材料的性能2.1 钢筋无明显屈服点的钢筋（硬钢）的应力应变曲线筋（硬钢）的应力应变曲线a点：比例极限，约为0.65fua点前：应力-应变关系为线弹性a点后：应力-应变关系为非线性，有一定塑性变形，且没有明显的屈服点强

8、度设计指标条件屈服点(条件屈服强度)残余应变为0.2%所对应的应力规范取s s0.2=0.85 fu第9页/共79页对无明显流幅的钢筋,取极限抗拉强度的85%作为条件屈服点,加载至该点后对应的残余应变为0.2%,钢筋强度的取值为0.85b,称条件屈服强度，b为钢筋国家标准的极限抗拉强度。钢筋的伸长率,冷弯性能的概念与有明显流幅的钢筋相同。第10页/共79页3 3、冷加工钢筋、冷加工钢筋 ：是由热轧钢筋经冷拉、冷拔、冷轧、冷轧扭加工后而成。冷加工的目的是为了提高钢筋的强度，节约钢材。但经冷加工后，钢筋的延伸率降低。近年来，冷加工钢筋的品种很多，应根据专门规程使用。冷拉钢筋：冷拉是在常温下，用拉伸

9、设备将热轧钢筋拉至超过其屈服强度，进入强化阶段，再放松钢筋。如图1-28。沿钢筋应力应变曲线OBK拉伸，在K点卸荷。曲线回至O1点，产生了残余变形，再立即重新加荷，应力-应变曲线将沿着 O1KZ变化。此时，O1K与OB平行，即弹性模量与冷拉前一致，但屈服点从B提高到K。若在K点卸荷后，停留一段时间再拉伸，应力应变曲线将沿着O1KZ变化，屈服强度又有所提高。这种现象称为时效硬化。冷拉时效和温度有关，HPB235级钢筋，常温下20d,100C 高温下2小时可完成冷拉时效硬化。冷拉钢筋时，若控制两个指标：冷拉应力和冷拉率，称为双控，若只控制冷拉率称为单控。第11页/共79页图1-28 钢筋冷拉后的应

10、力应变曲线第12页/共79页冷拉钢筋的特点是：(1)冷拉后仍是软钢，应力-应变曲线上有屈服台阶。经过冷拉时效后，台阶较明显，但比未冷拉前的屈服台阶缩短。(2)冷拉后只提高钢筋的抗拉强度，不提高钢筋的抗压强度。(3)钢筋设计仍采用冷拉前的截面。(4)经时效提高的强度在设计中不利用；高温会使冷拉强化消失，因此，需焊接的钢筋，应先焊接，后冷拉。冷拔钢筋：冷拔是将光面钢筋数次用强力拔过比自身直径小的硬质合金模具（图129）。在冷拔过程中，钢筋同时受纵向拉力和横向挤压的作用，产生较大的塑性变形，内部金属晶粒发生形变和位移，强度明显提高，塑性下降也较多。冷拔钢筋的特点是：（1）拔后材性改变，由软钢变为硬钢

11、，应力-应变曲线中无明显流幅；（2）冷拔后，钢筋的抗拉、抗压强度均有提高。（3）以冷拔后的钢筋面积作为设计截面。第13页/共79页冷轧扭钢筋：冷轧扭钢筋是以热轧光面钢筋HPB235为原材料,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的冷强化钢筋.其规格按原材料直径冷轧钢筋：冷轧带肋钢筋是采用普通低碳钢或低合金钢热轧圆盘条为母材,经冷轧后在其表面形成具有三面或二面月牙形横肋的钢筋,分三个等级,LL550、LL650、LL800。第14页/共79页四四.钢筋的徐变、松弛和疲劳钢筋的徐变、松弛和疲劳 高强钢筋、钢丝、钢绞线、冷加工钢筋等在高应力作用下,随时间增长应变继续增加的现象称

12、为徐变。钢筋在应力状态下,长度不变,应力随时间增长而降低的现象称为松弛。徐变和松弛随时间的增长而增长,与钢筋初始应力的大小、钢筋的品种、温度等因素有关。初始应力越大,徐变和松弛越大；温度越高,徐变和松弛越大。试验表明,软钢在其弹性范围内受力或反复加卸载都不发生徐变或松弛现象。钢筋受交变荷载反复作用时,在低于屈服强度的情况下突然发生脆性断裂破坏的现象称为疲劳破坏。疲劳破坏首先是从局部缺陷处形成细小裂纹,开始由于裂纹尖端处的应力集中使其逐渐扩展,直至最后断裂。在一定条件下,钢筋疲劳破坏的应力值随应力循环次数的增加而降低。钢筋在无穷次交变荷载作用下不至引起断裂的最大循环应力值称为疲劳强度极限,我国以

13、满足200万次循环次数为标准。钢筋的疲劳强度与应力变化幅值，钢筋表面状态，钢筋的直径、强度、加工及使用环境等因素有关。第15页/共79页第一章 混凝土结构用材料的性能2.1 钢筋三、钢筋的强度标准值三、钢筋的强度标准值(Characteristic or Unfactored Strength)按冶金钢材质量控制标准，钢筋的强度标准值是取其出厂时的废品限值，其数值相当于fy,m-3s s，具有97.73%的保证率，满足建筑结构设计统一标准材料强度标准值保证率95%的要求。第16页/共79页第一章 混凝土结构用材料的性能2.1 钢筋第17页/共79页混凝土结构对钢筋性能的要求混凝土结构对钢筋性能

14、的要求1.强度性2.塑性好3.可焊性好4.与混凝土的粘结锚固性能好钢筋的选用原则钢筋混凝土结构及预应力混凝土结构的钢筋，应按下列规定选用：.普通钢筋（钢筋砼结构中的钢筋及预应力砼结构中的非预应力钢筋）宜采用400级（级）钢筋和HRB335（级）级钢筋（宜优先选用），也可采用HPB235和RRB400级钢筋2.预应力钢筋宜采用钢绞线、中高强钢丝，也可采用热处理钢筋第一章 混凝土结构用材料的性能第18页/共79页第一章 混凝土结构用材料的性能1.2混凝土混凝土的强度1.立方体抗压强度 为设计施工和质量检验的需要,必须对混凝土的强度规定统一的级别,即混凝土强度等级。用立方体试块的单轴抗压强度作为确定

15、砼强度等级的标准，称为混凝土立方体抗压强度。混凝土的强度等级 用边长150mm的标准立方体试块,在标准条件下(温度2030C,相对湿度90%以上)养护28天,在压力机上以标准试验方法(中心加载,平均速度为0.30.8N/mm2/s,试件上下表面不涂润滑剂)测得的具有95%保证率的破坏时的平均压应力为混凝土立方体抗压强度。我国混凝土结构设计规范规定,混凝土强度等级按立方体抗压强度标准值确定,用符号C表示,共14个等级，即C15，C20，C25，C30，C35，C40，C45，C50，C55，C60，C65，C70，C75，C80。例如,C35表示立方体抗压强度标准值为35N/mm2，其中C50及

16、C50以上属高强混凝土。立方体抗压强度标准值是砼各种力学指标的基本代表值。立方体抗压强度标准值是砼各种力学指标的基本代表值。第19页/共79页第20页/共79页影响立方体抗压强度的因素1)尺寸的影响 试验表明,对同样的混凝土材料,采用不同尺寸的立方体试件测得的强度不同。立方体尺寸越小,测得的强度越高,反之越低。当采用边长为200和100的立方体试件时,其测得的抗压强度应分别乘以1.05和0.95的换算系数,以考虑尺寸效应的影响。2)加荷速度的影响试验表明,加荷速度越快,测得的抗压强度越高。通常规定加荷速度为：C30以下混凝土取每秒（0.30.5）N/2,C30或C30以上的混凝土取每秒（0.5

17、0.8）N/2。3)龄期的影响混凝土立方体抗压强度与试块成型后的龄期有关。龄期越长,强度越高,其增长速度是先快后慢,强度增长过程往往要持续几年，在潮湿环境中往往延续更长。4)4)润滑剂:标准试验方法不加润滑剂。加润滑剂厚测得得强度偏低第21页/共79页破坏机理 由于混凝土本身的性质,特别是初始微裂缝的存在,使混凝土承受均匀外压力时,内部处于复杂应力状态,最终导致破坏的是垂直于压力方向的横向拉应力。水泥、水、骨料组成的混凝土在硬结过程中，形成未水化的水泥颗粒、处于流动状态尚未硬结的凝胶体、已硬化的结晶体(水泥石)和多余的水分、气泡。凝结初期,由于水泥石的收缩及泌水、骨料下沉等原因,在骨料与水泥石

18、接触面上和水泥石内部,将形成微裂缝,这是材料的内因,是固有的薄弱环节。(1)当较小（fc/3）时,混凝土受压变形主要由于骨料和水泥结晶体受力后的弹性变形引起。弹性变形阶段 (2)随加大,水泥凝胶体粘性流动增大,形成塑性变形,使-曲线开始弯曲,同时,在压应力下,原有微裂缝扩展,同时水泥石中的气泡、水分逸出形成的孔洞并在孔洞处产生应力集中。从而形成新的裂缝,但此阶段裂缝稳定,即压力不增加,就不会出现新的裂缝。裂缝稳定发展阶段第22页/共79页 混凝土中微裂缝示意（a）粘结裂缝（b）通缝（c）孔洞处应力集中（d）孔洞处裂缝第23页/共79页 当0.8fc时,较增加更快，横向应变也明显加大，这时骨料处

19、的粘结裂缝与水泥石中的裂缝已发展贯通，裂缝发展进入非稳定状态，即使荷载不增大，裂缝也将继续开展，导致混凝土被分割成若干平行于受力方向的小柱体。裂缝非稳定发展阶段。当fc时，骨料与水泥石的粘结基本丧失，试件剥落，压酥，破坏。由此得出，混凝土宏观破坏是裂缝累积的过程，是内部结构局部损伤到连续性遭受破坏（裂缝贯通）,导致整个体系解体而丧失承载能力的过程，决不是组成相（骨料、砂浆等）自身强度耗尽。在立方体抗压强度的试验中，试块承压面与垫板之间存在摩擦力，使试块上下表面的横向变形受到约束，剥落较少，而越向中间剥落越多，因而形成三角形残体。若在垫板之间涂润滑剂，减少摩檫力，破坏残体为带有多条纵向裂缝的立方

20、体，如图示3-2示。第24页/共79页图3-2 3-2 混凝土立方体试块破坏图“套箍套箍”作用作用无无“套箍套箍”作用作用第25页/共79页（2 2）轴心抗压强度（棱柱体抗压强度）轴心抗压强度（棱柱体抗压强度）由于实际工程中的混凝土构件高度通常比截面边长大很多,因此棱柱体受压试件更接近实际构件的受力状况。在确定棱柱体试件尺寸时,为使棱柱体试件的强度不受试验机压板与试件间摩檫力的影响,试件应有一定高度,在试件中间形成纯压状态,同时,也应避免试件过高,产生附加偏心矩而降低抗压强度。根据研究资料,认为试件高宽比h/b=3h/b=3左右,基本可消除上述两种因素的影响。我国采用1501504501501

21、50450的棱柱体作为混凝土轴心抗压强度的标准试件。用与混凝土立方体抗压强度同样的试验方法,(,(图3-4)3-4)可得到棱柱体轴心抗压强度标准值,用符号f fckck表示。f fc c和f fcucu的统计平均值大致为一条直线,比值大致在0.700.700.920.92之间。考虑到实际结构构件制作、养护和受力情况,实际构件强度与试件强度之间的差异,轴心抗压强度标准值与立方体抗压强度标准值的关系按下式确定：第26页/共79页图3-4 3-4 混凝土棱柱体抗压试验和破坏示意第27页/共79页3.轴心抗拉强度混凝土的抗拉强度是确定混凝土构件抗裂能力的重要指标，在抗扭、抗冲切等计算中也要用到这个指标

22、。测定混凝土轴心抗拉强度的方法一般有两种：（1）直接受拉 如图试件，试验机夹紧两端伸出的钢筋，使构件受拉，破坏时在试件中部产生横向裂缝，其平均拉应力即为混凝土轴心抗拉强度。这种试件制作时，预埋钢筋对中较困难，由于偏心的影响，一般所得的抗拉强度比实际强度略低。图 直接受拉试验示意图第28页/共79页劈裂试验 为避免偏心对抗拉强度的影响，国内外也常以圆柱体或立方体试件做劈裂试验来测定混凝土轴心抗拉强度。如图3-7所示，通过上下两根截面为55的方钢条对平放的圆柱体或立方体对中施加线荷载，由弹性理论,试件在竖直中面上除两端局部区域外将产生均匀水平拉应力，试件劈裂时的水平拉应力即为混凝土轴心抗拉强度，用

23、公式表达为：图3-7 混凝土劈裂试验示意图轴心抗拉强度标准值与立方体抗压强度标准值的关系见教材P20 式（1-6）。混凝土的抗拉强度比抗压强度低得多，一混凝土的抗拉强度比抗压强度低得多，一般只有抗压强度的般只有抗压强度的 10%10%10%10%左右左右。第29页/共79页4.4.复合受力强度 实际的混凝土结构中的构件通常受到轴力、弯矩、剪力、扭矩等组合作用,很少处于单轴受力状态,混凝土的材料决定了它在复合受力状态和单向受力状态有不同的特性,但由于混凝土材料的复杂性,目前主要依据一些试验研究结果得出近似的公式。目前仍未建立起完善的强度理论。（1）双向受力强度由试验得到混凝土双向应力作用下的强度

24、曲线,如图3-8所示。由图中可看出：在第三象限,混凝土双向受压,一向的抗压强度随另一向压力的增大而增大。在整个象限内,破坏包络线全部在2/fc=1.0和1/fc=1.0之外,这就说明双向受压时无论1与2比例如何,其强度均高于单轴受压时的强度；当1=2时,强度为棱柱体抗压强度的1.16倍,当1/2=2或1/2=0.5时,强度提高幅度最大，为棱柱体抗压强度fc 1.27倍。这是由于双向受压,一个方向的压应力为另一个方向压应力所产生的拉应力提供了约束所致。第30页/共79页图3-8 3-8 双向应力状态下混凝土第31页/共79页 在第一象限为双向受拉。由图3-83-8中可见,1 1与2 2相互影响很

25、小,破坏包络线几乎呈方形。在第二、四象限,为一向受压一向受拉的情况。破坏包络线基本为一斜线,无论1 1与2 2怎样组合,抗拉及抗压强度均分别低于单轴强度,这是由于一个方向应力的作用加大了另一个方向的横向变形所致。（即异号应力使强度变低）（2）混凝土在正应力和剪应力作用下的复合强度 当混凝土构件上同时作用有由剪力、扭矩等引起的剪应力和拉压引起的正应力时,形成剪压、剪拉复合受力状态。其试验所得破坏包络图如图3-9所示,将图中面积分为三个区域：区：拉剪状态：随的加大抗拉强度下降；随着增大,抗剪强度下降。区：压剪状态：随增大抗剪强度增加,这是因为压应力在剪切面产生的约束剪切变形的摩阻作用使抗剪强度提高

26、。区：压剪状态：随进一步加大,抗剪能力反而开始下降。第32页/共79页图3-9 3-9 正应力和剪应力共同作用下混凝土的破坏曲线第33页/共79页梁与柱受压区混凝土的抗压强度降低，但抗剪强度可得到一定幅度的提高(设计时可利用这部分提高的抗剪强度)实例：受弯矩和剪力共同作用的梁 水平地震力（风荷）作用下的柱第34页/共79页 混凝土在三向受压时,由于侧向压应力的存在,约束了混凝土的横向变形,使混凝土抗压强度和极限变形能力有较大程度的提高。三轴压力试验是在圆柱体周围加液压进行。三轴受压时,混凝土的强度及变形能力均有较大的提高。在实际工程中,常利用此特性来提高混凝土构件的抗压强度和变形能力。例如采用

27、密排螺施箍、钢管混凝土等。（3 3）混凝土的三向受压强度）混凝土的三向受压强度第35页/共79页第36页/共79页第37页/共79页1 1、混凝土的受力变形、混凝土的受力变形1 1）受压混凝土一次短期加荷的应力）受压混凝土一次短期加荷的应力应变曲线应变曲线 棱柱体试件在一次短期加荷下，混凝土受压应力应变全曲线反映了受荷各阶段混凝土内部结构变化及破坏机理，是研究混凝土结构极限强度理论的重要依据。如图3-10示。曲线分为上升段OC和下降段CE。上升段：弹性阶段（0.3 fc时）：OA段混凝土受压的应力-应变曲线和受拉的应力-应变曲线类似,对应峰值应力的拉应变为0.000150.0002，通常取0.

28、00015。应力应变关系接近直线，此时混凝土变形主要取决于骨料和水泥石的弹性变形，称为弹性阶段。裂缝稳定扩展阶段（0.3 fc 0.8 fc时）:当在0.3 fc至0.8 fc之间时，由于水泥凝胶体的塑性变形，应力应变曲线开始凸向应力轴，随加大，微裂缝开始扩展，并出现新的裂缝。在 AB段,混凝土表现出明显的塑性性质,=0.8 fc可作为混凝土长期荷载作用下的极限强度。第38页/共79页裂缝非稳定扩展阶段（0.8时):微裂缝发展贯通,应变增长更快,曲线曲率随荷载不断增加,应变加大,表现为混凝土体积加大,直至应力峰值点C,此时对应的应变为峰值应变0,通常取峰值应变0=0.002。下降段：C点以后,

29、裂缝迅速发展,但由于坚硬骨料颗粒的存在,试件还能继续承受一定的荷载,并产生变形,使应力应变曲线出现下降段CE。下降段曲线的凹向开始改变，称曲率为0的点D为拐点。D点以后,试件破裂,但破裂的碎块逐渐挤密,仍保持一定的应力,至收敛点E（对应极限压应变max 0.00330.0038），曲线平缓下降,这时贯通的主裂缝已经很宽，对无侧限的混凝土,E点以后的曲线已没有实际的意义。曲线达C点时,已达到强度峰值,但此时混凝土变形能力并没有达到极限值max。当混凝土应变达极限值时,其应力已下降。由此看出,混凝土应力最大和应变最大不在同一点。下降段对构件延性的研究有重要的意义。第39页/共79页第40页/共79

30、页2）用公式描述混凝土应力应变关系 为了进行混凝土结构理论分析,需要准确拟合混凝土受压时应力应变曲线。为此，国内外学者做了大量的研究工作,提出了多种数学表达式,这些公式称为混凝土材料的本构方程。目前较常用的有美国E.Hognestad建议的方程（图3-11)和德国Rsch建议的方程(图3-12)。第41页/共79页第42页/共79页图3-11 Hognestad建议的应力应变曲线图3-12 R sch建议的应力应变曲线第43页/共79页 混凝土强度等级对应力应变曲线形状的影响 试验表明,混凝土强度的变化对上升段的形状和峰值应变的影响不显著,但对下降段影响较大。低强度混凝土的下降段延伸较长、较平

31、缓；高强度混凝土的下降段坡度较陡、较短,如图示,说明混凝土强度越高，延性越差。（延性：混凝土达到极限强度后，应力下降相同幅度时变形的大小。变形大，表明承受变形的能力高，延性好。混凝土强度越高，后期变形能力小，延性较差不同强度混凝土的应力应变关系第44页/共79页 在混凝土结构构件的裂缝、变形计算中，需引入混凝土材料应力在混凝土结构构件的裂缝、变形计算中，需引入混凝土材料应力应变之间关系的模应变之间关系的模量。在材料力学中，量。在材料力学中，线弹性材料的弹性模量为线弹性材料的弹性模量为E E=/=/=常数常数，即，即E E为为直线的斜率。直线的斜率。由于由于混凝土是弹塑性材料混凝土是弹塑性材料，

32、曲线不是直线，一般用下列三种方法表示应力曲线不是直线，一般用下列三种方法表示应力应变应变的关系：的关系：2）砼的弹性模量、变形模量 混凝土的原点弹性(切线)模量EC：如图3-16，EC为曲线原点处的切线斜率，称为混凝土的原点弹性模量，也称原点模量，用公式表达为：原点弹性模量的稳定数值不易从试验中测出，可以采用棱柱体试件，取应力上限为=0.5fc，反复加荷510次。由于混凝土的非弹性性质，每次卸载至0时，都留有残余变形。但 随重复次数增加（510次），变形基本趋于稳定，关系接近直线，该直线斜率即为弹性模量的取值。按此法做不同强度混凝土弹性模量测试，由试验数据统计分析，得混凝土弹性模量与立方强度之

33、间的关系为：第45页/共79页砼的原点弹性模量是一个常数,不受应力大小的影响,是混凝土物理力学性能的基本指标。但在应用时,不能象对待弹性材料那样,用已知混凝土应变乘弹性模量来确定混凝土应力,只有当混凝土应力很小时,混凝土应力应变才满足EC的关系式第46页/共79页 混凝土的变形模量（割线模量）Ec 曲线原点与任一点的割线的斜率称为混凝土变形模量,用公式表达 由于变形模量是曲线上任意点与原点连接的割线,所以割线模量是变化值,它与原点模量的关系如下：式中 ,即弹性应变与总应变的比值,称为弹性特征系数（反映砼的弹塑性性质）,与应力的大小有关。当=0.5fc时,=0.80.9（弹性变形为主）；当=0.

34、9fc时,=0.40.8（塑性变形为主）；混凝土强度越高,值越大,弹性特征越明显。Ec=第47页/共79页 混凝土的切线模量 ：在曲线上的任意点作曲线的切线,此切线的斜率定义为混凝土的切线模量,用公式表达：由于混凝土塑性变形的发展,混凝土切线模量是一个变化的值,随混凝土应力增大而减小。凝土横向变形系数 (泊松比c c)：混凝土试件在一次短期加压时,其横向应变与纵向应变的比值称为横向变形系数,用表示。即混凝土受压产生纵向压缩应变的同时,在横向产生膨胀应变。一般取剪切模量Gc：混凝土的剪切模量Gc可近似按弹性理论计算,即若取=1/6代入,G=0.429 Ec（规范取Gc=0.4 Ec）。根据现有试

35、验资料,混凝土受拉弹性模量与受压弹性模量基本相等。第48页/共79页返回第49页/共79页（四）混凝土三向受压时的变形特点 混凝土处于三向受压状态,强度和延性均有较大提高。如图3-18,由图中可见,随混凝土侧向压应力2的增加,混凝土的强度和变形大幅度增加。但在实际工程中,无法对混凝土构件施加液压2,只能采用箍筋约束混凝土。图3-19是配置螺旋箍筋的圆柱体试验结果,从图中看出,螺旋箍筋的间距越小,混凝土的强度、变形能力提高越多。在较小时,配置和不配置螺旋箍筋或螺旋箍筋配置的多少,混凝土的强度、变形几乎没有区别。随加大,才可以看出随螺旋箍筋间距的减少,混凝土的强度和变形增大的趋势。这是因为配置螺旋

36、箍筋的构件所受侧向约束为被动约束,只有当压应力较大,混凝土裂缝发展,横向变形加大,才能使螺旋箍筋受到力而反作用于混凝土上,产生对混凝土的约束力,才能使螺旋箍筋中的砼形成三向受压的状态。螺旋箍筋施工较复杂,不能承受反向扭矩,因此工程中也采用矩形箍筋约束混凝土,图3-20是配置箍筋的棱柱体试件的曲线，与螺旋箍筋柱相比,矩形箍筋约束效果稍差,对强度的提高较少。这是因为方形箍筋仅能使角上和核心混凝土受约束,而边上的混凝土由于箍筋受力外鼓,没有能够很好的受到约束。第50页/共79页图3-18混凝土圆柱体三向受压试验时，轴向应力应变曲线图3-193-19用螺旋筋约束的混凝土圆柱体的应力应变曲线返回第51页

37、/共79页（a）方形箍筋（b）螺旋箍筋图3-20 10.8cm正方形棱柱体配有箍筋的应力应变曲线返回第52页/共79页第53页/共79页图3-22 混凝土的徐变第54页/共79页产生徐变的原因：（1）混凝土中尚未完全水化的水泥凝胶体在荷载作用下的粘性流动引起应力重分布。在应力较小时，以这一原因为主，由此产生的变形一部分可恢复；（2）混凝土内部的微裂缝在荷载作用下不断发展导致应变增加，由此产生的变形，一般不可恢复，应力较大时，以此原因为主。影响徐变的因素可归为四个方面：1.内在因素：混凝土的组成成分和配比。例：骨料越坚硬，徐变越小，水灰比越大，徐变越大；水泥用量越多，徐变越大；2.环境因素：混凝

38、土养护时，温度高，湿度大，水泥水化充分，徐变减小；混凝土使用时，高温干燥徐变越大。第55页/共79页3.3.应力条件：试验表明，混凝土徐变与混凝土应力大小密切相关。当0.50.5f fc c时，徐变与成正比，称为线性徐变；当0.80.8f fc c0.50.5f fc c时，徐变与已不再呈线形关系，徐变变形比应力增长要快，称为非线性徐变；当达到0.80.8f fc c左右时，徐变变形急剧增长，不再收敛，其增长会超出混凝土变形能力而导致混凝土破坏，成为非稳定的徐变。因此，取=0.8=0.8f fc c作为在荷载长期作用下混凝土抗压强度的极限值，这也说明构件长期处于高应力状态下是不安全的。4.4.

39、时间因素：加荷龄期越早，徐变越大。徐变对结构构件的影响 由于混凝土的徐变性能，它会造成材料在长期荷载作用下变形的加大、刚度的降低，引起偏压构件附加偏心矩的增大，在预应力构件中引起预应力的损失，在结构构件中引起应力重分布。第56页/共79页第57页/共79页第58页/共79页第59页/共79页摩擦力混凝土收缩后将钢筋紧握产生的摩擦力，钢筋表面越粗糙，摩擦力越大。（钢筋表面微锈摩擦力增加）。机械咬合力钢筋表面凹凸不平与混凝土产生的机械咬合作用（是变形钢筋粘结力的主要组成部分）。钢筋端部的锚固作用钢筋端部的弯钩、弯折，在钢筋端部焊短钢筋、短角钢等措施（布置不当，会产生较大的钢筋与混凝土的相对滑移、混

40、凝土内部裂缝和局部混凝土破碎）。第60页/共79页以轴心受拉构件为例，说明粘结应力产生机理：第61页/共79页（1）粘结应力的大小取决与钢筋与砼的应变差（滑移），随着距离端部截面的距离增大，钢筋应力减小，砼的拉应力增大，二者应变差逐渐减小，在距端部在此处，钢筋与砼的相对变形（滑移）消失，粘结应力为零。（3）上式说明：粘结应力的存在使钢筋应力发生变化；反之，钢筋应力没有变化就不钢筋应力没有变化就不会有粘结应力。会有粘结应力。（4）图1-32所示的钢筋混凝土梁：荷载作用使混凝土的下部受拉，粘结应力将混凝土承受的部分拉力传给钢筋，使钢筋受拉。钢筋中的拉应力取决于沿钢筋长度方向粘结应力的积累，在粱中取

41、微段dx来分析，同样可得式(1-11)。第62页/共79页 梁开裂后，混凝土开裂前承受的拉力通过粘结应力传递给钢筋、从而使裂缝处钢筋应力增大、这种粘结应力称为局部粘结应力，其作用是使裂缝之间的混凝土参与受拉。第63页/共79页（4）钢钢筋筋在在支支座座处处的的锚锚固固粘粘结结应应力力是是构构件件承承载载力力至至关关重重要要的的因因素素。图图1-331-33所所示示的的梁梁、柱柱和和屋屋架架的的支支座座。受受拉拉钢钢筋筋在在支支座座处处必必须须有有足足够够的的锚锚固固长长度度，这这样样才才能能通通过过在在锚锚固固长长度度上上粘粘结结应应力力的的积积累累，使使受受拉拉钢钢筋筋充充分分发发挥挥钢钢筋

42、筋的的强强度度。如如锚锚固固粘粘结结长长度度不不够够，将将会会造造成成锚锚固固粘粘结应力的丧失使构件提前破坏。结应力的丧失使构件提前破坏。钢筋的粘结性能钢筋的粘结性能 1 1、光面钢筋的粘结性能、光面钢筋的粘结性能 直段光面钢筋的粘结力主要来自于直段光面钢筋的粘结力主要来自于化学胶结力和摩擦力。化学胶结力和摩擦力。粘结强度通常采用图粘结强度通常采用图1-341-34所示所示标准拔出试件标准拔出试件来测定，设拔出力为来测定，设拔出力为F F，钢筋中的总拉力，钢筋中的总拉力F F=s sA As s，则钢筋与混凝土界面上的平均粘结应力，则钢筋与混凝土界面上的平均粘结应力F F为为F F/(/(dl

43、dl)（1-121-12）试验中可同时量测加荷端滑移和自由端滑移，由于埋人长度试验中可同时量测加荷端滑移和自由端滑移，由于埋人长度l l较短。可认为达到最大较短。可认为达到最大荷载时粘结应人沿埋长近乎相等，可用粘结破坏时的最大平均粘结应力代表钢筋与混凝士荷载时粘结应人沿埋长近乎相等，可用粘结破坏时的最大平均粘结应力代表钢筋与混凝士的粘结强度。的粘结强度。第64页/共79页第65页/共79页图图1-351-35（见见上上页页）为为典典型型的的光光面面钢钢筋筋拔拔出出试试验验曲曲线线(-s sl l曲曲线线)。光光而而钢钢筋筋的的粘粘结结强强度度较较低低，u u=(0.4=(0.41.4)1.4)

44、f ft t，到到达达最最大大粘粘结结应应力力后后，加加荷荷端端滑滑移移s sl l急急剧剧增增大大。曲曲线线出出现现下下降降段段、试试件件的的破破坏坏是是钢钢筋筋徐徐徐徐被被拔拔出出的的剪剪切切破破坏坏 ，滑滑移移可可达达数数毫毫米米。很很大大程程度度上上取取决决了了钢钢筋筋的的表表面面状状况况，表表面面越越凹凹凸凸不不平平，则则u u越高。越高。光面钢筋的主要问题是强度低光面钢筋的主要问题是强度低 滑移大滑移大。2 2、变形钢筋的粘结性能、变形钢筋的粘结性能变变形形钢钢筋筋的的粘粘结结效效果果比比光光面面钢钢筋筋的的好好得得多多，化化学学胶胶合合力力和和摩摩擦擦力力仍仍然然存存在在，机机械

45、械咬咬合合力力是是变变形形钢钢筋筋粘粘结结力力的的重重要要组组成成部分。部分。对变形钢筋对变形钢筋,由于肋纹的存在由于肋纹的存在,显著地提高了粘结强度。显著地提高了粘结强度。随随荷荷载载加加大大,胶胶结结力力被被破破坏坏，钢钢筋筋开开始始滑滑移移,这这时时,摩摩阻阻力力和和机机械械咬咬合合力力构构成成了了抗抗滑滑阻阻力力。肋肋的的斜斜向向挤挤压压力力的的径径向向分分力力使使外外围围混混凝凝土土受受环环向向拉拉力力,使使砼砼产产生生纵纵向向劈劈裂裂裂裂缝缝(图图3-3-31),31),肋的斜向挤压力的纵向分力肋的斜向挤压力的纵向分力使肋间混凝土受到剪切使肋间混凝土受到剪切,使砼产生使砼产生内部斜

46、裂缝内部斜裂缝。第66页/共79页 若若外外围围混混凝凝土土较较薄薄且且没没有有箍箍筋筋约约束束,则则纵纵向向劈劈裂裂裂裂缝缝将将很很快快发发展展到到混混凝凝土土表表面面,沿沿钢钢筋筋将将混混凝凝土土劈劈开开，产产生生纵纵向向劈劈裂裂破破坏坏;若若外外围围混混凝凝土土较较厚厚或或有有箍箍筋筋约约束束,则则限限制制了了劈劈裂裂裂裂缝缝的的开开展展和和延延伸伸,粘粘结结应应力力可可进进一一步步增增长长,直直至至混混凝凝土土齿齿状状突突起起部部分分完完全全被被压压碎碎或或剪剪断断（图图3-323-32）,使使钢钢筋筋带带着着横横肋肋之之间间的的混混凝凝土土徐徐徐徐滑滑动动。这这种种破破坏坏称称为为“

47、刮刮犁式破坏犁式破坏”,属剪切型破坏属剪切型破坏,比劈裂破坏的粘结强度高。比劈裂破坏的粘结强度高。第67页/共79页图1-36为变形钢筋拔出的-sl试验曲线。加加荷荷初初期期期期(A A)，钢钢筋筋肋肋对对混混凝凝土土斜斜向向挤挤压压形形成成了了滑滑动动阻阻力力，滑滑动动的的产产生生使使肋肋根根部部混混凝凝土土出出现现局局部部挤挤压压变变形形，粘粘结结刚刚度度较较大大。曲曲线线近近似似为为直直线线关关系。系。随随荷荷载载的的增增大大，斜斜向向挤挤压压力力沿沿钢钢筋筋纵纵同同分分力力产产生生如如图图1-371-37的的内内部部斜斜裂裂缝缝，径径向向分分力力使使混混凝凝土土环环向向受受拉拉，从从而

48、而产产生生内内部部径径向向裂裂缝缝，当当径径向向内内裂裂缝缝到到达达试试件件表表面面时时，相相应应的的应应力力称称劈劈裂裂粘粘结结应应力力=(0.8=(0.80.85)0.85)u u，-s s曲曲线线到到达达峰峰值值u u时时，相相应应的的滑滑移移s s随随混混凝凝士士的的强强度度的的不不同同约约在在0.350.350.450.45之之间间波波动动、对对于于无无横横向向配配筋筋的的一一段段保保护护层层试试件件，到到达达后后，在在s s增增长长不不大的情况厂出现脆性劈裂破坏。大的情况厂出现脆性劈裂破坏。第68页/共79页第69页/共79页3 3 3 3、影响粘结强度的因素、影响粘结强度的因素、

49、影响粘结强度的因素、影响粘结强度的因素（1 1）混凝土强度等级：）混凝土强度等级：因粘结力中的化学胶结力、摩阻力、机械咬合力均与混凝因粘结力中的化学胶结力、摩阻力、机械咬合力均与混凝土强度有关土强度有关,实际上粘结破坏就是混凝土剪切破坏实际上粘结破坏就是混凝土剪切破坏,因此无论光面钢筋还是变形钢筋因此无论光面钢筋还是变形钢筋,混凝土强度对粘结性能的影响都很显著的。试验表明混凝土强度对粘结性能的影响都很显著的。试验表明,当其它条件基本相同时当其它条件基本相同时,粘粘结强度结强度u u与混凝土抗拉强度与混凝土抗拉强度f ft t大致成正比关大致成正比关（2 2）钢筋的外形、直径和表面状态）钢筋的外

50、形、直径和表面状态 螺纹钢筋和月牙纹钢筋的外形不同螺纹钢筋和月牙纹钢筋的外形不同,螺纹钢筋肋的面积相对较大螺纹钢筋肋的面积相对较大,肋距相对较小肋距相对较小,粘结强度和粘结刚度较高粘结强度和粘结刚度较高,但肋间混凝土易被剪断但肋间混凝土易被剪断,后期粘结强度衰减较快后期粘结强度衰减较快,粘结延粘结延性较差；月牙纹钢筋肋面积相对小性较差；月牙纹钢筋肋面积相对小,肋距大肋距大,粘结强度和粘结刚度稍低粘结强度和粘结刚度稍低,但肋间混但肋间混凝土抗剪能力强凝土抗剪能力强,后期粘结强度衰减较慢后期粘结强度衰减较慢,粘结延性好；变形钢筋的外形（肋高）与粘结延性好；变形钢筋的外形（肋高）与直径不成正比直径不