1、第2章 混凝土結構材料 物理力學性能河南大學土木建筑學院土木工程系鮑鵬混凝土結構設計原理第1頁第1頁 主要內容：混凝土物理力學性能鋼筋物理力學性能鋼筋與混凝土粘結鋼筋錨固和連接重點：鋼筋級別、強度和變形性能混凝土強度和變形性能粘結破壞機理第2章 混凝土結構材料物理力學性能第2頁第2頁第2章 混凝土結構材料物理力學性能2.1混凝土物理力學性能 立方體抗壓強度 fcu,k 用邊長為150mm原則立方體試塊在原則條件下養護28d后，以原則試驗辦法測得破壞時平均壓應力為混凝土立方體抗壓強度。 影響原因： 按上述要求所測得含有95%確保率抗壓強度稱為混凝土立方體抗壓強度原則值 。 尺寸效應：尺寸越大，內

2、部缺點較多， 強度較低。 加載速度：加載速度越快，強度越低。（原則加載速度 0.150.3N/mm2/s） 端部約束：涂潤滑油 ，強度減少。（兩端不涂潤滑劑）2.1 混凝土物理力學性能1.單軸向應力狀態下混凝土強度第3頁第3頁 混凝土強度等級 按立方體抗壓強度原則值擬定，按 大小劃分為14級。C15、 C20、 C25、 C30 C80。 混凝土強度等級選取 采用HRB335、 HRB400、 RRB400級鋼筋時， 不得低于C20； 預應力混凝土結構， 不應低于C30； 采用高強鋼絲作預應力鋼筋時，不宜低于C40。 承受重復荷載構件混凝土， 不得低于C20；2.1混凝土物理力學性能 第2章

3、混凝土結構材料物理力學性能立方體抗壓強度表示混凝土Concrete第4頁第4頁立方體抗壓強度fcu,k承壓板試塊摩擦力不涂潤滑劑涂潤滑劑強度不小于我國規范辦法：不涂潤滑劑壓力試件裂縫發展擴張整個體系解體，喪失承載力另影響強度原因尚有：齡期、加載速率、試塊尺寸等2.1混凝土物理力學性能 第2章 混凝土結構材料物理力學性能第5頁第5頁 軸心抗壓強度fck （棱柱體抗壓強度） 棱柱體高度取值： 掙脫端部摩擦力影響； 試件不致失穩。 試驗目的：采用棱柱體試件，反應混凝土實際工作狀態。 試件尺寸：我國取 mm為原則試件。2.1混凝土物理力學性能 第2章 混凝土結構材料物理力學性能承壓板試塊考慮到承壓板對

4、試件約束，立方體抗壓強度不小于棱柱體抗壓強度；并考慮到構件和試件區別且有：取第6頁第6頁直接受拉試驗ftk100100150150500試驗結果：0.88意義與 取值同前第2章 混凝土結構材料物理力學性能2.1混凝土物理力學性能 軸心抗拉強度 ftk 劈裂試驗ftsddftsFFFF我國依據100mm立方體劈裂與抗壓試驗結果有：fts=0.19fcu 3/4第7頁第7頁2.復合應力狀態下混凝土強度2.1混凝土物理力學性能 第2章 混凝土結構材料物理力學性能 雙軸應力狀態 雙向受拉，靠近單軸抗拉強度； 雙向受壓，混凝土側向變形受到約束，強度提升 ； 一拉一壓，加速了混凝土內部微裂縫發展 ，抗拉、

5、抗壓強度均減少。 第8頁第8頁 剪壓或剪拉復合應力狀態 混凝土剪壓復合強度 2.1混凝土物理力學性能 第2章 混凝土結構材料物理力學性能混凝土抗剪強度：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，壓應力繼續增大，則由于內裂縫發展明顯，抗剪強度將隨壓應力增大而減小。第9頁第9頁1=fcc1=fcc2= 3= fLfL-側向約束壓應力（加液壓）圓柱體試驗有側向約束時抗壓強度無側向約束時圓柱體單軸抗壓強度第2章 混凝土結構材料物理力學性能2.1混凝土物理力學性能 三軸應力狀態三軸應力狀態有各種組合，實際工程碰到較多螺旋箍筋柱和鋼管混凝土柱中混凝土為三向受壓狀態

6、。三向受壓試驗普通采用圓柱體在等側壓條件進行。第10頁第10頁 混凝土單軸受力時應力-應變關系反應了混凝土受力全過程主要力學特性,是分析混凝土構件應力、建立承載力和變形計算理論必要依據，也是利用計算機進行非線性分析基礎。 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，試驗機中集聚彈性應變能不小于試件所能吸取應變能，會造成試件產生忽然脆性破壞，只能測得應力-應變曲線上升段。 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，以吸取試驗機內集聚應變能，能夠測得應力-應變曲線下降段。第2章 混凝土結構材料物理力學性能2

7、.1混凝土物理力學性能 3. 混凝土變形 一次短期加載下混凝土變形性能第11頁第11頁第2章 混凝土結構材料物理力學性能2.1混凝土物理力學性能 第12頁第12頁 混凝土受壓時應力-應變關系作用是：峰值應力后，吸取試驗機變形能，測出下降段第2章 混凝土結構材料物理力學性能2.1混凝土物理力學性能 02468102030s(MPa)e 10-3ABCDE第13頁第13頁不同強度混凝土應力-應變關系曲線強度等級越高，線彈性段越長，峰值應變也有所增大。但高強混凝土中，砂漿與骨料粘結很強，密實性好，微裂縫很少，最后破壞往往是骨料破壞，破壞時脆性越明顯，下降段越陡。2.1混凝土物理力學性能 第2章 混凝

8、土結構材料物理力學性能第14頁第14頁 混凝土單軸受壓時應力-應變關系數學模型u=0.00380=0.002ocfcc0.15fcu=0.00350=0.002ocfcc美國Hognestad模型德國Rsch模型2.1混凝土物理力學性能 第2章 混凝土結構材料物理力學性能第15頁第15頁規范應力-應變關系上升段：下降段：2.1混凝土物理力學性能 第2章 混凝土結構材料物理力學性能第16頁第16頁 三向受壓狀態下混凝土受力特點 試件縱向受壓時，混凝土橫向膨脹受到約束，使關鍵混凝土處于三向受壓狀態，內部微裂縫發展受到克制，從而提升了試件縱向強度和延性，尤其是延性大為提升。 混凝土圓柱體三向受壓時軸

9、向應力應變曲線 2.1混凝土物理力學性能 第2章 混凝土結構材料物理力學性能第17頁第17頁 三向受壓狀態下混凝土受力特點 2.1混凝土物理力學性能 第2章 混凝土結構材料物理力學性能螺旋箍筋圓柱體約束混凝土應力應變曲線 第18頁第18頁 混凝土變形模量彈性模量變形模量切線模量第2章 混凝土結構材料物理力學性能2.1混凝土物理力學性能 混凝土變形模量表示辦法 第19頁第19頁混凝土彈性模量試驗辦法（150150 300原則試件）c/fcc0.5510次此線和原點切線基本平行，取其斜率作為Ec第2章 混凝土結構材料物理力學性能2.1混凝土物理力學性能 混凝土變形模量第20頁第20頁 混凝土變形模

10、量第2章 混凝土結構材料物理力學性能2.1混凝土物理力學性能 混凝土彈性模量與立方體抗壓強度之間關系：第21頁第21頁混凝土泊松比和剪切模量混凝土泊松比，在壓力較小時為0.150.18，靠近破壞時可達0.5以上，普通可取0.2混凝土剪切模量為第2章 混凝土結構材料物理力學性能2.1混凝土物理力學性能 混凝土變形模量第22頁第22頁軸向受拉時混凝土應力應變關系tto t0 tu ftt(MPa)0 (mm)cr =0.00012試件：7619305mmfc = 44MPa43210.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06標距83mm理論模型第2章 混凝土結構材料物理力學性能2.1

11、混凝土物理力學性能 第23頁第23頁荷載長期作用下混凝土變形性能-徐變原因之一，膠凝體粘性流動原因之二，混凝土內部微裂縫不斷發展第2章 混凝土結構材料物理力學性能2.1混凝土物理力學性能 定義：在荷載長期作用下，混凝土變形隨時間而漸漸增長 現象。徐變特點：開始增長較快，以后逐步減慢，最后趨于穩定。 第24頁第24頁荷載長期作用下混凝土變形性能-影響徐變原因第2章 混凝土結構材料物理力學性能2.1混凝土物理力學性能 應力大小；應力越大，徐變越大混凝土齡期；加荷時混凝土齡期，越早，徐變越大混凝土制作、養護環境； 溫度越高，濕度越大，徐變越小水灰比與水泥用量；水泥用量越多，水灰比越大，徐變越大骨料用

12、量及力學性能。骨料越硬，徐變越小 徐變對混凝土結構和構件工作性能有很大影響。由于混凝土徐變，會使構件變形增長，在鋼筋混凝土截面中引起應力重分布，在預應力混凝土結構中會造成預應力損失。 混凝土徐變特性主要與時間參數相關。第25頁第25頁徐變對混凝土結構影響PAsPAs s1c1Ps2As s2P拆去，鋼筋受壓混凝土受拉，也許會引起混凝土開裂徐變： s， c第2章 混凝土結構材料物理力學性能2.1混凝土物理力學性能 荷載長期作用下混凝土變形性能-徐變第26頁第26頁第2章 混凝土結構材料物理力學性能2.1混凝土物理力學性能 定義：混凝土在空氣中硬化時體積會縮小，這種現象稱為混凝土收縮。 收縮是混凝

13、土在不受外力情況下體積改變產生變形。 當這種自發變形受到外部（支座）或內部（鋼筋）約束時，將使混凝土中產生拉應力，甚至引起混凝土開裂。混凝土收縮會使預應力混凝土構件產生預應力損失。 荷載長期作用下混凝土變形性能-收縮養護條件、制作辦法、使用環境、體積與表面積比值等骨料：骨料越硬，收縮越小水泥用量：水泥用量越多，水灰比越大，收縮越大水泥品種：等級越高，收縮越大影響原因：第27頁第27頁收縮對混凝土結構影響AssAs s收縮： 鋼筋受壓， 混凝土受拉As第2章 混凝土結構材料物理力學性能2.1混凝土物理力學性能 荷載長期作用下混凝土變形性能-收縮第28頁第28頁重復荷載下混凝土變形性能pe包羅線與

14、一次性加載時應力-應變曲線相同4.混凝土疲勞第2章 混凝土結構材料物理力學性能2.1混凝土物理力學性能 疲勞強度 混凝土疲勞強度由疲勞試驗測定。采用100mm100mm300mm 或著150mm150mm450mm棱柱體，把棱柱體試件承受200萬次或其以上循環荷載而發生破壞壓應力值稱為混凝土疲勞抗壓強度。第29頁第29頁破壞重復荷載下應力-應變曲線fcf321疲勞強度fcfcf確實定原則：100100 300或150150 450 棱柱體試塊承受200萬次（或以上）循環荷載時發生破壞最大壓應力值2.1混凝土物理力學性能 第2章 混凝土結構材料物理力學性能第30頁第30頁2.1混凝土物理力學性能

15、 第2章 混凝土結構材料物理力學性能 影響原因 施加荷載時應力大小是影響應力-應變曲線不同發展和改變關鍵原因，即混凝土疲勞強度與重復作用時應力改變幅度相關。在相同重復次數下，疲勞強度伴隨疲勞應力比值增大而增大。第31頁第31頁鋼筋熱軋鋼筋：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、回火而成按加工鋼絲碳素鋼絲：高碳鎮靜鋼通過多次冷拔、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粘結力鋼絞線：六根相同直徑鋼絲成螺旋狀鉸繞在

16、一起冷拔低碳鋼絲：由低碳鋼冷拔而成2.2 鋼筋物理力學性能1. 鋼筋種類第2章 混凝土結構材料物理力學性能2.2 鋼筋物理力學性能 第32頁第32頁按表面形狀光圓鋼筋變形鋼筋鋼筋應用范圍非預應力鋼筋：HRB235，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2.2 鋼筋物理力學性能 第2章 混凝土結構材料物理力學性能第33頁第33頁熱軋鋼筋符號闡明HPB235 生產工藝： hot rolled 表面形狀：plain 鋼筋：bar 屈服強度2.2 鋼筋物理力學性能 第2章 混凝土結構材料物理力學性能第34頁第34頁熱軋鋼筋符號闡明HRB33

17、5 hot rolledribbed bar RRB400 remained heat treatmentribbed bar 第2章 混凝土結構材料物理力學性能2.2 鋼筋物理力學性能 第35頁第35頁預應力鋼筋符號闡明鋼絞線 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2章 混凝土結構材料物理力學性能2.2 鋼筋物理力學性能 第36頁第36頁按化學成份碳素鋼（鐵、碳、硅、錳、硫、磷等元素）低碳鋼（含碳量0.25%）中碳鋼（含碳量0.250.6%）高碳鋼（含碳量0.61.4%）普通低合金

18、鋼（另加硅、錳、鈦、釩、鉻等）硅系硅釩系硅鈦系硅錳系硅鉻系第2章 混凝土結構材料物理力學性能2.2 鋼筋物理力學性能 第37頁第37頁冷拉BKZZK殘余變形冷拉伸長率無時效經時效K點選擇：應力控制和應變控制溫度影響：溫度達700C時恢復到冷拉前狀態，先焊后拉特性：只提升抗拉強度，不提升抗壓強度，強度提升，塑性下降第2章 混凝土結構材料物理力學性能冷加工鋼筋是由熱軋鋼筋和盤條經冷拉、冷拔、冷軋、冷扭加工后而成。冷加工目的是為了提升鋼筋強度，節約鋼材。但經冷加工后，鋼筋延伸率減少。近年來，冷加工鋼筋品種諸多，應依據專門規程使用。2.2 鋼筋物理力學性能 第38頁第38頁冷拔通過冷拔后鋼筋沒有明顯屈

19、服點和流幅冷拔既能提升抗拉強度又能提升抗壓強度第2章 混凝土結構材料物理力學性能2.2 鋼筋物理力學性能 第39頁第39頁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提升，而延伸率減少不多。用于預應力混凝土結構。對特定鋼號鋼筋進行淬火和回火處理強度提升，塑性減少不減少強度前提下，消除由淬火產生內力，改進塑性和韌性第2章 混凝土結構材料物理力學性能熱處理2.2 鋼筋物理力學性能 第40頁第40頁 有明顯屈服點鋼筋a 百分比極限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2章 混凝土結構材料物理力學性能2.2 鋼筋

20、物理力學性能 第41頁第41頁 無明顯屈服點鋼筋d 極限抗拉強度e 極限應變 條件屈服強度： 取殘余應變為0.2%所相應應力作為無明顯流幅鋼筋強度限值，通常稱為條件屈服強度。第2章 混凝土結構材料物理力學性能2.2 鋼筋物理力學性能 第42頁第42頁幾種指標：屈服強度：是鋼筋強度設計依據，由于鋼筋屈服后將發生很大塑性變形，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變形和不可閉合裂縫。屈服上限與加載速度相關，不太穩定，普通取屈服下限作為屈服強度。延 伸 率：鋼筋拉斷后伸長值與原長比率，是反應鋼筋塑性性能指標。延伸率大鋼筋，在拉斷前有足夠預兆，延性較好。屈 強 比：反應鋼筋強度儲備，

21、fy/fu=0.60.7。第2章 混凝土結構材料物理力學性能 冷彎要求：將直徑為d鋼筋繞直徑為D鋼輥彎成一定角度而不發生斷裂 2.2 鋼筋物理力學性能 第43頁第43頁sss=Essys,hfysss=Essys,hfyfs,us,us,usss=Essyfys,hfs,u有明顯流幅鋼筋無明顯流幅鋼筋3.鋼筋應力-應變曲線數學模型第2章 混凝土結構材料物理力學性能2.2 鋼筋物理力學性能 第44頁第44頁重復荷載作用下，鋼筋強度靜載作用下強度要求應力幅度內，經一定次數重復荷載后，發生疲勞破壞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。試驗辦法單根鋼筋軸拉疲勞鋼筋埋入混凝土中重復

22、受拉或受彎4.鋼筋疲勞第2章 混凝土結構材料物理力學性能2.2 鋼筋物理力學性能 第45頁第45頁強度要求：屈服強度和極限強度，抗震設計時還要求有一定屈強比要求鋼筋有足夠強度和適宜強屈比(極限強度與屈服強度比值)。比如，對抗震等級為一、二級框架結構，其縱向受力鋼筋實際強屈比不應小于1.25。塑性要求：伸長率和冷彎要求,避免發生脆性破壞可焊性:要求鋼筋焊接后不產生裂縫和過大變形，焊接接頭性能良好與混凝土粘結性:要求鋼筋與混凝土之間有足夠粘結力，以確保兩者共同工作5.混凝土結構對鋼筋性能要求第2章 混凝土結構材料物理力學性能2.2 鋼筋物理力學性能 第46頁第46頁 粘結應力定義鋼筋與混凝土接觸面上產生沿鋼筋縱向剪應力 。粘結強度：粘結失效時最大（平均）粘結應力。粘結強度測試 第2章 混凝土結構材料物理力學性能2.3 混凝土與鋼筋粘結 1.粘結意義粘結和錨固是鋼筋和混凝土形成整體、共同工作基礎2.3 混凝土與鋼筋粘結 第47頁第47頁