緒論全套可編輯PPT課件學習目標理解鋼筋與混凝土共同工作的機理。掌握混凝土結構的優缺點。了解混凝土結構的發展和應用概況。0.1混凝土結構的定義、種類及特點混凝土結構的定義與種類0.1.1混凝土是由膠凝材料、粗骨料（石子）、細骨料（砂粒）、水及必要的外加劑等其他材料，按照一定的比例和工序進行配制，經攪拌、養護硬化而成的具有一定強度的人工石材。因此，也被稱為“砼”，即人造石頭。膠凝材料包括水泥、石灰、水玻璃、粉煤灰和環氧樹脂等。目前，土木工程領域廣泛應用的是以水泥為膠凝材料的混凝土?；炷两Y構是以混凝土為主要材料，并根據需要配置鋼筋、預應力筋、鋼骨等制成的結構，包括素混凝土結構、鋼筋混凝土結構、預應力混凝土結構及纖維增強混凝土結構。其中，鋼筋混凝土結構是目前土木工程中使用最為廣泛的結構形式。0.1混凝土結構的定義、種類及特點素混凝土結構是指無筋或不配置受力筋的混凝土結構。在建筑工程中主要將其用于承受壓力而不承受拉力的結構，如基礎、支墩、擋土墻、地坪及一些非承重結構，很少將其做成主要受力構件。1素混凝土結構混凝土結構的定義與種類0.1.10.1混凝土結構的定義、種類及特點鋼筋混凝土結構是指配置受力的普通鋼筋、鋼筋網或鋼骨與混凝土制成的結構，主要適用于各種受壓、受拉、受彎和受扭的結構，如各種桁架、梁、板、柱、墻等。鋼筋混凝土結構由鋼筋和混凝土兩種力學性能極不相同的材料組成。鋼筋和混凝土都是土木工程中重要的建筑材料，混凝土有較好的抗壓強度，而抗拉強度很低，只有其抗壓強度的1/10左右；鋼筋的抗拉強度和抗壓強度都很高。2鋼筋混凝土結構混凝土結構的定義與種類0.1.10.1混凝土結構的定義、種類及特點而鋼筋混凝土結構就是把鋼筋和混凝土通過合理的方式組合在一起，使鋼筋主要承受拉力，混凝土主要承受壓力，充分發揮兩種材料的優勢，從而使所設計的工程結構既安全可靠，又經濟合理。圖0-1所示的兩根簡支梁，跨度為4m，截面尺寸bh=200mm×300mm，混凝土強度等級為C25。圖0-1（a）所示為素混凝土梁，圖0-1(b)所示為在梁的受拉區配置了3根直徑為16mm的HRB335級鋼筋的鋼筋混凝土梁。由試驗結果可知，素混凝土梁在荷載作用下，梁截面上部受壓，下部受拉?；炷两Y構的定義與種類0.1.12鋼筋混凝土結構0.1混凝土結構的定義、種類及特點如圖0-1（a）所示，當梁跨中下邊緣的混凝土達到混凝土的極限拉應力時，該部位即開裂，且裂縫迅速發展，梁瞬時斷裂并破壞。由于混凝土的抗拉強度很低，梁破壞時的變形和荷載均很小，受壓區混凝土的抗壓強度還遠沒有充分利用，破壞比較突然，屬于脆性破壞。如圖0-1（b）所示，對于在受拉區配置鋼筋的梁，在荷載的作用下，鋼筋混凝土梁跨中截面下邊緣的混凝土開裂后，裂縫沒有迅速開展，此時開裂截面的拉力由鋼筋來承擔。由于鋼筋的強度和彈性模量均較大，梁還能繼續承擔荷載，直至受拉鋼筋屈服，受壓區混凝土壓碎，梁最終被破壞?；炷两Y構的定義與種類0.1.12鋼筋混凝土結構0.1混凝土結構的定義、種類及特點梁被破壞前，裂縫發展比較充分，變形較大，有明顯的預兆。破壞時，鋼筋和混凝土兩種材料的性能都得到了充分利用，屬于延性破壞。因此，在混凝土中配置一定形式和數量的鋼筋，不僅可以提高結構的承載能力，還能增強結構的變形能力。鋼筋混凝土結構較好的受力性能，使混凝土結構的應用范圍進一步拓展?；炷两Y構的定義與種類0.1.12鋼筋混凝土結構0.1混凝土結構的定義、種類及特點混凝土結構的定義與種類0.1.12鋼筋混凝土結構0.1混凝土結構的定義、種類及特點鋼筋和混凝土這兩種物理力學性能完全不同的材料之所以能有效地結合在一起共同工作，主要基于下列三個條件：(1)鋼筋與混凝土之間的黏結力。(2)鋼筋與混凝土兩種材料的溫度線膨脹系數接近。(3)混凝土對埋置其內的鋼筋的保護?；炷两Y構的定義與種類0.1.12鋼筋混凝土結構0.1混凝土結構的定義、種類及特點3預應力混凝土結構預應力混凝土結構是由配置受力的預應力鋼筋通過張拉或其他方法建立預加應力的混凝土制成的結構。預應力混凝土結構的應用范圍和鋼筋混凝土結構相似，但由于預應力混凝土結構具有抗裂性好、剛度大和強度高的特點，特別適用于一些大跨度、重荷載，以及有抗裂、抗滲要求的結構?；炷两Y構的定義與種類0.1.10.1混凝土結構的定義、種類及特點4纖維增強混凝土結構纖維增強混凝土是指在普通混凝土中摻加適量的纖維材料而形成的改良混凝土。纖維材料有鋼纖維、耐堿玻璃纖維、合成纖維、植物纖維等。纖維增強混凝土結構，可提高結構構件的抗拉、抗剪、抗折強度和抗裂、抗沖擊、抗疲勞、抗震、抗爆等性能。混凝土結構的定義與種類0.1.10.1混凝土結構的定義、種類及特點因而被廣泛應用于各種工程，如抗震框架節點區、剛性防水屋面、地下防水工程、地下人防工程、混凝土拱橋拱體受拉區、橋梁橋面、公路路面、機場道面、隧洞襯砌、結構加固工程、大壩防滲面板、泄洪洞、水工結構中受高速水流沖刷和易腐蝕的部位。混凝土結構的定義與種類0.1.14纖維增強混凝土結構0.1混凝土結構的定義、種類及特點混凝土結構的特點0.1.2混凝土結構在土木工程領域應用非常廣泛，幾乎90%的結構都是混凝土結構，這主要是由于其有以下優點：（1）鋼筋由密實、厚度適當的混凝土包裹，不易銹蝕，耐久性能良好。即使處于侵蝕環境中，在選用適宜的水泥品種及外加劑，適當增大保護層厚度等情況下，也能滿足工程耐久性的要求，因此，混凝土結構的維修較少，不像鋼結構和木結構那樣需要經常保養。1混凝土結構的優點0.1混凝土結構的定義、種類及特點（2）混凝土屬于不良導熱體，遭受火災時，混凝土起隔熱作用，使鋼筋不致很快達到軟化溫度而導致結構整體破壞。經驗表明，經受較長時間的燃燒，混凝土常常只損傷表面。對承受高溫作用的結構，還可使用耐熱混凝土。（3）新拌和未凝固的混凝土具有良好的可塑性，可以按模板圖澆筑成建筑師設計的各種形狀和尺寸的構件，如曲線形的梁和拱、空間薄殼等形狀復雜的結構?；炷两Y構的特點0.1.21混凝土結構的優點0.1混凝土結構的定義、種類及特點（4）整體澆筑或裝配整體式的鋼筋混凝土結構剛度較大，抗變形能力強，且整體性好，對抵抗地震、風載和爆炸沖擊作用具有良好的性能，適用于防護結構。（5）在混凝土結構的組成材料中，用量最多的是石子和砂子等材料，便于就地取材，而且鋼筋混凝土結構構件合理地利用了鋼筋和混凝土這兩種材料的受力特點，在一定條件下可用來代替鋼結構，因而能節約鋼材，降低造價。混凝土結構的特點0.1.21混凝土結構的優點0.1混凝土結構的定義、種類及特點混凝土結構同時也存在以下缺點：（1）鋼筋混凝土結構自重大，限制了在大跨度結構、高層建筑結構中的使用，而且構件運輸和吊裝也比較困難。（2）混凝土材料的抗拉強度低，在正常使用時，往往帶裂縫工作，對一些不允許出現裂縫或對裂縫寬度有嚴格限制要求的結構受到限制。2混凝土結構的缺點混凝土結構的特點0.1.20.1混凝土結構的定義、種類及特點（3）現場澆筑的混凝土結構施工工序多，現場濕作業多，費工費料，施工周期長，施工受環境和氣候的影響較大。隨著建筑科技技術的不斷進步，混凝土結構的這些缺點逐步得以改善或克服。例如，可采用輕質、高強混凝土來減輕結構自重；采用預應力混凝土來改善構件的抗裂性能；采用預制構件節約模板，加快施工速度；采用重復使用的鋼模板或工具式模板及滑模等施工技術，使工程免受或少受氣候條件的影響。混凝土結構的特點0.1.22混凝土結構的缺點0.2混凝土結構的發展及應用混凝土結構的發展簡況0.2.1混凝土結構是隨著水泥和鋼鐵的發展而出現的結構形式，它相對于其他建筑結構形式，歷史并不算長，但發展很快，目前已經成為土木工程領域中的主導結構?；炷两Y構的發展，大致可以分為三個階段：第一階段：從鋼筋混凝土發明之日至20世紀初期。1824年，英國人阿斯普丁發明了波特蘭水泥并取得專利，為鋼筋混凝土的發明奠定了物質基礎。0.2混凝土結構的發展及應用從1850年法國人郎波建造鋼筋混凝土小船至1920年，這一階段鋼筋和混凝土的強度都很低，只能用來建造中小型樓板、梁、拱和基礎等簡單構件。結構內力和構件截面計算均采用彈性理論，采用容許應力設計方法。第二階段：從20世紀初期到20世紀中期。此階段鋼筋和混凝土的強度均有所提高，開始出現裝配式鋼筋混凝土結構，特別是預應力混凝土結構和殼體空間結構的發明和應用，使鋼筋混凝土結構被用來建造大跨度空間結構。混凝土結構的發展簡況0.2.10.2混凝土結構的發展及應用1931年，美國在紐約建成了102層、高381m的帝國大廈；1933年，法國、蘇聯和美國分別建成跨度達60m的圓殼、扁殼和圓形懸索屋蓋；在計算理論方面，開始考慮混凝土塑性性能的破損階段設計方法；20世紀50年代，更為合理的極限狀態設計法被提出，奠定了現代鋼筋混凝土的基本計算理論?；炷两Y構的發展簡況0.2.10.2混凝土結構的發展及應用第三階段：從20世紀中期至今。這一階段材料強度不斷提高，高強混凝土、高性能混凝土、高強鋼筋相繼出現并廣泛應用。裝配式混凝土結構和泵送商品混凝土等新的結構形式和施工技術應用于各類土木工程，如超高層建筑、大跨度橋梁、特長的跨海隧道和高聳結構等?；炷两Y構所能達到的跨度和高度不斷被刷新，混凝土結構不斷向新的應用領域拓展。該階段的計算理論充分考慮混凝土和鋼筋塑性性狀，設計方法采用以概率論為基礎的多系數表達的實用設計公式。混凝土結構的發展簡況0.2.10.2混凝土結構的發展及應用混凝土結構的應用0.2.2在建筑工程中，工廠、住宅、學校等單層、多層建筑廣泛采用混凝土結構。在多層房屋建筑中，大多建筑采用砌體結構作為豎向承重構件，但樓板幾乎采用預制混凝土或現澆混凝土樓蓋。高層建筑中的框架結構、剪力墻結構、框架-剪力墻結構、筒體結構等也多采用混凝土結構。1建筑工程0.2混凝土結構的發展及應用具有代表性的鋼筋混凝土高層結構有：廣州中信廣場，80層，高度為391m，筒中筒結構，是純混凝土結構寫字樓；中國臺北國際金融中心，地上有101層，樓高為508m，采用鋼-混凝土結構；哈利法塔（迪拜塔），樓層總數為162層，高為828m，總共使用了33.3×105m3的混凝土、6.2×104t的強化鋼筋；混凝土結構的應用0.2.21建筑工程0.2混凝土結構的發展及應用上海中心大廈，建筑主體為118層，總高度為632m，僅次于迪拜的哈利法塔，結構形式為鋼筋混凝土核心筒-外框架結構。隨著建筑技術不斷地進步，這些建筑的最高紀錄也在不斷地被刷新?；炷两Y構的應用0.2.21建筑工程0.2混凝土結構的發展及應用大跨度建筑多用于民用建筑中的影劇院、體育館、展覽館、大會堂、航空港候機廳及其他大型公共建筑，工業建筑中的大跨度廠房、飛機裝配車間和大型倉庫等。例如，林同炎設計的舊金山地下展覽廳，采用16片鋼筋混凝土拱，跨度為83.8m；意大利都靈展覽館拱頂采用裝配式混凝土構件，跨度達95m；美國西雅圖金群體育館采用鋼筋混凝土圓球殼，跨度達202m?；炷两Y構的應用0.2.21建筑工程0.2混凝土結構的發展及應用2橋梁工程混凝土結構應用于橋梁工程始于19世紀70年代，法國園藝師莫尼埃建造了一座人行鋼筋混凝土橋，跨徑為16m，寬為4m。20世紀30年代，隨著預應力混凝土和高強度鋼材的相繼出現、材料塑性理論和極限理論的研究，大跨度橋梁也可以采用混凝土結構。特別是第二次世界大戰以后，世界上修建了多座較大跨徑的鋼筋混凝土拱橋：葡萄牙亞拉達拱橋，跨徑為270m，矢高為50m；混凝土結構的應用0.2.20.2混凝土結構的發展及應用中國第一座試驗雙曲鋼筋混凝土拱橋建于江蘇省無錫市，跨徑為9m；湖南長沙湘江大橋，是一座16孔的鋼筋混凝土雙曲拱橋，大孔跨徑為60m，小孔跨徑為50m，總長為1250m；跨度更大的混凝土拱橋是重慶市萬縣長江大橋，跨度達到420m；福州市青州閩江大橋，主跨為605m，為雙塔雙索面鋼-混凝土組合梁斜拉橋，其橋塔和橋面均為混凝土結構。混凝土結構的應用0.2.22橋梁工程0.2混凝土結構的發展及應用3水利水電工程在水利水電工程中，大壩、水工隧道、溢洪道等工程一般都采用混凝土結構。我國的水利水電工程建設規模大，建設水平高。例如，我國雅礱江流域梯級開發龍頭電站的錦屏一級拱壩，為混凝土雙曲拱壩，壩高為305m，為世界上較高的重力壩；清江梯級開發的水布埡大壩，壩高為233m，為混凝土面板堆石壩；混凝土結構的應用0.2.20.2混凝土結構的發展及應用我國紅水河龍灘水電站大壩壩頂長度為836.5m，最大壩高為216.5m，壩體混凝土用量為7.36×106m3，為碾壓混凝土重力壩。特別是三峽大壩的建設成功，標志著我國大壩建設跨入了世界先進行列。三峽大壩是世界上一座宏偉的混凝土重力壩，壩體混凝土用量達到2.794×107m3，位于世界前列?；炷两Y構的應用0.2.23水利水電工程0.2混凝土結構的發展及應用4特種結構工程特種結構工程中的煙囪、水塔、筒倉、蓄水池、電視塔、核電站反應堆安全殼和近海采油平臺等也有很多采用混凝土結構建造。例如，人工構筑物——廣州電視臺新塔海心塔，該塔塔身主體高為454m，總高度為610m；加拿大多倫多電視塔，塔高為5533m，為預應力混凝土結構；上海東方明珠電視塔由三個鋼筋混凝土筒體組成，高為456m；我國山西云岡建成的兩座預應力混凝土煤倉，容量達到60000t等。混凝土結構的應用0.2.20.2混凝土結構的發展及應用除了上述工程外，混凝土在其他特殊工程中也有廣泛應用，如地下停車場、隧道、飛機機場的跑道、填海造地工程等。近年來，我國每年的混凝土消耗量在14×109m3左右，鋼筋產量在2×108t左右，我國混凝土結構應用的規模居世界前列?；炷两Y構的應用0.2.24特種結構工程0.3本課程的內容、特點及注意事項本課程的主要內容0.3.1混凝土結構課程分為“混凝土結構設計原理”和“混凝土結構設計”兩門課程?！盎炷两Y構設計原理”的主要內容是混凝土結構基本構件的受力性能、承載力和變形計算及配筋構造等，這些內容是土木工程混凝土結構中的共性問題，即混凝土結構的基本理論，故本課程為土木工程專業的基礎課。0.3本課程的內容、特點及注意事項“混凝土結構設計”部分主要包括結構方案的選擇、結構構件的布置與截面尺寸的確定、荷載計算、結構的內力分析、截面設計及構造措施等，是土木工程的專業課?；炷粱緲嫾凑帐芰π阅軄韰^分，可以分為以下幾類：本課程的主要內容0.3.10.3本課程的內容、特點及注意事項（1）受彎構件。

受彎構件，如梁、板等，這類構件的截面上有彎矩作用，故稱為受彎構件。與此同時，受彎構件的截面也受剪力作用。對于板，剪力對設計計算一般不起控制作用。而在梁中，除應考慮彎矩外，尚需考慮剪力的作用。本課程的主要內容0.3.10.3本課程的內容、特點及注意事項（2）受壓構件。

受壓構件，如墻、柱等，這類構件主要承受壓力的作用。當壓力沿構件縱軸作用在構件截面上時，構件為軸心受壓構件；當壓力在構件截面上不是沿縱軸作用或截面上同時有壓力和彎矩作用時，構件為偏心受壓構件。墻、柱和拱等構件一般為偏心受壓且還有剪力作用。所以，受壓構件截面上一般同時作用有彎矩、軸力和剪力。本課程的主要內容0.3.10.3本課程的內容、特點及注意事項（3）受拉構件。

受拉構件，如屋架下弦桿、拉桿拱中的拉桿等，通常按軸心受拉構件（忽略構件自身重力）考慮。又如層數較多的框架結構，其在豎向荷載和水平荷載共同作用下，有的柱截面上除產生剪力和彎矩外，還可能出現拉力，則為偏心受拉構件。本課程的主要內容0.3.10.3本課程的內容、特點及注意事項（4）受扭構件。

受扭構件，如曲梁、框架結構的邊梁等，構件的截面上除產生彎矩和剪力外，還會產生扭矩，因此，對這類構件應考慮扭矩的作用。本課程的主要內容0.3.10.3本課程的內容、特點及注意事項本課程的特點及注意事項0.3.21本課程的特點（1）材料的復雜性。鋼筋混凝土是由鋼筋和混凝土兩種力學性能完全不同的材料組成的復合材料，除自身性能復雜外，其性能還受諸多因素的影響。它與材料力學中的單一、勻質、連續、理想彈性材料不同，所以材料力學公式在混凝土結構中可以直接運用的不多，但在考慮了鋼筋混凝土材料特性的基礎上通過平衡關系建立基本方程的途徑是相同的。0.3本課程的內容、特點及注意事項兩種材料在截面面積和材料強度大小上的比例匹配不同也會引起構件受力性能的改變，這是單一材料構件所沒有的特點。為了對鋼筋混凝土的受力性能和破壞特性有較好的了解，首先要掌握好鋼筋和混凝土材料的力學性能和影響因素。這對于鋼筋混凝土構件是一個既具有基本理論意義、又具有工程實際意義的問題。這是學習本課程必須注意的問題。本課程的特點及注意事項0.3.21本課程的特點0.3本課程的內容、特點及注意事項（2）公式的半理論、半經驗性。鋼筋混凝土結構中涉及的計算公式與材料力學等基礎課中的公式有所不同。材料力學所涉及的材料都是理想的彈性材料，而在鋼筋混凝土結構中的材料則是非均質、非彈性的鋼筋混凝土材料，其計算公式是根據理論分析及試驗研究得到的半理論、半經驗公式，有些則是工程經驗的總結，因此，在學習和運用這些公式時，要正確理解公式的本質，需要特別注意公式的適用范圍及限制條件。本課程的特點及注意事項0.3.21本課程的特點0.3本課程的內容、特點及注意事項（3）設計的多方案性。在數學和力學等基礎學科中，問題的答案一般是唯一的；而結構設計則需要對總體布置、結構形式、材料選擇和構件選型等多個方面綜合考慮，是一個多因素的綜合性問題，應遵循安全、經濟、適用、美觀和有利于環保的原則。本課程的特點及注意事項0.3.21本課程的特點0.3本課程的內容、特點及注意事項同一構件在給定荷載作用下，可以采用不同的截面形式，選擇不同的截面尺寸和配筋方式等，進而可得到不同的設計結果。合理的設計往往要經過多方案的技術經濟比較，從施工、造價、使用、維護和環保等方面綜合考慮。事實上，不同的設計理念造就了不同的設計結果，因此，在學習過程中，要注意培養對多種因素進行綜合分析的能力。本課程的特點及注意事項0.3.21本課程的特點0.3本課程的內容、特點及注意事項（4）規范的權威性和設計者的主動創造性。規范是國家制定的有關結構設計計算、構造要求，及施工的技術規定和標準，是具有約束性和立法性的文件，是設計、校核、審批結構工程設計的依據。強制性條文是設計中必須遵守的帶有法律性質的技術文件，這將使設計方法達到統一化和標準化，從而有效地貫徹國家的技術經濟政策，保證工程質量。本課程的特點及注意事項0.3.21本課程的特點0.3本課程的內容、特點及注意事項規范是總結了近年來設計、科研單位的科研成果和工程實踐經驗，并廣泛征求國內有關單位的意見，學習和借鑒國外先進規范的經驗，并逐漸與國際標準一致，經過反復修改而制定的，它代表了該學科在一個時期的技術水平。由于科學技術水平和生產實踐經驗是不斷發展的，所以規范也必然需要不斷修訂和補充。本課程的特點及注意事項0.3.21本課程的特點0.3本課程的內容、特點及注意事項2學習本課程應注意的事項（1）重視構造要求。結構設計包括結構計算及構造設計兩個方面。結構計算是在對結構進行假定簡化的基礎上進行的，因而計算結果與實際情況仍有一定差距；而構造要求是對構件受力性能的保證措施，是長期科學實驗和工程實踐的總結，因此，一定要重視構造細節的設計，理解構造原理，認識到計算和構造同等重要。本課程的特點及注意事項0.3.20.3本課程的內容、特點及注意事項（2）重視實踐和規范應用。本課程是一門理論性和實踐性都較強的課程，學習時一方面要通過課堂講授、習題、作業進行基礎知識及理論學習，通過課程設計、畢業設計等實踐教學環節進行結構設計，解決工程中所遇到的構造問題；另一方面，還應針對性地通過施工現場的參觀、實習，了解實際工程的結構布置、施工工藝等，增強實際認知，積累工程經驗。本課程的特點及注意事項0.3.22學習本課程應注意的事項0.3本課程的內容、特點及注意事項在學習過程中，還要注意逐步熟悉和正確運用相關的設計規范和設計規程，如《混凝土結構設計規范》（GB50010—2010，2015年修訂）、《建筑結構可靠度設計統一標準》（GB50068—2001）、《建筑結構荷載規范》（GB50009—2012）、《建筑抗震設計規范》（GB50011—2010）等。本課程的特點及注意事項0.3.22學習本課程應注意的事項0.3本課程的內容、特點及注意事項學習本課程時，應不僅僅局限于規范所列條文、公式、表格的學習，還要側重于掌握結構構件的受力性能。只有對設計規范條文的概念和實質有正確的理解，才能正確地應用規范的條文及其相應的計算公式、構造要求，充分發揮設計者的主動性、創造性，并能適應設計規范的發展，不斷地提高設計工作的水平。本課程的特點及注意事項0.3.22學習本課程應注意的事項0.3本課程的內容、特點及注意事項（3）注意難點，突出重點。專業課一般知識面廣，綜合性強，內容更新快。本課程內容多、試驗多、符號多、公式多、構造規定多，學習時要遵循教學大綱要求，貫徹“少而精”的原則，突出對重點內容的學習。對于學習中的難點，要找出它的根源，以利于化解。本課程的特點及注意事項0.3.22學習本課程應注意的事項0.3本課程的內容、特點及注意事項除掌握好本學科理論和方法的推論、應用和聯系外，還要學習更新的內容及與其他學科的聯系等。學習新的概念時，要想一想為什么建立這個概念，它是怎樣從實際問題中抽象出來的。本課程的特點及注意事項0.3.22學習本課程應注意的事項習題（1）鋼筋與混凝土共同工作的條件是什么？（2）混凝土結構有哪些優點和缺點？如何克服這些缺點？（3）簡述混凝土結構的發展和應用情況。（4）本課程主要包括哪些內容？學習時應注意哪些問題？緒論THANKS!第1章混凝土結構材料的物理力學性能學習目標熟悉土木工程用鋼筋的品種、級別、性能及其選用原則。熟悉混凝土在各種受力狀態下的強度與變形性能及其選用原則。了解鋼筋與混凝土的工作原理。熟悉保證鋼筋與混凝土之間協同工作的構造措施。1.1鋼筋鋼筋的種類1.1.11按化學成分分類鋼筋的力學性能主要取決于它的化學成分，其中鐵元素是主要成分，除此之外，還有少量的碳、錳、硅、磷和硫等元素。增加鋼筋中的碳含量，可以提高其屈服強度和抗拉強度，但鋼筋的塑性、沖擊韌性、腐蝕穩定性和可焊性隨之降低。錳、硅元素可以提高鋼材的強度，并保持一定的塑性。1.1鋼筋鋼材中的硫、磷是有害元素，應嚴格控制其含量。隨著含磷量的增加，鋼材的塑性和沖擊韌性明顯降低，可焊性變差。硫使鋼材熱脆，焊接性能惡化，沖擊韌性、疲勞強度和腐蝕穩定性降低。鋼筋的種類1.1.11按化學成分分類1.1鋼筋按化學成分不同，混凝土結構中使用的鋼材可分為碳素鋼和普通低合金鋼。根據碳素鋼中含碳量的多少，碳素鋼又可分為低碳鋼（碳含量小于0.25%）、中碳鋼（碳含量不小于0.25%且小于0.6%）和高碳鋼（碳含量不小于0.6%且小于1.4%）。鋼筋的種類1.1.11按化學成分分類1.1鋼筋其中，低碳鋼和中碳鋼屬于軟鋼，高碳鋼屬于硬鋼。除碳素鋼已有的成分外，再加入少量的硅、錳、釩、鈦、鉻等合金元素（一般不超過3%）即制成普通低合金鋼，低合金鋼的強度比較高，綜合性能比較好，并具有耐腐蝕、耐磨、耐低溫性能，以及較好的切削性能、焊接性能等。鋼筋的種類1.1.11按化學成分分類1.1

鋼筋2按加工方法分類按加工方法不同，鋼筋可分為熱軋鋼筋、冷拉鋼筋、熱處理鋼筋、冷軋鋼筋、冷拔低碳鋼絲、消除應力鋼絲和鋼絞線等幾類。鋼筋的種類1.1.11.1鋼筋3按表面形狀分類1光面鋼筋2帶肋鋼筋鋼筋的種類1.1.11.1鋼筋4按在結構中是否施加預應力分類1普通鋼筋2預應力鋼筋鋼筋的種類1.1.1混凝土結構中常用的鋼筋1.1.21熱軋鋼筋熱軋鋼筋由低碳鋼或低合金鋼在高溫下軋制而成，主要用于鋼筋混凝土結構中，也可用于預應力混凝土結構中作為非預應力鋼筋使用。我國鋼筋混凝土結構中采用的熱軋鋼筋有普通熱軋鋼筋、細晶粒熱軋帶肋鋼筋和余熱處理帶肋鋼筋。普通熱軋鋼筋包括HPB300、HRB335、HRB400、HRB500，細晶粒熱軋帶肋鋼筋包括HRBF400、HRBF500，余熱處理帶肋鋼筋為RRB400。1.1鋼筋HPB300級鋼筋［見圖1-1（a）］表面光滑，直徑為6～14mm；HRB335級鋼筋的直徑為6～14mm；HRB400、HRBF400、RRB400、HRB500、HRBF500級鋼筋的直徑為6～50mm，強度較高。幾種鋼筋的符號表示見附表4。為了加強鋼筋和混凝土的黏結力，鋼筋表面一般軋制成月牙肋或等高肋，稱為帶肋鋼筋［見圖1-1（b）和圖1-1（c）］。1.1鋼筋混凝土結構中常用的鋼筋1.1.21熱軋鋼筋RRB400級鋼筋為余熱處理鋼筋，是HRB335級鋼筋經熱軋后，穿過生產作業線上的高壓湍流管進行快速冷卻后，利用鋼筋內部余熱進行回火而制成的鋼筋。細晶粒熱軋帶肋鋼筋通過控溫軋制工藝形成超細組織，從而在不增加鋼筋中合金含量的基礎上大幅度提高鋼材的性能。1.1鋼筋混凝土結構中常用的鋼筋1.1.21熱軋鋼筋圖1-1熱軋鋼筋的表面形式1.1鋼筋混凝土結構中常用的鋼筋1.1.21熱軋鋼筋2鋼絲、鋼絞線和熱處理鋼筋鋼絲、鋼絞線和熱處理鋼筋都是高強鋼筋，主要用于預應力混凝土結構中。鋼絲、鋼絞線的規格可分別參見附表14、附表15。預應力鋼絲主要是消除應力鋼絲，采用高碳圓鋼（含碳量為0.7%～1.4%），經過加熱、淬火、冷拔和回火等工藝制成，其外形有光面、螺旋肋和刻痕三種。1.1鋼筋混凝土結構中常用的鋼筋1.1.2鋼絞線由多根高強鋼絲捻制在一起經過低溫回火處理清除內應力后而制成，有3股和7股兩種，多用于后張法大型構件。鋼絲和鋼絞線不能采用焊接方式連接。熱處理鋼筋是將特定強度的熱軋鋼筋，如40Si2Mn、48Si2Mn和45Si2Cr，經過加熱、淬火和回火等調制而成。鋼筋經過熱處理后，強度大幅度提高，塑性降低不多，應力-應變曲線沒有明顯的屈服點，焊接時熱影響區的強度降低。它們以盤條形式供應，用于大型預應力混凝土構件中。1.1鋼筋2鋼絲、鋼絞線和熱處理鋼筋混凝土結構中常用的鋼筋1.1.2鋼筋力學性能的檢驗指標1.1.31強度對于有明顯屈服點的鋼筋來說，低碳鋼和低合金鋼（含碳量和低碳鋼相同）一次拉伸時的應力-應變關系曲線如圖1-2所示。從圖中可以看出，Oa段為一斜直線，其應力與應變之比為常數，應變在卸荷后能完全消失，此階段稱為彈性階段，與a點對應的應力稱為比例極限（或彈性極限）。1.1鋼筋應力超過a點之后，鋼筋中晶粒開始產生相互滑移錯位，應變即較應力增長得稍快，除彈性應變外，還有卸荷后不能消失的塑性變形。到達b點后，鋼材開始進入屈服階段，其強度與加載速度、截面形式、試件表面光潔度等因素有關，很不穩定，b點稱為屈服上限。1.1鋼筋鋼筋力學性能的檢驗指標1.1.31強度超過b點以后，應力下降到c點，此后應力基本不增加而應變急劇增長，但比較穩定，曲線接近水平線，c點稱為屈服下限或屈服點，與c點對應的應力稱為屈服應力或屈服強度，用σs表示，水平段cd稱為屈服臺階或流幅。1.1鋼筋鋼筋力學性能的檢驗指標1.1.31強度經過屈服階段之后，鋼材內部晶粒經調整重新排列，抵抗外荷載的能力又有所提高，de段即稱為強化階段，e點應力稱為鋼材的抗拉強度或極限強度，以σb表示，而與e點應力相應的荷載是試件所能承受的最大荷載，稱為極限荷載。1.1鋼筋鋼筋力學性能的檢驗指標1.1.31強度過e點之后，在試件的最薄弱截面出現橫向收縮，截面逐漸縮小，塑性變形迅速增大，出現所謂的頸縮現象，此時應力隨之降低，直至f點試件斷裂。在鋼筋混凝土構件計算中，對于有明顯屈服點的鋼筋，一般取屈服點作為鋼筋設計強度的依據。1.1鋼筋鋼筋力學性能的檢驗指標1.1.31強度因為鋼筋屈服之后，鋼筋的塑性變形將急劇增加，鋼筋混凝土構件將出現很大的變形和過寬的裂縫，以致不能正常使用；所以，構件大多在鋼筋尚未或剛進入強化階段即產生破壞。但在個別意外的情況和抗震結構中，受拉鋼筋可能進入強化階段，故而鋼筋的抗拉強度也不能過低，若與屈服強度太接近則是危險的。1.1鋼筋鋼筋力學性能的檢驗指標1.1.31強度當鋼筋的應力在比例極限范圍以內時，其應力與應變的比值稱為鋼材的彈性模量，常用Es表示，即Es=σs/εs。它反映了鋼材抵抗彈性變形的能力，是計算鋼筋受力的重要指標。不同種類鋼筋的彈性模量取值見附表8。試驗表明，鋼筋的受壓性能與受拉性能類似，其受拉和受壓彈性模量也是相同的。1.1鋼筋鋼筋力學性能的檢驗指標1.1.31強度無明顯屈服點的鋼材，如預應力鋼絲、鋼絞線、熱處理鋼筋等，其應力-應變關系曲線是一條連續曲線，如圖1-3所示。1.1鋼筋鋼筋力學性能的檢驗指標1.1.31強度無明顯屈服點的鋼材，如預應力鋼絲、鋼絞線、熱處理鋼筋等，其應力-應變關系曲線是一條連續曲線，如圖1-3所示。1.1鋼筋鋼筋力學性能的檢驗指標1.1.31強度2塑性鋼筋除了要有足夠的強度外，還應具有一定的塑性變形能力。試件斷裂后的殘余變形與原標距長度的比率稱為伸長率。在圖1-2中，f點的橫坐標反映了鋼材的伸長率，它和流幅cd的長短都因鋼筋的品種而異，均與材質含碳量成反比。1.1鋼筋鋼筋力學性能的檢驗指標1.1.3含碳量越低，則鋼材的流幅越長、伸長率越大，即標志著鋼筋的塑性指標越好，這樣的鋼筋不致突然發生危險的脆性破壞。由于斷裂前鋼筋有相當大的變形，足夠給出構件即將破壞的預告，因此，強度和塑性這兩個方面的要求都是選用鋼筋的必要條件。1.1鋼筋2塑性鋼筋力學性能的檢驗指標1.1.3伸長率是衡量鋼材塑性變形的重要指標，它取5d或10d（d為圓形試件直徑）作為標距長度，其相應的伸長率用δ5或δ10表示。其中，δ5＞δ10，這是因為塑性變形主要集中在試件的頸縮區段內，標距長度越短，所得的平均殘余應變就越大。1.1鋼筋2塑性鋼筋力學性能的檢驗指標1.1.33冷彎性能冷彎性能是檢驗鋼筋塑性性能的另一項指標。為使鋼筋在加工、使用時不開裂、彎斷或脆斷，可對鋼筋試件進行冷彎試驗（見圖1-4）。試驗時按照規定的彎心直徑D在試驗機上加壓，使試件彎成規定的角度α（90°或180°），若試件外表面不出現裂紋和分層，即為合格。彎心直徑D越小，彎轉角越大，說明鋼筋的塑性越好。1.1鋼筋鋼筋力學性能的檢驗指標1.1.3冷彎試驗不僅能直接檢驗鋼筋的彎曲變形能力或塑性性能，還能暴露出鋼筋的冶金缺陷，如硫、磷偏析和硫化物與氧化物的摻雜情況，這些都將降低鋼筋的冷彎性能。因此，冷彎試驗不僅檢驗鋼筋彎折加工性能，而且更能綜合反映鋼筋性能的優劣，較受力均勻的拉伸試驗能更有效地揭示材質的缺陷。冷彎性能是反映鋼筋在彎曲狀態下塑性應變能力和鋼材質量的一項綜合指標。1.1鋼筋3冷彎性能鋼筋力學性能的檢驗指標1.1.3圖1-4鋼筋冷彎試驗1.1鋼筋3冷彎性能鋼筋力學性能的檢驗指標1.1.31.1鋼筋3冷彎性能鋼筋力學性能的檢驗指標1.1.3沖擊韌性是鋼材抵抗沖擊荷載作用的能力，是衡量鋼材強度和塑性的綜合指標。當鋼材中的硫、磷含量高，化學成分不均勻時，含有非金屬夾雜物，以及焊接過程中形成微裂縫等都會使沖擊韌性顯著降低。溫度對鋼材沖擊韌性的影響也很大。1.1鋼筋4沖擊韌性鋼筋力學性能的檢驗指標1.1.34沖擊韌性沖擊韌性是鋼材抵抗沖擊荷載作用的能力，是衡量鋼材強度和塑性的綜合指標。當鋼材中的硫、磷含量高，化學成分不均勻時，含有非金屬夾雜物，以及焊接過程中形成微裂縫等都會使沖擊韌性顯著降低。溫度對鋼材沖擊韌性的影響也很大。沖擊韌性隨溫度的降低而下降。1.1鋼筋鋼筋力學性能的檢驗指標1.1.3其規律是開始下降緩慢，當降低到一定溫度范圍時，沖擊韌性突然下降很多，呈脆性，這種性質稱為鋼材的冷脆性，這時的溫度稱為脆性臨界溫度。鋼材的脆性臨界溫度越低，則其低溫沖擊韌性越好。對于直接承受動力荷載或可能在負溫下工作的重要結構，應有沖擊韌性的保證。1.1鋼筋4沖擊韌性鋼筋力學性能的檢驗指標1.1.3對有明顯屈服點的鋼筋，主要檢驗的力學性能有屈服強度、極限抗拉強度、伸長率和冷彎性能四項指標；對于沒有明顯屈服點的鋼筋，主要檢驗的力學性能指標有極限抗拉強度、伸長率和冷彎性能。1.1鋼筋4沖擊韌性鋼筋力學性能的檢驗指標1.1.3鋼筋性能的要求及選用原則1.1.4在混凝土結構中使用的鋼筋不僅要求有較高的強度、良好的塑性和可焊性等，而且要求與混凝土之間應有良好的黏結性能，以保證鋼筋與混凝土能更好地共同工作。特別是在預應力混凝土結構中，使用的預應力鋼筋應具有很高的強度,這樣才能建立較高的張拉應力,從而獲得較好的預壓效果。1.1鋼筋混凝土結構對鋼筋性能的要求主要有以下幾個方面：1）強度高2）變形性能好3）可焊性能好4）與混凝土之間具有良好的黏結性能5）耐久性和耐火性強1混凝土結構對鋼筋性能的要求1.1鋼筋鋼筋性能的要求及選用原則1.1.4HRB400級鋼筋強度高、延性好、錨固性能好，是混凝土結構的主導鋼筋，在實際工程中主要用作結構構件的受力主筋；HRB335級鋼筋雖然強度低于HRB400，但延性、錨固性能好，是混凝土結構的輔助鋼筋，在實際工程中也主要用作結構構件的受力主筋；2鋼筋的選用原則1.1鋼筋鋼筋性能的要求及選用原則1.1.4HPB300級鋼筋強度太低，且錨固性能差，一般不推薦使用，在實際工程中只用作板、基礎和荷載不大的梁、柱的受力主筋、箍筋及其他構造鋼筋；RRB400級鋼筋強度雖高，但疲勞性能、冷彎性能及可焊性較差，使其應用受到一定限制。1.1鋼筋2鋼筋的選用原則鋼筋性能的要求及選用原則1.1.4《混凝土結構設計規范》（GB50010—2010，2015年修訂）規定按以下原則選用鋼筋：（1）縱向受力普通鋼筋可采用HRB400、HRB500、HRBF400、HRBF500、HRB335、RRB400、HPB300鋼筋。梁、柱和斜撐構件的縱向受力普通鋼筋宜采用HRB400、HBR500、HRBF400、HRBF500鋼筋。1.1鋼筋2鋼筋的選用原則鋼筋性能的要求及選用原則1.1.4（2）箍筋宜采用HRB400、HRBF400、HRB335、HPB300、HRB500、HRBF500鋼筋。（3）預應力鋼筋宜采用預應力鋼絲、鋼絞線和預應力螺紋鋼筋。1.1鋼筋2鋼筋的選用原則鋼筋性能的要求及選用原則1.1.41.2混凝土混凝土是由一定比例的水泥、砂、石和水經拌和、澆筑、振搗、養護并逐步凝結硬化形成的人造石材?；炷恋膹姸炔粌H與水泥強度等級、水灰比、骨料的性質、混凝土的配合比有很大關系，還與混凝土的制作方法、硬化時的環境條件、混凝土的齡期，以及混凝土試件的大小和形狀、試驗方法等有著密切的關系。在實際工程中常用的混凝土強度有立方體抗壓強度、軸心抗壓強度和軸心抗拉強度?；炷恋膹姸?.2.11混凝土立方體抗壓強度測定混凝土抗壓強度的試件有立方體和圓柱體兩種，有些國家如美國、日本等，將直徑為6in（1in=2.54cm）、高為12in的圓柱體試件的抗壓強度作為混凝土的強度指標。我國習慣上采用立方體試件的抗壓強度作為混凝土強度的基本指標，并把立方體抗壓強度標準值作為評定混凝土強度等級的依據。1.2混凝土混凝土的強度1.2.1我國國家標準《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T50081—2002)規定以邊長為150mm的立方體作為標準試件，標準立方體試件在(20±3)℃的溫度和相對濕度90%以上的潮濕空氣中養護28d，按照標準試驗方法（試件的承壓面不涂潤滑劑，加載速度為每秒0.3～0.8N/mm2）測得的抗壓強度為混凝土的立方體抗壓強度，單位為N/mm2。1.2混凝土混凝土的強度1.2.11混凝土立方體抗壓強度《混凝土結構設計規范》（GB50010—2010，2015年修訂）規定混凝土強度等級應按立方體抗壓強度標準值確定，用fcu,k表示，即用上述標準試驗方法測得的具有95%保證率的立方體抗壓強度作為混凝土的強度等級?！痘炷两Y構設計規范》（GB50010—2010，2015年修訂）規定的混凝土強度等級有C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75和C80共14個等級，其中C表示混凝土，C后面的數字表示立方體抗壓強度標準值。1.2混凝土1混凝土立方體抗壓強度混凝土的強度1.2.1例如，C30表示立方體抗壓強度標準值為30N/mm2。一般將強度等級為C50以下的混凝土稱為普通混凝土，強度等級為C50～C80的稱為高強度混凝土。影響混凝土立方體抗壓強度的因素有以下幾個方面：（1）試驗方法對混凝土立方體抗壓強度有很大的影響。（2）加載速度對混凝土立方體抗壓強度有影響。（3）試塊尺寸對混凝土立方體抗壓強度有較大影響。（4）試件的齡期和養護條件對混凝土立方體抗壓強度也有影響。1.2混凝土混凝土的強度1.2.11混凝土立方體抗壓強度圖1-5混凝土立方體抗壓破壞情形1.2混凝土混凝土的強度1.2.11混凝土立方體抗壓強度在實際工程中，混凝土構件的形狀、尺寸都與立方體試件大不相同。受壓構件的高度通常要比構件截面的邊長大許多，受力時也不存在前述的“套箍”作用。這樣，實際工程中混凝土的工作條件與前述立方體試塊試驗時的工作條件不相同，因而兩者表現出的強度也不相同，因此，混凝土立方體抗壓強度不能直接用于結構設計。1.2混凝土混凝土的強度1.2.11混凝土立方體抗壓強度立方體抗壓強度試驗所需設備和試驗方法都比較簡單，適合于在施工過程中檢驗和控制混凝土的強度，因此，混凝土立方體抗壓強度被作為混凝土最基本的強度指標，是確定混凝土強度等級的依據?；炷两Y構設計中使用的混凝土的其他強度值，都可以根據立方體抗壓強度值換算得出。1.2混凝土混凝土的強度1.2.11混凝土立方體抗壓強度2混凝土軸心抗壓強度混凝土的抗壓強度與試件形狀有關，在實際工程中，受壓構件一般不是立方體而是棱柱體，即構件的高度要比截面的寬度或長度大。因此，采用棱柱體比立方體能更好地反映混凝土結構實際抗壓能力。用混凝土棱柱體試件測得的抗壓強度稱為軸心抗壓強度（棱柱體抗壓強度）。1.2混凝土混凝土的強度1.2.1我國《普通混凝土力學性能試驗方法標準》（GB/T50081—2002）規定，以150mm×150mm×300mm的棱柱體作為混凝土軸心抗壓強度試驗的標準試件。棱柱體試件與立方體試件的制作條件相同，試件上、下表面不涂潤滑劑。由于棱柱體試件的高度越大，試驗機壓板與試件之間的摩擦力對試件高度中部的橫向變形的約束影響越小，所以棱柱體試件的抗壓強度比立方體的強度值小，并且棱柱體試件高寬比越大，強度越低。1.2混凝土混凝土的強度1.2.12混凝土軸心抗壓強度當高寬比由1增大至2時，抗壓強度快速下降；但當高寬比大于2時，其抗壓強度隨著高寬比的增大而變化不大。在確定棱柱體試件尺寸時，一方面要考慮到試件具有足夠的高度，以不受試驗機墊板與試件承壓面間摩擦力的影響，使試件的中間區段形成純壓狀態；另一方面也要考慮到避免試件過高，在破壞前產生較大的附加偏心而降低抗壓極限強度?；炷恋膹姸?.2.12混凝土軸心抗壓強度1.2混凝土根據資料統計，一般認為試件的高寬比為2～3時，可以基本消除上述兩種因素的影響，所以軸心抗壓強度的試件往往取150mm×150mm×300mm、150mm×150mm×450mm等尺寸。《混凝土結構設計規范》（GB50010—2010，2015年修訂）規定以上述棱柱體試件試驗測得的具有95%保證率的抗壓強度作為混凝土軸心抗壓強度標準值，用符號fck表示(見附表1)。1.2混凝土混凝土的強度1.2.12混凝土軸心抗壓強度考慮到實際結構構件制作、養護和受力情況，實際構件強度與試件強度之間存在的差異，《混凝土結構設計規范》（GB50010—2010，2015年修訂）基于安全取偏低值，規定軸心抗壓強度標準值與立方體抗壓強度標準值的關系按式（1-1）確定。fck=0.88αc1αc2fcu,k(1-1)1.2混凝土混凝土的強度1.2.12混凝土軸心抗壓強度式中，αc1為棱柱體強度與立方體強度之比，對混凝土強度等級為C50及以下的取αc1=0.76，對C80取αc1=0.82，在此之間按直線規律變化取值；αc2為高強度混凝土的脆性折減系數，對C40及以下的取αc2=1.00，對C80取αc2=0.87，中間按直線規律變化取值；0.88為考慮實際構件與試件混凝土強度之間的差異而取用的折減系數。在鋼筋混凝土結構中，計算軸心受壓構件（如軸心受壓柱、桁架受壓腹桿等）時，要采用混凝土軸心抗壓強度。1.2混凝土混凝土的強度1.2.12混凝土軸心抗壓強度在實際的混凝土構件中，對于不允許出現裂縫的受拉構件，如水池的池壁、屋架的下弦，混凝土抗拉強度是主要的強度指標?；炷恋目估瓘姸冗h低于其抗壓強度，一般只有抗壓強度的1／18～1／9，混凝土強度等級越高，比值越小?；炷凛S心抗拉強度標準值用ftk表示(見附表1)。由于影響因素較多，所以測定混凝土抗拉強度的試驗方法沒有統一，現在常用的試驗方法有直接軸心受拉試驗、劈裂試驗及彎折試驗三種。1.2混凝土混凝土的強度1.2.13混凝土軸心抗拉強度3混凝土軸心抗拉強度中國建筑科學研究院等單位對混凝土的抗拉強度做了系統的測定，棱柱體試件用100mm×100mm×500mm的鋼模筑成，兩端預埋鋼筋，鋼筋埋入深度為150mm并置于試件的中心軸線上，如圖1-6所示。試驗時，用試驗機的夾具夾緊試件兩端外伸的鋼筋，對試件加力使其均勻受拉，破壞時試件在沒有鋼筋的中部截面被拉斷，其平均拉應力即混凝土的軸心抗拉強度ftk。1.2混凝土混凝土的強度1.2.1圖1-6混凝土直接抗拉試驗1.2混凝土混凝土的強度1.2.13混凝土軸心抗拉強度混凝土的強度1.2.13混凝土軸心抗拉強度但是，由于混凝土內部的不均勻性，加之安裝試件的偏差等原因，準確測定軸心抗拉強度是很困難的。所以，國內外也常用圖1-7所示的圓柱體或立方體的劈裂試驗來間接測試混凝土軸心抗拉強度。根據彈性理論，劈裂強度fts可按式（1-2）計算。

fts=2Fπdl（1-2）1.2混凝土混凝土的強度1.2.13混凝土軸心抗拉強度式中，F為劈裂試驗破壞荷載；d為圓柱體直徑或立方體邊長；l為圓柱體長度或立方體邊長。試驗表明，劈裂抗拉強度略大于直接受拉強度，劈裂試件的大小對試驗結果也有一定影響。由普通混凝土和高強混凝土試驗數據分析可得，混凝土軸心抗拉強度平均值ft,m和立方體抗壓強度平均值fcu,m的關系為

ft,m=0.395f0.55cu,m（1-3）1.2混凝土混凝土的強度1.2.13混凝土軸心抗拉強度高強混凝土的抗拉強度也隨著混凝土強度等級的提高而增長。試驗分析表明，當為C80時，其軸心抗拉強度比C40時的軸心抗拉強度大約增加1.55倍及以上。同樣，混凝土的抗拉強度雖然和抗壓強度都隨著混凝土強度等級的提高而增長，但抗拉強度與抗壓強度的比值卻隨之降低，混凝土的強度等級越高，其比值降低越多。1.2混凝土混凝土的強度1.2.1圖1-7劈裂試驗測試混凝土軸心抗拉強度1—壓力機的上壓板；2—弧形墊條及墊層各一條；3—試件；4—試件破裂線；5—澆模頂面；6—壓力機的下壓板；7—澆模底面1.2混凝土3混凝土軸心抗拉強度混凝土的強度1.2.11.2混凝土4復合受力狀態下混凝土的強度在實際的結構中，混凝土很少處于單向受力狀態，更多的是處于雙向或三向復合受力狀態。研究混凝土在復合受力狀態下的強度問題，對于合理地分析混凝土結構構件的受力性能具有重要意義。由于混凝土的特點，在復合應力狀態下的強度至今尚未建立完善的強度理論，目前更多的還是依賴一些試驗資料?；炷恋膹姸?.2.11.2混凝土4復合受力狀態下混凝土的強度1）混凝土的雙向受力強度圖1-8所示為混凝土雙向受力試驗結果。微分體在兩個方向受到法向應力σ1和σ2的作用，另一個方向法向應力σ3為零。第一象限為雙向受拉情況，無論應力比值σ1/σ2如何，σ1和σ2的相互影響不大，雙向受拉強度均接近于單向受拉強度。混凝土的強度1.2.11.2混凝土4復合受力狀態下混凝土的強度第二象限、第四象限為拉、壓應力狀態，在任意應力比下，混凝土的強度均小于單軸受力強度，即雙向異號應力使強度降低，這一現象符合混凝土的破壞機理。第三象限為雙向受壓區，最大受壓強度發生在σ1/σ2為0.22～1.0時，混凝土雙向受壓強度比單向受壓強度最多可提高25%。在圖1-8中，βp為雙向受力狀態下的峰值應力，σ0為單軸受力狀態下的混凝土抗壓強度。混凝土的強度1.2.11.2混凝土4復合受力狀態下混凝土的強度圖1-8混凝土雙向受力試驗結果混凝土的強度1.2.11.2混凝土4復合受力狀態下混凝土的強度2）混凝土在法向應力和剪應力作用下的強度構件截面同時作用剪應力和壓應力或拉應力的剪壓或剪拉復合應力狀態，在工程中較為常見。通常采用空心薄壁圓柱體進行這種受力試驗。圖1-9所示為混凝土法向應力與剪應力的關系曲線，圖中的f*c為混凝土在法向應力與剪應力作用下的軸心抗壓強度。混凝土的強度1.2.11.2混凝土4復合受力狀態下混凝土的強度圖1-9混凝土法向應力和剪應力的關系曲線混凝土的強度1.2.11.2混凝土4復合受力狀態下混凝土的強度從圖1-9中可以看出：在剪拉應力狀態下，抗剪強度隨拉應力的增大而減小，當拉應力約為0.1f*c時，混凝土受拉開裂，抗剪強度降低為零；在剪壓應力狀態下，隨著壓應力的增大，抗剪強度增大，但大約在σ/f*c＞0.6時，由于內裂縫的明顯發展，抗剪強度反而隨壓應力的增大而減小，當壓應力達到混凝土軸心抗壓強度時，抗剪強度為零。從抗壓強度的角度來分析，由于剪應力的存在，混凝土的抗壓強度要低于單向抗壓強度?；炷恋膹姸?.2.11.2混凝土4復合受力狀態下混凝土的強度圖1-10混凝土的三向受壓強度3）混凝土的三向受壓強度混凝土的強度1.2.11.2混凝土4復合受力狀態下混凝土的強度混凝土在三向受壓的狀態下，其最大主壓應力方向的抗壓強度取決于側向壓應力的約束程度。試驗時采用的加載方式是：先通過液體靜壓力(液壓)對混凝土圓柱體施加徑向壓應力，然后對試件沿縱軸施加壓應力直至破壞，如圖1-10所示(常規的三軸受壓是在圓柱體周圍加液壓，在兩側向等壓，即σ2=σ3的情況下進行的)。從圖中可以看出：隨著側向壓應力的增加，試件軸向受壓強度提高，軸向變形能力也顯著得到提高。混凝土的強度1.2.11.2混凝土4復合受力狀態下混凝土的強度究其原因，由于側向壓應力的作用，對混凝土構件的側向變形進行了約束，限制了微裂縫的發展，從而改善了混凝土構件的受力性能。在實際工程中，常采用鋼管混凝土、螺旋箍筋柱等構件，這些構件在受力的過程中能有效約束混凝土的側向變形，提高混凝土的抗壓強度，增強混凝土構件的變形能力。混凝土的變形1.2.21.2混凝土1荷載作用下的受力變形1）一次短期荷載作用下的變形一次短期荷載作用是指荷載從零開始單調增加至試件破壞，也稱單調加載?；炷猎谝淮味唐诤奢d作用下的應力-應變關系是混凝土最基本的力學性能，是研究鋼筋混凝土構件強度、裂縫、變形、延性(承受變形的能力)和受力全過程的依據?；炷恋淖冃?.2.21.2混凝土(1)一次短期荷載作用下的變形試驗。混凝土的應力-應變（σ-ε）關系曲線通常用棱柱體試件進行測定，測試時在試件的四個側面安裝應變儀讀取縱向壓應變?；炷猎嚰軌簳r典型的應力-應變曲線如圖1-11所示，整個曲線大體上分上升段與下降段兩個部分。1荷載作用下的受力變形混凝土的變形1.2.21.2混凝土(2)影響混凝土應力-應變曲線形狀的因素有很多。影響混凝土應力-應變曲線形狀的因素有很多，如混凝土的強度、試驗方法及受壓時的約束情況等。①混凝土強度等級的影響。②加載速度的影響。③橫向鋼筋的約束作用。1荷載作用下的受力變形圖1-12不同強度等級混凝土的應力-應變曲線混凝土的變形1.2.21.2混凝土1荷載作用下的受力變形2）重復荷載作用下的變形（1）重復荷載作用下的變形試驗。將混凝土試件加載到一定數值后，再卸載，并多次循環這一過程，便可得到混凝土在重復荷載作用下的應力-應變關系曲線，如圖1-13所示。由圖可知,混凝土在經過一次加載與卸載循環后,其變形有一部分恢復了，而另一部分則不能恢復。這些不能恢復的塑性變形，在多次循環過程中將逐漸積累?；炷恋淖冃?.2.21.2混凝土圖1-13混凝土在重復荷載作用下的應力-應變關系曲線混凝土的變形1.2.21.2混凝土圖1-13混凝土在重復荷載作用下的應力-應變關系曲線混凝土的變形1.2.21.2混凝土1荷載作用下的受力變形在上述試驗過程中，當所施加的應力較小時即卸載，在經過多次循環后，累積的塑性變形就不再增加，這時混凝土的應力-應變關系曲線漸變為直線，呈彈性工作狀態。如果所施加的應力雖低于混凝土的抗壓強度，但超過某一限值后，在經過多次循環以后混凝土就會破壞，這一限值稱為混凝土的疲勞強度，這種現象稱為疲勞破壞。通常將使試件在循環200萬次時發生破壞的壓應力稱為混凝土的疲勞強度?；炷恋淖冃?.2.21.2混凝土1荷載作用下的受力變形一般來說，混凝土的疲勞破壞歸因于混凝土微裂縫、孔隙、弱骨料等內部缺陷，這些內部缺陷在承受重復荷載之后產生應力集中，導致裂縫發展、貫通，結果引起骨料與砂漿間的黏結破壞。混凝土發生疲勞破壞時無明顯預兆，屬于脆性性質的破壞，開裂不多，但變形很大。采用級配良好的混凝土、加強振搗以提高混凝土的密實性，并注意養護，都有利于混凝土疲勞強度的提高。混凝土的變形1.2.21.2混凝土1荷載作用下的受力變形疲勞現象大量存在于工程結構中，工業廠房中的鋼筋混凝土吊車梁受到的重復荷載作用，鋼筋混凝土道橋受到的車輛振動影響，以及港口海岸的混凝土結構受到的波浪沖擊造成的損傷等都屬于疲勞破壞現象。混凝土的變形1.2.21.2混凝土1荷載作用下的受力變形（2）混凝土的彈性模量Ec與變形模量。彈性模量在力學中是聯系應力和應變的重要參數，在鋼筋混凝土構件的設計計算中，混凝土的彈性模量也是分析、研究構件應力分布、變形、溫度應力，以及預應力混凝土結構中應力計算等的重要參數?；炷翆儆趶椝苄圆牧?，在應力較?。é遥?.3fc）時，應力-應變關系可視為直線；而在一般情況下，應力與應變不是直線關系，故混凝土的彈性模量就不為常量?；炷恋淖冃?.2.21.2混凝土1荷載作用下的受力變形如圖1-14所示，過混凝土應力-應變曲線的原點O做一條切線，其傾角α0的斜率稱為混凝土的原點切線模量，簡稱為彈性模量Ec，即

Ec=tanα0(1-4)混凝土的變形1.2.21.2混凝土1荷載作用下的受力變形由于利用一次加載的應力-應變關系曲線不易準確測得混凝土的彈性模量，《混凝土結構設計規范》（GB50010—2010，2015年修訂）規定，混凝土的彈性模量利用混凝土在重復荷載作用下的性質，以σ=(0.4～0.5)fc重復加卸5～10次后，應力-應變關系曲線近似為直線，且該直線與第一次加載時曲線的原點切線基本平行的特點，進行測定?；炷恋淖冃?.2.21.2混凝土1荷載作用下的受力變形根據大量的試驗結果，《混凝土結構設計規范》（GB50010—2010，2015年修訂）給出不同強度等級的混凝土彈性模量的計算公式，即

Ec=1052.2+34.7fcu,k(1-5)混凝土的變形1.2.21.2混凝土1荷載作用下的受力變形不同強度等級的混凝土彈性模量取值見附表3。當混凝土的應力較小時，Ec能反映應力與應變關系；當應力較大時，由于混凝土的塑性發展，Ec就不再能準確反映混凝土的實際工作情況，這時應采用變形模量E′c。從圖1-14中可以看出，混凝土的變形模量就是連接O至某點應力σc處的割線與橫坐標的傾角α的正切，也稱為割線模量，即

E′c=tanα=σcεc=εeεc?σcεe=γEc(1-6)混凝土的變形1.2.21.2混凝土1荷載作用下的受力變形式中，γ為混凝土的彈性系數，γ=εeεc（εc為混凝土應力為σc時的總應變，εc=εe+εp。εe為彈性應變，εp為塑性應變）。在混凝土的理論計算中，應當根據E′c值來確定其應力-應變關系，所以E′c是有實用意義的。但由于E′c是一個變值，此時γ隨著某點的應力σc的增大而減小，因此，γ可根據構件的應用場合（如處在使用應力階段或是破壞階段等），按試驗資料來確定?；炷恋淖冃?.2.21.2混凝土1荷載作用下的受力變形由試驗可知，混凝土的受拉應力-應變關系曲線與受壓時的相似，所以在計算中，受拉彈性模性與受壓彈性模量可取為同一值。3）長期荷載作用下的變形在長期荷載作用下，荷載維持不變，混凝土的應變隨時間而增長的現象稱為徐變。徐變能使結構的內力發生重新分布，變形增大，并引起預應力的損失?；炷恋男熳兲匦灾饕c時間參數有關，圖1-15所示為混凝土的徐變-時間關系曲線?；炷恋淖冃?.2.21.2混凝土1荷載作用下的受力變形圖中，εce為試件在加載瞬間產生的應變，稱為瞬時應變；εcr為在荷載保持不變的情況下，試件隨時間的增長而不斷增加的應變，稱為混凝土的徐變應變。由圖可知，混凝土徐變開始增長較快，以后逐漸減慢，通常在前幾個月增長很快，在第一年內可完成90％左右，其余部分在以后幾年內逐漸完成，通常經過2～5年可認為徐變基本結束。混凝土的變形1.2.21.2混凝土1荷載作用下的受力變形如果試件經長期荷載作用后，在某個時刻全部卸載，則在卸載瞬間，混凝土將發生瞬時的彈性恢復應變ε′ce，其數值小于加載時的瞬時應變εce，之后還有一段徐變恢復過程，這部分的徐變恢復應變稱為彈性后效，彈性后效約為徐變變形的1／12。而剩下的ε′cr為不可恢復的殘余應變?；炷恋淖冃?.2.21.2混凝土1荷載作用下的受力變形混凝土產生徐變，一般而言，歸因于混凝土中未晶體化的水泥膠凝體，在持續的外荷載作用下產生黏性流動，壓應力逐漸轉移給骨料，骨料應力增大，試件變形也隨之增大。卸荷后，水泥膠凝體又漸漸恢復原狀，骨料遂將這部分應力逐漸轉回給膠凝體，于是產生彈性后效。另外，當壓應力較大時，在荷載的長期作用下，混凝土內部裂縫不斷發展，也致使應變增加?；炷恋淖冃?.2.21.2混凝土圖1-15混凝土的徐變-時間關系曲線混凝土的變形1.2.21.2混凝土1荷載作用下的受力變形影響徐變的因素很多，主要有應力水平、外部環境、內在因素等。應力越大，徐變就越大；加載時混凝土的齡期越短，徐變也越大；養護溫度越高、時間越長，則徐變越??；水泥用量越多，徐變越大；混凝土骨料的級配越好，彈性模量越大，徐變越?。淮送?，徐變還和水泥品種有關，普通硅酸鹽水泥的混凝土較礦渣水泥、火山灰水泥及早強水泥的混凝土的徐變相對要大，等等?；炷恋淖冃?.2.21.2混凝土1荷載作用下的受力變形混凝土的徐變，對鋼筋混凝土構件的內力分布及其受力性能有所影響。例如，徐變會使鋼筋與混凝土間產生應力重分布，鋼筋混凝土柱的徐變使混凝土的應力減小，使鋼筋的應力增加，不過最后不影響柱的承載力。由于徐變，受彎構件的受壓區變形加大，會使它的撓度增加；對于偏壓構件，特別是大偏壓構件，會使附加偏心距加大而導致強度降低；混凝土的變形1.2.21.2混凝土1荷載作用下的受力變形對于預應力構件，會產生預應力損失等不利影響；但徐變也會緩和應力集中現象、降低溫度應力、減少支座不均勻沉降引起的結構內力，延緩收縮裂縫在受拉構件中的出現，這些對結構都是有利的?；炷恋淖冃?.2.21.2混凝土2非荷載作用下的變形03化學收縮02溫度變形01干濕變形混凝土的選用原則1.2.31.2混凝土在實際工程結構設計時，混凝土強度等級的選用原則如下：（1）素混凝土結構的混凝土強度等級不應低于C15；鋼筋混凝土結構的混凝土強度等級不應低于C20；采用強度等級400MPa及以上的鋼筋時，混凝土強度等級不應低于C25。（2）預應力混凝土結構的混凝土強度等級不宜低于C40，且不應低于C30。（3）承受重復荷載的鋼筋混凝土構件，混凝土強度等級不應低于C30。1.3鋼筋與混凝土的黏結鋼筋與混凝土這兩種力學性能完全不同的材料之所以能在一起共同工作，除了兩者具有相近的溫度線膨脹系數及混凝土對鋼筋具有保護作用以外，主要還由于在這兩者之間的接觸面上存在良好的黏結力；同時為了保證鋼筋混凝土構件在工作時鋼筋不被從混凝土中拔出或壓出，并能夠與混凝土更好地工作，還要求鋼筋具有良好的錨固性能。如果鋼筋與混凝土不能良好地黏結在一起，混凝土構件受力變形后，在小變形的情況下，鋼筋和混凝土不能協調變形；在大變形的情況下，鋼筋就不能很好地錨固在混凝土結構中。黏結和錨固是鋼筋與混凝土形成整體、共同工作的基礎。黏結力的概念及分類1.3.11.3鋼筋與混凝土的黏結黏結力是鋼筋與混凝土接觸面上所產生的沿鋼筋縱向的剪應力，也稱為黏結應力。而黏結強度則是指黏結失效時的平均黏結應力。黏結力的概念及分類1.3.11.3鋼筋與混凝土的黏結黏結力是鋼筋與混凝土接觸面上所產生的沿鋼筋縱向的剪應力，也稱為黏結應力。而黏結強度則是指黏結失效時的平均黏結應力。1黏結力的概念黏結力的概念及分類1.3.11.3鋼筋與混凝土的黏結1）錨固黏結力簡支梁支座處的鋼筋端部、梁跨間的主筋搭接或切斷處、懸臂梁和梁柱節點受拉主筋的外伸段等需要延伸一段長度，即錨固長度，此類屬于錨固黏結。這類情況的共性是鋼筋端頭的應力為零，在經過一段錨固黏結力的積累后，鋼筋的應力應能達到其設計強度。2黏結力的分類黏結力的概念及分類1.3.11.3鋼筋與混凝土的黏結如果鋼筋因黏結錨固能力不足而發生滑動，則鋼筋強度不能充分利用，從而導致構件開裂和承載力下降，甚至提前失效，產生黏結破壞。黏結破壞屬于脆性破壞，所以必須保證有足夠的錨固程度，以免這類破壞的發生。2黏結力的分類黏結力的概念及分類1.3.11.3鋼筋與混凝土的黏結2）局部黏結力鋼筋混凝土構件某截面受拉開裂后，在開裂面上混凝土退出工作，使鋼筋拉應力增大；但裂縫間截面上混凝土仍承受一定拉力，鋼筋應力減少，由此引起鋼筋應力沿縱向發生變化，使鋼筋表面有相應的黏結力分布，此類屬于裂縫間的局部黏結。這類黏結在鋼筋的中部，而不是端頭。2黏結力的分類黏結力的概念及分類1.3.11.3鋼筋與混凝土的黏結這類黏結在鋼筋的中部，而不是端頭。裂縫間黏結力的大小及分布將影響到裂縫間距與裂縫寬度的大小，影響到構件剛度的大小，因此，局部黏結力的存在，使混凝土內鋼筋的平均應變或總變形小于鋼筋單獨受力時的相應變形，有利于減小裂縫寬度和增大構件剛度；局部黏結力的喪失，將會增大裂縫的開展和降低混凝土構件的剛度。其大小反映了混凝土參與受力的程度。2黏結力的分類黏結力的概念及分類1.3.11.3鋼筋與混凝土的黏結鋼筋與混凝土的這種黏結力主要有化學膠結力（混凝土與鋼筋之間接觸面的化學吸附作用力）、摩擦力（混凝土收縮握裹鋼筋產生的力）和機械咬合力（鋼筋的表面凹凸不平與混凝土的機械咬合作用）三部分組成。其中，化學膠