1、第二章 钢筋混凝土材料的力学性能,本章摘要钢筋混凝土结构是由钢筋和混凝土两种材料共同工作而形成的。而钢筋和混凝土的力学性能又与力学中所学的理想弹性材料不完全相同,为了合理地进行混凝土结构设计，需要深入地了解混凝土和钢筋的受力性能。对混凝土和钢筋力学性能、相互作用和共同工作的了解，是掌握混凝土结构构件性能并对其进行分析与设计的基础和重要依据。,2.1 钢筋形式和品种,一、化学成分钢筋的力学性能主要取决于它的化学成分。其主要成分是铁元素,此外还含有少量的碳、锰、硅、硫等元素。增加含碳量可提高钢材的强度,但塑性和可焊性降低。锰、硅元素可提高钢材强度,并保持一定塑性;磷、硫是有害元素,其含量超过一定限
2、度时,钢材塑性明显降低,磷使钢材冷脆,硫使钢材热脆,且焊接质量也不易保证。除上述元素外,再加入少量合金元素,如锰、硅、钒、钛等即制成低合金钢。,二、分类 1.按加工方法分：热轧钢筋、冷加工钢筋、热处理钢筋、钢丝、钢绞线等种类,其中应用量最大的是热轧钢筋. 2.按使用用途分：普通钢筋、预应力钢筋 3.按化学成分分：低碳钢钢筋、普通低合金钢钢筋 4.按力学性能分：有明显屈服点钢筋（“软钢”）、无明显屈服点钢筋（“硬钢”） 5.按钢筋表明形状分：光面钢筋、变形钢筋,(1)热轧钢筋 热轧钢筋是钢厂用普通低碳钢(含碳 量不大于0.25)和普通低合金钢(合金元素不大于5)制成。 其常用种类、代表符号和直径
3、范围如表 1-1所示。,HPB235为热轧光面钢筋，普通钢筋，“软钢” HRB335和HRB400是热轧变形钢筋，普通钢筋，“软钢” RRB400是余热处理钢筋余热处理钢筋是将屈服强度相当于HRB335的钢筋在轧制后穿水冷却，然后利用芯部的余热对钢筋表面的淬水硬壳回火处理而成的变形钢筋。其性能接近于 HRB400级钢筋，但不如 HRB400级钢筋稳定，焊接时钢筋回火强度有所降低，因此应用范围受到限制。,表1-1 常用热轧钢筋的种类、代表符号和直径范围,在公路桥涵工程中，热轧光面钢筋用R235表示，余热处理钢筋用KL400表示。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。钢厂提供的
4、钢筋直径为6 mm，6.5 mm，8 mm，8.2 mm，10 mm，12 mm，14 mm，16 mm，18 mm，20 mm，22 mm，25 mm，28 mm，32 mm，36 mm，40 mm和 50 mm。其中，d=8.2 mm的钢筋仅适用于有纵肋的热处理钢筋。设计时，应在表1-1的直径范围和上述提供的直径内选择钢筋。直径大于40 mm的钢筋主要用于大坝一类大体积混凝土结构中。当采用直径大于40 mm的钢筋时，应有可靠的工程经验。,钢筋表面形状的选择取决于钢筋的强度。为了使钢筋的强度能够充分地利用，强度越高的钢筋要求与混凝土粘结的强度越大。提高粘结强度的办法是将钢筋表面轧成有规律的凸
5、出花纹，称为变形钢筋。HPB235钢筋的强度低，表面做成光面即可(图1-1a) 其余级别的钢筋强度较高，表面均应做成带肋形式。变形钢筋的表面形状，我国以往长期采用螺旋纹和人字纹两种(图1-1b，c)，表面花纹由两条纵助和螺旋形横助或人字形横肋组成。鉴于这种形式的横肋较密，消耗于肋纹的钢材较多，纵肋和横肋相交，容易造成应力集中，,对钢筋的动力性能不利，故近几年来我国已将变形钢筋的肋纹改为月牙纹(图1-1d)。月牙纹钢筋的特点是横肋呈月牙形，与纵肋不相交，且横肋的间距比老式变形钢筋大，故可克服老式钢筋的缺点，而粘结强度降低不多。 冷拉钢筋和冷拔钢筋是通过对某些等级的热轧钢筋进行冷加工而成,热处理钢
6、筋是对某些特定钢号的热轧钢筋进行热处理得到的.钢丝分碳素钢丝、消除应力钢丝和刻痕钢丝三种.刻痕钢丝是用高碳钢光圆盘条钢筋经冷拔和矫直回火.再将表面经过机械刻痕制成.钢绞线则是由几根高强钢丝用绞盘绞成一股而成.,根据钢筋在单调受拉时所反应的应力-应变性质的不同,可以把钢筋分为有明显屈服点的和没有明显屈服点的两大类,有时也分别称为有明显物理流限和无明显物理流限的钢筋.热轧钢筋和冷拉钢筋属于有明显屈服点的钢筋;钢丝和热处理钢筋属于无明显屈服点的钢筋.,2.2 钢筋的力学性能,(1)热轧钢筋的力学性能应力应变曲线的一般特征热轧钢筋具有明显的屈服点和屈服台阶(图1-2)。根据热轧钢筋应力应变曲线的基本特
7、征，在建立钢筋混凝土构件截面承载力计算理论时作了如下两点简化：A.忽略从比例极限到屈服点之间钢筋微小的塑性应变，即假设钢筋应力不大于屈服点时应力-应变关系-直服从胡克定律，处于理想弹性阶段；,B.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，应变则处于流幅以内。通常热轧钢筋也称为“软钢”。经上述简化后，热轧钢筋的应力-应变关系可简化为图1-3所示的曲线(图中fy为钢筋抗拉强度设计值)。,(2) 钢丝和钢绞线钢丝直径为410 mm，捻制成钢绞线后也不超过15.2 mm。钢丝外形有光面、刻痕、月牙肋及螺旋肋几种，而钢绞线则为绳状，由2股、3股或7股钢丝捻制而成
8、，均可盘成卷状。刻痕钢丝、螺旋肋钢丝和绳状钢绞线的形状如图1-6所示。,钢丝和钢绞线均无明显的屈眼点和屈服台阶，也称为“硬钢”，其抗拉强度很高：钢丝的抗拉强度为8001370 MPa，高强钢丝、钢绞线的抗拉强度为 14701860 MPa。伸长率则很小，100=3.54。钢丝和钢绞线的应力-应变特征如图1-7所示。图中0.2为对应于残余应变为0.2的应力，称之为无明显屈服点钢筋的条件屈服点。,钢丝和钢绞线用作预应力混凝土结构的钢筋。 在预应力混凝土结构中，除了采用钢丝外，还采用热处理钢筋。热处理钢筋是将强度很高的热轧钢筋经过加热、淬火和口火等调质工艺处理的热轧钢筋。其抗拉强度为1470MPa，
9、伸长率106，无明显的屈服点和屈服台阶。钢丝和钢绞线的强度标准值取具有95以上保证率的抗拉强度值。设计值取条件屈服点除以分项系数s。条件屈服点不小于抗拉强度的85，建筑工程中取材料分项系数s=1.20。建筑工程规范中，钢丝、钢绞线和热处理钢筋的代表符号、直径范围、强度标准位见附表2-2，设计值见附表2-4，弹性模量见附表2-5。,1.冷加工钢筋冷加工钢筋是指在常温下采用某种工艺对热轧钢筋进行加工得到的钢筋。常用的加工工艺有冷拉、冷拔、冷轧和冷轧扭四种。其目的都是为了提高钢筋的强度，以节约钢材。但是，经冷加工后的钢筋在强度提高的同时，延伸率显著降低，除冷拉钢筋仍具有明显的屈服点外，其余冷加工钢筋
10、均无明显屈服点和屈服台阶。,2.3 钢筋的冷加工和热处理,(1)冷拉钢筋所谓冷拉是指有明显屈服点的钢筋用卷扬机或其他拉伸装置逐根拉到其应力超过原有的屈服强度,使之进入应力-应变曲线的强化阶段,然后卸掉全部拉力,使钢筋应力重新恢复到零,并停留一段时间. 冷拉只能提高钢筋的抗拉强度.,(2)冷拔钢筋冷拔是将钢筋用强力拔过比其直径小的硬质合金拨丝模(图1-9)。这时钢筋受到纵向拉力和横向压力的作用，内部结构发生变化，截面变小而长度增加。经过几次冷拔，钢筋强度比原来的有很大提高，但塑性则显著降低。且没有明显的屈服点(图1-10)。冷拔可以同时提高钢筋的抗拉强度和抗压强度。,冷拔低碳钢丝为光圆钢丝，直径
11、为3 mm，4 mm，5 mm，强度为550 MPa，650 MPa和750MPa三种。其中，550 MPa冷拔低碳钢丝用作非预应力钢筋，其余用作预应力钢筋。冷拉和冷拔固然可以提高钢筋的强度,但同时也会使钢筋的脆性增加,使钢筋受力后容易发生突然断裂,因此不宜推广使用.,(3)冷轧带肋钢筋,冷轧带肋钢筋是以低碳钢筋或低合金钢筋为原材料，在常温下进行轧制而成的表面带有纵肋和月牙纹横肋的钢筋(图1-11)。它的极限强度与冷拔低碳钢丝相近，但伸长率比冷拔低碳钢丝有明显提高。用这种钢筋逐步取代普通低碳钢筋和冷拔低碳钢丝，可以改善构件在正常使 用阶段的受力性能和节省钢材。,冷轧带肋钢筋的直径从412mm，
12、按0.5mm变化；其抗拉强度分别为550MPa，650MPa，800MPa，970MPa和 1170MPa几种。其中，550MPa的冷轧带肋钢筋用作非预应力钢筋，其余的用作预应力钢筋。,(4)冷轧扭钢筋冷轧扭钢筋是以热轧光面钢筋HPB 235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(图 1-12)。其规格按原材料直径中 6.5，8，10和12分别有r6.5，r8，r10和r12，抗拉强度标准值为600 Nmm2 。,冷拔低碳钢丝、冷轧带肋钢筋和冷轧扭钢筋都有专门的设计与施工规程，供设计与施工时查用。2.热处理是对某些特定钢号的热轧钢筋进行淬火和回火处理
13、.钢筋经淬火后,硬度大幅度提高,但塑性和韧性降低,通过回火又可以在不降低强度的前提下,消除由淬火产生的内应力,改善塑性和韧性,使这些钢筋成为较理想的预应力钢筋.,1. 混凝土结构对钢筋性能的要求 1.强度高采用较高强度的钢筋可以节省钢材，获得较好的经济效益。2.塑性好要求钢筋在断裂前有足够的变形，能给人以破坏的预兆。因此，应保证钢筋的伸长率和冷弯性能合格。,2.4 对钢筋的质量要求,3.可焊性好在很多情况下，钢筋的接长和钢筋之间的连接需通过焊接。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。4.与混凝土的粘结锚固性能好为了使钢筋的强度能够充分被利用和保证钢筋与混凝土共同工作，二者
14、之间应有足够的粘结力。在寒冷地区，对钢筋的低温性能也有一定的要求。,2. 钢筋的选用原则1. 钢筋混凝土结构中的钢筋和预应力混凝土结构中的非预应力钢筋宜优先采用HRB400级和HRB335级钢筋，以节省钢筋用量，改善我国建筑结构的质量。除此之外，也可以采用HPB235级和RRB400级热轧钢筋以及强度级别较低的冷拔、冷轧和冷轧扭钢筋。,2.预应力钢筋宜采用预应力钢绞线、中高强钢丝，也可以采用热处理钢筋。除此之外，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。公路桥涵工程中还可以选用精制螺纹钢筋。在我国经济困难、物资短缺的年代，冷加工钢筋为我国的基本建设事业做出过极大的贡献。但是，
15、冷加工钢筋在强度提高的同时，塑性大幅度地降低，导致结构构件的塑性减小，脆性加大。当前，我国的钢产量已位于世界之首，质优、价廉的钢材不断出现，为了提高结构构件的质量，应尽量选用强度较高、塑性较好、价格较低的钢材。,3.钢筋的重要指标 (1)强度 是钢筋质量的重要指标.取屈服强度(或条件屈服强度)作为可以利用的应力上限,也就是钢筋的强度.因此,屈服强度就成为钢筋最关键的质量标准. (2)极限抗拉强度与屈服强度的比值 为了保证钢筋能满足所规定的综合强度性能,在检验钢筋的质量时还要保证它的极限抗拉强度满足检验标准的要求.在抗震结构中,考虑到钢筋可能受拉进入强化阶段,因此还要保证极限抗拉强度与屈服强度的
16、比值不低于1.25.,强度及弹性模量热轧钢筋的强度以屈服点应力为依据。为什么不采用极限抗拉强度为依据？这是因为钢筋应力超过屈眼点后将产生过大的应变，导致混凝土的裂缝将过宽。但是作为一种安全储备，钢筋的极限抗拉强度仍有重要意义。即通常希望构件的某个(或某些)截面已经破坏时，钢筋仍不致被拉断而造成整个结构倒塌。要求钢筋的屈服应力不低于规定值。而且“屈服应力极限抗拉强度”值(通常称为“屈强比”)不宜过大。钢筋强度用标准值和设计值表示。规范取具有95以上的保证率的屈服强度作为钢筋的强度标准值fyk。钢筋强度的设计值fy等于钢筋强度标准值除以材料分项系数s，即,(1-3),由于钢材的均质性较好，质量波动
17、较小，因此，建筑工程规范对各种热轧钢筋统-取s=1.10。公路桥涵工程的可靠度要求比建筑工程高一些，取s=1.20。建筑工程的热轧钢筋强度标准值见附表2-1，设计值见附表2-3，弹性模量见附表2-5。公路桥涵工程的热轧钢筋强度标准值见附表10-4，设计值见附表10-6，弹性模量见附表10-8。钢筋的强度标准值用于正常使用极限状态的验算，设计值用于承载能力极限状态的计算。,(3)伸长率-试件断裂前的永久变形与原标定长度的百分比.伸长率是衡量钢筋塑性性能的一个指标，伸长率越大，塑性越好。伸长率用表示，我国以往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,(1-1),式中 l钢筋拉
18、伸试验试件的应变量测标距；l试件经拉断并重新拼合后量测断口两侧的标距，即产生残留伸长后的标距。,(1-2),(4)冷弯试验。冷弯试验是检验钢筋塑性的另-种方法。伸长率一般不能反映钢材脆化的倾向。,为了使钢筋在弯折加工时不致断裂和在使用过程中不致脆断，应进行冷弯试验，并保证满足规定的指标。冷弯试验的示意图如图1-5。图中D称为弯心直径；为冷弯角度。 冷弯试验的合格标准为在规定的D和下冷弯后的钢筋应无裂纹、鳞落或断裂现象。,(1-2),在对有明显屈服点的钢筋进行质量检验时,主要应测定屈服强度、极限抗拉强度、伸长率和冷弯性能这四项指标.必要时,还必须补充进行抗冲击韧性和反弯性能等项检验。,对于没有明
19、显屈服点的钢筋的质量检验需要测定的指标一般只有三项:极限抗拉强度、伸长率和冷弯性能。,(1-2),蠕变:钢筋在高应力作用下,随时间增长其应变继续增加的现象。 松弛:钢筋受力后,若保持长度不变,则其应力随时间增长而降低的现象。,蠕变和松弛随时间的增长而增大,它们与钢筋初始应力的大小、钢材品种和温度等因素有关,通常初始应力大时蠕变和松弛也大。温度增加时蠕变和松弛则增大.,2.5 钢筋的蠕变、松弛和疲劳,(1-2),疲劳破坏:钢筋在承受重复、周期动荷载作用下,经过一定次数后,从塑性破坏的性质转变成脆性突然断裂的现象。 疲劳强度:在某一规定应力幅度内,经受某一规定次数循环加载后,才发生疲劳破坏的最大应
20、力值。,影响钢筋疲劳强度的因素:应力的幅度、最大应力值、钢筋外表面的几何形状、钢筋直径、钢筋等级和试验方法等。,2.6 混凝土的强度等级,混凝土水泥和粗细骨料(沙子、石子)加水搅拌经养护,硬化成具有很高强度的人造石。 混凝土构造复杂、具有各向异性、抗拉强度低（易开裂），是一种弹塑性材料。我国规范规定的混凝土强度等级是按立方体强度标准值确定的.用符号C表示,规范中列出的有14个等级：C15，C20，C25，C30，C35，C40，C45，C50，C55，C60，C65，C70，C75，C80.字母C后面的数字表示以Nmm2为单位的立方体抗压强度的标准值，例如 C60表示混凝土的立方体抗压强度标准
21、值fcu,k=60 Nmm2（C15C50为普通混凝土，C50以上为高强混凝土）。,混凝土的立方体强度，是衡量混凝土强度大小的基本指标,也是评价混凝土等级的标准.规范规定,用边长为150mm的标准立方体试件,在标准养护条件下(温度 203,相对湿度不小于 90)养护28d后在试验机上试压，照依标准试验方法测得的具有95保证率的试块加压至破坏时,所测得的极限平均压应力, 作为混凝土的立方体抗压强度(以Nmm2计)，用符号fcu表示。,混凝土强度混凝土的强度与水泥强度、水灰比、骨料品种、混凝土配合比、硬化条件和龄期等有很大关系。此外，试件的尺寸及形状、试验方法和加载时间的不同，所测得的强度也不同。
22、,2.7 混凝土的强度,1.混凝土的抗压强度(1)立方体抗压强度fcu混凝土强度的基本代表值混凝土主要用于抗压，其抗压性能比较稳定。规范规定以边长为150mm的立方体在 203的温度和相对湿度在 90以上的潮湿空气中养护28d，照依标准试验方法测得的具有95保证率的抗压强度(以Nmm2计)作为混凝土的强度等级，并用符号fcu表示。fcu与平均值f和标准差f的关系为,(1-4),混凝土强度等级一般可划分为：C15，C20，C25，C30，C35，C40，C45，C50，C55，C60，C65，C70，C75，C80，C代表混凝土地后的数字即为混凝土立方体抗压强度的标准值，其单位为Nmm2，例如
23、C60表示混凝土的立方体抗压强度标准值fcu=60 Nmm2（C15C50为普通混凝土，C50以上为高强混凝土）。试验方法对混凝土的fcu值有较大影响。试件承压接触面上可不涂润滑剂和涂润滑剂。标准试验方法不加润滑剂。,试件尺寸对混凝土fcu也有影响。实验结果证明，立方体尺寸愈小则试验测出的抗压强度愈高，这个现象称为尺寸效应。混凝士抗压试验时加载速度对立方体抗压强度也有影响，加载速度越快，测得的强度越高。随着试验时混凝土的龄期增长，混凝土的极限抗压强度逐渐增大，开始时强度增长速度较快，然后逐渐减缓，这个强度增长的过程往往要延续几年，在潮湿环境中延续的增长时间更长。,2)混凝土轴心抗压强度(棱柱体
24、强度)fc由于实际结构和构件往往不是立方体，而是棱柱体，所以用棱柱体试件比立方体试件能更好地反映混凝土的实际抗压能力。试验证明，轴心抗压钢筋混凝土短柱中的混凝土抗压强度基本上和棱柱体抗压强度相同。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，用fc表示。,棱柱体试件是在与立方体试件相同的条件下制作的，试件承压面不涂润滑剂且高度比立方体试件高，因而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向全截面均匀受压的应力状态。试验量测到fc值比fcu值小，并且棱柱体试件高宽比(即h/b)越大，它的强度越小。我国采用150mm150 mm300mm棱柱体作为轴心抗压强
25、度的标准试件。,轴心抗压强度(棱柱体强度)标准值fc与立方体抗压强度标准值fcu之间存在以下折算关系,(1-5),式中,1棱柱体强度与立方体强度的比值，当混凝土的强度等级不大于C50时，1=0.76；当混凝土的强度等级为C80时，1=0.82；当混凝土的强度等级为 中间值时，在0.76和0.82之间插人； 2混凝土的脆性系数，当混凝土的强度等级不大于C40时，2=1.0；当混凝土的强度等级为 C80时，2=0.87；当混凝土的强度等级为中间值时，在 1.0和 0.87之间插入； 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系数。,混凝土受压破坏是由于混凝土内裂缝的扩展所
26、致.如果对混凝土的横向变形加以约束 限制裂缝的开展，可以提高混凝土的纵向抗压强度。,2.混凝土的轴心抗拉强度ft混凝土的抗拉强ft比抗压强度低得多。一般只有抗压强度的510，fcu越大ft/fcu值越小，混凝土的抗拉强度取决于水泥石的强度和水泥石与骨料的粘接强度。采用表面粗糙的骨料及较好的养护条件可提高ft值。轴心抗拉强度是混凝土的基本力学性能，也可间接地衡量混凝土的其他力学性能，如混凝土的抗冲切强度。,轴心抗拉强度可采用如图1-17a的试验方法，试件尺寸为100mm100mm500mm的柱体两端埋有伸,出长度为150mm的变形钢筋(d16mm)，钢筋位于试件轴线上。试验机夹紧两端伸出的钢筋，
27、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ft。,在测定混凝土抗拉强度时，上述试验方法存在对中的困难。故国内外多采用立方体或圆柱体劈裂试验测定混凝土的抗拉强度，如图1-17b所示。在立方体或圆柱体上的垫条施加一条压力线荷载，这样试件中间垂直截面除加力点附近很小的范围外，有均匀分布的水平拉应力。当拉应力达到混凝土的抗拉强度时，试件被劈成两半。根据弹性理论，劈裂抗拉强度t,s可按下式计算t,s 2F/ld （1-6） 式中 F破坏荷载；d圆柱直径或立方体边长；l圆柱体长度或立方体边长。,抗拉强度标准值ft与立方体抗压强度标准值fcu之间的折算关系为,(1-7),式
28、中，系数0.88和2的意义同式(1-5)。 为轴心抗拉强度与立方体抗压强度的折算关系，而(1-1.645)0.45则反映了试验离散程度对标准值保证率的影响。混凝土抗压强度设计值fc和抗拉强度设计值ft与其对应的标准值的关系为,(1-8),(1-9),式中c混凝土的材料分项系数，建筑工程取c=1.40，公路桥涵工程取c=1.45。,3.复杂受力状态下混凝土的强度混凝土结构和构件通常受到轴力、弯矩、剪力和扭矩的不同组合作用，混凝土很少处于理想的单向受力状态，而更多的是处于双向或三向受力状态，因此，分析混凝土在复合应力作用下的强度就很有必要。由于混凝土的特点，在复合应力作用下的强度至今尚未建立起完善
29、的强度理论，目前仍只有借助有限的试验资料，推荐一些近似方法作为计算的依据。,(1)混凝土的双向受力强度（图1-18为混凝土双向受力试验结果）双向受拉，图1-18中第一象限，1与3的相互影响不大，双向受拉强度均接近于单向受拉强度。一向受拉，另一向受压，图1-18第二、四象限，混凝土强度均低于单向拉伸或压缩的强度，即双向异号应力使强度降低。双向受压，图1-18第三象限，最大受压强度发生在2/3等于0.21.0时，混凝土双向受压强度比单向受压强度最多可提高20。,(2)混凝土在法向应力和切应力作用下的复合强度,从图中可以看出：抗剪强度随拉应力的增大而减小；随着压应力的增大，抗的强度增大，但大约在/f
30、c0.6时，由于内裂缝明显发展，抗剪强度反而随压应力的增大而减小，从抗压强度的角度来分析，由于切应力的存在，混凝土的抗压强度要低于单向抗压强度。,(3)混凝土的三向受压强度混凝土在三向受压的情况下其最大主压应力方向的抗压强度取决于侧向压应力的约束程度。图1-20所示为圆柱体三轴受压(侧向压应力均为1的试验 随着侧向压应力的增加、微裂缝的发展受到了极大的限制 ，大大地提高了混凝土纵向抗压强度，此时混凝土的变形性能接近理想的弹塑性体。我国规范规定在三轴受压应力状态下，混凝土的抗压强度(f3)可根据应力比2/3，按图1-21插值确定，其最高强度值不宜超过单轴抗压强度的5倍。,对于纵向受压的混凝土，如
31、果约束混凝土的侧向变形，也可使混凝土的抗压强度有较大提高。如采用钢管混凝土柱、螺旋钢箍柱等 能有效约束混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)有相应的提高、如图1-22所示。,混凝土的变形分为：受力变形、非受力变形 1.混凝土的应力-应变关系混凝土在单轴短期单调加载过程中的应力-应变关系(-曲线)是混凝土最基本的力学性能之一,它是研究钢筋混凝土构件的强度、裂缝、变形、延性所必需的依据.(1)受压混凝土一次短期加荷的-曲线,2.8 荷载作用下混凝土的变形性能,图1-23是天津大学实测的典型混凝土棱柱体的-曲线，有上升段和下降段上升段的特点： 0A:第I阶段(弹性阶段） (=0.
32、30.4fc)，由于试件应力较小，混凝土的变形主要是骨料和水泥结晶体的弹性变形，应力应变的公关系接近直线，A点称为比例极限点。AB:第II 阶段(稳定裂缝扩展阶段），临界点B相对应的应力可作为长期受压受强度的依据(一般取0.8 fC),BC：第III阶段（裂缝快速发展阶段），应力达到的最高点为fc。fc相对应的应变称为峰值应变0。一般0=0.00150.0025，平均取0=0.002。在fc以后 ，裂缝迅速发展，结构内部的整体性受到愈来愈严重的破坏， 试件的平均应力强度下降，当曲线下降到拐点D后，曲线-由凸向水平方向发展，在拐点D之后，-曲线中曲率最大点E称为 “收敛点”、E点以后主裂缝已很宽
33、.结构 内聚力几乎耗尽对于无侧向约束的混凝土已失去结构的意义。 不同强度混凝土的-曲线见图1-24所示。,从混凝土的应力-应变曲线可以看出:混凝土的应力-应变关系图形是一条曲线,这说明混凝土是一种弹塑性材料,只有当压应力很小时,才可将其视为弹性材料。曲线分为上升段和下降段,说明混凝土在破坏过程中,承载力由一个从增加到减少的过程,当混凝土的压应力达到最大时,并不意味着立即破坏.因此,混凝土最大应变对应的不是最大应力,最大应力对应的也不是最大应变.影响混凝土应力-应变曲线形状的因素很多,如混凝土强度、组成材料的性质及配合比、试验方法及约束情况等.,2.混凝土在多次重复荷载下的应力-应变关系 (1)
34、多次重复加荷:将混凝土棱柱体试块加荷使其压应力达到某个数值,然后卸荷至零,并把这一循环多次重复下去,就称为多次重复加荷. (2)混凝土的疲劳抗压强度:通常把能使试件在循环200万次或次数稍多时发生破坏的压应力. (3)疲劳破坏:混凝土在重复荷载作用下的这种破坏.,3.混凝土的弹性模量、变形模量在计算混凝土构件的截面应力、变形、预应力混凝土构件的预压应力，以及由于温度变化、支座沉降产生的内力时，需要利用混凝土的弹性模量。由于一般情况下受压混凝土的曲线-是非线性的，应力和应变的关系并不是常数，这就产生了“模量”的取值问题。,初始弹模：通过原点受压混凝土-曲线切线的斜率为混凝土的初始弹性模量E0。但
35、是它的稳定数值不易从试验中测得。割线弹模：在-曲线的弹性阶段取某点，做其与原点0的割线，其斜率为割线弹模，不精确。,实用弹模Ec ：目前我国规范弹性模量Ec 值是用下列方法确定的：采用棱柱体试件，取应力上限为0.5fc重复加载510次。由于混凝土的塑性性质每次卸为零时，存在有残余变形。但随荷载多次重复，残余变形逐渐减小，重复加荷510次后，变形趋于稳定，混凝土的-曲线接近于直线(图1-25)，自原点至-曲线上=0.5fc对应的点的连线的斜率为混凝土的弹性模量。根据混凝土不同强度等级的弹性模量实验值的统计分析，Ec与fcu的经验关系为,(1-10),建筑工程与公路桥涵工程的混凝上弹性模量取值相同
36、，见附表1-3和附表10-3。混凝土的泊松比(横向应变与纵向应变之比)c=0.2。混凝土的切变模量c=0.4Ec。,(3)受拉混凝土的变形受拉混凝土的曲线的测试比受压时要难得多。图1-26为大津大学测出的轴心受拉混凝土的-曲线，曲线形状与受压时相似也有上升段和下降段。受拉-曲线的原点切线的斜率外与受压时基本一致， 因此混凝土受拉和受压均可采用相同的弹性模EC。峰值应力ft时的相对应变0=0.7510-611510-6。 变形模量EC=(7686)EC。考虑到应力达到ft时的受拉极限应变与混凝土强度、配合比、养护条件有着密切的关系， 变化范围大， 取相应于抗拉强度ft时的变形模量Et=0.5Ec
37、。即应力达到ft时的弹性系数=0 5。,1.混凝土的徐变混凝土在荷载长期作用下，产生随时间而增长的变形称为徐变.徐变对于结构的变形和强度，预应力混凝土中的钢筋应力都将产生重要的影响。造成结构的内力重分布,会使结构变形增大,引起预应力损失,在高应力下,还会导致构件破坏.徐变的特点：徐变与时间的关系(图1-27)加以说明，当加荷应力达到0.5fc时，其加荷瞬间产生的应变为瞬时应变ela。若荷载保持不变随着加荷时间的增长，应变也将继续增长，这就是混凝土的徐变应变cr。,2.9 混凝土的徐变和收缩,徐变开始半年内增长较快，以后逐渐减慢，经过一定时间后，徐变趋于稳定。徐变应变值约为瞬时弹性应变的14倍。
38、两年后卸载，试件瞬时恢复的应变ela已略小于瞬时应变ela。却载后经过一段时间量测，发现混凝土并不处于静止状态，而是经历着逐渐地恢复过程，这种恢复变形称为弹性后效ela。弹性后效的恢复时间为20d左右，其值约为徐变变形的 1/12，最后剩下的大部分不可恢复变形为cr。,产生徐变的原因： a.水泥石由结晶体荷凝胶体组成，在外力长期持续作用下，凝胶体具有粘性流动的特性，产生持续变形； b.混凝土内部的微裂缝在外力的作用下不断扩展，导致应变的增加。,影响徐变的因素： a.混凝土应力条件是影响徐变的非常重要因素 b.加荷时混凝土的龄期 c.混凝土的组成和配合比 d.骨料 e.构件形状及尺寸 f.养护及
39、使用条件下的温湿度,混凝土的组成和配合比是影响徐变的内在因素、水泥用量越多和水灰比越大，徐变也越大。骨料越坚硬、弹性模量越高徐变就越小。骨料的相对体积越大，徐变越小。另外，构件形状及尺寸，混凝土内钢筋的面积和钢筋应力性质，对徐变也有不同的影响。养护及使用条件下的温湿度是影响徐变的环境因素。养护时温度队湿度大、水泥水化作用充分，徐变就小，采用蒸汽养护可使徐变减小约2035。受荷后构件所处环境的温度越高、湿度越低，则徐变越大、如环境温度为70的试件受荷-年后的徐变，要比温度为20的进件大1倍以上，因此，高温干燥环境将使徐变显著增大。,混凝土应力条件是影响徐变的非常重要因素。加荷时混凝土的龄期越长，
40、徐变越小。混凝土应力越大，徐变越大、随着混凝土应力的增加徐变将发生不同用情况，图1-28为不同应力水平下的徐变变形增长曲线。由图可见，当应力较小时(fc)，曲线接近等距离分布，说明徐变与初应力成正比，这种情况称为线性徐变，一般的解释认为是水泥胶体的粘性流动所致。当施加于混凝土的应力。=(0.50.8)fc时，徐变与应力不成正比徐变比应力增长较快，这种情况为非线形徐变，一般认为发生这种现象的原因，是水泥胶体的粘性流动的增长速度已比较稳定，而应力集中引起的微裂缝开展则随应力的增大而发展。,当应力0.8fc时，徐变的发展是非收敛的，最终将导致混凝土的破坏。实际=0.8fc即为混凝土的长期抗压强度。图
41、1-29为不同加荷时间的应变增长曲线与徐变极限和强度破坏时的应变极限关系。,徐变对混凝土结构的影响： a.使钢筋与混凝土产生应力重分布，引起超静定结构产生应力松弛（因为超静定结构的变形受到约束，混凝土的应力随时间的增长而降低，即产生应力松弛）可缓解应力集中、调节温度应力、调节由支座不均匀沉降产生的附加应力。 b.造成结构应力变大对结构不利 c.引起预应力混凝土结构中预应力损失对于预应力结构建立有效预应力不利 减小徐变的措施：加强养护、减小水泥用量及水灰比、增加混凝土的密实度等,2. 混凝土的非受力变形(1)混凝土的收缩与膨胀收缩混凝土在空气中结硬时，体积减小的现象，易造成混凝土表面开裂。膨胀混
42、凝土在水中或处于饱和湿度情况下结硬时体积增大的现象。一般情况下混凝土的收缩值比膨胀值大很多，所以分析研究收缩和膨胀的现象以收缩为主。收缩的特点：由收缩试验结果如图1-30可以看出：混凝土的收缩是随时间而增长的变形，结硬初期收缩较快1个月大约可完成1/2的收缩，3个月后增长缓慢，一般2年后趋于稳定，最终收缩应变大约为(25)10-4，一般取收缩应变值为：310-4。,引起收缩的主要原因：干燥失水是引起收缩的重要因素。使用环境的温度越高、湿度超低，收缩越大.蒸汽养护的收缩值要小于常温养护的收缩值，这是因为高温高温可加快水化作用减少混凝士的自由水分加速了凝结与硬化的时间。通过试验还表明，水泥用量越多
43、、水灰比越大，收缩越大；骨料的级配好、弹性模量大，收缩越小；构件的体积与表面积比值大时，收缩小。,对于养护不好的混凝土构件，表面在受荷前可能产生收缩裂缝。需要说明，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， 收缩会引起构件内混凝土产生拉应力，甚至会有裂缝产生。在不受约束的混凝土结构中，钢筋和混凝土由于粘接力的作用，相互之间变形是协调的。混凝土具有收缩的性质。而钢筋并没有这种性质，钢筋的存在限制了混凝土的自由收缩 使混凝土受拉、钢筋受压，如果截面的配筋率较高时会导致混凝土开裂。,(2)混凝土的温度变形当温度变化时，混凝土的体积同样也有热胀
44、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。在大体积混凝土中 ，由于混凝土表面较内部的收缩量大，再加上水泥水化热使混凝土的内部温度比表面温度高，如果把内部混凝土视为相对不变形体，它将对试图缩小体积的表面混凝土形成约束，在表面混凝士形成拉应力， 如果内外变形差较大，将会造成表层混凝土开裂。,2.10 钢筋与混凝土间的粘结,钢筋和混凝土之间的粘结，是保证钢筋和混凝土这两种力学性能截然不同的材料在结构构件中共同工作的基本前提之一。 1. 粘结力的定义及组成 (1)定义：当钢筋于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
45、作用力称为粘结力。 (2)组成： 化学胶结力钢筋与混凝土接触面上的化学吸附作用力（一般很小，一旦产生相对滑移即消失）。,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、混凝土内部裂缝和局部混凝土破碎）。,(1-11),或,上式表明，粘结应力使钢筋应力s发生变化，或者说没有就不会有此ds 反之，没有钢筋应力的变化就不存在。因此 在构件中间距离
46、端部超过lt的各个截面上=0，s和c均不再改变。图1-32所示的钢筋混凝土梁荷载作用使混凝士的下部受拉，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，在粱中取微段dx来分析，同样可得式(1-11)。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。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。图1-33所示的梁、柱和屋架的支座.受拉钢筋在支座处必须要有足够的锚固长度才能通过在锚固长度上粘结应力的积累，受钢筋中建立能发挥钢筋强度的应力
47、。如锚固粘结长度不够，将会造成锚固粘结应力的丧失使构件提前破坏。,2.钢筋的粘结性能(1)光面钢筋的粘结性能直段光面钢筋的粘结力主要来自于化学胶结力和摩擦力。粘结强度通常采用图1-34所示标准拔出试件来测定，设拔出力为F，钢筋中的总拉力F=sAs，则钢筋与混凝土界面上的平均粘结应力F为F/(dl) （1-12）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l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的粘结强度已。,图1-35（见上页）为典型的光面钢筋拔出试验曲线(-sl曲线)。光而钢筋的粘结强度较低，u=(0.41.4)ft，到达最
48、大粘结应力后，加荷端滑移sl急剧增大。曲线出现下降段、试件的破坏是钢筋徐徐被拔出的剪切破坏 ，滑移可达数毫米。很大程度上取决了钢筋的表面状况，表面越凹凸不平，则u越高。光面钢筋的主要问题是强度低 滑移大。 (2)变形钢筋的粘结性能变形钢筋的粘结效果比光面钢筋的好得多， 化学胶合力和摩擦力仍然存在，机械咬合力是变形钢筋粘结力的重要组成部分。,图1-36为变形钢筋拔出的-sl试验曲线。 加荷初期期(A)，钢筋肋对混凝土斜向挤压形成了滑动阻力，滑动的产生使肋根部混凝土出现局部挤对变形，粘结刚度较大。曲线近似为直线关系。 随荷载的增大，斜向挤压力沿钢筋纵同分力产生如图1-37的内部斜裂缝，径向分力使混
49、凝土环向受拉，从而产生内部径向裂缝，当径向内裂缝到达试件表面时，相应的应力称劈裂粘结应力=(0.80.85)u， -s曲线到达峰值u时，相应的滑移s随混凝士的强度的不同约在0.350.45之间波动、对于无横向配筋的一段保护层试件，到达后，在s增长不大的情况厂出现脆性劈裂破坏。,(3) 影响粘结强度的因素（1）混凝土的强度等级：钢筋的粘结强度均随混凝土的强度提高而提高,（2）混凝上保护层c和钢筋之间净距离越大，劈裂抗力越大，因而粘结强度越高，但当l/d5时，u与ft,s不再增长，也就是说粘结强度不由壁裂破坏来决定，而是沿钢筋外径圆柱面上发生剪切破坏。（3）横向钢筋限制了纵向裂缝的发展，可使粘结强度提高，因而在钢筋锚固区和搭接长度范围内，加强横向钢筋(则箍筋加密等)可提高混凝土的粘结强度。（4)钢筋端部的弯钩、弯折及附加锚固措施（如焊钢筋和焊钢板等）可以提高的锚固粘接能力。 (5)侧向压力约束粘接强度也有提高作用。,
