01第一章-鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)材料的物理力學(xué)性能

1、第一章鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)材料的物理力學(xué)性能 鋼筋混凝土是由鋼筋和混凝土兩種力學(xué)性能截然不同的材料組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)。正確合理 地進(jìn)行鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，必須掌握鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)材料的物理力學(xué)性能。鋼筋混凝土結(jié) 構(gòu)材料的物理力學(xué)性能指鋼筋混凝土組成材料一一混凝土和鋼筋各自的強(qiáng)度及變形的變化 規(guī)律，以及兩者結(jié)合組成鋼筋混凝土材料后的共同工作性能。這些都是建立鋼筋混凝土結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)計(jì)算理論的基礎(chǔ)，是學(xué)習(xí)和掌握鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件工作性能應(yīng)必備的基礎(chǔ)知識(shí)。 1-1混凝土的物理力學(xué)性能 一、混凝土強(qiáng)度 混凝土強(qiáng)度是混凝土的重要力學(xué)性能，是設(shè)計(jì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的重要依據(jù)，它直接影響 結(jié)構(gòu)的安全和耐久性。 混凝土的強(qiáng)度是指

2、混凝土抵抗外力產(chǎn)生的某種應(yīng)力的能力，即混凝土材料達(dá)到破壞或開(kāi) 裂極限狀態(tài)時(shí)所能承受的應(yīng)力?；炷恋膹?qiáng)度除受材料組成、養(yǎng)護(hù)條件及齡期等因素影響外， 還與受力狀態(tài)有關(guān)。 （一）混凝土的抗壓強(qiáng)度 在混凝土及鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，混凝土主要用以承受壓力。因而研究混凝土的抗壓強(qiáng)度 是十分必要的。 試驗(yàn)研究表明，混凝土的抗壓強(qiáng)度除受組成材料的性質(zhì)、配合比、養(yǎng)護(hù)環(huán)境、施工方法 等因素影響外，還與試驗(yàn)方法及試件的尺寸、形狀有關(guān)。 混凝土抗壓強(qiáng)度與試驗(yàn)方法有著密切的關(guān)系。如果在試件的表面和壓力機(jī)的壓盤(pán)之間涂 一層油脂，其抗壓強(qiáng)度比不涂油脂的試件低很多，破壞形式也不相同（圖1.1-1）。 a）不涂潤(rùn)滑劑 b）涂潤(rùn)滑劑

3、 圖1.1-1混凝土立體試件的破壞形態(tài) 未加油脂的試件表面與壓力機(jī)壓盤(pán)之間有向內(nèi)的摩阻力存在，摩阻力像箍圈一樣，對(duì)混凝土試件的橫向變形產(chǎn)生約束，延緩了裂縫的開(kāi)展，提高了試件的抗壓極限強(qiáng)度。當(dāng)壓力達(dá) 到極限值時(shí)， 試件在豎向壓力和水平摩阻力的共同作用下沿斜向破壞， 形成兩個(gè)對(duì)稱(chēng)的角錐 形破壞面。如果在試件表面涂抹一層油脂，試件表面與壓力機(jī)壓盤(pán)之間的摩阻力大大減小， 對(duì)混凝土試件橫向變形的約束作用幾乎沒(méi)有。 最后， 試件由于形成了與壓力方向平行的裂縫 而破壞。所測(cè)得的抗壓極限強(qiáng)度較不加油脂者低很多。 混凝土的抗壓強(qiáng)度還與試件的形狀有關(guān)。試驗(yàn)表明，試件的高寬比 h/b 越大，所測(cè)得的 強(qiáng)度越低。當(dāng)高

4、寬比h/b3時(shí)，強(qiáng)度變化就很小了。這反映了試件兩端與壓力機(jī)壓盤(pán)之間 存在的摩阻力，對(duì)不同高寬比的試件混凝土橫向變形的約束影響程度不同。試件的高寬比 h/b 越大， 支端摩阻力 對(duì)試件中部的橫向變形的約束影響程度就越小， 所測(cè)得的強(qiáng)度也越低。 當(dāng)高寬比h/b3時(shí)，支端摩阻力對(duì)混凝土橫向變形的約束作用就影響不到試件的中部，所 測(cè)得的強(qiáng)度基本上保持一個(gè)定值。 此外，試件的尺寸對(duì)抗壓強(qiáng)度也有一定影響。 試件的尺寸越大，實(shí)測(cè)強(qiáng)度越低。 這種現(xiàn) 象稱(chēng)為尺寸效應(yīng)。一般認(rèn)為這是由混凝土內(nèi)部缺陷和試件承壓面摩阻力影響等因素造成的。 試件尺寸大，內(nèi)部缺陷 （微裂縫，氣泡等 ）相對(duì)較多，端部摩阻力影響相對(duì)較小，故實(shí)

5、測(cè)強(qiáng)度 較低。根據(jù)我國(guó)的試驗(yàn)結(jié)果，若以150 X 150 x 150mm的立方體試件的強(qiáng)度為準(zhǔn)，對(duì)200 X 200 x 200mm立方體試件的實(shí)測(cè)強(qiáng)度應(yīng)乘以尺寸修正系數(shù)1.05 ;對(duì)100 X 100 x 100mm立方 體試件的實(shí)測(cè)強(qiáng)度應(yīng)乘以尺寸修正系數(shù)0.95。 為此，我們?cè)诙x混凝土抗壓強(qiáng)度指標(biāo)時(shí)，必須把試驗(yàn)方法、試件形狀及尺寸等因素確 定下來(lái)。在統(tǒng)一基準(zhǔn)上建立的強(qiáng)度指標(biāo)才有可比性。 混凝土抗壓強(qiáng)度有兩種表示方法： 1 、立方體抗壓強(qiáng)度 我國(guó)規(guī)范習(xí)慣于用立方體抗壓強(qiáng)度作為混凝土強(qiáng)度的基本指標(biāo)。新修訂的 JTG D62 （以下簡(jiǎn)稱(chēng)橋規(guī) JTG D62規(guī)定的立方體抗壓強(qiáng) 度標(biāo)準(zhǔn)值系指采用按

6、標(biāo)準(zhǔn)方法制作、 養(yǎng)護(hù)至 28 天齡期的邊長(zhǎng)為 150mm 立方體試件， 以標(biāo)準(zhǔn) 試驗(yàn)方法 （試件支承面不涂油脂） 測(cè)得的具有 95%保證率的抗壓強(qiáng)度 （以 MPa 計(jì)），記為 fcu.k 。 cu.k s f150 1.645 f150 f150 (1 1.645 f 150) (1.1-1) - 7 - 式中fcu.k 混凝土立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（MPa） ; s f 150 混凝土立方體抗壓強(qiáng)度平均值 (MPa) ; f150 混凝土立方體抗壓強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)差（MPa） ; f150 混凝土立方體抗壓強(qiáng)度的變異系數(shù)， f150 f150 /uf 150 。 其數(shù)值可按表 1.1- 1 采用。

7、C fcu.k C20 C25 C30 C35 C40 C45 C50 C55 C60 f150 0.18 0.16 0.14 0.13 0.12 0.12 0.11 0.11 0.10 橋規(guī)JTG D62規(guī)定的混凝土強(qiáng)度等級(jí)用邊長(zhǎng)為150mm的立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值確 定，并冠以C表示，如C30表示30級(jí)混凝土。 應(yīng)該指出，世界各國(guó)規(guī)范中用以確定混凝土強(qiáng)度等級(jí)的試件形狀和尺寸不盡相同。有采 用立方體試件者，也有采用圓柱體試件者。采用立方體強(qiáng)度劃分混凝土強(qiáng)度等級(jí)的國(guó)家除中 國(guó)外，尚有德國(guó)（200mm立方體）、俄羅斯（150mm立方體）和英國(guó)（150mm立方體）等；采用圓 柱體強(qiáng)度的有美國(guó)、日本等

8、，CEB-FIP制訂的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范亦采用圓柱體強(qiáng)度，試件的 尺寸為直徑6吋（約為150mm），高度12吋（約為300mm），其標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度稱(chēng)為特征強(qiáng)度。根據(jù) 我國(guó)的試驗(yàn)資料，圓柱體強(qiáng)度與150mm立方體強(qiáng)度之比為 0.831.04，平均值為0.94;但 過(guò)去我國(guó)習(xí)慣于按與 200mm立方體強(qiáng)度之比為 0.85進(jìn)行換算?？紤]到新舊規(guī)范立方體強(qiáng)度 試件尺寸和取值保證率的不同，圓柱體強(qiáng)度與橋規(guī) JTG D62規(guī)定的150mm立方體強(qiáng)度 之比，可近似地按 0.85換算。公路橋涵受力構(gòu)件的混凝土強(qiáng)度等級(jí)可采用C20C80, 中間以5MPa進(jìn)級(jí)。C50以下為普通強(qiáng)度混凝土，C50及以上為高強(qiáng)度混凝土。 公路橋

9、涵混凝土強(qiáng)度等級(jí)的選擇應(yīng)按下列規(guī)定采用： （1）鋼筋混凝土構(gòu)件不應(yīng)低于C20，當(dāng)采用HRB400、KL400級(jí)鋼筋配筋時(shí)，不應(yīng)低于 C25; （2）預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件不應(yīng)低于C40 ; 應(yīng)該指出，近幾年來(lái)關(guān)于混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問(wèn)題，引起了國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注，高強(qiáng)混 凝土和高性能混凝土的研究取得了突破性進(jìn)展。從解決混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性的需要出發(fā)，采 用高性能混凝土，提高混凝土的密實(shí)度是十分必要的。另外，由于采用高強(qiáng)度混凝土，減輕 了結(jié)構(gòu)的自重，擴(kuò)大了結(jié)構(gòu)的適用跨度，收到的經(jīng)濟(jì)效益也是十分顯著的。因此，在混凝土 施工技術(shù)有保證的前提下，設(shè)計(jì)時(shí)適當(dāng)?shù)靥岣呋炷恋膹?qiáng)度等級(jí)是適宜的。 2.柱體抗壓強(qiáng)度 用高寬

10、比h/b 3的柱體試件所測(cè)得的抗壓強(qiáng)度稱(chēng)為柱體抗壓強(qiáng)度（或稱(chēng)為軸心抗壓強(qiáng) 度）。在實(shí)際結(jié)構(gòu)中，絕大多數(shù)受壓構(gòu)件的高度比其支承面的邊長(zhǎng)要大得多。所以，采用柱 體抗壓強(qiáng)度能更好地反映混凝土的實(shí)際受力狀態(tài)。同時(shí)，由于試件的高寬比較大（h/b 3）, 可擺脫端部摩阻力的影響，所測(cè)強(qiáng)度趨于穩(wěn)定。我國(guó)采用150mm x 150mm x 450mm的柱體 作為混凝土軸心抗壓試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)試件，按與上述立方體試件相同的制作、養(yǎng)護(hù)條件和標(biāo)準(zhǔn)試 驗(yàn)方法測(cè)得的具有 95%保證率的抗壓強(qiáng)度稱(chēng)軸心抗壓（或柱體抗壓）強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（以MPa計(jì)）, 記為fck。 根據(jù)我國(guó)所進(jìn)行的柱體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，柱體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)平均值：與15

11、0mm立方 體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)平均值：150呈線(xiàn)性關(guān)系: s f150 (1.1 2) 式中，系數(shù) 與混凝土強(qiáng)度等級(jí)有關(guān)，對(duì)C50及以下混凝土，取0.76 ； C55C80 混凝土，取0.77 0.82。 在實(shí)際工程中，考慮到構(gòu)件混凝土與試件混凝土因制作工藝、養(yǎng)護(hù)條件、受荷情況和環(huán) 境條件等不同，按 GB/T50283 1999條文說(shuō)明建議，其 抗壓強(qiáng)度平均換算系數(shù) 0.88，則構(gòu)件混凝土柱體抗壓強(qiáng)度f(wàn)c的平均值為: fc0 fc 0.88f150 (1.1 3) 假定構(gòu)件混凝土柱體抗壓強(qiáng)度的變異系數(shù)與立方體抗壓強(qiáng)度的變異系數(shù)相同, 凝土柱體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為 則構(gòu)件混 ck fc(11.645

12、 fc)0.88f150(1 1.645 f 150 )0.88 fcu.k (1.1 4) 另外，考慮到C40以上混凝土具有脆性，按公式( 1.1 4)求得的柱體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值 =1.00.87,中間值按直線(xiàn)插入求得。 尚須乘以脆性折減系數(shù)，對(duì)C 40C 80混凝土取 (二 )混凝土抗拉強(qiáng)度 混凝土的抗拉強(qiáng)度是混凝土的基本力學(xué)特征之一，其值約為立方體抗壓強(qiáng)度的1/8 1/18?；炷量估瓘?qiáng)度的測(cè)試方法各國(guó)不盡相同。我國(guó)較多采用的測(cè)試方法是用鋼模澆筑成 型的100 X 100 x 500mm的柱體試件，通過(guò)預(yù)埋在試件軸線(xiàn)兩端的鋼筋，對(duì)試件施加拉力， 試件破壞時(shí)的平均應(yīng)力即為混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度

13、 s t 。 拉斷面 500 圖1.1 -2混凝土直接受拉試驗(yàn) 根據(jù)我國(guó)進(jìn)行的混凝土直接受拉試驗(yàn)結(jié)果，混凝土軸心抗拉強(qiáng)度的試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)平均值s Tt 與立方體抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)平均值s 150之間的關(guān)系為 ss0.55 ft 0.395( f150)(1.1 5) 構(gòu)件混凝土軸心抗拉強(qiáng)度的平均值為 -9 - (1.1 6) ss 、0.55 ft ft 0.88 0.395( f 150) 構(gòu)件混凝土軸心抗拉強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值（保證率為95% ）為 ft(1 1.645 ft) s 0.55 0.88 0.395 S150(1 1.645 ft) 將 ；150fcU(公式1.1-1 )代入，并取ft f

14、150，則得 11.045 f 150 ftk0.88 0.395fc0T（1 1.645 仙）045（ 1.1 7） 同樣，考慮C40以上混凝土的脆性，按公式（1.1 7）求得得軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，亦 應(yīng)乘以脆性系數(shù)（1.0 0.87 ）。 應(yīng)該指出，用上述直接受拉試驗(yàn)測(cè)定混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)，試件的對(duì)中比較困難，稍有偏 差就可能引起偏心受拉破壞，影響試驗(yàn)結(jié)果。因此，目前國(guó)外常采用劈裂試驗(yàn)間接測(cè)定混凝 土抗拉強(qiáng)度 劈裂試驗(yàn)可用立方體或圓柱體試件進(jìn)行， 在試件上下支承面與壓力機(jī)壓板之間加一條墊 條，使試件上下形成對(duì)應(yīng)的條形加載，造成沿立方體中心或圓柱體直徑切面的劈裂破壞 （圖 1.1- 3）。 由

15、彈性力學(xué)可知，在上下對(duì)稱(chēng)的條形荷載作用下，在試件的豎直中面上，除兩端加載點(diǎn) 附近的局部區(qū)域產(chǎn)生壓應(yīng)力外，其余部分將產(chǎn)生均勻的水平拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力達(dá)到混凝土的 抗拉強(qiáng)度時(shí)，試件將沿豎直中面產(chǎn)生劈裂破壞?；炷恋呐褟?qiáng)度可按下式計(jì)算： fts -2P（1.1-8） dL 式中 P豎向破壞荷載； d圓柱體試件的直徑、立方體試件的邊長(zhǎng)； L 試件的長(zhǎng)度。 S 壓拉 b）用立方體進(jìn)行劈裂試驗(yàn) 圖1.1-3混凝土劈裂試驗(yàn)及其應(yīng)力分布 a）用圓柱體進(jìn)行劈裂試驗(yàn) c）劈裂面中水平應(yīng)力分布 11 - 1壓力機(jī)上壓板 2墊條3試件 4試件澆筑頂面 5試件澆筑底面6壓力機(jī)下壓板 7試件破裂線(xiàn) 試驗(yàn)結(jié)果表明，混凝土的

16、劈裂強(qiáng)度除與試件尺寸等因素有關(guān)外，還與墊條的寬度和材料 特性有關(guān)。加大墊條寬度可使實(shí)測(cè)劈裂強(qiáng)度提高，一般認(rèn)為墊條寬度應(yīng)不小于立方體試件邊 長(zhǎng)或圓柱體試件直徑的 1/10。 國(guó)外的大多數(shù)試驗(yàn)資料表明，混凝土的劈裂強(qiáng)度略高于軸心抗拉強(qiáng)度。我國(guó)的一些試驗(yàn) 資料則表明，混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度略高于劈裂強(qiáng)度，考慮到國(guó)內(nèi)外對(duì)比資料的具體條件不 完全相同等原因，加之，目前我國(guó)尚未建立混凝土劈裂試驗(yàn)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，通常認(rèn)為混凝土的 軸心抗拉強(qiáng)度與劈裂強(qiáng)度基本相同。 (三)混凝土的抗剪強(qiáng)度 目前常 抗剪強(qiáng)度是混凝土的基本力學(xué)特性，是強(qiáng)度理論研究和有限元分析的重要數(shù)據(jù)。 用的混凝土抗剪強(qiáng)度的試件和加載方式有圖2.1-4

17、所示的三種情況： 2q (a)矩形梁雙剪面試件 | p (b) “Z ”形試件 (c) “ 8 ”形試件 -13 圖1.1-4混凝土抗剪強(qiáng)度試件及加載方式 混凝土的抗剪強(qiáng)度因試驗(yàn)方法不同，所得結(jié)果差異很大，很難在實(shí)踐中應(yīng)用。 對(duì)于混凝土抗剪強(qiáng)度與抗壓、抗拉強(qiáng)度的關(guān)系，德國(guó)學(xué)者默爾預(yù)(Morsch)由理論分析 求出純剪強(qiáng)度公式為： fSftS (1.1-9) 試驗(yàn)表明，由上式求得的 fvS值偏高，后來(lái)修正為 fvS 0.75 fcsfts 式中fcS、ftS分別表示混凝土的軸心抗壓和軸心抗拉強(qiáng)度。 近幾年，我國(guó)學(xué)者提出用四點(diǎn)加載的等高度變寬梁進(jìn)行抗剪強(qiáng)度試驗(yàn), 與立方體抗壓強(qiáng)度的關(guān)系為： fvs

18、 (0.380.42)(fcU)0.57 fvs (1.131.04)ftS (1.1-10) 求得的抗剪強(qiáng)度 (1.1-11) (四)復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)下混凝土的強(qiáng)度 在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，構(gòu)件通常受到軸力、彎矩、剪力及扭矩等不同內(nèi)力組合的作用, 因此，混凝土一般都是處于復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)。在復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)下，混凝土的強(qiáng)度有明顯變化。 復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)下混凝土的強(qiáng)度是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)研究的基本理論問(wèn)題，但是，由于混凝土材 料的特點(diǎn)，至今尚未建立起完善的強(qiáng)度理論。目前仍然只是借助有限的試驗(yàn)資料，推薦一些 近似計(jì)算方法。 圖1.1-5雙向應(yīng)力狀態(tài)下混凝土強(qiáng)度變化曲線(xiàn) 1、雙向應(yīng)力狀態(tài) 對(duì)于雙向應(yīng)力狀態(tài)，即在兩個(gè)相互垂

19、直的平面上，作用著法向應(yīng)力(T 1和(T 2,第三平面 上應(yīng)力為零的情況，混凝土強(qiáng)度變化曲線(xiàn)如圖1.1-5所示，其強(qiáng)度變化特點(diǎn)如下： (1) 第一象限為雙向受拉區(qū)，(T 1和6 2相互影響不大，即不同應(yīng)力比值(T 1/疔2下的雙向 受拉強(qiáng)度均接近單向抗拉強(qiáng)度； (2) 第三象限為雙向受壓區(qū)，大體上是一向的混凝土強(qiáng)度隨另一向壓力的增加而增加。 這是由于一個(gè)方向的壓應(yīng)力對(duì)另一個(gè)方向壓應(yīng)力引起的橫向變形起到一定的約束作用，限制 了試件內(nèi)部混凝土微裂縫的擴(kuò)展，故而提高了混凝土的抗壓強(qiáng)度。雙向受壓狀態(tài)下混凝土強(qiáng) 度提高的幅度與雙向應(yīng)力比6 1/6 2有關(guān)。當(dāng)6 1/6 2約等于2或0.5時(shí)，雙向抗壓強(qiáng)度

20、比單向 抗壓強(qiáng)度提高約為 25%左右；當(dāng)6 1/ 6 2= 1時(shí)，僅提高16%左右； 第二、四象限為拉一壓應(yīng)力狀態(tài)，此時(shí)混凝土的強(qiáng)度均低于單軸受力(拉或壓)強(qiáng)度， 這是由于兩個(gè)方向同時(shí)受拉、壓時(shí)，相互助長(zhǎng)了試件在另一個(gè)方向的受拉變形，加速了混凝 土內(nèi)部微裂縫的發(fā)展，使混凝土的強(qiáng)度降低。 2、剪壓或剪拉復(fù)合應(yīng)力狀態(tài) 圖1.1-6法向應(yīng)力和剪應(yīng)力組合時(shí)混凝土強(qiáng)度變化曲線(xiàn) 如果在單元體上，除作用有剪應(yīng)力T外，在一個(gè)面上同時(shí)作用有法向應(yīng)力即形成剪 拉或剪壓復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)。由圖1.1-6所示的法向應(yīng)力和剪應(yīng)力組合時(shí)混凝土強(qiáng)度變化曲線(xiàn)可 以看出，在剪拉應(yīng)力狀態(tài)下，隨著拉應(yīng)力絕對(duì)值的增加，混凝土抗剪強(qiáng)度降低，

21、當(dāng)拉應(yīng)力約 為O.lfc時(shí)，混凝土受拉開(kāi)裂，抗剪強(qiáng)度降低到零。在剪壓力狀態(tài)下，隨著壓應(yīng)力的增大， 混凝土的抗剪強(qiáng)度逐漸增大，并在壓應(yīng)力達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，抗剪強(qiáng)度達(dá)到最大值，此后，由 于混凝土內(nèi)部微裂縫的發(fā)展，抗剪強(qiáng)度隨壓應(yīng)力的增加反而減小，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到混凝土軸心抗 壓強(qiáng)度時(shí)，抗剪強(qiáng)度為零。 3、三向受壓應(yīng)力狀態(tài) 在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，為了進(jìn)一步提高混凝土的抗壓強(qiáng)度，常采用橫向鋼筋約束混凝土 變形。例如，螺旋箍筋柱（見(jiàn)第五章 5-2）和鋼管混凝土等，它們都是用螺旋形箍筋和鋼管來(lái) 約束混凝土的橫向變形，使混凝土處于三向受壓應(yīng)力狀態(tài)，從而使混凝土強(qiáng)度有所提高。 試驗(yàn)研究表明，混凝土三向受壓時(shí)，最大主壓應(yīng)力

22、軸的極限強(qiáng)度有很大程度的增長(zhǎng)，其 變化規(guī)律隨其他兩側(cè)向應(yīng)力的比值和大小而異。常規(guī)三向受壓是兩側(cè)等壓，最大主壓應(yīng)力軸 的極限強(qiáng)度隨側(cè)向壓力的增大而提高。 混凝土圓柱體三向受壓的軸向抗壓強(qiáng)度與側(cè)壓力之間的關(guān)系可用下列經(jīng)驗(yàn)公式表示： CC fc K r (2.1-12) 式中fc c三向受壓時(shí)的混凝土軸向抗壓強(qiáng)度； f C單向受壓時(shí)混凝土柱體抗壓強(qiáng)度； 6 r側(cè)向壓應(yīng)力； K 側(cè)向應(yīng)力系數(shù)，側(cè)向壓力較低時(shí)，其數(shù)值較大，為簡(jiǎn)化計(jì)算，可取為常數(shù)。較 早的試驗(yàn)資料給出 K = 4.1,后來(lái)的試驗(yàn)資料給出K = 4.57.0 根據(jù)近年來(lái)的大量試驗(yàn)資料，特別是在高側(cè)壓下的試驗(yàn)資料，我國(guó)學(xué)者蔡紹懷建議采用 下列

23、公式： (2.1 - 13) 混凝土的變形性能 混凝土的變形可分為兩類(lèi)：一類(lèi)是荷載作用下產(chǎn)生的受力變形，其數(shù)值和變化規(guī)律與加 載方式及荷載作用持續(xù)時(shí)間有關(guān)，包括單調(diào)短期加載、多次重復(fù)加載以及荷載長(zhǎng)期作用下的 變形等；另一類(lèi)是體積變形，包括混凝土收縮、膨脹和由于溫度、濕度變化產(chǎn)生的變形。 （一）混凝土在一次短期加載時(shí)的應(yīng)力一應(yīng)變曲線(xiàn) 混凝土受壓的應(yīng)力一應(yīng)變曲線(xiàn)（圖1.1-7），通常采用h/b=34的棱柱體試件來(lái)測(cè)定。 (J彳 fc 0 c db a d d 0 fcd -混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值; 0 對(duì)應(yīng)于混凝土壓應(yīng)力達(dá)到fcd時(shí)的混凝土壓應(yīng)變，當(dāng)按(1.1-21)計(jì)算的。值小 于0.002時(shí)

24、，應(yīng)取為 0.002; cu 正截面處于非均勻受壓時(shí)混凝土極限壓應(yīng)變，按公式(1.1-22)的cu值大于 0.0033時(shí)，應(yīng)取為 0.0033;正截面處于軸心受壓時(shí)的混凝土極限壓應(yīng)變應(yīng) 取為0.002; fcu.k混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值； n系數(shù)，當(dāng)按公式(1.1-20)計(jì)算的n值大于2.0時(shí)，應(yīng)取為2.0。 (三)混凝土的變形模量 在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分析及構(gòu)件的變形計(jì)算中，混凝土的彈性模量是不可缺少的基 礎(chǔ)資料之一。前已指出混凝土的應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系是一條曲線(xiàn)，只是在應(yīng)力較小時(shí)才接近于直 線(xiàn)，因此在不同的應(yīng)力階段反映應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系的變形模量是一個(gè)變數(shù)。 圖1.1-12所示為混凝土應(yīng)力一

25、應(yīng)變的典型曲線(xiàn)，圖中c為當(dāng)混凝土壓應(yīng)力為(Tc時(shí)的總 應(yīng)變，其中包括彈性應(yīng)變和塑性應(yīng)變兩部分，即 c ela pla(1.1-23) 式中 應(yīng)力增高時(shí)，塑性應(yīng)變 加大，值逐漸減小。試驗(yàn)資料給出，當(dāng) 0.5fc 時(shí), =0.8 0.9 ;當(dāng) c 0.9 fc 時(shí)， 值越大，彈 =0.40.8。此外，值還與混凝土的強(qiáng)度等級(jí)有關(guān)，混凝土強(qiáng)度等級(jí)越高, 性特征較為顯著，塑性性能越差。 （3）切線(xiàn)模量E： 混凝土的切線(xiàn)模量相當(dāng)于應(yīng)力一應(yīng)變曲線(xiàn)上某一應(yīng)力（Tc處所作切線(xiàn)的斜率（正切值）,即 (1.1-27) 應(yīng)力增量與應(yīng)變?cè)隽康谋戎?，其表達(dá)式為 Ec d c d c = tg 式中，為某點(diǎn)應(yīng)力c處的切線(xiàn)與

26、橫坐標(biāo)軸的夾角。 由于混凝土塑性變形的發(fā)展，混凝土的切線(xiàn)模量也是一個(gè)變數(shù)，它隨著混凝土的應(yīng)力增 大而減小。 在實(shí)際工作中應(yīng)用最多的還是原點(diǎn)彈性模量，即彈性模量。按照原點(diǎn)彈性模量的定義， 直接在應(yīng)力一應(yīng)變曲線(xiàn)的原點(diǎn)做切線(xiàn)，找出0角是很不精確的。目前各國(guó)對(duì)彈性模量的試驗(yàn) 方法尚沒(méi)有統(tǒng)的一標(biāo)準(zhǔn)。 我國(guó)的通用作法是對(duì)棱柱體試件先加荷至c = 0.5fc,然后卸荷至零, 再重復(fù)加荷卸荷510次?；旧峡梢韵蟛糠炙苄宰冃危谑菓?yīng)力一應(yīng)變曲線(xiàn)接近直線(xiàn)， 這條直線(xiàn)的斜率即是規(guī)范中所規(guī)定的混凝土彈性模量，它比原點(diǎn)彈性模量小，但比割線(xiàn)模量 大。 按照上述方法，對(duì)不同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土測(cè)得的彈性模量，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析得

27、下列經(jīng)驗(yàn)公式 Ec 105 2.2 34.74 (Mpa) (1.1-28) 式中fcu.k混凝土立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。 試驗(yàn)表明，混凝土的受拉彈性模量與受壓彈性模量大體相等，其比值為 0.82 1.12，平 均值為0.995。計(jì)算中受拉和受壓彈性模量可取同一值。 混凝土的剪變模量很難用試驗(yàn)方法確定。一般是根據(jù)彈性理論分析公式，由實(shí)測(cè)的彈性 模量Ec和泊松比c按下式確定: Gc Ec 2(1 c) (1.1-29) 式中 c混凝土的泊松比，即混凝土橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變之比。 試驗(yàn)研究表明，混凝土的泊松比c隨應(yīng)力大小而變化，并非是常數(shù)。但是在應(yīng)力不大 于0.5 fc時(shí)，可以認(rèn)為c為一定值。橋規(guī)JT

28、G D62規(guī)定混凝土的泊松比c = 0.2。 當(dāng)取泊松比c = 0.2，由公式（1.1-29）求得Gc= 0.417Ec, 橋規(guī)JTG D62規(guī)定混凝土 的剪變模量Gc= 0.4Ec。 (四)混凝土在重復(fù)荷載作用下的應(yīng)力一應(yīng)變曲線(xiàn) 混凝土在多次重復(fù)荷載作用下，其應(yīng)力、應(yīng)變性質(zhì)和短期一次加載情況有顯著不同。由 于混凝土是彈塑性材料，初次卸載至應(yīng)力為零時(shí)，應(yīng)變不可能全部恢復(fù)。可恢復(fù)的那部分稱(chēng) 之為彈性應(yīng)變當(dāng)采用控制應(yīng)變(冷拉率)方法冷拉鋼筋時(shí)，冷拉控制應(yīng)力取強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值 加30Mpa，即取730Mpa，并按此應(yīng)力確定相應(yīng)的冷拉率。 三、鋼筋的接頭、彎鉤和彎折 (一)鋼筋的接頭 為了運(yùn)輸方便，工廠生產(chǎn)

29、的鋼筋除小直徑鋼筋按盤(pán)圓供應(yīng)外，一般長(zhǎng)度為1012m。因 此，在使用時(shí)就需要用鋼筋接頭接長(zhǎng)至設(shè)計(jì)長(zhǎng)度。鋼筋接頭有焊接接頭，綁扎接頭和機(jī)械連 接接頭等三種形式。鋼筋接頭宜優(yōu)先采用焊接接頭和機(jī)械連接接頭。當(dāng)施工或構(gòu)造條件有困 難時(shí)，也可采用綁扎接頭。 (1) 焊接接頭 焊接接頭是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中采用最多的接頭。鋼筋焊接方法很多，工程上應(yīng)用最多的 是閃光接觸對(duì)焊和電弧搭接焊。 圖1.2-7鋼筋的焊接接頭 閃光接觸對(duì)焊圖1.2-7(a)是將兩根鋼筋安放成對(duì)接形式，利用電阻熱使接觸點(diǎn)金屬 熔化，產(chǎn)生強(qiáng)烈飛濺，形成閃光，迅速施加頂鍛力完成的一種壓焊方法。閃光接觸對(duì)焊質(zhì)量 高，加工簡(jiǎn)單。 鋼筋電弧焊圖1.2

30、-7(b)(c)丨是以焊條作為一極，鋼筋為另一極，利用焊接電流，通過(guò) 產(chǎn)生的電弧熱進(jìn)行焊接的一種熔焊方法。鋼筋電弧焊可采用搭接焊和幫條焊兩種形式。搭接 焊圖1.2-7(b)丨是將端部預(yù)先折向一側(cè)的兩根鋼筋搭接并焊在一起。幫條焊圖1.2-7(c) 是用短鋼筋或短角鋼等作為幫條，將兩根鋼筋對(duì)接拼焊，幫條的總截面面積不應(yīng)小于被焊鋼 筋的截面面積。電弧焊一般應(yīng)采用雙面焊縫，施工有困難時(shí)亦可采用單面焊縫。電弧焊接頭 的焊縫長(zhǎng)度，雙面焊縫不應(yīng)小于5d,單面焊縫不應(yīng)小于10d(d為鋼筋直徑)。 在任一焊接接頭中心至長(zhǎng)度為鋼筋直徑的35倍，且小于500mm的區(qū)段內(nèi)，同一根鋼筋 不得有兩個(gè)接頭。在該區(qū)段內(nèi)位于受

31、拉區(qū)的有接頭的受力鋼筋的截面面積占受力鋼筋總截面 面積的比例應(yīng)不超過(guò) 50%，對(duì)受壓區(qū)的鋼筋可不受此限。 幫條焊或搭接焊接頭部分鋼筋的橫向凈距不應(yīng)小于鋼筋直徑，且不小于25mm。 (2) 機(jī)械連接接頭 鋼筋機(jī)械連接接頭是近年來(lái)我國(guó)所開(kāi)發(fā)的鋼筋連接新技術(shù)。鋼筋機(jī)械連接接頭與傳統(tǒng)的 焊接頭和綁扎接頭相比具有接頭性能可靠、質(zhì)量穩(wěn)定、不受氣候及焊工技術(shù)水平的影響、連 接速度快、安全、無(wú)明火、不需要大功率電源，可焊與不可焊鋼筋均能可靠連接的優(yōu)點(diǎn)。橋 規(guī)JTG D62推薦采用套筒擠壓接頭和鐓粗直螺紋接頭。 套筒擠壓接頭 套筒擠壓接頭是將兩根待連接的帶肋鋼筋用鋼套筒做連接體，套于鋼筋端部，使用擠壓 設(shè)備沿套

32、筒徑向擠壓，使鋼套筒產(chǎn)生塑性變形。依靠變形的鋼套與鋼筋緊密結(jié)合為一個(gè)整體。 套筒擠壓接頭適用于直徑為1640mm的HRB335和HRB400帶肋鋼筋，其性能及質(zhì)量檢驗(yàn) 標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)符合國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)帶肋鋼筋擠壓連接技術(shù)規(guī)程(JGJ108 )的要求。 鐓粗直螺紋接頭 鐓粗直螺紋接頭是將鋼筋的連接端先行鐓粗，再加工出圓柱螺紋，并用連接套筒連接的 鋼筋接頭。鐓粗直螺紋接頭適用于直徑為1840mm的 HRB335和 HRB400鋼筋的連接，其性 能和質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)符合國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)鐓粗直螺紋鋼筋接頭(JG/T3057 )的要求。 (3) 綁扎接頭 綁扎接頭是將兩根鋼筋搭接一定長(zhǎng)度并用鐵絲綁扎，通過(guò)鋼筋與混凝土的

33、粘結(jié)力傳遞內(nèi) 力。綁扎接頭是過(guò)去的傳統(tǒng)作法，為了保證接頭處傳遞內(nèi)力的可靠性，連接鋼筋必須具有足 夠的搭接長(zhǎng)度。為此，橋規(guī)JTG D62對(duì)綁扎接頭的應(yīng)用范圍、搭接長(zhǎng)度及接頭布置都做 了嚴(yán)格的規(guī)定。 綁扎接頭的鋼筋直徑不宜大于28mm，但軸心受壓構(gòu)件和偏心受壓構(gòu)件中的受壓鋼筋， 可不大于32mm。軸心受拉和小偏心受拉構(gòu)件不得采用綁扎接頭。 受拉鋼筋綁扎接頭的搭接長(zhǎng)度，應(yīng)符合表1.2-2的規(guī)定；受壓鋼筋綁扎接頭的搭接長(zhǎng)度 應(yīng)取受拉鋼筋綁扎接頭搭接長(zhǎng)度的0.7倍。 表1.2-2受拉鋼筋綁扎接頭搭接長(zhǎng)度 鋼筋種類(lèi) 混凝土強(qiáng)度等級(jí) C20 C25 C25 R235 35d 30d 25d HRB335 4

34、5d 40d 35d HRB400、KL400 50d 45d 注：1當(dāng)帶肋鋼筋直徑d大于25mm時(shí)，其受拉鋼筋的搭接長(zhǎng)度應(yīng)按表值增加5d采用；當(dāng)帶肋鋼筋直徑小 于25mm時(shí)，搭接長(zhǎng)度應(yīng)按表值減少5d采用； 2當(dāng)混凝土在凝固過(guò)程中受力鋼筋易受攏動(dòng)時(shí)，其搭接長(zhǎng)度應(yīng)增加5d; 3在任何情況下，受拉鋼筋的搭接長(zhǎng)度不應(yīng)小于300mm；受壓鋼筋的搭接長(zhǎng)度不應(yīng)小于200mm; 4環(huán)氧樹(shù)脂涂層鋼筋的綁扎接頭搭接長(zhǎng)度按表值增加10d采用； 5受拉區(qū)段內(nèi)，R235鋼筋綁扎接頭的末端應(yīng)做成彎鉤，HRB335，HRB400和KL400鋼筋的末端可不做 成彎鉤。 在任一綁扎接頭中心至搭接長(zhǎng)度的1.3倍長(zhǎng)度區(qū)段內(nèi)，同一

35、根鋼筋不得有兩個(gè)接頭；在 該區(qū)段內(nèi)有綁扎接頭的受力鋼筋截面面積占受力鋼筋總截面面積的百分?jǐn)?shù)，受拉區(qū)不應(yīng)超過(guò) 25%，受壓區(qū)不應(yīng)超過(guò) 50%。 當(dāng)綁扎接頭的受力鋼筋截面面積占受力鋼筋中截面面積超過(guò)上規(guī)定時(shí)，表1.2-2給出的 受拉鋼筋綁扎接頭搭接長(zhǎng)度值，應(yīng)乘以下列系數(shù)：當(dāng)受拉鋼筋綁扎接頭截面面積大與25%， 但不大雨50%時(shí)，乘以1.4；當(dāng)大與50%時(shí)，乘以1.6 ;當(dāng)受壓鋼筋綁扎接頭截面面積大于 50%時(shí)，乘以1.4（受壓鋼筋綁扎接頭長(zhǎng)度仍為表中受拉綁扎接頭長(zhǎng)度的0.7倍）。 （二）鋼筋的彎鉤和彎折 為了防止鋼筋在混凝土中的滑動(dòng)，對(duì)于承受拉力的光面鋼筋，需在端頭 設(shè)置半圓彎鉤； 受壓的光面鋼筋

36、可不設(shè)彎鉤，這是因?yàn)槭軌簳r(shí)鋼筋橫向產(chǎn)生變形，使直徑加大，提高了握裹 力的緣故。帶肋鋼筋握裹力好，可不設(shè)半圓形彎鉤，而改用直角形彎鉤。彎鉤的內(nèi)側(cè)彎曲直 徑D不宜過(guò)小，對(duì)光面鋼筋 D 一般應(yīng)大于2.5d;帶肋鋼筋D 一般應(yīng)大于（45）d, d為鋼筋 的直徑。 按照受力的要求，鋼筋有時(shí)需按設(shè)計(jì)要求彎轉(zhuǎn)方向，為了避免在彎轉(zhuǎn)處混凝土局部壓碎， 在彎折處鋼筋內(nèi)側(cè)彎曲直徑D不得小于20d。 受力鋼筋端部彎鉤和中間彎折應(yīng)符合表1.2-3的要求。 注：采用環(huán)氧樹(shù)脂涂層鋼筋時(shí)，除應(yīng)滿(mǎn)足表內(nèi)規(guī)定外，當(dāng)鋼筋直徑d 20mm時(shí)，彎鉤內(nèi)直徑 D不應(yīng)小于6d;直線(xiàn)段長(zhǎng)度不應(yīng)小于 5d。 1-3鋼筋與混凝土之間的粘結(jié) 、鋼筋

37、與混凝土之間的粘結(jié)破壞機(jī)理 鋼筋與混凝土之間之所以能有效地共同工作是兩者之間有很好握裹力，又稱(chēng)為粘結(jié)力 鋼筋與混凝土間的粘結(jié)力由三部分組成：（1）混凝土中水泥凝膠體與鋼筋表面的化學(xué)膠結(jié)力； （2）混凝土結(jié)硬時(shí)，體積收縮時(shí)產(chǎn)生的摩擦力；（3）鋼筋表面粗糙不平或帶肋鋼筋的表面凸 出肋條產(chǎn)生的機(jī)械咬合力。 光面鋼筋的粘結(jié)力作用，在鋼筋與混凝土間尚未出現(xiàn)相對(duì)滑移前主要取決于化學(xué)膠結(jié) 力，發(fā)生滑移后則由摩擦力和鋼筋表面粗糙不平產(chǎn)生的機(jī)械咬合力提供。光面鋼筋拔出試驗(yàn) 的破壞形態(tài)是鋼筋從混凝土中被拔出的剪切破壞，其破壞面就是鋼筋與混凝土的接觸面。 帶肋鋼筋的粘結(jié)作用主要由鋼筋表面凸起產(chǎn)生的機(jī)械咬合力提供，化

38、學(xué)膠結(jié)力和摩擦力 占的比重很小。帶肋鋼筋的肋條對(duì)混凝土的斜向擠壓力形成了滑移阻力，斜向擠壓力的軸向 分力使肋間混凝土像懸臂梁那樣承受彎、剪，而徑向分力使鋼筋周?chē)幕炷联q如受內(nèi)壓的 管壁，產(chǎn)生環(huán)向拉力（見(jiàn)圖1.3-1 ）。因此，帶肋鋼筋的外圍混凝土處于復(fù)雜的三向受力狀態(tài)， 剪應(yīng)力及縱向拉應(yīng)力使橫肋間混凝土產(chǎn)生內(nèi)部斜裂縫，環(huán)向拉應(yīng)力使鋼筋附近的混凝土產(chǎn)生 斜向擠壓力 內(nèi)部斜裂縫 帶肋鋼筋 軸向分力亠 徑向裂縫。裂縫出現(xiàn)后，隨著荷載的增大，肋條前方混凝土逐漸被壓碎，鋼筋連同被壓碎的 混凝土由試件中被拔出，這種破壞稱(chēng)為剪切粘結(jié)破壞。如果鋼筋外圍混凝土很薄，且沒(méi)有設(shè) 置環(huán)向箍筋，徑向裂縫將達(dá)到構(gòu)件表面

39、，形成沿鋼筋的縱向劈裂裂縫，造成混凝土層的劈裂 破壞，這種破壞稱(chēng)為劈裂粘結(jié)破壞。劈裂粘結(jié)破壞強(qiáng)度要低于剪切破壞粘結(jié)強(qiáng)度。 環(huán)向拉應(yīng)力 徑向裂縫 .未開(kāi)裂混凝土 內(nèi)裂縫區(qū) 斜向擠壓力- 的徑向分力 圖1.3-1帶肋鋼筋橫肋處的擠壓力和內(nèi)部裂縫 、鋼筋與混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度 -39 - 鋼筋與混凝土間的粘結(jié)強(qiáng)度主要受下列因素影響： （1）混凝土強(qiáng)度等級(jí) 大體上與混凝土的抗拉強(qiáng)度成正比 試驗(yàn)表明，粘結(jié)強(qiáng)度隨混凝土強(qiáng)度等級(jí)提高而增大, 關(guān)系。 (2) 鋼筋的表面形狀 帶肋鋼筋的粘結(jié)強(qiáng)度比光面鋼筋高出12倍。帶肋鋼筋的肋條形式不同，其粘結(jié)強(qiáng)度 也略有差異，月牙紋鋼筋的粘結(jié)強(qiáng)度比螺紋鋼筋低5%15%。帶肋鋼筋

40、的肋高隨鋼筋直徑 的增大相對(duì)變矮，所以粘結(jié)強(qiáng)度下降。試驗(yàn)表明，新軋制或經(jīng)除銹處理的鋼筋，其粘結(jié)強(qiáng)度 比具有輕度銹蝕鋼筋的粘結(jié)強(qiáng)度要低。 (3) 混凝土保護(hù)層厚度和鋼筋間的凈距 試驗(yàn)表明，混凝土保護(hù)層厚度對(duì)光面鋼筋的粘結(jié)強(qiáng)度沒(méi)有明顯影響，但對(duì)帶肋鋼筋的影 響卻十分明顯。當(dāng)保護(hù)層厚度c/d56(c為混凝土保護(hù)層厚度、d為鋼筋直徑)時(shí)，帶肋鋼 筋將不會(huì)發(fā)生強(qiáng)度較低的劈裂粘結(jié)破壞。同樣，保持一定的鋼筋間距，可以提高鋼筋周?chē)?凝土的抗劈裂能力，從而提高了鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)強(qiáng)度。 橫向配筋 設(shè)置螺旋筋或箍筋可以提高混凝土的側(cè)向約束，延緩或阻止劈裂裂縫的發(fā)展，從而提高 了粘結(jié)強(qiáng)度。 此外，粘結(jié)強(qiáng)度與澆筑混凝土?xí)r鋼筋所處的相對(duì)位置有關(guān)。處于水平位置的鋼筋粘結(jié)強(qiáng) 度比豎直鋼筋要低，這是由于位于水平鋼筋下面的混凝土下沉及泌水的影響，鋼筋與混凝