混凝土結(jié)構(gòu)及砌體結(jié)構(gòu)-第二章混凝土結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)性能

2混凝土結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)性能12.1鋼筋2混凝土結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)性能22.1.1鋼筋種類和級別鋼筋熱軋鋼勁性鋼筋中、高強(qiáng)鋼絲和鋼絞線冷加工鋼筋柔性鋼筋熱軋?zhí)妓劁撈胀ǖ秃辖痄?①鋼筋的主要化學(xué)成分

鐵（Fe）、碳（C）、錳（Mn）、硅（Si）、磷（P）、硫（S）②鋼筋和鋼絲的分類

a、熱軋鋼筋：HPB235、HRB335、HRB400、RRB400

b、冷拉鋼筋

c、鋼絲

d、熱處理鋼筋4③.

HRB335是二級鋼是什么意思？H為熱軋（Hot

rolled

）R

帶肋（Ribbed

）B

分別鋼筋（

Bars）335:屈服點(diǎn)fyk=335N/mm2HPB235——光圓直條一級鋼筋；Q235——盤圓一級鋼筋；HRB335——熱軋帶肋二級螺紋鋼筋；fyk=335N/mm2HRB400——熱軋帶肋三級螺紋鋼筋；fyk=440N/mm2HBP235——冷軋一級鋼筋；

fyk=235N/mm25

HPB235級(Ⅰ級)鋼筋多為光面鋼筋，多作為現(xiàn)澆樓板的受力鋼筋和箍筋。

HRB335級(Ⅱ級)和

HRB400級(Ⅲ級)鋼筋強(qiáng)度較高，多作為鋼筋混凝土構(gòu)件的受力鋼筋，尺寸較大的構(gòu)件，也有用Ⅱ級鋼筋作箍筋以增強(qiáng)與混凝土的粘結(jié)，外形制作成月牙肋或等高肋的變形鋼筋。

RRB400級(Ⅳ級)鋼筋強(qiáng)度太高，不適宜作為鋼筋混凝土構(gòu)件中的配筋，一般冷拉后作預(yù)應(yīng)力筋。直徑8~40。6鋼絲中強(qiáng)鋼絲的強(qiáng)度為800~1200MPa，高強(qiáng)鋼絲、鋼絞線的為1470~1860MPa；鋼絲的直徑3~9mm；外形有光面、刻痕和螺旋肋三種，另有二股、三股和七股鋼絞線，外接圓直徑9.5~15.2mm。中高強(qiáng)鋼絲和鋼絞線均用于預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。冷加工鋼筋是由熱軋鋼筋和盤條經(jīng)冷拉、冷拔、冷軋、冷扭加工后而成。冷加工的目的是為了提高鋼筋的強(qiáng)度，節(jié)約鋼材。但經(jīng)冷加工后，鋼筋的延伸率降低。近年來，冷加工鋼筋的品種很多，應(yīng)根據(jù)專門規(guī)程使用。熱處理鋼筋是將Ⅳ級鋼筋通過加熱、淬火和回火等調(diào)質(zhì)工藝處理，使強(qiáng)度得到較大幅度的提高，而延伸率降低不多。用于預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。72.1.2鋼筋的應(yīng)力－應(yīng)變曲線及塑性性能

◆有明顯屈服點(diǎn)的鋼筋ea’abcdefufyfa′為比例極限oa為彈性階段de為強(qiáng)化階段b為屈服上限c為屈服下限，即屈服強(qiáng)度fycd為屈服臺階e為極限抗拉強(qiáng)度fu

ef為頸縮階段s8幾個指標(biāo)：屈服強(qiáng)度：是鋼筋強(qiáng)度的設(shè)計依據(jù)，因?yàn)殇摻钋髮l(fā)生很大的塑性變形，且卸載時這部分變形不可恢復(fù)，這會使鋼筋混凝土構(gòu)件產(chǎn)生很大的變形和不可閉合的裂縫。屈服上限與加載速度有關(guān)，不太穩(wěn)定，一般取屈服下限作為屈服強(qiáng)度。延伸率：鋼筋拉斷后的伸長值與原長的比率，是反映鋼筋塑性性能的指標(biāo)。延伸率大的鋼筋，在拉斷前有足夠預(yù)兆，延性較好。屈強(qiáng)比：反映鋼筋的強(qiáng)度儲備，fy/fu=0.6~0.7。9◆無明顯屈服點(diǎn)的鋼筋a點(diǎn)：比例極限，約為0.65fua點(diǎn)前：應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為線彈性a點(diǎn)后：應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為非線性，有一定塑性變形，且沒有明顯的屈服點(diǎn)強(qiáng)度設(shè)計指標(biāo)——條件屈服點(diǎn)殘余應(yīng)變?yōu)?.2%所對應(yīng)的應(yīng)力《規(guī)范》取s0.2=0.85fu102.1.3

鋼筋的冷加工的熱處理

冷加工的方法：冷拉、冷拔、冷軋。冷加工的目的：改變鋼材內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高

鋼材強(qiáng)度，節(jié)約鋼筋。冷加工對鋼材性能的影響：強(qiáng)度提高，變形降低。?熱處理是對某些特定型號的熱軋鋼進(jìn)行淬火和回火處理。

11o冷拉控制應(yīng)力

(N/mm2)

冷拉率殘余變形o'abcc'd'd冷拉無時效冷拉經(jīng)時效(a)(b)d1d2Pd2d112(a)

冷拉，可采用冷拉控制應(yīng)力和冷拉率控制。冷拉后可提高鋼材的抗拉強(qiáng)度，但其屈服臺階變短。(b)

冷拔，可同時提高鋼材的抗拉和抗壓強(qiáng)度，塑性降低很多。冷軋后，鋼筋表面軋成帶肋，強(qiáng)度與冷拔低碳

絲接近，塑性要好一些。132.1.4鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)對鋼筋性能的要求1）強(qiáng)度：要求鋼筋有足夠的強(qiáng)度和適宜的強(qiáng)屈比(極限強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度的比值)。例如，對抗震等級為一、二級的框架結(jié)構(gòu)，其縱向受力鋼筋的實(shí)際強(qiáng)屈比不應(yīng)小于1.25。

2）塑性：要求鋼筋應(yīng)有足夠的變形能力。

3）可焊性：要求鋼筋焊接后不產(chǎn)生裂縫和過大的變形，焊接接頭性能良好。

4）耐火性：要求混凝土保護(hù)層厚度滿足對構(gòu)件耐火極限的要求

5）與混凝土的粘結(jié)力：要求鋼筋與混凝土之間有足夠的粘結(jié)力，以保證兩者共同工作。142.2混凝土混凝土的組成結(jié)構(gòu)通常把混凝土的結(jié)構(gòu)分為三種類型：Ａ.微觀結(jié)構(gòu)：也即水泥石結(jié)構(gòu)，包括水泥凝膠、晶體骨架、未水化完的水泥顆粒和凝膠孔組成。Ｂ.亞微觀結(jié)構(gòu)：即混凝土中的水泥砂漿結(jié)構(gòu)。Ｃ.宏觀結(jié)構(gòu)：即砂漿和粗骨料兩組分體系。注意：1.骨料的分布及骨料與基相之間在界面的結(jié)合強(qiáng)度是影響混凝土強(qiáng)度的重要因素；

2.在荷載的作用下，微裂縫的擴(kuò)展對混凝土的力學(xué)性能有著極為重要的影響。152.2.1

混凝土的強(qiáng)度混凝土結(jié)構(gòu)中，主要是利用它的抗壓強(qiáng)度。因此抗壓強(qiáng)度是混凝土力學(xué)性能中最主要和最基本的指標(biāo)?；炷恋膹?qiáng)度等級是用抗壓強(qiáng)度來劃分的。

單向受力狀態(tài)下混凝土的強(qiáng)度

①

混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度和強(qiáng)度等級：邊長為150mm的混凝土立方體試件，在標(biāo)準(zhǔn)條件下（溫度為20±3℃，濕度≥90%）養(yǎng)護(hù)28天，用標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法（加載速度0.15~0.3N/mm2/s，兩端不涂潤滑劑）測得的具有95%保證率的抗壓強(qiáng)度，用符號C表示。

《規(guī)范》根據(jù)強(qiáng)度范圍，從C15~C80共劃分為14個強(qiáng)度等級，級差為5N/mm2。16②混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度

按標(biāo)準(zhǔn)方法制作的150mm×l50mm×300mm的棱柱體試件，在溫度為20土3℃和相對濕度為90％以上的條件下養(yǎng)護(hù)28d，用標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法測得的具有95％保證率的抗壓強(qiáng)度。對于同一混凝土，棱柱體抗壓強(qiáng)度小于立方體抗壓強(qiáng)度?？紤]到實(shí)際結(jié)構(gòu)構(gòu)件制作、養(yǎng)護(hù)和受力情況，實(shí)際構(gòu)件強(qiáng)度與試件強(qiáng)度之間存在差異，《規(guī)范》基于安全取偏低值，規(guī)定軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值和立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的換算關(guān)系為：17

式中：αc1為棱柱體強(qiáng)度與立方體強(qiáng)度之比，對不大于C50級的混凝土取0.76，對C80取0.82，其間按線性插值。αc2為高強(qiáng)混凝土的脆性折減系數(shù)，對C40取1.0，對C80取0.87，中間按直線規(guī)律變化取值。0.88為考慮實(shí)際構(gòu)件與試件混凝土強(qiáng)度之間的差異而取用的折減系數(shù)。

fcu,k立方體強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值即為混凝土強(qiáng)度等級fcu。18③混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度劈拉試驗(yàn)FaF拉壓壓混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度可以采用直接軸心受拉的試驗(yàn)方法來測定，但由于試驗(yàn)比較困難，目前國內(nèi)外主要采用圓柱體或立方體的劈裂試驗(yàn)來間接測試混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度。19④復(fù)合應(yīng)力下混凝土的強(qiáng)度實(shí)際結(jié)構(gòu)中，混凝土很少處于單向受力狀態(tài)。更多的是處于雙向或三向受力狀態(tài)?！綦p軸應(yīng)力狀態(tài)雙向受壓強(qiáng)度大于單向受壓強(qiáng)度，最大受壓強(qiáng)度發(fā)生在兩個壓應(yīng)力之比為0.3~0.6之間，約(1.25~1.60)fc。雙軸受壓狀態(tài)下混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系與單軸受壓曲線相似，但峰值應(yīng)變均超過單軸受壓時的峰值應(yīng)變。20◆雙軸應(yīng)力狀態(tài)在一軸受壓一軸受拉狀態(tài)下，任意應(yīng)力比情況下均不超過其相應(yīng)單軸強(qiáng)度。并且抗壓強(qiáng)度或抗拉強(qiáng)度均隨另一方向拉應(yīng)力或壓應(yīng)力的增加而減小。21構(gòu)件受剪或受扭時常遇到剪應(yīng)力t和正應(yīng)力s共同作用下的復(fù)合受力情況?；炷恋目辜魪?qiáng)度：隨拉應(yīng)力增大而減小隨壓應(yīng)力增大而增大當(dāng)壓應(yīng)力在0.6fc左右時，抗剪強(qiáng)度達(dá)到最大，壓應(yīng)力繼續(xù)增大，則由于內(nèi)裂縫發(fā)展明顯，抗剪強(qiáng)度將隨壓應(yīng)力的增大而減小。22

三軸受壓：(如圖)200

3=50N/mm235N/mm2

1

3

310N/mm2150100500510152025

1—

2(N/mm2)

1(‰)工程應(yīng)用：約束混凝土鋼管砼密配螺旋箍筋232.2.2混凝土的變形①混凝土在一次短期加載時的變形性能

混凝土單軸受力時的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系反映了混凝土受力全過程的重要力學(xué)特征,是分析混凝土構(gòu)件應(yīng)力、建立承載力和變形計算理論的必要依據(jù)，也是利用計算機(jī)進(jìn)行非線性分析的基礎(chǔ)。

混凝土單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，常采用棱柱體試件來測定。在普通試驗(yàn)機(jī)上采用等應(yīng)力速度加載，達(dá)到軸心抗壓強(qiáng)度fc時，試驗(yàn)機(jī)中集聚的彈性應(yīng)變能大于試件所能吸收的應(yīng)變能，會導(dǎo)致試件產(chǎn)生突然脆性破壞，只能測得應(yīng)力-應(yīng)變曲線的上升段。采用等應(yīng)變速度加載，或在試件旁附設(shè)高彈性元件與試件一同受壓，以吸收試驗(yàn)機(jī)內(nèi)集聚的應(yīng)變能，可以測得應(yīng)力-應(yīng)變曲線的下降段。2402468102030s(MPa)e×10-3BACEDA點(diǎn)以前，微裂縫沒有明顯發(fā)展，混凝土的變形主要彈性變形，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系近似直線。A點(diǎn)應(yīng)力隨混凝土強(qiáng)度的提高而增加，對普通強(qiáng)度混凝土sA

≈(0.3~0.4)fc高強(qiáng)混凝土sA≈(0.5~0.7)fc。25達(dá)到B點(diǎn)，內(nèi)部一些微裂縫相互連通，裂縫發(fā)展已不穩(wěn)定，橫向變形突然增大，體積應(yīng)變開始由壓縮轉(zhuǎn)為增加。普通強(qiáng)度混凝土sB約為0.8fc，高強(qiáng)強(qiáng)度混凝土sB可達(dá)0.95fc以上。隨應(yīng)變增長，試件上相繼出現(xiàn)多條不連續(xù)的縱向裂縫，橫向變形急劇發(fā)展，承載力明顯下降，混凝土骨料與砂漿的粘結(jié)不斷遭到破，裂縫連通形成斜向破壞面。E點(diǎn)的應(yīng)變e=(2~3)e0，應(yīng)力s=(0.4~0.6)fc。達(dá)到C點(diǎn)，內(nèi)部微裂縫連通形成破壞面，應(yīng)變增長速度明顯加快，C點(diǎn)的縱向應(yīng)變值稱為峰值應(yīng)變

e0，約為0.002。縱向應(yīng)變發(fā)展達(dá)到D點(diǎn)，內(nèi)部裂縫在試件表面出現(xiàn)第一條可見平行于受力方向的縱向裂縫。26強(qiáng)度等級越高，線彈性段越長，峰值應(yīng)變也有所增大。但高強(qiáng)混凝土中，砂漿與骨料的粘結(jié)很強(qiáng)，密實(shí)性好，微裂縫很少，最后的破壞往往是骨料破壞，破壞時脆性越顯著，下降段越陡。不同強(qiáng)度混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線27②混凝土的橫向變形系數(shù)

泊松比：橫向變形與縱向變形的比值的絕對值，反映了

材料橫向變形的彈性常數(shù)。③混凝土的彈性模量和變形模量彈性模量變形模量切線模量28◆彈性模量測定方法29④混凝土的徐變

混凝土在荷載的長期作用下，其變形隨時間而不斷增長的現(xiàn)象稱為徐變。

徐變對混凝土結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的工作性能有很大影響。由于混凝土的徐變，會使構(gòu)件的變形增加，在鋼筋混凝土截面中引起應(yīng)力重分布，在預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中會造成預(yù)應(yīng)力的損失。

混凝土的徐變特性主要與時間參數(shù)有關(guān)。30◆影響因素內(nèi)在因素是混凝土的組成和配比。骨料(aggregate)的剛度（彈性模量）越大，體積比越大，徐變就越小。水灰比越小，徐變也越小。環(huán)境影響包括養(yǎng)護(hù)和使用條件。受荷前養(yǎng)護(hù)(curing)的溫濕度越高，水泥水化作用月充分，徐變就越小。采用蒸汽養(yǎng)護(hù)可使徐變減少（20~35）%。受荷后構(gòu)件所處的環(huán)境溫度越高，相對濕度越小，徐變就越大。31⑤混凝土的收縮

混凝土在空氣中硬化時體積會縮小，這種現(xiàn)象稱為混凝土的收縮。收縮是混凝土在不受外力情況下體積變化產(chǎn)生的變形。

當(dāng)這種自發(fā)的變形受到外部（支座）或內(nèi)部（鋼筋）的約束時，將使混凝土中產(chǎn)生拉應(yīng)力，甚至引起混凝土的開裂。混凝土收縮會使預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力損失。32◆影響因素

混凝土的收縮受結(jié)構(gòu)周圍的溫度、濕度、構(gòu)件斷面形狀及尺寸、配合比、骨料性質(zhì)、水泥性質(zhì)、混凝土澆筑質(zhì)量及養(yǎng)護(hù)條件等許多因素有關(guān)。（1）水泥的品種：水泥強(qiáng)度等級越高，制成的混凝土收縮越大。（2）水泥的用量：水泥用量多、水灰比越大，收縮越大。（3）骨料的性質(zhì)：骨料彈性模量高、級配好，收縮就小。（4）養(yǎng)護(hù)條件：干燥失水及高溫環(huán)境，收縮大。（5）混凝土制作方法：混凝土越密實(shí)，收縮越小。（6）使用環(huán)境：使用環(huán)境溫度、濕度越大，收縮越小。（7）構(gòu)件的體積與表面積比值：比值大時，收縮小。332.3鋼筋和混凝土之間的粘結(jié)（握裹）力2.3.1

概述

粘結(jié)和錨固是鋼筋和混凝土形成整體、共同工作的基礎(chǔ)鋼筋與混凝土之間粘結(jié)應(yīng)力示意圖（a）錨固粘結(jié)應(yīng)力（b）裂縫間的局部粘結(jié)應(yīng)力34◆粘結(jié)強(qiáng)度測試35●基本錨固長度鋼筋的基本錨固長度取決于鋼筋的強(qiáng)度及混凝土抗拉強(qiáng)度，并與鋼筋的外形有關(guān)。《規(guī)范》規(guī)定縱向受拉鋼筋的錨固長度作為鋼筋的基本錨固長度，其計算公式為