第 1 章混凝土结构的材料力学性能

第1章混凝土结构的材料力学性能 学习目标： 1．了解钢筋的强度和变形、级别、品种，混凝土结构对钢筋性能的要求。 2．理解单轴和复合受力状态下混凝土的强度，混凝土的变形性能。 3．掌握混凝土的弹性模量和强度等级，钢筋与混凝土共同工作原理。

学习重点：1．钢筋的强度和变形，钢筋的成分、级别和品种，混凝土结构对钢筋性能的要求。2．单轴和复合受力状态下混凝土的强度。3．混凝土在一次短期加荷时的变形性能，混凝土处于三向受压的变形特点。4．混凝土在重复荷载和长期荷载作用下的变形性能。5．混凝土的弹性模量、混凝土的强度和强度等级。6．钢筋和混凝土的粘结性能。学习重点：1．钢筋的强度和变形，钢筋的成分、级别和品种，混凝土结构对钢筋性能的要求。2．单轴和复合受力状态下混凝土的强度。3．混凝土在一次短期加荷时的变形性能，混凝土处于三向受压的变形特点。4．混凝土在重复荷载和长期荷载作用下的变形性能。5．混凝土的弹性模量、混凝土的强度和强度等级。6．钢筋和混凝土的粘结性能。

学习建议： 1．注意规范对钢筋的级别和强度、混凝土的强度等级的规定。：2．混凝土结构是由钢筋、混凝土两种受力性能不同的材料组成的。为了掌握混凝土结构的受力特征、计算原理和设计方法，必须了解钢筋和混凝土各自的力学性能和二者共同工作的机理。

§1.1钢筋的物理力学性能 一.钢筋的品种和级别 1.钢筋的分类（1）根据化学成分： A.碳素钢：低碳钢、中碳钢及高碳钢，其特点是随着含碳量的增加，强度提高，脆性增加； B.普通低合金钢：为改善碳素钢的力学特性，加入少量合金元素。

（2）根据生产工艺： A.热轧钢筋：在高温下直接轧制成型（如碳素钢和普通低合金）； B.热处理钢：将热轧钢经过调质（加热、淬火和回火），主要是提高强度，而降低塑性不多； C.冷加工钢筋：将普通热轧钢筋在常温下进行冷拉或冷拔。

（3）根据钢筋外型： A.柔性钢筋：普通钢筋; a.光圆钢筋：表面是光滑的； b.变形钢筋：表面有肋（如月牙肋等）； c.习惯上，直径大于4mm称为钢筋；小于或等于4mm称为钢丝。 B.劲性钢筋：型钢、钢轨及其组合。

（4）根据力学特性：A.软钢：有明显屈服台阶；（见图1-1）B.硬钢：无屈服台阶；（见图1-2）（4）根据力学特性：A.软钢：有明显屈服台阶；（见图1-1）B.硬钢：无屈服台阶；（见图1-2）图1-1 图1-2

2.钢筋的级别 （1）分级原则：力学特性；（2）具体分级： Ⅰ级钢，HPB235，强度标准值为235 N/mm²； Ⅱ级钢，HRB335，强度标准值为335 N/mm²； Ⅲ级钢，HRB400，强度标准值为400 N/mm²；

3.关于冷加工钢筋 （1）冷拉 A.加工方法：在常温下将钢筋拉伸至屈服，然后卸载； B.力学性质：经过一段时间后，再次拉伸时，其屈服强度将增大，但塑性降低； C.时效硬化：被拉伸至屈服点，经过一段时间后，屈服强度增加的现象。

（2）冷拔 A.加工方法：在常温下将钢筋拔过比其自身直径还小的硬质合金拔丝模拉伸至屈服； B.力学性质：经过一段时间后，再次拉伸或压缩时，其屈服强度将增大，但塑性降低。

二.钢筋的强度与变形 1.钢筋屈服强度的取值：（1）软钢：取其屈服下限；（2）硬钢：取其极限抗拉强度的85%；（称为条件屈服点）（3）结构设计时，用钢筋的屈服强度进行计算，其极限抗拉强度作为安全储备。 2.钢筋的变形力学指标：伸长率和冷弯性

三.钢筋的疲劳 四.混凝土结构对钢筋性能的要求 1.较高的强度；2.良好的塑性；3.良好的可焊性； 4.较强的耐火性；5.钢筋与混凝土良好的粘结力。

§1.2混凝土的物理力学性能一.混凝土的组成结构1.组成：混凝土=水泥+细骨料（砂）+粗骨料（碎石或鹅卵石）+水+外加剂2.基本力学性质：（1）弹塑性、各向异性（2）水泥+细骨料+水凝胶体（塑性）（3）粗骨料（弹性）§1.2混凝土的物理力学性能一.混凝土的组成结构1.组成：混凝土=水泥+细骨料（砂）+粗骨料（碎石或鹅卵石）+水+外加剂2.基本力学性质：（1）弹塑性、各向异性（2）水泥+细骨料+水凝胶体（塑性）（3）粗骨料（弹性）

二. 混凝土的强度指标 混凝土构件一般处于多轴向应力状态下，为分析问题方便，先讨论单轴向应力状态下的混凝土强度。由于混凝土的各向异性性质，其各项强度是不一样的，必须分别讨论。

1.混凝土的抗压强度 （1）混凝土的立方体抗压强度和强度等级 A. 立方体抗压强度的物理意义：混凝土强度的基本指标和评定混凝土强度等级的标准。

B.确定混凝土立方体抗压强度的标准方法 a.标准试件：150mm  150mm150mm的立方体； b.标准制作条件：在温度（20±3）C和相对湿度90%以上的环境下，养护28天； c.标准试验方法：试件表面不涂润滑剂、均匀加载和匀速加“静”载； d.单位：N/mm²。

C.强度等级 a.确定方法：采用混凝土的立方体抗压强度； b.数值确定：具有95%的保证率； c.工程符号：（ N/mm²），简写形式为C  ； d .“规范”的等级范围：C15~C80，共14级； e.应用范围：C15~C45为普通混凝土，适用于一般的混凝土结构；C50~C80为高强混凝土，适用于预应力混凝土构件。

D.试验方法对立方体抗压强度的影响 a.试件表面是否涂润滑剂：不涂时强度高；涂后强度底，其主要原因是由于“套箍”作用；且破坏形态不一样（见P7图1-3）； b.加载速度：速度快强度高，速度满强度底（2）混凝土的轴心抗压强度 A.确定混凝土轴心抗压强度的标准方法 a. 标准试件： 150mm  150mm300mm的棱柱体； b. 其余同混凝土立方体抗压强度的标准方法； c. 工程符号：（ N/mm²），

B.关于的讨论 a.高宽比：随着高宽比的增加，会降低，但高宽比为3时，会稳定； b.混凝土立方体抗压强度与轴心抗压强度的关系：上式中各系数的物理意义见书上说明。 c.国外用圆柱体试件确定混凝土轴心抗压强度。（2-11）

2.混凝土的轴心抗拉强度 （1）确定方法：轴心受拉试验和劈裂试验；（2）混凝土轴心抗拉强度约为立方体抗压强度的1/17~1/8；（3）在荷载较小时，混凝土即开裂，所以混凝土结构一般带裂缝工作，混凝土轴心抗拉强度不起决定作用。

三.复合应力状态下混凝土的强度 1.关于双向应力状态下的强度变化规律根据图1-4和图1-5可得到如下基本结论：（1）双向受压时，混凝土抗压强度大于单向；（2）双向受拉时，混凝土抗拉强度接近于单向；（3）一向受压和一向受拉时，其抗拉（抗压）强度均低于相应的单向强度；（4）由于剪应力的存在，混凝土抗压强度低于单向；（5）由于压应力的存在，混凝土抗剪强度有限增加。

图1-4 图1-5

2.关于三向受压状态下的强度变化规律 结论：三向受压状态下的混凝土抗压强度大于双向和单向。 3.关于实际工程运用（1）目前“规范”尚无定量计算公式；（2）实际工程中均采用单向强度，但要考虑复合应力情况，从构造上加以调整。

四.混凝土的变形 变形的分类：受力变形—荷载产生的；体积变形—收缩、温差即湿差产生的。 1.一次短期加载下混凝土的变形性能（1）混凝土受压时的应力-应变关系实际试验曲线如P9图1-6：图2--14

其规律为： a.应力-应变关系为曲线，上升段中仅有一小段直线； b.应力峰值对应的应变约为0.002（基本与等级无关）； c.混凝土强度高时其延性越差。

（2）三向受压状态下混凝土的变形特点 A.变形特点：侧压力越大，变形能力越好（强度也高）； B.工程意义：设置密排箍筋间接产生侧压力。

（3）混凝土的变形摸量 由于混凝土的弹塑性性质，其模量是一个变数，通常有三种表示方法。 A.弹性模量（切线模量）：通过重复加载的方式确定； B.变形模量（割线模量） C.切线模量：对应力-应变曲线求导数确定； D.经验公式法：（4）混凝土轴向受拉时的应力-应变关系（略）

2.荷载长期作用下混凝土的变形性能 （1）徐变：在长期不变的荷载作用下，结构或构件产生的应变或变形；（2）线性徐变：随时间可以稳定（不在发展）的徐变；（3）非线性徐变：随时间不能稳定的徐变；（4）影响徐变的因素： A.保持的应力（荷载）大小：应力大时，徐变大； B.加载时的龄期：龄期早，徐变大； C.其它：水泥用量、水灰比、骨料、温度以及湿度。

（5）徐变对结构的影响 A.使结构产生应力重分布； B.使预应力产生损失。 3.混凝土在荷载重复作用下的变形（疲劳变形）（1）疲劳破坏：荷载重复作用引起的破坏；（2）疲劳强度：荷载重复作用下使应力应变曲线始终保持密合直线的最大应力值； 4.混凝土的收缩与膨胀

§1.3混凝土与钢筋的粘结 一.粘结的意义：确保混凝土与钢筋能共同工作。二.粘结力的组成 1. 化学吸附作用力；2摩阻力；3机械咬合力。光圆钢筋的粘结力主要由前两者组成；变形钢筋的粘结力主要由机械咬合力组成。三.粘结强度四.影响粘结强度的因素五.钢筋的锚固与搭接本章结束

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