高等钢筋混凝土结构-2混凝土的力学性能讲解
混凝土结构设计原理 第二章
混凝土的变形模量
1.2
混凝土的物理力学性能
第1章 材料的物理力学性能
7
混凝土的变形模量 混凝土弹性模量与立方体抗压强度之间的关系：
105 Ec (N / mm 2 ) 34.7 2.2 f cu,k
1.2 混凝土的物理力学性能
第1章 材料的物理力学性能
8
混凝土的徐变 定义：在荷载长期作用下，混凝土的变形随时间而徐徐增长 的现象。
构件截面都有轴向拉力N，可能存在弯矩M、剪力V。
受扭构件 （曲梁、雨棚梁） 构件截面除产生弯矩M、剪力V外，还会产生扭矩T。
教材编写及课件制作
章
第1章 材料 第2章 计算原理 第3章 轴心受力 第4章 受弯正截面
教材作者
梁兴文 梁兴文 陈 平 王社良
课件制作
邓明科 谢启芳 马乐为 丁怡洁、黄炜
课件审查
热轧钢筋 HRB 400(20MnSiV、 20MnSiNb、20MnTi) RRB 400(K20MnSi)
300
360
R
300
360 360
360
1.1
钢筋的物理力学性能
第1章 材料的物理力学性能
1
钢筋的种类及符号说明
预应力钢筋的符号说明
S P
钢绞线 S—— Strand
光面钢丝 P—— Plain
1
钢筋的种类及符号说明
预应力钢筋
1.1 钢筋的物理力学性能
第1章 材料的物理力学性能
1
钢筋的种类及符号说明 热轧钢筋的符号说明
生产工艺： hot rolled 表面形状：plain 钢筋：bar
HPB235
屈服强度
1.1
混凝土结构材料的物理力学性能
第二章混凝土结构材料的物理力学性能2.1砼的物理力学性能材料的力学性能指标包括：强度指标和变形性能指标。
本节内容一、混凝土的组成结构二、单向受力状态下的混凝土强度（重点）三、复合受力状态下的混凝土强度四、混凝土的变形性能2.1.1 混凝土的组成结构普通混凝土是由水泥、砂子和石子三种材料及水按一定配合比拌合，经过凝固硬化后做成的人工石材。
1、混凝土结构分为三种基本类型：微观结构：即水泥石结构，由水泥凝胶、晶体骨架、未水化完的水泥颗粒和凝胶孔组成，其物理力学性能取决于水泥的化学—矿物成分、粉磨细度、水灰比和硬化条件亚微观结构：即混凝土中的水泥砂浆结构；可看作以水泥石为基相、砂子为分散相的二组分体系，砂子和水泥石的结合面是薄弱面。
对于水泥砂浆结构，除上述决定水泥石结构的因素外，砂浆配合比、砂的颗粒级配与矿物组成、砂粒形状、颗粒表面特性及砂中的杂质含量是重要控制因素宏观结构：即砂浆和粗骨料两组分体系。
与亚微观结构有许多共同点，因为这时可以把水泥砂浆看作基相，粗骨料分布在砂浆中，砂浆与粗骨料的结合面也是薄弱面。
2、混凝土的内部结构特点a)混凝土是一种复杂的多相复合材料。
其组份中的砂、石、水泥胶块中的晶体、未水化的水泥颗粒组成了混凝土中错综复杂的弹性骨架，主要用它来承受外力，并使混凝土具有弹性变形的特点；b)水泥胶块中的凝胶、孔隙和结合界面初始微裂缝等，在外荷载作用下则使混凝土产生塑性变形。
c)混凝土结构中的孔隙、界面微裂缝等先天缺陷，往往是混凝土受力破坏的起源，而微裂缝在受荷时的发展对混凝土的力学性能起着极为重要的影响。
2.1.2、单向受力状态下的混凝土强度用途：是进行钢筋混凝土结构构件强度分析、建立强度理论公式的重要依据。
1、立方体抗压强度 混凝土强度等级立方体抗压强度是最主要和最基本的指标。
混凝土的强度等级是依据混凝土立方体抗压强度标准制f cuk 确定的。
（1）测定方法：以边长150mm 立方体标准试件，在标准条件下（20±3℃，≥90%湿度）养护28天，用标准试验方法（加载速度0.15~0.3N/mm 2/s ，两端不涂润滑剂）测得的具有95%保证率的抗压强度值，用符号C 表示，C30表示f cu,k =30N/mm 2现《规范》根据强度范围，从C15~C60共划分为14个强度等级，级差为5N/mm2。
混凝土结构设计原理课件第二章
3）轴心抗拉强度
混凝土的轴心抗拉强度可以采用直接轴心受拉的试 验方法来测定，但由于试验比较困难，目前国内外主要 采用圆柱体或立方体的劈裂试验来间接测试混凝土的轴 心抗拉强度。
F
压
a
2020/2/20
拉
压
F
劈裂试验
f sp
2F
a2
6 2.1 混凝土的物理力学性能
第二章 钢筋和混凝土的材料性能
压强度fc时，试验机中集聚的弹性应变能大于试件所能吸收的
应变能，会导致试件产生突然脆性破坏，只能测得应力-应变 曲线的上升段。
采用等应变速度加载，或在试件旁附设高弹性元件与试件 一同受压，以吸收试验机内集聚的应变能，可以测得应力-应 变曲线的下降段。
2020/2/20
8 2.1 混凝土的物理力学性能
上。e ×10-3
6
8
10 2.21 混凝土的物理力学性能
第二章 钢筋和混凝土的材料性能
强度等级越高，线弹性段 越长，峰值应变也有所增 大。但高强混凝土中，砂 浆与骨料的粘结很强，密 实性好，微裂缝很少，最 后的破坏往往是骨料破坏， 破坏时脆性越显著，下降 段越陡。
不同强度混凝土的应力-应变关系曲线
式中： k１为棱柱体强度与立方体强度之比，对不大
于C50级的混凝土取76，对C80取0.82，其间按线性
插值。k2为高强混凝土的脆性折减系数，对C40取1.0，
对C80取0.87，中间按直线规律变化取值。0.88为考虑 实际构件与试件混凝土强度之间的差异而取用的折减系 数。
2020/2/20
5 2.1 混凝土的物理力学性能
考虑到实际结构构件制作、养护和受力情况，实际 构件强度与试件强度之间存在差异，《规范》基于安全 取偏低值，规定轴心抗压强度标准值和立方体抗压强度 标准值的换算关系为：
混凝土结构第2章
混凝土的疲劳强度用疲劳试验测定。疲劳试验采用 100mm×100mm×300mm或150mm×150mm×450mm的 棱柱体，把能使棱柱体试件承受200万次或其以上循环荷载而 发生破坏的压应力值称为混凝土的疲劳抗压强度。 混凝土的疲劳强度与重复作用时应力变化的幅度有关。 在相同的重复次数下，疲劳强度随着疲劳应力比值的减小而 增大。疲劳应力比值按下式计算：
图2-1 混凝土立方体试块的破坏情况 (a)不涂润滑剂；(b) 涂润滑剂
(2) 混凝土的轴心抗压强度 混凝土的抗压强度与试件的形状有关,采用棱柱体比 立方体能更好地反映混凝土结构的实际抗压能力。用混凝 土棱柱体试件测得的抗压强度称为轴心抗压强度。
图2-2 混凝土棱柱体抗压试验和破坏情况
我国《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2002)规定以150mm×150mm×300mm的棱柱体作 为混凝土轴心抗压强度试验的标准试件。
(2)混凝土单轴向受压应力-应变本构关系曲线 1)美国E.Hognestad建议的模型
图2-11 Hognestad建议的应力-应变曲线
上升段：
2 0 , fc 2 0 0
0 下降段： 0 cu , f c 1 0.15 cu 0
《混凝土结构设计规范》规定，用于钢筋混凝土结构的 国产普通钢筋为热轧钢筋。热轧钢筋是低碳钢、普通低合 金钢在高温状态下轧制而成的软钢，其应力-应变曲线有明 显的屈服点和流幅，断裂时有颈缩现象，伸长率比较大。 1强度等级和牌号 国产普通钢筋按其屈服强度标准值的高低，分为4个强度 等级：300MPa、335MPa、400MPa和500MPa。
2)德国Rüsch建议的模型
钢筋和混凝土的材料力学性能
影响混凝土收缩的因素：
(1) 水泥强度等级：强度等级越高，混凝土收缩越大；
(2) 水泥的用量：水泥越多，收缩越大； (3) 水灰比：水灰比越大，收缩也越大； (3) 骨料：级配越好、弹性模量越大，收缩越小； (4) 养护条件：养护温度、湿度越高，收缩越小；
罕遇地震下“裂而不倒”, 钢筋应力可考虑进入强化段, 要
求极限抗拉强度 fu ≥1.25 fy 。
（3）塑性指标
1）伸长率：钢筋拉断后的伸长值与原长的比率。伸长 率越大，塑性越好。伸长率最小值可参照国家标准。 2) 冷弯性能: 将直径为d 的钢筋绕直径为D的弯芯，弯 曲到规定的角度后无裂纹、断裂及起层现象，则表示合格。 弯芯直径D越小，弯转角越大，说明钢筋的塑性越好。 相应的弯芯直径及弯转角可参照相应的国家标准。
的依据；
BC段 (σ＝0.8fc～fc )：裂缝快速发展的不稳定状态直至 峰点C，峰值应力σmax通常作为混凝土棱柱体的抗压强度fc， 相应的应变称为峰值应变ε0，通常取ε0=0.002。
2）下降段（CE）：
在峰值应力以后，裂缝迅速发展，试件应力下降， 应力一应变曲线向下弯曲，直到凹向发生改变，曲线出
图3.7 混凝土变形模量的表示方法
（1) 混凝土的弹性模量（即原点模量）
在原点（图中的O点）作一切线，其斜率为混凝土的原 点模量，称为弹性模量Ec。 Ec＝tg α0 混凝土的弹性模量Ec取值见表３.２
(2) 混凝土的变形模量
连接O点至曲线任一点割线的斜率，称为割线模量或变 形模量。包含弹性变形和塑性变形两部分，也称为弹塑性
《规范》规定: 钢筋混凝土不应低于C15；当采用HRB335级钢 筋时，混凝土不宜低于C20；当采用HRB400和RRB400级钢筋以 及承受重复荷载的构件，混凝土强度等级不得低于C20。 预应力混凝土不应低于C30；当采用钢绞线、钢丝、热处理 钢筋作预应力钢筋时，混凝土强度等级不宜低于C40。
混凝土基本力学性能二
c
fc
混凝土棱柱体抗压强度和峰值应变的比 值，即峰值割线模量（N/mm2）。
αa=a1，规范称之为曲线上升段参数。 物理意义：混凝土的初始切线模量与峰值割线模量之比E0/Ep； 几何意义：曲线的初始斜率和峰点割线斜率之比。 上升段曲线方程为：
x 1
y a x (3 2 a ) x ( a 2) x
x 1
解得：
x y d ( x 1) 2 x
⑷
u 1 (1 2 d 1 4 d ) c 2 d
分析或验算结构构件时，混凝土的单轴压应变不宜超过值εu。
按上述公式计算随混凝土抗压强度而变化的各项参数值，经 整理后如表。 混凝土单轴受压应力-应变曲线的参数值
0 u
x 1
c fc
y 1 (1 x) n y 1
取
c x 0
y
c
fc
曲线方程可改写为 式中各参数都随混凝 土的立方体抗压强度 标准值fcu,k而变化，计 算公式为：
cu 1 x 0
1 n 2 ( f cu 50) ≯2.0 60 0 0.002 0.5( f cu 50) 10 6
≮0.002
≯0.0033
u 0.0033 ( f cu 50) 10 6
上升段：
0
c n c f c [1 (1 ) ] 0
70
C80
60
下降段： 0 u
c fc
50
C60
40
1 n 2 ( f cu 50) ≯2.0 60 0 0.002 0.5( f cu 50) 10 6
⑷
钢筋和混凝土的力学性能
强度高、塑性好
二、钢筋的表面形状
光面钢筋 表面光滑
螺旋纹
变形钢筋 人字纹
表面肋纹
月牙纹
提高与混凝土
的粘结锚固能力
光面圆钢筋 螺旋纹钢筋 人字纹钢筋
月牙纹钢筋
三、常用钢筋的品种 热轧钢筋、钢丝、钢绞线、热处理钢筋等。
刻痕钢丝 刻痕钢丝
—3 股钢绞线量测尺寸 钢3绞股线钢绞线量测尺寸
绞线 热轧钢筋
螺旋肋钢丝 螺旋肋钢丝
150×150×150
C
200×200×200
A、B、C三个试块，材料、养护条件等均相同，三者强度的大小关系？
A>B> C，为什么？
试验方法方面 试件形状、尺寸、加载速度等 （3）润滑剂
涂润滑剂
涂润滑剂
A
B
150×150×150
150×150×150
A、B两个试块，材料、养护条件等均相同，二者强度的大小关系？（A>B）
加载板与试件间产生摩 擦阻力，对试块的横向变形 产生约束，且约束的大小随 着离接触面的垂直距离的增 大而减小。
加强对混凝土横向变形的约 束，可以提高其抗压强度。
对试件中部的约束C>A>B， 所以，抗压强度C>A>B。
试验方法方面 试件形状、尺寸、加载速度等 （2）试块尺寸
A
100×100×100
B
双向应力状态：
τ剪应力的存在而降低。 ➢混凝土的抗剪强度随着压应力的增大先增大后减小。 ➢混凝土的抗剪强度随着拉应力的增大而减小。
注：剪应力会影响梁、柱中受压区混凝土的抗压强 度。
三向受压状态：
三向受压时，混凝土一向抗压强度随另二向压应力的增加而增加，且 混凝土的极限压应变也大大增加。
钢筋混凝土结构的基本概念及其的力学性能
50
2
0 5 10 15 20 25
1 (‰)
第二十五页，共74页。
工程应用——钢管混凝土、密配螺旋箍筋
• 工程(gōngchéng)应用——钢管砼、 密配螺旋箍筋
纵向(zònɡ xiànɡ)钢筋
螺旋(luóxuán)
箍筋
第二十六页，共74页。
二、混凝土的变形(biàn xíng) 1、混凝土变形(biàn xíng)性能的特点
2 2c1 1.5 fc
1 / fc
0.1 1.2 1.0
0.8 0.6 0.4 0.20 0.2
1
0.4
2 / fc
2
2
0.6 0.8
1
1.0
1.2
➢（第三象限） ➢1, 2 (拉－压) 混
凝土强度降低 ➢（第二、四象限） ➢1, 2 (拉－拉) 混
max1 1.27 fc 1 0.5 fc
• 影响因素——加载方式、荷载作用时间、温度、湿
度、试验的尺寸(chǐ cun)、形状、 混凝土强度载(hèzài)作用而产生的受力变形：长期荷载作用下的变形
重复荷载作用下的变形
体积变形：包括温度变形和收缩变形
第二十七页，共74页。
2. 混凝土在单调、短期加载作用下的变形(biàn xíng)性能
F
200
A
300
A 4000
a)
B
A－A
200
210
300
4000 B
b)
第六页，共74页。
316
B－B
试验(shìyàn)结果： a）图中，素砼梁极限荷载(hèzài) P=8kN，由砼抗拉 强度控制，破坏形态：脆性破坏
b）图中，钢筋砼梁极限荷载 P=36kN，由钢筋受拉、 砼受压而破坏(pòhuài)，破坏(pòhuài)形态：延性破坏 (pòhuài)（配筋适量）
钢筋混凝土结构材料—混凝土的强度
-0.2
压时（右图中二、 σ2 / fc 1.2
0.6 0.4 0.2
四象限）混凝土的
1.0 0.8 0.2
强度均低于单向受
Ⅲ 压-压
力（压或拉）的强
度。
σσ22==22σσ11
0.4
σ1
σ2
σ2
0.6
σ1
0.8
1.0
Ⅰ拉-拉
-0.2
Ⅳ 压-拉
1.2
σ1=σ2
σ1=2σ2
σ1 / fc
双向正应力状态下混凝土强度变化曲线
1. 单向应力状态下的混凝土强度
（3） fc,k与fcu,k的关系：
fck 0.88c1c2 fcu,k （1.1-1）
式中:αc1—混凝土轴心抗压强度与立方体抗压强度 的比值，C50及以下的混凝土取0.76，对C80取 0.82，中间按照线性内插; αc2—考虑混凝土脆性的折减系数，C40及以下取 1.0，对C80取0.87，中间按线性内插。
c）承压板和试件上下 表面之间涂以润滑剂
立方体抗压强度试件
1. 单向应力状态下的混凝土强度
➢ 试件尺寸（尺寸效应）
试件尺寸
强度折减系数 （关于立方体强度）
150×150×150
1.0
200×200×200
1.05
100×100×100
0.95
1. 单向应力状态下的混凝土强度
➢ 试验时混凝土的龄期
1. 单向应力状态下的混凝土强度
方法二：劈裂试验
1. 单向应力状态下的混凝土强度
除垫条附近外，在试件中间垂直面上就产 生了拉应力，它的方向与加载方向垂直，并且 基本上是均匀的，当拉应力达到混凝土的抗拉 强度时，试件即被劈裂成两半。
《混凝土结构设计原理》第二章_课堂笔记
《混凝土结构设计原理》第二章 材料的物理力学性能 课堂笔记◆ 学习要点：钢筋砼的组成为非匀质的，又由于混凝土材料组成的非均匀性以及具有显著的非弹性性能，因此其力学性能与匀质弹性材料有很大的差异。
对钢筋和砼材料力学性能的了解，包括其强度和变形性能，以及对二者相互作用的了解是掌握钢筋砼构件受力特点，确立计算方法，制定构造措施的基础。
◆ 主要内容混凝土及其力学性能混凝土的组成、强度指标及其换算关系、变形性能、其它性能(疲劳、收缩、徐变)、钢筋及其力学性能。
钢筋品种、级别和型号、力学性能及性能要求。
钢筋与混凝土的粘结◆ 学习要求1、掌握混凝土的立方体抗压强度、轴心抗压强度和轴心抗拉强度的测定方法和换算关系。
2、了解影响硷强度的因素，掌握砼应力一应变曲线特点，理解复合应力下硷强度和变形特点。
3、了解混凝土收缩、徐变现象及其影响因素；理解收缩、徐变对钢筋混凝土结构的影响。
4、了解钢筋的品种级别和使用范围。
掌握钢筋的应力一应变曲线的特点和强度的取值标准:，◆ 重点难点混凝土的强度及其影响因素，复合应力状态下的强度。
混凝土受压应力一应变关系的特征值。
混 凝土的收缩与徐变及其影响因素，一、混凝土（一）混凝土的组成结构砼是由水泥石(水泥胶结料)和骨料（石料)组成的一种内部结构复杂的复合材料。
从微观看：砼是不均匀的多相材料，存在许多内部微裂缝，这与其物理力学性能有密切的关系。
从宏观看：混凝土是粗骨料均匀分散在连续的砂浆基材中的两相材料，可视为各向同性的。
（二）混凝土的强度混凝土的强度是混凝土力学.隆能中的主要指标。
在工程中常用的混凝土强度指标有： ·立方体抗压强度fcu ·轴心抗压强度fc ·轴心抗拉强度ft1、混凝土立方体抗压强度砼立方体抗压强度是其力学性能中最基本的指标，也是评定fc 强度等级的标准。
砼强度等级是指按照标准方法制作养护的边长为150mm ，的立方体试件，在28天龄期用标准试验方法测得的具有95%保证率的立方体抗压强度标准值 。
钢筋和混凝土的力学性能
混凝土模板
混凝土结构的优点（2）
⑶ 耐久性和耐火性较好，维护费用低：钢筋有 混凝土的保护层，不易产生锈蚀，而混凝土的强 度随时间的增加而增长；混凝土是不良导体，一 般30mm厚混凝土保护层，可耐火2小时，使钢 筋不致因升温过快而丧失强度。
⑷
现浇混凝土结构的整体性好，且通过合 适的配筋，可获得较好的延性，适用于抗 震、抗爆结构；同时防振性和防辐射性能 较好，适用于防护结构。
y
a—比例极限fp c—屈服强度fy →是钢筋强度的设计依据 d—极限强度fu
条件屈服点 0.2 是残余应 E
s 变为0.2%时的应力
屈强比反映钢筋的强度储备， fy/fu=0.6~0.7。
fy
y
4.1 钢筋和混凝土结构的力学性能（2/4）
4.1.2 钢筋（4/7）
第二篇
各种建筑结构
一、混凝土结构 二、砌体结构 三、钢结构 四、钢筋混凝土单层厂房 五、多高层钢筋混凝土结构 六、大跨度建筑结构
CH.4 混凝土结构
钢筋和混凝土材料的力学性能
钢筋混凝土受弯构件
钢筋混凝土受压构件 预应力混凝土结构的基本知识 钢筋混凝土平面楼盖
环球金融中心混凝土浇筑
钢筋混凝土桩内部
二、混凝土结构的分类
• • • • • • 素混凝土结构 钢筋混凝土结构 型钢（钢骨）混凝土结构 钢管混凝土结构 预应力混凝土结构 其它混凝土结构
钢筋混凝土——Reinforced Concrete（1）
◆除在构件的受拉区配筋外，还有许
多其他配筋方式
钢筋混凝土梁
钢筋混凝土——Reinforced Concrete （2）
2. 塑性性能
第二章 《钢筋混凝土结构设计原理》钢筋混凝土材料性能
帮 助
二、工艺性能
（一）冷弯性能 定义：冷弯性能是指钢材在常温下承受弯曲变形而不断裂的 能力。 试验要求：钢材试件绕着指定弯心弯曲至指定角度后，如试 件弯曲处的外拱面和两侧面不出现断裂、起层现象，即认为冷 弯合格。如图7-11和图7-12所示：
d
α
d
(a)弯曲准备b）弯曲至 (b)弯曲至a角度 (c)弯心d,弯曲180 (d)弯心0,弯曲180 a）弯曲准备 a角度 c）弯心 d，弯曲1800 d）弯心 0，弯曲1800 图7-11 钢材的冷弯试验示意图
应力σ
图7-2钢材的拉伸试件 (b)拉伸后 1.钢材应力－应变关系曲线 D
B C高 A C低 C E
a 0 应变ε
图7-3 低碳钢单轴拉伸应力-应变示意图
1）弹性阶段－OB段
如卸去荷载，试件将恢复原状，不产生残留塑性变形。与A 点相对应的应力为比例极限；与B点相对应的最大应力称为弹性 极限 。
2）屈服阶段－BC段
一、力学性能 （一）拉伸性能
实验方法：使用万能试验机在试件两端施加一对缓慢 增加的拉伸荷载，观察试件的受力与变形过程，直至 被拉断，如图7-2所示 。
d0
A0 L0 L (a)拉伸前
d1
A1 L0 +△L L1
低碳钢受拉时， 其应力－应变关系曲 线可分为四个阶段： 弹性阶段、屈服阶段、 强化阶段和颈缩阶段， 见图7-3。
弯曲 弯心 角度 直径
不小于
235 370 25
1800
d 3d 4d
6～25 Ⅱ HRB335 级 （20MnSi） 28～50 HRB400 (20MnSiV、 6～25 Ⅲ 20MnSiN 28～50 级 b、 20MnTi）
335
01.2钢筋混凝土基本力学性能
dy a1 dx
x0
d ( / fc ) d ( / p ) x0
d / d
x0
fc / p
E0 Ep
a
第9页，共63页。
dy
a1 dx x0
式中：
E0
d d
d ( / fc ) d ( / p )
x0
d / d x0 fc / p
E0 Ep
a
混凝土的初始切线弹性模量（N/mm2）。
第15页，共63页。
对参数取αa 和αd 赋予不等的数值，可得变化的理论曲线。
对于不同原材料和强度等级的结构混凝土，甚至是约束混凝土， 选用了合适的参数值。都可以得到与试验结果相符的理论曲线。过 镇海等建议的参数值见表，可供结构分析和设计应用。
第16页，共63页。
1.3.3规范中的曲线方程和参数值
混凝土的受压应力-应变曲线方程是其最基本的本构关系， 又是多轴本构模型的基础。在钢筋混凝土结构的非线性分 析中，例如构件的截面刚度、截面极限应力分布、承载力 和延性，超静定结构的内力和全过程分析等过程中，它是 不可或缺的物理方程，对计算结果的准确性起决定性作用。
第1页，共63页。
1.3.1试验方法
35 40 45 50 55 1720 1790 1850 1920 1980 1.96 1.90 1.84 1.78 1.71 1.65 1.94 2.21 2.48 2.74 2.1 2.0 1.9 1.9 1.8
60 2030 1.65 3.00 1.8
将这些参数带入式⑶、⑷即得混凝土单轴（轴心）受压应力-应 变全曲线。
即 αd= b0 将其代入⑵式，并简化可得：
x 1
y
d
(x
x 1) 2
钢筋混凝土的力学性能
钢筋混凝土的力学性能钢筋混凝土是一种常见且广泛应用的建筑材料，其独特的力学性能使得它成为了许多结构工程的首选材料之一。
本文将介绍钢筋混凝土的力学性能，包括抗压强度、抗拉强度、抗剪强度和抗弯强度。
1. 抗压强度钢筋混凝土的抗压强度是指材料能够承受的最大压缩力。
通常用单位面积上的最大抗压应力表示，单位为兆帕（MPa）。
混凝土的抗压强度主要取决于混凝土的配合比、水胶比和混凝土的龄期等因素。
一般来说，混凝土的强度随着时间的增加而增强，而在龄期较低时，则容易出现早期抗压强度低的情况。
钢筋的加入可以提高钢筋混凝土的抗压强度，因为钢筋具有较高的强度。
2. 抗拉强度钢筋混凝土的抗拉强度是指材料能够承受的最大拉伸力。
由于混凝土的抗拉强度相对较低，因此在设计结构时通常使用钢筋来抵抗拉伸力。
钢筋的引入可以显著提高钢筋混凝土的抗拉强度，钢筋在拉力作用下具有较高的强度和延性。
在实际施工过程中，为了保证混凝土结构的安全性，常常采用预应力或者加固措施来增强混凝土的抗拉强度。
3. 抗剪强度钢筋混凝土的抗剪强度是指材料能够承受的最大剪切力。
在施加剪切力时，混凝土结构容易出现剪切破坏。
为了增强钢筋混凝土的抗剪强度，常常在梁的预制过程中设置横向钢筋。
横向钢筋的加入可以增加混凝土的抗剪承载能力，并且提高了结构的抗剪强度。
4. 抗弯强度钢筋混凝土的抗弯强度是指材料可以承受的最大弯曲力矩。
在现实工程中，许多结构承受着弯曲荷载或者弯矩。
为了保证结构的稳定性和安全性，钢筋混凝土中的钢筋起到了关键的作用。
钢筋的加入可以提高混凝土的抗弯强度，从而使钢筋混凝土结构能够承受更大的弯曲力矩。
综上所述，钢筋混凝土的力学性能可以通过抗压强度、抗拉强度、抗剪强度和抗弯强度来衡量。
钢筋混凝土是一种具有良好力学性能的结构材料，广泛应用于建筑工程和基础设施建设中。
在实际应用中，合理优化钢筋混凝土的组合比例和配筋方案，可以进一步提高其力学性能，满足工程的设计要求。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
1.1.2材性的基本特点
混凝土的材料组成和构造决定其4个基本受力特点: 1．复杂的微观内应力、变形和裂缝状态
将一块混凝土按比例放大，可以看作是由粗骨料 和硬化水泥砂浆等两种主要材料构成的不规则的三维
实体结构，且具有非匀质、非线性和不连续的性质。
混凝土在承受荷载（应力）之前，就已经存在复 杂的微观应力、应变和裂缝，受力后更有剧烈的变化 。
裂缝，穿过粗骨料界面和砂浆内部。 在应力的下降过程中，变形仍继续增长，卸载后大部分变形
不能恢复。
后两部分变形成分，不与混凝土的应力成比例变化，且卸载后大部分不 能恢复，一般统称为塑性变形。
不同原材料和组成的混凝土，在不同的应力水平下，这三部分变形所占 比例有很大变化。 ①当混凝土应力较低时，骨料弹性变形占主要部分，总变形很小； ②随应力的增大，水泥凝胶体的粘性流动变形逐渐加速增长；
粗骨料和水泥浆体的物理力学性能指标的典型值
施工和环境因素引起混凝土的非匀质性和不等向性：例如浇注和振捣过
程中，比重和颗粒较大的骨料沉入构件的底部，而比重小的骨料和流动性大 的水泥砂浆、气泡等上浮，靠近构件模板侧面和表面的混凝土表层内，水泥 砂浆和气孔含量比内部的多；体积较大的结构，内部和表层的失水速率和含 水量不等，内外温度差形成的微裂缝状况也有差别；建造大型结构时，常需 留出水平的或其它形状的施工缝……。
③接近混凝土极限强度时，裂缝的变形才明显显露，但其数量级大，很快 就超过其它变形成分。
在应力峰值之后，随着应力的下降，骨料弹性变形开始恢复，凝胶体的 流动减小，而裂缝的变形却继续加大。
3. 应力状态和途径对力学性能的巨大影响 混凝土的单轴抗拉和抗压强度的比值约为1:10，相应的峰值
应变之比约为1:20，都相差一个数量级。两者的破坏形态也有根 本区别。
拉力
压力
在混凝土的凝固过程中，水泥的水化作用在表面形成凝胶体，水泥浆逐
渐变稠、硬化，并和粗细骨料粘结成一整体。在此过程中，水泥浆失水收缩 变形远大于粗骨料的。此收缩变形差使粗骨料受压，砂浆受拉。这些应力场 在截面上的合力为零，但局部应力可能很大，以至在骨料界面产生微裂缝。
粗骨料和水泥砂桨的热工性能（如线膨胀系数)有差别。当混凝土中水泥产生水化 热或环境温度变化时，两者的温度变形差受到相互约束而形成温度应力场。
混凝土在基本受力状态下力学性能的巨大差别使得：
①混凝土在不同应力状态下的多轴强度、变形和破坏形态等有很大的变化范 围； ②存在横向和纵向应力（变）梯度的情况下，混凝土的强度和变形值又将变 化； ③荷载（应力）的重复加卸和反复作用下，混凝土将产生程度不等的变形滞 后、刚度退化和残余变形等现象； ④多轴应力的不同作用途径，改变了微裂缝的发展状况和相互约束条件，混 凝土出现不同力学性能反应。
当混凝土承受外力作用时，即使作用应力完全均匀，混凝土内也将产生 不均匀的空间微观应力场。
在应力的长期作用下，水泥砂浆和粗骨料的徐变差使混凝土内部发生应 力重分布，粗骨料将承受更大的压应力。
混凝土内部有不可避免 的初始气孔和缝隙，其尖 端附近因收缩、温度变化 或应力作用都会形成局部 应力集中区，其应力分布 更复杂，应力值更高。
⑵ 水泥凝胶体的粘性流动
水泥经水化作用后生成的凝胶体，在应力作用下除了即时产 生的变形外，还将随时间的延续而发生缓慢的粘性流（移）动， 混凝土的变形不断地增长，形成塑性变形。当卸载后，这部分 变形一般不能恢复，出现残余变形。
⑶ 裂缝的形成和扩展 在拉应力作用下，混凝土沿应力的垂直方向发生裂缝。 在压应力作用下，混凝土大致沿应力平行方向发生纵向劈裂
混凝土是由水泥、水、骨料按一定比例配合，经过硬化后 形成的人工石。其为一多相复合材料，其质量的好坏与材料、 施工配合比、施工工艺、龄期、环境等诸多因素有关。
通常把混凝土的结构分为三种类型：
Ａ.微观结构：也即水泥石结构，包括水泥凝胶、晶体骨架、未水化完的水泥 颗粒和凝胶孔组成。 Ｂ.亚微观结构：即混凝土中的水泥砂浆结构。 Ｃ.宏观结构：即砂浆和粗骨料两组分体系。
当混凝土承受不同方向（即平行、垂直或倾斜于混凝土的浇注方向）的应 力时，其强度和变形值有所不同。
N
N
≤
浇注方向 N
浇注方向 N
例如对混凝土立方体试件，标准试验方法规定沿垂直浇注 方向加载以测定抗压强度，其值略低于沿平行浇注方向加载 的数值。再如，竖向浇注的混凝土柱，截面上混凝土性质对 称，而沿柱高两端的性质有别；卧位浇注的混凝土柱，情况 恰好相反。这两种柱在轴力作用下的强度和变形也将不等。
孔隙、微裂缝等原因造化过程需要若干年才能完成，所以，混凝 土的强度、变形也会在较长时间内发生变化，强度逐渐增长，
变形逐渐加大。
由于混凝土材料的非均匀微构造、局部缺陷和离散性较大 而极难获得精确的计算结果。因此，主要讨论混凝土结构的 宏观力学反应，即混凝土结构在一定尺度范围内的平均值。 宏观结构中混凝土的两个基本构成部分，即粗骨料和水泥砂 浆的随机分布，以及两者的物理和力学性能的差异是其非匀 质、不等向性质的根本原因。
第二章 混凝土的力学性能
混凝土：由水泥、骨料和水拌合形成的人工合成材料。 作 用：作为钢筋混凝土结构的主体，一是自身承担较的大的荷载；二是容
纳和维护各种构造的钢筋，组成合理的组合性结构材料。 特 点：非弹性、非线性、非匀质材料，较大离散性。
第1章 基本力学性能
第一节 混凝土的变形及破坏机理
一. 材料的组成和内部构造
粗骨料（分散相）
带核凝胶体
砂浆 （基相）
宏观结构
孔隙
细骨料（分 散相）
晶体
凝缩 凝胶体
水泥石
干缩
（基相） 亚微观结构
晶体骨架
混凝土组成结构
氢氧化钙 微观结构
晶体骨架： 由完全水化的水泥结晶体和骨料组成，承受外
力，具有弹性变形特点。
塑性变形： 在外力作用下由凝胶、孔隙、微裂缝产生。
破坏起源： PH值：
所有这些都说明，从微观上分析混凝土，必然要考虑非常复
杂的、随机分布的三维应力（应变）状态。
其对于混凝土的宏观力学性能，如开裂，裂缝开展，变形， 极限强度和破坏形态等，都有重大影响。
2. 变形的多元组成
从砼的组成和构造特点分析，其变形值由3部分组成：
⑴骨料的弹性变形
占混凝土体积绝大部分的石子和砂，本身的强度和弹性模量 值均比其组成的混凝土高出许多。即使混凝土达到极限强度值 时，骨料并不破碎，变形仍在弹性范围以内，即变形与应力成 正比，卸载后变形可全部恢复，不留残余变形。