西南交大《混凝土结构设计原理》第二章-课堂笔记上课讲义

西南交大《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ft

1、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 。《规范》根据强度范围，从C15~C80共划分为14个强度等级，级差为5N/mm 2。以上为高强砼。

混凝土立方体抗压强度的影响因素：

混凝土的强度除受其组成材料的性能及其配合比的影响外，还与下列因素有关： （1）试块尺寸：

（2）制作养护：制作方法和养护条件 （3）试验方法：受力条件 （4）荷载性质:加载速度 （5）加载龄期：

立方体混凝土强度的换算：

混凝土强度的尺寸效应指试件尺寸大，测试得到的强度偏小的现象。100mm3和200mm3立方体强度与标准立方体强度之间的换算关系为：

150100cu 1cu f f μ= 150100

cu 2cu f f μ=

小于C50的混凝土,修正系数u1=0.95。随混凝土强度的提高，修正系数u1值有所降低。 2.混凝土轴心抗压强度

钢筋混凝土受压构件的尺寸，往往是高度比截面边长的很多倍，形成棱柱体夕而非立方体。在棱柱体上所测得的强度称为轴心抗压强度。我国《普通混凝土力学性能试验方法》规定以150*150*150，的棱柱体作为混凝土轴心抗压强度试验的标准试件。

轴心抗压强度的试件是在与立方体试件相同条件下制作的，经测试其数值要小于立方体抗压强度。 《规范》规定轴心抗压强度标准值与立方体抗压强度标准值的关系按下式确定：

ck c1c2cu k f 0.88f αα=，

式中：c1α一棱柱体强度与立方体强度之比，对混凝土等级为C50及以下的取c1α=0.76，对以C80取

c1α=0.82，中间按线性规律变化。

砼的抗拉强度很低，与立方抗压强度之间为非线性关系，一般只有其立方体抗压强度的1/18~1/8。 该比值随混凝土强度等级提高而降低。在钢筋混凝土结构的强度计算中，一般不考虑砼承受拉力。但 是，如果计算砼构件在砼开裂之前的承载力，或者控制混凝土构件的开裂，以及受剪、受扭、受冲切 等的承载力计算都必须知道硷的抗拉强度。

3.复合应力下的混凝土强度

在钢筋砼构件通常处于轴向力、弯矩、剪力甚至扭矩的多种内力组合的共同作用下，因此混凝土很 少是理想的单轴受力状态，更多的是处于双向、三向或兼有剪应力的复合受力状态:处于复合应力状态下的混凝土，其强度和变形都有明显的变化。对于处于复合应力状态下的混凝土，目前尚未建立起完善的强度理论，只是借助于有限的资料，推荐一些近似方法作为计算依据。

(l).混凝土双轴受力强度

双轴受力下混凝土强度变化曲线如图：

双向受压时，砼的强度，随另一向压应力的增加而增加；当双向受拉时，混凝土一向的抗拉强

度，与另一向拉应力的大小基本无关；当一向受拉、一向受压时，砼强度几乎随另一向应力的增加而呈线性降低。

(2).混凝土剪压受力强度

构件受剪或受扭时常遇到剪应力和正应力，共同作用下的复合受力情况。

砼抗剪强度随拉应力增大而减小，随压应力增大而增大，且当压应力在0.6fc左右时，强度达到最大。压应力继续增大，则因内裂缝发展阴显，抗剪强度将随压应力增大而减小。

（三）混凝土的变形

变形性能是砼的又一重要力学性能.，由于钢筋砼计算理论与计算公式的建立都与硷的变形有关，因而研究砼的变形性能，对于掌握硷结构的设计非常重要。混凝土的变形可分为两类：

受力变形：由荷载产生，如单调短期加载、多次重复加载以及荷载长期作用下的变形。

体积变形：与受力无关，如混凝土收缩,膨胀以及由于温度变化所产生的变形等。

1、混凝土在一次短期加荷时的变形性能

所谓一次短期加荷，是指荷载从零开始单调增加直至试件破坏。这种加载也叫做单调加载。

(1)混凝土的应力一应变关系曲线

测定砼受压应力应变关系曲线，通常是采用标准菱形柱体试件，在试件的四个侧面设置仪表，量测其纵向应变，根据记录的加载数量及量测的应变，作出应变曲线。典型的硷应力应变曲线如下图所示。

混凝土应力一应变曲线的测定

1）混凝土应力应变曲线的特点

从混凝土的应力一应变曲线可以看出：

图形是一条曲线，这说明砼是一种弹塑性材料，只有当应力很小时，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，承载力有一个从增大到减小的过程，当混凝土的压应力达到最大时.并不意味着它立即破坏，而可能是应变最大时破坏。

2)混凝土强度对应力应变曲线的影响

不同强度砼对应力应变曲线上升段的影响不大，压应力峰值对应的应变值大致约为住0.002。对于下降段，强度对应力应变曲线有较大的影响。砼强度越高，应力下降越剧烈，即延性越差。

3)应变速度对应力应变曲线的影响

右图为强度相同的混凝土在不同应变速度下的应力应变曲线。

从图中可以看出，随着应变速度的降低，最大应力值也逐渐减小，但达到最大应力值的应变增加了，由于徐变的影响，使曲线的下降段比较缓慢。