混凝土原理天津大学复习.docx

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混凝土原理天津大学复习

混凝土的组成结构

微观结构（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。

亚微观结构（混凝土中的水泥砂浆结构）。

宏观结构（砂浆和粗骨料两组分体系）。

骨料的分布及骨料与基相之间在界面的结合强度是影响混凝土强度的重要因素；

在荷载的作用下，微裂缝的扩展对混凝土的力学性能有着极为重要的影响。

混凝土的强度

混凝土结构中，主要是利用它的抗压强度（混凝土力学性能中最主要和最基本的指标）。

影响强度的因素：

水泥强度等级，水灰比，骨料性质，级配；成型方法，硬化环境，养护

龄期；试件大小、形状；试验方法、加载速率。

强度指标

1.立方体抗压强度 fcu,k

定义：

边长为 150mm 的立方体标准试件，在标准养护条件（温度为 20±3℃，湿度

≥90%）下养护 28d，按照标准试验方法（加载速度 0.3~1.0MPa/s，两端不涂润滑剂）测得

的抗压强度（MPa）。

强度等级具有 95%保证率的抗压强度，符号 C。

根据强度范围，从 C15~C80 共划分为

14 个强度等级，级差为 5MPa。

影响强度等级的因素:

试验方法（接触面摩擦）；加载速度——速度越快，强度越高；龄期

——随龄期逐渐增长

2.轴心抗压强度标准值 fck

定义：

按标准方法制作的 150×l50× 300mm 的棱柱体试件，在温度为 20±3℃和相对湿度

为 90％以上的条件下养护 28d，用标准试验方法测得的具有 95％保证率的抗压强度

（MPa）。

A.对于同一混凝土，棱柱体抗压强度恒小于立方体抗压强度。

B.混凝土的棱柱体抗压强度随立方体强度单调增长。

3.轴心抗拉强度

混凝土轴心抗拉强度很小，用于衡量冲切、抗剪强度等；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。

测定方法：

轴心受拉的直接试验方法，圆柱体或立方体的劈裂试验间接测试

标准试件：

边长为 150mm 的立方体 或 A150x300mm 的圆柱体

C.对于同一混凝土，轴心抗拉强度仅为轴心抗压强度的 1/17~1/8。

D.随立方体强度单调增长，混凝土强度等级越高，增长越慢。

混凝土的变形

混凝土的受力变形：

一次短期加载；荷载长期作用；多次重复荷载。

混凝土的非受力变形：

 温差变形；湿差变形；收缩变形。

单轴（单调）受压应力-应变关系

测定方式：

常采用棱柱体试件

在普通试验机上采用等应力速度加载，达到轴心抗压强度 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。

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，可测得应力-应变曲线的下降段。

图线及解释见 P11

达到 B 点，内部一些微裂缝相互连通，裂缝发展已不稳定，横向变形突然增大，体积应变

开始由压缩转为增加。

在此应力的长期作用下，裂缝持续发展最终导致破坏。

取 B 点的应

力作为砼的长期抗压强度。

普通砼σB≈0.8fc，高强砼 σB 可达 0.95fc 以上。

B 点以后，内部微裂缝连通形成破坏面，应变增长速度明显加快，裂缝快速发展直至 C 点，

此处的峰值应力 σmax 即作为 fc，相应的应变值称为峰值应变 ε0，约为 0.0015~0.0025，

通常取 0.002。

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。

材料变形性能的主要指标

弹性模量（或称变形模量）随应力或应变而连续地变化。

变形（弹性）模量 Ec 取值 :

 砼不是弹性材料，不能由应变与弹性模量之积求应力。

砼应

力很低时，弹性模量与变形模量才近似相等。

一般取相当于结构使用阶段的工作应力

=（0.4～0. 5）fc 时的割线模量值。

双向应力状态

1）当双向受压时（第Ⅲ象限），混凝土一向的强度随另一向压应力的增加而增加。

双向受压

混凝土的强度要比单向受压的强最度多可提高约 27%。

最大强度：

两个压应力之比为 0.3~0.6 时，约为（1.25~1.60）fc

2）当双向受拉时（第Ⅰ象限），混凝土一向的抗拉强度与另一向拉应力大小基本无关，即抗

拉强度和单向应力时的抗拉强度基本相等。

3）当一向受拉，一向受压时（第Ⅱ、Ⅳ象限），混凝土一向的强度随另一向应力的增加而几

乎呈线性降低。

4）单轴正应力和剪应力。

图 2-14P15

Ⅰ区—拉剪状态：

随 τ 的加大，抗拉强度下降；随着 σ 增大，抗剪强度下降；

Ⅱ区—压剪状态：

随 σ 增大抗剪强度增加，压应力在剪切面产生的约束，阻碍剪切变形的

发展，使抗剪强度提高；

Ⅲ区—压剪状态：

随 σ 进一步加大，抗剪能力反而开始下降。

结论：

由于剪应力的存在，混凝土的极限抗压（拉）强度低于单向抗压（拉）强度，所以

当结构中出现剪应力时，其抗压（拉）强度均会有所降低。

三向应力状态

混凝土在三向受压的情况下，由于受到侧向压力的约束作用，延迟和限制了沿轴线方向的

内部微裂缝的发生和发展，因而混凝土受压后的极限抗压强度和极限压应变均有显著的提

高和发展。

三轴受压时，混凝土的强度及变形能力均有较大的提高。

实际工程中，常利用此特性来提高混凝土构件的抗压强度和变形能力。

如：

（1）螺旋箍筋

（2）加密箍筋（3）钢管混凝土

混凝土的徐变

定义：

混凝土在荷载的长期作用下，其变形随时间而不断增长的现象称为徐变。

徐变曲线：

在应力（≤0.5fc）作用瞬间，首先产生瞬时弹性应变 εce=σsi/Ec（t0），t0 加

荷时的龄期。

随荷载作用时间的延续，变形不断增长，即 εcr。

前 4 个月徐变增长较快，

6 个月可达最终徐变的 70~80%

如在时间 t 卸载，则会产生瞬时弹性恢复应变 ε'ce。

由于混凝土弹性模量随时间增大，故

弹性恢复应变 ε'ce 小于加载时的瞬时弹性应变 εce

经过一段时间后，还有一部分应变 ε''ce可以恢复，称为弹性后效或徐变恢复，但仍有不

可恢复的残留永久应变 ε'cr

徐变的性质

线性徐变：

初应力 σ≦0.5fc ，徐变与初应力呈正比

非线性徐变:

σ > 0.5fc,徐变与初应力不再呈正比（徐变快于应力增长）

当 σ> 0.8fc ，徐变发展最终导致破坏。

0.8fc 作为混凝土的长期抗压强度。

影响混凝土徐变的因素

内在因素：

混凝土级配、水灰比、水泥用量、构件形状、尺寸

骨料的刚度（弹性模量）越大，徐变就越小；水灰比越大，徐变就越大；水泥用量越大，

徐变就越大。

尺寸越大，徐变就越小；配筋越多，徐变就越小。

环境影响

初始加载龄期、养护条件、应力因素

受荷前养护的温湿度越高，水泥水化作用越充分，徐变就越小。

采用蒸汽养护可使徐变减

少 20~35%。

受荷后构件所处的环境温度越高，相对湿度越小，徐变就越大。

初

应力越大，徐变就越大。

徐变对砼结构的影响

由于混凝土的徐变，会使构件的变形增加；在钢筋混凝土截面中引起应力重分布；在预应

力混凝土结构中会造成预应力的损失

一般情况下，最终收缩应变值约为（2~5）×10-4 混凝土开裂应变为（0.5~2.7）×10-4

混凝土的收缩

定义：

混凝土在空气中硬化时体积会缩小，这种现象称为混凝土的收缩。

收缩是混凝土在

不受外力情况下体积变化产生的变形。

自由收缩一般不会引起拉应力，故不会开裂；约束收缩产生收缩应力甚至使混凝土开裂，

使预应力混凝土构件产生预应力损失

影响收缩的因素：

P19（水泥标号越高、水灰比越大、体积比表面积比值越小，收缩越大）

混凝土的疲劳变形

疲劳破坏的特征：

裂缝小而变形大

疲劳强度试验

标准试件：

150×150×300 或 150×150×450mm 的棱柱体循环荷载次数：

200 万次

钢材指标

屈服强度：

是钢筋强度的设计依据，因为钢筋屈服后将发生很大的塑性变形，且卸载时这

部分变形不可恢复，这会使钢筋混凝土构件产生很大的变形和不可闭合的裂缝。

屈服上限与加载速度有关，不太稳定，一般取屈服下限作为屈服强度。

有明显屈服台阶：

取屈服强度 fy 作为强度设计依据。

无明显屈服台阶：

取条件屈服强度 σ0.2 作为强度设计依据。

即相应于残余应变 ε= 0.2%

时的应力 σ0.2 作为名义屈服点。

常取 σ0.2=0.85ft。

延伸率：

钢筋拉断后的伸长值与原长的比率，是反映钢筋塑性性能的指标。

延伸率大的钢

筋，在拉断前有足够预兆，延性较好

屈强比：

钢筋的强度储备，fy/ft=0.6~0.7。

混凝土结构对钢筋性能的要求

1 强度 要求钢筋有足够的强度和适宜的强屈比（极限强度与屈服强度的比值）。

例如，对抗震等级为一、二级的框架结构，其纵向受力钢筋的实际强屈比不应小于 1.25。

2 塑性 要求钢筋应有足够的变形能力。

3 可焊性 要求钢筋焊接后不产生裂缝和过大的变形，焊接接头性能良好。

4 与混凝土的粘结力 要求钢筋与混凝土之间有足够的粘结力，以保证两者共同工作。

混凝土与钢筋的粘结

意义：

粘结是钢筋和混凝土形成整体、共同工作的基础

产生粘结的主要原因：

混凝土收缩将钢筋紧紧握固而产生的摩擦力；混凝土颗料的化学

作用在接触面上产生的胶合力；钢筋表面凹凸不平与混凝土之间产生的局部粘结应力。

粘结应力：

钢筋与混凝土接触面上产生的沿钢筋纵向的剪应力。

粘结强度：

粘结失效时的最大（平均）粘结应力。

1 光圆钢筋与混凝土粘结作用

1）钢筋与混凝土接触面上的化学吸附作用力（胶结力）。

一般很小，仅在受力阶段的局部

无滑移区域起作用，当接触面发生相对滑移时，该力即消失。

2）混凝土收缩握裹钢筋而产生的摩阻力。

混凝土凝固时收缩对钢筋产生的垂直于摩擦面的

压应力，压应力越大，摩阻力就越大。

3）钢筋表面凹凸不平与混凝土之间产生的机械咬合作用力（咬合力）。

与表面粗糙度有关。

接触面越粗糙，咬合力越大

2 变形钢筋和混凝土的机械咬合作用主要由于变形钢筋肋间嵌入混凝土而产生。

粘结破坏机理

1 光圆钢筋的粘结破坏粘结作用在钢筋与混凝土间出现相对滑移前主要取决于化学胶

着力，发生滑移后则由摩擦力和机械咬合力提供。

2 变形钢筋的粘结破坏

粘结强度仍由胶着力、摩擦力和机械咬合力组成。

但主要为机械咬合力。

钢筋开始滑移后，

粘结力主要由钢筋凸肋对混凝土的斜向挤压力和界面上的摩擦力组成。

若钢筋外围混凝土

很薄且没有环向箍筋约束，形成纵向劈裂裂缝，沿钢筋纵向产生劈裂破坏。

若有环向箍筋约束混凝土的变形，纵向劈裂裂缝的发展受到限制，最后钢筋沿肋外径的圆

柱面出现整体滑移，发生刮犁式破坏（剪切破坏）。

影响粘结强度的因素

混凝土强度光面钢筋和变形钢筋的粘结强度均随混凝土强度的提高而增加，但并不与

立方体强度 fcu 成正比，而与抗拉强度 ft 大致成正比。

保护层厚度和钢筋净间距

对于变形钢筋，粘结强度主要取决于劈裂破坏。

因此，相对保护层厚度 c/d 越大，混凝土

抵抗劈裂破坏的能力也越大，粘结强度越高。

c/d 很大时，若锚固长度不够，则产生剪切

“刮犁式”破坏。

钢筋净距 s 与钢筋直径 d 的比值 s/d 越大，粘结强度也越高。

横向配筋：

限制了径向裂缝的发展，使粘结强度得到提高。

由于劈裂裂缝是顺钢筋方向产生的，其对钢筋锈蚀的影响比受弯垂直裂缝更大，将严重降

低构件的耐久性。

应保证不使径向裂缝到达构件表面形成劈裂裂缝。

所以，保护层应具有

一定的厚度，钢筋净距也应保证。

配横向钢筋可阻止径向裂缝的发展。

对直径较大钢筋的锚固区和搭接长度范围，应增加横

向钢筋。

当一排并列钢筋的数量较多时，也应考虑增加横向钢筋来控制劈裂