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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。

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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。

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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。

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§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。

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（ 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。

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（ 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。

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（ 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

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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/mm

² ；

Ⅱ 级钢， HRB335 ，强度标准值为 335 N/mm

² ；

Ⅲ 级钢， HRB400 ，强度标准值为 400 N/mm

² ；

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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。

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（ 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。

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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

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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。

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§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）

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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。

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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。

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B.确定混凝土立方体抗压强度的标准方法

a. 标准试件： 150mm 150mm150mm 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 。

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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。

k,cuf

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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 150mm300mm 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 ），

ckf

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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。

ckf

ckf

k,cu21ck f88.0f （ 2-11 ）

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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。

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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。

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图 1-4 图 1-5

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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。

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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

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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。

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（ 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。

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（ 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）

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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。

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（ 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

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§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