第三章 混凝土的基本特性
第三章 结构材料的力学性能及指标
第一节 结构材料基本要求
塑性：材料在外力作用下产生变形，当外力去除后，
有一部分变形不能恢复，这种性质称为材料的塑性。 弹性变形与塑性变形的区别：前者为可逆变形，后 者为不可逆变形。 材料塑性性能是决定结构或构件是否安全可靠的重要 参数之一，可以通过测量材料伸长取断面收缩率或冷弯 性能来确定材料的塑性性能。
第一节 结构材料基本要求
一、结构材料力学性能的基本要求
工程结构对材料力学性能的要求是通过力学性能指标 来实现的，而力学性能指标又是通过实验方法测定的。 结构材料主要力学性能指标有：强度、弹性、塑性、 冲击韧性与冷脆性、徐变和松弛等。
第一节 结构材料基本要求
(一)强度
强度是材料抵抗破坏能力的指标。
二、其他要求
结构材料不仅要满足强度、弹性、塑性等力学性能方
面的要求，还有满足其他的一些基本要求：
1．协同工作性能
材料的协同工作性能是指两种或两种以上的材料或杆 件可以融合成一体，共同参与受力和变形，而不会轻易 分开的性能。 如钢材的可焊性、钢筋和混凝土之间的共同工作性能
以及砌块与砂浆之间的粘结性能等。
能完全恢复到原始形状的性质称为弹性。这种外力消失 后瞬间恢复的变形称为弹性变形。
弹性模量：是反映材料受力时抵抗弹性变形的能力，
即材料的刚度，它是钢材在静荷载作用下计算结构变形 的一个重要指标。 在弹性范围内，弹性模量为常数，其值等于应力与应 变的比值，即：Es=σ/ε 弹性模量越大，材料的刚度越大，即越不容易变形。
第一节 结构材料基本要求
(三)冲击韧性
冲击韧性是指钢材抗冲击而不破坏的能力。
冲击韧性与材料的塑性有关，但是又不等同于塑性，
它是强度和塑性的综合指标。
材料的冲击韧性与其内在质量、宏观缺陷和微观组成
碾压混凝土性能
第三章碾压混凝土性能碾压混凝土作为干硬性混凝土通常是由未水化的水泥熟料颗粒、水化水泥、水和少量的空气以及水和空气占有的孔隙网组成。
因此，它是一个固－液－气三相组成的多孔体。
3.1 力学性能3.1.1 抗压强度碾压混凝土的抗压强度与水泥的标号与用量、水灰比、矿物掺和料的种类与掺量及骨料种类与用量等密切相关。
由于我国碾压混凝土筑坝特点是少水泥用量、高粉煤灰掺量，因此，我们认为碾压混凝土的抗压强度主要是由水灰比和粉煤灰掺量决定的。
3.1.2 抗拉强度综合我国碾压混凝土筑坝技术，碾压混凝土在配合比设计上已经形成少水泥用量、高粉煤灰掺量的特点。
碾压混凝土的抗拉强度与常态混凝土一样，随着水胶比的增大而降低，随抗压强度的增加而增加。
因此，影响碾压混凝土抗压强度的因素同样是影响抗拉强度的因素。
3.2 变形性能3.2.1 弹性模量碾压混凝土的抗压弹性模量的主要影响因素是骨料的弹性模量、混凝土的配合比、抗压强度及龄期等。
混凝土所用骨料的弹性模量越高、混凝土配合比种所含骨料（特别是粗骨料）比例越大、混凝土抗压强度越高、龄期越长,则弹性模量越高.此外,碾压混凝土早期强度（ 14 d 以内）较低,发展较慢,因此早期弹性模量更低.3.2.2 极限拉伸值3.2.3 徐变在大体积混凝土结构如混凝土坝中, 徐变能降低温度应力, 减少裂缝。
所以, 应在保持强度不变的条件下, 设法提高混凝土的徐变, 从而提高其抗裂性。
碾压混凝土的徐变受诸多因素的影响。
它们是：混凝土的灰浆率、水泥的性质、骨料的矿物成分与级配、混凝土配合比、加荷龄期、力与持荷时间、构件尺寸等。
在不同龄期加荷条件下, 徐变变形都随粉煤灰掺量的增大而减小。
在原材料相同的情况下, 混凝土的徐变变形与混凝土的灰浆率成正比。
我国目前常用的高粉煤灰掺量碾压混凝土的灰浆率低于常态混凝土, 因此总的徐变变形似乎应低于常态混凝土。
然而碾压混凝土特别是高粉煤灰含量的碾压混凝土的早期强度较低, 早期强度增长率较小, 因此早期持荷的徐变变形必然大于常态混凝土。
混凝土设计原理范文
混凝土设计原理范文一、混凝土的力学性能混凝土的力学性能是指混凝土在荷载作用下的应力、应变关系，主要包括强度、应变能力和刚度等指标。
1.强度：混凝土的强度主要包括抗压强度、抗拉强度和抗弯强度等。
抗压强度是混凝土最主要的强度指标，通常可以通过试块试验来获得。
2.应变能力：混凝土的应变能力是指混凝土在荷载作用下的变形能力，主要包括极限抗压应变和极限抗拉应变等。
应变能力的提高可以使混凝土具有更好的耐久性和变形能力。
3.刚度：混凝土的刚度是指混凝土的刚性程度，主要包括刚性模量、剪切模量和泊松比等。
刚度的提高可以使混凝土具有更好的抗震性能和稳定性。
二、材料设计1.水泥：水泥是混凝土的胶凝材料，可以使混凝土具有较高的强度和耐久性。
常用的水泥有普通硅酸盐水泥、矿渣水泥和粉煤灰水泥等。
2.骨料：骨料是混凝土的骨架材料，可以提供混凝土的强度和稳定性。
常用的骨料有石子、碎石和砂子等。
3.粉料：粉料是混凝土的细骨料，可以填充骨料之间的空隙，提高混凝土的密实性。
常用的粉料有水泥石粉、矿物粉和粉煤灰等。
4.掺合料：掺合料是混凝土中的非胶凝材料，可以调整混凝土的性能，如增加混凝土的流动性和抗裂性。
常用的掺合料有矿渣粉、粉煤灰和硅灰等。
三、结构设计1.受力分析：受力分析是混凝土设计的基础，可以确定结构受力情况和受力方式。
常见的受力分析方法有静力分析和动力分析等。
2.尺寸设计：尺寸设计是根据受力分析结果确定混凝土构造的尺寸和形状。
常见的尺寸设计包括截面尺寸、板厚和柱高等。
3.配筋设计：配筋设计是根据受力分析结果确定混凝土构造的钢筋配筋方式和钢筋用量。
常用的配筋设计方法有简化法和荷载法等。
四、施工控制1.原材料的控制：原材料的控制是指对水泥、骨料、粉料和掺合料等原材料进行质量检测和控制。
常见的检测指标有水泥强度、骨料含泥量和粉煤灰活性等。
2.施工材料的控制：施工材料的控制是指对混凝土的搅拌、浇筑和养护等施工过程进行监控和调整。
常见的控制措施有搅拌时间控制、浇筑工艺控制和养护条件控制等。
混凝土结构设计原理第二版
混凝土结构设计原理第二版第一章概述混凝土结构设计是指在满足建筑物使用功能、安全性、经济性、美观性等要求的前提下，通过合理的结构选择、设计和计算，确定混凝土构件的尺寸、配筋和布置等技术参数的过程。
混凝土结构设计原理第二版是一本介绍混凝土结构设计原理的权威教材，本书的主要内容包括混凝土材料、基本理论、构件设计、配筋设计、施工、检验和验收等方面。
第二章混凝土材料混凝土是由水泥、砂、石、水和掺合料等原材料按一定比例配制而成的人造材料。
混凝土的性能取决于材料的质量、配合比、搅拌工艺、养护条件等因素。
混凝土材料的主要特性包括强度、耐久性、抗裂性、变形性等。
第三章基本理论混凝土结构设计的基本理论包括弹性力学理论、塑性力学理论、极限状态设计理论和可靠度设计理论等。
其中，弹性力学理论是混凝土结构设计的基础，通过对结构受力情况进行分析和计算，确定结构的强度、刚度和稳定性等性能指标。
第四章构件设计混凝土结构的构件设计是指根据结构荷载和要求，确定构件的截面形状、尺寸和配筋等技术参数。
构件设计应考虑结构的安全性、经济性、美观性等因素，同时还要满足国家建筑标准和规范的要求。
第五章配筋设计混凝土结构的配筋设计是指根据构件截面尺寸和受力状态，确定钢筋的直径、数量和布置方式等技术参数。
配筋设计应满足混凝土构件的强度、变形和耐久性等要求，同时还要考虑钢筋的保护措施和施工工艺等因素。
第六章施工混凝土结构设计的施工是指按照设计要求和施工规范进行混凝土浇筑、养护、加固和修补等工作。
施工应注意混凝土材料的质量、搅拌比例、浇筑方式和养护条件等因素，保证混凝土结构的质量和安全性。
第七章检验和验收混凝土结构设计的检验和验收是指对施工后的混凝土结构进行质量检测和验收，保证结构的安全可靠。
检验和验收应包括混凝土材料的质量检测、结构的强度和变形性能检测、钢筋的加工和安装质量检测等方面。
结语混凝土结构设计是一项复杂的工作，需要设计师具备扎实的理论基础和丰富的实践经验。
第三章 混凝土结构的耐久性设计
二,混凝土结构耐久性设计原则
混凝土桥梁结构的耐久性取决于混凝土材料的自身特性和结 构的使用环境,与结构设计,施工及养护管理密切相关.综 合国内外研究成果和工程经验,一般是从以下三个方面解决 混凝土桥梁结构的耐久性: (1)采用高耐久性混凝土,增强混凝土的密实度,提高混 凝土自身抗破损能力; (2)加强桥面排水和防水层设计,改善桥梁的环境作用条 件; (3)改进桥梁结构设计,其中包括加大混凝土保护层厚度 ;加强构造钢筋,防止控制裂缝发展;采用具有防腐保护的 钢筋(例如:体外预应力筋,无粘结预应力筋,环氧涂层钢 筋等).
一,混凝土结构的耐久性
混凝土结构的耐久性是指结构对气候作用,化学侵蚀,物 理作用或任何其他破坏过程的抵抗能力.由于混凝土的缺 陷(例如裂隙,孔道,汽泡,孔穴等),环境中的水及侵 蚀性介质就可能渗入混凝土内部,产生碳化,冻融,锈蚀 作用而影响结构的受力性能.并且结构在使用年限内还会 受到各种机械物理损伤(腐损,撞击等)及冲刷,溶蚀, 生物侵蚀的作用.混凝土结构的耐久性问题表现为:混凝 土损伤(裂缝,破碎,酥裂,磨损,溶蚀等);钢筋的锈 蚀,脆化,疲劳,应力腐蚀;以及钢筋与混凝土之间粘结 锚固作用的削弱等三个方面.从短期效果而言,这些问题 影响结构的外观和使用功能;从长远看,则会降低结构安 全度,成为发生事故的隐患,影响结构的使用寿命.
影响混凝土结构耐久性的因素十分复杂,主要取决于以下四 个方面: (1)混凝土材料的自身特性; (2)混凝土结构的设计与施工质量; (3)混凝土结构所处的环境条件; (4)混凝土结构的使用条件和防护措施. 混凝土材料的自身特性和结构的设计与施工质量是决定其耐 久性的内因.混凝土的材料组成,如水灰比,水泥品种和 数量,骨料的种类与级配都直接影响混凝土结构的耐久性. 混凝土的缺陷(例如裂缝,气泡,空穴等)都会造成水分 和侵蚀性物质渗入混凝土内部,与混凝土发生物理化学作 用,影响混凝土结构的耐久性.
《混凝土结构设计原理》电子教案
《混凝土结构设计原理》电子教案第一章：混凝土结构的基本概念1.1 混凝土结构的定义1.2 混凝土结构的分类1.3 混凝土结构的受力分析1.4 混凝土结构的材料特性第二章：混凝土的设计强度2.1 混凝土抗压强度2.2 混凝土抗拉强度2.3 混凝土抗剪强度2.4 混凝土的耐久性第三章：混凝土结构的设计方法3.1 极限状态设计方法3.2 安全系数设计方法3.3 荷载组合与内力计算3.4 结构可靠度与极限状态方程第四章：梁和板的设计4.1 梁的设计4.2 板的Design4.3 受弯构件的设计4.4 受剪构件的设计第五章：柱和墙的设计5.1 柱的设计5.2 墙的设计5.3 轴心受压构件的设计5.4 偏心受压构件的设计第六章：混凝土结构构件的连接设计6.1 连接的基本要求6.2 钢筋的锚固与焊接6.3 钢筋的连接方式6.4 混凝土构件的拼接设计第七章：钢筋混凝土构件的抗震设计7.1 抗震设计的基本概念7.2 地震作用及其效应7.3 抗震设防要求与抗震等级7.4 钢筋混凝土构件的抗震设计方法第八章：钢筋混凝土结构的经济设计8.1 结构经济性的概念8.2 结构设计中的成本分析8.3 结构优化设计方法8.4 钢筋混凝土结构的经济设计案例分析第九章：混凝土结构的施工图绘制9.1 施工图的基本知识9.2 混凝土结构施工图的绘制步骤9.3 常用施工图的符号与表示方法9.4 施工图的审核与修改第十章：混凝土结构设计的案例分析10.1 案例分析的基本方法10.2 框架结构设计案例10.3 剪力墙结构设计案例10.4 筒体结构设计案例重点和难点解析一、混凝土结构的基本概念：理解混凝土结构的定义、分类、受力分析以及材料特性是学习后续章节的基础。
特别是混凝土结构的受力分析，它是理解结构在不同荷载作用下的响应的关键。
二、混凝土的设计强度：掌握混凝土的抗压、抗拉、抗剪强度以及耐久性是进行结构设计的前提。
学生需要理解这些强度参数的测定方法和应用条件。
第三章-钢筋混凝土构件的基础受力性能资料
N>Ncr
c=0
当钢筋应力达到as = fy时 ◆极限拉力Ultimate Tensile Capacity
s=
N As
Nu= fy As
第三章 钢筋混凝土构件的基本受 力性能
ss sc
fy
2Eft + ft/ 2Eft
ft
N
Ncr
Nu
第三章 钢筋混凝土构件的基本受 力性能
N Nu
Ncr
l y
第三章 钢筋混凝土构件的基本受 力性C能onclusions
第三章 钢筋混凝土构件的基本受
力性能
s
Es
Ec
c
E
c
E
As
A0
Ac
E
As
N
c
Ac
1
E
c
A0
换算混凝土面积 Transformed Section
c
N A0
N
Ac (1 E
/ )
当sc = ft时，如继续加载混凝土 将会产生开裂，Ncr。由混凝土 的受拉时应力-应变关系知，sc = ft 时的弹性特征系数n =0.5
es =ec =e
N
es =ec =e
◎物理关系 Stress-Strain Relationship
s Ess Es c Ecc Ec
s
Es
Ec
c
E
c
c
N
◎平衡条件 Equilibrium Condition
s
N c Ac s As
c
Ac
E
As
c
Ac
1
E
r =As/Ac 配筋率 Reinforcement Ratio
新03材料力学性能
b
o
残余 变形
o'
冷拉率
冷拉的特点： 冷拉经时效 1、可采用控制应力和控制 d' 冷拉率两种方法。 d 2、冷拉时应力值必须超过 钢筋的屈服强度。 3、时效硬化(屈服点提高)。 冷拉无时效 4、冷拉后可提高钢材的抗 拉强度，但屈服台阶变短。 不提高钢筋的抗压强度。 5、钢筋设计时仍采用冷拉 前的截面。 6、焊接产生的高温使钢筋 e 软化(强度降低,塑性增加) 故需焊接的钢筋须先焊后拉; 另外冷拉只能提高抗拉强 度。)
受力强度： s1, s2 (拉－压) 强度降低
2、三轴受压：(如图)
200
三向受压时，混凝土的 抗压强度和极限变形都 有较大提高。 其原因：横向约束约束 了横向变形，限制了内 部裂缝的产生和发展。
150
s3= 50N/mm2 35N/mm2
s1
100
s3
10N/mm2
s3
50
0
5
抗压强度提高 : f c f c 4.1s 2 c
塑性变形的基础
一）混凝土的立方体抗压强度（fcu）
用边长为150mm的标准立方体试件，在标准养
护条件下（温度20±2℃，相对湿度大于95%或在水
中）养护28天后，按照标准试验方法（试件的承压
面不涂润滑剂，加荷速度约每秒0.15～0.3N/mm2）
测得的抗压强度值称为混凝土立方体试件抗压强度 （简称立方体抗压强度），用符号fcu表示。（对某 一试件）
s0.2
a
残余应变为0.2%所对应的应力 0.2
《规范》取s0.2 =0.8 fu
0.2%
有、无明显流幅钢筋的应力-应变图的比较
s(N/mm2)
ft
流幅 极限强度
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第三章混凝土的基本特性
混凝土是水泥、砂、石和水的混合材料，其组成材料的成分和性质，以及在制备、凝固、使用过程中的各种条件和环境因素都对其强度和变形有不同程度的影响，因而混凝土比其它结构材料具有更复杂、多变的力学性能。
§3.1非匀质、非等向的多相混合材料
由图3—1可看出混凝土内部的非匀质构造非匀质构造。
其主要组成部分有：
固体颗粒—具有不同形状、颜色、尺寸和矿物成分的粗骨料、较大的砂粒、未水化的水泥颗粒团和混入的各种固体杂质。
它们随机地分布在混凝土内部，占据了总体积的绝大部分。
硬化的水泥砂浆—水泥和水产生的水化作用，将搅拌均匀的砂子胶结在一起成为水泥砂浆，填充在固体颗粒之间，或称围裹在固体颗粒外层，形成不均匀、不规则的条带状或网状分布构造。
刚开始时，水泥砂浆是流动性强的胶状体。
随着混凝土龄期的增长，水泥颗粒的水化作用层往内部深入，外层逐渐固化，砂子的粘结力不断加强，形成硬化的水泥砂浆。
各种气孔和缝隙—在混凝土的搅拌和浇注过程中，少量空气混入其内部；在震捣时，大部分空气成气泡状上升，从构件的上表面逸出，其余的积聚在构件顶面和侧面的表层砂浆层内。
较大的石子和钢筋下面有明显的气孔。
混凝土中的水分蒸发以及水泥砂浆干缩变形等都会在粗骨料和砂浆的界面、砂浆的内部形成不同形状和尺寸的细微裂缝。
此外，浇注、震捣操作不当等施工缺陷可能在混凝土内留下较大孔洞。
这三部分中，前两者为基本组成。
它们的物理相力学性质相差悬殊，在外力作用和环境条件影响下的反应有显著差别，成为混凝土强度和变形性能复杂、多变的主要原因。
图3－1 混凝土组成材料的非匀质、非等向分布
除了混凝土组成部分的随机分布所引起的非匀质性外，还因为一些因素构成混凝土的必然非匀质性，例如：
·在浇注、震捣混凝土的过程中，比重和颗粒较大的粗骨料沉入底部，而比重较小的骨料、流动性大的水泥砂浆和气泡等向上升。
·构件浇注方向的顶面和模板侧面附近，水泥砂浆和气泡的含量高于构件内部，构件表层的水分蒸发较快，收缩变形较大，遗留裂缝较多。
混凝土材料的非匀质和非等向性的程度，取决于原材料的均匀性、水泥骨料比和水灰比，以及搅拌、浇注、震捣和养护等施工操作工艺。
此外，在混凝土的浇注、震捣过程中，有一些现象将产生非等向性，例如：粗骨料若有一较大干面，震捣后的最稳定位置是大面朝下；气泡上升过程中略呈长圆形，混凝土凝固后气孔长径平行于浇注方向；构件分层浇注和振捣混凝土时，留有水平施工缝；在先期应力作用下，混凝土内部形成的微裂缝具有一定的方向性等等。
§3.2复杂的微观内应力(变形)状态
如果将一块混凝土按比例放大，就可看作由粗骨料和硬化的水泥砂浆这两种性质迥异的主要材料构成的非线性、三维实体结构物。
在承受荷载之前和之后，都存在十分复杂的微观应力(应变)场。
这正是混凝土材性变化大和性能指标离散的主要原因。
在混凝土的凝固过程中，水泥的水化作用产生凝胶体，使水泥砂浆逐渐变稠、硬化，和粗骨料粘结成一整体。
在此同时，混凝土因水分逐渐逸出而变干燥，水泥砂浆发生的收缩量远大于粗骨料的收缩量。
此收缩差使粗骨料受压，而砂浆受拉，虽然任一截面上的应力合力为零，但局部的收缩应力值可能很大，以致在粗骨料界面形成微裂缝。
同样由于粗骨料和硬化水泥浆间的线膨胀系数的差别，即使两者的温度变化相同，也因为变形的不一致，又相互约束而产生不均匀的三维应力场。
混凝土是热惰性材料，因为水化热、环境温度变化或事故(火)升温等会使其表层和内部形成较大的温度差，内部的微观温度应力(应变)场更为复杂。
当结构承受外力的作用时，即使局部混凝土的宏观应力均匀，也会因为粗骨料的随机排列和水泥砂浆的不规则形状、两者的弹性(或变形)模量和抗拉、压强度的差别，以及粗骨料周界的支承或接触状况的不同等原因而存在着不均匀的微观应力场，不仅主要截面，其它任何方向截面上的应力分布都不均匀。
所有这些都表明，从微观上分析混凝土必然是一个非常复杂的、不确定的三维应力(变形)状态，对于混凝土的开裂、裂缝发展、变形、极限强度和破坏形态等都有很大影响。
§3.3 变形的多元组成
混凝土承受应力的作用或者环境条件的变化都将发生相应的变形。
从混凝土的组成和构造特点分析，总变形实际上由三部分组成：粗细骨料的弹性变形—占混凝土体积中绝大部分的石子和砂子，其本身的强度和弹性模量均高出混凝土的很多，在达到混凝土的最大应力(极限强度)时变形一般仍在弹性范围以内，即变形与应力值成正比，卸载后变形可全部恢复，不留残余应变（图3—2）。
水泥凝胶体的粘性流动—水泥水化作用形成的凝胶体在数十年内还不是一种形状固定的材料。
在应力的作用下，除了即时发生的变形外，还将随时间的延续发生缓慢、但逐渐收敛的粘性流动，使混凝土的变形不断增长，构成塑性变形。
当应力卸除后，即时的变形恢复有限。
随后变形虽继续恢复，但最终仍存在较大的残余变形。
混凝土承受的应力越大，则塑性变形和残余变形增加越多。
微裂缝的形成和扩展—在拉应力作用下，沿应力的垂直方向形成微裂缝，并迅速扩展；在压应力作用下，沿大致平行于应力方向形成纵向裂缝，穿过骨料界面和水泥砂浆，减弱了相邻部分的联系；裂缝端部的局部集中应力造成水泥砂浆的损伤，形成薄弱区。
在峰值应力后，虽然混凝土的应力减小，但变形将继续增大。
全部卸载后，这部分变形基本上不能恢复。
对于由不同的材料和组成的混凝土，在不同的应力阶段，这三部分变形所占的比例有很大变化。
一般情况下，应力水平较低时，骨料的弹性变形占主要成分。
随着应力的加大，水泥凝胶体的粘性流动变形逐渐增大；接近混凝土极限强度值时，裂缝变形才有明显作用，但其变形值大，在峰值强度后的下降段成为变形的主体。
在卸载过程中，骨料的弹性变形可全部恢复，而水泥凝胶体的粘性流动变形出现应变恢复滞后现象。
全部卸载后的混凝土残余变形，则由裂缝变形和粘性流动变形组成。
此外，混凝土刚开始承受应力时，骨料和水泥砂浆分担应力。
如果维持应力不变，由于粘性流动变形随时间延续而增大，混凝土的总变形将随之增加，在骨料和水泥砂浆间应力将会有相应的重分布。
§3.4 对力学性能的影响因素
应力状态和途径—混凝土单轴受拉强度和受压强度的比值约为1：10，相应的峰值应变比值约为1：20，两者的破坏机理和形态差别显著。
这与钢、木材等结构材料的拉、压强度和变形接近相等的状况形成鲜明的对比。
这种基本拉压状态下力学性能的巨大差别，使得混凝土在轴压力状态下的强度、变形和破坏特征等随主应力的拉、压和应力比值的不同，而在很大幅度内变化。
至于更复杂的受力状态，如不均匀受力、荷载重复/反复作用、边界受约束、不同应力路径等等，因为变形组成的差别、内部微裂缝的。