徐变对混凝土的影响

虽然实际工程中的混凝土构件和结构一般处于复合应力状态，但是单向受力状态下混凝土的强度是复合应力状态下强度的基础和重要参数。 1、混凝土的立方体抗压强度和强度等级

立方体试件的强度比较稳定．所以我国把立方体强度值作为混凝土强度的基本指标，并把立方体抗压强度作为评定混凝土强度等级的标准。我国国家标准《普通混凝土力学性能试验方法》 (GBJ81 — 85) 规定以边长为 150mm 的立方体为标准试件．标准立方体试件在 (20 ± 3) ℃的温度和相对湿度 90 ％以上的潮湿空气中养护 28d ，按照标准试验方法测得的抗压强度作为混凝土的立方体抗压强度，用符号fcu 表示．单位为 N／

mm2 。

强度影响因素：

1. 水灰比：fcu 随着 水灰比的增加而降低。

2. 温度：fcu 随着温度的增加而增加。 规定 (20 ± 3) ℃

3. 湿度：fcu 随着湿度的增加而增加。 规定相对湿度 90 ％以上 4. 试验方法：不涂润滑剂比涂润滑剂测得的抗压强度高。

5. 加载速度：加载速度越快，测得的强度越高 ; 通常规定：混凝土强度等级低于 C30 时，取每秒钟 0.3 ～ 0.5N ／mm2 ；强度等级高于或等于 C30 时，取每秒钟 (0.5 ～ 0.8) N／mm2 。 6. 试件尺寸。

混凝土立方体强度还与成型后的龄期有关，抗压强度随成型后混凝土的龄期逐渐增长，增长速度开始较快，后来逐渐缓慢。如右图所示。

《混凝土结构设计规范》规定的混凝土强度等级有 C15--C80 ，共 14 个等级，级差为 5N/mm2 。字母 C 后面的

数字表示以 5N/mm2 为单位的立方体抗压强度标准值，用符号fcu,k 表示。例如， C30 表示立方体抗压强度标准值为 30N／mm2 。 C50 ～ C80 属高强度混凝土范畴。 <> 钢筋混凝土结构的混凝土强度等级不应低于 C15 ；

<> 当采用 HRB335 级钢筋时，混凝土强度等级不宜低于 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 ；

<> 预应力混凝土结构的混凝土强度等级不应低于 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 。 2、混凝土轴心抗压强度

用混凝土棱柱体试件测得的抗压强度称轴心抗压强度用fc表示。我国《普通混凝土力学性能试验方法》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。棱柱体试件与立方体试件的制作条件相同，试件表面不涂润滑剂。《 混凝土结构设计 规范》规定以上述棱柱体试件试验测得的具有 95% 保证率的抗压强度为混凝土轴心抗压强度标准值，用符号 fck 表示。对于同一混凝土，fc＜ fcu。棱柱体抗压强度和立方体抗压强度的换算关系为

为棱柱体强度与立方体强度之比，对小于 C50 级的混凝土取 =0.82 ，其间按线性插值。 =1.00 ， C80 取 3、轴心抗拉强度ft

轴心抗拉强度是立方抗压强度的 1/17 ～ 1/8 ，混凝土强度等级愈高，这个比值愈小。 《 混凝土结构设计 规范》取轴心抗拉强度标准值 ftk为

( δ为变异系数，0.88 的意义和a2 取值与上式相同。 )

2.1.3 复合应力状态下混凝土的强度

1、双向应力状态

第一象限：双向受拉，双向受拉强度均接近于单向抗拉强度 ft ；

第三象限：双向受压，比单向受压强度提高约 27 ％， 最大强度发生在 ζ1 ／ζ2 约等于2或0.5时 。

第二、四象限：一向受压，一向受拉，混凝土的强度均低于单向受力（压或拉）的强度。 2、剪压或剪拉复合应力状态

剪应力存在，砼的抗拉强度、抗压强度低于相应的单向强度。 3、三向受压

三向受压试验一般采用圆柱体在等侧压条件进行。

由于侧向压力的约束，轴心抗压强度又较大程度的增长。试验经验公式为：

式中： fcc'—— 有侧向压力约束的轴心抗压强度；

=0.76 ，对 C80 取

为高强度混凝土的脆性折减系数， C40 以下取

=0.87, 其间按线性插值。 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。

fc'—— 无侧向压力约束的轴心抗压强度；

fL—— 侧向约束压应力。fL前系数平均值为5.6 ，侧压力低时的到的系数较高。

2.1.4 混凝土的变形

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—应变关系是混凝土最基本的力学性能之一。一次短期加载是指荷载从零开始单调增加至试件破坏，也称单调加载。 (2)应力 - 应变关系（《规范》）

(3)三向压力下砼变形特点：侧压力增加，强度、延性显著提高。

(4)混凝土的变形模量与弹性材料不同，混凝土受压应力—应变关系是一条曲线，在不同的应力阶段．应力与应变之比的变形模量是一个变数。混凝土的变形模量有如下三种表示方法。

1) 混凝土的弹性模量〔即原点模量）

如图2-15所示，混凝土棱柱体受压时，在应力—应变曲线的原点（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, 以Ec 表示． Ec =tgα0 式中α0 为混凝土应力一应变曲线在原点处的切线与横坐标的夹角． 2)混凝土变形模量

连接图2-15中O点至曲线任一点应力为ζc 处割线的

斜率，称为任意点割线模量或称变形模量。表达式为Ec' ＝ tgαL 3)混凝土的切线模量

在混凝土应力-应变曲线上某一应力ζc 处作一切线，其应力增量与应变增量之比值称为相应于应力ζc时视凝土的切线模量． Ec'' = tga

2、荷载长期作用下砼的变形性能 —— 徐变 徐变 —— 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。 （1）曲线如图 2—17 所示。 （2）产生徐变的原因： A 、 水泥胶凝体粘性流动； B 、 微裂缝扩展、增加 （3）影响徐变的因素：

A 、应力因素：应力越大，徐变越大

应力较小时（σ＜ 0.5fc) ，为线性徐变，徐变在 2 年以后可趋于稳定，最终的 φ =2-4 。 应力较大时（σ＞ 0.5fc ) ，为非线性徐变，非稳定徐变，0.8fc 为界限强度，成为砼长期抗压强度，为荷载长期作用时设计的依据。 B 、内在因素：是混凝土的组成和配比。

骨料的刚度越大，体积比越大，徐变就越小。 水灰比越小，徐变也越小。

C 、 环境影响：包括养护和使用条件。

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。 （4）徐变对结构的影响

不利：徐变会使结构（构件）的（挠度）变形增大，引起预应力损失，在长期高应力作用下，甚至会导致破坏。

有利：使结构构件产生内（应）力重分布，降低结构的受力（如支座不均匀沉降），减小大体积混凝土内的温度应力，受拉徐变可延缓收缩裂缝的出现。 3 、重复荷载作用下的变形 ( 疲劳变形 ) 疲劳破坏 —— 混凝土在荷载重复作

用下引起的破坏。

疲劳破坏的特征是裂缝小而变形大。

A 点应变εA = εce +εae + εcp （弹性应变 + 弹性后效 + 塑性变形） 重复荷载作用时：

施加荷载时的应力大小是影响应力—应变曲线不同的发展和变化的关键因素，即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增大而增大。疲劳应力比值成按下式计算：

式中ζf'c,min 、ζf'c,max 表示截面同一纤维上的混凝土最小应力及最大应力。

4 、混凝土的收缩与膨胀

混凝土凝结硬化时，在空气中体积收缩，在水中体积膨胀。收缩是混凝土在不受外力情况下体积变化产生的变形。

当砼收缩受到外部（支座）或内部（钢筋）的约束时，将使混凝土中产生拉应力，甚至引起混凝土的开裂。混凝土收缩会使预应力混凝土构件产生预应力损失。某些对跨度比

较敏感的超静定结构（如拱结构），收缩也会引起不利的内力。 影响混凝土收缩的因素有：

水泥的品种：水泥强度等级越高制成的混凝土收缩越大 水泥的用量：水泥越多，收缩越大；水灰比越大，收缩也越大 骨料的性质：骨料的弹性模量大，收缩小。

养护条件：在结硬过程中周围温 、湿度越大，收缩越小 混凝土制作方法：混凝土越密实，收缩越小 使用环境：使用环境温度、湿度大时，收缩小 构件的体积与表面积比值：比值大时，收缩小

2.2.1 钢筋的品种和级别

钢筋的品种 : 热轧钢筋、中高强钢丝和钢绞线、热处理钢筋和冷加工钢筋。 1. 热轧钢筋 Hot Rolled Steel Reinforcing Bar

HPB235 级、 HRB335 级、 HRB400 级、 RRB400 级

屈服强度 fyk（标准值 = 钢材废品限值，保证率 97.73% ） HPB235 级： fyk = 235 N ／ mm2

HRB335 级： fyk = 335 N ／ mm2

HRB400 级、 RRB400 级： fyk = 400 N ／ mm2

HPB235 级 ( Ⅰ级 ) 钢筋多为光面钢筋（ Plain Bar ），多作为现浇楼板的受力钢筋和箍筋

HRB335 级 ( Ⅱ级 ) 和 HRB400 级 ( Ⅲ级 ) 钢筋强度较高，多作为钢筋混凝土构件的受力钢筋，尺寸较大的构件，也有用Ⅱ级钢筋作箍筋的为增强与混凝土的粘结（ Bond ），外形制作成月牙肋或等高肋的变形钢筋 （ Deformed Bar ）。

Ⅳ级钢筋 强度太高，不适宜作为钢筋混凝土构件中的配筋，一般冷拉后作预应力筋。 2. 钢丝 中强钢丝的强度为 800-1200MPa ，高强钢丝、钢绞线的为 1470-1860MPa ；延伸率 d10 =6% ， d100=3.5-4% ；钢丝的直径 3-9mm ；外形有光面、刻痕和螺旋肋三种，另有二股、三股和七股钢绞线，外接圆直径 9.5-15.2 mm 。中高强钢丝和钢绞线均用于预应力混凝土结构。

3. 冷加工钢筋 是由热轧钢筋和盘条经冷拉、冷拔、冷轧、冷扭加工后而成。冷加工的目的是为了提高钢筋的强度，节约钢材。但经冷加工后，钢筋的延伸率降低。近年来，冷加工钢筋的品种很多，应根据专门规程使用。

4. 热处理钢筋 是将Ⅳ级钢筋通过加热、淬火和回火等调质工艺处理，使强度得到较大幅度的提高，而延伸率降低不多。用于预应力混凝土结构。

2.2.2 钢筋的强度与变形

一、 钢筋的强度

1、应力 - 应变关系(如右图) 2、强度指标：

钢筋强度的设计依据 —— 屈服强度。 检验钢筋质量的强度指标：

有明显屈服点的钢筋：屈服强度 fy ， 极限抗拉强度 ζb 无明显屈服点的钢筋：极限抗拉强度 ζb 《规范》规定 fy= ζ0.2=0.85 ζb

3 、变形指标：钢筋应具有的塑性变形能力—— 伸长率，冷弯性能

伸长率：钢筋拉断时的伸长值与原长的比率。伸长率越大塑性越好。伸长率大的钢筋，在拉断前有足够预兆，延性较好。

冷弯：将直径为 d 的钢筋绕直径为 D 的弯芯弯曲到规定的角度（冷弯角度）后无裂纹断裂及起层现象，则表示合格。弯芯 D 越小，弯转角越大，说明钢筋塑性越好。

2.2.3 钢筋的应力 - 应变曲线的数学模型

2.2.4 钢筋的疲劳

钢筋的疲劳是指钢筋在承受重复、周期性的动荷载作用下，经过一定次数后突然脆性断裂的现象。钢筋的疲劳强度是指在某—规定应力幅度内，经受一定次数循环荷载后发生疲劳破坏的最大应力值。

钢筋疲劳断裂的原因，一般认为是由于钢筋内部和外部的缺陷，在这些薄弱处容易引起应力集中。应力过高，钢材晶粒滑移，产生疲劳裂纹，应力重复作用次数增加，裂纹扩展，从而造成断裂。

钢筋的疲劳试验有两种方法：一种是直接进行单根原状钢筋轴拉试验；另一种是将钢筋埋入混凝土中使其重复受拉或受弯的试验。我国采用直接做单根钢筋轴拉试验的方法。《混凝土结构设计规范》规定了不同等级钢筋的疲劳应力幅度限值，并规定该值与截面同一纤维上钢筋最小应力与最大应力比值有关，对预应力钢筋，当ρf ≥ 0.9 时可不进行疲劳强度验算。

需要对不同的疲劳应力比值满足循环次数为 200 万次条件下的钢筋量大应力值为钢筋的疲劳强度。

钢筋的疲劳强度与应力变化的幅值有关，其他影响因素还有：最小应力值的大小、钢筋外表面几何尺寸和形状、钢筋的直径、钢筋的强度、钢筋的加工和使用环境以及加载的频率等。

由于承受重复性荷载的作用，钢筋的疲劳强度低于其在静荷载作用下的极限强度。原状钢筋的疲劳强度最低。

2.2.5 混凝土结构对钢筋性能的要求 1 、钢筋的强度

所谓钢筋强度是指钢筋的屈服强度及极限强度。钢筋的屈服强度是设计计算时的主要依据 ( 对无明显流幅的钢筋，取它的条件屈服点 ) 。

2 、钢筋的塑性

要求钢材有一定的塑性是为了使钢筋在断裂前有足够的变形，在钢筋混凝土结构中，能给出构件将要破坏的预告信号．同时要保证钢筋冷弯的要求，通过试验检验钢材承受弯曲变形的能力以间接反映钢筋弯性能是施工单位验收钢筋是否合格的主要指标。

3 、钢筋的可焊性

可焊性是评定钢筋焊接后的接头性能的指标艺条件下钢筋焊接后不产生裂纹及过大的变形。

4 、钢筋的耐火性

热轧钢筋的耐火性能最好，冷轧钢筋其次，预应力钢筋最差。结构设计时应注意混凝土保护层厚度满足对构件耐火极限的要求。

5 、钢筋与混凝土的粘结力

为了保证钢筋与混凝土共同工作，要求钢筋与混凝土之间必须有足够的粘结力。钢筋表面的形状是影响粘结力的重要因素。

2.3.1 粘结的意义

钢筋混凝土受力后会沿钢筋和混凝土接触面上产生剪应力，通常把这种剪应力称为粘结应力。若构件中的钢筋和混凝土之间既不粘结，钢筋端部也不加锚具，在荷载作用下．钢筋与混凝土就不能共同受力。

粘结作用可以用图 2—27所示的钢筋和其周围混凝土之间产生的粘结应力来说明。钢筋和混凝土界面上的粘结应力与相同荷载作用下钢筋应变的分布有关。根据作用性质的不同，钢筋与混凝土之间的粘结应力分为裂缝间的局部粘结应力和锚固粘结应力。裂缝间的局部粘结应力是在相邻两个开裂截面之间产生的，钢筋应力的变化受到粘结应力的影响，粘结应力使相邻两个裂缝之间混凝土参与受拉。局部粘结应力的丧失会影响构件的刚度的降低和裂缝的开展。钢筋伸进支座或在连续梁中承担负弯矩的上部钢筋在跨中截断时，需要延伸一段长度，即锚固长度。要使钢筋承受所需的拉力，就要求受拉钢筋有足够的锚固长度以积累足够的粘结力，否则，将发生锚固破坏。

2.3.2 粘结力的组成

光圆钢筋与变形钢筋具有不同的粘结机理。 光圆钢筋与混凝土的粘结作用主要由三部分所组成：

(1)钢筋与混凝土接触面上的化学吸附作用力(胶结力)。这种吸附作用力来自浇注时水泥浆体对钢筋表面氧化层的渗透以及水化过程中水泥晶体的生长和硬化。

(2)混凝上收缩握裹钢筋而产生摩阻力。摩阻力是由于混凝土凝固时收缩钢筋产生垂直于摩擦面的压应力。这种压应力越大，接触面的粗糙程度越大，阻力就越大。 (3)钢筋表面凹凸不平与混凝—上之间产生的机械咬合作用力(咬台力)。

变形钢筋与混凝土之间有机械咬合作用，改变了钢筋与混凝土间相互作用的方式，显著提高了粘结强度。

光圆钢筋和变形钢筋的粘结机理的主要差别是：光面钢筋粘结力主要来自胶结力和摩阻力，而变形钢筋的粘结力主要来自机械咬合作用。二者的差别，可以用钉入木料中的普通钉和螺丝钉的差别来理解。

2.3.3 粘结强度

2.3.4 影响粘结强度的因素

筋净间距、横向配筋及侧向压应力，以及浇筑混凝土时钢筋的位置等。

(1)光圆钢筋及变形钢筋的粘结强度随混凝土强度等级的提高而提高，但不与立方体强度成正比。

(2)与光圆钢筋相比，变形钢筋具有较高的粘结强度。

(3)混凝土构件截面上有多根钢筋并列在一排时，钢筋间的净距对粘结强度有重要影响。一排钢筋的根数越多，净间距越小，粘结强度降低的就越多。

影响钢筋与混凝土粘结强度的因素很多，主要影响因素有混凝土强度、保护层厚度及钢

(4)横向钢筋(如梁中的箍筋)可以混凝土内部裂缝的发展，提高粘结强度。同时，配置箍筋对保护后期粘结强度，改善钢筋延性也有明显作用。 (5)在直接支承的支座处粘结强度可以提高。 (6)粘结强度与浇筑混凝土时钢筋所处位置有关。

另外，钢筋表面形状对粘结强度也有影响，变形钢筋的粘结强度大于光圆钢筋。 钢筋的粘结强度通常采用直接拔出试验来测定反映弯矩的作用，也用梁式试件进行弯曲拔出试验。由直接拔出试验，钢筋和混凝土之间的平均粘

结应力，可表示为 式中N为钢筋的拉

。

力；d为钢筋的直径；l为粘结长度。由拔出试验，粘接应力和相对滑移的关系，随着混凝土强度的提高，粘接锚固性

能有较大的改善，粘接刚度增加，相对滑移减少。

2.3.5 钢筋的锚固与搭接

1. 保证粘结的构造措施

保证粘结的构造措施有如下几个方面。

(1)对不同等级的混凝土和钢筋，要保证最小搭接长度和锚固长度。

(2)为了保证混凝土与钢筋之间有足够的粘结，必须满足钢筋最小间距和混凝土保护层最小厚度的要求。

(3)在钢筋的搭接接头范围内应加密箍筋。 (4)为厂保证足够的粘结在钢筋端部应设置弯钩。

此外，在浇注大深度混凝土时，为防止在钢筋底面出现沉淀收缩和泌水．形成疏松空隙层，削弱粘结，对高度较大的混凝土构件应分层浇注或二次浇捣。

钢筋表面粗糙程度影响摩擦阻力．从而影响粘结强度。一般除重锈钢筋外，可不必除锈。 2. 基本锚固长度

《混凝土设计规范》规定纵向受拉钢筋的锚固长度作为钢筋的基本锚固长度 la 。

式中 la— 受拉钢筋的锚固长度；

fy — 钢筋抗拉强度设计值；

ft — 混凝土轴心抗拉强度设计值；当混凝土强度等级高于 C40 时，按 C40 取值； d — 钢筋的公称直径；

α — 锚固钢筋的外形系数，按下表取用。

钢筋的锚固可采用机械锚固的形式。《混凝土设计规范》规定的锚固长度修正系数(折减系数)为0.7，同时要有相应的配箍直径、间距及数量等构造措施。

3. 钢筋的搭接

钢筋长度不够时，或需要采用施工缝或后浇带等构造措施时，钢筋就需要搭接。搭接是指将两根钢筋的端头在一定长度内并放，并采用适当的连接将一根钢筋的力传给另一根钢筋。力的传递可以通过各种连接接头实现。由于钢筋通过连接接头传力总不如整体钢筋，所以钢筋搭接的原则是：接头应设置在受力较小处，同—根钢筋上应尽量少设接头，机械连接接头能产生较牢固的连接力，所以应优先采用机械连接。对于受压钢筋的搭接接头及焊接骨架的搭接，也应满足相应的构造要求，以保证力的传递。

2.4 本章小结

本章重点

钢筋和混凝士的力学性能，是钢筋混凝土和预应力混凝土结构构件计算的基础。学习本章时应掌握：

1 . 混凝土的强度等级 ， 影响混凝土强度 和 变形的因素 ， 混凝土的各类强度指标 ， 混凝土的变形模量 ；

2 ．混凝土的徐变和收缩 现象及其对结构的影响；

3 ．不同类型钢筋的应力—应变曲线 及其区别， 钢筋的强度 、 变形 、 弹性模量 ， 钢筋的品种和级别 ；

4 ．钢筋的冷加工方法及冷拉、冷拔钢筋的性能； 5 ．钢筋混凝土结构对钢筋性能要求 ， 钢筋的选用原则 ； 6 . 保证钢筋和混凝土粘结力的构造措施 。 内容提要

1 、 混凝土立方体抗压强度 指标作为评定混凝土强度等级的一种标准，我国规定采用 150mm 边长的立方体作为标准试块。 混凝土轴心抗压强度 是结构混凝土最基本的强度指标， 混凝土轴心抗拉强度 及局部抗压强度等，都和轴心杭压

强度有一定的关。对于不同的结构构件，应选择不同强度等级的混凝土。 2 、 混凝土的徐变和收缩 对钢筋混凝土和预应力混凝土结构构件性能有重要影响。虽然影响徐变和收缩的因素基本相同，但它们之间具有本质的区别，混 凝土在重复荷载作用下的变形性能 与一次短期荷载作用下的变形不同。

3 、 有明显屈服点的钢筋 （软钢）和 无明显屈服点的钢筋 （硬钢）的应力一应变曲线不同。屈服强度是软钢强度设计值的依据。对于硬钢，则取条件屈服强度 f0.2作为强度设计值的依据。

4 、为了节约钢材，常用 冷拉 或 冷拔 来提高热轧钢筋的强度。冷拉只能提高钢筋的抗拉强度，冷拔可以同时提高抗拉强度和抗压强度。

5 、 HPB235 、 HRB335 、 HRB400 级钢筋通常用于钢筋混凝土结构，纵向受力钢筋以优先采用 HRB400 级钢筋；高强钢丝、钢铰线、热处理钢筋等，用作预应力钢筋。用于 混凝土结构中的钢筋 应满足强度、塑性、可焊性、与混凝土有可靠粘结等多方面 要求 。

6 、 钢筋和混凝土之间的粘结力 是二者能共同工作的主要原因，应当采取各种必要的措施加以保证。