建筑结构与建筑设备辅导--混凝土材料的力学性能

(二)混凝土材料的力学性能

1．混凝土强度标准值

(1)立方体抗压强度fcu，k

混凝土强度等级应按立方体抗压强度标准值确定，立方体抗压强度标准值是混凝土种 力学指标的基代表值。

混凝土的立方体抗压强度是根据边长为150mm的立方体试件，用标准方法制作和养 护(即温度为20±30C、相对湿度≥90％以上)，经28天龄期，用标准试验方法(加荷速度为每秒0．2—0．3N／mm2)进行抗压试验，测得的具有95％保证率的抗压强度极限值。

我国(混凝土规范》GB 50010--2002规定，将混凝土的强度等级分为14级：C15、C20、C25、C30、C35、C40、CA5、C50、C55、C60、C65、(270、C75、C80。符号中C表示混凝土，C后面的数字表示立方体抗压强度标准值，单位为N／mm2。

混凝土的立方体抗压强度与下列因素有关：

1)试件表面不涂油的强度大于涂油的强度；

2)加荷时试件的龄期越早，强度越低；

3)试件的尺寸越小，强度越高，这种现象称为尺寸效应。

(2)轴心抗压强度标准值儿

轴心抗压强度人亦称为棱柱体抗压强度。设计中通常采用的构件并不是立方体构件，而是长度往往大于边长。根据实验结果，随着长度的增加，抗压强度亦随之降低，但当长宽比大于一定数值后，抗压强度值即趋于定值。试验中取长宽比大于3的正方形棱柱体作为试块。应该注意，在新规范(混凝土规范》(GB 50010---2002)中，将原规范(GBJl0--89)中的弯曲抗压强度fcmk、fcm取消。

(3)抗拉强度标准值ftk

混凝土抗拉强度取棱柱体mm：100x100x500的试件，沿试块轴线两端预埋钢筋(其直径应保证试件受拉破坏时钢筋不被拉断，锚固长度应保证破坏时钢筋不被拔出)，通过对钢筋施加拉力使试件受拉，试件破坏时的平均拉应力即为轴心抗拉强度ft。

式中 fcu,k以混凝土强度等级值(N／mm2)代入，可求得与立方体抗压强度标准值相对应的弹性模量。

混凝土的剪变模量Gc为

Gc＝0．4 Ec (7-32)

(2)混凝土在长期荷载作用于的变形——徐变

在荷载的长期作用下，即使荷载维持不变，混凝土的变形仍会随时间而增长，这种现

象称为徐变。

影响徐变的因素有以下几方面：

1)水灰比大，徐变大；水泥用量多，徐变越大；

2)养护条件好，混凝土工作环境湿度大，徐变越小；

3)水泥和骨料的质量好、级配好，徐变越小；

4)加荷时混凝土的龄期越早，徐变越大；

5)加荷前混凝土的强度越高，徐变越小；

6)构件的尺寸越大，体表比(即构件的体积与表面积之比)越大，徐变越小。

徐变在开始发展很快，以后逐渐减慢，最后趋于稳定。通常在前6个月可完成最终徐变量的70％-80％，在第一年内可完成90％左右，其余部分在后续几年中完成。

(3)混凝土的收缩与膨胀

混凝土在空气中结硬体积会收缩，在水中结硬体积要膨胀。但是，膨胀值要比收缩值小的多，由于膨胀对结构往往是有利的，所以一般不须考虑。

影响收缩的因素有以下几方面：

1)水泥标号越高、用量越多、水灰比越大，收缩越大；

2)骨料的弹性模量大，收缩越小；

3)养护条件好，在硬结过程中和使用过程中周围环境湿度大，收缩越小；

4)混凝土振捣密实，收缩越小；

5)构件的体表比越大，收缩越小。

收缩变形在开始阶段发展较快，2周可完成全部收缩量的25％，1个月约完成50％，3个月后增长缓慢。

4。混凝土材料的选用

钢筋混凝土结构不宜采用强度过低的混凝土，因为当混凝土强度过低时，钢筋与混凝土之间的粘结强度太低，将影响钢筋强度的充分利用。规范规定：

(1)钢筋混凝土结构的混凝土强度等级不应低于C15；

(2)当采用HRB335级钢时，混凝土强度等级不宜低于吻；当采用HRB400和RRB400级钢筋以及对承受重复荷载的构件，混凝土强度等级不得低于C20；

(3)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。

混凝土没有抗压模量、也没有压缩模量这些名词术语，只有抗压强度、弹性模量等指标。混凝土的弹性模量见GB50010-2010《混凝土结构设计规范》表415，其值因等级不同而不同，C15级的为22×103C40级的325×103到C80级的38×103共14个等级。单位为N/mm2。规范的最低等级为C15级，其弹性模量22000Mpa，没有2000Mpa的弹性模量，所以题目问的‘为什么’并不存在！表415之值为各等级混凝土的受压既受拉的弹性模量。

这个是一个外力与内力平衡的公式。M=fcbx（ho-x/2),解释成外力M=混凝土应力和（fcbx）力臂(ho-x/2)

外力是M，弯矩，

内力是由混凝土应力及钢筋拉力组成的合力矩。

混凝土的应力之和，应与钢筋的拉力相等fgAg。从而计算出混凝土应力的面积即x的值，面积就是bx。

内力的求解，是混凝土应力之和对钢筋拉力合力点求矩。混凝土应力是fcbx,到钢筋合力的力臂是ho-x/2

这样公式就建立了，从而可以求出承担力的大小。

一阶弹性分析不考虑结构二阶变形（混凝土新规范624条）对内力产生的影响，根据未变形的结构建立平衡条件，按弹性阶段分析结构内力及位移。所以不考虑弯矩增大系数的都是一阶弹性分析，也就是说规范里面给的柱端弯矩都是一阶弹性分析的计算结果。

根据《混凝土结构设计规范》GB50010-2010的规定，混凝土的弹性模量如下表：

钢筋的弹性模量（单位：×10^5 N/mm^2）：

HPB235级钢筋：210

HRB335、HRB400、RRB400、HRBF335、HRBF400、HRBF500钢筋，预应力螺纹钢筋、中强度预应力钢丝：200

消除预应力钢丝：205

钢铰线：195