第二章混凝土结构材料的物理力学性能2.1 我国用于钢筋混凝土结构和预应力混凝土结构中的钢筋或钢丝有哪些种类？有明显屈服点钢筋和没有明显屈服点钢筋的应力—应变关系有什么不同？为什么将屈服强度作为强度设计指标？提示：我国混凝土结构用钢筋可分为热轧钢筋、冷加工钢筋、热处理钢筋及高强钢丝和钢绞线等。

有明显屈服点钢筋的应力—应变曲线有明显的屈服台阶，延伸率大，塑性好，破坏前有明显预兆；没有明显屈服点钢筋的应力—应变曲线无屈服台阶，延伸率小，塑性差，破坏前无明显预兆。

2.2 钢筋的力学性能指标有哪些？混凝土结构对钢筋性能有哪些基本要求？提示：钢筋的力学性能指标有强度和变形。

对有明显屈服点钢筋，以屈服强度作为钢筋设计强度的取值依据。

对无屈服点钢筋，通常取其条件屈服强度作为设计强度的依据。

钢筋除了要有足够的强度外，还应具有一定的塑性变形能力，反映钢筋塑性性能的一个指标是伸长率。

钢筋的冷弯性能是检验钢筋韧性、内部质量和加工可适性的有效方法。

混凝土结构对钢筋性能的要求：①强度高：强度越高，用量越少；用高强钢筋作预应力钢筋，预应力效果比低强钢筋好。

②塑性好：钢筋塑性性能好，破坏前构件就有明显的预兆。

③可焊性好：要求在一定的工艺条件下，钢筋焊接后不产生裂纹及过大的变形，保证焊接后的接头性能良好。

④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。

2.3 混凝土的立方体抗压强度是如何确定的？与试件尺寸、试验方法和养护条件有什么关系？提示：我国规范采用立方体抗压强度作为评定混凝土强度等级的标准，规定按标准方法制作、养护的边长为150mm的立方体试件，在28d或规定期龄用标准试验方法测得的具有95%保证率的抗压强度值（以N/mm2计）作为混凝土的强度等级。

试件尺寸：考虑尺寸效应影响，试件截面尺寸越小，承压面对其约束越强，测得的承载力越高，因此，采用边长为200mm的立方体试件的换算系数为 1.05，采用边长为100mm的立方体试件的换算系数为0.95。

试验方法：在一般情况下，试件受压时上下表面与试验机承压板之间将产生阻止试件向外横向变形的摩擦阻力，在“套箍作用”影响下测得的试件抗压强度有所提高。

如果在试件的上下表面涂润滑剂，可以减小“套箍作用的影响”。

我国规定的标准试验方法是不涂润滑剂的。

养护条件：混凝土立方体抗压强度在潮湿环境中增长较快，而在干燥环境中增长较慢，甚至还有所下降。

我国规范规定的标准养护条件为温度（20±3）℃、相对湿度在90%以上的潮湿空气环境。

2.4 我国规范是如何确定混凝土的强度等级的？提示：《混凝土结构设计规范》（GB50010—2010）规定的混凝土等级有14级，分别为C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75和C80。

符号“C”代表混凝土，后面的数字表示混凝土的立方体抗压强度的标准值（以N/mm2计）。

如C60表示混凝土立方体抗压强度标准值为60N/mm2。

2.5 混凝土在复合应力状态下的强度有哪些特点？提示：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；第三象限：双向受压，最大强度发生在两个应力比为0.4~0.7时，比单向抗压强度提高约30％，而在两向压应力相等的情况下强度增加为15%~20%。

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由于剪应力的存在，砼的抗拉强度、抗压强度均低于相应的单轴强度。

3、三向受压混凝土三向受压时，一项抗压强度随另两向压应力的增加而增大，并且混凝土受压的极限变形也大大增加。

三向受压试验一般采用圆柱体在等侧压（侧向压应力为）条件进行。

2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：2''κσ+=c cc f f式中：'cc f —— 在等侧向压应力2σ作用下圆柱体抗压强度；'c f —— 无侧向压应力时混凝土圆柱体抗压强度；κ—— 侧向压应力系数，根据试验结果取κ=4.5~7.0，平均值为5.6，当侧向压应力较低时得到的系数值较高。

2.6 混凝土在一次短期加荷时的应力—应变关系有什么特点？提示：典型混凝土棱柱体在一次短期加荷下的应力—应变全曲线可以分为上升段和下降段两部分。

上升段（0C ）：可以分为三个阶段。

第一阶段0A 为准弹性阶段，从开始加载到A 点，应力—应变关系接近于直线，A 点称为比例极限；第二阶段AB 随荷载的增大压应力逐渐提高，混凝土表现出明显的非弹性性质，应力—应变曲线逐渐弯曲，B 为临界点，B 点应力可以作为混凝土长期受压强度的依据；第三阶段BC 为裂缝不稳定扩展阶段，随着荷载的进一步增加，曲线明显弯曲，直至峰值C 点，峰值C 点的应力即为混凝土的轴心抗压强度c f ，相应的应变称为峰值应变0ε。

下降段（CF ）:下降段曲线开始为凸曲线，随后变为凹曲线，D 点为拐点；超过D 点后曲线下降加快，至E 点曲率最大，E 点称为收敛点；超过E 点后，试件的贯通主裂缝已经很宽，已失去结构意义。

2.7 混凝土的变形模量有几种表示方法？混凝土的弹性模量是如何确定的？提示：与弹性材料不同，混凝土的应力—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不是常数，而是随着混凝土的应力变化而变化，混凝土的变形模量有三种表示方法：①混凝土的弹性模量（原点模量）c E ：在混凝土应力—应变曲线的原点作切线，该切线的斜率即为原点模量，称为弹性模量，用c E 表示：0tan αεσ==cec c E ②混凝土的切线模量"c E ：在混凝土应力—应变曲线上某一应力值为c σ处作切线，该切线的斜率即为相应于应力c σ时混凝土的切线模量，用"c E 表示：αtan "=c E③混凝土的变形模量（割线模量）'c E ：连接原点O 至曲线上应力为c σ处作的割线，割线的斜率称为混凝土在c σ处得割线模量或变形模量，用'c E 表示：1'tan αεσ==cc c E2.8 什么是混凝土的疲劳破坏？疲劳破坏时应力—应变曲线有何特点？提示：混凝土在荷载重复作用下引起的破坏称为疲劳破坏。

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。

一次加载应力小于破坏强度时，加载卸载应力—应变曲线为一环状，在多次加载、卸载作用下，应力应变环变的密合，经过多次重复曲线密合成一条直线。

如果加载应力大于破坏强度，曲线凸向应力轴，在重复荷载过程中建城直线，再重复多次加卸载，曲线逐渐凸向应变轴，无应力环形成。

随着重复荷载次数的增加，曲线倾角不断减小，最终试件破坏。

2.9 什么是混凝土的徐变？影响混凝土徐变的因素有哪些？徐变对普通混凝土结构和预应力混凝土结构有何影响？提示：混凝土在荷载的长期作用下随时间而增长的变形称为徐变。

影响混凝土徐变的因素有三类。

a)内在因素是混凝土的组成和配比；b）环境影响包括养护和使用；c)应力条件。

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。

同时，徐变有利于结构构件产生内（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。

2.10 混凝土的收缩变形有哪些特点？对混凝土结构有哪些影响？提示：混凝土在凝结硬化过程中，体积会发生变化，在空气中硬化时体积会收缩，混凝土的收缩是一种随时间增长而增长的变形。

引起混凝土收缩的原因，在硬化初期主要是水泥石凝固结硬过程中产生的体积变形，后期主要是混凝土内自由水分蒸发而引起的干缩。

混凝土的收缩对钢筋混凝土结构有着不利的影响。

在钢筋混凝土结构中，混凝土往往由于钢筋或邻近部位的牵制处于不同程度的约束状态，使混凝土产生收缩拉应力，从而加速裂缝的出现和开展。

在预应力混凝土结果中，混凝土的收缩将导致预应力的损失。

对跨度比较敏感的超静定结构（如拱等），混凝土的收缩还将产生不利于结构的内力。

2.11 钢筋和混凝土之间的粘结力主要由哪几部分组成？影响钢筋与混凝土粘结强度的因素主要有哪些？钢筋的锚固长度是如何确定的？提示：钢筋和混凝土的粘结力主要由三部分组成。

第一部分是钢筋和混凝土接触面上的化学胶结力；第二部分是钢筋与混凝土之间的摩阻力；第三部分是钢筋与混凝土之间的机械咬合力，这是变形钢筋与混凝土粘结的主要来源。

影响钢筋与混凝土粘结强度的因素有很多，主要有钢筋表面形状、混凝土强度、保护层厚度和钢筋净距、钢筋浇筑位置、横向钢筋和侧向压力。

《混凝土结构设计规范》（GB50010—2010）规定，纵向受拉钢筋的锚固长度作为钢筋的基本锚固长度ab l ，它与钢筋强度、混凝土强度、钢筋直径及外形有关，按下式计算： d f f l t yab α= 或 d f f l t py ab α=式中：y f 、py f ——普通钢筋、预应力筋的抗拉强度设计值；t f ——混凝土轴心抗拉强度设计值，当混凝土的强度等级高于C60时，按C60取值；d ——锚固钢筋的直径；α——锚固钢筋的外形系数。

一般情况下，受拉钢筋的锚固长度可取基本锚固长度。

考虑各种影响钢筋与混凝土粘结锚固强度的因素，当采取不同的埋置方式和构造措施时，锚固长度应按下列公式计算：ab a l l ζ=式中 a l ——受拉钢筋的锚固长度；a ζ——锚固长度修正系数。

经修正的锚固长度不应小于基本锚固长度的0.6倍且不小于200mm 。

2.12 传统的钢筋伸长率（δ5、δ10或δ100）在实际工程应用中存在哪些问题？试说明钢筋总伸长率（均匀伸长率）δgt 的意义和测量方法。

参见图2.5，某直径14mm 的HRB500级钢筋拉伸试验的结果如表2.3所示，若钢筋极限抗拉强度σb=661N/mm 2、弹性模量E s =2×105N/mm 2，试分别求出δ5、δ10、δ100和δgt 的值。

表2.3 HRB500级钢筋拉伸试验结果（单位：mm ）提示：断后伸长率只能反映钢筋残余应变的大小，其中还包含断口颈缩区域的局部变形。

这一方面使得不同量测标距长度0l 得到的结果不一致，对同一钢筋，当0l 取值较小时得到的δ值较大，而当0l 取值较大时得到的δ值则较小；另一方面断后伸长率忽略了钢筋的弹性变形，不能反映钢筋受力时的总体变形能力。

此外，量测钢筋拉断后的标距长度l 时，需将拉断的两段钢筋对合后再测量，容易产生人为误差。

钢筋最大力下的总伸长率gt δ既能反映钢筋的残余变形，又能反映钢筋的弹性变形，测量结果受原始标距0L 的影响较小，也不易产生人为误差。