混凝土结构设计中的强度计算

2025-09-30 理论教育版权反馈

【摘要】：例如，C25释义为25级混凝土，该级混凝土立方体抗压强度标准值为25MPa。混凝土立方体抗压强度与试验方法有着密切的关系。这项比值随混凝土抗压强度等级的增大而减少，即混凝土抗拉强度的增加慢于抗压强度的增加。当拉应力达到混凝土的抗拉强度时，试件被劈裂破坏成两半。②离心混凝土的强度设计值应按专门标准取用。

混凝土是以水泥、骨料和水为主要原材料，根据需要加入矿物掺合料和外加剂等材料，按一定配合比，经拌和、成型、养护等工艺制作，硬化后具有强度的工程材料。混凝土的种类根据混凝土的强度等级划分。混凝土的强度除与所选水泥等级、混凝土配合比、水灰比大小、骨料质量有关，还与试件制作方法、养护条件、试件尺寸、试验方法等有密切关系。在实际工程中，常用的混凝土强度有立方体抗压强度、轴心抗压强度、轴心抗拉强度等。

(1)混凝土立方体抗压强度

混凝土立方体抗压强度是规定的标准试件和标准试验方法得到的混凝土强度基本代表值。我国取用的标准试件为边长相等的混凝土立方体。这种试件的制作和试验均比较简便，而且离散性较小。

《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2019)规定，以边长为150 mm的立方体为标准试件，温度在(20±2)℃，相对湿度为95%以上的标准养护室中养护，或在温度为(20±2)℃的不流动的氢氧化钙饱和溶液中养护28天，依照标准制作方法和试验方法测得的抗压强度值(以N/mm2为单位)作为混凝土的立方体试件抗压强度，用符号fcc表示。按这样的规定，就可以排除不同制作方法、养护环境等因素对混凝土立方体强度的影响。影响混凝土强度等级的因素主要与水泥等级、水灰比、骨料、龄期、养护温度和湿度有关。依照标准实验方法测得的具有95%保证率的拉压强度作为混凝土强度等级，并冠以“C”。例如，C25释义为25级混凝土，该级混凝土立方体抗压强度标准值为25MPa。用于公路桥梁承重部分的混凝土强度等级有C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75、C80。钢筋混凝土构件中混凝土等级不宜低于C20；预应力混凝土等级不宜低于C40；采用HRB400、KL400级钢筋时，混凝土强度等级不宜低于C25。

混凝土立方体抗压强度与试验方法有着密切的关系。通常情况下，试件的上下表面与试验机承压板之间将产生阻止试件向外自由变形的摩阻力，阻滞了裂缝的发展[图1.4(a)]，从而提高了试块的抗压强度。破坏时，远离承压板的试件中部混凝土所受的约束最少，混凝土也剥落得最多，形成两个对顶叠置的截头方锥体[图1.4(b)]。若在承压板和试件上下表面之间涂以油脂润滑剂，则试验加压时摩阻力将大为减少，所测得的抗压强度较低，其破坏形态为开裂破坏[图1.4(c)]。规定采用的方法是不加油脂润滑剂的试验方法。

混凝土的抗压强度还与试件尺寸有关。试验表明，立方体试件尺寸越小，摩阻力的影响越大，测得的强度也越高。在实际工程中也有采用边长为200 mm和边长为100 mm的混凝土立方体试件，则所测得的立方体强度应分别乘以换算系数1.05和0.95来折算成边长为150 mm的混凝土立方体抗压强度。

pagenumber_ebook=17,pagenumber_book=11

图1.4　立方体抗压强度试件

(2)混凝土轴心抗压强度(棱柱体抗压强度)

通常，钢筋混凝土构件长度比它的截面边长要大得多，因此棱柱体试件(高度大于截面边长的试件)的受力状态更接近于实际构件中混凝土的受力情况。按照与立方体试件相同条件下制作和试验方法所得的棱柱体试件的抗压强度值，称为混凝土轴心抗压强度，用符号fcp表示。

试验表明，棱柱体试件的抗压强度较立方体试块的抗压强度低。棱柱体试件高度h与边长b之比越大，则强度越低。当h/b由1增至2时，混凝土强度降低很快。但是当h/b由2增至4时，其抗压强度变化不大(图1.5)。因为，在此范围内既可消除垫板与试件接触面间摩阻力对抗压强度的影响，又可以避免试件因纵向初弯曲而产生的附加偏心距对抗压强度的影响，故所测得的棱柱体抗压强度较稳定。因此，《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2019)规定，混凝土的轴心抗压强度试验以150 mm×150 mm×300 mm的试件为标准试件。通常来说，棱柱体试件的抗压强度低于同等立方体抗压强度。

pagenumber_ebook=17,pagenumber_book=11

图1.5　 pagenumber_ebook=17,pagenumber_book=11 对抗压强度的影响

(3)混凝土轴心抗拉强度(https://www.chuimin.cn)

混凝土抗拉强度和抗压强度一样，都是混凝土的基本强度指标，用符号ft表示。但是混凝土的抗拉强度比抗压强度低得多，它与同龄期混凝土抗压强度的比值在1/8～1/18。这项比值随混凝土抗压强度等级的增大而减少，即混凝土抗拉强度的增加慢于抗压强度的增加。

混凝土轴心受拉试验的试件可采用在两端预埋钢筋的混凝土棱柱体(图1.6)。试验时，用试验机夹具夹紧试件两端外伸的钢筋施加拉力，破坏时试件在没有钢筋的中部截面被拉断，其平均拉应力即为混凝土的轴心抗拉强度。

pagenumber_ebook=18,pagenumber_book=12

图1.6　混凝土抗拉强度试验试件(单位：mm)

在用前述方法测定混凝土的轴心抗拉强度时，保持试件轴心受拉很重要，也不容易完全做到。由于混凝土内部结构不均匀，钢筋预埋和试件安装都难以对中，而偏心又对混凝土抗拉强度测试有很大的干扰，因此，目前国内外常采用立方体或圆柱体的劈裂试验来测定混凝土的轴心抗拉强度。劈裂试件平放在压力机上，通过垫条施加集中力，破坏时在破裂面上产生与该面垂直且均匀分布的拉应力。当拉应力达到混凝土的抗拉强度时，试件被劈裂破坏成两半。

(4)混凝土抗压(拉)强度标准值与设计值

材料强度的标准值是通过试验取得统计数据后，根据其概率分布，并结合工程经验，取其中的某一分位值(不一定是最大值)确定的。而设计值是在标准值的基础上乘以一个分项系数确定的，《建筑结构可靠性设计统一标准》(GB 50068—2018)中有说明。混凝土的材料分项系数是1.4。

不同强度等级的混凝土强度设计值与标准值如表1.2、表1.3所示。

表1.2　混凝土强度标准值　单位：MPa

pagenumber_ebook=18,pagenumber_book=12