混凝土强度的优化方案

混凝土强度（Strength of Concrete）包括以下几部分：

在实际工程中，混凝土构件和结构一般均处于复合应力状态，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。

2.1.2.1　单轴向应力状态下的混凝土强度^[1]

1.混凝土的抗压强度

（1）混凝土的立方体抗压强度 （Cubic Compressive Strength of Concrete）和强度等级。混凝土的强度与水泥强度等级、水灰比、骨料性质、混凝土级配、混凝土成型方法、混凝土硬化时环境条件以及混凝土龄期等诸多因素有关。同时试件的大小和形状、试验方法和加载速率也影响混凝土强度的试验结果，因此世界各国对各种单向受力下的混凝土强度都规定了统一的标准试验方法。

我国国家标准《普通混凝土力学性能试验方法标准》 （GB/T50081—2002）规定：①按照标准方法制作^[2]；②边长为150mm 的立方体试件；③养护28d；④用标准试验方法^[3]测得的；⑤具有95%保证率的抗压强度作为混凝土的立方体抗压强度，单位为N/mm2。

由于立方体试件试验最简单，强度最稳定，我国把混凝土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。《混凝土结构设计规范》 （GB50010—2002）规定混凝土强度等级按立方体抗压强度标准值确定，用符号fcu，k表示。如测得混凝土立方体抗压强度标准值为30N/mm2，则混凝土强度等级定为C30。且立方体抗压强度与混凝土的其他力学性能指标有一定的关系。

混凝土立方体抗压强度与养护环境有关，温度愈高，混凝土早期强度愈高；与试件尺寸有关，尺寸愈小，横向约束 （尺寸效应）愈明显，抗压强度愈高；反之亦然。如有分别为边长100mm、150mm和200mm的混凝土立方体抗压强度标准值；f′c为圆柱体标准试件的抗压强度，是美国、日本、国际标准化组织 （ISO）、欧洲混凝土协会 （CEB）和国际预应力学会（FIP）等国家和组织规定采用的直径6in （152mm）、高12in （305mm）标准试件测得的强度；α为CEB—FIPMC—90 规定的系数，详见表2.1。还与试验方法有关，加载速度快，混凝土强度高，试件上下表面涂润滑油，横向约束小，抗压强度小。

表2.1　系数α

《混凝土结构设计规范》 （GB50010—2002）规定：混凝土强度等级有C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75 和C80，共14 级。钢筋混凝土结构的混凝土强度等级应不小于C15；当采用HRB335 级钢筋时，宜不小于C20；当采用HRB400 和RRB400 级钢筋以及承受重复荷载构件时，应不小于C20；预应力混凝土结构，应不小于C30；当预应力钢筋采用钢绞线、钢丝、热处理钢筋时，宜不小于C40。

（2）混凝土的轴心抗压强度 （Axial Compressive Strength of Concrete）——亦称棱柱体抗压强度。混凝土的抗压强度与试件的形状有关，而实际工程中构件为立方体形状的很少，常见的柱一般均为棱柱体，因此采用棱柱体抗压强度能比较真实地反映工程结构中以受压为主的混凝土构件的实际工作状况。

我国国家标准《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T50081—2002）规定：①以150mm×150mm×300mm的棱柱体标准试件测得的；②具有95%保证率的抗压强度称为混凝土轴心抗压强度标准值，用符号fck表示。由于棱柱体试件的高度越大，试验机压板与试件之间摩擦力对试件高度中部的横向变形约束影响越小，所以棱柱体试件的抗压强度都比立方体的强度值小，并且棱柱体试件高宽比越大，强度越小。但是，当高宽比达到一定值后，这种影响就不明显了。根据资料，一般认为试件的高宽比为2～3 时，可以基本消除上述影响。

考虑到实际结构构件由于制作、养护和受力情况的差异性较大，因此实际构件强度与试件强度之间也必然存在着差异，《混凝土结构设计规范》（GB50010—2002）基于安全，取偏低值，轴心抗压强度标准值与立方体抗压强度标准值的关系按式（2.1）确定：

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式中 0.88——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；

α1——棱柱体强度与立方体强度之比，混凝土强度等级不大于C50 时，取0.76，C80 时，取0.82，其间直线插入；

α2——高强度混凝土的脆性折减系数，混凝土强度等级不大于C40 时，取1.00，C80 时，取0.87，其间直线插入。

2.混凝土的轴心抗拉强度

尽管混凝土的轴心抗拉强度（Axial Tensile Strength of Concrete）只有其立方体抗压强度的1/17～1/8，但抗拉强度仍是混凝土的基本力学指标之一，用它可间接地衡量混凝土的冲切强度等其他力学性能。混凝土的轴心抗拉强度可采用如下三种试验方法来测定：①直接受拉试验（轴心抗拉试验）；②劈裂试验；③弯折试验。轴心抗拉试验虽然试验简单，结果直接，但是由于混凝土内部的不均匀性，加之安装试件对中准确性要求较高等原因，所以用轴心抗拉试验测定混凝土抗拉强度很困难。目前国内外常用劈裂试验来间接测试混凝土的轴心抗拉强度。试验表明，试件尺寸愈小，劈裂强度愈高；垫条截面尺寸愈大，试件劈裂强度愈高。并且有如下的一般规律：f弯折tk＞f劈裂tk＞f轴拉tk。

2.1.2.2　复合应力状态下的混凝土强度

实际工程中大多数混凝土结构构件均处于多轴正应力或多轴正应力与剪应力共同作用的复杂受力状态。如梁既受到弯矩的作用，同时又受到剪力的作用；柱受到轴向压力、弯矩和剪力的共同作用；框架结构节点核心区混凝土的受力状态则更为复杂。因此，研究复合应力状态下的混凝土强度，对于认识混凝土的强度理论有着重要的现实意义。

1.双向应力状态下混凝土的强度

图2.1　双向应力状态下混凝土的破坏包络图

（其中σ0是单轴向受力状态下的混凝土强度）

双向应力状态是指在两个平面作用有法向应力σ1和σ2，第三个平面上的应力为零的受力状态。不同混凝土强度的二向破坏包络图如图2.1 所示，一旦超出包络线就意味着材料发生破坏。图中第一象限为双向受拉区，σ1、σ2相互影响不大，不同应力比值下的双向受拉强度均接近于单向受拉强度；第三象限为双向受压区，大体上一向的强度随另一向压力的增加而增加，混凝土双向受压强度比单向受压强度最多可提高27%；第二、四象限为拉压应力状态，此时混凝土的强度均低于单向拉伸或压缩时的强度。

2.三向应力状态下混凝土的强度

混凝土在三向受压的情况下，由于受到侧向压力的约束作用，最大主压应力轴的抗压强度f′cc（σ1）有较大程度的增长，其变化规律随两侧向压应力（σ2、σ3）的比值和大小而不同。常规的三轴受压是在圆柱体周围加液压，在两侧向等压 （σ2＝σ3＝fL＞0）的情况下进行的。试验表明，当侧向液压值不很大时，最大主压应力轴的抗压强度f′cc随侧向应力的增大而提高。

工程上可以通过设置密排螺旋筋或箍筋来约束混凝土，改善混凝土结构的受力性能。在混凝土轴向压力很小时，螺旋筋或箍筋几乎不受力，此时混凝土基本上不受约束，当混凝土应力达到临界应力时，混凝土内部裂缝引起体积膨胀，使螺旋筋或箍筋受拉，反过来，螺旋筋或箍筋约束了混凝土，形成与液压约束相似的条件，从而使混凝土的应力—应变性能得到改善。