混凝土结构材料物理力学性能.ppt

南京理工大学泰州科技学院土木工程学院,袁 继 峰,混凝土结构设计原理 concrete structure,2,第二章 混凝土结构材料 物理力学性能,主要内容：,混凝土的物理力学性能 钢筋的物理力学性能 钢筋与混凝土的粘结 钢筋的锚固和连接,重点：,混凝土的强度和变形性能 钢筋的级别、强度和变形性能 粘结破坏机理,3,2.1 混凝土的物理力学性能,一、混凝土的组成结构,普通混凝土是由水泥、石、砂、水按一定的配合比拌制，经过凝固硬化后做成的人工石材，是多相复合材料。,微观结构：即水泥石结构，包括水泥凝胶、晶体骨架、未水化完的水泥颗粒和凝胶孔,亚微观结构：即水泥砂浆结构,宏观结构：即砂浆和粗骨料两组分体系,骨料的分布及骨料与基相之间在界面的结合强度是影响混凝土强度的重要因素。在荷载的作用下，微裂缝的扩展对混凝土的力学性能有着极为重要的影响。,4,二、混凝土的强度,立方体试件的抗压强度比较稳定，我国把立方体抗压强度作为评定混凝土强度等级的标准。,1、混凝土立方体抗压强度fcu,k,混凝土结构中，主要是利用它的抗压强度。因此抗压强度是混凝土力学性能中最主要和最基本的指标。,混凝土强度等级：边长150mm立方体标准试件，在标准条件下（203，90%湿度）养护28天，用标准试验方法测得的具有95%保证率的立方体抗压强度，用符号c表示，c30表示fcu,k=30n/mm2,5,1、混凝土立方体抗压强度fcu,k,二、混凝土的强度,压力试件裂缝发展扩张整个体系解体，丧失承载力,另影响强度的因素还有：龄期、加载速率、试块尺寸等,我国规范采取的方法：不涂润滑剂,6,1、混凝土立方体抗压强度fcu,k,二、混凝土的强度,标准试块：150150 150,非标准试块：100100 100 换算系数 1.05 200200 200 换算系数 0.95,混凝土结构设计规范(gb50010-2010)规定的强度等级有：,c15，c20，c25，c30，c35，c40，c45，c50，c55，c60，c65，c70，c75，c80，共14该个等级,表示混凝土concrete,立方体抗压强度,7,钢筋混凝土结构的混凝土强度等级不应低于c20； 当采用强度等级400mpa及以上的钢筋时混凝土强度等级不应低于c25； 承受重复荷载的钢筋混凝土构件，混凝土强度等级不应低于c30 ； 预应力混凝土结构的混凝土强度等级不宜低于c40，且不应低于c30。,混凝土结构设计规范规定：,8,对于同一混凝土，棱柱体抗压强度小于立方体抗压强度。棱柱体抗压强度标准值和立方体抗压强度标准值的换算关系为,二、混凝土的强度,2、混凝土轴心抗压强度,轴心抗压强度采用棱柱体试件测定，用符号fck表示，它比较接近实际构件中混凝土的受压情况。,标准试块：150150 300,9,二、混凝土的强度,fck fcu,k ?,不涂润滑剂,10,二、混凝土的强度,3、混凝土轴心抗拉强度,直接受拉试验,劈裂试验,由于轴心受拉试验对中困难，常常采用立方体或圆柱体劈拉试验测定混凝土的抗拉强度,11,混凝土强度标准值（n/mm2）,12,双向受拉，接近单轴抗拉强度； 一拉一压，加速了混凝土内部 微裂缝的发展 ，抗拉、抗压强 度均降低。 双向受压，混凝土的侧向变形 受到约束，强度提高 ；,实际结构中，混凝土很少处于单向受力状态。更多的是处于双向或三向受力状态。如剪力和扭矩作用下的构件、弯剪扭和压弯剪扭构件等。,二、混凝土的强度,4、复杂受力状态下混凝土的强度,13,当混凝土三向受压时，混凝土一向的抗压强度随另两向压应力的增加而增大，并且混凝土的极限压应变也大大增加。因为侧向压力约束了混凝土的横向变形，抑制了混凝土内部裂缝的出现和开展，使得混凝土的强度和延性均有明显提高,在工程中常采用密排箍筋柱、螺旋箍筋柱和钢管混凝土柱,其核芯区形成“约束混凝土”，可使构件承载力和延性得到明显提高。,14,剪压或剪拉复合应力状态,随着拉应力的增大 ，混凝土的抗剪强度降低。 随着压应力的增大 ，混凝土的抗剪强度逐渐增大；当压应力超过某一数值后，抗剪强度随压应力增大而减小。,15,二、混凝土的强度,5、混凝土的疲劳强度,重复荷载下的应力-应变曲线,fcf的确定原则：100100 300或150150 450 的棱柱体试块承受200万次（或以上）循环荷载时发生破坏的最大压应力值,混凝土的疲劳强度与疲劳应力比pcf有关，疲劳应力比pcf越大，疲劳强度越高。,16,三、混凝土的变形,混凝土的变形可分为两类：,（1）荷载作用下的受力变形，如单调短期加载的变形、荷载长期作用下的变形以及多次重复加载的变形。,（2）与受力无关，称为体积变形，如混凝土收缩以及温度变化引起的变形。,17,三、混凝土的变形,1、单轴受压时的应力-应变关系,18,三、混凝土的变形,0,cu,oa段弹性变形，a点混凝土的弹性极限,ab段应变增长较应力快，内部微裂缝有所发展但稳定，b点临界应力点,bc段应变增长速度进一步加快，内部微裂缝不稳定，c点轴心抗压强度,cd段位应力-应变下降段。c点后承载能力随应变增长逐渐减小(应变软化)。,19,三、混凝土的变形,1、单轴受压时的应力-应变关系,美国hognestad模型,德国rsch模型,20,三、混凝土的变形,1、单轴受压时的应力-应变关系,我国规范采用的模型,21,三、混凝土的变形,2、侧向受约束时混凝土的变形特点,22,三、混凝土的变形,3、轴向受拉时应力-应变关系,我国规范采用的模型,23,三、混凝土的变形,4、混凝土的模量,原点切线模量（弹性模量）： 拉压相同,变形模量（割线模量、 弹塑性模量）,切线模量,受压时,为0.41.0 受拉破坏时,为1.0,24,混凝土弹性模量与立方体抗压强度之间的关系：,三、混凝土的变形,4、混凝土的模量,25,三、混凝土的变形,5、长期荷载作用下混凝土的变形性能-徐变,在荷载长期作用下,混凝土的变形随时间而徐徐增长的现象。,徐变的特点:开始增长较快，以后逐渐减慢，最后趋于稳定。主要与时间参数有关。,混凝土徐变的主要原因是在荷载长期作用下，混凝土凝胶体中的水分逐渐压出，水泥石逐渐粘性流动，微细空隙逐渐闭合，细晶体内部逐渐滑动，微细裂缝逐渐发生等各种因素的综合结果。,26,三、混凝土的变形,5、长期荷载作用下混凝土的变形性能-徐变,c0.8fc，造成混凝土破坏，不稳定, c=0.8fc作为混凝土长期抗压强度,27,三、混凝土的变形,5、长期荷载作用下混凝土的变形性能-徐变,影响混凝土徐变的因素主要有以下几方面： 内在因素：骨料越坚硬，徐变越小；水灰比越大，水泥用量越多，徐变越大。 环境因素：受荷前养护的温度越高，湿度越大，水泥水化作用就越充分，徐变就越小；加荷期间温度越高，湿度越低，徐变就越大。 应力条件：初始加荷应力越大，徐变越大；加载时混凝土的龄期越短，徐变越大。在实际工程中，应加强养护使混凝土尽早结硬可减小徐变。,28,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。 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。,三、混凝土的变形,5、长期荷载作用下混凝土的变形性能-徐变,混凝土徐变对结构的影响：,29,三、混凝土的变形,5、长期荷载作用下混凝土的变形性能-徐变,混凝土徐变对结构的影响：,p拆去，钢筋受压混凝土受拉，可能会引起混凝土开裂,徐变： s， c,30,重复荷载下的应力-应变曲线,当重复作用应力值小于混凝土疲劳强度，其加荷、卸荷的应力应变曲线形成了一个环状。在多次加荷、卸荷作用下，应力应变环越来越闭合，最后闭合成一条直线。,当重复作用应力值大于混凝土疲劳强度，则其加卸载不能再形成闭合环。至荷载重复到某一定次数时，构件会因严重开裂或变形过大而破坏。,三、混凝土的变形,6、重复荷载作用下混凝土的变形,31,三、混凝土的变形,7、混凝土的收缩和膨胀,混凝土在空气中硬化时体积会缩小，这种现象称为混凝土的收缩；而在水中硬化时体积则会膨胀。,引起混凝土收缩的原因，在硬化初期主要是水泥石在水化凝固结硬过程中产生的体积变化，后期主要是混凝土内自由水分蒸发而引起的干缩。,收缩和膨胀是混凝土在不受外力情况下体积变化产生的变形。,32,三、混凝土的变形,7、混凝土的收缩和膨胀,收缩的性质,自由收缩,约束收缩,来自内部的钢筋约束,来自支座的外部约束,自由收缩一般不会引起拉应力，故不会开裂,约束收缩产生收缩应力甚至开裂,33,三、混凝土的变形,7、混凝土的收缩和膨胀,影响混凝土收缩的因素主要有以下几方面：,混凝土的收缩受结构周围的温度、湿度、构件断面形状及尺寸、配合比、骨料性质、水泥性质、混凝土浇筑质量及养护条件等许多因素有关。,水泥用量多、水灰比越大，收缩越大； 骨料弹性模量高、级配好，收缩就小； 干燥失水及高温环境，收缩大； 小尺寸构件收缩大，大尺寸构件收缩小； 高强混凝土收缩大；,34,三、混凝土的变形,7、混凝土的收缩和膨胀,混凝土收缩对结构的影响：,会使混凝土中产生拉应力，甚至引起混凝土的开裂。 会使预应力混凝土构件产生预应力损失。 对跨度比较敏感的超静定结构(如拱结构)会引起不利的内力.,收缩： 钢筋受压， 混凝土受拉,35,三、混凝土的变形,7、混凝土的收缩和膨胀,墙板干燥收缩裂缝与边框架的变形,混凝土收缩对结构的影响：,36,2.2 钢筋的物理力学性能,一、钢筋的种类及符号说明,按化学成分,碳素钢（铁、碳、硅、锰、硫、磷等元素）,低碳钢（含碳量0.25%）,中碳钢（含碳量0.250.6%）,高碳钢（含碳量0.61.4%）,普通低合金钢（另加硅、锰、钛、钒、铬等）,锰系（20mnsi、25mnsi） 硅钒系（ 40si2mnv、 45simnv ） 硅钛系（ 45si2mnti ） 硅锰系（ 40si2mn、 45si2mn ） 硅铬系（ 45si2cr ）,37,一、钢筋的种类及符号说明,钢筋,热轧钢筋：热轧光面钢筋hpb300，热轧带肋钢筋hrb335、hrb400，余热处理钢筋rrb400,冷拉钢筋：由热轧钢筋在常温下用机械拉伸而成,热处理钢筋：将hrb400、rrb400钢筋通过加热、淬火、回火而成,按加工,钢丝,碳素钢丝：高碳镇静钢通过多次冷拔、应力消除、矫正、回火处理而成,刻痕钢丝：在钢丝表面刻痕增强其与混凝土间的粘结力,钢绞线：六根相同直径的钢丝成螺旋状铰绕在一起,冷拔低碳钢丝：由低碳钢冷拔而成,38,一、钢筋的种类及符号说明,按表面形状,光圆钢筋,变形钢筋,钢筋的应用范围,非预应力钢筋：hpb300，hrb335，hrb400，rrb400,预应力钢筋：碳素钢丝，刻痕钢丝，钢绞线，热处理钢筋，冷拉钢筋,39,一、钢筋的种类及符号说明,热轧钢筋,40,一、钢筋的种类及符号说明,预应力钢筋,41,一、钢筋的种类及符号说明,热轧钢筋的符号说明,hpb300,生产工艺： hot rolled,表面形状：plain,钢筋：bar,屈服强度标准值,42,一、钢筋的种类及符号说明,hrb400,hot rolled,ribbed-steel,bar,rrb400,余热处理 remained heat treatment,热轧钢筋的符号说明,hrbf400,细晶粒 fine,43,热轧钢筋的屈服强度,一、钢筋的种类及符号说明,44,二、钢筋的应力-应变关系,有明显屈服点的钢筋 热轧低碳钢、普通热轧低合金钢,a 为比例极限proportional limit s =ese,a 为弹性极限elastic limit,d-e 强化段strain hardening stage,b 为屈服上限upper yield strength,c 为屈服下限，即屈服强度 fy lower yield strength,c-d 为屈服台阶yield plateau,e 为极限抗拉强度 fu ultimate tensile strength,45,二、钢筋的应力-应变关系,极限强度：材料能承受的最大应力反映安全储备 屈强比：屈服强度/极限强度=0.60.7,钢材的强度指标,屈服强度：设计时钢材允许达到的最大应力 有明显流幅的钢材：取屈服点的应力； 无有明显流幅的钢材：取条件屈服强度（残余应变为0.2%对应的应力）,46,二、钢筋的应力-应变关系,钢材的塑性指标,伸长率elongation rate：钢筋拉断时的应变，是反映钢筋塑性性能的指标。伸长率大的钢筋，在拉断前有足够预兆，延性较好 截面收缩率：拉断后面积缩小率 冷弯性能：是将直径为d的钢筋绕直径为d的弯芯弯曲到规定的角度后无裂纹及起层现象，表示合格。弯芯的直径d越小，弯转角越大，塑性越好。,47,二、钢筋的应力-应变关系,钢筋应力-应变曲线的数学模型,（1）理想弹塑性模型,（2）三段线性模型,48,三、钢筋的冷加工和热处理,冷加工的方法：冷拉、冷拔、冷轧。,冷加工的目的：改变钢材内部结构，提高钢材强度，节约钢筋。,热处理:对特定钢号的钢筋进行淬火和回火处理。,强度提高，塑性降低,不降低强度的前提下,消除由淬火产生的内力,改善塑性和韧性,49,三、钢筋的冷加工和热处理,o,冷拉控制应力,(n/mm2),冷拉率,o,a,b,k,k,d,d,冷拉无时效,冷拉经时效,冷拉,在常温下用机械方法将有明显流幅的钢筋拉到超过屈服强度的某一应力值，然后卸载至零。,冷拉后，未经时效前，没有明显的屈服台阶。,经过经过停放或加热后进一步提高了屈服强度并恢复了屈服台阶，称为冷拉时效硬化,50,三、钢筋的冷加工和热处理,k点的选择可采用控制应力和控制冷拉率两种方法。,冷拉时应力值必须超过钢筋的屈服强度。,温度的影响：温度达700c时恢复到冷拉前的状态，先焊后拉。,特性：只提高抗拉强度，不提高抗压强度，强度提高，塑性下降。,冷拉,51,三、钢筋的冷加工和热处理,冷拔,将6的光园热轧钢筋强行拔过小于其直径的硬质合金拔丝模具。,经过几次冷拔的钢丝，抗拉、抗压强度均大大提高，但塑性降低。,52,三、钢筋的冷加工和热处理,冷轧,在常温下将热轧钢筋表面轧制成不同的形状，其材料内部组织变得更加密实，钢筋的强度及与混凝土的粘结力有所提高，但塑性性能有所下降。 目前常用的冷轧钢筋有冷轧带肋钢筋和冷轧扭钢筋两种。,53,四、钢筋的徐变和松弛,徐变,应力不变，随时间的增长应变继续增加,松弛,长度不变，随时间的增长应力降低,对结构,尤其是预应力结构,产生不利的影响,需采取必要的措施,54,五、钢筋的疲劳,重复荷载作用下，钢筋的强度 静载作用下的强度,规定的应力幅度内，经一定次数的重复荷载后，发生疲劳破坏的最大应力值称为疲劳强度。,我国规范要求满足循环次数为200万次，即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最大应力值为钢筋的疲劳强度。,影响钢筋疲劳强度的因素很多，除应力变化幅值外，还有最小应力值大小、钢筋外表面的几何形状、钢筋直径、钢筋等级和使用环境以及加载的频率等。,55,六、混凝土结构对钢筋性能的要求,强度要求：屈服强度和极限强度，抗震设计时还要求有一定的屈强比； 足够的塑性：避免发生脆性破坏； 可焊性：要求钢筋具备良好的焊接性能； 耐久性和耐火性：必要的混凝土保护层厚度以满足对构件耐火极限的要求； 与混凝土具有良好的粘结； 寒冷地区，防止钢筋低温冷脆导致破坏。,56,2.3 混凝土与钢筋的粘结,钢筋和混凝土这两种材料能够结合在一起共同工作，除了两者具有相近的线膨胀系数外，更主要的是由于混凝土硬化后，钢筋和混凝土之间产生良好的粘结力。为了保证钢筋不被从混凝土中拔出或压出，与混凝土更好地共同工作，还要求钢筋有良好的锚固。粘结和锚固是钢筋和混凝土形成整体、共同工作的基础。,粘结应力通常是指钢筋与混凝土界面间的剪应力。,57,粘结强度：粘结失效时的最大（平均）粘结应力。,粘结强度的测试,58,钢筋与混凝土的粘结作用由三部分组成： 混凝土中水泥胶体与钢筋表面的胶结力； 混凝土因收缩将钢筋握紧而产生的摩擦力； 机械咬合力。,当钢筋与混凝土产生相对滑动后，胶结作用即丧失。 摩擦力的大小取决于握裹力和钢筋与混凝土表面的摩擦系数。,一、粘结的机理,59,光圆钢筋的粘结破坏：,二、粘结破坏机理,光面钢筋的粘结能力来源于胶结和摩擦。由中心拉拔试验可知，在加荷初期，胶结力承担了全部拉拔力，随着拉力增大，首先在加载端出现滑移线，此时粘结力主要靠钢筋和混凝土之间的摩擦力提供。,60,变形钢筋的粘结破坏：,二、粘结破坏机理,变形钢筋的粘结能力主要来源于摩擦力和机械咬合力。钢筋开始滑移后，粘结力主要由钢筋凸肋对混凝土的斜向挤压力和界面上的摩擦力组成。 若钢筋外围混凝土很薄且没有环向箍筋约束，形成纵向劈裂裂缝，沿钢筋纵向产生劈裂破坏。 影响变形钢筋粘结力的主要因素有混凝土强度、锚固长度、保护层相对厚度、锚筋外形特征、混凝土浇注状况以及锚筋受力情况等。,61,三、影响粘结强度的主要因素,混凝土强度：粘结强度均随混凝土强度的提高而增加,保护层厚度和钢筋净间距：相对保护层厚度c/d 越大,粘结强度越高。钢筋净距s与钢筋直径d的比值越大,粘结强度也越高,横向钢筋：横向钢筋的存在限制了径向裂缝的发展，使粘结强度得到提高。,钢筋表面和外形特征：变形钢筋较光园具有较高的粘结强度,受力情况：支座处的横向压力可提高粘结强度,浇筑时钢筋所处的位置,62,四、保证粘结的构造措施,对不同等级的混凝土和钢筋，保证最小搭接长度和锚固长度,必须满足钢筋最小间距和混凝土保护层最小厚度的要求,在钢筋搭接接头范围内应加密箍