混凝土结构材料的物理力学性能2.ppt

3.1 混凝土的物理力学性能 3.1.1 混凝土的组成结构 由水泥、砂、石材用水拌合硬化后形成的人工石材，简写：砼 所以具有弹塑性、收缩徐变等特殊性质。 3.1.2 单轴向应力状态下的砼强度 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。混凝土的强度等级是用抗压强度来划分的 虽然实际工程中的混凝土结构和构件一般处于复合应力状态，但是单轴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。 混凝土试件的大小和形状、试验方法和加载速率都影响混凝土强度的试验果，因此各国对各种单轴向受力下的混凝土强度都规定了统一的标准试验方法。,第三章 钢筋和混凝土的材料性能,1 混凝土的抗压强度 (1) 混凝土的立方体抗压强度fcu,k和强度等级 我国混凝土结构设计规范规定以边长为150mm的立方体为标准试件，标准立方体试件在(203)的温度和相对湿度90%以上的潮湿空气中养护28d，按照标准试验方法测得的抗压强度作为混凝土的立方体抗压强度，单位为“N/mm2”。 用上述标准试验方法测得的具有95%保证率的立方体抗压强度作为混凝土的强度等级。混凝土结构设计规范规定的混凝土强度等级有C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75和C80，共14个等级。例如，C30表示立方体抗压强度标准值为30N/mm2。其中，C50C80属高强度混凝土范畴。,图3-1 混凝土立方体试块的破坏情况 (a)不涂润滑剂；(b) 涂润滑剂,(2) 混凝土的轴心抗压强度 混凝土的抗压强度与试件的形状有关,采用棱柱体比立方体能更好地反映混凝土结构的实际抗压能力。用混凝土棱柱体试件测得的抗压强度称为轴心抗压强度。,图3-2 混凝土棱柱体抗压试验和破坏情况,我国普通混凝土力学性能试验方法标准(GB/T 500812002)规定以150mm150mm300mm的棱柱体作为混凝土轴心抗压强度试验的标准试件。,混凝土结构设计规范规定以上述棱柱体试件试验测得的具有95%保证率的抗压强度为混凝土轴心抗压强度标准值，用符号fck表示，下标c表示受压，k表示标准值。,图3-3 混凝土轴心抗压强度与立方体抗压强度的关系,考虑到实际结构构件制作、养护和受力情况等方面与试件的差别，实际构件强度与试件强度之间将存在差异，混凝土结构设计规范基于安全取偏低值，轴心抗压强度标准值与立方体抗压强度标准值的关系按下式确定：,为棱柱体抗压强度与立方体抗压强度之比，对混凝土强度等级为C50及以下的取0.76，对C80取0.82，两者之间按直线规律变化取值。,为高强度混凝土的脆性折减系数，对C40及以下取1.00，对C80取0.87，中间按直线规律变化取值。,0.88为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。,国外常采用混凝土圆柱体试件来确定混凝土轴心抗压强度。例如美国、日本和欧洲混凝土协会(CEB)都采用直径6英寸(152mm)、高12英寸(305mm)的圆柱体标准试件的抗压强度作为轴心抗压强度的指标，记作fc。 对C60以下的混凝土，圆柱体抗压强度fc和立方体抗压强度标准值fcu,k之间的关系可按下式计算。当fcu,k超过60N/mm2后随着抗压强度的提高，fc与fcu,k的比值（即公式中的系数）也提高。CEB-FIP和MC-90给出：对C60的混凝土，比值为0.833；对C70的混凝土，比值为0.857；对C80的混凝土，比值 为0.875。,2 混凝土的轴心抗拉强度 抗拉强度是混凝土的基本力学指标之一，其标准值用ftk表示，下标t表示受拉，k表示标准值。混凝土的轴心抗拉强度可以采用直接轴心受拉的试验方法来测定。,图3-4 混凝土轴心抗拉强度和立方体抗压强度的关系,F破坏荷载； d圆柱体直径或立方体边长； l圆柱体长度或立方体边长。,图3-5 混凝土劈裂试验示意图 (a)用圆柱体进行劈裂试验；(b)用立方体进行劈裂试验； (c)劈裂面中水平应力分布 1压力机上压板；2弧形垫条及垫层各一条；3试件；4浇模顶面；5浇模底面；6压力机下压板；7试件破裂线,第三章 钢筋和混凝土的材料性能,3.1.3复杂应力下混凝土的受力性能,双轴应力状态,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(p52)。,双向受压强度大于单向受压强度，最大受压强度发生在两个压应力之比为0.3 0.6之间，约(1.251.60 )fc。双轴受压状态下混凝土的应力-应变关系与单轴受压曲线相似，但峰值应变均超过单轴受压时的峰值应变。,第三章 钢筋和混凝土的材料性能,在一轴受压一轴受拉状态下，任意应力比情况下均不超过其相应单轴强度。并且抗压强度或抗拉强度均随另一方向拉应力或压应力的增加而减小。,双轴应力状态,3.1 混凝土的物理力学性能,在双轴受拉状态下，任意应力情况下，抗拉强度均与单轴强度接近。,混凝土在一次短期加载、长期加载和多次重复荷载作用下都会产生变形，这类变形称为受力变形。另外，混凝土的收缩以及温度和湿度变化也会产生变形，这类变形称为体积变形。混凝土的变形是其重要物理力学性能之一。,3.1.4 混凝土的变形,1.一次短期加载下的混凝土变形性能,A点以前，微裂缝没有明显发展，混凝土的变形主要弹性变形，应力-应变关系近似直线。A点应力随混凝土强度的提高而增加，对普通强度混凝土sA约为 (0.30.4)fc ，对高强混凝土sA可达(0.50.7)fc。,A点以后，由于微裂缝处的应力集中，裂缝开始有所延伸发展，产生部分塑性变形，应变增长开始加快，应力-应变曲线逐渐偏离直线。微裂缝的发展导致混凝土的横向变形增加。但该阶段微裂缝的发展是稳定的。,达到B点，内部一些微裂缝相互连通，裂缝发展已不稳定，横向变形突然增大，体积应变开始由压缩转为增加。在此应力的长期作用下，裂缝会持续发展最终导致破坏。取B点的应力作为混凝土的长期抗压强度。普通强度混凝土sB约为0.8fc，高强强度混凝土sB可达0.95fc以上。,达到C点fc，内部微裂缝连通形成破坏面，应变增长速度明显加快，C点的纵向应变值称为峰值应变 e 0，约为0.002。,纵向应变发展达到D点，内部裂缝在试件表面出现第一条可见平行于受力方向的纵向裂缝。,3.1 混凝土的物理力学性能,图3-9 混凝土棱柱体受压应力-应变曲线,图3-10 不同强度的混凝土的应力-应变曲线比较,混凝土应力-应变曲线的形状和特征是混凝土内部结构发生变化的力学标志。,随着混凝土强度的提高，尽管上升段和峰值应变的变化不很显著，但是下降段的形状有较大的差异，混凝土强度越高，下降段的坡度越陡，即应力下降相同幅度时变形越小，延性越差。,3 混凝土单轴向受压应力-应变本构关系曲线,1)美国E.Hognestad建议的模型,图3-11 Hognestad建议的应力-应变曲线,上升段：,下降段：,2)德国Rsch建议的模型,4 混凝土的变形模量,图3-14 混凝土变形模量的表示方法,1)混凝土的弹性模量（即原点模量）,2)混凝土的变形模量,3)混凝土的切线模量,可以看出，混凝土的切线模量是一个变值，它随着混凝土应力的增大而减小。 需要注意的是，混凝土不是弹性材料，所以不能用已知的混凝土应变乘以规范中所给的弹性模量值去求混凝土的应力。只有当混凝土应力很低时，它的弹性模量与变形模量值才近似相等。混凝土的弹性模量可按下式计算：,第三章 钢筋和混凝土的材料性能,3.1.5混凝土的收缩和徐变 1、混凝土的收缩 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。 收缩是混凝土在不受外力情况下体积变化产生的变形。 当这种自发的变形受到外部（支座）或内部（钢筋）的约束时，将使混凝土中产生拉应力，甚至引起混凝土的开裂。混凝土收缩会使预应力混凝土构件产生预应力损失。,图3-15 混凝土的收缩,影响混凝土收缩的因素有： (1)水泥的品种：水泥强度等级越高制成的混凝土收缩越大。 (2)水泥的用量：水泥越多，收缩越大；水灰比越大，收缩也越大。 (3)骨料的性质：骨料的弹性模量大，收缩小。 (4)养护条件：在结硬过程中周围温、湿度越大，收缩越小。 (5)混凝土制作方法：混凝土越密实，收缩越小。 (6)使用环境： 使用环境温度、湿度大时，收缩小。 (7)构件的体积与表面积比值：比值大时，收缩小。,第三章 钢筋和混凝土的材料性能,2、混凝土的徐变 混凝土在荷载的长期作用下，其变形随时间而不断增长的现象称为徐变。 徐变对混凝土结构和构件的工作性能有很大影响。由于混凝土的徐变，会使构件的变形增加，在钢筋混凝土截面中引起应力重分布，在预应力混凝土结构中会造成预应力的损失。 混凝土的徐变特性主要与应力、时间参数有关（P55）。,图3-16 混凝土的徐变(应变与时间的关系曲线),图3-17 压应力与徐变的关系,3.2 钢筋的物理力学性能,3.2.1 钢筋的种类 混凝土结构中采用的钢筋有柔性钢筋和劲性钢筋两种。 1 柔性钢筋,图3-18钢筋的外形 （a)光圆钢筋；(b)螺旋纹钢筋； (c)人字纹钢筋；(d)月牙纹钢筋,线形的普通钢筋统称为柔性钢筋，其外形有光圆和带肋两类。,2 劲性钢筋,劲性钢筋是指配置在混凝土中的各种型钢、钢轨或者用钢板焊成的钢骨架。劲性钢筋本身刚度很大，施工时模板及混凝土的重力可以由劲性钢筋本身来承担，因此能加速并简化支模工作。配置了劲性钢筋的混凝土结构具有较大的承载能力和变形能力，常用于高层建筑的框架梁、柱以及剪力墙和筒体结构中。,3.2.2 国产普通钢筋,混凝土结构设计规范规定，用于钢筋混凝土结构的国产普通钢筋为热轧钢筋。热轧钢筋是低碳钢、普通低合金钢在高温状态下轧制而成的软钢，其应力-应变曲线有明显的屈服点和流幅，断裂时有颈缩现象，伸长率比较大。,1强度等级和牌号(P47) 国产普通钢筋按其屈服强度标准值的高低，分为4个强度等级：300MPa、335MPa、400MPa和500MPa。,2 工程应用,混凝土结构设计规范提出了推广高强度、高性能钢筋HRB400和HRB500的要求。因此，本教材的例题中，对梁、柱的纵向受力钢筋将主要采用这两种钢筋，特别是HRB400。 箍筋宜采用HRB400、HRBF400、HRB335和HPB300。 光圆钢筋HPB300虽然也可用作纵向受力钢筋，因其强度较低，故主要用作箍筋。 当HRB500和HRBF500用作箍筋时，只能用于约束混凝土的间接钢筋，即螺旋箍筋或焊接环筋节。 细晶粒系列HRBF钢筋、HRB500和热处理钢筋RRB400都不能用作承受疲劳作用的钢筋，这时宜采用HRB400钢筋。 工地上常把上述4个强度等级的钢筋俗称为级、级、级和级钢筋，但在施工图和正式文件中，都不应采用此俗称。,第三章 钢筋和混凝土的材料性能,3.2.3 钢筋的强度与变形 有明显屈服点的钢筋,ef为颈缩阶段,3.2 钢筋的物理力学性能,第三章 钢筋和混凝土的材料性能,几个指标： 屈服强度：是钢筋强度的设计依据，因为钢筋屈服后将发生很大的塑性变形，且卸载时这部分变形不可恢复，这会使钢筋混凝土构件产生很大的变形和不可闭合的裂缝。屈服上限与加载速度有关，不太稳定，一般取屈服下限作为屈服强度。 延 伸 率：钢筋拉断后的伸长值与原长的比率，是反映钢筋塑性性能的指标。延伸率大的钢筋，在拉断前有足够预兆，延性较好。,屈 强 比：反映钢筋的强度储备，fy/fu=0.60.7。,3.2 钢筋的物理力学性能,第三章 钢筋和混凝土的材料性能,无明显屈服点的钢筋,a点：比例极限，约为0.65fu a点前：应力-应变关系为线弹性 a点后：应力-应变关系为非线性，有一定塑性变形，且没有明显的屈服点 强度设计指标条件屈服点 残余应变为0.2%所对应的应力 规范取s0.2 =0.85 fu,3.2 钢筋的物理力学性能,第三章 钢筋和混凝土的材料性能,1）强度：要求钢筋有足够的强度和适宜的强屈比(极限强度与屈服强度的比值)。例如，对抗震等级为一、二级的框架结构，其纵向受力钢筋的实际强屈比不应小于1.25。 2）塑性：要求钢筋应有足够的变形能力。 3）可焊性：要求钢筋焊接后不产生裂缝和过大的变形，焊接接头性能良好。 4）机械连接性。 5）施工适用性。 6）钢筋与混凝土的粘结力：要求钢筋与混凝土之间有足够的粘结力，以保证两者共同工作。,3.2.4 混凝土结构对钢筋性能的要求,3.2 钢筋的物理力学性能,3.3 混凝土与钢筋的粘结,3.3.1 粘结的意义,混凝土与钢筋的粘结是指钢筋与周围混凝土之间的相互作用，包括沿钢筋长度的粘结和钢筋端部的锚固两种情况。,图3-24 钢筋和混凝土之间粘结应力示意图 (a)锚固粘结应力；(b)裂缝间的局部粘结应力,3.3.2 粘结力的组成,光圆钢筋与混凝土的粘结作用主要由以下三部分组成： (1)钢筋与混凝土接触面上的胶结力。这种胶结力来自水泥 浆体对钢筋表面氧化层的渗透以及水化过程中水泥晶体的生长和硬化。这种胶结力一般很小，仅在受力阶段的局部无滑移区域起作用，当接触面发生相对滑移时即消失。 (2)混凝土收缩握裹钢筋而产生摩阻力。混凝土凝固时收缩，对钢筋产生垂直于摩擦面的压应力。这种压应力越大，接触面的粗糙程度越大，摩阻力就越大。 (3)钢筋表面凹凸不平与混凝土之间产生的机械咬合力。对于光圆钢筋这种咬合力来自表面的粗糙不平。,带肋钢筋的横肋对混凝土的挤压如同一个楔，会产生很大的机械咬合力。带肋钢筋与混凝土之间的这种机械咬合作用，改变了钢筋与混凝土间相互作用的方式，显著提高了粘结强度。图3-25给出了带肋钢筋对周围混凝土的斜向挤压力从而使得周围混凝土产生内裂缝的示意图。,图3-25 带肋钢筋周围混凝土的内裂缝,光圆钢筋的粘结机理与带肋钢筋的主要差别是，光圆钢筋的粘结力主要来自胶结力和摩阻力，而带肋钢筋的粘结力主要来自机械咬合作用。,3.3.3 粘结应力-滑移关系,图3-26 -s曲线 (a)光圆钢筋的-s曲线；(b)带肋钢筋的-s曲线,3.3.4 钢筋的锚固,1 基本锚固长度lab,混凝土结构设计规范GB 500102010规定的受拉钢筋锚固长度lab为钢筋的基本锚固长度。,图3-27 钢筋的受拉锚固长度计算简图,2 受拉钢筋的锚固,（1）受拉钢筋的锚固长