混凝土结构材料的物理力学性能.ppt

主讲：明承林 副教授/一注结 Tel:13880302789 E-mail: ,混凝土结构基本原理 Basic Principles of Concrete Structure 2 钢筋混凝土材料的性能 Mechanical Properties of Reinforced Concrete Materials,成都大学基建处,第 2 章 钢筋混凝土材料的性能,本章重点,熟悉土木工程用钢筋的品种、级别、性能及其选用原则；,熟悉混凝土在各种受力状态下的强度与变形性能及其选用原则；,了解钢筋与混凝土的共同工作原理。,2.1.1 组成及特点,主要材料：水泥、水、砂、石 特点: 1）以固相为主，包含固体、液体、气体的三相体； 2）水化过程长，性能要很长时间才稳定； 3）水泥石收缩可形成微裂缝； 4）受制作、养护、使用条件影 响大。,第2章 钢筋混凝土的材料性能,2.1 混凝土,通常把混凝土的结构分为三种类型： .微观结构：也即水泥石结构，包括水泥凝胶、晶体骨架、未水化完的水泥颗粒和凝胶孔组成。 .亚微观结构：即混凝土中的水泥砂浆结构。 .宏观结构：即砂浆和粗骨料两组分体系。 注意： 1.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； 2.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。,2.1.2 混凝土强度,1.立方体抗压强度 符号:fcu (1)立方体抗压强度 单位: N/mm2 a.确定方法 规范规定:用边长为150mm的标准立方体试件，钢模成型，经浇注、振捣密实后静置一昼夜，拆模后在标准养护条件下(温度203C，相对湿度不小于90%)养护28d后，檫干表面水，在试验机上沿浇注的垂直方向试压。试压时，试块表面不涂润滑剂，全截面受力,加荷速度约为0.30.5N/mm.s。试块加压至破坏时所测得的极限平均压应力,作为混凝土的立方体抗压强度。,试验录像,第2章 钢筋混凝土的材料性能,2.1 混凝土,混凝土破坏机理,fc fcu ?,不涂润滑剂,第2章 钢筋混凝土的材料性能,2.1 混凝土,第2章 钢筋混凝土的材料性能,2.1 混凝土,由上述混凝土的破坏机理可知，微裂缝的发展导致横向变形的 增大。对横向变形加以约束，就可以限制微裂缝的发展，从而 可提高混凝土的抗压强度。立方体试件受约束范围大，而棱柱 体试件中部未受约束，因此造成了不同受压试件强度的差别和 破坏形态的不同。,混凝土局部受压强度fcl 比轴心抗压强度 fc 大很多，也是因为局部受压面积以 外的混凝土对局部受压区 域内部混凝土微裂缝产生 了较强的约束。,b.影响因素 (a)温度 (b)湿度 (c)龄期 (d)试块尺寸 尺寸效应 立方体尺寸越小，测得的混凝土抗压强度越大。 非标准试块强度换算系数： 200mm200mm200mm:1.05； 100mm100mm100mm:0.95。,(e)试块形状 612圆柱体：1.20 （1=2.54cm） 612棱柱体：1.32 (f)试验方法 -试块上下表面不涂润滑剂时，试块与试验机垫板之间的摩擦对试块有“套箍”作用，延缓了裂缝的发展，从而提高了试件的混凝土的极限抗压强度。 -加荷速度：越快越大。 C30：0.30.5N/mm.s ； C30：0.50.8N/mm.s 。,（2）混凝土强度等级 a.确定依据：立方体强度的标准值fcu,k具有95%的超值保证率 b.符号: C c.分级 共14级:C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、 C55、 C60、C65、C70、C75、C80 (高强混凝土）。 CConcrete,单位：N/mm2或MPa。,2.轴心抗压强度棱柱体抗压强度 符号:fc,c1 和 c2 值,应用:轴心受压构件 轴心受压柱、桁架受压腹杆等。,试验录像,3.轴心抗拉强度 符号：ft ,3.轴心抗拉强度 符号：ft ,注:不同强度等级的混凝土轴心抗压(拉) 强度标准(设计)值，参见附表1 P202。,直接测试法,间接测试法-劈拉试验,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，但由于试验比较困难，目前国内外主要采用圆柱体或立方体的劈裂试验来间接测试混凝土的轴心抗拉强度。,4.复杂应力下的强度,双向受力,图中： ft*，fc*混凝土单轴抗 拉、 抗压强度； f1 ，f2，f3混凝土的多轴强度, f1f2f3,上图说明： 压-压：强度提高； 拉-拉：强度不变； 拉-压：抗拉和抗压强度都低。,剪力存在时：,拉-剪：抗拉、抗剪强度都降低； 压-剪：当 时，抗剪强度随压应力提高而增大； 当 时，内部裂缝增加，抗剪强度随压应力 提高降低。,三向受力：,影响混凝土强度的主要因素 1.原材料的品质 2.水灰比及水泥用量 3.龄期,第2章 钢筋混凝土的材料性能,三轴应力状态有多种组合，实际工程遇到较多的螺旋箍筋柱和钢管混凝土柱中的混凝土为三向受压状态。 三向受压试验一般采用圆柱体在等侧压条件进行。,2.1 混凝土,2.2.3 混凝土的变形,(1)一次短期加载时(Stress- strain Relationship),1.受力变形,第2章 钢筋混凝土的材料性能,2.1 混凝土,混凝土单轴受压应力-应变关系曲线，常采用棱柱体试件来测定。 在普通试验机上采用等应力速度加载，达到轴心抗压强度fc时，试验机中集聚的弹性应变能大于试件所能吸收的应变能，会导致试件产生突然脆性破坏，只能测得应力-应变曲线的上升段。 采用等应变速度加载，或在试件旁附设高弹性元件与试件一同受压，以吸收试验机内集聚的应变能，可以测得应力-应变曲线的下降段。,2.1 混凝土,第2章 钢筋混凝土的材料性能,2.1 混凝土,2.1 混凝土,试验录像,第2章 钢筋混凝土的材料性能,2.1 混凝土,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。,混凝土在结硬过程中，由于水泥石的收缩、骨料下沉以及温度变化等原因，在骨料和水泥石的界面上形成很多微裂缝，成为混凝土中的薄弱部位。混凝土的最终破坏就是由于这些微裂缝的发展造成的。,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。,随应变增长，试件上相继出现多条不连续的纵向裂缝，横向变形急剧发展，承载力明显下降，混凝土骨料与砂浆的粘结不断遭到破，裂缝连通形成斜向破坏面。E点的应变e = (23) e 0，应力s = (0.40.6) fc。,第2章 钢筋混凝土的材料性能,2.1 混凝土,不同强度混凝土的应力-应变关系曲线,强度等级越高，线弹性段越长，峰值应变也有所增大。但高强混凝土中，砂浆与骨料的粘结很强，密实性好，微裂缝很少，最后的破坏往往是骨料破坏，破坏时脆性越显著，下降段越陡。,2.1 混凝土,第2章 钢筋混凝土的材料性能,2.1 混凝土,反映混凝土全部受压力学性能，可采用混凝土应力-应变全曲线的形式。 若采用无量纲坐标x=e/e0，y=s/fc，则混凝土应力-应变全曲线的几何特征必须满足,第2章 钢筋混凝土的材料性能,2.1 混凝土,根据以上条件，过镇海提出的应力-应变全曲线表达式,a=Ec/E0， Ec为初始弹性模量； E0为峰值点时的割线模量， 为满足条件和，一般应有1.5a3；ac 为下降段参数,2.1 混凝土,第2章 钢筋混凝土的材料性能,Hognestad建议的应力-应变曲线,2.1 混凝土,第2章 钢筋混凝土的材料性能,规范应力-应变关系,上升段：,下降段：,2.1 混凝土,2.1 混凝土,第2章 钢筋混凝土的材料性能,曲线的利用-求混凝土模量,(初始)弹性模量,变形模量 (割线模量),切线模量,2.1 混凝土,2.1 混凝土,棱柱体试件。 受压： 受拉：Ec=0.5 Ec 剪切模量：Gc=0.4 Ec 泊松比 = 横向应变/纵向 应变=0.2,第2章 钢筋混凝土的材料性能,混凝土的弹性模量 Elastic Modulus,原点切线模量 Elastic Modulus,割线模量 Secant Modulus,切线模量 Tangent Modulus,弹性系数n (coefficient of elasticity) 随应力增大而减小 n =10.5,2.1 混凝土,第2章 钢筋混凝土的材料性能,弹性模量测定方法,2.1 混凝土,2.1 混凝土,第2章 钢筋混凝土的材料性能,2.1 混凝土,(2)多次加载时 疲劳, 疲劳强度 混凝土的疲劳强度由疲劳试验测定。采用100mm100mm300mm 或着150mm150mm450mm的棱柱体，把棱柱体试件承受200万次或其以上循环荷载而发生破坏的压应力值称为混凝土的疲劳抗压强度。 影响因素 施加荷载时的应力大小是影响应力-应变曲线不同的发展和变化的关键因素，即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。,2.1 混凝土,(3)徐变 在长期荷载作用下 (Creep),定义：在荷载保持不变的情况下，变形随时间推移 继续增大的现象。 特点：早期发展快，但可以延续数年。,第2章 钢筋混凝土的材料性能,2.1 混凝土,在应力（0.5fc）作用瞬间，首先产生瞬时弹性应变eel（= si/Ec(t0)，t0加荷时的龄期）。 随荷载作用时间的延续，变形不断增长，前4个月徐变增长较快，6个月可达最终徐变的（7080）%，以后增长逐渐缓慢，23年后趋于稳定。,2.1 混凝土,第2章 钢筋混凝土的材料性能,2.1 混凝土,记(t-t0)时间后的总应变为e c(t,t0)，此时混凝土的收缩应变为esh(t，t0)，则徐变为， ecr (t,t0) = ec(t,t0)- e c(t0)- esh(t,t0)= ec(t,t0)- eel- esh(t,t0),2.1 混凝土,第2章 钢筋混凝土的材料性能,2.1 混凝土,如在时间t 卸载，则会产生瞬时弹性恢复应变eel。由于混凝土弹性模量随时间增大，故弹性恢复应变eel小于加载时的瞬时弹性应变 eel。再经过一段时间后，还有一部分应变eel可以恢复，称为弹性后效或徐变恢复，但仍有不可恢复的残留永久应变ecr,2.1 混凝土,影响因素：加载时的混凝土龄期； 持续压力大小； 混凝土的组成材料及配合比； 混凝土的制作养护条件。,具体影响: 内在因素是混凝土的组成和配比。骨料(aggregate)的刚度（弹性模量）越大，体积比越大，徐变就越小。水灰比越小，徐变也越小。 环境影响包括养护和使用条件。受荷前养护(curing)的温湿度越高，水泥水化作用月充分，徐变就越小。采用蒸汽养护可使徐变减少（2035）%。受荷后构件所处的环境温度越高，相对湿度越小，徐变就越大。,徐变对结构的影响： 使构件变形增大； 在轴压构件中，使钢筋应力增加， 混凝土应力减小； 在预应力构件中，使预应力发生损失； 在超静定结构中，使内力发生重分布。,(4)箍筋约束混凝土受压的应力-应变关系,螺旋箍筋约束对强度和变形能力均有很大提高 矩形箍筋约束对强度的提高不是很显著，但对变形能力有显著改善,Confinement with Transverse Reinforcement, 箍筋与内部混凝土的体积比； 箍筋的屈服强度； 箍筋间距与核心截面直径或边长的比值； 箍筋直径与肢距的比值； 混凝土强度，对高强混凝土的约束效果差一些。,影响因素,第2章 钢筋混凝土的材料性能,R.Park建议的矩形封闭箍筋约束混凝土的应力-应变曲线,2.1 混凝土,第2章 钢筋混凝土的材料性能,2.1 混凝土,(5)混凝土受拉应力-应变关系,纤维混凝土,2.非受力变形 体积变形 (1)收缩(Shrinkage),定义：混凝土在空气中结硬时体积减小的现象。 收缩率：310-4。收缩=凝缩+干缩 特点：早期快，可延续12年。,第2章 钢筋混凝土的材料性能,2.1 混凝土,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。 某些对跨度比较敏感的超静定结构（如拱结构），收缩也会引起不利的内力。,墙板干燥收缩裂缝与边框架的变形,第2章 钢筋混凝土的材料性能,2.1 混凝土,混凝土的收缩是随时间而增长的变形，早期收缩变形发展较快，两周可完成全部收缩的25%，一个月可完成50%，以后变形发展逐渐减慢，整个收缩过程可延续两年以上。 一般情况下，最终收缩应变值约为(25)10-4 混凝土开裂应变为(0.52.7)10-4,第2章 钢筋混凝土的材料性能,2.1 混凝土, 影响因素 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。 影响收缩的因素多且复杂，要精确计算尚有一定的困难。 在实际工程中，要采取一定措施减小收缩应力的不利影响。 减少收缩的措施： 限制水泥用量；减小水灰比；加强振捣和养护； 构造钢筋数量加强；设置变形缝；掺膨胀剂。 (2)膨胀 定义：混凝土在水中结硬时体积增大的现象。 因对工程一般有利，故不考虑,2.2.1 钢筋的型式,1. 钢筋的型式,（1）劲性钢筋,（2）柔性钢筋,2.劲性钢筋,3.柔性钢筋,Steel Reinforcement,2.1.2 钢筋的品种和级别,1. 钢筋的品种,（1）按钢筋的化学成分分 a.碳素钢 b.普通低合金钢,Mn 锰，Si 硅，V 钒， Nb 铌，Ti 钛， C 碳,2.2.2 钢筋的品种和级别,（2）按钢筋的轧制外形分 a.光圆钢筋 b.变形钢筋 （3）按钢筋的直径大小分 a. 钢丝： 3，5 b.细钢筋： 6，10 c.中粗钢筋：12，20 d.粗钢筋： 22，50,2.2.2 钢筋的品种和级别,1. 钢筋的品种,（4）按钢筋的生产工艺分 a.热轧钢筋 b.冷拉钢筋 c.冷拔钢筋 d.热处理钢筋：经淬火处理得， fptk=1470MPa，无明显屈服点 e.刻痕钢丝 f.钢绞线 g.冷轧扭钢筋 h.冷轧带肋钢筋 i.双钢筋,2.2.2 钢筋的品种和级别,1. 钢筋的品种,（5）按钢筋的供应形式分 a.盘圆钢筋 ：直径10mm b.直条钢筋 ：直径10mm （6）按钢筋的单调受拉的应力与应变性质分 a.有明显屈服点的钢筋 ：热轧钢筋、冷拉钢筋 b.无明显屈服点的钢筋 ：钢丝、热处理钢筋,2.2.2 钢筋的品种和级别,2. 钢筋的级别,热轧钢筋,HPB 热轧光面钢筋，桥梁规范用R表示； HRB 热轧带肋钢筋； RRB 余热处理钢筋，桥梁规范用KL表示。,Mn 锰，Si 硅，V 钒， Nb 铌，Ti 钛， C 碳,热轧钢筋 Hot Rolled Steel Reinforcing Bar HPB300级、HRB335级、HRB400级、RRB400级,HPB,HRB,RRB,HPB300级(级)钢筋多为光面钢筋（Plain Bar），多作为现浇楼板的受力钢筋和箍筋。 HRB335级(级)和 HRB400级(级)钢筋强度较高，多作为钢筋混凝土构件的受力钢筋，尺寸较大的构件，也有用级钢筋作箍筋的为增强与混凝土的粘结（Bond），外形制作成月牙肋或等高肋的变形钢筋（Deformed Bar）。,中、高强钢丝、钢绞线,热处理钢筋 经淬火处理得，fptk=1470MPa，无明显屈服点。,冷加工钢筋 冷加工工艺：冷拉、冷拔、冷轧、冷轧扭。 目的：提高强度，节约钢材。但塑性减小。 冷拉钢筋仍有屈服台阶。,小结:钢筋的分类,2.2.3 钢筋的强度与变形 1.有明显屈服点的钢筋 Steel bar with yield point (1)试验研究,a为比例极限proportional limit s =Ese,a为弹性极限elastic limit,de为强化段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,cd为屈服台阶yield plateau,e为极限抗拉强度 fu ultimate tensile strength,弹性阶段,a点以前应力应变呈直线关系，故a点对应的应力称为比例极限。,钢筋的弹性模量是根据拉伸实验中测得弹性阶段的应力应变关系确定的。弹性模量是弹性段应力应变的比值。,钢筋的受压弹性模量与受拉时相同。,屈服阶段,进入屈服阶段bcd段，应力应变不再成正比例关系，屈服阶段bcd段呈锯齿形，应力在一个很小范围内波动，应变却自动增长，犹如停止了对外力的抵抗，或者说屈服于外力，所以叫做屈服阶段。,bcd段称为流幅或屈服平台。,钢筋到达屈服阶段时，虽尚未断裂，但一般已不能满足结构的设计要求，所以设计时是以这一阶段的应力值为依据，为了安全起见，取其下限值c，屈服下限也叫屈服强度或屈服点y。,强化阶段,在应力超过d点后，钢筋进入强化阶段，钢筋的应力重新开始增长，应力应变曲线的斜率变得远比弹性阶段小，而且随着应力的增长越来越小，这种塑性变形可一直延续到最高点e，称为强化阶段de。,对应的最高点e的应力为抗拉强度b。,破坏阶段,当试件强度达到e点后，在试件内部某个薄弱部位的截面将突然急剧缩小，发生局部颈缩现象。,出现颈缩现象后，应力是逐渐降低的，至f点试件在颈缩处被拉断，f点对应的应变称为钢筋的极限应变。,有物理屈服点的钢筋有两个强度指标,一是c点的屈服强度，这是钢筋混凝土构件设计时钢筋强度取值的依据，因为钢筋屈服后产生了较大的塑性变形，这将使构件变形和裂缝宽度大大增加以致无法使用，所以在设计中采用屈服强度作为钢筋的强度极限。,另一个强度指标是e点的钢筋极限强度，一般用作钢筋的实际破坏强度。,有明显屈服点钢筋的应力-应变关系 一般可采用双线性的理想弹塑性关系,(2)应力应变曲线的利用 a.钢筋强度设计值的确定 屈服强度yield strength：是钢筋强度的设计依据，因为钢筋屈服后将很大的塑性变形，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。,b.塑性好坏的确定 用伸长率和冷弯性能衡量。,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。延伸率大的钢筋，在拉断前有足够预兆，延性较好。,同一根钢筋 上述伸长率只反映断口附近残留变形大小， 不反映钢筋总伸长率情况。,：,：,均匀延伸率dgt: 对应最大应力时应变，包括了残余应变和弹性应变，反映了钢筋真实的变形能力(2.5%),混凝土结构基本原理,第 2章,钢筋均匀伸长率的测定：,=90,180 ,反复弯曲要 求：冷弯过程中无裂缝、鳞 落或断裂。 D 愈小，要求愈高。 反复次数愈高，要求愈高。,冷弯,冷弯是检验钢筋局部变形能力的指标。 钢筋塑性愈好，构件破坏前预兆愈明显。,2.无明显屈服点的钢筋 Steel bar without yield point 如:中、高强钢丝、钢绞线,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,2.2.4 钢筋的冷加工,冷加工工艺：冷拉、冷拔、冷轧、冷轧扭。 目的：提高强度，节约钢材。但塑性减小。 冷拉钢筋仍有屈服台阶。,2.2.5 钢筋的蠕变、松弛与疲劳 1.钢筋的蠕变 即钢筋在高应力作用下其应变随时间的增加而增加的现象。 2.钢筋的松弛 即钢筋在受力后长度保持不变的情况下，其应变随时间的增加而增加的现象。 3.钢筋的疲劳 即钢筋在重复、周期动荷载作用下，经过一定次数后从塑性破坏转变为脆性破坏的现象。,2.3.1粘结的作用及产生原因 1.粘结的作用 钢筋和混凝土之间的粘结是钢筋和混凝土这两种 力学性质不同的材料在结构构件中能够形成整体、共 同工作的基础。 2.粘结产生的原因 (1)试验研究 通过对受弯构件的试验研究分析表明: 粘结力的存 在，才使钢筋的应力沿其长度方向会发生变化。 没有钢筋应力的变化，就不存在粘结应力。,粘结锚固长度,(2)粘结强度 钢筋单位表面面积上所能承受的最大纵向剪应力称为粘结强度。,钢筋与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,2.3.2 粘结的分类 钢筋和混凝土之间的粘结按其在构件中作用的性质可分为: 1.锚固粘结或延伸粘结 2.裂缝附近处的局部粘结,2.3.3 粘结的机理 1.粘结机理 钢筋和混凝土之间的粘结力，主要由三部分组成: (1)胶着力: 钢筋和混凝土之间接触表面由于化学作用而产生。 (2)摩擦力: 钢筋表面的粗糙不平,使钢筋和混凝土之间的相对滑动趋势，在接触面上产生的摩擦阻力。 (3)咬合力 a.光圆钢筋: 由钢筋表面粗糙不平而产生。 b.变形钢筋: 由变形钢筋肋间嵌入的混凝土而形成的机械咬合作用而产生。,2.光圆钢筋和变形钢筋粘结机理的主要差别 (1)光圆钢筋: 钢筋和混凝土之间的粘结力主要来自胶着力和摩阻力。 (2)变形钢筋: 钢筋和混凝土之间的粘结力主要来自机械咬合力。,变形钢筋和混凝土的机械咬合作用,2.3.4 影响粘结强度的因素 1.混凝土的强度 粘接强度随混凝土的强度的提高而提高,但不成正比. 2.钢筋的表面形状 变形钢筋的粘结强度比光圆钢筋的粘结强度大. 3.浇注位置 4.保护层厚度 5.钢筋间距 6.横向钢筋,2.3.5 保证钢筋和混凝土