混凝土结构材料的物理力学性能1.ppt

第三章混凝土结构材料的物理力学性能 学习要求 了解钢筋的品种 级别和使用范围 了解有明显屈服点钢筋与没有明显屈服点钢筋的应力 应变曲线的特点以及钢筋强度设计值的取值 了解钢筋混凝土结构对钢筋性能的要求 了解混凝土的立方体抗压强度 轴心抗拉强度的标准试验方法 理解混凝土单轴受压时的应力应变曲线 了解混凝土的受拉变形 弹性模量 变形模量及混凝土徐变和收缩 理解钢筋与混凝土的粘结性能及保证可靠粘结与锚固的构造措施 第三章混凝土结构材料的物理力学性能 第三章混凝土结构材料的物理力学性能 3 1钢筋 3 1钢筋SteelReinforcement一 钢筋的品种热轧钢筋 中高强钢丝和钢绞线 热处理钢筋和冷加工钢筋 常用钢筋形式 3 1钢筋 热轧钢筋HotRolledSteelReinforcingBarHPB235级 HRB335级 HRB400级 RRB400级 HPB HRB RRB 屈服强度fykHPB235级 fyk 235N mm2HRB335级 fyk 335N mm2HRB400级 RRB400级 fyk 400N mm2 第三章混凝土结构材料的物理力学性能 3 1钢筋 HPB235级 级 钢筋多为光面钢筋 PlainBar 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 DeformedBar RRB400钢筋强度较高 不适宜作为钢筋混凝土构件中的配筋 一般冷拉后作预应力筋 第三章混凝土结构材料的物理力学性能 3 1钢筋 钢丝 中强钢丝的强度为800 1200MPa 高强钢丝 钢绞线的为1470 1860MPa 延伸率d10 6 d100 3 5 4 钢丝的直径3 9mm 外形有光面 刻痕和螺旋肋三种 另有二股 三股和七股钢绞线 外接圆直径9 5 15 2mm 中高强钢丝和钢绞线均用于预应力混凝土结构 冷加工钢筋是由热轧钢筋和盘条经冷拉 冷拔 冷轧 冷扭加工后而成 冷加工的目的是为了提高钢筋的强度 节约钢材 但经冷加工后 钢筋的延伸率降低 近年来 冷加工钢筋的品种很多 应根据专门规程使用 热处理钢筋是将热轧带肋钢筋通过加热 淬火和回火等调质工艺处理 使强度得到较大幅度的提高 而延伸率降低不多 用于预应力混凝土结构 第三章混凝土结构材料的物理力学性能 3 1钢筋 二 钢筋的应力 应变关系 有明显屈服点的钢筋Steelbarwithyieldpoint a为比例极限proportionallimits Ese oa为线弹性阶段 de为强化段strainhardeningstage b为屈服上限upperyieldstrength c为屈服下限 即屈服强度fyloweryieldstrength cd为屈服台阶yieldplateau 流幅 e为极限抗拉强度fuultimatetensilestrength 第三章混凝土结构材料的物理力学性能 ef为颈缩阶段 3 1钢筋 几个指标 屈服强度yieldstrength 是有明显屈服点钢筋的主要强度指标 在混凝土中的钢筋 当应力达到屈服强度后 应力不增加 应变继续增大 使得混凝土裂缝开展过宽 构件变形过大 结构不能正常使用 所以有明显屈服点的钢筋 它的受拉强度限值应以屈服强度为准 而不是以拉断时的极限抗拉强度为准 延伸率elongationrate 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 屈强比反映钢筋的强度储备 fy fu 0 6 0 7 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 第三章混凝土结构材料的物理力学性能 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 第三章混凝土结构材料的物理力学性能 3 1钢筋 3 1钢筋 无明显屈服点的钢筋Steelbarwithoutyieldpoint a点 比例极限 约为0 65fua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 85fu钢筋受压时的屈服强度与受拉时的基本相同 钢筋的受拉弹性模量与受压弹性模量也是相同的 由钢筋在线弹性阶段的应力与应变的比值确定 第三章混凝土结构材料的物理力学性能 3 1钢筋 三 钢筋的强度标准值 CharacteristicorStandardStrength 钢筋的强度标准值满足 建筑结构设计统一标准 材料强度标准值保证率95 的要求 第三章混凝土结构材料的物理力学性能 3 1钢筋 第三章混凝土结构材料的物理力学性能 主要有强度 塑性 可焊性和与混凝土的粘结等四个性能的要求 1 强度 包括屈服强度和极限强度 采用屈服强度高 强屈比 极限强度与屈服强度的比值 不能太小的钢筋 2 塑性 要求钢筋在断裂前应有足够的变形能力 主要指标是伸长率和冷弯 混凝土结构对钢筋性能的要求 3 1钢筋 第三章混凝土结构材料的物理力学性能 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 3 可焊性 在一定的工艺条件下要求钢筋焊接后不产生裂纹及过大的变形 4 与混凝土的粘结 为保证钢筋与混凝土共同工作 两者之间必须有足够的粘结力 为此对钢筋表面的形状 锚固长度 弯钩以及接头等都有一定的要求 此外 在寒冷地区 为了防止钢筋发生脆断 对钢筋的低温性能也有一定的要求 3 1钢筋 第三章混凝土结构材料的物理力学性能 第三章钢筋和混凝土的材料性能 3 2混凝土 3 2混凝土一 混凝土的强度1 立方体抗压强度 混凝土强度等级确定依据混凝土的基本强度指标有立方体抗压强度fcu k 轴心抗压强度fc 轴心抗拉强度ft三种 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混凝土强度等级 边长150mmx150mmx150mm的立方体试件作为标准试件 在温度为 20 3 相对湿度在90 以上的潮湿空气中养护28天 按照标准试验方法 加载速度0 15 0 3N mm2 sec 两端不涂润滑剂 加压到破坏 所测得的具有95 保证率的抗压强度 定为立方体抗压强度标准值 用fcu k表示 以N mm2计 并以此作为确定混凝土的强度等级的依据 用符号C表示 C30表示fcu k 30N mm2 混凝土立方体强度只有标准值 没有设计值 规范 根据强度范围 从C15 C80共划分为14个强度等级 级差为5N mm2 第三章钢筋和混凝土的材料性能 3 2混凝土 100mm立方体强度与标准立方体强度之间的换算关系 小于C50的混凝土 修正系数m 0 95 随混凝土强度的提高 修正系数m值有所降低 当fcu100 100N mm2时 换算系数m约为0 9 美国 日本 加拿大等国家 采用圆柱体 直径150mm 高300mm 标准试件测定的抗压强度来划分强度等级 符号记为fc 圆柱体强度与我国标准立方体抗压强度的换算关系为 立方体和圆柱体抗压试验都不能代表混凝土在实际构件中的受力状态 只是用来在同一标准条件下比较混凝土强度水平和品质的标准 制作 测试方便 第三章钢筋和混凝土的材料性能 3 2混凝土 2 轴心抗压强度 轴心抗压强度就是棱柱体抗压强度 它是由150mm 150mm 300mm的棱柱体标准试件经标准养护后用标准试验方法测得的 用符号fc表示 它比较接近实际构件中混凝土的受压情况 对于同一混凝土 棱柱体抗压强度小于立方体抗压强度 轴心抗压强度标准值fck和立方体抗压强度标准值fcu k的换算关系为 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 1为棱柱体抗压强度与立方体抗压强度之比 小于C50级的混凝土取 1 0 76 对C80取 1 0 82 其间按线性插值 2为高强混凝土的脆性折减系数 C40一下取 2 1 0 对C80取 2 0 87 中间按直线规律变化取值 所以对于C40及以下的混凝土 第二章小结 结构上的作用的定义和分类结构上的作用是指施加在结构上的集中力或分布力 以及引起结构外加变形或约束变形的原因 分为直接作用和间接作用 作用按时间的变异分为永久作用 可变作用 偶然作用 其含义 结构的可靠性结构在设计使用年限内 在规定的条件下 完成预定功能的能力 建筑结构的功能 设计使用年限以及安全等级建筑结构必须满足四项功能要求 它们归结为三性 安全性 适用性 耐久性 我国规定的结构物的设计使用年限为50年 安全等级分三级 两类极限状态含义和表达式承载能力极限状态和正常使用极限状态 荷载分项系数 材料分项系数 结构重要性系数的定义和取值 第三章钢筋和混凝土的材料性能 3 2混凝土 3 轴心抗拉强度 也是其基本力学性能 用符号ft表示 混凝土构件开裂 裂缝 变形 以及受剪 受扭 受冲切等的承载力均与抗拉强度有关 混凝土轴心抗拉强度远低于抗压立方体强度fcu k 仅相当fcu k的1 8 1 17 fcu k越大 这个比值越低 我国采用直接拉伸法测定轴心抗拉强度 试件是用钢模浇筑的100mmx100mmx500mm的棱柱体 两端对中设有直径16mm的等高肋钢筋 埋深150mm 试验机夹紧两端钢筋 使试件受拉 破坏时试件中部产生裂缝 第三章钢筋和混凝土的材料性能 3 2混凝土 由于轴心受拉试验对中困难 也常常采用立方体或圆柱体劈裂试验测定混凝土的抗拉强度 第三章钢筋和混凝土的材料性能 3 2混凝土 1 三向受压 轴心抗压强度与轴向受压变形能力都得到提高 工程应用 约束混凝土 钢管砼 密配螺旋箍筋 有侧向约束混凝土轴心抗压强度经验公式 3 2混凝土 第三章钢筋和混凝土的材料性能 4 复合应力下混凝土强度的概念 4 复杂受力状态下砼的强度 I 双向受压 抗压强度提高II 一向受压 另一向受拉 抗拉和抗压强度均降低 III 双向受拉 与单向抗拉强度相同 IV 剪压状态 当 0 5 0 7 c 抗剪强度 随压应力 增大而提高 当 0 7 c 减小 V 剪拉状态 随拉应力 而降低 第三章钢筋和混凝土的材料性能 3 2混凝土 2 双向应力 第三章钢筋和混凝土的材料性能 3 2混凝土 三 混凝土的变形1 单轴 单调 受压应力 应变关系Stress strainRelationship 混凝土单轴受力时的应力 应变关系反映了混凝土受力全过程的重要力学特征是分析混凝土构件应力 建立承载力和变形计算理论的必要依据 也是利用计算机进行非线性分析的基础 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 第三章钢筋和混凝土的材料性能 3 2混凝土 第三章钢筋和混凝土的材料性能 3 2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 3 0 4 fc 对高强混凝土sA可达 0 5 0 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 混凝土呈现弹塑性性质 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 此时混凝土的应力增量不大 而塑性变形却相当大 B点称为临界应力点 相当于混凝土的条件屈服强度 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 试件出现与加压方向平行的竖向裂缝 内部微裂缝连通形成破坏面但还没有完全破坏 C点的纵向应变值称为峰值应变e0 约为0 002 下降段CD是混凝土到达峰值应力后裂缝继续扩展 传播 从而引起应力 应变关系有很大变化 混凝土犹如 屈服 一般 裂缝迅速发展 应力下降而应变增长很快 致使应力 应变曲线的凹向发生了改变 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坏 裂缝连通形成斜向破坏面 收敛点E 极限压应变ecu 0 003 0 004 第三章钢筋和混凝土的材料性能 3 2混凝土 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 第三章钢筋和混凝土的材料性能 3 2混凝土 由此可见 混凝土达到轴心抗压强度就压碎 的概念是不对的 正确的概念是 混凝土达到轴心抗压强度试验值fc0时开始出现竖向裂缝 但还能受力 当压应变达到其极限值时才破坏 此时的压应力约为0 4 0 6fc0 ecu0 混凝土的受拉应力 应变曲线与受压的相似 随着拉应力的增大 混凝土的弹塑性性质愈来愈明显 极限拉应变值很小 为 0 1 0 15 x10 3 2 混凝土的弹性模量 变形模量 1 混凝土的弹性模量 原点切线模量 弹性模量 拉压相同 2 变形模量 割线模量 弹塑性模量 c接近fc时 为0 4 0 7 混凝土受拉时的弹性模量与受压时的弹性模量基本相同 相应于抗拉强度时的变形模量可取为 混凝土的剪切模量Gc可近似取为0 4Ec 第三章钢筋和混凝土的材料性能 3 2混凝土 为混凝土的弹性系数 第三章钢筋和混凝土的材料性能 3 2混凝土 五 混凝土的收缩和徐变ShrinkageandCreep1 混凝土的收缩Shrinkage混凝土在空气中结硬时体积会缩小 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 收缩对结构的影响 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 第三章钢筋和混凝土的材料性能 3 2混凝土 第三章钢筋和混凝土的材料性能 3 2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3 10 4混凝土极限拉应变为 1 0 1 5 10 4 第三章钢筋和混凝土的材料性能 3 2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 施工缝 第三章钢筋和混凝土的材料性能 3 2混凝土 2 混凝土的徐变Creep混凝土的应力不变 应变随时间而增长的现象称为徐变 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 不过 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 与混凝土的收缩一样 徐变也与时间有关 因此 在测定混凝土的徐变时 应同批浇筑同样尺寸不受荷的试件 在同样环境下同时量测混凝土的收缩变形 从徐变试件的变形中扣除对比的收缩试件的变形 才可得到徐变变形 第三章钢筋和混凝土的材料性能 3 2混凝土 AB段 e 在应力 0 5fc 作用瞬间 首先产生瞬时弹性应变 BC段 cr 应力保持不变 应变随时间增长 即徐变 前4个月徐变增长较快 6个月可达最终徐变的 70 80 以后增长逐渐缓慢 2 3年后趋于稳定 A B C D E 第三章钢筋和混凝土的材料性能 3 2混凝土 A B C D E CD段 e 卸载后的瞬时恢复应变 其值略小于 e DE段 e 卸载后经一段时间 约20天 才能恢复的应变 E点以下 不能恢复的残余应变 cr 第三章钢筋和混凝土的材料性能 3 2混凝土 1 混凝土的徐变与混凝土应力大小有密切关系 应力愈大 徐变也愈大 当应力较小 例如 c 0 5fc 时徐变变形与应力成正比 称为线性徐变 这时在加载初期徐变增长较快 六个月时一般已完成徐变的大部分 后期徐变增长较小 一年以后趋于稳定 一般认为三年左右徐变基本终止 当混凝土应力较大 例如 c 0 5fc 时 徐变变形与应力不成正比 徐变比应力增长更快 称为非线性徐变 当应力过高时 徐变变形急剧增加不再收敛 呈现非稳定徐变的现象 因此 在高应力作用下 可能造成混凝土的破坏 所以取混凝土的长期抗压强度为 0 7 0 8 fc 影响因素 2 初始加载时混凝土的龄期愈小 徐变愈大 因此加强养护促使混凝土尽早结硬 对减小徐变是很有效的 蒸汽养护的混凝土可使徐变减小 20 35 3 混凝土的组成成分对徐变也有很大影响 水灰比大 水泥用量大 徐变也大 骨料愈坚硬 弹性模量高 徐变就小 所处环境的温度愈高 湿度愈低 徐变愈大 大尺寸构件内部失水受到限制 徐变会减小 徐变对结构的影响 混凝土徐变会使构件变形增加 会导致预应力混凝土的预应力损失 影响因素 第三章钢筋和混凝土的材料性能 3 3钢筋与混凝土的粘结 3 3钢筋与混凝土的粘结 钢筋与其周围混凝土之间的相互作用称为钢筋与混凝土的粘结 包括两类问题 1 沿钢筋长度的粘结 2 钢筋端部的锚固 第三章钢筋和混凝土的材料性能 3 3钢筋与混凝土的粘结 1粘结应力的定义 钢筋与混凝土接触面上产生的沿钢筋纵向的剪应力 粘结强度 粘结失效时的最大 平均 粘结应力 拉拔钢筋试验测定钢筋与混凝土的粘结强度 3 3钢筋与混凝土的粘结 2粘结力的组成 1 钢筋与混凝土表面的化学胶着力混凝土在结硬过程中 水泥胶体与钢筋间会产生吸附胶着力 混凝土强度等级愈高 胶着力愈大 2 钢筋与混凝土接触面的摩擦力混凝土收缩对钢筋产生正压力 随着胶着力的丧失 钢筋与周围混凝土有相对滑移趋势时 在接触面上就出现摩擦力 3 钢筋与混凝土表面凹凸不平的机械咬合力 由于钢筋表面粗糙不平而产生的机械咬合作用 第三章钢筋和混凝土的材料性能 3 3钢筋与混凝土的粘结 3粘结破坏机理 1 光圆钢筋的粘结破坏 粘结作用在钢筋与混凝土间出现相对滑移前主要取决于化学胶着力 发生滑移后则由摩擦力和机械咬合力提供 2 变形钢筋的粘结破坏粘结强度仍由胶着力 摩擦力和机械咬合力组成 但主要为机械咬合力 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 第三章钢筋和混凝土的材料性能 3 3钢筋与混凝土的粘结 4保证可靠粘结的构造措施 钢筋的锚固长度la 第三章钢筋和混凝土的材料性能 钢筋混