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第1章钢筋混凝土材料的物理力学性能 1 2MechanicalPropertiesofConcrete 混凝土的物理力学性能 一 StrengthofConcrete 混凝土的强度 Concreteisacompoundofgravel brokenrock sandorotheraggregate boundedtogetherbymeansofcementorothercementingmaterials 1 TheCubicCompressiveStrengthandGradeofConcrete 混凝土的立方体强度和混凝土强度等级 用边长为150mm的标准立方体试块在标准条件下养护28d后 以标准试验方法测得的破坏时的平均压应力为混凝土的立方体抗压强度 用表示 1 2MechanicalPropertiesofConcrete 第1章钢筋混凝土材料的物理力学性能 标准测试方法1 标准尺寸 150mm 150mm 150mm2 养护条件 20 3 湿度 95 28d3 加荷方法 加荷速度0 15 0 25MPa s 可垫橡胶板4 强度保证率 95 f 1 645 按上述规定所测得的具有95 保证率的抗压强度称为混凝土的立方体抗压强度标准值 影响因素 尺寸效应 尺寸越大 内部缺陷较多 强度较低 加载速度 加载速度越快 强度越高 1 2MechanicalPropertiesofConcrete 第1章钢筋混凝土材料的物理力学性能 端部约束 涂润滑油 强度降低 不涂润滑剂 涂润滑剂 1 2MechanicalPropertiesofConcrete 用符号C Concrete 表示 单位 N mm2或 用符号C Concrete 表示 单位 N mm2或Mpa 第1章钢筋混凝土材料的物理力学性能 混凝土强度等级 水利工程中的混凝土等级 按的大小划分为10级 C15 C20 C25 C30 C60 定义 以边长为150mm的立方体 在在温度为20 3 相对湿度不小于95 的条件下养护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标准值作为混凝土的强度等级 1 2MechanicalPropertiesofConcrete 第1章钢筋混凝土材料的物理力学性能 6 12 圆柱体 1 20 日本 美国等 6 6 12 棱柱体 1 32 1 2 54cm Table1 2Thecalculatingcoefficientoffcuwithdifferentsize 非标准试块强度换算系数 1 2MechanicalPropertiesofConcrete 第1章钢筋混凝土材料的物理力学性能 混凝土强度等级的选用 素混凝土结构的受力部位 不宜低于C15 采用HRB400 RRB400级钢筋或承受重复荷载时 不应低于C20 预应力混凝土结构 不应低于C30 采用高强钢丝 钢绞线作预应力钢筋时 不宜低于C40 采用HRB335级钢筋时 不宜低于C20 钢筋混凝土结构 不应低于C15 1 2MechanicalPropertiesofConcrete 第1章钢筋混凝土材料的物理力学性能 2 Axially compressedStrength Prismcompressivestrength ofConcrete 混凝土的轴心抗压强度 试验目的 采用棱柱体试件 反映混凝土的实际工作状态 试件尺寸 我国取mm为标准试件 棱柱体高度的取值 摆脱端部摩擦力的影响 试件不致失稳 与的关系 1 2MechanicalPropertiesofConcrete 第1章钢筋混凝土材料的物理力学性能 混凝土构件强度与试块混凝土强度的修正系数 棱柱体强度与立方体强度之比值 1 2MechanicalPropertiesofConcrete 第1章钢筋混凝土材料的物理力学性能 3TensileStrengthofConcrete 轴心抗拉强度 直接受拉试验 Directpullingtest 1 2MechanicalPropertiesofConcrete 劈裂试验 Splittingtest 第1章钢筋混凝土材料的物理力学性能 1 2MechanicalPropertiesofConcrete 与的关系 第1章钢筋混凝土材料的物理力学性能 4ConcreteStrengthunderBi axialorTri axialLoads 混凝土双向受力或三向受力的强度 Concretestrengthunderbi axialloads 双轴应力状态 双向受拉 接近单轴抗拉强度 双向受压 混凝土的侧向变形受到约束 强度提高 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 混凝土的三轴抗压强度 1 2MechanicalPropertiesofConcrete 第1章钢筋混凝土材料的物理力学性能 Concretestrengthundertri axialloads 三轴应力强度 试件侧向变形受到限制 其内部微裂缝的产生和发展受到阻碍 当侧压力增大时 轴向抗压强度也相应增大 混凝土的三轴抗压强度 有侧向约束时的抗压强度 无侧向约束时的单轴抗压强度 侧压效应系数 侧向约束压应力 1 2MechanicalPropertiesofConcrete 第1章钢筋混凝土材料的物理力学性能 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 混凝土的剪压复合强度 1 2MechanicalPropertiesofConcrete 1一次短期加载下混凝土受压的应力 应变曲线 当 0 3时 关系接近于直线 当 0 3 0 8 时 关系偏离直线 当 0 8 1 0 时 内部微裂缝进入非稳定发展阶段 混凝土的应力 应变曲线 二 DeformationofConcrete 混凝土的变形 ConstitutiveRelationshipofConcreteinCompressive Theascendingsegment 上升段 1 2MechanicalPropertiesofConcrete 第1章钢筋混凝土材料的物理力学性能 峰值应变 极限压应变 Thedescendingsegment 下降段 下降段须在刚性试验机上方能测试出来 下降段的承载力主要由裂缝滑移面上的摩擦咬合力提供 1 2MechanicalPropertiesofConcrete 第1章钢筋混凝土材料的物理力学性能 第1章钢筋混凝土材料的物理力学性能 增设刚性元件的试验方法 用千斤顶作为刚性元件的试验方法 1 2MechanicalPropertiesofConcrete 第1章钢筋混凝土材料的物理力学性能 Somegeneralfeaturesofthestrain stresscurveofconcreteincompression 混凝土应力 应变曲线的特点 Thelowerthestrengthofconcrete thehigheristhestrainofconcreteatthepointoffailure Thelengthofinitialrelativelylinearportionincreaseswiththeincreaseinthecompressivestrengthofconcrete Thereisanapparentreductioninductilitywithincreasedstrength Thestraincorrespondingtothepeakstressremainsnearlyconstantatthevalueof 1 2MechanicalPropertiesofConcrete 第1章钢筋混凝土材料的物理力学性能 Fortheascendingsegment aparabola抛物线 Forthedescendingsegment Adescendingstraightline 下降的直线 1 2MechanicalPropertiesofConcrete 第1章钢筋混凝土材料的物理力学性能 2 混凝土在重复荷载下的应力应变曲线 1 特点 随着加载卸载重复次数的增加 残余应变会逐渐减小 一般重复5 10次后 加载和卸载的应力应变曲线越来越闭合接近直线 此时砼就像弹性体一样工作 2 疲劳破坏 当应力超过某一限值时 则经过多次循环 应力应变曲线成直线后 又能很快重新变弯且应变越来越大 试件很快就会破坏 这种破坏就称为砼的 疲劳破坏 1 2MechanicalPropertiesofConcrete 第1章钢筋混凝土材料的物理力学性能 1 Initialmodulusofelasticity 原点弹性模量 混凝土的变形模量 3 ModulusofElasticityofConcrete 混凝土的弹性模量 过原点切线的斜率 原点弹性模量 也称之为混凝土的弹性模量 1 2MechanicalPropertiesofConcrete 第1章钢筋混凝土材料的物理力学性能 过某一点切线的斜率 2 Deformationmodulus i e Secantmodulus 割线模量 某一点与原点连线的斜率 3 Tangentmodulusofelasticity 切线模量 1 2MechanicalPropertiesofConcrete 加荷至基准应力为0 5MPa的初始荷载值F0 保持恒载60s并在以后的30s内记录每测点的变形读数 0 应立即连续均匀地加荷至应力为轴心抗压强度fc的1 3的荷载值Fa 保持恒载60s并在以后的30s内记录每一测点的变形读数 重复加载卸载4次 应力应变曲线渐趋稳定并接近为一直线 该直线的正切即为弹性模量 第1章钢筋混凝土材料的物理力学性能 弹性系数 4 试验室测取弹模的方法 1 2MechanicalPropertiesofConcrete 水工 0 4 第1章钢筋混凝土材料的物理力学性能 L 测量标距 n 最后一次从F0加荷至Fa时试件两侧变形的平均值 a Fa时试件两侧变形的平均值 0 F0时试件两侧变形的平均值 1 2MechanicalPropertiesofConcrete 式中 Fa 应力为1 3fc时的荷载值 F0 应力为0 5MPa时的初始荷载值 A 试件承压面积 第1章钢筋混凝土材料的物理力学性能 5 经验公式 混凝土弹性模量与立方体抗压强度之间的关系 1 2MechanicalPropertiesofConcrete 当 时 第1章钢筋混凝土材料的物理力学性能 6 受拉弹性模量 由试验知 基本上同受压弹性模量 7 泊松比 thePoisson sratio 及剪切模量 theshearmodulusofelasticity 1 2MechanicalPropertiesofConcrete 第1章钢筋混凝土材料的物理力学性能 4 混凝土的极限应变 1 极限压应变 2 极限拉应变 1 2MechanicalPropertiesofConcrete 第1章钢筋混凝土材料的物理力学性能 5CreepofConcrete 混凝土的徐变 定义 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 Creepofconcreteistheincreaseinstrainwithtimeduetoasustainedload 混凝土的徐变是指在荷载长期作用下应变随时间增长的现象 Thetime dependentpartofstrainresultingfromstressistermedcreep 1 2MechanicalPropertiesofConcrete 第1章钢筋混凝土材料的物理力学性能 徐变的特点 开始增长较快 以后逐渐减慢 最后趋于稳定 混凝土的徐变 Instantaneouselasticstrain Instantaneousrecovery Creeprecovery Permanentdeformation Creepstrain Loadremoved 1 2MechanicalPropertiesofConcrete 第1章钢筋混凝土材料的物理力学性能 徐变的原因 MechanismofCreep 水泥凝胶体的粘性流动 使骨料应力增大 Deformationofcementpaste underlowstress 混凝土中内部微裂缝的发展 Propagationofmicro crack underhighstress 徐变与塑性变形的区别 塑性变形主要是混凝土中结合面裂缝的扩展延伸引起 只有当应力超过材料的弹性极限后才发生 而且是不可恢复的 徐变不仅部分可恢复 而且在较小的应力时就能发生 1 2MechanicalPropertiesofConcrete 第1章钢筋混凝土材料的物理力学性能 影响徐变的因素 EffectsonCreep 应力的大小 Creepstrainincreaseswiththeappliedstress 混凝土的龄期 Creepstressincreaseswiththedecreaseinageatinitialloading 环境条件 Creepstrainislowwhentherelativehumidityishigh 其它因素 养护条件 Curingcondition 水灰比 w cratio 水泥的种类和用量 Thetypeandamountofcement 骨料类型和用量 Aggregatetypeandcontent 以及配合比 andadmixtures 等 1 2MechanicalPropertiesofConcrete 第1章钢筋混凝土材料的物理力学性能 使钢筋混凝土构件截面产生内力重分布 Creepwillcauseredistributionofstressinreinforcedconcretestructure Theinfluenceofcreepontheconcretestructure 徐变对混凝土结构的影响 使受弯构件和偏压构件的变形加大 Creepwillleadtoanincreaseofdeflection 使预应力混凝土构件产生预应力损失 Creepwillcausetheloseofprestressinginprestressedconcretemembers 1 2MechanicalPropertiesofConcrete 第1章钢筋混凝土材料的物理力学性能 混凝土的温度变形和干湿变形 ShrinkageandExpansionofConcrete 三 混凝土的其它性能 1 重力密度 素混凝土 24KN m3钢筋混凝土 25KN m3 2 混凝土的耐久性 碳化 抗渗性 抗冻性等 1 2MechanicalPropertiesofConcrete 第1章钢筋混凝土材料的物理力学性能 Problemsfordiscussion 思考题 WhatisthecubiccompressivestrengthExplainthefactorsthataffectthe Whatarethecharacteristicsoftheconstitutiverelationshipofconcreteincompression 3Howcanwedefinethegradeofconcrete Listthecharacteristicsofconcretestrengthunderbi axialortri axialloads Definethetermsofcreepandshrinkageofconcrete Listthemainfactorsthatinfluencecreepandshrinkage 1 2MechanicalPropertiesofConcrete 第1章钢筋混凝土材料的物理力学性能 1 3BondbetweenConcreteandReinforcement 钢筋与混凝土之间的粘结 一 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 粘结强度的测试 1 3BondbetweenConcreteandReinforcement 第1章钢筋混凝土材料的物理力学性能 粘结强度 粘结失效时的最大 平均 粘结应力 拔出试验 1 3BondbetweenConcreteandReinforcement 第1章钢筋混凝土材料的物理力学性能 二 粘结应力的组成 钢筋与混凝土表面的化学胶着力 Chemicaladhesionofcementpaste 钢筋与混凝土接触面的摩擦力 Frictionduetotheconcreteshrinkage 钢筋与混凝土表面凹凸不平的机械咬合力 Micro mechanicallocking 1 3BondbetweenConcreteandReinforcement 第1章钢筋混凝土材料的物理力学性能 三 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 带肋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 1 3BondbetweenConcreteandReinforcement 第1章钢筋混凝土材料的物理力学性能 若有环向箍筋约束混凝土的变形 纵向劈裂裂缝的发展受到限制 最后钢筋沿肋外径的圆柱面出现整体滑移 发生刮犁式破坏 剪切破坏 3 影响粘结强度的因素 混凝土的强度 横向配筋的数量 钢筋的外形 混凝土的保护层厚度及钢筋间距 锚固区的横向压力 受力状态 1 3BondbetweenConcreteandReinforcement 第1章钢筋混凝土材料的物理力学性能 四 钢筋的锚固 连接与延伸 锚固 通过钢筋埋置段或机械措施将钢筋所受的力传给混凝土 受拉钢筋锚固长度 AnchorageLength 1 3BondbetweenConcreteandReinforcement 带肋钢筋在锚固区的间距大于180mm 混凝土保护层厚度大于钢筋直径的3倍或大于80mm 且配有箍筋时 可取 施工中易受扰动的钢筋 滑模施工 取 第1章钢筋混凝土材料的物理力学性能 锚固长度的修正 直径大于25mm的带肋钢筋 取 原则 1 3BondbetweenConcreteandReinforcement 附录4表2 因我国生产的带肋钢筋横肋的相对高度随钢筋直径的增大而减小 第1章钢筋混凝土材料的物理力学性能 锚固长度的修正 1 3BondbetweenConcreteandReinforcement 构件顶层水平钢筋 其下浇筑的新混凝土厚度大于1m时 取1 2la 环氧树脂涂层带肋钢筋取1 25la 第1章钢筋混凝土材料的物理力学性能 修正后的锚固长度 依靠钢筋自身的性能无法满足锚固要求 采用附加锚固形式 附加锚固的形式 1 3BondbetweenConcreteandReinforcement 第1章钢筋混凝土材料的物理力学性能 1 3BondbetweenConcreteandReinforcement 第1章钢筋混凝土材料的物理力学性能 连接Lapsplices 1 3BondbetweenConcreteandReinforcement 原则 1 接头应尽量设置在受力较小处 2 在同一钢筋上宜少设连接接头 3 同一构件相邻纵向受力钢筋的绑扎搭接接头宜相互错开 4 在钢筋连接区域应采取必要构造措施 如适当增加混凝土保护层厚度或调整钢筋间距 保证连接区域的配箍 以确保对被连接钢筋的约束 避免连接区域的混凝土纵向劈裂 通过绑扎搭接 焊接或机械连接 将一根钢筋所受的力传给另一根钢筋 第1章钢筋混凝土材料的物理力学性能 钢筋搭接接头的错开要求 1 3BondbetweenConcreteandReinforcement 绑扎搭接连接 第1章钢筋混凝土材料的物理力学性能 1 3BondbetweenConcreteandReinforcement 纵向受拉钢筋绑扎搭接接头的搭接长度应根据位于同一连接区段内的钢筋搭接接头面积百分率按下列公式计算 式中 纵向受拉钢筋搭接长度修正系数 第1章钢筋混凝土材料的物理力学性能 1 3BondbetweenConcreteandReinforcement 受拉钢筋直径大于28mm 受压钢筋直径大于32mm时不宜采用绑扎搭接 轴心受拉及小偏心受拉构件的纵向钢筋 不应采用绑扎搭接 因构件截面较小且钢筋拉应力相对较大 为防止连接失效引起结构破坏等严重后果 直接承受动力荷载的钢筋混凝土构件 其纵向受拉钢筋不应采用绑扎搭接接头 避免接头区域的混凝土疲劳破坏而引起连接失效 任何情况下 纵向受拉钢筋绑扎搭接接头的搭接长度均不应小于300mm 纵向受压钢筋的受压绑扎搭接长度不应小于0 7 且不小于200mm 第1章钢筋混凝土材料的物理力学性能 1 3BondbetweenConcreteandReinforcement 焊接 对接 搭接 帮条焊接 纵向受力钢筋焊接接头连接区端的长度为35d d纵向受力钢筋的较大直径 且不小于500mm 凡接头中点位于该连接区段内的焊接接头均属于同一连接区段 位于同一连接区段内纵向受拉钢筋的焊接接头面积百分率不应大于50 受压钢筋接头不受此限制 第1章钢筋混凝土材料的物理力学性能 1 3BondbetweenConcreteandReinforcement 第1章钢筋混凝土材料的物理力学性能 1 3BondbetweenConcreteandReinforcement 第1章钢筋混凝土材料的物理力学性能 1 3BondbetweenConcreteandReinforcement 钢筋焊接及验收规程 JGJl8 003 J253 2003 Specificationforweldingandacceptanceofreinforcingsteelbars 第1章钢筋混凝土材料的物理力学性能 1 3BondbetweenConcreteandReinforcement 机械连接 钢筋机械连接通用技术规程 JGJ107 2003 Generaltechnicalspecificationformechanicalsplicingofbars 镦粗直螺纹钢筋接头 JG171 2005 Parallelthreadrebarsplicewithupsettingend 第1章钢筋混凝土材料的物理力学性能 1 3BondbetweenConcreteandReinforcement 机械连接 第1章钢筋混凝土材料的物理力学性能 1 3BondbetweenConcreteandReinforcement 机械连接 钢筋机械连接通用技术规程 JGJ107 2003 1 钢筋端部镦粗2 端部套丝3 用连接套筒对接钢筋 第1章钢筋混凝土材料的物理力学性能 1 3BondbetweenConcreteandReinforcement 第1章钢筋混凝土材料的物理力学性能 1 3BondbetweenConcreteandReinforcement 1 钢筋机械连接接头连接区段的长度为35d d纵向受力钢筋的较大直径 凡接头中点位于该连接区段长度内的机械连接接头均属于同一连接区段 2 在受拉钢筋受力较大处设置机械连接接头时 位于同一连接区段内的纵向受拉钢筋接头面积百分率不宜大于50 3 直接承受动力荷载的结构构件中的机械连接接头 除应满足设计要求的抗疲劳性能外 位于同一连接区段内的纵向受力钢筋接头面积百分率不应大于50 4 机械连接接头连接件的混凝土保护层厚度宜满足纵向受力钢筋最小保护层厚度的要求 连接件间的横向钢筋净间距不宜小于25mm 第1章钢筋混凝土材料的物理力学性能 Problemsfordiscussion 思考题 1 Listthefactorsaffectedthebondstrengthbetweentheconcreteandsteel 2 Definethetermofanchoragelengthofreinforcement 1 3BondbetweenConcreteandReinforcement 第1章钢筋混凝土材料的物理力学性能 小结 1 混凝土的强度有立方体抗压强度 轴心抗压强度和抗拉强度 结构设计中要用到轴心抗压强度和抗拉强度两个强度指标 立方体抗压强度及其标准值 混凝土强度等级 只用作材料性