混凝土结构设计原理ch混凝土PPT课件.ppt

混凝土是由水泥 水 骨料按一定比例配合 经过硬化后形成的人工石 其为多相复合材料 其质量的好坏与材料 施工配合比 施工工艺 龄期 环境等诸多因素有关 1 2混凝土 1 2 1混凝土的组成结构 强度等级用符号C表示 如 C30表示fcu k 30N mm2 30MPa 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 C50以上为高强混凝土 1 2 2混凝土的强度性能 混凝土结构中 主要利用它的抗压强度 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 混凝土的强度等级用立方体抗压强度来划分 用边长150mm立方体标准试件 在标准条件下 20 3 90 湿度 养护28天 用标准试验方法 加载速度0 3 0 5N mm2 sec 两端不涂润滑剂 测得的具有95 保证率的立方体抗压强度 混凝土的抗压强度 混凝土强度等级 立方体抗压强度fcu k 不同的试验方法对fcu k有较大的影响 承压板与试件间不涂油 由于摩擦力形成 箍 的作用 试验强度偏高 承压板与试件间涂油 箍 的作用减小 试验强度偏低 试验方法和非标试件的强度折算 非标准试件的强度折算 轴心抗压强度采用棱柱体试件测定 用符号 fc 表示 轴心抗压强度fc 棱柱体强度 实际工程中混凝土的制作 养护差 混凝土的长期强度比短期强度低 c1和 c2值 混凝土抗拉强度用符号ft表示 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 2 轴心抗拉强度ft 轴心抗拉强度与立方体抗压强度的折算系数 试验离散性的影响系数 混凝土的轴心抗拉强度远小于抗压强度 一般为 1 8 1 20 fcu 且与fcu不成线性关系 fcu越大 ft fcu值越小 两者关系见图及公式 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拉试验测定混凝土的劈裂抗拉强度 fc fcu 不涂润滑剂 3 混凝土破坏机理 试件承压面不涂润滑剂 横向变形受承压面上的摩擦力约束 处于三向受压应力状态 立方体试件由于高宽比小 所受影响较大 棱柱体试件高宽比较大 中部变形不受约束 基本处于单向均匀受压 故抗压强度低于立方体试件 所以 当混凝土的横向变形受到约束 其抗压强度可以得到提高 原因与混凝土的破坏机理有关 试验证实了混凝土在受力前就存在初始微裂缝 都出现在较大粗骨料的界面 开始受力后直到极限荷载 混凝土内的微裂缝逐渐增多和扩展 可以分作3个阶段 混凝土内部的破坏过程 混凝土内部的破坏过程 1 微裂缝相对称定期 max 0 3 0 5 这时混凝土的压应力较小 虽然有些微裂缝的尖端因应力集中而沿界面略有发展 也有些微裂缝和间隙因受压而有些闭合 对混凝土的宏观变形性能无明显变化 即使荷载的多次重复作用或者持续较长时间 微裂缝也不致有大发展 残余变形很小 混凝土内部的破坏过程 2 稳定裂缝发展期 max 0 75 0 9 混凝土应力增大后 原有的粗骨料界面裂缝逐渐延伸和增宽 又出现新的粘结裂缝 一些界面裂缝伸展逐渐地进入水泥砂浆 或砂浆中原有缝隙处的应力集力将砂浆拉断 这一阶段 混凝土内微裂缝发展较多 变形增长较大 但是 当荷载不再增大 微裂缝的发展亦将停滞 裂缝形态保持基本稳定 故荷载长期作用下 混凝土的变形将增大 但不会提前过早破坏 混凝土内部的破坏过程 3 不稳定裂缝发展期 max 0 75 0 9 混凝土在高应力作用下 粗骨料的界面裂缝突然加宽和延伸 水泥砂浆中的已有裂缝也加快发展 并和相邻的粗骨料界面裂缝相连 这些裂缝逐个连通 构成大致平行于压应力方向的连续裂缝 这一阶段的应力增量不大 而裂缝发展迅速 变形增长大 即使应力维持常值 裂缝仍将继续发展 不再能保持稳定状态 纵向的通缝将试件分隔成数个小柱体 承载力下降而导致混凝土的最终破坏 4 复杂应力下混凝土的受力性能 双轴应力状态BiaxialStressState 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 约为 1 25 1 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 象限 混凝土双轴受力强度 1 fc 2 fc 复杂应力下混凝土的受力性能 双轴应力状态BiaxialStressState 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 象限 混凝土双轴受力强度 1 fc 2 fc 复杂应力下混凝土的受力性能 双轴应力状态BiaxialStressState 在双轴受拉状态下 则不论应力比多大 抗拉强度均与单轴抗拉强度接近 象限 混凝土双轴受力强度 1 fc 2 fc 混凝土的抗剪强度 随拉应力增大而减小随压应力增大而增大当压应力在0 6fc左右时 抗剪强度达到最大 压应力继续增大 则由于内裂缝发展明显 抗剪强度将随压应力的增大而减小 混凝土在法向应力和剪应力的作用下得复合强度 三轴应力状态TriaxialStressState 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 三轴应力状态TriaxialStressState 我国 规范 规定 在三轴受压应力状态下 混凝土的抗压强度 f3 可根据应力比 1 3按图插值确定 其最高强度值不宜超过单轴抗压强度的5倍 三轴应力状态TriaxialStressState 对于纵向受压混凝土 如采用螺旋箍筋柱 钢管混凝土柱能有效约束混凝土的侧向变形 不仅可提高混凝土强度 也可显著增加混凝土变形能力 有利于提高混凝土结构的抗震性能 2 2 3混凝土的变形性能 测试方法 用棱柱体或圆柱体 加装伺服装置的压力机 这时试件中部处于纯压状态 可反映混凝土的实际变形 在试件中部设置应变计 据所施加的压力和量测的应变可得出 关系曲线 与荷载无关的变形性能 体积变形 混凝土的变形性能 与荷载有关的变形性能 2 2 3 1与荷载有关的变形性能1 单轴 单调 受压应力 应变关系Stress strainRelationship 2 关系曲线描述 c 0 3 0 4 fc 线弹性 变形可恢复 微裂缝无发展 曲线逐渐变弯曲 为裂缝稳定发展 卸载后 变形不能全部恢复 内部微裂缝发展贯通 0 3fc c 0 8fc 0 8fc c fc 上升段 OA AB BC c fc 0 0 002 为曲线拐点 破坏发生本质变化的分界点 cu 0 003 0 005 下降段 C点 D点 E点 当应力达到峰值点C后 曲线开始下降 在下降段 曲线渐趋平缓 为收敛点 裂缝很宽 结构内聚力耗尽 对无侧向约束的混凝土已失去结构意义 2 关系曲线描述 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 变形小 延性差 由图可见 不同强度等级的混凝土 其上升段较陡峭 形状差不多 不同强度等级的混凝土 其下降段不一样 低强混凝土 较平缓 表明变形能力大 延性好 3 混凝土的弹性模量ElasticModulus 弹性模量测定方法 4 混凝土受拉应力 应变关系 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 但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 5 混凝土的徐变Creep 不利影响 有利影响 在应力 0 5fc 作用瞬间 首先产生瞬时弹性应变eela 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 70 80 以后增长逐渐缓慢 2 3年后趋于稳定 这就是混凝土的徐变应变ecr 徐变与时间的关系 徐变与时间的关系 如在时间t卸载 则会产生瞬时弹性恢复应变e ela 由于混凝土弹性模量随时间增大 故弹性恢复应变e ela小于加载时的瞬时弹性应变eela 再经过一段时间后 还有一部分应变e ela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e cr 影响徐变的因素 混凝土的组成材料 即混凝土的组成和配比 骨料的刚度 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 受荷前养护的温湿度越高 水泥水化作用越充分 徐变就越小 采用蒸汽养护可使徐变减少 20 35 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 一般认为 水泥凝胶体的粘性流动 微裂缝在长期荷载作用下的发展 徐变产生的原因 压应力大小 是指初应力sela fc的水平 它是影响徐变的非常主要的因素 当初应力sela在 0 5 0 8 fc范围时 徐变最终虽仍收敛 但最终徐变与初应力sela不成比例 这种徐变称为非线性徐变 当初应力sela 0 8fc时 混凝土内部微裂缝的发展已处于不稳定的状态 徐变的发展将不收敛 最终导致混凝土的破坏 因此 将0 8fc作为混凝土的长期抗压强度 当初始应力sela fc 0 5时 徐变值与初应力基本上成正比 这种徐变称为线性徐变 构件的尺寸与形状构件单位体积的表面积越小 徐变也越小 加载龄期在加载时构件的龄期越长 水泥石中结晶体所占比例就越大 胶体的粘性流动相对就越小 徐变也越小 另外 高强混凝土密实性好 在相同的sela fc比值下 徐变比普通混凝土小得多 但由于高强混凝土承受较高的应力值 初始变形较大 故两者总变形接近 此外 高强混凝土线性徐变的范围可达0 65fc 长期强度约为0 85fc 也比普通混凝土大一些 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 在水中结硬时体积会膨胀 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 2 2 3 2与荷载无关的变形性能1 混凝土的收缩Shrinkage 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 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 2 5 10 4 混凝土开裂应变为 0 5 2 7 10 4 产生原因 水泥凝胶体在硬化过程中的凝缩 混凝土中的游离水蒸发 混凝土产生干缩 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 可采取一定措施减小收缩应力的不利影响 施工缝 影响因素 2 混凝土的温度变形 混凝土和其它材料一样 也会热胀冷缩 混凝土的温度线膨胀系数随骨料的性质和配合比不同而略有不同 以每摄氏度计 约为 1 0 1 5 10 5 规范 取为1 0 10 5 他与钢的线温度膨胀系数 1 2 10 5 相近 因此 当温度发生变化时 在混凝土和钢筋之间仅引起很小的内应力 不致产生有害的影响 但是 工程中混凝土的温度变形和收缩变形一样 其通常受到结构的某种约束 不能自由变形 这样将在混凝土内部产生应力 称为 强制应力 或 附加应力 当这种应力大于混凝土的抗拉强度 在混凝土结构中将产生裂缝 这是目前工程中经常出现的一个问题 应给与足够的重视 2 2 4混凝土和钢筋的粘结作用BondofConcreteandReinforcement 在钢筋混凝土结构中 钢筋和混凝土之所以能共同工作 主要原因在于钢筋与混凝土之间存在粘结力 粘结力 钢筋与外围混凝土之间的相互作用 保证钢筋和混凝土共同工作 例如 钢筋与混凝土无粘结的梁 ss 0 破坏犹如素混凝土梁 ss 常数 端部有锚固的无粘结梁 破坏犹如二铰拱 承受均布荷载的悬臂梁 其钢筋未锚入支座 钢筋不起任何作用 其破坏犹如素混凝土梁 承受均布荷载的悬臂梁 钢筋锚入支座 钢筋起承担拉力的作用 梁不会破坏 1 钢筋与混凝土的粘结性能 粘结的概念 以轴拉构件开裂前的受力为例 端部 s N As c 0 可见在端部两种材料有较大的应变差 中部 应变差为0 由上例可见 钢筋与混凝土间具有足够的粘结是保证钢筋与混凝土共同受力变形的基本前提 通过钢筋与混凝土界面的粘结应力 bondstress 可以实现钢筋与混凝土之间的应力传递 从而使两种材料可以结合在一起共同工作 粘结应力通常是指钢筋与混凝土界面间的剪应力 用符号 表示 钢筋混凝土构件中钢筋应力存在变化的区段 就有粘结应力 粘结应力的大小取决于钢筋与混凝土间的相对变形 这种变形又称为滑移 当无相对变形时 也就无粘结应力 开裂后 裂缝处混凝土退出工作 应力 c 0 同时混凝土将试图恢复弹性变形 裂缝处的混凝土与钢筋之间产生一个相对滑移 由于钢筋与混凝土之间存在粘结力 钢筋将阻止混凝土回弹 轴拉构件开裂后的受力情况 锚固粘结作用 粘结作用的分类 根据钢筋混凝土构件中钢筋受力情况的不同 粘结作用有两类 在支座部位 M较大 为保证支座截面正常工作 受力钢筋必须深入支座一定锚固长度 通过该长度上粘结力的积累 使钢筋在支座截面发挥作用 如锚固长度不够 将会导致粘结破坏 裂缝间 局部 粘结作用 钢筋的搭接也属于锚固粘结问题 钢筋与钢筋之间的拉力是通过钢筋与混凝土之间的粘结应力来传递的 所以搭接的钢筋必须有一定的搭接长度ll 才能保证钢筋内力的传递 使裂缝间的混凝土参加工作 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 混凝土收缩将钢筋握紧而产生的钢筋与混凝土间的摩擦力 钢筋表面凹凸不平与周围混凝土之间的机械咬合力 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 3 粘结的机理 由于光面钢筋表面的自然凹凸程度很小 机械咬合作用也不大 因此 光面钢筋与混凝土的粘结强度是较低的 为保证光面钢筋的锚固 通常需在钢筋端部弯钩 弯折或加焊短钢筋以阻止钢筋与混凝土间产生较大的相对滑动 光面钢筋的粘结锚固 对于光面钢筋 表面轻度锈蚀有利于增加摩擦力 但摩擦作用也很有限 将钢筋表面轧制出肋形成带肋钢筋 即变形钢筋 可显著增加钢筋与混凝土的机械咬合作用 从而大大增加了粘结强度 对于强度较高的钢筋 均需作成变形钢筋 以保证钢筋与混凝土间具有足够的粘结强度使钢筋的强度得以充分发挥 变形钢筋的粘结锚固 变形钢筋受力后 其凸出的肋对混凝土产生斜向挤压力 其水平分力使钢筋周围的混凝土轴向受拉 受剪 径向分力使混凝土产生环向拉力 轴向拉力和剪力使混凝土产生内部斜向锥形裂缝 环向拉力使混凝土产生内部径向裂缝 拔出试验Pullouttest 平均粘结强度tu 粘结破坏 钢筋拔出或混凝土劈裂 时钢筋与混凝土界面上的最大平均粘结应力 4 粘结强度BondStrength 影响粘结强度的主要因素Influencefactors 混凝土强度 光面钢筋和变形钢筋的粘结强度均随混凝土强度的提高而增加 但并不与立方体强度fcu成正比 而与抗拉强度ft成正比 混凝土强度 保护层厚度和钢筋净间距 横向配筋 钢筋表面和外形特征 受力情况及锚固长度 保护层厚度和钢筋净间距 对于变形钢筋 粘结强度主要取决于劈裂破坏 因此相对保护层厚度c d越大 混凝土抵抗劈裂破坏的能力也越大 粘结强度越高 同理 钢筋净距s与钢筋直径d