混凝土结构材料的物理力学性能.ppt

1 第2章混凝土结构材料的物理力学性能 基本要求1 掌握混凝土的强度和变形性能 2 了解钢筋的品种 理解软钢和硬钢的应力 应变关系3 掌握钢筋与混凝土的粘结性能 钢筋混凝土结构是由钢筋和混凝土两种性质完全不同的材料组成 钢筋混凝土结构的计算理论 计算公式都与这两种材料的物理力学性能相关 2 2 1混凝土的物理力学性能 2 1 1单轴向应力状态下混凝土的强度混凝土构件一般处于多轴向应力状态下 单向受力状态下混凝土的强度指标 是进行钢筋混凝土结构构件强度分析 建立强度理论公式的重要依据 为分析问题方便 先讨论单轴向应力状态下的混凝土强度 混凝土强度值的大小与采用的水泥强度等级 水灰比 骨料的性质 制作方法 养护条件 龄期 试件的大小和形状 试验方法和加载速率等有很大的关系 1 混凝土的立方体抗压强度 3 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 原因 1 混凝土的立方体抗压强度和强度等级A 立方体抗压强度的物理意义 混凝土强度的基本指标和评定混凝土强度等级的标准B 确定混凝土立方体抗压强度的标准方法a 标准试件 150mm 150mm 150mm的立方体 b 标准制作条件 在温度 20 3 C和相对湿度90 以上的环境下 养护28天 4 c 标准试验方法 试件表面不涂润滑剂 均匀加载和匀速加 静 载 通常加载速率为混凝土强度小于C30时 取每秒钟0 3 0 5N mm2 等于或高于C30时取0 5 0 8N mm2 d 单位 N mm 压力 试件 裂缝发展 扩张 整个体系解体 丧失承载力 试块 承压板 5 C 强度等级a 确定方法 采用混凝土的立方体抗压强度 b 数值确定 具有95 的保证率 c 工程符号 N mm 简写形式为C d 规范 的等级范围 C15 C80 共14级 级差为5N mm2e 应用范围 C15 C45为普通混凝土 适用于一般的混凝土结构C50 C80为高强混凝土 适用于高层结构和预应力混凝土构件 6 D 试验方法对立方体抗压强度的影响a 试件表面是否涂润滑剂 不涂时强度高 涂后强度底 其主要原因是由于 套箍 作用 且破坏形态不一样 见图 不涂润滑剂涂润滑剂b 加载速度 速度快强度高 速度慢强度低 7 另影响强度的因素还有 龄期 养护条件 试块尺寸等 试块尺寸 尺寸效应 小尺寸强度高 大尺寸强度低 非标准试块 100 100 100换算系数0 95200 200 200换算系数1 052 混凝土的轴心抗压强度A 确定混凝土轴心抗压强度的标准方法a 标准试件 150mm 150mm 300mm的棱柱体 b 其余同混凝土立方体抗压强度的标准方法 c 工程符号 N mm 8 对于同一混凝土 棱柱体抗压强度小于立方体抗压强度 B 关于的讨论a 高宽比 随着高宽比的增加 会降低 但高宽比为2 3时 会稳定 b 考虑到实际结构构件制作 养护和受力情况 实际构件强度与试件强度之间存在差异 规范 基于安全取偏低值 混凝土立方体抗压强度与轴心抗压强度的关系 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 2 3 9 c1棱柱体强度与立方体强度之比 对不大于C50级的混凝土取0 76 对C80取0 82 其间按线性插值 c2为高强混凝土的脆性折减系数 对C40及以下取1 0 对C80取0 87 中间按直线规律变化取值 3 混凝土的轴心抗拉强度 基本力学特征之一 构件抗剪 抗裂 抗扭 抗冲切计算中需采用 1 确定方法 轴心拉伸试验 劈裂试验 弯折试验a 轴心拉伸试验 10 缺点 钢筋不容易对中 混凝土质量不均匀 几何中心与质量中心不相一致 安装试件不可避免有较小的歪斜和偏心 对试验结果有较大影响b 劈裂试验 立方体或圆柱体试件 11 试验表明 同一品质的混凝土 劈裂强度值略大于直接拉伸强度值 劈裂试件的大小对试验结果也有影响 2 由下图可知 混凝土轴心抗拉强度约为立方体抗压强度的1 17 1 8 且混凝土强度等级越高 比值越小 混凝土轴心抗拉强度与立方体抗压强度的关系 12 规范 考虑构件与试件的差别 尺寸效应 加载速度的影响 并考虑了从普通强度混凝土到高强度混凝土的变化规律 取ftk与fcu K的关系为 3 在荷载较小时 混凝土即开裂 所以混凝土结构一般带裂缝工作 混凝土轴心抗拉强度不起决定作用 2 1 2复合应力状态下混凝土的强度1 关于双向应力状态下的强度变化规律 1 双向受压时 混凝土抗压强度大于单向 最多可增加27 2 双向受拉时 混凝土抗拉强度接近于单向 3 一向受压和一向受拉时 其抗拉 抗压 强度均低于相应的单向强度 13 14 构件受剪或受扭时常遇到剪应力 和正应力 共同作用下的复合受力情况 混凝土的抗剪强度 1 随拉应力增大而减小 2 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 15 3 剪应力的存在降低混凝土的抗压和抗拉强度 2 关于三向受压状态下的强度变化规律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 有侧向约束时的抗压强度 无侧向约束时圆柱体的单轴抗压强度 16 结论 三向受压状态下的混凝土抗压强度大于双向和单向 侧压力的存在还会提高混凝土的延性 17 18 2 1 3混凝土的变形变形的分类 受力变形 荷载产生的 体积变形 收缩 温差和湿差产生的 1 一次短期加载下混凝土的变形性能 1 混凝土受压时的应力 应变关系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 19 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 20 21 曲线分为上升段 OC 和下降段 CF 1 上升段 OC 可分为三段a OA段 混凝土的变形主要弹性变形 应力 应变关系近似直线 在卸载后应变将重新恢复到零 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点称为比例极限点 b AB段 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 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 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 B称为临界点 22 c BC段 应变增长速度明显加快 混凝土处于裂缝快速不稳定发展阶段 C点为混凝土受压应力达到最大时的应力值 称为混凝土的轴心抗压强度 C点的纵向应变值称为峰值应变e0 约为0 002 2 下降段CF a CD段 裂缝迅速发展 出现主裂缝 内部结构破坏严重 应力快速下降 应变还在增长 应力 应变曲线向下弯曲 直到凹向发生变化 出现拐点D b DE段 曲线开始凸向应变轴 混凝土内部结构处于磨合和调整阶段 主裂缝宽度进一步增大 最后只依赖骨料间的咬合力和摩擦力来承受荷载 曲线中出现收敛点E 曲率最大的一点 c EF段 收敛段 主裂缝宽度快速增大而完全破坏了混凝土内部结构 23 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 峰点越高 峰值应变也有所增大 下降段越陡 单位应力幅度内应变越小 延性越差 24 2 混凝土单轴向受压应力 应变曲线的数学模型A 美国E Hognestad模型 上升段为二次抛物线 下降段为斜直线 用于美国ACI规范 图2 11 25 B 德国R sch模型 上升段为二次抛物线 下降段采用水平线 被欧盟和中国国家规范参考 图2 12 26 C 我国 规范 模型 上升段为抛物线 下降段采用水平线 当处于轴心受压取为 0 27 3 三向受压状态下混凝土的变形特点A 变形特点 侧压力越大 变形能力越好 强度也高 B 工程意义 设置密排箍筋或螺旋筋间接产生侧压力 4 混凝土的变形摸量由于混凝土的弹塑性性质 其模量是一个变数 通常有三种表示方法 A 弹性模量 原点模量 EC 在应力应变曲线上 过原点作该曲线的切线 其斜率即为混凝土的弹性模量 通常通过重复加载的方式确定 28 5 10次 此线和原点切线基本平行 取其斜率作为Ec 注意 能否用已知的混凝土应变乘以规范中所给的弹性模量值求混凝土的应力 混凝土强度越高 弹性模量越大 29 2 变形模量 割线模量 E C 连接O点至曲线任一点应力为 C处割线的斜率即E C tg 1 C C又 C ela pla 弹性系数 ela C 则 k c c ce cp h 30 3 切线模量E C 在应力 应变曲线上任取一点并作该点的切线 其斜率即为混凝土的切线模量 即E C tg E C也是一个变数 随应力的增大而减小 对不同强度等级的混凝土 在应变相同的情况下 强度越高 切线模量越大 5 混凝土轴向受拉时的应力 应变关系 略 E C tg 1 C C C ela ela C EC 随某点应力的增大而减小 故割线模量是一个随应力不同而异的变数 在同样应变条件下 混凝土强度越高 割线模量越大 31 2 荷载长期作用下混凝土的变形性能 1 徐变 结构或材料承受的荷载或应力不变 而应变或变形随时间增长的现象 32 2 线性徐变 当应力较小时 徐变与应力近似成正比 随时间可以稳定 不再发展 即具有收敛性 3 非线性徐变 当应力较大时 徐变变形不与应力成正比 徐变变形比应力增长要快 注意 混凝土构件在使用期间 应避免经常处于高应力状态 4 引起徐变的原因 一是混凝土中尚未完全水化的水泥凝胶体在荷载作用下的粘性流动引起应力重分布 在应力较小时 以这一原因为主 由此产生的变形一部分可恢复 二是混凝土内部的微裂缝在荷载作用下不断发展增加导致应变增加 由此产生的变形 一般不可恢复 应力较大时 以此原因为主 33 5 影响徐变的因素 A 应力 荷载 大小 应力大时 徐变大 持续时间越长 徐变越大 B 内在因素 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 水泥用量越大 徐变越大 受荷龄期越长 徐变越小 C 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 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 构件的体表比越大 徐变越小 34 6 徐变对结构的影响A 使构件的变形增加 B 在截面中引起应力重分布 C 在预应力混凝土结构中引起预应力损失 2 1 4混凝土的疲劳 35 1 疲劳破坏 荷载重复作用引起的破坏 如一次加荷应力小于混凝土疲劳强度 其加荷 卸荷的应力 应变曲线形成了一个环状 在多次加荷 卸荷作用下 应力 应变环越来越闭合 最后闭合成一条直线 如一次加荷应力大于混凝土疲劳强度 则其加卸载不能再形成闭合环 至荷载重复到某一定次数时 构件会因严重开裂或变形过大而破坏 2 疲劳强度 混凝土的疲劳强度由疲劳试验测定 采用100mm 100mm 300mm或着150mm 150mm 450mm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 36 3 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减小而增大 我国 规范 规定 混凝土的疲劳强度设计值按混凝土的强度设计值乘以相应的疲劳修正系数确定 详见 规范 4 1 6条 37 混凝土的选用原则 考虑材料力学性能 耐久性能 施工性能 经济性等方面 按 规范 要求选用 规范 4 1 2素混凝土结构的混凝土强度等级不应低于C15 钢筋混凝土结构的混凝土强度等级不应低于C20 采用强度等级400MPa及以上的钢筋时 混凝土强度等级不应低于C25 预应力混凝土结构的混凝土强度等级不宜低于C40 且不应低于C30 承受重复荷载的钢筋混凝土构件 混凝土强度等级不应低于C30 38 2 2钢筋的物理力学性能2 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 a 光圆钢筋 b 螺旋纹钢筋 c 人字纹钢筋 d 月牙纹钢筋 39 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 40 2 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 分级原则 牌号2 具体分级 HPB300 强度标准值为300N mm HRB335 HRBF335强度标准值为335N mm HRB400 HRBF400 RRB400 强度标准值为400N mm HRB500 HRBF500 强度标准值为500N mm 41 2 2 3钢筋的强度与变形1 钢筋屈服强度的取值 1 软钢 取其屈服下限 42 2 硬钢 取其极限抗拉强度的85 称为条件屈服点 3 结构设计时 用钢筋的屈服强度进行计算 其极限抗拉强度作为安全储备 0 2 0 2 43 2 钢筋的变形 力学指标为最大力下的总伸长率和冷弯性能 钢筋除需有足够的强度外 还应具有一定的塑性变形能力 钢筋的塑性通常用最大力下的总伸长率和冷弯性能两个指标来衡量 1 伸长率 钢筋拉断后的伸长与原长的比值 伸长率 2 最大力下的总伸长率 均匀伸长率 44 均匀伸长率既能反映钢筋的残余变形 又能反映钢筋的弹性变形 量测结果受原始标距L0的影响较小 也不易产生人为误差 45 2 冷弯是将直径为d的钢筋绕直径为D的钢辊 弯成一定的角度无裂纹 断裂及起层现象 就表示合格 46 2 2 4钢筋本构关系 1 双直线 完全弹塑性 流幅较长的低强钢材 为我国采用 47 2 三折线 完全弹塑性 硬化 流幅较短软钢 48 3 双斜线 弹塑性 适用无明显流幅的高强钢筋或钢丝的应力 应变曲线 49 2 2 5钢筋的疲劳2 2 6混凝土结构对钢筋性能的要求1 较高的强度 2 良好的塑性 3 良好的可焊性 4 机械连接性能5 施工适应性6 钢筋与混凝土良好的粘结力 50 钢筋的选用原则 规范 4 2 11 纵向受力普通钢筋宜采用HRB400 HRB500 HRBF400 HRBF500钢筋 也可采用HPB300 HRB335 HRBF335 RRB400钢筋 2 梁 柱纵向受力钢筋应采用HRB400 HRB500 HRBF400 HRBF500钢筋 3 箍筋宜采用HRB400 HRBF400 HPB300 HRB500 HRBF500钢筋 也可采用HRB335 HRBF335钢筋 4 预应力筋宜采用预应力钢丝 钢绞线和预应力螺纹钢筋 51 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 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 52 2 3混凝土与钢筋的粘结2 3 1粘结的意义 粘结和锚固是钢筋和混凝土形成整体 共同工作的基础 1 粘结应力 若钢筋与混凝土有相对变形 滑移 就会在钢筋与混凝土交界面上产生沿钢筋轴线方向的相互作用力 剪应力 a 锚固粘结应力 b 裂缝间的局部粘结应力 53 2 局部粘结应力 开裂截面之间存在3 锚固粘结应力 支座处2 3 2粘结力的组成1 组成 1 钢筋与混凝土接触面上的化学吸附作用力 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 该力即消失 混凝土收缩握裹钢筋而产生的摩阻力 钢筋表面凹凸不平与混凝土之间产生的机械咬合作用力 咬合力 对于光圆钢筋 这种咬合力来自于表面的粗糙不平 2 光圆钢筋与变形钢筋粘结机理的差别光圆钢筋 胶结力 摩阻力变形钢筋 机械咬合作用力 摩阻力 54 2 3 3粘结强度的测定1 直接拔出试验 2 半梁弯曲拔出试验 55 计算公式 式中N 钢筋的拉力 钢筋的直径 粘结的长度 56 不同强度混凝土的粘结应力和相对滑移