混凝土结构材料的物理力学性能.ppt

第二章混凝土结构材料的物理力学性能 2 1混凝土的物理力学性能 2 1 1混凝土的组成结构混凝土结构的三种基本类型 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 未采取减措施 采取减摩措施后 2 1 2单轴应力状态下的混凝土强度 混凝土的抗压强度 1 混凝土抗压强度和强度等级1 立方体抗压强度 边长为150mm的混凝土立方体试件 在标准条件下 温度为20 3 湿度 90 养护28天 用标准试验方法 加载速度0 15 0 3n mm2 s 两端不涂润滑剂 测得的具有95 保证率的抗压强度 是混凝土强度的基本指标和评定混凝土强度等级的标准 规范 根据强度范围 共划分为14个强度等级 c15 c20 c25 c30 c35 c40 c45 c50 c55 c60 c65 c70 c75 c80 表示混凝土concrete 立方体抗压强度 2 1混凝土的物理力学性能 2 1混凝土的物理力学性能 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 b 加载速度 速度快强度高 速度慢强度低 2 1混凝土的物理力学性能 2 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 轴心抗压强度真实反映以受压为主的混凝土结构构件的抗压强度 为消除端部约束的影响 随着高宽比的增加 混凝土的轴心抗压强度会降低 2 1混凝土的物理力学性能 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 规定轴心抗压强度标准值和立方体抗压强度标准值的换算关系 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 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 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 fcu k 立方体强度标准值 2 1混凝土的物理力学性能 2 轴心抗拉强度确定方法 轴心受拉试验和劈裂试验 约为立方体抗压强度的1 17 1 8 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 劈裂试验fts 2 1混凝土的物理力学性能 复合应力状态下混凝土的强度 双向受压时 混凝土抗压强度大于单向 双向受拉时 混凝土抗拉强度接近于单向 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 由于剪应力的存在 混凝土抗压强度低于单向 由于压应力的存在 混凝土抗剪强度有限增加 双向应力状态下混凝土的破坏包络图 2 1混凝土的物理力学性能 法向应力和剪应力下的破坏曲线 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 2 1混凝土的物理力学性能 三向受压时的混凝土强度 圆柱体试验 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 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混凝土的物理力学性能 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 温差即湿差产生的 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 c b d e fc 0 0 a cu oa 弹性阶段 a 0 3fc ab 弹塑性阶段 0 3fc 0 8fc裂缝稳定阶段 bc 裂缝不稳定阶段 0 8fc 1 0fc 2 1混凝土的物理力学性能 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混凝土的物理力学性能 2 混凝土单轴向受压应力 应变曲线的数学模型 美国e hognestad模型 上升段为二次抛物线 下降段为斜直线 2 1混凝土的物理力学性能 德国r sch模型 上升段为二次抛物线 下降段采用水平线 2 1混凝土的物理力学性能 3 三向受压状态下混凝土的受力特点受力特点 侧压力越大 变形能力好 强度越高 工程意义 设置密排箍筋间接产生侧压力 2 2 2 2 2 1混凝土的物理力学性能 4 混凝土的变形模量由于混凝土的弹塑性性质 模量是一个变数 通常有三种表示方法 1 弹性模量 切线模量 通过重复加载的方式确定 2 1混凝土的物理力学性能 2 变形模量 割线模量 3 切线模量 c ela pla k c c ela pla h 割线 切线 2 1混凝土的物理力学性能 2 荷载长期作用下混凝土的变形性能徐变 在长期不变的荷载作用下 结构或构件产生的应变或变形 2 1混凝土的物理力学性能 影响徐变的因素 a 应力 荷载 大小 应力大时 徐变大 c0 8fc造成混凝土破坏 不稳定 b 加载时的龄期 龄期早 徐变大 c 其它 水泥用量 水灰比 骨料 温度以及湿度 徐变对结构的影响 a 使结构产生应力重分布 b 使预应力产生损失 2 1混凝土的物理力学性能 3 混凝土的疲劳 1 疲劳破坏 荷载重复作用引起的破坏 2 疲劳强度 荷载重复作用下使应力应变曲线始终保持密合直线的最大应力值 混凝土在荷载重复作用下的应力 应变曲线 混凝土的疲劳强度 3 疲劳强度测定通过疲劳试验测定 采用100mm 100mm 300mm或150mm 150mm 450mm的楞柱体 能承受200万次或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 4 影响疲劳强度的主要因素重复作用时应力变化的幅度 即疲劳应力比值 疲劳强度随疲劳应力比值的增大而增大 截面同一纤维上混凝土最小及最大应力 2 1混凝土的物理力学性能 4 混凝土的收缩与膨胀混凝土的收缩 混凝土在空气中硬化时体积会缩小 影响混凝土收缩的因素 水泥的品种 水泥强度等级越高 制成的混凝土收缩越大 水泥的用量 水泥用量多 水灰比越大 收缩越大 骨料的性质 骨料弹性模量高 级配好 收缩就小 养护条件 干燥失水及高温环境 收缩大 混凝土制作方法 混凝土越密实 收缩越小 使用环境 使用环境温度 湿度越大 收缩越小 构件的体积与表面积比值 比值大时 收缩小 混凝土的膨胀 混凝土在水中硬化时体积会增大 2 2钢筋的物理力学性能 2 2 1钢筋的种类1 钢筋的分类 1 根据化学成分 碳素钢 低碳钢 中碳钢及高碳钢 特点 随着含碳量的增加 强度提高 脆性增加 普通低合金钢 为改善碳素钢的力学特性 加入少量合金元素 2 根据生产工艺 热轧钢筋 在高温下直接轧制成型 如碳素钢和普通低合金 热处理钢 将热轧钢经过调质 加热 淬火和回火 主要是提高强度 而降低塑性不多 冷加工钢筋 将普通热轧钢筋在常温下进行冷拉或冷拔 2 2钢筋的物理力学性能 热轧钢筋 热轧光面钢筋hpb235 热轧带肋钢筋hrb335 hrb400 余热处理钢筋rrb400 冷拉钢筋 由热轧钢筋在常温下用机械拉伸而成 热处理钢筋 将hrb400 rrb400钢筋通过加热 淬火 回火而成 碳素钢丝 高碳镇静钢通过多次冷拔 应力消除 矫正 回火处理而成 刻痕钢丝 在钢丝表面刻痕 以增强其与混凝土间的粘结力 钢绞线 六根相同直径的钢丝成螺旋状铰绕在一起 冷拔低碳钢丝 由低碳钢冷拔而成 钢筋 钢丝 2 2钢筋的物理力学性能 3 根据钢筋外型 a 柔性钢筋 普通钢筋 a 光圆钢筋 表面是光滑的 b 变形钢筋 表面有肋 如月牙肋等 c 习惯上 直径大于4mm称为钢筋 小于或等于4mm称为钢丝 b 劲性钢筋 型钢 钢轨及其组合 2 2钢筋的物理力学性能 钢筋的级别 级钢 a hpb235 强度标准值为235n mm 级钢 hrb335 b 强度标准值为335n mm 级钢 hrb400 c 强度标准值为400n mm 冷加工钢筋 1 冷拉加工方法 在常温下将钢筋拉伸至屈服 然后卸载 力学性质 经过一段时间后 再次拉伸时 其屈服强度将增大 但塑性降低 时效硬化 被拉伸至屈服点 经过一段时间后 屈服强度增加的现象 2 2钢筋的物理力学性能 2 冷拔a 加工方法 在常温下将钢筋拔过比其自身直径还小的硬质合金拔丝模拉伸至屈服 b 力学性质 经过一段时间后 再次拉伸或压缩时 其屈服强度将增大 但塑性降低 2 2钢筋的物理力学性能 2 2 2钢筋的强度与变形有明显屈服点的钢筋 无明显屈服点的钢筋 oa 弹性阶段 a 比例极限 b 屈服强度 cd 强化阶段 d 极限强度 de 颈缩阶段 0 2 条件屈服强度 2 2钢筋的物理力学性能 1 钢筋屈服强度的取值 1 软钢 取其屈服下限 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 2 钢筋的变形力学指标 伸长率和冷弯性伸长率 钢筋拉断后的伸长值与原长的比率 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 冷弯性能 以弯心直径和冷弯角度来衡量 2 2钢筋的物理力学性能 2 2 3钢筋应力 应变曲线的数学模型1 双直线 完全弹塑性 2 三折线 完全弹塑性 硬化 2 2钢筋的物理力学性能 2 2 4钢筋的疲劳钢筋的疲劳 钢筋在承受重复 周期动荷载作用下 经过一定次数后 从塑性破坏的性质转变成脆性突然断裂的现象 重复荷载作用下 钢筋的强度 静载作用下的强度疲劳强度 规定的应力幅度内 经一定次数的重复荷载后 发生疲劳破坏的最大应力值 疲劳应力幅 疲劳强度的确定原则 单根钢筋轴拉试验 满足200万次循环荷载条件下的钢筋最大应力幅值 疲劳应力比 构件疲劳时 同一层钢筋的最大应力 最小应力 2 2钢筋的物理力学性能 2 2 5混凝土结构对钢筋性能的要求1 钢筋强度 要求钢筋有足够的强度和适宜的强屈比 极限强度与屈服强度的比值 例如 对抗震等级为一 二级的框架结构 其纵向受力钢筋的实际强屈比不应小于1 25 2 钢筋的塑性 要求钢筋应有足够的变形能力 3 钢筋的可焊性 要求钢筋焊接后不产生裂缝和过大的变形 焊接接头性能良好 4 钢筋与混凝土的粘结力 要求钢筋与混凝土之间有足够的粘结力 以保证两者共同工作 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 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 锚固粘结 保证钢筋和混凝土共同工作 缝间粘结 改善钢筋混凝土的耗能性能 2 3混凝土与钢筋的粘结 2 3 2粘结力的组成1 光圆钢筋的粘结作用主要由三部分组成 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 变形钢筋与混凝土之间的机械咬合作用主要是由于变形钢筋肋间嵌入混凝土而产生的 2 3混凝土与钢筋的粘结 2 3 3粘结强度 直接拔出试验 弯曲拔出试验 式中n 钢筋的拉力 钢筋的直径 粘结的长度 2 3混凝土与钢筋的粘结 2 3 4影响粘结的因素影响钢筋与混凝土粘结强度的因素很多 主要有混凝土强度 保护层厚度及钢筋净间距 横向配筋及侧向压应力 以及浇筑混凝土时钢筋的位置等 光圆钢筋及变形钢筋的粘结强度都随混凝土强度等级的提高而提高 但不与立方体强度成正比 变形钢筋能够提高粘结强度 钢筋间的净距对粘结强度也有重要影响 横向钢筋可以限制混凝土内部裂缝的发展 提高粘结强度 在直接支撑的支座处 横向压应力约束了混凝土的横向变形 可以提高粘结强度 浇筑混凝土时钢筋所处的位置也会影响粘结强度 2 3混凝土与钢筋的粘结 2 3 5钢筋的锚固与搭接1 保证粘结的构造措施 1 对不同等级的混凝土和钢筋 要保证最小搭接长度和锚固长度 2 为了保证混凝土与钢筋之间有足够的粘结 必须满足钢筋最小间距和混凝土保护层最小厚度的