第二章钢筋和混凝土的力学性能案例.ppt

2020/5/14,混凝土的组成特点,混凝土水泥水骨料,水化过程长，性能需较长时间才能稳定,二、混凝土的物理力学性能,Concretecementwateraggregates,2020/5/14,Emphasis：thestrengthofconcrete,CubecompressivestrengthCylinder/PrismcompressivestrengthTensilestrengthConcretestrengthunderbi-axialortri-axialloads,二、混凝土的物理力学性能,2020/5/14,二、混凝土的物理力学性能,立方体抗压强度(CubeCompressiveStrength)fcu,1）单轴受力状态下混凝土的抗压强度,1.混凝土的强度StrengthofConcrete,温度：203湿度：90,2020/5/14,二、混凝土的物理力学性能,温度：203湿度：90,立方体抗压强度影响因素(Factorsthataffectthecubestrength),2020/5/14,影响一：润滑剂(grease),不涂润滑剂,涂润滑剂,套箍效应,二、混凝土的物理力学性能,立方体抗压强度影响因素(Factorsthataffectthecubestrength),Thefrictionbetweentheheadsofthetestingmachineandthespecimenofferssomelateralconstrainttorestrictthelateralexpansionofthespecimenunderpressure,sothespecimencantakeahighercompressivestrength.,2020/5/14,影响二：尺寸(Size),尺寸效应,标准试块150150150,1.05:1:0.95,二、混凝土的物理力学性能,2020/5/14,影响三：加载速度Thespeedoftesting,加载速度快，内部微裂纹来不及扩展，,实测强度提高,二、混凝土的物理力学性能,Thestressincreasesmorerapidlyduringthetest,thecompressivestrengthwillbehigher.,2020/5/14,二、混凝土的物理力学性能,fcu,k与平均值f和标准差f的关系为,:具有95保证率的抗压强度标准值(以N/mm2计),混凝土强度等级的选用：,采用强度等级400MPa及以上钢筋时,不应低于C25；,承受重复荷载构件的混凝土，不应低于C30；,预应力混凝土结构，不宜低于C40，且不应低于C30；,钢筋混凝土结构的混凝土强度等级不应低于C20。,素混凝土结构的混凝土强度等级不应低于C15。,混凝土的强度等级,2020/5/14,棱柱体抗压强度fcCylinder/Prismcompressivestrength,Standardspecimen:150150300mm,二、混凝土的物理力学性能,抗压强度与试件形状有关，实际构件往往是棱柱体，棱柱体抗压强度比立方体试件能更好地反映混凝土的实际抗压能力。中部横向变形不受端部摩擦力的约束，代表了混凝土处于单向全截面均匀受压的应力状态。,试验量测到fc值比fcu值小，并且棱柱体试件高宽比(即h/b)越大，它的强度越小。,真实反映混凝土的实际工作状态。,摆脱端部摩擦力的影响；试件不致失稳。,2020/5/14,fc与fcu的关系：,立方体抗压强度,脆性折减系数：C40以下：C80：,考虑实际构件的工作条件与试件所处条件的差异引入的修正系数,二、混凝土的物理力学性能,2020/5/14,轴心抗拉强度(axialtensilestrength)ft,2）单轴受力状态下混凝土的抗拉强度（Tensilestrength）,二、混凝土的物理力学性能,由于混凝土构件内部的不均匀性，加之安装试件偏差的原因，通过直接受拉试验测量抗拉强度是很困难的，试验数据离散性很大。,误差大难实现,2020/5/14,劈裂试验(Indirectsplittingtest)ft,s,二、混凝土的物理力学性能,根据弹性理论,试件中间垂直截面除加力点附近很小的范围外，有均匀分布的水平拉应力。当拉应力达到混凝土的抗拉强度时，试件被劈成两半。,2020/5/14,ft与fcu之间的折算关系为,二、混凝土的物理力学性能,混凝土的脆性系数，当混凝土的强度等级不大于C40时，=1.0；当混凝土的强度等级为C80时，=0.87；其间按线性插值。,0.88考虑结构中的混凝土强度与试块混凝上强度之间的差异等因素的修正系数。,为轴心抗拉强度与立方体抗压强度的折算关系。,2020/5/14,双轴应力下的强度,3）复合受力状态下混凝土的强度,二、混凝土的物理力学性能,双向受拉，1与2的相互影响不大，双向受拉强度均接近于单向受拉强度。,一向受拉，另一向受压，混凝土强度均低于单向拉伸或压缩的强度，即双向异号应力使强度降低,双向受压，一向强度随另一向应力的增加而增加。,2020/5/14,三向受压时的混凝土强度(concretestrengthundertri-axial),圆柱体试验,Strengthwithlateralconstraint,Strengthwithoutlateralconstraint,二、混凝土的物理力学性能,混凝土一向抗压强度随另两向侧压力的增加而提高。,C50，1.0；C80，0.85,2020/5/14,对于纵向受压的混凝土，约束混凝土的侧向变形，可使混凝土的抗压强度有较大提高。钢管混凝土柱、螺旋钢箍柱,二、混凝土的物理力学性能,2020/5/14,二、混凝土的物理力学性能,2.混凝土的变形性能Deformationbehaviorofconcrete,混凝土的变形,非受力变形,受力变形,一次短期加载下的变形,荷载长期作用下的变形,多次重复荷载作用下的变形,硬化过程中的收缩变形,温湿度变化引起的变形,2020/5/14,二、混凝土的物理力学性能,受压时的应力-应变关系Stress-strainrelationshipofconcreteincompression,1）一次短期加载下的变形,峰值应变(peakstrain)0取0.002。,裂缝迅速发展，内部整体性严重破坏,2020/5/14,二、混凝土的物理力学性能,影响因素(Factors),GradeofconcreteThespeedoftestingTheconditionoflateralconstraint,2020/5/14,TheDesigncodeinChina,二、混凝土的物理力学性能,受压时应力-应变关系的数学模型Mathematicalmodelofstress-strainrelationshipincompression,2020/5/14,受压时应力-应变关系的数学模型Mathematicalmodelofstress-strainrelationshipincompression,America,Hognestadmodel,二、混凝土的物理力学性能,2020/5/14,Germany,Rschmodel,二、混凝土的物理力学性能,受压时应力-应变关系的数学模型Mathematicalmodelofstress-strainrelationshipincompression,2020/5/14,二、混凝土的物理力学性能,受拉时混凝土的应力-应变关系Stress-strainrelationshipofconcreteintension,Theoreticalmodel,2020/5/14,fcf的确定原则：100100300或150150450的棱柱体试块承受200万次（或以上）循环荷载时发生破坏的最大压应力值,二、混凝土的物理力学性能,2）重复荷载下混凝土的变形性能Thedeformationperformanceofconcreteunderrepeatedload,2020/5/14,二、混凝土的物理力学性能,3)混凝土的弹性模量ElasticModulusofConcrete,原点切线模量（弹性模量）：拉压相同,变形模量modulusofdeformation割线模量secantmodulus,切线模量tangentmodulus,是材料变形性能的主要指标，在计算构件变形、截面应力和预应力构件的预应力损失等时用。,2020/5/14,二、混凝土的物理力学性能,混凝土弹性模量试验方法重复加载试验(repeatedloadingtest),510次,（150150300标准试件）,取应力上限为0.5fc重复加载510次。,试验结果回归,2020/5/14,二、混凝土的物理力学性能,混凝土的泊松比(Poissonsratio)和剪切模量(Shearmodulus),Shearmodulusofconcrete,Poissonsratioofconcrete（试件的横向应变与纵向应变之比），在压力较小时为0.150.18，接近破坏时可达0.5以上，规范取0.2,2020/5/14,1、混凝土徐变的定义与分类？2、混凝土徐变所产生的影响？3、如何减小混凝土的徐变？,二、混凝土的物理力学性能,4）长期荷载作用下混凝土的变形性能-徐变Creep,2020/5/14,二、混凝土的物理力学性能,4）长期荷载作用下混凝土的变形性能-徐变Creep,荷载保持不变，随时间而增长的变形,原因之一，胶凝体的粘性流动,原因之二，混凝土内部微裂缝的不断发展,Creepdeformationofconcrete,2020/5/14,徐变对结构设计的影响(Effectofcreepforstructuredesign)：使钢筋混凝土构件变形加大(increasingofdeflection)；使预应力混凝土构件产生预应力损失(loseofprestressing)；在高应力作用下还会使构件破坏(failureofmember)；使钢筋混凝土构件截面产生应力重分布(redistributionofstress)；,二、混凝土的物理力学性能,有利的,2020/5/14,二、混凝土的物理力学性能,徐变对混凝土结构的影响(Effectofcreepforstructuredesign),P卸载，钢筋受压，混凝土受拉，可能会引起混凝土开裂,徐变：s，c,2020/5/14,二、混凝土的物理力学性能,影响徐变的因素(Factorsthataffectthecreepofconcrete),应力Stress：c0.8fc，造成混凝土破坏(concretewillbecruehed),加荷时混凝土的龄期，越早，徐变越大,水泥用量越多，水灰比越大，徐变越大,骨料越硬，徐变越小；构件尺寸越大，徐变越小,0.5fcc0.8fc，非线性徐变,c0.5fc，线性徐变,养护温度越高、湿度越大，水化越充分，徐变越小,受荷后温度越高、湿度越低，徐变越大,2020/5/14,二、混凝土的物理力学性能,5）混凝土的收缩(Shrinkageofconcrete)-在空气中结硬时混凝土体积缩小的性质,水泥品种：等级越高，收缩越大,水泥用量：水泥用量越多，水灰比越大，收缩越大,骨料：骨料越硬，收缩越小；骨料级配越好，收缩越小,制作方法、养护条件、使用环境等,由凝缩(Condensation)和干缩(shrinkage)组成（干燥失水是引起收缩的重要因素）,2020/5/14,二、混凝土的物理力学性能,收缩对混凝土结构的影响(Effectofshrinkageforstructure),混凝土的收缩对处于完全自由状态的构件只会引起构件的缩短而不开裂。对于周边有约束而不能自由变形的构件，收缩会引起构件内混凝土产生拉应力，甚至会有裂缝产生。,Shrinkage：steelreinforcementincompressionandconcreteintension.,2020/5/14,热胀冷缩当温度变形受到外界的约束而不能自由发生时，将在构件内产生温度应力。大体积混凝土中，内部混凝土对试图缩小体积的表面混凝土形成约束，在表面混凝土形成拉应力。,6）混凝土的温度变形(Temperaturedeformationofconcrete),二、混凝土的物理力学性能,2020/5/14,三、钢筋与混凝土的粘结,1.粘结力的定义及组成,当钢筋与混凝土之间产生相对变形（滑移），在钢筋和混凝土的交界面上产生沿钢筋轴线方向的相互作用力，此作用力称为粘结力。,粘结力bondingstress：,Themechanicalpropertiesofthisbeamisthesametoplainconcretebeam.,2020/5/14,三、钢筋与混凝土的粘结,弯曲粘结应力(Bendingbondstress),粘结应力分类(Typesofbondstress),局部粘结应力(Localbondstress),锚固粘结应力(Anchoragebondstress),粘结应力大小与M沿纵向钢筋分布规律有关，和力学中剪力分布规律相同，此粘结应力称弯曲粘结应力。,钢筋两端不存在拉力差，就不存在粘结力即粘结应力存在，钢筋应力沿长度才发生变化。,2020/5/14,三、钢筋与混凝土的粘结,弯曲粘结应力(Bendingbondstress),粘结应力分类(Typesofbondstress),局部粘结应力(Localbondstress),钢筋在支座处的锚固粘结应力是构件承载力至关重要的因素。,钢筋的端头应力为零，在经过不长的粘结距离(称锚固长度)后，钢筋的应力应能达到其设计强度。,锚固粘结应力(Anchoragebondstress),2020/5/14,三、钢筋与混凝土的粘结,弯曲粘结应力(Bendingbondstress),局部粘结应力(Localbondstress),梁开裂后，混凝土开裂前承受的拉力通过粘结应力传递给钢筋、从而使裂缝处钢筋应力增大、这种粘结应力称为局部粘结应力，其作用是使裂缝之间的混凝土参与受拉。,锚固粘结应力(Anchoragebondstress),粘结应力分类(Typesofbondstress),2020/5/14,三、钢筋与混凝土的粘结,化学胶结力(Adhesion)钢筋与混凝土接触面上的化学吸附作用力（一般很小，一旦产生相对滑移即消失）。,2、粘结力的组成：,摩擦力(Inter-surfacefriction)混凝土收缩后将钢筋紧握产生的摩擦力，钢筋表面越粗糙，摩擦力越大。(钢筋表面微锈摩擦力增加)。,机械咬合力(Mechanicalbearing)钢筋表面凹凸不平与混凝土产生的机械咬合作用（是变形钢筋粘结力的主要组成部分）。,钢筋端部的锚固作用(Anchoringeffect)钢筋端部的弯钩、弯折，在钢筋端部焊短钢筋、短角钢等措施。,2020/5/14,化学胶着力,3粘结破坏机理,（1）光圆钢筋的粘结破坏：,三、钢筋与混凝土的粘结,摩擦力,破坏,（2）变形钢筋的粘结破坏,化学胶着力,摩擦力,机械咬合力,破坏,2020/5/14,拔出试验(Pull-outtest)钢筋与混凝土界面上的平均粘结应力F为F/(dl),三、钢筋与混凝土的粘结,4.粘结强度,(Bondstrength)：粘结失效时的最大（平均）粘结应力。,2020/5/14,三、钢筋与混凝土的粘结,Testingofbondstrength,2020/5/14,三、钢筋与混凝土的粘结,5.影响粘结强度的因素(Factorsthataffectthebondstrength),（1）混凝土的强度等级(gradesofconcrete)：钢筋与混凝土间的粘结强度均随混凝土的强度提高而提高。,（2）混凝上保护层c和钢筋之间净距离越大，外围混凝土的劈裂抗力越大，因而粘结强度越高。,（3）横向钢筋及侧向压力约束(Hoopsandlateralconstraint)限制了内部裂缝的发展，可使粘结强度提高。,（4）浇筑时钢筋的位置(placementofsteel)：深度过大，钢筋底面的混