混凝土原理天津大学复习

混凝土的结构包括微观结构(水泥石结构)、水泥凝胶、结晶骨架、非水化水泥粒子和凝胶孔.亚微观结构(混凝土中的水泥砂浆结构)。宏观结构(砂浆和粗骨料的双组分体系)。骨料的分布及骨料与基相界面处的结合强度是影响混凝土强度的重要因素在荷载作用下，微裂缝的扩展对混凝土的力学性能有着极其重要的影响。混凝土强度混凝土结构主要利用其抗压强度(混凝土力学性能中最主要和基本的指标)。影响强度的因素：水泥强度等级、水灰比、骨料性质、倾斜成形方法、硬化环境、养护龄期试样大小、形状试验方法、装载速率。强度指标1 .立方体抗压强度fcu，k定义：边长150mm的立方体标准试样是在标准养护条件(温度203、湿度90% )下养护28d，用标准试验方法(负荷速度0.31.0MPa/s，两端不涂抹润滑剂)测定的抗压强度(MPa )。强度等级具有95%保证率的抗压强度，符号c。 根据强度范围，C15C80合计分为14个强度等级，台阶差为5MPa。影响强度等级的因素：试验方法(接触面摩擦)负荷速度的速度越快，强度越高的年龄段随年龄段逐渐增加2 .轴心抗压强度基准值fck定义：用标准方法制作的150l50mm的棱柱体试样，在温度为203和相对湿度为90%以上的条件下养护28d，是用标准试验方法测定的95%保证率的抗压强度(MPa )。a .在同样的混凝土中，棱柱体的抗压强度远小于立方体的抗压强度。b .混凝土的棱柱体抗压强度随立方体强度单调增加。3 .轴心拉伸强度混凝土轴心抗拉强度小，用于测量冲孔、剪切强度等的负荷小时，由于混凝土破裂，混凝土结构一般起裂作用，不能确定混凝土轴心的抗拉强度。测量方法：轴心拉伸的直接试验方法，圆柱体或立方体裂纹试验间接试验标准样品：边长为150mm的立方体或A150x300mm的圆柱c .在同样的混凝土中，轴心抗拉强度只是轴心抗压强度的1/171/8。d .随着立方体强度单调增加，混凝土强度等级越高，生长越慢。混凝土的变形混凝土的受力变形：一次短期负荷的长期作用多次重复负荷。混凝土的非受力变形：温差变形湿差变形； 收缩变形。单轴(单调)受压应力-应变关系测量方式：经常采用棱柱体试样普通试验机采用等应力速度载荷，达到轴心抗压强度fc时，试验机集成的弹性应变能大于试验片可吸收的应变能，试验片发生突然脆性破坏，只能测量应力-应变曲线的上升段。 以等应变速度负荷，或者在试验片的旁边设置高弹性元件与试验片一起施加压力，吸收集中在试验机内的应变能，测量应力-应变曲线的下降段。图表和说明见P11到达b点时，内部的微小裂纹相互连接，裂纹的发展变得不稳定，横向变形急剧增大，体积应变从压缩开始变为增加。 在这种应力的长期作用下，裂缝持续发展最终会导致破坏。 以b点的应力作为混凝土的长期抗压强度。 普通硅灰sB0.95fc，高强度硅灰b可达0.95fc以上。b点以后，内部微裂纹连通形成破坏面，应变生长速度明显加快，裂纹迅速发展到c点这里的峰应力max作为fc，将对应的应变值称为峰应变0，约为0.00150.0025，通常为0.002。强度等级越高，线弹性段越长，峰应变也越大。 但是，在高强混凝土中，砂浆和骨料的粘结强，密实性好，微裂纹少，最后的破坏多为骨料破坏，破坏时脆性变得明显，下降阶段变得急剧。材料变形性能的主要指标弹性模量(或变形率)随应力或应变而连续变化。变形(弹性)弹性模量Ec取：值不是弹性材料，不能根据应变和弹性模量的乘积求出应力。 混凝土应力低时，弹性模量和变形率大致相等。 一般取相当于结构使用阶段的工作应力=(0.40. 5)fc时的切割率的值。双向应力状态1 )双向施加压力时(第iii象限)，混凝土传统强度随传统压力应力的增加而增加。 双向受压混凝土强度比单向受压强度提高约27%。最大强度： 2个压缩应力之比为0.30.6时，约为(1.251.60)fc2 )双向拉伸时(第I象限)，混凝土的拉伸强度与另一方向的拉伸应力的大小几乎没有关系，即拉伸强度与单向应力的拉伸强度几乎相等。3 )总是受拉，总是受压时(第ii、iv象限)，混凝土的传统强度随其他传统应力的增加基本呈线性下降。4 )单轴正应力和剪应力。 图2-14 P15I区-剪切状态：随着增大，抗拉强度降低，随着增大，剪切强度降低区-剪切状态：随增大剪切强度增加，剪切面上的压缩应力约束阻碍剪切变形的发展，提高剪切强度区-剪切状态：随着进一步增大，剪切阻力反而开始下降。结论：由于剪应力的存在，混凝土的极限抗压(拉伸)强度低于单向抗压(拉伸)强度，结构中产生剪应力时，其抗压(拉伸)强度降低。三向应力状态混凝土在三个方向受压时，受到侧向压力的约束作用，延迟了沿轴线方向的内部微裂缝的产生和发展，因此混凝土受压后的极限抗压强度和极限压应变有了显着的提高和发展。三轴受压后，混凝土的强度和变形能力大大提高。在实际工程中，多利用该特性提高混凝土构件的抗压强度和变形能力。 例如，(1)螺旋环箍(2)密码环箍(3)钢管混凝土混凝土徐变定义：混凝土是负荷的长期作用，其变形随时间增加的现象叫做渐变。渐变曲线： v在应力(0.5fc )作用的瞬间，首先产生瞬时弹性应变ce=si/Ec(t0)、t0负荷时的龄期。 随着载荷作用的时间变长，变形增加，cr。 前4个月增长缓慢，6个月可达到最终渐变的7080%在时间t卸载会产生瞬时弹性恢复应变ce。 由于混凝土弹性模量随时间增大，所以弹性恢复应变ce比负载时的瞬时弹性应变ce小在经过一段时间后，某些失真ce可以恢复，且有虽然被称为弹性后续效应或逐渐恢复但仍无法恢复的残馀永久失真cr徐变的性质线性渐变：初应力0.5fc，渐变与初应力成正比非线性渐变： 0.5fc，渐变与初始应力不成比例(渐变快于应力增加)。到了 0.8fc，渐变的发展最终会导致破坏。 作为0.8fc混凝土的长期抗压强度。影响混凝土徐变的因素内在要素：混凝土倾斜、水灰比、水泥使用量、构件形状、尺寸骨料刚性(弹性模量)越大，灰度逐渐减小越大；水泥使用量越多，灰度逐渐增大。 尺寸越大，越慢；钢筋越多，越慢。环境影响初始荷载龄期、养护条件和应力因素承载前养护的温湿度越高，水泥的水化作用越充分，越逐渐减小。 采用蒸汽养护可使渐变减少2035%。 放置承受负荷的部件的环境温度越高，相对湿度越小，则越逐渐变大。 初始应力越大，则应力越慢。徐变对混凝土结构的影响由于混凝土的缓变，构件的变形增加，在钢筋混凝土截面引起应力的再分布的预应力混凝土构造中，导致预应力的损失通常，最终收缩应变值约为(25)10-4混凝土裂缝应变为(0.52.7)10-4混凝土收缩定义：混凝土在空气中硬化后体积缩小的现象叫做混凝土的收缩。 收缩是混凝土不受外力而体积变化的变形。由于自由收缩一般不会引起拉伸应力，因此由不破裂的约束收缩引起的收缩应力使混凝土裂开，使预应力混凝土构件产生预应力损失影响收缩的因素： P19 (水泥标签越高，灰白比越大，体积比表面积比越小，收缩越大)。混凝土的疲劳变形疲劳破坏特点：裂纹小变形大疲劳强度试验标准试样： 150150300或150150150450mm棱柱的循环负荷次数： 200万次钢材指标屈服强度：钢筋屈服后会产生较大的塑性变形，卸载时该部分的变形无法恢复，钢筋混凝土构件会产生较大的变形和无法封闭的裂缝，因此是钢筋强度设计的依据。屈服上限与负荷速度有关，不稳定，一般以屈服下限为屈服强度。有明显屈服楼梯：以屈服强度fy为强度设计依据。无明显屈服步骤：以条件屈服强度0.2为强度设计依据。 即，将相当于残留应变=0.2%的应力0.2作为名义屈服点。 常取0.2=0.85ft。拉伸：钢筋拉伸断裂后的拉伸值与原长度的比率是反映钢筋塑性性能的指标。 伸长率大的钢筋，拉前有充分迹象，延展性好屈强比：钢筋强度储备，fy/ft=0.60.7。混凝土结构对钢筋性能的要求1强度需要钢筋具有足够的强度和适当的强屈服比(极限强度和屈服强度的比)。例如，在抗震等级为1、2级的框架结构中，纵向受力钢筋的实际强度之比不应小于等于1.25。2塑性对钢筋必须有足够的变形能力。3焊接性要求钢筋焊接后不发生龟裂或过大变形，焊接接头性能良好。4与混凝土的粘结力在钢筋和混凝土之间需要足够的粘结力，保证两者的共同作用。混凝土与钢筋的粘结意思：粘结是钢筋和混凝土融为一体，共同作业的基础粘结的主要原因：混凝土收缩牢牢地抓住钢筋产生的摩擦力混凝土粒子的化学作用在接触面上产生的粘结力钢筋表面凹凸与混凝土之间产生的局部粘结应力。粘结应力：钢筋与混凝土接触面产生的钢筋纵向剪应力。粘接强度：粘接不良时的最大(平均)粘接应力。单光圆钢筋与混凝土的粘结作用1 )钢筋和混凝土接触面的化学吸附力(粘接力)。 一般来说较小，但只作用于受力阶段的没有局部滑动的区域，当接触面发生相对滑动时，该力就消失了。2 )混凝土收缩和抓握钢筋产生的摩擦阻力。 对于在混凝土凝固时收缩的钢筋中产生的与摩擦面垂直的压缩应力，压缩应力越大，摩擦阻力越大。3 )钢筋表面的凹凸和混凝土的机械咬合力(咬合力)。 与表面粗糙度有关。 接触面越粗，咬入力越大2变形钢筋与混凝土的机械咬合作用主要发生在变形钢筋肋间嵌入混凝土。粘合破坏机理单光圈钢筋的粘结破坏粘结作用在钢筋与混凝土之间出现相对滑移之前主要依赖于化学粘结力，滑移发生后由摩擦力和机械咬合力提供。2变形钢筋的粘结破坏粘结强度由粘结力、摩擦力和机械咬合力构成。 然而，主要是机械啮合力。 钢筋开始滑移后，粘结力主要由对钢筋混凝土的斜撑压力和界面上的摩擦力组成。 钢筋周围的混凝土薄，如果没有箍筋约束，就会形成纵向的裂缝，钢筋的纵向发生裂缝破坏。 v箍筋约束混凝土变形时，纵向裂缝的扩展受到限制，最后钢筋沿肋外径的圆柱面整体滑动，产生间隙式破坏(剪切破坏)。影响粘接强度的因素混凝土强度光面钢筋与变形钢筋的粘结强度随混凝土强度的提高而增加，但不与立方体强度fcu成正比，而与拉伸强度ft大致成正比。保护层厚度和钢筋的净间距对于变形钢筋，粘结强度主要取决于裂纹破坏。 因此，保护层的厚度c/d越大，混凝土抵抗破裂破坏的能力也越大，粘接强度越高。 c/d较大时，如果锚固长度不足，则会发生剪切“间隙式”的破坏。 钢筋净距离s与钢筋直径d之比s/d越大，粘结强度也越高。横向配筋：限制径向裂纹扩展，提高粘结强度。由于裂缝沿钢筋方向产生，因此对钢筋锈蚀的影响大于弯曲垂直裂缝，构件耐久性显着下降。 径向裂纹不得到达构件表面形成裂纹。 因此，保护层必须有一定的厚度，也要保证钢筋的净距离。放置横向钢筋可阻止径向裂缝的扩展。 对于较大直径钢筋的锚点区域和重叠长度范围，必须增加横向钢筋。 v一列排列的钢筋数量多的情况下，可以考虑增加横向的钢筋来抑制龟裂的发生。保证粘结的结构措施1 .对不同等级的混凝土和钢筋，必须保证最小搭接长度和锚固长度2 .需要满足钢筋吗？ 沥青和混凝土保护层最小厚度的要求3 .在钢筋重叠接头内加密箍筋4 .在光圈钢筋的端部设置挂钩5 .分层浇筑或二次浇筑深混凝土构件6 .一般除重锈钢筋外，不需要除锈基本锚点长度(basicanchorengthlength )钢筋的基本锚固长度取决于钢筋的强度和混凝土的拉伸强度，与钢筋的外形有关。规范将纵向拉伸的钢筋锚固长度lab定义为钢筋的基本锚固长度。 P28式2-23纵向拉伸普通钢筋的锚固长度la=alab200，锚固长度修正系数a钢筋自身性能不能满足锚固的要求，采用机械锚固措施。钢筋叠合原则：接头应设置在受力小的地方，同一钢筋应尽量设置接头，机械连接接头能产生较强的连接力，机械连接应优先。规范规定了用拉伸钢筋捆扎的重叠接头的重叠长度的计算公式： Ll=l la混凝土结构的基本计算原则结构作用对结构施加的集中或分布载荷(直接作用)以及对结构施加变形或约束的原因(间接作用) 。直接作用的大小与结构本身的性能无关，间接作用的大小与结构本身的性能有关，如基础沉降引起结构变形的材料收缩和缓变或温度变化引起的结构约束变形； 由于地震引起的地面运动，结构产生惯性力等的焊接变形。载荷的分类-根据作用时间的长度和性质，载荷可分为三个类别永久载荷是在结构设计的使用年限内，其值不随时间变化，或者其变化与平均值相比可忽略，或者其变化单调接近极限的载荷。可变载荷是结构设计标准期间值随时间变化，其变化和平均值不可忽视的载荷。偶然载荷不一定在结构设计标准期间出现，但一旦出现较大值，作用时间较短的载荷。如果载荷表示值结构设计，则根据载荷和设计情况，载荷必须具有不同的模。 这个震级的负荷表示值。 类型标准值、组合值、频度值、准永久值负荷标准值结构是设计基准期间具有一定概