S022混凝土课件

1、S022混凝土第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土2.2 2.2 混凝土混凝土ConcreteQuestions:1. What kinds of strength were used in RC construction?2. What relationship between the different concrete strength?3. What mechanical properties must be used in RC structure analysis?4. Any other properties must be considered for practica

2、l use in RC structure?S022混凝土第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土2.2 concrete一、一、strength1、Strength Grade Concrete is mainly offer its compressive strength in RC structures. Thus compressive strength is very important. The strength grade of concrete is defined according to the compressive strength. According to t

3、he strength, there are 14 grades of concrete.Size Effect100150cucuffS022混凝土第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土2.2 2.2 混凝土混凝土一、混凝土的强度一、混凝土的强度1、混凝土强度等级（、混凝土强度等级（ Strength Grade ） 混凝土结构中，混凝土结构中，主要是利用它的主要是利用它的抗压强度抗压强度(Compressive Strength) )。因此抗压强度是混凝土力学性能中最主要和最基本。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。的指标。混凝土的强度等级是用抗压强度来划分的混凝土的

4、强度等级是用抗压强度来划分的混凝土强度等级混凝土强度等级：边长：边长150mm立方体标准试件，在标准条件下立方体标准试件，在标准条件下（203，90%湿度）养护湿度）养护28天，用标准试验方法（加载速天，用标准试验方法（加载速度度0.150.3N/mm2/sec，两端不涂润滑剂）测得的，两端不涂润滑剂）测得的具有具有95%保证保证率率的立方体抗压强度的立方体抗压强度(Cube Strength)，用符号，用符号C表示。表示。 C30：fcu,k=30N/mm2 S022混凝土第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土规范规范(GB50010-2002) 根据强度范围，根据强度范围，从从C15

5、C80共划分共划分为为14个强度等级个强度等级，级差为，级差为5N/mm2。与原与原规范规范GBJ10-89相比，混凝土强度等级范围由相比，混凝土强度等级范围由C60提提高到高到C80，C50以上为以上为高强混凝土高强混凝土(High-Strentgth Concrete)，有关指标和计算公式在有关指标和计算公式在C50与原与原规范规范GBJ10-89衔接。衔接。100mm立方体强度与标准立方体强度之间的换算关系立方体强度与标准立方体强度之间的换算关系Size Effect100150cucuff小于小于C50的混凝土，修正系数的混凝土，修正系数(Correction Factor) =0.9

6、5。随混凝。随混凝土强度的提高，修正系数土强度的提高，修正系数 值有所降低。当值有所降低。当fcu100=100N/mm2时，时，换算系数换算系数 约为约为0.9（尺寸越小，测得强度越高）（尺寸越小，测得强度越高）S022混凝土第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土Why do vertical cracks occur under vertical compressive force?Cube StrengthS022混凝土第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土In America, Japan and Canada, strength grade comes from the

7、compressive strength of standard cylinder specimens.The conversion equation of cylinder strength and the standard cube strength is:cucff)81. 079. 0(Cube strength and cylinder strength are not the actual stress of concrete in the RC members.S022混凝土第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土America、Japan、Canada等国家，采用圆柱体（直

8、径等国家，采用圆柱体（直径150mm，高，高300 mm）标准试件测定的抗压强度来划分强度）标准试件测定的抗压强度来划分强度等级，符号记为等级，符号记为 fc。圆柱体强度与我国标准立方体抗压强度的换算关系为，圆柱体强度与我国标准立方体抗压强度的换算关系为，cucff)81. 079. 0(立方体和圆柱体抗压试验都不能代表混凝土在实际构件中的立方体和圆柱体抗压试验都不能代表混凝土在实际构件中的受力状态，只是用来在同一标准条件下比较混凝土强度水平受力状态，只是用来在同一标准条件下比较混凝土强度水平和品质的标准（和品质的标准（制作、测试方便制作、测试方便）。）。相同强度等级的混凝土，我国的混凝土实际

9、强度比美国低。相同强度等级的混凝土，我国的混凝土实际强度比美国低。S022混凝土第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土2、Axial Compressive Strength Axial compressive strength is defined by the strength of the prism test in which can reflect the actual strength of the structural members. The size of the specimens is usually 150mm150mm450mm or 100mm100mm300

10、mm.Axial compressive strength is smaller than cube strength, and the conversion equation of them is:cucfkfcucucucffff76. 0)002. 066. 0(Where, when strength grade is below C50, k=0.76，and for C80, k=0.82. Then the linear interpolation is used between them.S022混凝土第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土2、轴心抗压强度、轴心抗压强度A

11、xial Compressive Strength 轴心抗压强度采用棱柱体试件测定，用符号轴心抗压强度采用棱柱体试件测定，用符号fc表示，它比较表示，它比较接近实际构件中混凝土的受压情况。棱柱体试件高宽比一般为接近实际构件中混凝土的受压情况。棱柱体试件高宽比一般为h/b=34，我国通常取，我国通常取150mm150mm450mm的棱柱体试件，的棱柱体试件，也常用也常用100100300试件。试件。对于同一混凝土，对于同一混凝土，棱柱体抗压强度小于立方体抗压强度棱柱体抗压强度小于立方体抗压强度。棱柱。棱柱体抗压强度和立方体抗压强度的换算关系为，体抗压强度和立方体抗压强度的换算关系为，cucfkf

12、cucucucffff76. 0)002. 066. 0(规范规范对小于对小于C50级的混凝土取级的混凝土取k=0.76，对，对C80取取k=0.82，其间按线性插值其间按线性插值S022混凝土第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土Why Axial Compressive Strength is smaller than cube strength?Axial Compressive Strength S022混凝土第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土3、Axial Tensile StrengthWith the expression of ft , axial tensil

13、e strength relates to the cracking, cracks, deformation, shear, torsion and cutting of RC members. 500 150 15010016轴心受拉试验0102030405060708090100123456 ft fcuGBJ10-89 规范轴心受拉强度与立方体强度间的换算关系55. 0395. 0cutff 3/226. 0cutff Axial Tensile TestConversion Curves of Axial Tensile Strength and Cube StrengthS022混

14、凝土第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土3、轴心抗拉强度、轴心抗拉强度Axial Tensile Strength也是其基本力学性能，用符号也是其基本力学性能，用符号 ft 表示。混凝土构件开裂、裂缝、表示。混凝土构件开裂、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。变形，以及受剪、受扭、受冲切等的承载力均与抗拉强度有关。 500 150 15010016轴心受拉试验0102030405060708090100123456 ft fcuGBJ10-89 规范轴心受拉强度与立方体强度间的换算关系55. 0395. 0cutff 3/226. 0cutff S022混凝土

15、第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土劈拉试验PaP拉压压It is difficult to carry out the axial tensile test, so the cube strength and cylinders splitting strength are usually used.22aPfsp4/319. 0cuspffSplitting TestS022混凝土第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土劈拉试验PaP拉压压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抗拉强度试验测定

16、混凝土的抗拉强度(Splitting Strength )22aPfsp4/319. 0cuspffS022混凝土第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土Tensile StrengthS022混凝土第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土 Considering the the difference between the specimens and the actual member, and also the brittle behavior of the high strength concrete, Reduction Coefficient is introduced to

17、 the axial compressive strength and axial tensile strength.Actual strength to specimen strength ratio is 0.88;Reduction Coefficient of Brittle，for C40 is 1.0，for C80 is 0.87，and linear interpolation is used between them.Example fcu=30MPa, d d =0.12, fcu,m=fcu/(1-1.645d d) fc,m=0.76fcu,m fc,k=fc,m(1-

18、1.645d d)0.881.0 =0.76fcu0.88 1.0 =20.06MPaS022混凝土第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土4、混凝土强度的标准值、混凝土强度的标准值 Characteristic Strength规范规范规定材料强度的标准值规定材料强度的标准值 fk 应具有不小于应具有不小于95%的保证率的保证率d645. 1)645. 11 (mmkfff立方体强度标准值立方体强度标准值即为混凝土强度等级即为混凝土强度等级fcu。规范规范在确定混凝土轴心抗压强度和轴心抗拉强度标准值在确定混凝土轴心抗压强度和轴心抗拉强度标准值时，假定它们的变异系数与立方体强度的变异系数相

19、同，利时，假定它们的变异系数与立方体强度的变异系数相同，利用与立方体强度平均值的换算关系，便可按上式计算得到。用与立方体强度平均值的换算关系，便可按上式计算得到。Question:Are you feel safe enough to use characteristic strength?S022混凝土第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土 规范规范考虑到试件考虑到试件与实际结构的差异与实际结构的差异以及以及高强混凝土高强混凝土的脆性的脆性(Brittle)特征特征，对轴心抗压强度和轴心抗拉强度，还，对轴心抗压强度和轴心抗拉强度，还采用了以下两个采用了以下两个折减系数折减系数(Redu

20、ction Coefficient)：结构中混凝土强度与混凝土试件强度的比值，取结构中混凝土强度与混凝土试件强度的比值，取0.88；脆性折减系数，对脆性折减系数，对C40取取1.0，对，对C80取取0.87，中间按线性，中间按线性规律变化。规律变化。例例 fcu=30MPa, d d =0.12, fcu,m=fcu/(1-1.645d d) fc,m=0.76fcu,m fc,k=fc,m(1-1.645d d)0.881.0 =0.76fcu0.88 1.0 =20.06MPa) 12(88. 0,21kcuckffS022混凝土第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土混凝土强度标准值

21、（N/mm2）混混 凝凝 土土 强强 度度 等等 级级强强度度种种类类符符号号C15C20C25C30C35轴轴心心抗抗压压强强度度fck10.013.416.720.123.4轴轴心心抗抗拉拉强强度度ftk1.271.541.782.012.20混混 凝凝 土土 强强 度度 等等 级级C40C45C50C55C60C65C70C75C8026.829.632.435.538.541.544.547.450.22.402.512.652.742.852.933.003.053.10S022混凝土第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土二、混凝土破坏机理二、混凝土破坏机理 Failure M

22、echanismfc S022混凝土02468102030(MPa)e 10-3第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土When curing, there form many micro-fissure inside the concrete which is the weakness of the concrete. And it r e s u l t s i n t h e d a m a g e o f t h e concrete. BACEDS022混凝土02468102030(MPa)e 10-3第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土混凝土在结硬过程中，混凝土在结硬过

23、程中，由于水泥石的收缩、骨由于水泥石的收缩、骨料下沉以及温度变化等料下沉以及温度变化等原因，在骨料和水泥石原因，在骨料和水泥石的界面上形成很多的界面上形成很多微裂微裂缝缝 Micro-fissure，成为，成为混凝土中的薄弱部位。混凝土中的薄弱部位。混凝土的最终破坏就是混凝土的最终破坏就是由于这些微裂缝的发展由于这些微裂缝的发展造成的。造成的。BACEDS022混凝土02468102030(MPa)e 10-3第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土ABefore point A，the deformation is mainly elastic and the stress-strain

24、 curve is linear. BCEDS022混凝土02468102030(MPa)e 10-3第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土AA点以前点以前，微裂缝没有，微裂缝没有明显发展，混凝土的变明显发展，混凝土的变形主要弹性变形，应力形主要弹性变形，应力-应变关系近似直线。应变关系近似直线。A点应力随混凝土强度的点应力随混凝土强度的提高而增加，对普通强提高而增加，对普通强度 混 凝 土度 混 凝 土 A约 为约 为 (0.30.4)fc ，对高强混，对高强混凝土凝土 A可达可达(0.50.7)fc。BCEDS022混凝土02468102030(MPa)e 10-3第二章 钢筋和混凝

25、土的材料性能2.2 混凝土BAAfter point A，due t o t h e s t r e s s concentration at the micro-fissure, the cracks are e x t e n d e d a n d plastic deformation appears. CEDS022混凝土02468102030(MPa)e 10-3第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土BAA点以后点以后，由于微裂缝，由于微裂缝处的应力集中，裂缝开处的应力集中，裂缝开始有所延伸发展，产生始有所延伸发展，产生部分部分塑性变形塑性变形(Plastic Deforma

26、tion)，应变增，应变增长开始加快，应力长开始加快，应力-应应变曲线逐渐偏离直线。变曲线逐渐偏离直线。微裂缝的发展导致混凝微裂缝的发展导致混凝土 的土 的 横 向 变 形 增 加横 向 变 形 增 加 Expansion。但该阶段。但该阶段微裂缝的发展是稳定的。微裂缝的发展是稳定的。CEDS022混凝土02468102030(MPa)e 10-3第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土BAAt point B, the cracks are instable and the concrete will damage u n d e r a longer time.CEDS022混凝土02

27、468102030(MPa)e 10-3第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土BA达到达到B点，内部一些微裂点，内部一些微裂缝相互连通，裂缝发展缝相互连通，裂缝发展已不稳定，横向变形突已不稳定，横向变形突然增大，体积应变开始然增大，体积应变开始由压缩转为增加。在此由压缩转为增加。在此应力的长期作用下，裂应力的长期作用下，裂缝会持续发展最终导致缝会持续发展最终导致破坏。取破坏。取B点的应力作为点的应力作为混凝土的混凝土的长期抗压强度长期抗压强度。普通强度混凝土普通强度混凝土 B约为约为0.8fc，高强强度混凝土，高强强度混凝土 B可达可达0.95fc以上。以上。CEDS022混凝土0246

28、8102030(MPa)e 10-3第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土BACEDAt point C，failure p l a n e h a s b e e n developed. And the longitudinal strain at this point is called peak strain e e 0 (0.002).At point D, it can be f o u n d t h e f i r s t longitudinal cracks。S022混凝土02468102030(MPa)e 10-3第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土BACE

29、D达到达到C点点fc，内部微裂缝，内部微裂缝连通形成破坏面，应变连通形成破坏面，应变增长速度明显加快，增长速度明显加快，C点的纵向应变值称为点的纵向应变值称为峰峰值应变值应变 e e 0，约为，约为0.002。纵向应变发展达到纵向应变发展达到D点，点，内部裂缝在试件表面出内部裂缝在试件表面出现第一条可见平行于受现第一条可见平行于受力方向的力方向的纵向裂缝纵向裂缝(Longitudinal Cracks)。S022混凝土02468102030(MPa)e 10-3第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土BACEDWith the development of the strain, seve

30、ral d i s c o n t i n u o u s longitudinal cracks will appear on the s p e c i m e n . L o a d capacity becomes lower.S022混凝土02468102030(MPa)e 10-3第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土BACED随应变增长，试件上相随应变增长，试件上相继出现多条不连续的纵继出现多条不连续的纵向裂缝，横向变形急剧向裂缝，横向变形急剧发展，承载力明显下降。发展，承载力明显下降。S022混凝土02468102030(MPa)e 10-3第二章 钢筋和混凝土的材料性能

31、2.2 混凝土BACEDBond between aggregate and mortar is broken and failure plane is developed. S022混凝土02468102030(MPa)e 10-3第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土BACED混凝土骨料与砂浆的粘混凝土骨料与砂浆的粘结不断遭到破坏，裂缝结不断遭到破坏，裂缝连通形成斜向破坏面。连通形成斜向破坏面。E点应变点应变e e = (23) e e 0，应力应力 = (0.40.6) fc。S022混凝土02468102030(MPa)e 10-3第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土BA

32、CEDA f t e r p o i n t E , longitudinal cracks become to a diagonal failure plane. Then under the action of the normal stress and shear stress, they become to a failure strip.S022混凝土02468102030(MPa)e 10-3第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土BACEDE点以后，纵向裂缝形成一斜点以后，纵向裂缝形成一斜向破坏面，此破坏面受向破坏面，此破坏面受正应正应力力(Normal Stress)和和剪

33、应力剪应力(Shear Stress)的作用继续扩的作用继续扩展，形成一破坏带。此时试展，形成一破坏带。此时试件的强度由斜向破坏面上的件的强度由斜向破坏面上的骨料间的骨料间的摩阻力摩阻力(Frictional Resistance)提供。随应变继续提供。随应变继续发展，摩阻力和发展，摩阻力和粘结力粘结力(Bond Stress)不断下降，但即使在很不断下降，但即使在很大的应变下，骨料间仍有一大的应变下，骨料间仍有一定摩阻力，残余强度约为定摩阻力，残余强度约为(0.10.4) fc。S022混凝土第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土图 2-10 纵向应变e1、横向应变e2及体积应变V/V

34、00.511.52e 10-3ABCD-3-2-1 fc纵向应变横向应变体积应变S022混凝土第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土From the failure mechanism of the concrete, it can be seen that the development of micro-fissure result in the increase of the transverse deformation. With lateral constraint, the micro-fissure can be restricted and the compressive

35、 strength of the concrete can be improved.As a result of this, Local compressive strength is much h i g h e r t h a n a x i a l compressive strength.Local Compressive SpecimenS022混凝土第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土由上述混凝土的破坏机理可知，微裂缝的发展导致横向变形的由上述混凝土的破坏机理可知，微裂缝的发展导致横向变形的 增大。增大。对横向变形加以约束对横向变形加以约束(Lateral Constrai

36、nt )，就可以限制微，就可以限制微裂缝的发展，从而可提高混凝土的抗压强度。立方体试件受约束裂缝的发展，从而可提高混凝土的抗压强度。立方体试件受约束范围大，而棱柱范围大，而棱柱 体试件中部未受约束，因此造成了不同受压试体试件中部未受约束，因此造成了不同受压试件强度的差别和件强度的差别和 破坏形态的不同。破坏形态的不同。局 部 受 压 强 度局 部 受 压 强 度 fc l ( L o c a l Compressive Strength) 比轴心比轴心抗压强度抗压强度 fc 大很多，也是因为大很多，也是因为局部受压面积以局部受压面积以 外的混凝土外的混凝土对局部受压区对局部受压区 域内部混凝土

37、域内部混凝土微裂缝产生微裂缝产生 了较强的约束。了较强的约束。局部受压试件S022混凝土第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土Through the restriction of the transverse deformation of the concrete, we can improve the compressive strength. And confined concrete is a good example.Spirally Reinforced ConcreteS022混凝土第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土了解混凝土的破坏机理，不仅可以解释各种不同试验混凝

38、土强了解混凝土的破坏机理，不仅可以解释各种不同试验混凝土强度的差别，还可以通过约束混凝土的度的差别，还可以通过约束混凝土的横向变形横向变形来提高混凝土的来提高混凝土的抗压强度。如图采用配置螺旋箍筋形成所谓抗压强度。如图采用配置螺旋箍筋形成所谓“约束混凝土约束混凝土(Confined Concrete)”，可显著提高混凝土的抗压强度，并且可，可显著提高混凝土的抗压强度，并且可以提高混凝土以提高混凝土变形能力变形能力(Deformability)。螺旋箍筋约束混凝土螺旋箍筋约束混凝土S022混凝土Spirally Reinforced Concrete第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土F

39、rom the curve, we can see that the effect of spiral hooping is not obvious when the stress is small. While the stress exceed point B, the effect of spiral hooping is obvious. The strength and the deformability are all improved.S022混凝土螺旋箍筋约束混凝土螺旋箍筋约束混凝土第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土由由螺旋箍筋螺旋箍筋(Spiral Hooping)

40、约束混凝土的应力约束混凝土的应力-应变曲线可见，应变曲线可见，当应力较小时当应力较小时，横向变形很小，箍筋的约束作用不明显；，横向变形很小，箍筋的约束作用不明显；当应力当应力超过超过B点的应力时点的应力时，由于混凝土的横向变形开始显著增大，侧向，由于混凝土的横向变形开始显著增大，侧向膨胀使螺旋箍筋产生环向拉应力，其反作用力使混凝土的横向变膨胀使螺旋箍筋产生环向拉应力，其反作用力使混凝土的横向变形受到约束，从而使混凝土的形受到约束，从而使混凝土的强度强度和和变形能力变形能力都得到提高。都得到提高。S022混凝土第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土Applications of Confi

41、ned ConcreteSpirally Reinforced Column, Concrete Filled TubeThe strength and the deformability of the confined concrete are all improved. And this is very important to the aseismic structure.S022混凝土第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土“约束混凝土约束混凝土(Confined Concrete)”的概念在工程中许多地方都的概念在工程中许多地方都有应用，如螺旋箍筋柱、有应用，如螺旋箍筋柱、后张法

42、预应力后张法预应力(Post Stressed)锚具锚具(Anchor)下局部受压区域配置的钢筋网或螺旋筋等。而下局部受压区域配置的钢筋网或螺旋筋等。而钢管混钢管混凝土凝土(Concrete Filled Tube)对内部混凝土的约束效果更好，因对内部混凝土的约束效果更好，因此近年来在我国工程中得到许多应用。此近年来在我国工程中得到许多应用。约束混凝土可以提高混凝土的强度，约束混凝土可以提高混凝土的强度，但更值得注意的是可以提但更值得注意的是可以提高混凝土的高混凝土的变形能力变形能力(Deformation Capacity)，这一点对于，这一点对于抗震抗震结构结构(Aseismic Structure)非常重要。非常重要。抗震结构对于可能出现抗震结构对于可能出现塑性铰塑性铰(Plastic Hinge)的区域，均要求加的区域，均要求加密箍筋配置来提高构件的变形能力，达到密箍筋配置来提高构件的变形能力，达到坏而不倒坏而不倒的目的。的目的。由螺旋箍筋约束混凝土的应力由螺旋箍筋约束混凝土的应力-应变曲线可见，应变曲线可见，当应力较小时当应力较小时，横向变形很小，箍筋的约束作用不明显；横向变形很小，箍筋的约束作用不