fA混凝土结构材料的物理力学性能ppt课件

1、第二章第二章 混凝土构造资料的物理力学性能混凝土构造资料的物理力学性能 混凝土的物理力学性能 钢筋的物理力学性能 混凝土与钢筋的粘接2.1 2.1 混凝土的物理力学性能混凝土的物理力学性能2.1.12.1.1混凝土的组成构造混凝土的组成构造通常把混凝土的构造分为三种类型：通常把混凝土的构造分为三种类型：. .微观构造：也即水泥石构造，包括水泥凝胶、微观构造：也即水泥石构造，包括水泥凝胶、晶体晶体 骨架、未化完的水骨架、未化完的水泥颗粒和凝胶孔组。泥颗粒和凝胶孔组。. .亚微观构造：即混凝土中的水泥砂浆构造。亚微观构造：即混凝土中的水泥砂浆构造。. .宏观构造：即砂浆和粗骨料两组分体系。宏观构造

2、：即砂浆和粗骨料两组分体系。留意：留意：1.骨料的分布及骨料与基相之间在界面的结合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要素；强度是影响混凝土强度的重要要素；2.在荷载的作用下，微裂痕的扩展对混凝土的在荷载的作用下，微裂痕的扩展对混凝土的 力学性能有着极为重要的影响。力学性能有着极为重要的影响。2.1.2单轴应力形状下的混凝土强度单轴应力形状下的混凝土强度 混凝土构造中，主要是利用它的抗压强度。因此抗混凝土构造中，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根本的目的。压强度是混凝土力学性能中最主要和最根本的目的。混凝土的强度等级是用抗压强度来划

3、分的混凝土的强度等级是用抗压强度来划分的1单向受力形状下混凝土的强度单向受力形状下混凝土的强度 1立方体抗压强度：边长为150mm的混凝土立方体试件，在规范条件下温度为203，湿度90%养护28天，用规范实验方法加载速度0.150.3N/mm2/s，两端不涂光滑剂测得的具有95%保证率的抗压强度，用符号C表示。 根据强度范围，从C15C80共划分为14个强度等级，级差为5N/mm2。2 2轴心抗压强度轴心抗压强度n轴心抗压强度由棱柱体试件测得的抗压强度确定。n按规范方法制造的150mml50mm 300mm的棱柱体试件，在温度为20土3和相对湿度为90以上的条件下养护28d，用规范实验方法测得

4、的具有95保证率的抗压强度 。对于同一混凝土，棱柱体抗压强度小于立方体抗压强度。n思索到实践构造构件制造、养护和受力情况，实践构件强度与试件强度之间存在差别，基于平安取偏低值，规定轴心抗压强度规范值和立方体抗压强度规范值的换算关系为： kcuckfkkf,2188. 0脆性折减系数强度比 式中： k为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。k2为高强混凝土的脆性折减系数，对C40取1.0，对C80取0.87，中间按直线规律变化取值。0.88为思索实践构件与试件混凝土强度之间的差别而取用的折减系数。 kcuckfkkf,2188. 0f

5、cu,k立方体强度规范值即为混凝土强度等级fcu。3 3轴心抗拉强度轴心抗拉强度 混凝土的轴心抗拉强度可以采用直接轴心受拉的实验方法来测定，但由于实验比较困难，目前国内外主要采用圆柱体或立方体的劈裂实验来间接测试混凝土的轴心抗拉强度。劈拉实验FaF拉压压22aFfsp 规定轴心抗拉强度规范值与立方体抗压强度规范值的换算关系为：0.450.55,20.88 0.3951 1.645tkcu kff混凝土轴心抗拉强度与立方体抗压强度的关系 在平面应力形状下，当两方向应力均为压应力时，抗压强度相互提高，最大可添加27，而当一方向为压应力，另一方向为拉应力时，强度相互降低。 当压应力不太高时，其存在可

6、提高混凝土的抗剪强度，拉应力的存在会降低混凝土的抗剪强度。剪应力的存在降低混凝土的抗压和抗拉强度。 侧向压应力的存在可提高混凝土的抗压强度，关系为 式中 被约束混凝土的轴心抗压强度； 非约束混凝土的轴心抗压强度； 侧向约束压应力。 侧向压应力的存在还可提高混凝土的延性。 (4.57.0)ccclfffccf cf lf3 3复合受力形状下混凝土的强度复合受力形状下混凝土的强度实践构造中，混凝土很少处于单向受力形状。更多的是处于双实践构造中，混凝土很少处于单向受力形状。更多的是处于双向或三向受力形状。向或三向受力形状。双向受压强度大于单向受双向受压强度大于单向受压强度，最大受压强度发压强度，最大

7、受压强度发生在两个压应力之比为生在两个压应力之比为0.3 0.6之间，约之间，约(1.251.60 )fc。双轴受压。双轴受压形状下混凝土的应力形状下混凝土的应力-应应变关系与单轴受压曲线类变关系与单轴受压曲线类似，但峰值应变均超越单似，但峰值应变均超越单轴受压时的峰值应变。轴受压时的峰值应变。压拉压拉压第二章 钢筋和混凝土的资料性能在一轴受压一轴受拉形在一轴受压一轴受拉形状下，恣意应力比情况状下，恣意应力比情况下均不超越其相应单轴下均不超越其相应单轴强度。并且抗压强度或强度。并且抗压强度或抗拉强度均随另一方向抗拉强度均随另一方向拉应力或压应力的添加拉应力或压应力的添加而减小。而减小。实践构造

8、中，混凝土很少处于单向受力形状。更多的是处于双实践构造中，混凝土很少处于单向受力形状。更多的是处于双向或三向受力形状。向或三向受力形状。2.1.3复杂应力下混凝土的受力性能构件受剪或受扭时常遇到剪应力构件受剪或受扭时常遇到剪应力t 和正应力和正应力s 共同作用下的复共同作用下的复合受力情况。合受力情况。混凝土的抗剪强度：随拉应力增大而减小混凝土的抗剪强度：随拉应力增大而减小 随压应力增大而增大随压应力增大而增大当压应力在当压应力在0.6fc左右时，抗剪强度到达最大，左右时，抗剪强度到达最大，压应力继续增大，那么由于内裂痕开展明显，抗剪强度压应力继续增大，那么由于内裂痕开展明显，抗剪强度将随压应

9、力的增大而减小。将随压应力的增大而减小。三轴应力形状有多种组合，实践工程遇到较多的螺旋箍筋柱和三轴应力形状有多种组合，实践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形状。三向受压实验普通钢管混凝土柱中的混凝土为三向受压形状。三向受压实验普通采用圆柱体在等侧压条件进展。采用圆柱体在等侧压条件进展。由实验得到的阅历公式为: 式中 被约束混凝土的轴心抗压强度； 非约束混凝土的轴心抗压强度； 侧向约束压应力。 侧向压应力的存在还可提高混凝土的延性。 (4.57.0)ccclfffccf cf lf2.1.42.1.4混凝土的变形混凝土的变形1 1、单轴受压应力、单轴受压应力- -应变关

10、系应变关系混凝土单轴受力时的应力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应变关系反映了混凝土受力全过程的重要力学特征重要力学特征,是分析混凝土构件应力、建立承载力和变形计算是分析混凝土构件应力、建立承载力和变形计算实际的必要根据，也是利用计算机进展非线性分析的根底。实际的必要根据，也是利用计算机进展非线性分析的根底。 混凝土单轴受压应力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。应变关系曲线，常采用棱柱体试件来测定。 在普通实验机上采用等应力速度加载，到达轴心抗压强度在普通实验机上采用等应力速度加载，到达轴心抗压强度fc时，实时，实验机中集聚的弹性应变能大于试件所

11、能吸收的应变能，会导致试件验机中集聚的弹性应变能大于试件所能吸收的应变能，会导致试件产生忽然脆性破坏，只能测得应力产生忽然脆性破坏，只能测得应力-应变曲线的上升段。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，以吸收实验机内集聚的应变能，可以测得应力压，以吸收实验机内集聚的应变能，可以测得应力-应变曲线的下应变曲线的下降段。降段。02468102030s(MPa)e 10-3BACEDA点以前，微裂痕没有点以前，微裂痕没有明显开展，混凝土的变明显开展，混凝土的变形主要弹性变形，应力形主要弹性变形，应力-应

12、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添加，对普通强提高而添加，对普通强度混凝土度混凝土sA约为约为 (0.30.4)fc ，对高强混，对高强混凝土凝土sA可达可达(0.50.7)fc。A点以后，由于微裂痕点以后，由于微裂痕处的应力集中，裂痕开处的应力集中，裂痕开场有所延伸开展，产生场有所延伸开展，产生部分塑性变形，应变增部分塑性变形，应变增长开场加快，应力长开场加快，应力-应应变曲线逐渐偏离直线。变曲线逐渐偏离直线。微裂痕的开展导致混凝微裂痕的开展导致混凝土的横向变形添加。但土的横向变形添加。但该阶段微裂痕的开展是该阶段微裂痕的开展是稳定的。稳定的

13、。混凝土在结硬过程中，混凝土在结硬过程中，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缘由，在骨料和水泥石缘由，在骨料和水泥石的界面上构成很多微裂的界面上构成很多微裂痕，成为混凝土中的薄痕，成为混凝土中的薄弱部位。混凝土的最终弱部位。混凝土的最终破坏就是由于这些微裂破坏就是由于这些微裂痕的开展呵斥的。痕的开展呵斥的。到达到达B点，内部一些微点，内部一些微裂痕相互连通，裂痕开裂痕相互连通，裂痕开展已不稳定，横向变形展已不稳定，横向变形忽然增大，体积应变开忽然增大，体积应变开场由紧缩转为添加。在场由紧缩转为添加。在此应力的长期作用下，此应力的长期作用下，裂痕会继

14、续开展最终导裂痕会继续开展最终导致破坏。取致破坏。取B点的应力点的应力作为混凝土的长期抗压作为混凝土的长期抗压强度。普通强度混凝土强度。普通强度混凝土sB约为约为0.8fc，高强强度，高强强度混凝土混凝土sB可达可达0.95fc以上。以上。到达到达C点点fc，内部微裂痕，内部微裂痕连通构成破坏面，应变连通构成破坏面，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峰点的纵向应变值称为峰值应变值应变 e 0，约为，约为0.002。纵向应变开展到达纵向应变开展到达D点，点，内部裂痕在试件外表出内部裂痕在试件外表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纵向裂痕。力方向的纵向裂痕

15、。随应变增长，试件上相随应变增长，试件上相继出现多条不延续的纵继出现多条不延续的纵向裂痕，横向变形急剧向裂痕，横向变形急剧开展，承载力明显下降，开展，承载力明显下降，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，裂痕连结不断遭到破，裂痕连通构成斜向破坏面。通构成斜向破坏面。E点的应变点的应变e = (23) e 0，应力应力s = (0.40.6) fc。不同强度混凝土的应力-应变关系曲线强度等级越高，线弹性段强度等级越高，线弹性段越长，峰值应变也有所增越长，峰值应变也有所增大。但高强混凝土中，砂大。但高强混凝土中，砂浆与骨料的粘结很强，密浆与骨料的粘结很强，密实性好，微裂痕很少，最实

16、性好，微裂痕很少，最后的破坏往往是骨料破坏，后的破坏往往是骨料破坏，破坏时脆性越显著，下降破坏时脆性越显著，下降段越陡。段越陡。uuccffeeeeeeeseeeeees0000200 15. 010 200.0020.0038 fc0.15 fcsee0eu上升段：)1 (1 0ncccfees0ee下降段：ccfsueee055010)50(0033. 010)50(5 . 0002. 0)50(6012cuucucufffnee规范混凝土应力-应变曲线参数fcuC50C60C70C80n21.831.671.5e00.0020.002050.00210.00215eu0.00330.00

17、320.00310.00300.0010.0020.0030.00410203040506070C80C60C40C20se2 2、混凝土的变形模量、混凝土的变形模量弹性模量弹性模量0tgEc变形模量变形模量1tgEc切线模量切线模量tgEc se0.5fc510 次)N/mm(74.342 . 21025cucfE2.1.52.1.5混凝土的收缩和徐变混凝土的收缩和徐变1 1、混凝土的收缩、混凝土的收缩 混凝土在空气中硬化时体积会减少，这种景象混凝土在空气中硬化时体积会减少，这种景象称为混凝土的收缩。称为混凝土的收缩。 收缩是混凝土在不受外力情况下体积变化产生收缩是混凝土在不受外力情况下体积

18、变化产生的变形。的变形。 当这种自发的变形遭到外部支座或内部当这种自发的变形遭到外部支座或内部钢筋的约束时，将使混凝土中产生拉应力，甚钢筋的约束时，将使混凝土中产生拉应力，甚至引起混凝土的开裂。混凝土收缩会使预应力混凝至引起混凝土的开裂。混凝土收缩会使预应力混凝土构件产生预应力损失。土构件产生预应力损失。 2、混凝土的徐变 混凝土在荷载的长期作用下，其变形随时间而不断增长的景象称为徐变。 徐变对混凝土构造和构件的任务性能有很大影响。由于混凝土的徐变，会使构件的变形添加，在钢筋混凝土截面中引起应力重分布，在预应力混凝土构造中会呵斥预应力的损失。 混凝土的徐变特性主要与时间参数有关。 在应力在应力

19、0.5fc作用瞬间，首先产生瞬时弹性应变作用瞬间，首先产生瞬时弹性应变eel= si/Ec(t0)，t0加荷时的龄期。加荷时的龄期。 随荷载作用时间的延续，变形不断增长，前随荷载作用时间的延续，变形不断增长，前4个月徐变增个月徐变增长较快，长较快，6个月可达最终徐变的个月可达最终徐变的7080%，以后增长逐渐，以后增长逐渐缓慢，缓慢，23年后趋于稳定。年后趋于稳定。 记记(t-t0)时间后的总应变为时间后的总应变为e c(t,t0)，此时混凝土的收缩应变为，此时混凝土的收缩应变为esh(t，t0)，那么徐变为，那么徐变为，ecr (t,t0) = ec(t,t0)- e c(t0)- esh(

20、t,t0)= ec(t,t0)- eel- esh(t,t0)如在时间如在时间t 卸载，那么会产生瞬时弹性恢复应变卸载，那么会产生瞬时弹性恢复应变eel。由于混凝。由于混凝土弹性模量随时间增大，故弹性恢复应变土弹性模量随时间增大，故弹性恢复应变eel小于加载时的瞬时小于加载时的瞬时弹性应变弹性应变 eel。再经过一段时间后，还有一部分应变。再经过一段时间后，还有一部分应变eel可以恢可以恢复，称为弹性后效或徐变恢复，但仍有不可恢复的残留永久应复，称为弹性后效或徐变恢复，但仍有不可恢复的残留永久应变变ecr3、混凝土在荷载反复作用下的变形疲劳变形混凝土在荷载反复作用下的应力-应变关系2.2 钢筋

21、的物理力学性能 2.2.1钢筋的种类和级别 热轧钢筋、中高强钢丝和钢绞线、热处置钢筋和冷加工钢筋D公称直径 A3 股钢绞线量测尺寸钢绞线图 2-1 常用钢筋形式刻痕钢丝螺旋肋钢丝热轧钢筋的分类热轧钢筋的分类HPB235HPB235级、级、HRB335HRB335级、级、HRB400HRB400级、级、RRB400RRB400级级屈服强度屈服强度 fyk fyk规范值规范值= =钢材废品限值，保证率钢材废品限值，保证率97.73%97.73%HPB235HPB235级：级： fyk = 235 N/mm2 fyk = 235 N/mm2HRB335HRB335级：级： fyk = 335 N/m

22、m2 fyk = 335 N/mm2HRB400HRB400级、级、RRB400RRB400级：级： fyk = 400 N/mm2 fyk = 400 N/mm2 HPB235 HPB235级级(级级) )钢筋多为光面钢筋，多作为现浇楼板钢筋多为光面钢筋，多作为现浇楼板的受力钢筋和箍筋。的受力钢筋和箍筋。 HRB335 HRB335级级(级级) )和和 HRB400 HRB400级级(级级) )钢筋强度较高，钢筋强度较高，多作为钢筋混凝土构件的受力钢筋，尺寸较大的构件，多作为钢筋混凝土构件的受力钢筋，尺寸较大的构件，也有用也有用级钢筋作箍筋以加强与混凝土的粘结，外形级钢筋作箍筋以加强与混凝土

23、的粘结，外形制形成月牙肋或等高肋的变形钢筋。制形成月牙肋或等高肋的变形钢筋。 RRB400 RRB400级级(级级) )钢筋强度太高，不适宜作为钢筋混凝钢筋强度太高，不适宜作为钢筋混凝土构件中的配筋，普通冷拉后作预应力筋。土构件中的配筋，普通冷拉后作预应力筋。延伸率延伸率d5=25d5=25、1616、1414、10%10%，直径，直径840840。钢丝，中强钢丝的强度为钢丝，中强钢丝的强度为8001200MPa，高强钢丝、钢绞线，高强钢丝、钢绞线的为的为 1470 1860MPa；延伸率；延伸率d10=6%，d100=3.54%；钢丝；钢丝的直径的直径39mm；外形有光面、刻痕和螺旋肋三种，

24、另有二股、；外形有光面、刻痕和螺旋肋三种，另有二股、三股和七股钢绞线，外接圆直径三股和七股钢绞线，外接圆直径9.515.2 mm。中高强钢丝和。中高强钢丝和钢绞线均用于预应力混凝土构造。钢绞线均用于预应力混凝土构造。冷加工钢筋是由热轧钢筋和盘条经冷拉、冷拔、冷轧、冷扭加冷加工钢筋是由热轧钢筋和盘条经冷拉、冷拔、冷轧、冷扭加工后而成。冷加工的目的是为了提高钢筋的强度，节约钢材。工后而成。冷加工的目的是为了提高钢筋的强度，节约钢材。但经冷加工后，钢筋的延伸率降低。近年来，冷加工钢筋的种但经冷加工后，钢筋的延伸率降低。近年来，冷加工钢筋的种类很多，应根据专门规程运用。类很多，应根据专门规程运用。热处

25、置钢筋是将热处置钢筋是将级钢筋经过加热、淬火和回火等调质工艺处级钢筋经过加热、淬火和回火等调质工艺处置，使强度得到较大幅度的提高，而延伸率降低不多。用于预置，使强度得到较大幅度的提高，而延伸率降低不多。用于预应力混凝土构造。应力混凝土构造。s se e2.2.2 2.2.2 钢筋的强度与变形钢筋的强度与变形 有明显屈服点的钢筋有明显屈服点的钢筋aabcdefua为比例极限oa为弹性阶段de为强化阶段b为屈服上限c为屈服下限，即屈服强度 fycd为屈服台阶e为极限抗拉强度 fu fyfef为颈缩阶段几个目的：几个目的：屈服强度：是钢筋强度的设计根据，由于钢筋屈服后将发生很大屈服强度：是钢筋强度的

26、设计根据，由于钢筋屈服后将发生很大的塑性变形，且卸载时这部分变形不可恢复，这会使钢筋混凝土的塑性变形，且卸载时这部分变形不可恢复，这会使钢筋混凝土构件产生很大的变形和不可闭合的裂痕。屈服上限与加载速度有构件产生很大的变形和不可闭合的裂痕。屈服上限与加载速度有关，不太稳定，普通取屈服下限作为屈服强度。关，不太稳定，普通取屈服下限作为屈服强度。延延 伸伸 率：钢筋拉断后的伸长值与原长的比率，是反映钢筋塑性率：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目的。延伸率大的钢筋，在拉断前有足够预兆，延性较好。性能的目的。延伸率大的钢筋，在拉断前有足够预兆，延性较好。0010or 5lll 屈屈

27、强强 比：反映钢筋的强度贮藏，比：反映钢筋的强度贮藏，fy/fu=0.60.7。se残余变形er弹性变形ee有明显屈服点钢筋的应力-应变关系普通可采用双线性的理想弹塑性关系yyysfEeeseees fy ey1Es钢筋的弹性模量(N/mm2)种 类EsHPB235 级钢筋2.1105HRB335 级钢筋、HRB400 级钢筋、RRB400 级钢筋、热处理钢筋2.0105消除应力钢丝、螺旋肋钢丝、刻痕钢丝2.05105钢绞线1.95105a0.2%s0.2 fua点：比例极限，约为点：比例极限，约为0.65fua点前：应力点前：应力-应变关系为线弹性应变关系为线弹性a点后：应力点后：应力-应变

28、关系为非线性，应变关系为非线性，有一定塑性变形，且没有明显的屈有一定塑性变形，且没有明显的屈服点服点强度设计目的强度设计目的条件屈服点条件屈服点剩余应变为剩余应变为0.2%所对应的应力所对应的应力取取s0.2 =0.85 fu 1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、二级的框架构造，其纵向受力钢筋的实践强屈比不应小于1.25。 2塑性：要求钢筋应有足够的变形才干。 3可焊性：要求钢筋焊接后不产生裂痕和过大的变形，焊接接头性能良好。 4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，以保证两者共同任务。2.2.3 混凝土构造对钢筋性能的

29、要求混凝土构造对钢筋性能的要求2.3 2.3 混凝土与钢筋的粘结混凝土与钢筋的粘结2.3.1粘结的意义粘结的意义粘结和锚固是钢筋和混凝土构成整体、粘结和锚固是钢筋和混凝土构成整体、共同任务的根底共同任务的根底钢筋与混凝土之间粘结应力表示图a锚固粘结应力 b裂痕间的部分粘结应力2.3 2.3 混凝土与钢筋的粘结混凝土与钢筋的粘结2.3.2粘结力的构成粘结力的构成光圆钢筋与变形钢筋具有不同的粘结机理，其光圆钢筋与变形钢筋具有不同的粘结机理，其粘结作用主要由三部分组成：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钢筋与混凝土接触面上的化学吸附作用力胶结力。普通很小，仅在受力阶段的部分胶结力。普通很小，仅在受力阶段的部分无滑移区域起作用，当接触面发生相对滑移时，无滑移区域起作用，当接触面发生相对滑移时，该力即消逝。该力即消逝。混凝土收缩握裹钢筋而产生的摩阻力。混凝土收缩握裹钢筋而产生的摩阻力。钢筋外表凹凸不平与混凝土之间产生的机钢筋外表凹凸不平与混凝土之间产生的机械咬协作用力咬合力。对于光圆钢筋，这械咬协作用力咬合力。对于光圆钢筋，这种咬合力来