第二章混凝土结构材料的物理力学性能.ppt

1、第二章混凝土结构材料的 物理力学性能,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 2.2 钢筋的物理力学性能 2.3 混凝土与钢筋的粘结,2.1 混凝土的物理力学性能,2.1.1 单轴向应力状态下的混凝土强度 砼立方体受压,我国规范的方法：不涂润滑剂,压力试件裂缝发展扩张整个体系解体，丧失承载力。,另影响强度的因素还有：龄期、加载速率、试块尺寸等。,立方体抗压强度fcu,标准试块： 150150 150,非标准试块：100100 100 换算系数 0.95 200200 200 换算系数 1.05,立方体抗压强度 fcu,2.1 混凝土的物理力学性能,立方体抗压强度标准值

2、是区分混凝土强度等级的指标，我国规范混凝土的强度等级有： C15，C20，C25，C30，C35，C40，C45，C50，C55，C60，C65，C70，C75，C80,表示砼Concrete,立方体抗压强度标准值,2.1 混凝土的物理力学性能,其中，C50C80属高强度混凝土范畴。,建筑工程中，钢筋混凝土构件的混凝土强度等级不应低于C20; 当采用HRB400和RRB400级及以上钢筋以及承受重复荷载的构件，不应低于C25; 预应力混凝土结构不应低于C30; 采用钢绞线、钢丝、热处理钢筋作预应力钢筋时，不宜低于C40.,混凝土的选用,2.1 混凝土的物理力学性能,砼轴心受压:混凝土的抗压强度

3、与试件的形状有关,采用棱柱体比立方体能更好地反映混凝土结构的实际抗压能力。用混凝土棱柱体试件测得的抗压强度称为轴心抗压强度。,2.1 混凝土的物理力学性能,图2-2 混凝土棱柱体抗压试验和破坏情况,2.1 混凝土的物理力学性能,我国普通混凝土力学性能试验方法标准(GB/T 500812002)规定以150mm150mm300mm的棱柱体作为混凝土轴心抗压强度试验的标准试件。,混凝土结构设计规范规定以上述棱柱体试件试验测得的具有95%保证率的抗压强度为混凝土轴心抗压强度标准值，用符号fck表示，下标c表示受压，k表示标准值。,考虑到承压板对试件的约束，立方体抗压强度大于棱柱体抗压强度，且有：fc

4、=0.76fcu (试验结果) 考虑到构件和试件的区别，取fc=0.67fcu,棱柱体抗压强度fc,对国外（美国、日本、欧洲混凝土协会等）采用的圆柱体试件（d=150, h=300），有fc=0.79fcu,圆柱体抗压强度,2.1 混凝土的物理力学性能,混凝土的轴心抗拉强度ft,考虑到构件和试件的区别，尺寸效应， 加荷速度等的影响，并考虑从普通混凝土到高强混凝土的变化规律，取：,2.1 混凝土的物理力学性能,2.1 混凝土的物理力学性能,劈裂试验,我国根据100mm立方体的劈裂与抗压试验结果有： ft=0.19fcu 3/4,抗拉强度ft,2.1.2 复合应力状态下砼的强度,1.双轴应力下砼强

5、度,双向正应力下的强度曲线,2.1 混凝土的物理力学性能,2-2-4 复合应力状态下砼强度,法向应力和剪应力下的强度曲线,2.法向应力和剪应力组合状态下砼强度,2.1 混凝土的物理力学性能,2-2-4 复合应力状态下砼强度,3.三向受压时的砼强度,圆柱体试验,有侧向约束时的轴心抗压强度,无侧向约束时圆柱体的轴心抗压强度,2.1 混凝土的物理力学性能,混凝土棱柱体-曲线,F,2.1 混凝土的物理力学性能,2.1.3 混凝土的变形,1.一次短期加载下砼的变形性能,上升段: OA段, 0.3fc, -关系为直线,称为弹性阶段。 AB段,=（0.30.8) fc, -关系表现出明显的非弹性特征。 BC

6、段, =（0.81.0) fc, -关系的塑性性能明显,体积由受压缩小转化到由于裂缝的开展使体积膨胀,即使荷载不增加,内部裂缝也会开展。 =fc时，骨料和水泥石之间的粘结丧失。,2.1 混凝土的物理力学性能,下降段: CF段:应力逐渐减小,应变不断加大。 特征值：fc 0(与fc对应的应变):均匀受压，取0.002,当压 应力达到fc之后,混凝土构件就不能承受更大的荷载 max：破坏时的极限应变值 （塑性部分越长，变形能力越大，延性愈好）,2.1 混凝土的物理力学性能,2.1 混凝土的物理力学性能,图2-10 不同强度的混凝土的应力-应变曲线比较,混凝土应力-应变曲线的形状和特征是混凝土内部结

7、构发生变化的力学标志。,随着混凝土强度的提高，尽管上升段和峰值应变的变化不很显著，但是下降段的形状有较大的差异，混凝土强度越高，下降段的坡度越陡，即应力下降相同幅度时变形越小，延性越差。,砼轴心受压应力-应变曲线的数学模型,美国Hognestad模型,德国Rsch模型,2.1 混凝土的物理力学性能,单轴受压时的应力-应变关系的数学模型-中国规范,2.1 混凝土的物理力学性能,砼的变形模量,砼的弹性模量,原点切线模量（弹性模量）：拉压相同,变形模量（割线模量、弹塑性模量）,切线模量,受压时，为0.51.0； 受拉破坏时，为1.0,2.1 混凝土的物理力学性能,砼的变形模量,2.1 混凝土的物理力

8、学性能,需要注意的是，混凝土不是弹性材料，所以不能用已知的混凝土应变乘以规范中所给的弹性模量值去求混凝土的应力。只有当混凝土应力很低时，它的弹性模量与变形模量值才近似相等。混凝土的弹性模量可按下式计算：,长期荷载作用下混凝土的变形性能-徐变,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,c0.5fc，线性徐变,c0.8fc，非线性徐变,2.1 混凝土的物理力学性能,2.荷载长期作用下砼的变形性能,影响徐变的因素,应力： c0.8fc，造成混凝土破坏，不稳定,2.1 混凝土的物理力学性能,影响徐变的因素,2.加荷时混凝土的龄期，越早，徐变越大,3.水泥用量越多，水灰比越大，徐

9、变越大,4.骨料越硬，徐变越小,2.1 混凝土的物理力学性能,徐变对混凝土结构的影响,徐变： s， c,P拆去，钢筋受压混凝土受拉，可能会引起混凝土开裂,2.1 混凝土的物理力学性能,3. 砼的收缩与膨胀,混凝土的收缩 -结硬过程中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：越多，水灰比越大，收缩越大,影响收缩的因素,2.1 混凝土的物理力学性能,3.骨料：骨料越硬，收缩越小,4.养护条件、制作方法、使用环境、体积与表面积的比值等对混凝土的收缩也有影响,影响收缩的因素,2.1 混凝土的物理力学性能,收缩对混凝土结构的影响,收缩： 钢筋受压， 混凝土受拉,2.1 混凝土的物理力

10、学性能,2.1.4 混凝土的疲劳,重复荷载下的应力-应变曲线,疲劳强度fcf的确定原则：100100 300或150150 450 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,2.1 混凝土的物理力学性能,重复荷载下混凝土的变形性能,2.1 混凝土的物理力学性能,混凝土的疲劳强度与重复作用时应力变化的幅度有关。在相同的重复次数下，疲劳强度随着疲劳应力比值的减小而增大。疲劳应力比值按下式计算：,2.2 钢筋的物理力学性能,2.2.1钢筋的种类,混凝土结构中采用的钢筋有柔性钢筋和劲性钢筋两种。 1 .柔性钢筋,图2-20 钢筋的外形 （a)光圆钢筋；(b)螺旋纹钢筋； (

11、c)人字纹钢筋；(d)月牙纹钢筋,线形的普通钢筋统称为柔性钢筋，其外形有光圆和带肋两类。,2.2 钢筋的物理力学性能,2.2.1钢筋的种类,2.劲性钢筋,劲性钢筋是指配置在混凝土中的各种型钢、钢轨或者用钢板焊成的钢骨架。劲性钢筋本身刚度很大，施工时模板及混凝土的重力可以由劲性钢筋本身来承担，因此能加速并简化支模工作。配置了劲性钢筋的混凝土结构具有较大的承载能力和变形能力，常用于高层建筑的框架梁、柱以及剪力墙和筒体结构中。,2.2 钢筋的物理力学性能,2.2.2 国产普通钢筋,混凝土结构设计规范规定，用于钢筋混凝土结构的国产普通钢筋为热轧钢筋。热轧钢筋是低碳钢、普通低合金钢在高温状态下轧制而成的

12、软钢，其应力-应变曲线有明显的屈服点和流幅，断裂时有颈缩现象，伸长率比较大。,1.强度等级和牌号 国产普通钢筋按其屈服强度标准值的高低，分为4个强度等级：300MPa、335MPa、400MPa和500MPa。,2.2 钢筋的物理力学性能,2.2.2 国产普通钢筋,HPB300(低碳钢) :光面,锚固性能差,可设置弯钩（问：光圆钢筋在什么情况下可不设置弯钩？） HRB335,HRB400(低合金钢):强度高,延性好,锚固性能好（问：需不需要设置弯钩？） 新规范推荐使用HRB400和HRB500，特别是HRB400。(钢筋规格齐全),2.2 钢筋的物理力学性能,2.2.2 国产普通钢筋,箍筋宜采

13、用HRB400、HRBF400、HRB335和HPB300。光圆钢筋HPB300虽然也可用作纵向受力钢筋，因其强度较低，故主要用作箍筋。 当HRB500和HRBF500用作箍筋时，只能用于约束混凝土的间接钢筋，即螺旋箍筋或焊接环筋，见5.2.2节。 用作承受疲劳作用的钢筋采用HRB400钢筋。,2.2.3 钢筋的强度与变形,1.软钢的应力应变曲线,(1) a (比例极限)： 自开始加荷到 a, =E 。,软钢的应力应变曲线,2.2 钢筋的物理力学性能,(2) a (弹性极限)： a点之前,卸荷后变形可恢复,此时,不成比例。,2.2 钢筋的物理力学性能,(3) b为屈服上限， c为屈服下限 过a

14、之后，卸荷后应变已不可完全恢复，当达到屈服极限b后，应变出现塑性流动， b为屈服上限，之后下降。 c点为屈服下限， 不变的条件下， 增长很快，直到f点这种现象叫屈服。 c，f之间的值为流幅。,2.2 钢筋的物理力学性能,(4) d点对应的应 力为极限抗拉 强度。 过f点以后，开始增长，塑性变形明显 fd段为强化阶段，当达到一定的数值后在构件的薄弱部位出现颈缩现象。,2.2 钢筋的物理力学性能,2.硬钢（无明显屈服点） 的应力-应变曲线 （预应力钢筋）,规范规定取残余应变的0.2%所对应的应力作为强度指标,即条件屈服点。,硬钢的应力应变曲线,2.2 钢筋的物理力学性能,钢筋的应力-应变曲线,上屈

15、服点不稳定,下屈服点,出现颈缩,拉断,BC段为屈服平台 CD段为强化段,有明显流幅的钢筋,无明显流幅的钢筋,钢筋受压和受拉时的应力-应变曲线几乎相同,2.2 钢筋的物理力学性能,2.2.4 钢筋本构关系,有明显流幅的钢筋,无明显流幅的钢筋,2.2 钢筋的物理力学性能,2.2.5钢筋的疲劳,2.2 钢筋的物理力学性能,钢筋的疲劳是指钢筋在承受重复、周期性的动荷载作用下，经过一定次数后，突然脆性断裂的现象。吊车梁、桥面板、轨枕等承受重复荷载的钢筋混凝土构件在正常使用期间会由于疲劳发生破坏。,2.2.5钢筋的疲劳,2.2 钢筋的物理力学性能,钢筋疲劳断裂的原因，一般认为是由于钢筋内部和外部的缺陷，在

16、这些薄弱处容易引起应力集中。应力过高，钢材晶粒滑移，产生疲劳裂纹，应力重复作用次数增加，裂纹扩展，从而造成断裂。因此钢筋的疲劳强度低于其在静荷载作用下的极限强度。原状钢筋的疲劳强度最低。埋置在混凝土中的钢筋的疲劳断裂通常发生在纯弯段内裂缝截面附近，疲劳强度稍高。,2.2.5钢筋的疲劳,试验方法,单根钢筋的轴拉疲劳(我国采用),钢筋埋入混凝土中重复受拉或受弯,2.2 钢筋的物理力学性能,2.2.6 混凝土结构对钢筋性能的要求,强度要求：屈服强度和极限强度，屈服强度是设计计算的主要依据，抗震设计时还要求有一定的屈强比,塑性要求：伸长率和冷弯要求，是施工单位验收钢筋是否合格的主要指标。,可焊性要求：

17、是评定钢筋焊接后的接头性能的指标。,2.2 钢筋的物理力学性能,2.2.6 混凝土结构对钢筋性能的要求,机械连接性能,施工适应性,与混凝土的粘结性：以保证与混凝土共同工作。,2.2 钢筋的物理力学性能,2.3.1 粘结的意义,2.3 混凝土与钢筋的粘结,粘结力 若钢筋和混凝土有相对变形（滑 移），就会在钢筋和混凝土交界 面上产生沿钢筋轴线方向的相互 作用力，这种力称为钢筋与混凝 土的粘结力。,2.3.1 粘结的意义,2.3 混凝土与钢筋的粘结,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,2.3.2 粘结力的组成,2.3 混凝土与钢筋的粘结,光圆钢筋,化学胶结力,摩阻

18、力,机械咬合力（钢筋表面不平、微锈时可显著提高咬合力）,有滑移时粘附力即消失,粘结力主要由此二部分组成,2.3.2 粘结力的组成,2.3 混凝土与钢筋的粘结,变形钢筋,化学胶着力,摩擦力,机械咬合力,主要作用,粘结破坏形态,光圆钢筋,钢筋拔出,2.3 混凝土与钢筋的粘结,变形钢筋,2.3 混凝土与钢筋的粘结,粘结破坏形态,变形钢筋,混凝土撕裂,混凝土局部挤碎,刮出式破坏,2.3 混凝土与钢筋的粘结,粘结破坏形态,2.3.3 粘结应力-滑移关系,2.3 混凝土与钢筋的粘结,图2-26 -s曲线 (a)光圆钢筋的-s曲线；(b)带肋钢筋的-s曲线,2.3.4 钢筋的锚固,2.3 混凝土与钢筋的粘结,1.基本锚固长度lab,混凝土结构设计规范GB 500102010规定的受拉钢筋锚固长度lab为钢筋的基本锚固长度。,图2-27 钢筋的受拉锚固长度计算简图,外形系数，见教