3材料的力学性能-混凝土剖析.ppt

1.1 钢筋 1.2 混凝土 1.3 钢筋与混凝土的粘结,第一章 混凝土结构用材料的性能,1,通常把混凝土的结构分为三种类型： Ａ.微观结构：水泥石结构，包括水泥凝胶、晶体骨架、未水化完的水泥颗粒和凝胶孔组成 Ｂ.亚微观结构：混凝土中的水泥砂浆结构 Ｃ.宏观结构：砂浆和粗骨料两组份体系 弹性骨架------水泥石晶体、砂、石------ 弹性变形 混凝土微裂缝和水泥石凝胶体的粘性流动----塑性变形,1.2 混凝土的物理力学性能,2,1.2.1 混凝土的强度,单向抗压强度 单向抗拉强度 复合应力状态下的强度,3,混凝土结构中，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基本的指标 混凝土的强度等级是用抗压强度来划分的 混凝土强度等级：边长150mm立方体标准试件，在标准条件下（20±3℃，≥90%湿度）养护28天，用标准试验方法（加载速度0.3~0.5N/mm2/s，两端不涂润滑剂）测得的具有95%保证率的立方体抗压强度，用符号C表示，C30表示fcu,k=30N/mm2,一、混凝土的强度等级-立方体抗压强度,4,5,《规范》根据强度范围，从C15~C80共划分为14个强度等级，级差5N/mm2。

C50以上为高强混凝土一、混凝土的强度等级-立方体抗压强度,6,在与压力机压板接触的试件表面涂润滑剂，其抗压强度将比表面不加润滑剂试件的抗压强度低很多，两者的破坏形态也不相同,7,混凝土的立方体抗压强度随龄期而增长,8,100mm和200mm立方体强度与标准立方体强度之间的换算关系,尺寸越小，强度越高,尺寸效应,9,美国、日本、加拿大等国家，采用圆柱体（直径150mm，高300 mm）标准试件测定的抗压强度来划分强度等级，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，,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和品质的标准（制作、测试方便）尺寸效应,10,轴心抗压强度采用棱柱体试件测定，用符号fc 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h/b=2~3，我国通常取150mm×150mm×300mm，也常用150×150×450试件二、轴心抗压强度-棱柱体强度,11,在钢筋混凝土结构中，计算轴心受压构件时（如轴心受压柱，桁架受压腹杆等），要采用混凝土的轴心抗压强度!,12,0.88:考虑结构中的混凝土强度与试块混凝土强度之间的差异等因素的修正系数； αc1：棱柱体强度与立方体强度的比值，当≤C50时，取 0.76； 当为C80时取0.82，其间插值； αc 2：混凝土的脆性系数，当不大于C40时取1.0；当为 C80时取 0.87，其间插值。

对于同一混凝土，棱柱体抗压强度小于立方体抗压强度!,13,砼的抗压强度主要取决于横向变形的约束条件和加载速率：加载速度0.3~0.5N/mm2/sec, 混凝土强度等级≥C30时，取每秒 0.5~0.8N/mm2/sec,. （1）加荷速度提高为10/mm2/sec，强度提高约10%； （2）快速加荷的冲击荷载下，105N/mm2/sec,提高60%；,三、影响抗压强度的主要因素,14,比抗压强度小得多，用符号 ft 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四、轴心抗拉强度 ft,直接测试法-----轴线拉伸试验,15,,,16,,轴心受拉试验对中困难，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,17,1、混凝土的双向受力强度,实际结构中，混凝土更多的是处于双向或三向受力状态双向受压强度大于单向受压强度，最大受压强度发生在两个压应力之比为2或0.5之间，约为1.27fc六、混凝土的复合受力强度,18,拉压共同作用下：试件破坏时强度比单向受力时强度低2、拉压共同作用时及双拉时的强度,双向受拉时：其强度比单向受拉时的强度差不多19,混凝土的抗剪强度：随拉应力增大而减小 当压应力(0.5~0.7)fc 时，抗剪强度随压应力增大而碱小; 在梁、柱中当有剪 应力时，将要影响其受压区混凝土的强度！,3、在法向应力和剪力作用下的复合强度,20,4、混凝土的三向受压强度,三轴受压混凝土的强度和延性都有较大的增长！,21,22,螺旋钢箍柱 钢管混凝土 抗震区箍筋加密 FRP约束混凝土柱,,,工程应用-约束混凝土,螺旋箍筋,23,◎螺旋箍筋约束对强度和变形能力均有很大提高 ◎矩形箍筋约束对强度的提高不是很显著，但对变形能力有显著改善,（a）螺旋箍筋,24,钢管混凝土,FRP约束混凝土柱,螺旋箍筋,25,,抗震区箍筋加密,26,《规范》规定材料强度的标准值 fk 应具有不小于95%的保证率,立方体强度标准值即为混凝土强度等级 fcu，k。

强度等级用符号C表示，规范将混凝土强度等级从C15到C80，划分为14个等级，C50以下为普通强度砼，C50以上为高强砼五、混凝土强度的标准值,27,《规范》在确定混凝土轴心抗压强度和轴心抗拉强度标准值时，考虑它们与立方体强度具有相同的变异系数28,混凝土强度标准值,,29,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重要力学特征 用途：分析混凝土构件应力、建立承载力和变形计算理论的必要依据，也是利用计算机进行非线性分析的基础2.2.2 混凝土的变形性能,混凝土受力变形和非受力变形,30,2.2.2 混凝土的变形性能,单调短期加载下的变形性能：轴心受压，受拉 重复荷载作用下的变形性能 混凝土的弹性模量、泊松比等 混凝土在荷载长期作用下的变形性能,31,试件及其裂缝分布,1、受压混凝土一次短期加载应力-应变关系,裂缝开展及分布,32,,,O-A段：,弹性工作阶段,A-B段：,弹塑性工作阶段，裂缝发展稳定,33,B-C段：,塑性变形更为明显，裂缝处于不稳定状态，C点对应的峰值应变为,34,,,,,,,C- F 段：下降段,应力随应变的增长而逐渐降低， D为反弯点，收敛点E的应变为极限压应变，F对应残余应力，EF对于无测向约束的混凝土已经失去意义。

35,混凝土的延性：指混凝土的变形能力，指混凝土试件在承载能力没有显著下降情况下承受变形的能力变形大表明混凝土耐受变形能力强，延性好，对于结构抗震有重要意义36,轴心受压时：其应力达到 时，混凝土就不能承受更大的荷载，故峰值应变为其构件承载能力计算的依据一般取,不均匀受压时：受弯或偏心受压，最外层纤维达到最大压应力 时，相邻纤维对其卸载，直到最外层纤维达到,37,强度等级越高，线弹性段越长，峰值应变也有所增大 高强混凝土中，砂浆与骨料的粘结很强，密实性好，微裂缝很少，最后的破坏往往是骨料破坏，破坏时脆性越显著，下降段越陡38,◆加载速度：越慢，峰值应力越小，对应的峰值应变越大，下降段越平缓,39,◆混凝土单轴受压应力-应变关系模型,40,受拉混凝土应力-应变曲线,三,应力-应变关系接近直线41,2 、重复荷载作用下的变形性能,42,多次重复荷载作用下的变形性能-疲劳破坏,43,◆加载应力小于f fc时，应力应变曲线形成滞回环，循环次数增加，滞回环面积减小，闭合为一条直线◆加载应力大于f fc时，应力应变曲线形开始有滞回环，循环次数增加，应力应变反向弯曲，不能形成滞回环，曲线斜率不断降低，混凝土疲劳破坏。

混凝土的疲劳强度：将混凝土试件承受200万次重复荷载时发生破坏的压应力值它小于混凝土轴心抗压强度，与混凝土等等级、重复加载次数以及最小与最大应力比值有关44,3、混凝土的弹性模量、泊松比、剪变模量,45,弹性模量测定方法,,,,,,,,46,割线模量,,λ ：弹性系数，随应力增大而减小47,泊松比,,指在一次短期加载（受压）时试件的 横向变形与纵向应变之比 规范取：0.2,剪变模量Gc,48,49,定义：在荷载保持不变的情况下随时间而增长的变形,4、混凝土的徐变－荷载有关,,它对构件的变形、承载能力及预应力钢筋中的应力都将产生影响徐变系数：徐变应变与瞬时弹性应变之比，一般2～4,50,不利： 徐变会发生内力重分布（混凝土应力减小，钢筋应力增大）； 使结构（构件）的（挠度）变形增大； 对于长细比较大的构件，使偏压构件的附加偏心距增大而导致构件承载力降低； 引起预应力损失，设计时不容忽略 有利： 降低结构的受力（如支座不均匀沉降），受拉徐变可延缓收缩裂缝的出现徐变对结构的影响,51,内在因素是混凝土的组成和配合比骨料的刚度（弹性模量）越大，骨料的相对体积越大，徐变就越小水灰比越小，徐变也越小。

环境影响包括养护和使用条件受荷前养护的温湿度越高，水泥水化作用越充分，徐变就越小采用蒸汽养护可使徐变减少（20~35）%受荷后构件所处的环境温度越高，相对湿度越小，徐变就越大 构件体表比是构件体积与构件表面积的比值体表比越小，徐变越大影响因素,,52,应力条件是指初应力水平s/fc和加荷时混凝土的龄期t0，它们影响徐变的非常主要的因素 线性徐变：当初始应力水平s/fc ≤ 0.5时，徐变值与初应力基本上成正比徐变在2年以后可趋于稳定 最终徐变系数j =ecr /eel =Ececr /s=常数=2~4,应力条件,53,54,非线性徐变：当初应力σ在(0.5~0.8) fc 范围时，徐变最终虽仍收敛，但最终徐变与初应力σ不成比例，徐变系数 随σ的增大而增大 当初应力σ 0.8fc 时，混凝土内部微裂缝的发展已处于不稳定的状态，徐变的发展将不收敛，最终导致混凝土的破坏55,混凝土在空气中硬化时体积会缩小，称为收缩 当这种自发的变形受到外部（支座）或内部（钢筋）的约束时，将使混凝土中产生拉应力，甚至引起混凝土的开裂 对预应力混凝土结构，使预应力产生损失 某些对跨度比较敏感的超静定结构（如拱结构），收缩会引起不利的内力。

四、混凝土的收缩－与力无关,56,早期收缩较快，两周：25%，一个月：50%，以后变形发展逐渐减慢，整个收缩过程可延续两年以上 一般情况下，最终收缩应变值约为(2~5)×10-4 混凝土开裂应变为(0.5~2.7)×10-4,57,58,混凝土的收缩受结构周围的温度、湿度、构件断面形状及尺寸、配合比、骨料性质、水泥性质、混凝土浇筑质量及养护条件等许多因素有关 水泥用量多、水灰比越大，收缩越大 骨料弹性模量高、级配好，收缩就小 干燥失水及高温环境，收缩大 小尺寸构件收缩大，大尺寸构件收缩小 高强混凝土收缩大影响因素,,,59,（1）加强混凝土的初期养护，在养护期内使混凝土保持 潮湿环境； （2）减小水灰比，水灰比过大，使混凝土收缩量增加 （3）减小水泥用量，水泥含量越少，骨料含量相对增 加，骨料的体积稳定性比砂浆好， （4）体表比越大，收缩越小 （5）加强振捣，混凝土振捣愈密实，内部孔隙愈小，收 缩量越小；,减小徐变与收缩的措施,,,60,（1）现浇板在一定长度范围内预留伸缩缝， 减少收缩应力； （2）在混凝土构件内配置一定数量的构造钢 筋,使收缩应力均匀,避免产生集中裂缝 （3）在施工上采用后浇施工带的方法。

结构构造上减少混凝土收缩内力的措施,,,61,混凝土的选用原则---4.1.2,素混凝土结构的强度等级不应低于C15; 钢筋混凝土结构的混凝土等级不应低于C20；采用400级钢筋时混凝土强度等级不应低于C25；采用500MPa级钢筋时混凝土强度等级不应低于C30； 承受重复荷载的钢筋混凝土构件，混凝土强度等级不应低于C25； 预应力混凝土结构的混凝土强度等级不宜低于C40，且不应低于C30 。