钢筋混凝土 第二章砼结构材料的物理力学性能.pdf
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1、第二章第二章 混凝土结构材料的混凝土结构材料的 主要力学性能主要力学性能 混凝土混凝土 混凝土结构混凝土结构材料材料强度和变形强度和变形 (主要力学性能)(主要力学性能) 钢 筋钢 筋 第一节混凝土的主要力学性能第一节混凝土的主要力学性能 一、混凝土的组成结构一、混凝土的组成结构 通常把混凝土的结构分为三种类型:通常把混凝土的结构分为三种类型: .微观结构:微观结构:也即水泥石结构,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。 也即水泥石结构,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。 .亚微观结构:亚微观结构:即混凝土中的水泥砂浆结构。即混凝土中的水泥砂浆结构。
2、 .宏观结构:宏观结构:即砂浆和粗骨料两组分体系。即砂浆和粗骨料两组分体系。 注意:注意:1.骨料的分布及骨料与基相之间在界面的结合强度是影响 混凝土强度的重要因素; 骨料的分布及骨料与基相之间在界面的结合强度是影响 混凝土强度的重要因素; 2.在荷载的作用下,微裂缝的扩展对混凝土的力学性能有 着极为重要的影响。 在荷载的作用下,微裂缝的扩展对混凝土的力学性能有 着极为重要的影响。 加固土的微观结构加固土的微观结构SEM图 (龄期: 图 (龄期:7d,放大倍数:,放大倍数:2000) 加固土的微观结构加固土的微观结构SEM图 (龄期: 图 (龄期:28d,放大倍数:,放大倍数:2000) 加固
3、土的微观结构加固土的微观结构SEM图 (龄期: 图 (龄期:14d,放大倍数:,放大倍数:2000) 二、混凝土的强度二、混凝土的强度 荷载的性质和受力条件不同,使混凝土具有不同的 强度 立方体抗压强度 荷载的性质和受力条件不同,使混凝土具有不同的 强度 立方体抗压强度 单向应力状态下的强度单向应力状态下的强度轴心抗压强度 轴心抗拉强度 轴心抗压强度 轴心抗拉强度 复合应力状态下的强度复合应力状态下的强度双向受力强度 三向受压强度 双向受力强度 三向受压强度 1混凝土的立方体抗压强度和强度等级N/mm1混凝土的立方体抗压强度和强度等级N/mm2 2 ,cu k 我国将立方体抗压强度值作为混凝土
4、强度的我国将立方体抗压强度值作为混凝土强度的基本基本 指标。指标。 立方体抗压强度值由试验得到:立方体抗压强度值由试验得到: 标准试验条件标准试验条件 (见书(见书P7) f 影响立方体抗压强度的因素:影响立方体抗压强度的因素: (1)试验方法试验方法:分为:分为涂润滑剂涂润滑剂和和不涂润滑剂不涂润滑剂。 ?通常试块与试验机垫板之间存在摩擦,这种摩擦 对试块有 通常试块与试验机垫板之间存在摩擦,这种摩擦 对试块有“套箍套箍”作用作用引起抗压强度提高。引起抗压强度提高。 ?如果涂润滑剂,摩擦力大大减小,横向不受约 束,强度不提高。 如果涂润滑剂,摩擦力大大减小,横向不受约 束,强度不提高。 注意
5、:我国规定的标准试验方法是不涂润滑剂的。注意:我国规定的标准试验方法是不涂润滑剂的。 不涂润滑剂不涂润滑剂涂润滑剂涂润滑剂 (2)试件尺寸试件尺寸:尺寸越小,强度越高。:尺寸越小,强度越高。 (3)加载速度加载速度:速度越快,强度越高。:速度越快,强度越高。 (4)混凝土龄期混凝土龄期:随龄期的增长而提高。:随龄期的增长而提高。 混凝土强度等级混凝土强度等级 是按立方体抗压强度标准值确定的 共 是按立方体抗压强度标准值确定的 共14级,用级,用C表示:表示:C15, C20, C25, C30, C80。 ?例如例如 C20, 表示表示 kcu f , 2 , 20/ cu k fN mm=
6、2混凝土的轴心抗压强度2混凝土的轴心抗压强度 ck f c f ?用标准棱柱体试件用标准棱柱体试件(150 X 150 X 300 mm3)采 用标准试验方法(与立方体相同)测定的混 凝土抗压强度 采 用标准试验方法(与立方体相同)测定的混 凝土抗压强度轴心抗压强度轴心抗压强度。 ?一般认为当一般认为当 h / b = 23 时,可以消除摩擦 力的影响,中间为纯压状态,接近实际情 况。 时,可以消除摩擦 力的影响,中间为纯压状态,接近实际情 况。 ?通过试验分析,通过试验分析, ?规范给出轴心抗压强度标准值与立方体抗压强度标 准值的关系按下式确定: 规范给出轴心抗压强度标准值与立方体抗压强度标
7、 准值的关系按下式确定: ?棱柱体强度与立方体强度的比值,棱柱体强度与立方体强度的比值, C50及以 下,取 及以 下,取0.76, C80取取0.82。 ? 高强混凝土的脆性折减系数, 高强混凝土的脆性折减系数,C40及以 下,取 及以 下,取1.0,C40以上,需折减。以上,需折减。 ?0.88考虑实际构件与试件混凝土之间的差异而取的 折减系数。 考虑实际构件与试件混凝土之间的差异而取的 折减系数。 92. 070. 0/ , kcuck ff kcuck ff ,21 88. 0= 1 2 ?小提示:小提示:在以后计算受弯构件,轴心受压构 件和偏心受压构件的正截面承载力时,都是 以作为强
8、度计算指标的。 在以后计算受弯构件,轴心受压构 件和偏心受压构件的正截面承载力时,都是 以作为强度计算指标的。 c f 3混凝土的轴心抗拉强度3混凝土的轴心抗拉强度 ?一般只为抗压强度的一般只为抗压强度的 1/17 1/8。 ?轴心抗拉强度可由试验直接测得 轴心受拉试验(直接) 劈裂试验(间接) 轴心抗拉强度可由试验直接测得 轴心受拉试验(直接) 劈裂试验(间接) t f tk f F a F 拉 压 压 2 , 2 a F f st = ?通过试验分析,规范给出轴心抗拉强度标准 值与立方体抗压强度标准值的关系 式中:变异系数; 其余符号同式( 通过试验分析,规范给出轴心抗拉强度标准 值与立方
9、体抗压强度标准值的关系 式中:变异系数; 其余符号同式(2-1)。)。 ?注意:混凝土强度越高, 与的比值越 小。 注意:混凝土强度越高, 与的比值越 小。 2 45. 055. 0 , )645. 11 (395. 088. 0= kcutk ff tk f kcu f , ?小提示小提示:在以后实际计算时,不 用上式计算,当混凝土强度等级一定时, 直接查表, 见附录2。 tk f ck f 4. 复合应力状态下的混凝土的强度4. 复合应力状态下的混凝土的强度 ?实际上混凝土构件都处于复合应力状态,实际上混凝土构件都处于复合应力状态, 梁既受梁既受M又受又受V,柱同时受,柱同时受M、N、V,
10、所以,所以 需研究复合应力状态下混凝土的强度。需研究复合应力状态下混凝土的强度。 (1)混凝土的双向受力强度(1)混凝土的双向受力强度(正应力)(正应力) a.双向受拉:、相互影响不大,双向受拉 强度接近于单向受拉强度。 双向受拉:、相互影响不大,双向受拉 强度接近于单向受拉强度。 b.双向受压双向受压:一向的强度随另一向压力的增加 而增加,双向受压强度比单向受压 强度最多可提高 一向的强度随另一向压力的增加 而增加,双向受压强度比单向受压 强度最多可提高27% 。 c.一向受压、一向受拉: 双向异号应力使单向 (受压或受拉)强度降低。 一向受压、一向受拉: 双向异号应力使单向 (受压或受拉)
11、强度降低。 1 2 (2)在法向应力和剪应力组合下的混凝土强度(2)在法向应力和剪应力组合下的混凝土强度 ?“压剪状态压剪状态”压应力低时,抗剪强度随压应力的增 大而增大,当压应力超过时,抗剪强度随压应 力的增大而减小。 压应力低时,抗剪强度随压应力的增 大而增大,当压应力超过时,抗剪强度随压应 力的增大而减小。 ?也就是说:由于剪应力存在,混凝土的抗压强度低 于单向抗压强度。 也就是说:由于剪应力存在,混凝土的抗压强度低 于单向抗压强度。 ?“拉剪状态拉剪状态” 抗剪强度随拉应力增大而减小。抗剪强度随拉应力增大而减小。 ?也就是说:由于剪应力存在,混凝土的抗拉强度降 低。 也就是说:由于剪应
12、力存在,混凝土的抗拉强度降 低。 6 . 0 c f (3)混凝土的三向受压强度(3)混凝土的三向受压强度 ?混凝土在三向受压时,由于侧向压应力的约束作 用,最大的主压应力轴的抗压强度大大增大。 混凝土在三向受压时,由于侧向压应力的约束作 用,最大的主压应力轴的抗压强度大大增大。 ?试验经验公式:试验经验公式: ?(实际工程中,配有螺旋钢箍柱、钢管混凝土柱 等都是利用此性质,强度、延性大大提高) (实际工程中,配有螺旋钢箍柱、钢管混凝土柱 等都是利用此性质,强度、延性大大提高) ?“套箍作用套箍作用” () Lccc fff0 . 75 . 4 += 三三. 混凝土的变形混凝土的变形 混凝土的
13、变形分为混凝土的变形分为: 一次短期加载下的变形一次短期加载下的变形 1. 混凝土的受力变形混凝土的受力变形荷载长期作用下的变形 重复荷载作用下的变形 荷载长期作用下的变形 重复荷载作用下的变形 2. 混凝土的体积变形2. 混凝土的体积变形收缩、湿度、温度变化收缩、湿度、温度变化 1. 一次短期加载下混凝土的变形性能1. 一次短期加载下混凝土的变形性能 (1)混凝土受压时的应力混凝土受压时的应力应变曲线应变曲线 (通过应力(通过应力应变曲线,可以了解混凝土各阶段的应变曲线,可以了解混凝土各阶段的强度强度和和变 形 变 形) 采用棱柱体试件测定混凝土受压时应力采用棱柱体试件测定混凝土受压时应力应
14、变应变 全曲线,包括:上升段和下降段全曲线,包括:上升段和下降段 02468 10 20 30 (MPa) 10-3 B A C E D A点以前点以前,微裂缝没有 明显发展,混凝土的变 形主要弹性变形,应 力 ,微裂缝没有 明显发展,混凝土的变 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 强度的提高而增加,对 普通强度混凝土 点应力随混凝土 强度的提高而增加,对 普通强度混凝土 A约为约为 (0.30.4)fc ,对高强混 凝土 ,对高强混 凝土 A可达可达 (0.50.7)fc。 A点以后点以后,由于微裂缝 处的应力集中,裂缝开 始有所延伸发展,产生
15、 部分塑性变形,应变增 长开始加快,应力 ,由于微裂缝 处的应力集中,裂缝开 始有所延伸发展,产生 部分塑性变形,应变增 长开始加快,应力-应 变曲线逐渐偏离直线。 微裂缝的发展导致混凝 土的横向变形增加。但 该阶段微裂缝的发展是 稳定的。 混凝土在结硬过程中, 由于水泥石的收缩、骨 料下沉以及温度变化等 原因,在骨料和水泥石 的界面上形成很多微裂 缝,成为混凝土中的薄 弱部位。混凝土的最终 破坏就是由于这些微裂 缝的发展造成的。 达到 应 变曲线逐渐偏离直线。 微裂缝的发展导致混凝 土的横向变形增加。但 该阶段微裂缝的发展是 稳定的。 混凝土在结硬过程中, 由于水泥石的收缩、骨 料下沉以及温
16、度变化等 原因,在骨料和水泥石 的界面上形成很多微裂 缝,成为混凝土中的薄 弱部位。混凝土的最终 破坏就是由于这些微裂 缝的发展造成的。 达到B点,内部一些微 裂缝相互连通,裂缝发 展已不稳定,横向变形 突然增大,体积应变开 始由压缩转为增加。在 此应力的长期作用下, 裂缝会持续发展最终导 致破坏。取 点,内部一些微 裂缝相互连通,裂缝发 展已不稳定,横向变形 突然增大,体积应变开 始由压缩转为增加。在 此应力的长期作用下, 裂缝会持续发展最终导 致破坏。取B点的应力 作为混凝土的长期抗压 强度。普通强度混凝土 点的应力 作为混凝土的长期抗压 强度。普通强度混凝土 B约为约为0.8fc,高强强
17、度 混凝土 ,高强强度 混凝土 B可达可达0.95fc以 上。 达到 以 上。 达到C点点fc,内部微裂缝 连通形成破坏面,应变 增长速度明显加快, ,内部微裂缝 连通形成破坏面,应变 增长速度明显加快,C 点的纵向应变值称为峰 值应变 点的纵向应变值称为峰 值应变 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,内部裂缝在试件表 面出现第一条可见平行 于受力方向的纵向裂 缝。 随应变增长,试件上相 继出现多条不连续的纵 向裂缝,横向变形急剧 发展,承载力明显下 降,混凝土骨料与砂浆 的粘结不断遭到破坏, 裂缝连通形成斜向破坏 面。 点,内部裂缝在试件表 面出现第一条
18、可见平行 于受力方向的纵向裂 缝。 随应变增长,试件上相 继出现多条不连续的纵 向裂缝,横向变形急剧 发展,承载力明显下 降,混凝土骨料与砂浆 的粘结不断遭到破坏, 裂缝连通形成斜向破坏 面。E点的应变点的应变 = (23) 0,应力,应力 = (0.40.6) fc。 上升段(上升段(OC): (a)加载到,接近直线,混凝土处于 弹性阶段;A点 (a)加载到,接近直线,混凝土处于 弹性阶段;A点比例极限。 (b)加载,图形逐渐弯曲,混 凝土呈现出弹塑性性质,E不是常数; B点 比例极限。 (b)加载,图形逐渐弯曲,混 凝土呈现出弹塑性性质,E不是常数; B点混凝土混凝土长期抗压强度长期抗压强
19、度的取值依据。 (c)加载至峰点C,应变增大,图形更弯曲。 C点 的取值依据。 (c)加载至峰点C,应变增大,图形更弯曲。 C点混凝土混凝土棱柱体抗压强度棱柱体抗压强度, 对应的应变。 , 对应的应变。 下降段(下降段(CE): 达到峰值应力后,裂缝继续扩 展、贯通,变形增大。 收敛点E 达到峰值应力后,裂缝继续扩 展、贯通,变形增大。 收敛点E应变应变 () c f4 . 03 . 0= () cc ff8 . 04 . 03 . 0= c f 002. 0 0 max 0.003 0.004= 特点:特点: 1)混凝土的应力应变图形是一曲线,说明混 凝土是一种弹塑性材料,只有压应力很小 时
20、,才可视为弹性材料。 )混凝土的应力应变图形是一曲线,说明混 凝土是一种弹塑性材料,只有压应力很小 时,才可视为弹性材料。 2)混凝土强度对应力应变曲线下降段有较大 影响,混凝土强度高,应力下降快,延性 越差;强度低,下降段越平缓,延性好。 )混凝土强度对应力应变曲线下降段有较大 影响,混凝土强度高,应力下降快,延性 越差;强度低,下降段越平缓,延性好。 (从书上从书上P14 中 图中 图2-10 可以看出这个特点)可以看出这个特点) (通过上述受压应力应变曲线,获得混凝土的变形 性能指标) (通过上述受压应力应变曲线,获得混凝土的变形 性能指标) (2)混凝土的弹性模量、变形模量 是一曲线,
21、非线性,E是变量不是常数。 (2)混凝土的弹性模量、变形模量 是一曲线,非线性,E是变量不是常数。 (a)弹性模量(a)弹性模量:过曲线上的原点作曲线的切 线,该切线的斜率为弹性模量 :过曲线上的原点作曲线的切 线,该切线的斜率为弹性模量原点弹性模量原点弹性模量 Ec= tan 0 tan= c E c E 规范规定采用 反复加荷的方法确 定 对标准棱柱体试 件 ,取 反复加荷、卸载5 至10次,随加载次 数增加, 接近直线,该直线 斜率即为 规范规定采用 反复加荷的方法确 定 对标准棱柱体试 件 ,取 反复加荷、卸载5 至10次,随加载次 数增加, 接近直线,该直线 斜率即为弹性模 量 弹性
22、模 量。 3 300150150mm c f5 . 0= 据实验值的统计分析,得出与的关系式:据实验值的统计分析,得出与的关系式: (kN/mm2) 实际设计时,可以根据混凝土等级查表。实际设计时,可以根据混凝土等级查表。 小提示:小提示:只有在应力很小时,才能用,混凝土 进入弹塑性状态,要用变形模量或切线模量来表 示应力 只有在应力很小时,才能用,混凝土 进入弹塑性状态,要用变形模量或切线模量来表 示应力应变关系。应变关系。 c E kcu f , 2 , 10 34.7 2.2 c cu k E f = + c E c E (b)变形模量(割线模量)(b)变形模量(割线模量) (弹塑性模量
23、)(弹塑性模量) 连接原点至曲线上任一点 处割线的斜率为该点的变 形模量 连接原点至曲线上任一点 处割线的斜率为该点的变 形模量 变量,各点不同变量,各点不同 (c)切线模量(c)切线模量 过某一应力作曲线切 线,其斜率为 过某一应力作曲线切 线,其斜率为 规律: 随荷载增大,和 不断减小。 规律: 随荷载增大,和 不断减小。 c E c c E c E c E Ec= tan Ec= tan 1 tan= c E (3)混凝土轴向受拉时的应力应变曲线(3)混凝土轴向受拉时的应力应变曲线 与受压时相似与受压时相似上升段、下降段上升段、下降段(见(见P17, 图 , 图2-16) 但其应力、应变
24、峰值小的多,但其应力、应变峰值小的多, 0001. 0= u 2. 荷载长期作用下混凝土的变形性能2. 荷载长期作用下混凝土的变形性能 混凝土在长期荷载下,应力不变,应变随时间而增长的 现象 混凝土在长期荷载下,应力不变,应变随时间而增长的 现象 徐变。 徐变的特点: 徐变。 徐变的特点: a)与时间有关a)与时间有关:开始增加快,以后慢,六个月完成大部 分,12年后稳定. :开始增加快,以后慢,六个月完成大部 分,12年后稳定.(徐变应变约为瞬时应变的14 倍) (徐变应变约为瞬时应变的14 倍) b)与应力大小有关:b)与应力大小有关: ?当应力较小时,徐变大致与应力成正比当应力较小时,徐
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