第二章-混凝土结构材料的物理力学性能课件.ppt
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- 第二 混凝土结构 材料 物理 力学性能 课件
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1、本章主要内容:l掌握混凝土的主要强度指标及其收缩、徐变;l深刻理解混凝土的应力应变关系;l掌握钢筋强度指标和变形性能;l掌握钢筋、混凝土的粘结及其构造要求。2.1 2.1 混凝土的物理力学性能混凝土的物理力学性能2.1.1混凝土的组成结构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。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。.宏观结构:宏观结构:即砂浆和粗骨料两
2、组分体系。即砂浆和粗骨料两组分体系。2.1.2单轴应力状态下的混凝土强度单轴应力状态下的混凝土强度 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。因此抗压强度是。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的强度等级是用抗压强度来划分的1.1.混凝土抗压强度混凝土抗压强度 1)混凝土立方体抗压强度和强度等级)混凝土立方体抗压强度和强度等级:边长为150mm的混凝土立方体试件,在标准条件下(温度为203,湿度90%)养护28天,用标准试验方法(加载速度 0.150.3N/mm2/s
3、,两端不涂润滑剂)测得的具有95%保证率的抗压强度,用符号C表示。规范根据强度范围,从C15C80共划分为14个强度等级,级差为5N/mm2。2 2)混凝土轴心抗压强度)混凝土轴心抗压强度 按标准方法制作的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,用标准试验方法测得的具有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。考虑到实际结构构件制作、养护和受力情况,实际构件强度与试件强度之间存在差异,规范基于安全取偏低值,规定轴心抗压强度标准值和立方体抗压强度标准值的换算关系为:kcuckff,2188.0 式中:为棱
4、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。2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为考虑实际构件与试件混凝土强度之间的差异而取用的折减系数。fcu,k立方体强度标准值即为混凝土强度等级fcu。kcuckff,2188.0劈拉试验FdF2.2.混凝土的轴心抗拉强度混凝土的轴心抗拉强度 混凝土的轴心抗拉强度可以采用直接轴心受拉的试验方法来测定,但由于试验比较困难,目前国内外主要采用圆柱体或立方体的劈裂试验来间接测试混凝土的轴心抗拉强度。拉压压)32(2s,tdlFf 混凝土结构设计规
5、范规定轴心抗拉强度标准值与立方体抗压强度标准值的换算关系为:0.450.55,20.88 0.3951 1.645tkcu kff0102030405060708090100123456 双轴应力状态双轴应力状态实际结构中,混凝土很少处于单向受力状态。更多的是处于实际结构中,混凝土很少处于单向受力状态。更多的是处于双双向向或或三向三向受力状态。受力状态。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。双轴受压状态下混凝土的双轴受压状态下混凝土的应力应力-应变关
6、系与单轴受压应变关系与单轴受压曲线相似,但峰值应变均曲线相似,但峰值应变均超过单轴受压时的峰值应超过单轴受压时的峰值应变。变。在一轴受压一轴受拉状态在一轴受压一轴受拉状态下,任意应力比情况下均下,任意应力比情况下均不超过其相应单轴强度。不超过其相应单轴强度。并且抗压强度或抗拉强度并且抗压强度或抗拉强度均随另一方向拉应力或压均随另一方向拉应力或压应力的增加而减小。应力的增加而减小。2.1.3 2.1.3 复合受力状态下混凝土的强度复合受力状态下混凝土的强度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 t 和正应力和正应力s s 共同作用下的共同作用下的复合受力情况。复合受力情况。混
7、凝土的抗剪强度:随混凝土的抗剪强度:随拉拉应力增大而减小应力增大而减小 随随压压应力增大而增大应力增大而增大当压应力在当压应力在0.6fc左右时,抗剪强度达到最大,左右时,抗剪强度达到最大,压应力继续增大,则由于内裂缝发展明显,抗剪强度将随压应压应力继续增大,则由于内裂缝发展明显,抗剪强度将随压应力的增大而减小。力的增大而减小。三轴应力状态三轴应力状态三轴应力状态有多种组合,实际工程遇到较多的螺旋箍筋柱和三轴应力状态有多种组合,实际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状态。三向受压试验一般钢管混凝土柱中的混凝土为三向受压状态。三向受压试验一般采用圆柱体在等侧压条件进行。采
8、用圆柱体在等侧压条件进行。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。ccf cf lfLcccfff)0.75.4(2.1.42.1.4混凝土的变形混凝土的变形 1、一次短期加载下混凝土变形性能、一次短期加载下混凝土变形性能(1)单轴受压应力)单轴受压应力-应变应变 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重要力应变关系反映了混凝土受力全过程的重要力学特征学特征,是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,是分析混凝土构件
9、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。也是利用计算机进行非线性分析的基础。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。在普在普通试验机上采用通试验机上采用等应力速度等应力速度加载,达到轴心抗压强度加载,达到轴心抗压强度fc时,试验机中集聚时,试验机中集聚的弹性应变能大于试件所能吸收的应变能,会导致试件产生突然脆性破坏,的弹性应变能大于试件所能吸收的应变能,会导致试件产生突然脆性破坏,只能测得应力只能测得应力-应变曲线的应变曲线的上升段上升段。采用采用等应变速度等应变速度加载,或在试件旁
10、附设高弹性元件与试件一同受压,以加载,或在试件旁附设高弹性元件与试件一同受压,以吸收试验机内集聚的应变能,可以测得应力吸收试验机内集聚的应变能,可以测得应力-应变曲线的应变曲线的下降段下降段。02468102030s(MPa)e 10-3BACEDA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s sA约为约为 (0.30.4)fc,对高强混,对高强混凝土凝土s sA可达可达(0.50.7)
11、fc。A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,产生部分塑性变形,应变增部分塑性变形,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横向变形增加。但土的横向变形增加。但该阶段微裂缝的发展是该阶段微裂缝的发展是稳定的。稳定的。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微裂的界面上形成很多微裂缝,成为混凝土中的薄缝
12、,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缝的发展造成的。缝的发展造成的。达到达到B点,内部一些微点,内部一些微裂缝相互连通,裂缝发裂缝相互连通,裂缝发展已不稳定,横向变形展已不稳定,横向变形突然增大,体积应变开突然增大,体积应变开始由压缩转为增加。在始由压缩转为增加。在此应力的长期作用下,此应力的长期作用下,裂缝会持续发展最终导裂缝会持续发展最终导致破坏。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s sB约为约为0.8fc,高强强度,高强强度混凝土混凝土s sB可达可达
13、0.95fc以上。以上。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峰点的纵向应变值称为峰值应变值应变 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纵向裂缝。力方向的纵向裂缝。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,混凝土骨料与砂浆的粘混凝土骨料与砂浆的粘结不断
14、遭到破,裂缝连结不断遭到破,裂缝连通形成斜向破坏面。通形成斜向破坏面。E点的应变点的应变e e=(23)e e 0,应力应力s 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,微裂缝很少,最实性好,微裂缝很少,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。Hognestad建议的应力建议的应力-应变曲线应变曲线uuccffeeeeeees
15、eeeeees0000200 15.010 200.0020.0038 fc0.15 fcsee0eu规范规范应力应力-应变关系应变关系上升段:)34()1(1 0ncccfees0ee下降段:)44(ccfsueee0)74(0033.010)50(0033.0)64(002.010)50(5.0002.0)54(0.2)50(60125k,5k,0k,cuucucufffnee规范混凝土应力-应变曲线参数fcuC50C60C70C80n21.831.671.5e00.0020.002050.00210.00215eu0.00330.00320.00310.0030 0.001 0.002
16、0.003 0.004 fc)1(1 0nccfeefc(2 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 混凝土弹性模量可按下式计算)132()kN/mm(7.342.2102k,2cucfE2、荷载在长期作用下的变形性能 混凝土在荷载的长期作用下,其变形随时间而不断增长的混凝土在荷载的长期作用下,其变形随时间而不断增长的现象称为徐变。现象称为徐变。徐变对混凝土结构和构件的工作性能有很大影响。由于混徐变对混凝土结构和构件的工作性能有很大影响。由于混凝土的徐变,会使构件的变形增加,在钢筋混凝土截面中引起凝土的徐变,会使构件的
17、变形增加,在钢筋混凝土截面中引起应力重分布,在预应力混凝土结构中会造成预应力的损失。应力重分布,在预应力混凝土结构中会造成预应力的损失。混凝土的徐变特性主要与时间参数有关。混凝土的徐变特性主要与时间参数有关。在应力(在应力(0.5fc)作用瞬间,首先产生瞬时)作用瞬间,首先产生瞬时弹性应变弹性应变e eel(=s 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
18、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 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e esh(t,t0),则徐变为,则徐变为,e ecr(t,t0)=e ec(t,t0)-e e c(t0)-e esh(t,t0)=e ec(t,t0)-e eel-e esh(t,t0)如在时间如在时间t 卸载,则会产生卸载,则会产生瞬时弹性恢复应变瞬时弹性恢复应变e eel。由于混凝土。由于混凝土弹性模量随时间增大,故弹性恢复应变弹性模量随时间增大,故弹性恢复应变e eel小于加载时的瞬时弹小于加载时的瞬时弹性应变性应变 e eel。再经过一段时间后,还有一部
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