01.2基本力学性能.ppt
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- 01.2 基本 力学性能
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1、1.3受压应力受压应力-应变全曲线应变全曲线 混凝土受压应力混凝土受压应力-应变全曲线包括上升段和下降段,应变全曲线包括上升段和下降段,是其力学性能的全面宏观反应:是其力学性能的全面宏观反应:曲线峰点处的最大应力即棱柱体抗压强度,相应的应曲线峰点处的最大应力即棱柱体抗压强度,相应的应变为峰值应变变为峰值应变p;曲线的(割线或切线)斜率为其弹性(变形)模量,曲线的(割线或切线)斜率为其弹性(变形)模量,初始斜率即初始弹性模量初始斜率即初始弹性模量Ec;下降段表明其峰值应力后的残余强度;曲线的形状和下降段表明其峰值应力后的残余强度;曲线的形状和曲线下的面积反映了其塑性变形的能力,等等。曲线下的面积
2、反映了其塑性变形的能力,等等。混凝土的受压应力混凝土的受压应力-应变曲线方程是其最基本的本构应变曲线方程是其最基本的本构关系,又是多轴本构模型的基础。在钢筋混凝土结构的关系,又是多轴本构模型的基础。在钢筋混凝土结构的非线性分析中,例如构件的截面刚度、截面极限应力分非线性分析中,例如构件的截面刚度、截面极限应力分布、承载力和延性,超静定结构的内力和全过程分析等布、承载力和延性,超静定结构的内力和全过程分析等过程中,它是不可或缺的物理方程,对计算结果的准确过程中,它是不可或缺的物理方程,对计算结果的准确性起决定性作用。性起决定性作用。1.3.1试验方法试验方法 在棱柱体抗压试验时,若应用普通液压式
3、材料试验机加载,在棱柱体抗压试验时,若应用普通液压式材料试验机加载,可毫无困难地获得应力应变曲线的上升段但试件在达到最大可毫无困难地获得应力应变曲线的上升段但试件在达到最大承载力后急速破裂,量测不到有效的下降段曲线。承载力后急速破裂,量测不到有效的下降段曲线。Whitney很早就指出混凝土很早就指出混凝土试件突然破坏的原因是试验机的试件突然破坏的原因是试验机的刚度不足。刚度不足。试验机本身在加载过程中发生变形,储存了很大的试验机本身在加载过程中发生变形,储存了很大的弹性应变能。当试件承载力突然下降时,试验机因受力减小而弹性应变能。当试件承载力突然下降时,试验机因受力减小而恢复变形,即刻释放能量
4、,将试件急速压坏。恢复变形,即刻释放能量,将试件急速压坏。要获得稳定的应力要获得稳定的应力-应变全曲线,主要是曲线的下降段,必须应变全曲线,主要是曲线的下降段,必须控制混凝土试件缓慢地变形和破坏。有两类试验方法:控制混凝土试件缓慢地变形和破坏。有两类试验方法:应用电液伺服阀控制的刚性试验机直接进行试件等应变速应用电液伺服阀控制的刚性试验机直接进行试件等应变速度加载;度加载;在普通液压试验机上附加刚性元件,使试验装置的总体刚在普通液压试验机上附加刚性元件,使试验装置的总体刚度超过试件下降段的最大线刚度,就可防止混凝土的急速破坏。度超过试件下降段的最大线刚度,就可防止混凝土的急速破坏。按上述方法实
5、测的混凝土棱柱体受压应力按上述方法实测的混凝土棱柱体受压应力-应变全曲线如图。应变全曲线如图。cpfyx 1.3.2全曲线方程全曲线方程 绘制峰点坐标为绘制峰点坐标为(1,1)的标准曲线)的标准曲线如图,曲线形状有一如图,曲线形状有一定差别,但具有一致定差别,但具有一致的几何特性,可用数的几何特性,可用数学条件描述。学条件描述。混凝土受压应力混凝土受压应力-应变全曲线、及图像化的本构关系,是研究应变全曲线、及图像化的本构关系,是研究和分析混凝土结构和构件受理性能的主要菜形依据,为此需要和分析混凝土结构和构件受理性能的主要菜形依据,为此需要建立相应的数学模型。建立相应的数学模型。将混凝土受压应力
6、将混凝土受压应力-应变全曲线用无量纲坐标表示:应变全曲线用无量纲坐标表示:其几何特征的其几何特征的数学描数学描述述如下:如下:;0,0 .1yx这些几何特征与混凝土的受压这些几何特征与混凝土的受压变形和破坏过程(见前)完全变形和破坏过程(见前)完全对应具有明确的物理意义。对应具有明确的物理意义。单调减小,无拐点;即曲线斜率)/(,0,10 .222dxdydxydx即单峰值;时,0/,1,1 .3dxdyyxD);(,10 .422即下降段有一拐点时,当Dxdxyd(E);,10 .533点即下降段上的最大曲率时,当Exdxyd,0,0,6.dxdyyx时当.01 ,0 .7yx全部曲线 下降
7、段曲线可无限延长,收下降段曲线可无限延长,收敛与横坐标轴,但不相交;敛与横坐标轴,但不相交;为了准确地为了准确地拟合混凝土的拟合混凝土的受压应力受压应力-应变应变试验曲线,各试验曲线,各国研究人员提国研究人员提出了多种数学出了多种数学函数形式的曲函数形式的曲线方程,如:线方程,如:多项式、多项式、指数式、指数式、三角函数三角函数有理分式有理分式分段式分段式等等。等等。对于曲线的上升段和下降段,有的用统一对于曲线的上升段和下降段,有的用统一方程,有的则给出分段公式。其中比较简单、方程,有的则给出分段公式。其中比较简单、实用的曲线形式如图。实用的曲线形式如图。过镇海、张秀琴等过镇海、张秀琴等建议和
8、建议和规范规范所采用的分段式曲线方程所采用的分段式曲线方程为:为:其中上升段其中上升段式应满足数学条件描述中式应满足数学条件描述中1、2、3、7,下降段,下降段式应满足数学条件描述中的式应满足数学条件描述中的37。2210332210 1 1xbxbbxyxxaxaxaayx将条件将条件1和和3中的三个边界条件代入中的三个边界条件代入式,可解得:式,可解得:2 ,23 ,013120aaaaa式中还有一个独立参数式中还有一个独立参数a1。从式。从式可知,当可知,当 x=0时,有时,有dy/dx=a1从各符号的定义可得:从各符号的定义可得:appcxxpcxEEfdddfddxdya00001/
9、)/()/(符合曲线在峰点连续的条件。符合曲线在峰点连续的条件。a00001/)/()/(ppcxxpcxEEfdddfddxdya式中:式中:00 xddE混凝土的初始切线弹性模量(混凝土的初始切线弹性模量(N/mm2)。)。ccpfE混凝土棱柱体抗压强度和峰值应变的比混凝土棱柱体抗压强度和峰值应变的比值,即峰值割线模量(值,即峰值割线模量(N/mm2)。)。a=a1,规范称之为曲线上升段参数。,规范称之为曲线上升段参数。物理意义:混凝土的初始切线模量与峰值割线模量之比物理意义:混凝土的初始切线模量与峰值割线模量之比E0/Ep;几何意义:曲线的初始斜率和峰点割线斜率之比。几何意义:曲线的初始
10、斜率和峰点割线斜率之比。上升段曲线方程为:上升段曲线方程为:上升段曲线方程,满足数学条件描述上升段曲线方程,满足数学条件描述7。由条件。由条件2的不等式,的不等式,可得可得a值的范围:值的范围:3a2aa)2()23(1xxxyx0.31.5a上升段理论曲线随参数上升段理论曲线随参数a的变化:的变化:a3,曲线局部,曲线局部y1,显然违背试验结果;显然违背试验结果;1.1a1.5,曲线的初始段(曲线的初始段(x0.3)内有拐点,单曲度不明显,内有拐点,单曲度不明显,在在y0.50.6范围内接近范围内接近一直线;一直线;a1.1,上升段曲线上拐点明显,上升段曲线上拐点明显,与混凝土材性不符。与混
11、凝土材性不符。2210332210 1 1xbxbbxyxxaxaxaayx 下降段曲线方程中包含三个参数,将数学条件描述下降段曲线方程中包含三个参数,将数学条件描述中中 3 的两个边界条件代入,可解得:的两个边界条件代入,可解得:0201 ,21bbbb式中式中b0为独立参数,在混凝土规范中称为下降段参数,为独立参数,在混凝土规范中称为下降段参数,即即 d=b0 将其代入将其代入式,并简化可得:式,并简化可得:xxxyxd2)1(1上式满足数学条件描述中的上式满足数学条件描述中的6、7。dddyy0 ,0 ,10d的取值范围为:故)。峰点后为垂直线(脆性时,性);峰点后为水平线(全塑时,当x
12、xxyxd2)1(1可解得拐点位置可解得拐点位置xD(1.0)此外,由数学条件此外,由数学条件 4 满足:满足:0)1()12(32d 32322xxxxdxyddd同理,由数学条件同理,由数学条件5满足:满足:0)1()143()48(66d3222224233xxxxxdxydddddddd可解得最大曲率点的位置可解得最大曲率点的位置 xE(xD)下降段曲线上两个特征点下降段曲线上两个特征点D、E的位置随参数的位置随参数 d 值而变值而变化,按式化,按式0)1()12(32d 32322xxxxdxyddd0)1()143()48(66d3222224233xxxxxdxydddddddd
13、 计算结果如图,计算结果如图,与试验数据一致。与试验数据一致。对参数取对参数取a a 和和d d 赋赋予不等的数值,可得变化的理论曲线。予不等的数值,可得变化的理论曲线。对于不同原材料和强度等级的结构混凝土,甚至是约束混凝对于不同原材料和强度等级的结构混凝土,甚至是约束混凝土,选用了合适的参数值。都可以得到与试验结果相符的理论土,选用了合适的参数值。都可以得到与试验结果相符的理论曲线。过镇海等建议的参数值见表,可供结构分析和设计应用。曲线。过镇海等建议的参数值见表,可供结构分析和设计应用。1.3.3规范中的曲线方程和参数值规范中的曲线方程和参数值1、用于非线性分析、用于非线性分析 混凝土结构设
14、计规范附录混凝土结构设计规范附录C中,建议采用的混凝土单轴(即中,建议采用的混凝土单轴(即轴心)受压应力轴心)受压应力-应变全曲线方程同前:应变全曲线方程同前:ccfyx 但式中的纵、横坐标改为:但式中的纵、横坐标改为:式中:式中:fc混凝土的单轴(即轴心)抗压强度(混凝土的单轴(即轴心)抗压强度(N/mm2),应),应根据结构分析方法和极限状态验算的需要,分别取为标准值根据结构分析方法和极限状态验算的需要,分别取为标准值(fck)、设计值()、设计值(fc)或平均值()或平均值(fcm););c 与与 fc 相应的峰值压应变。相应的峰值压应变。xxxyxd2)1(13a2aa)2()23(1
15、xxxyx)645.11/(cckcmffc按下式计算:按下式计算:610)172700(ccf上升段和下降段的曲线参数分别按下式计算:上升段和下降段的曲线参数分别按下式计算:905.0157.0 0125.04.2785.0 daccff在应力在应力-应变曲线的下降段上,当应力(残余强度)减至应变曲线的下降段上,当应力(残余强度)减至0.5 fc时,所对应的压应变为时,所对应的压应变为u。其值可由。其值可由解得:解得:)4121(21dddcu分析或验算结构构件时,混凝土的单轴压应变不宜超过值分析或验算结构构件时,混凝土的单轴压应变不宜超过值u。xxxyxd2)1(1 按上述公式计算随混凝土
16、抗压强度而变化的各项参数值,经按上述公式计算随混凝土抗压强度而变化的各项参数值,经整理后如表。整理后如表。将这些参数带入式将这些参数带入式、即得混凝土单轴(轴心)受压应力即得混凝土单轴(轴心)受压应力-应变全曲线。应变全曲线。1.81.81.91.92.02.12.32.63.04.23.002.742.482.211.941.651.361.060.740.411.651.711.781.841.901.962.032.092.152.21203019801920185017901720164015601470137060555045403530252015)/(2mmNfc)10(6cad
17、cu/混凝土单轴受压应力混凝土单轴受压应力-应变曲线的参数值应变曲线的参数值 混凝土结构设计规范附录混凝土结构设计规范附录C明确指出,上述公式的适用条件是:明确指出,上述公式的适用条件是:混凝土强度等级混凝土强度等级C15C80,质量密度(,质量密度(22002400)kg/m3,正,正常温、湿度环境和加载速度等。当结构或构件的受力状态或环常温、湿度环境和加载速度等。当结构或构件的受力状态或环境条件不符合此要求时,例如混凝土受有横向和纵向应变梯度、境条件不符合此要求时,例如混凝土受有横向和纵向应变梯度、箍筋约束作用、重复加卸载、持续荷载或快速加载,高温作箍筋约束作用、重复加卸载、持续荷载或快速
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