01.1基本力学性能.ppt
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1、钢筋混凝土原理和分析钢筋混凝土原理和分析Reinforced Concrete Theory and Analyse0、绪论0.1钢筋混凝土结构的发展和特点钢筋混凝土结构的发展和特点 广泛应用钢筋混凝土结构的工程领域:广泛应用钢筋混凝土结构的工程领域:建筑工程建筑工程 桥梁和交通工程桥梁和交通工程 水利和海港工程水利和海港工程 地下工程地下工程 特种结构特种结构上海莘庄大型立交工程上海莘庄大型立交工程该工程由15条线路,6条主线、20个定向匝道构成;占地面积45.8公顷,整个立交桥梁结构长度11.1公里、面积8.4万m2。江阴长江大桥0.2本课程特点本课程特点结构工程科学研究的一般规律:结构工
2、程科学研究的一般规律:从工程实践中提出要求和问题,精心调查从工程实践中提出要求和问题,精心调查和统计、实验研究、理论分析、计算对比、和统计、实验研究、理论分析、计算对比、找出解决问题的方法;找出解决问题的方法;研究一般的变化规律,揭示作用机理,建研究一般的变化规律,揭示作用机理,建立物理模型和数学表达,确定计算方法和立物理模型和数学表达,确定计算方法和构造措施,回到工程实践中验证,改进和构造措施,回到工程实践中验证,改进和补充。补充。混凝土结构作为结构工程的一个分支,亦混凝土结构作为结构工程的一个分支,亦服从上述规律。服从上述规律。钢筋混凝土结构优点、缺点:钢筋混凝土结构优点、缺点:参考教材参
3、考教材 1 钢筋混凝土原理和分析钢筋混凝土原理和分析 过镇海过镇海 时旭东主编时旭东主编 清清华大学出版社华大学出版社 2003 2 混凝土结构基本原理混凝土结构基本原理 蓝宗建主编蓝宗建主编 东南大学出东南大学出版社版社 2002 3 混凝土结构设计规范理解与应用混凝土结构设计规范理解与应用 徐有邻徐有邻 周氐编周氐编著著 中国建筑工业出版社中国建筑工业出版社 2002 4 钢筋混凝土结构理论钢筋混凝土结构理论 王传志、藤智明主编王传志、藤智明主编 中中国建筑工业出版社国建筑工业出版社 1985 5 钢筋混凝土非线性分析钢筋混凝土非线性分析 朱伯龙、董振祥朱伯龙、董振祥 同济大同济大学出版社
4、学出版社 1985 6 多种混凝土材料的本构关系和破坏准则多种混凝土材料的本构关系和破坏准则 宋玉普宋玉普 中国水利水电出版社中国水利水电出版社 2002第一篇第一篇 混凝土的力学性能混凝土的力学性能混凝土:混凝土:由水泥、骨料和水拌合形成的人工合成材料。由水泥、骨料和水拌合形成的人工合成材料。作作 用:用:作为钢筋混凝土结构的主体,一是自身承担作为钢筋混凝土结构的主体,一是自身承担较的大的荷载;二是容纳和维护各种构造的钢筋,较的大的荷载;二是容纳和维护各种构造的钢筋,组成合理的组合性结构材料。组成合理的组合性结构材料。特特 点:点:非弹性、非线性、非匀质材料,较大离散性。非弹性、非线性、非匀
5、质材料,较大离散性。本篇介绍:本篇介绍:一般特性和破坏机理一般特性和破坏机理、基本应力状态下的基本应力状态下的强度和变形强度和变形,主要因素影响下的性能变化主要因素影响下的性能变化,多轴应多轴应力状态下的强度和本构关系力状态下的强度和本构关系。混凝土是由水泥、水、骨料按一定比例配合,混凝土是由水泥、水、骨料按一定比例配合,经过硬化后形成的人工石。其为一多相复合材经过硬化后形成的人工石。其为一多相复合材料,其质量的好坏与材料、施工配合比、施工料,其质量的好坏与材料、施工配合比、施工工艺、龄期、环境等诸多因素有关。通常将其工艺、龄期、环境等诸多因素有关。通常将其组成结构分为:组成结构分为:宏观结构
6、:宏观结构:两组分体系,砂浆和粗骨料。两组分体系,砂浆和粗骨料。亚微观结构:亚微观结构:水泥砂浆结构。水泥砂浆结构。微观结构:微观结构:水泥石结构。水泥石结构。第第1章章 基本力学性能基本力学性能1.1混凝土的组成结构和材性特点混凝土的组成结构和材性特点1.1.1材料的组成和内部构造材料的组成和内部构造宏观结构宏观结构亚微观结构亚微观结构微观结构微观结构粗骨料(分散相)粗骨料(分散相)水泥石水泥石(基相)(基相)细骨料(分细骨料(分散相)散相)砂浆砂浆(基相)(基相)晶体骨架晶体骨架晶体带核凝胶体带核凝胶体干缩孔隙孔隙凝缩凝缩氢氧化钙氢氧化钙凝胶体混凝土组成结构晶体骨架:由未水化颗粒组成,承受
7、外力,具有弹性变形特点。塑性变形:在外力作用下由凝胶、孔隙、微裂缝产生。破坏起源:孔隙、微裂缝等原因造成。PH值:由于水泥石中的氢氧化钙存在,混凝土偏碱性。由于水泥凝胶体的硬化过程需要若干年才能完成,所以,混凝土的强度、变形也会在较长时间内发生变化,强度逐渐增长,变形逐渐加大。由于混凝土材料的非均匀微构造、局部缺陷和离散性较大由于混凝土材料的非均匀微构造、局部缺陷和离散性较大而极难获得精确的计算结果。因此,而极难获得精确的计算结果。因此,主要讨论混凝土结构的主要讨论混凝土结构的宏观力学反应,即混凝土结构在一定尺度范围内的平均值。宏观力学反应,即混凝土结构在一定尺度范围内的平均值。宏观结构中混凝
8、土的宏观结构中混凝土的两个基本构成部分两个基本构成部分,即,即粗骨料粗骨料和和水泥砂水泥砂浆浆的随机分布,以及两者的物理和力学性能的差异是其非匀的随机分布,以及两者的物理和力学性能的差异是其非匀质、不等向性质的根本原因。质、不等向性质的根本原因。粗骨料和水泥浆体的物理力学性能指标的典型值粗骨料和水泥浆体的物理力学性能指标的典型值 施工和环境因素引起混凝土的施工和环境因素引起混凝土的非匀质性非匀质性和和不等向性不等向性:例如浇:例如浇注和振捣过程中,比重和颗粒较大的骨料沉入构件的底部,而注和振捣过程中,比重和颗粒较大的骨料沉入构件的底部,而比重小的骨料和流动性大的水泥砂浆、气泡等上浮,靠近构件比
9、重小的骨料和流动性大的水泥砂浆、气泡等上浮,靠近构件模板侧面和表面的混凝土表层内,水泥砂浆和气孔含模板侧面和表面的混凝土表层内,水泥砂浆和气孔含量量比内部比内部的多;体积较大的结构,内部和表层的失水速率和含水的多;体积较大的结构,内部和表层的失水速率和含水量量不等,不等,内外温度差形成的微裂缝状况也有差别;建造大型结构时,常内外温度差形成的微裂缝状况也有差别;建造大型结构时,常需留出水平的或其它形状的施工缝需留出水平的或其它形状的施工缝。当混凝土承受不同方向(即平行、垂直或倾斜于混凝土的浇当混凝土承受不同方向(即平行、垂直或倾斜于混凝土的浇注方向)的应力时,其强度和变形值有所不同。注方向)的应
10、力时,其强度和变形值有所不同。例如对混凝土立方体试件,标准试验方法规定沿垂直浇注例如对混凝土立方体试件,标准试验方法规定沿垂直浇注方向加载以测定抗压强度,方向加载以测定抗压强度,其值略低于沿平行浇注方向加载其值略低于沿平行浇注方向加载的数值。再如,竖向浇注的混凝土柱,截面上混凝土性质对的数值。再如,竖向浇注的混凝土柱,截面上混凝土性质对称,而沿柱高两端的性质有别;卧位浇注的混凝土柱,情况称,而沿柱高两端的性质有别;卧位浇注的混凝土柱,情况恰好相反。这两种柱在轴力作用下的强度和变形也将不等。恰好相反。这两种柱在轴力作用下的强度和变形也将不等。混凝土材料的非匀质性和不等向性的严重程度,主要取混凝土
11、材料的非匀质性和不等向性的严重程度,主要取决于原材料的均匀性和稳定性,以及制作过程的施工操作和决于原材料的均匀性和稳定性,以及制作过程的施工操作和管理的精细程度,其直接结果是影响混凝土的质管理的精细程度,其直接结果是影响混凝土的质量量(材性的(材性的指标和离散度)。指标和离散度)。浇注方向浇注方向NN浇注方向浇注方向NN1.1.2材性的基本特点材性的基本特点 混凝土的材料组成和构造决定其混凝土的材料组成和构造决定其4个基本受力个基本受力特点特点:1复杂的微观内应力、变形和裂缝状态复杂的微观内应力、变形和裂缝状态 将一块混凝土按比例放大,可以看作是将一块混凝土按比例放大,可以看作是由由粗骨料和硬
12、化水泥砂浆等两种主要材料构成的粗骨料和硬化水泥砂浆等两种主要材料构成的不规则的三维实体结构,且具有非匀质、非线不规则的三维实体结构,且具有非匀质、非线性和不连续的性质。性和不连续的性质。混凝土在承受荷载(应力)之前,就已经混凝土在承受荷载(应力)之前,就已经存在复杂的微观应力、应变和裂缝,受力后更存在复杂的微观应力、应变和裂缝,受力后更有剧烈的变化。有剧烈的变化。在混凝土的凝固过程中,水泥的水化作用在表面形在混凝土的凝固过程中,水泥的水化作用在表面形成凝胶体,水泥浆逐渐变稠、硬化,并和粗细骨料粘成凝胶体,水泥浆逐渐变稠、硬化,并和粗细骨料粘结成一整体。在此过程中,水泥浆失水收缩变形远大结成一整
13、体。在此过程中,水泥浆失水收缩变形远大于粗骨料的。此收缩变形差使粗骨料受压,砂桨受拉,于粗骨料的。此收缩变形差使粗骨料受压,砂桨受拉,和其它应力分布。这些应力场在截面上的合力为零,和其它应力分布。这些应力场在截面上的合力为零,但局部应力可能很大,以至在骨料界面产生微裂缝。但局部应力可能很大,以至在骨料界面产生微裂缝。压力拉力 粗骨料和水泥砂桨的热工性能(如线膨胀系数粗骨料和水泥砂桨的热工性能(如线膨胀系数)有差别。当混有差别。当混凝土中水泥产生水化热或环境温度变化时,两者的温度变形差凝土中水泥产生水化热或环境温度变化时,两者的温度变形差受到相互约束而形成温度应力场。更因为混凝土是热惰性材料,受
14、到相互约束而形成温度应力场。更因为混凝土是热惰性材料,温度梯度大而加重了温度应力。温度梯度大而加重了温度应力。当混凝土承受外力作用时,即使作用应力完全均匀,混凝土当混凝土承受外力作用时,即使作用应力完全均匀,混凝土内也将产生内也将产生不均匀的空间微观应力场不均匀的空间微观应力场,取决于粗骨料和水泥砂,取决于粗骨料和水泥砂浆的面(体)积比、形状、排列和弹性模浆的面(体)积比、形状、排列和弹性模量值量值,以及界面的接,以及界面的接触条件等。在应力的长期作用下,触条件等。在应力的长期作用下,水泥砂浆和粗骨料的徐变差水泥砂浆和粗骨料的徐变差使混凝土内部发生应力重分布,使混凝土内部发生应力重分布,粗骨料
15、将承受更大的压应力。粗骨料将承受更大的压应力。压力拉力 所有这些都说明,所有这些都说明,从微观上分析混凝土,必然要考从微观上分析混凝土,必然要考虑非常复杂的、随机分布的三维应力(应变)状态。虑非常复杂的、随机分布的三维应力(应变)状态。其对于混凝土的宏观力学性能,如开裂,裂缝开展,其对于混凝土的宏观力学性能,如开裂,裂缝开展,变形,极限强度和破坏形态等,都有重大影响。变形,极限强度和破坏形态等,都有重大影响。混凝土内部有不可混凝土内部有不可避免的初始气孔和缝避免的初始气孔和缝隙,其尖端附近因收隙,其尖端附近因收缩、温度变化或应力缩、温度变化或应力作用都会形成局部应作用都会形成局部应力集中区,其
16、应力分力集中区,其应力分布更复杂,应力值更布更复杂,应力值更高。高。2.变形的多元组成变形的多元组成 混凝土在承受应力作用或环境条件改变时都将发生相应的变混凝土在承受应力作用或环境条件改变时都将发生相应的变形。从混凝土的组成和构造特点分析,其变形值由形。从混凝土的组成和构造特点分析,其变形值由3部分组成:部分组成:骨料的弹性变形骨料的弹性变形 占混凝土体积绝大部分的石子和砂,本身的强度和弹性模量占混凝土体积绝大部分的石子和砂,本身的强度和弹性模量值均比其组成的混凝土高出许多。即使混凝土达到极限强度值值均比其组成的混凝土高出许多。即使混凝土达到极限强度值时,骨料并不破碎,变形仍在弹性范围以内,即
17、时,骨料并不破碎,变形仍在弹性范围以内,即变形与应力成变形与应力成正比,卸载后变形可全部恢复,不留残余变形。正比,卸载后变形可全部恢复,不留残余变形。水泥凝胶体的粘性流动水泥凝胶体的粘性流动 水泥经水化作用后生成的凝胶体,在应力作用下除水泥经水化作用后生成的凝胶体,在应力作用下除了即时产生的变形外,还将随时间的延续而发生缓慢了即时产生的变形外,还将随时间的延续而发生缓慢的粘性流(移)动,混凝土的变形不断地增长,形成的粘性流(移)动,混凝土的变形不断地增长,形成塑性变形。塑性变形。当卸载后,这部分变形一般不能恢复,出当卸载后,这部分变形一般不能恢复,出现残余变形现残余变形。裂缝的形成和扩展裂缝的
18、形成和扩展 在拉应力作用下,混凝土沿应力的垂直方向发生裂缝在拉应力作用下,混凝土沿应力的垂直方向发生裂缝。裂缝存在于粗骨料的界面和砂浆的内部,裂缝不断。裂缝存在于粗骨料的界面和砂浆的内部,裂缝不断形成和扩展,使拉变形很快增长。在压应力作用下,形成和扩展,使拉变形很快增长。在压应力作用下,混凝土大致沿应力平行方向发生纵向劈裂裂缝,穿过混凝土大致沿应力平行方向发生纵向劈裂裂缝,穿过粗骨料界面和砂浆内部。这些裂缝的增多、延伸和扩粗骨料界面和砂浆内部。这些裂缝的增多、延伸和扩展,将混凝土分成多个小柱体,纵向变形增大。展,将混凝土分成多个小柱体,纵向变形增大。在应在应力的下降过程中,变形仍继续增长,卸载
19、后大部分变力的下降过程中,变形仍继续增长,卸载后大部分变形不能恢复。形不能恢复。后两部分变形成分,不与混凝土的应力成比例变化,且卸载后大后两部分变形成分,不与混凝土的应力成比例变化,且卸载后大部分不能恢复,一般统称为部分不能恢复,一般统称为塑性变形塑性变形。不同原材料和组成的混凝土,在不同的应力水平下,这三部分变不同原材料和组成的混凝土,在不同的应力水平下,这三部分变形所占比例有很大变化。形所占比例有很大变化。当混凝土应力较低时,骨料弹性变形占主要部分,总变形很小当混凝土应力较低时,骨料弹性变形占主要部分,总变形很小;随应力的增随应力的增大,水泥凝胶体的粘性流动变形逐渐加速增长大,水泥凝胶体的
20、粘性流动变形逐渐加速增长;接近混凝土极限强度时,裂缝的变形才明显显露,但其数量级大,接近混凝土极限强度时,裂缝的变形才明显显露,但其数量级大,很快就超过其它变形成分很快就超过其它变形成分。在应力峰值之后,随着应力的下降,骨料弹性变形开始恢复,凝在应力峰值之后,随着应力的下降,骨料弹性变形开始恢复,凝胶体的流动减小,而裂缝的变形却继续加大。胶体的流动减小,而裂缝的变形却继续加大。3.应力状态和途径对力学性能的巨大影响应力状态和途径对力学性能的巨大影响 混凝土的单轴抗拉和抗压强度的比值约为混凝土的单轴抗拉和抗压强度的比值约为1:10,相相应的峰值应变之比约为应的峰值应变之比约为1:20,都相差一个
21、数量级。两者都相差一个数量级。两者的破坏形态也有根本区别。的破坏形态也有根本区别。这与钢、木等结构材料的这与钢、木等结构材料的拉、压强度和变形接近相等的情况有明显不同。拉、压强度和变形接近相等的情况有明显不同。混凝土在基本受力状态下力学性能的巨大差别混凝土在基本受力状态下力学性能的巨大差别使得使得:混凝土在不同应力状态下的多轴强度、变形和破坏混凝土在不同应力状态下的多轴强度、变形和破坏形态等有很大的变化范围形态等有很大的变化范围;存在横向和纵向应力(变)梯度的情况下,混凝土存在横向和纵向应力(变)梯度的情况下,混凝土的强度和变形值又将变化的强度和变形值又将变化;荷载(应力)的重复加卸和反复作用
22、下,混凝土将荷载(应力)的重复加卸和反复作用下,混凝土将产生程度不等的变形滞后、刚度退化和残余变形等现产生程度不等的变形滞后、刚度退化和残余变形等现象象;多轴应力的不同作用途径,改变了微裂缝的发展状多轴应力的不同作用途径,改变了微裂缝的发展状况和相互约束条件,混凝土出现不同力学性能反应况和相互约束条件,混凝土出现不同力学性能反应。混凝土因应力状态和途径的不同而引起力学性能的混凝土因应力状态和途径的不同而引起力学性能的巨大差异,当然是其材料特性和内部微结构所决定的巨大差异,当然是其材料特性和内部微结构所决定的。材性的差异足以对构件和结构的力学性能造成重大。材性的差异足以对构件和结构的力学性能造成
23、重大影响,在实际工程中不能不加以重视。影响,在实际工程中不能不加以重视。4.时间和环境条件的巨大影响时间和环境条件的巨大影响 混凝土随水泥水化作用的发展而渐趋成熟。有试验混凝土随水泥水化作用的发展而渐趋成熟。有试验表明,水泥颗粒的水化作用由表及里逐渐深入,至龄表明,水泥颗粒的水化作用由表及里逐渐深入,至龄期期20年后仍未终止。年后仍未终止。混凝土成熟度的增加,表示了水泥和骨料的粘结强度增大,混凝土成熟度的增加,表示了水泥和骨料的粘结强度增大,水泥凝胶体稠化,粘性流动变形减小,因而混凝土的极限强度水泥凝胶体稠化,粘性流动变形减小,因而混凝土的极限强度和弹性模和弹性模量量值都逐渐提高。值都逐渐提高
24、。但是,但是,混凝土在应力的持续作用下,混凝土在应力的持续作用下,因水泥凝胶体的粘性流动和内部微裂缝的开展而产生的徐变与因水泥凝胶体的粘性流动和内部微裂缝的开展而产生的徐变与时俱增,使混凝土材料和构件的变形加大,长期强度降低时俱增,使混凝土材料和构件的变形加大,长期强度降低。混凝土周围的环境条件既影响其成熟度的发展过程,又与混混凝土周围的环境条件既影响其成熟度的发展过程,又与混凝土材料发生物理的和化学的作用,对其性能产生有利的或不凝土材料发生物理的和化学的作用,对其性能产生有利的或不利的影响。利的影响。环境温度和湿度的变化,在混凝土内部形成变化的环境温度和湿度的变化,在混凝土内部形成变化的不均
25、匀的温度场和湿度场,影响水泥水化作用的速度和水分的不均匀的温度场和湿度场,影响水泥水化作用的速度和水分的散发速度,产生相应的应力场和变形场,促使内部微裂缝的发散发速度,产生相应的应力场和变形场,促使内部微裂缝的发展,甚至形成表面宏观裂缝。展,甚至形成表面宏观裂缝。环境介质中的环境介质中的二氧化碳气体与水二氧化碳气体与水泥的化学成分作用,在混凝土表面附近形成一碳化层,且逐渐泥的化学成分作用,在混凝土表面附近形成一碳化层,且逐渐增厚;介质中的氯离子对水泥(和钢筋)的腐蚀作用降低了混增厚;介质中的氯离子对水泥(和钢筋)的腐蚀作用降低了混凝土结构的耐久性凝土结构的耐久性 混凝土的这些材性特点,决定了其
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