第03章-混凝土12年

第三章混凝土结构材料的物理力学性能13.1混凝土的物理力学性能第三章钢筋和混凝土材料的物理力学性能第三章混凝土结构材料的物理力学性能23.1混凝土的物理力学性能本章要点•混凝土的力学性能；•钢筋的品种，力学性能的基本指标；•钢筋与混凝土之间的粘结、锚固。第三章混凝土结构材料的物理力学性能33.1混凝土的物理力学性能•3.1.1、混凝土的组成结构•普通混凝土：由水泥、砂、石用水拌合硬化的人工石材，是多相复合材料。微观结构（水泥石结构）亚微观结构（水泥砂浆结构）宏观结构（砂浆和粗骨料）混凝土结构§3-1混凝土的力学性能第三章混凝土结构材料的物理力学性能43.1混凝土的物理力学性能•1．结构组成：•·水和水泥形成的水泥胶块把砂石骨料粘结在一起。•·水泥结晶体和砂石骨料组成混凝土的弹性骨架，承受外力，并使混凝土具有弹性变形的特点。•·水泥凝胶体做为填充材料，起调整和扩散应力的作用，并使混凝土具有塑性变形的特点。•2．特点：•·混凝土的强度和变形随时间的增长而增长；•·界面微裂缝和内部孔隙是受力破坏的起源；•·混凝土属于非均质不连续各向异性材料。3.1.1混凝土的组成结构第三章混凝土结构材料的物理力学性能53.1混凝土的物理力学性能1、单向受力状态下的混凝土的抗压强度混凝土结构中，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。1、混凝土的立方体抗压强度fcu,k和强度等级•混凝土的立方体抗压强度---我国作为评定混凝土强度等级的标准(比较稳定)试验方法:《普通混凝土力学性能试验方法》•混凝土强度等级：《混凝土结构设计规范》规定：以边长150mm立方体标准试件，在标准条件下（20±3℃，≥95%湿度）养护28天，用标准试验方法（加载速度0.15~0.3N/mm2/sec，两端不涂润滑剂）测得的具有95%保证率的立方体抗压强度作为混凝土的强度等级，用符号C表示。如C30表示立方体抗压强度标准值fcu,k=30N/mm23.1.2单轴向应力状态下混凝土强度第三章混凝土结构材料的物理力学性能63.1混凝土的物理力学性能《混凝土结构设计规范》规定的混凝土的强度等级有：C15，C20，C25，C30，C35，C40，C45，C50，C55，C60，C65，C70，C75，C80，共14个等级。•影响混凝土的立方体抗压强度的几个因素：试验方法：主要考虑压力机垫板对试件的“套箍作用”---见P31图3-1试验加载速度：加载速度越快，测得的强度值越高。---故规定加载速度为：C30-----取每秒钟0.3-0.5N/mm2；C30-----取每秒钟0.5-0.8N/mm2成型后的龄期:初期增长快,后期渐缓。养护环境越潮湿，增长期更长。试块尺寸：小尺寸试块测得的强度值较高。---“尺寸效应”非标试块强度与标准立方体强度之间的换算关系：100150cucuffC50的混凝土：100×100×100mm立方体试块，修正系数=0.95，200×200×200mm的立方体试件，修正系数=为1.05。随混凝土强度的提高，修正系数值有所降低。当fcu100=100N/mm2时，换算系数约为0.9。第三章混凝土结构材料的物理力学性能73.1混凝土的物理力学性能图3-1混凝土立方体的破坏情况X光观测裂缝发展形态示意强度大于第三章混凝土结构材料的物理力学性能83.1混凝土的物理力学性能美国、日本及欧洲混凝土协会（CEB），采用圆柱体（直径152mm，高305mm）标准试件测定的抗压强度来划分强度等级，符号记为fc'。圆柱体抗压强度与我国标准立方体抗压强度的换算关系为：kcucff,79.0说明：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，只是作为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）。P10公式（2-2）第三章混凝土结构材料的物理力学性能93.1混凝土的物理力学性能2、轴心抗压强度---fc•采用棱柱体试件测定，它比立方体更接近实际构件中混凝土的受压情况。承压板试块棱柱体试件h/b=2~3，《普通混凝土力学性能试验方法》（GBJ81-85）以150mm×150mm×300mm的棱柱体作为标准试件。非标准试块：100×100×300换算系数0.95200×200×400换算系数1.05•采用棱柱体试件的特点：①受力状态接近实际工程中的受压构件；•②消除试验机压板摩擦力的影响（试件的中间区段形成“纯压状态”）。第三章混凝土结构材料的物理力学性能103.1混凝土的物理力学性能•轴心抗压强度（fc）与立方体抗压强度（fcu）的对比关系：P31图3-3混凝土轴心抗压强度与立方体抗压强度的关系----试验值fc和fcu的统计平均值大致成一条直线，比值大致在0.7~0.92之间;强度大的,平均值大.《混凝土结构设计规范》中轴心抗压强度与立方体抗压强度的换算关系为:式中:α1—棱柱体强度与立方体强度之比对强度等级不超过C50级的，取α1=0.76;对C80,取α1=0.82;其间按线性插值另外,《规范》考虑到试件与实际结构的差异以及高强混凝土的脆性特征，对轴心抗压强度和轴心抗拉强度，还采用了以下两个折减系数：⑴结构中混凝土强度与混凝土试件强度的比值，取0.88；⑵脆性折减系数(α2)，对C40及以下取1.0，对C80取0.87，中间按线性变化取值kcuckff，2188.0P9公式（2-1）[例]fcu,k=30MPa,fck=0.76fcu，k×0.88×30=20.06MPa第三章混凝土结构材料的物理力学性能113.1混凝土的物理力学性能2、混凝土的轴心抗拉强度---ft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。50015015010016轴心受拉试验0102030405060708090100123456ftfcuGBJ10-89规范轴心受拉强度与立方体强度间的关系55.0395.0cutff3/226.0cutff第三章混凝土结构材料的物理力学性能123.1混凝土的物理力学性能•第三章混凝土结构材料的物理力学性能133.1混凝土的物理力学性能由于轴心受拉试验对中困难，也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劈拉试验PaP22aPfsp4/319.0cuspff拉压压试验表明：轴心抗拉强度只有立方抗压强度的1/17~1/8第三章混凝土结构材料的物理力学性能143.1混凝土的物理力学性能•《混凝土结构设计规范》中：ftk与fcu,k关系•δ-混凝土立方体强度的变异系数245.0,55.0,645.11395.088.0kcukcutkfffcu,kC15C20C25C30….δ0.210.180.160.14….P11公式（2-4）第三章混凝土结构材料的物理力学性能153.1混凝土的物理力学性能混凝土强度的标准值、设计值•《规范》规定材料强度的标准值（如fck\fcu,k）：是用标准试验方法测得的，应具有不小于95%保证率的强度。如《规范》中规定的轴心抗压强度和轴心抗拉强度与立方体抗压强度的关系•设计值与标准值间的关系：fc=fck/γc----参见《规范》第4.1.3~4.1.4条文解释第三章混凝土结构材料的物理力学性能163.1混凝土的物理力学性能混凝土强度标准值（N/mm2）混凝土强度等级强度种类符号C15C20C25C30C35轴心抗压强度fck10.013.416.720.123.4轴心抗拉强度ftk1.271.541.782.012.20混凝土强度等级C40C45C50C55C60C65C70C75C8026.829.632.435.538.541.544.547.450.22.402.512.652.742.852.933.003.053.10[例]fcu=30MPa,fck=0.76fcu，k×0.88×30=20.06MPa第三章混凝土结构材料的物理力学性能173.1混凝土的物理力学性能◆双向应力状态实际结构中，混凝土很少处于单向受力状态。更多的是处于双向或三向受力状态。如剪力和扭矩作用下的构件、弯剪扭和压弯剪扭构件(如框架梁\柱\节点区)、混凝土拱坝、核电站安全壳等。双向受压：一向的受压强度随另一向压应力的增大而增大。一拉一压：一向的强度随另一向应力的增大而降低。双向受拉：强度变化不大。3.1.3、复杂应力下混凝土的强度第三章混凝土结构材料的物理力学性能183.1混凝土的物理力学性能•构件受剪或受扭时常遇到剪应力t和正应力s共同作用下的复合受力情况。混凝土的抗剪强度：随拉应力增大而减小随压应力增大而增大当压应力在0.6fc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，抗剪强度将随压应力的增大而减小。法向应力和剪应力组合的破坏曲线第三章混凝土结构材料的物理力学性能193.1混凝土的物理力学性能◆三向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。Lcccfff)0.7~5.4(•有侧向约束的强度与无侧向约束强度间的经验关系式：混凝土圆柱体三向受压试验时轴向应力—应变曲线•从图看出:随着侧向压力的增加,试件的强度和延性都有显著提高。第三章混凝土结构材料的物理力学性能203.1混凝土的物理力学性能1、单轴（单调）受压应力-应变关系Stress-strainRelationship砼的变形包括：受力变形、体积变形变形反映了混凝土受力全过程的重要力学特征，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，也是利用计算机进行非线性分析的基础。1）混凝土在一次短期加荷时的变形性能·荷载下变形含弹性变形（卸荷可恢复）和塑性变形（卸荷不可恢复）2）混凝土强度等级对应力—应变曲线的影响3）加载速度对应力—应变曲线的影响3.1.4混凝土的变形第三章混凝土结构材料的物理力学性能213.1混凝土的物理力学性能02468102030s(MPa)e×10-3BACEDA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-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sA约为(0.3~0.4)fc，对高强混凝土sA可达(0.5~0.7)fc。AB段，裂缝稳定扩展阶段；临界点B为长期抗压强度的依据；BC段，裂缝快速发展的不稳定状态至峰点C－－混凝土棱柱体的抗压强度fc，CE下降段，裂缝继续扩展、贯通，至拐点D，此时只靠骨料间的咬合力及摩擦力与残余承压面来承受荷载。混凝土棱柱体受压应力-应变曲线第三章混凝土结构材料的物理力学性能223.1混凝土的物理力学性能单轴受压应力-应变关系曲线，当在普通试验机上采用等应力速度加载，达到轴心抗压强度fc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，只能测得应力-应变曲线的上升段。采用等应变速度加载，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-应变曲线的下降段。第三章混凝土结构材料的物理力学性能233.1混凝土的物理力学性能不同强度混凝土的应力-应变曲线比较2）强度混凝土的应力—应变曲线•不同强度混凝土的应力—应变曲线形状相似•但强度等级越高，线弹性段越长，峰值应变也略有增大(不显著)。但高强混凝土中，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,延性越差(即应力下降相同幅度时,变形越小)。第三章混凝土结构材料的物理力学性能243.1混凝土的物理力学性能seEc=tan原点切线模量ElasticModulus0sesddEc混凝土的弹性模量第三章混凝土结构材料的物理力学性能253.1混凝土的物理力学性能◆混凝土弹性模量测定方法se0.5fc5~10次)N/mm(7.342.21025cucfE第三章混凝土结构材料的物理力学性能263.1混凝土的物理力学性能seEc?=tan