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混凝土结构基本原理ConcreteStructureBasicTheory东北电力大学建筑工程学院秦力第2章混凝土结构材料的物理力学性能§2.1混凝土的物理力学性能§2.2钢筋的物理力学性能§2.3混凝土与钢筋的粘结学习目标1.理解混凝土在各种受力状态下的强度与变形性能；2.掌握混凝土的基本强度指标和混凝土的选用原则；3.了解土木工程所用钢筋的品种、级别及其性能；4.掌握钢筋的强度及变形指标；5.掌握土木工程对钢筋性能的要求及选用原则；6.了解钢筋与混凝土的共同工作原理，理解保证钢筋与混凝土之间协同工作的构造措施。混凝土：由水泥、骨料和水按一定比例拌合，经过硬化后形成的人工合成材料。其为一多相复合材料，其质量的好坏与材料、施工配合比、施工工艺、龄期、环境等诸多因素有关。特点：非弹性、非线性、非匀质材料，较大离散性。通常将其组成结构分为：宏观结构：两组分体系，砂浆和粗骨料。亚微观结构：水泥砂浆结构。微观结构：水泥石结构。2.1混凝土的物理力学性能2.1.1混凝土的组成结构第2章混凝土结构材料的物理力学性能2.1混凝土的物理力学性能宏观结构亚微观结构微观结构粗骨料（分散相）水泥石（基相）细骨料（分散相）砂浆（基相）晶体骨架晶体带核凝胶体干缩孔隙凝缩氢氧化钙凝胶体混凝土组成结构第2章混凝土结构材料的物理力学性能2.1混凝土的物理力学性能晶体骨架：由未水化颗粒组成，承受外力，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。第2章混凝土结构材料的物理力学性能2.1混凝土的物理力学性能第2章混凝土结构材料的物理力学性能2.1混凝土的物理力学性能2.1.2单轴应力状态下的混凝土强度1、混凝土强度等级混凝土结构中，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。混凝土的强度等级是用抗压强度来划分的混凝土强度等级：边长150mm立方体标准试件，在标准条件下（20±3℃，≥90%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，用符号C表示，C30表示fcu,k=30N/mm2《规范》根据强度范围，从C15~C80共划分为14个强度等级，级差为5N/mm2。与原《规范GBJ10-89》相比，混凝土强度等级范围由C60提高到C80，C50以上为高强混凝土，有关指标和计算公式在C50与原《规范GBJ10-89》衔接。承压板试块摩擦力不涂润滑剂涂润滑剂强度大于我国规范的方法：不涂润滑剂试验机通过钢垫板对试件施加压力。由于垫板的刚度有限，以及试件内部和表层的受力状态和材料性能有差别，致使试件承压面上的竖向压应力分布不均匀。同时，钢垫板和试件混凝土的弹性模量和泊松比值不等，在相同应力作用下的横向应变不等。故垫板约束了试件的横向变形，在试件的承压面上作用着水平摩擦力。第2章混凝土结构材料的物理力学性能2.1混凝土的物理力学性能试验录像第2章混凝土结构材料的物理力学性能2.1混凝土的物理力学性能100mm立方体强度与标准立方体强度之间的换算关系100150cucuff小于C50的混凝土，修正系数=0.95。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美国、日本、加拿大等国家，采用圆柱体（直径150mm，高300mm）标准试件测定的抗压强度来划分强度等级，符号记为fc'。圆柱体强度与我国标准立方体抗压强度的换算关系为，cucff)81.0~79.0(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，只是用来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）。第2章混凝土结构材料的物理力学性能2.1混凝土的物理力学性能2、轴心抗压强度轴心抗压强度采用棱柱体试件测定，用符号fc表示，它比较接近实际构件中混凝土的受压情况。棱柱体试件高宽比一般为h/b=2~3，我国取150mm×150mm×300mm的标准试件，试件上下表面不涂润滑剂。对于同一混凝土，棱柱体抗压强度小于立方体抗压强度。棱柱体抗压强度和立方体抗压强度的换算关系为，cuccff1《规范》对小于等于C50的混凝土取αc1=0.76，对C80取αc1=0.82，其间按线性插值。对小于等于C40的混凝土取αc2=1.00，对C80取αc2=0.87，其间按线性插值。第2章混凝土结构材料的物理力学性能2.1混凝土的物理力学性能cukccckff2188.0试验录像第2章混凝土结构材料的物理力学性能2.1混凝土的物理力学性能3、轴心抗拉强度也是其基本力学性能，用符号ft表示。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换算关系55.0395.0cutff3/226.0cutff第2章混凝土结构材料的物理力学性能2.1混凝土的物理力学性能试验录像第2章混凝土结构材料的物理力学性能2.1混凝土的物理力学性能劈拉试验PaP拉压压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22aPfsp4/319.0cuspff第2章混凝土结构材料的物理力学性能2.1混凝土的物理力学性能4、混凝土强度的标准值《规范》规定材料强度的标准值fk应具有不小于95%的保证率)645.11(mkff立方体强度标准值即为混凝土强度等级fcuk。《规范》在确定混凝土轴心抗压强度和轴心抗拉强度标准值时，假定它们的变异系数与立方体强度的变异系数相同，利用与立方体强度平均值的换算关系，便可按上式计算得到。同时，《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，对C40取1.0，对C80取0.87，中间按线性规律变化。第2章混凝土结构材料的物理力学性能2.1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,=0.12,fcu,m=fcu/(1-1.645)fc,m=0.76fcu,mfc,k=fc,m(1-1.645)×0.88×1.0=0.76fcu×0.88×1.0=20.06MPa第2章混凝土结构材料的物理力学性能2.1混凝土的物理力学性能5.混凝土破坏机理fcfcu?不涂润滑剂涂润滑剂＞≈第2章混凝土结构材料的物理力学性能2.1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。A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B点的应力作为混凝土的长期抗压强度。普通强度混凝土sB约为0.8fc，高强强度混凝土sB可达0.95fc以上。达到C点fc，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e0，约为0.002。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，裂缝连通形成斜向破坏面。E点的应变e=(2~3)e0，应力s=(0.4~0.6)fc。第2章混凝土结构材料的物理力学性能2.1混凝土的物理力学性能图2-10纵向应变e1、横向应变e2及体积应变DV/V00.511.52se×10-3ABCD-3-2-1fc纵向应变横向应变体积应变第2章混凝土结构材料的物理力学性能2.1混凝土的物理力学性能由上述混凝土的破坏机理可知，微裂缝的发展导致横向变形的增大。对横向变形加以约束，就可以限制微裂缝的发展，从而可提高混凝土的抗压强度。立方体试件受约束范围大，而棱柱体试件中部未受约束，因此造成了不同受压试件强度的差别和破坏形态的不同。混凝土局部受压强度fcl比轴心抗压强度fc大很多，也是因为局部受压面积以外的混凝土对局部受压区域内部混凝土微裂缝产生了较强的约束。第2章混凝土结构材料的物理力学性能2.1混凝土的物理力学性能了解混凝土的破坏机理，不仅可以解释各种不同试验混凝土强度的差别，还可以通过约束混凝土的横向变形来提高混凝土的抗压强度。如图采用配置螺旋箍筋形成所谓“约束混凝土”，可显著提高混凝土的抗压强度，并且可以提高混凝土变形能力。由螺旋箍筋约束混凝土的应力-应变曲线可见，当应力较小时，横向变形很小，箍筋的约束作用不明显；当应力超过B点的应力时，由于混凝土的横向变形开始显著增大，侧向膨胀使螺旋箍筋产生环向拉应力，其反作用力使混凝土的横向变形受到约束，从而使混凝土的强度和变形能力都得到提高。图2-11螺旋箍筋约束混凝土“约束混凝土”的概念在工程中许多地方都有应用，如螺旋箍筋柱、后张法预应力锚具下局部受压区域配置的钢筋网或螺旋筋等。而钢管混凝土对内部混凝土的约束效果更好，因此近年来在我国工程中得到许多应用。约束混凝土可以提高混凝土的强度，但更值得注意的是可以提高混凝土的变形能力，这一点对于抗震结构非常重要。在抗震结构对于可能出现塑性铰的区域，均要求加密箍筋配置来提高构件的变形能力，达到坏而不倒的目的。第2章混凝土结构材料的物理力学性能2.1混凝土的物理力学性能2.1.3混凝土的变形1、单轴（单调）受压应力-应变关系Stress-strainRelationship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。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。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2章混凝土结构材料的物理力学性能2.1混凝土的物理力学性能第2章混凝土结构材料的物理力学性能2.1混凝土的物理力学性能试验录像第2章混凝土结构材料的物理力学性能2.1混凝土的物理力学性能图2-13不同强度混凝土的应力-应变关系曲线强度等级越高，线弹性段越长，峰值应变也有所增大。但高强混凝土中，砂浆与骨料的粘结很强，密实性好，