《高等钢筋混凝土理论》第1章(1)

2020/7/31第1章混凝土的基本力学性能2020/7/321.1混凝土的组成和材性特点•1.1.1混凝土的组成和内部构造气孔水泥砂浆粗砂杂质缝隙粗骨料•混凝土内部的组成成分如图所示。•可以看出混凝土的内部构造是非匀质的。2020/7/33各组成成分的分布也是不均匀的•浇注振捣混凝土时，各组成成分的分布也是不均匀的。2020/7/34各组成成分的物理力学性能有差异•混凝土的两个基本组成部分，粗骨料和水泥浆的物理力学性能也存在着很大的差异。见表1-1。性能指标抗压强度N/mm2抗拉强度N/mm2弹性模量104N/mm2泊松比密度kg/m3极限收缩10-6单位徐变10-6/N.mm2膨胀系数10-6/˚C硬化水泥浆体15~1501.4~70.7~2.80.251700~22002000~3000150~45012~20粗骨料70~3501.4~143.5~7.00.1~0.252500~2700可忽略一般可忽略6~122020/7/35混凝土的4个基本受力特点•1.1.2材性的基本特点•1.复杂的微观内应力、变形和裂缝状态•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。•混凝土内部微裂缝的宽度大约(2~5)×10-3mm，长度值大约1~2mm。2020/7/36收缩和温差引起微裂缝•水泥浆收缩变形差使粗骨料受压，砂浆受拉，形成应力场（见图）。这些应力场在截面上的合力为零，但局部应力可能很大，使得骨料界面产生微裂缝。（a）收缩和温差引起拉力压力2020/7/37外力作用产生不均匀微观应力场•当混凝土承受外力作用时，将产生不均匀的空间微观应力场(见图)。•在应力的长期作用下，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，粗骨料将承受更大的压应力。（b）均匀应力作用2020/7/38混凝土的变形值由3部分组成•2.变形的多元组成•(1)骨料的弹性变形——占混凝土体积绝大部分的石子和砂。即使混凝土达到极限强度值时，骨料变形仍在弹性范围以内，卸载后变形可全部恢复(图1-3(a))。图1-3(a)骨料弹性变形2020/7/39水泥凝胶体的塑性变形•(2)水泥凝胶体的粘性流动——水泥凝胶体，在应力作用下除了产生瞬时变形外，还将徐变变形，随着时间推移不断地增长，形成塑性变形(图1-3(b))。•卸载后，水泥凝胶体的塑性变形一般不能恢复。图1-3(b)水泥浆变形2020/7/310裂缝的形成和扩展•(3)裂缝的形成和扩展——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。•卸载后，大部分裂缝变形不能恢复(图1-3(c))。图1-3(c)裂缝扩张变形2020/7/311应力状态和途径的影响•3.应力状态和途径对力学性能的巨大影响•混凝土材料与钢、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。•应力状态和应力途径的不同会引起混凝土力学性能的巨大差异。这种差异足以对构件和结构的力学性能造成重大影响，在实际工程中不能不加以重视。单轴受力与多轴受力、存在横向和纵向应力、单调荷载与重复荷载、反复荷载等情况下混凝土的性能均有不同的变化。2020/7/312时间和环境的影响•4.时间和环境条件的巨大影响•混凝土中水泥水化作用的可以持续很长时间。有试验表明，至龄期20年后水泥颗粒的水化作用仍未终止。•混凝土在应力的持续作用下，会发生徐变。•在长期持续荷载作用下，混凝土的强度会降低。•环境介质中二氧化碳气体和氯离子对混凝土的劣化作用。2020/7/313《混凝土结构设计规范》规定•混凝土结构的使用环境类别环境类别说明一室内正常环境二a室内潮湿环境；非常严寒和寒冷地区的露天环境；与无侵蚀性的水和土壤直接接触的环境二b严寒和寒冷地区的露天环境；与无侵蚀性的水和土壤直接接触的环境三使用冰盐的环境；严寒与寒冷地区冬季的水位变动环境；滨海室外环境四海水环境五受人为或自然侵蚀性物质影响的环境2020/7/314我国2002规范中耐久性规定——续•结构耐久性的基本要求环境类别水灰比不大于水泥用量不少于砼强度等级不低于氯离子含量不大于(%)碱含量不大于一0.65225kg/m3C201.0不限制二a0.60250C250.33.0kg/m3二b0.55275C300.23.0三0.50300C300.13.0四由《港口工程技术规范》确定五由《工业建筑防腐蚀设计规范》确定2020/7/315混凝土是一种多相混合材料•由上述的材性特点可见：•混凝土是一种非匀质、不等向的，且随时间和环境条件而变化的多相混合材料。•混凝土的力学性能是复杂、多变和离散的，要完全从微观的定量分析来解决混凝土的性能问题，得到准确而实用的结果是十分困难的。2020/7/316测定混凝土材性的实用标准•从工程实用的观点出发，将一定尺度，例如≥70mm或3～4倍粗骨料粒径的混凝土体积作为单元，看成是连续的、匀质的和等向的材料，取其平均的强度、平均的变形值和宏观的破坏形态等作为研究的标准，可以得到相对稳定的力学性能。•并且用同样尺度的标准试件测定各项性能指标，经过总结、统计和分析后建立的破坏强度准则和本构关系，在实际工程中应用，就具有足够的准确性。2020/7/3171.1.3混凝土的一般破坏机理•采用超声波检测仪、X光摄影仪、电子显微镜等多种精密测试仪器，对混凝土的微观构造在受力过程中的变化情况可以进行详尽的研究。2020/7/318用X光观测混凝土单轴受压的裂缝过程•这里列举曾经做过的一个试验，即采用X光观测混凝土单轴受压的裂缝过程，试件如图1-4。•采用的试件为方板：127mm127mm12.7mm•制作了两种试件：•①一种为理想试件，用3种不同直径的圆形骨料随机地埋入水泥砂浆(见图1-4)；②另一种为真实混凝土试件。•两种试件的受力过程和观测结果相同，前者更具典型性。2020/7/319试件及其裂缝分布2020/7/320混凝土微裂缝发展的3个阶段•试验证实了混凝土在受力前就存在初始微裂缝，都出现在较大粗骨料的界面。开始受力后直到极限荷载(max)，混凝土内的微裂缝逐渐增多和扩展，可以分作3个阶段：•1.微裂缝相对稳定期（/max＜0.3~0.5）•2.稳定裂缝发展期（/max＜0.75~0.9）•3.不稳定裂缝发展期（/max＞0.75~0.9）2020/7/321混凝土的受压破坏机理•从对混凝土受压过程的微观现象的分析，其破坏机理可以概括为：•①首先，水泥砂浆沿粗骨料的界面和砂浆内部形成微裂缝；②应力增大后，这些微裂缝逐渐地延伸和扩展，并连通成为宏观裂缝；③随着砂浆的损伤不断积累，切断了和骨料的联系，混凝土的整体性遭受破坏而逐渐地丧失承载力。2020/7/322提高砂浆质量可以提高混凝土强度•值得注意：•混凝土的强度和变形性能在很大程度上取决于水泥砂浆的质量和密实性。•任何改进和提高水泥砂浆质量的措施都能有效地提高混凝土强度和改善结构的性能。2020/7/3231.2混凝土抗压强度•1.2.1立方体抗压强度•我国对混凝土立方体抗压强度的定义和测试方法在国家标准《普通混凝土力学性能试验方法标准》GB50081-2002中有明确的规定。•比如在标准中规定了立方体试件制作、养护、加载龄期、加载方向和加载速度等。2020/7/324混凝土的标准立方体抗压强度•标准试件取为边长150mm的立方体，用钢模成型，经浇注、振捣密实后静置一昼夜，试件拆模后放入标准养护室((20±3)℃，相对湿度90％)；28天龄期后取出试件，擦干表面水，置于试验机内，沿浇注的垂直方向施加压力，以每秒0.3～0.5N/mm2的速度连续加载直至试件破坏。试件的破坏荷载除以承压面积，即为混凝土的标准立方体抗压强度，以fcu表示。2020/7/325试块承压面压力分布不均匀•试验机通过钢垫板对试件施加压力，试件承压面上的竖向压应力分布是不均匀的，见图1-5(a)。•这主要是由于垫板的刚度有限，而导致压应力分布不均匀。图1-5(a)承压面压力分布2020/7/326试件承压面上作用着水平摩擦力•由于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，见图1-5(b)。图1-5(b)横向变形和端面约束2020/7/327试件各点应力状态•如图1-5(c)所示：试件在承压面上这些竖向力和水平力作用下，其内部必然产生不均匀的三维应力场。图1-5(c)试件各点应力状态2020/7/328立方体试件受压破坏形态•破坏时，立方体试件的破坏形态和裂缝分布如图1-5(d)所示。图1-5(d)破坏形态和裂缝分布2020/7/329不同形状的试件和尺寸•当采用不同形状和尺寸的试件时，要考虑其形状尺寸效应，对其强度值进行修正，修正系数见表1-2。混凝土试件立方体圆柱体（H=300mm，D=150mm）边长/mm强度等级200150100C20~C40C50C60C70C80抗压强度相对值0.9511.050.800.830.860.8750.892020/7/330圆柱体抗压强度•有些国家如美国、日本和国际学术组织如CEB-FIP规定圆柱体为标准抗压试件。•圆柱体的尺寸为：高H=300mm、直径D=150mm。测定的强度称为圆柱体抗压强度，以（N/mm2）表示。•注：CEB—欧洲混凝土委员会；FIP—国际预应力混凝土协会cf2020/7/331混凝土的标准立方体强度的意义•混凝土的标准立方体抗压强度是确定混凝土强度等级、评定和比较混凝土强度和制作质量的最主要的相对指标，也是判定和计算其它力学指标的基础，因而具有重要的技术意义。2020/7/3321.2.2棱柱体试件的受力破坏过程•采用棱柱体可以消除端部局部应力和约束的影响，见图1-6(a)。•棱柱体中间部分已接近于均匀的单轴受压应力状态。•试件的破坏荷载除以棱柱体截面面积，称为混凝土的棱柱体抗压强度，或轴心抗压强度，以fc（N/mm2）表示。图1-6(a)2020/7/333棱柱体试件的尺寸效应•试验结果表明，棱柱体抗压强度随试件高厚比的增大而单调下降，但当h/b≥2后，强度值变化不大，见图1-6(b)。•所以，标准试件尺寸取为150mm150mm300mm。图1-6(b)2020/7/334棱柱体试件的试验方法•棱柱体试件的制作、养护、加载龄期和试验方法与立方体试件的标准试验的规定相同。2020/7/335棱柱体受压破坏的全过程•棱柱体受压破坏的全过程参见图1-7。s—割线泊松比tdd—切线泊松比—试件纵向应变—试件横向应变V—试件体积应变2020/7/336棱柱体试件受压破坏的照片破坏斜裂面与荷载垂线夹角=58º～64º2020/7/337棱柱体试件的破坏情况与浇注方向2020/7/3381.2.3主要抗压性能指标•棱柱体抗压强度与立方体抗压强度的比值变化范围:•强度等级高的，比值fc/fcu偏大。•我国2002设计规范给出的设计强度为：fc=0.76fcu，适用于强度等级≤C50的混凝土。0.700.92(11)ccuff2020/7/339我国的试验结果及计算公式2020/7/340各国的试验结果和计算公式不同•各国的试验结果都存在差异，计算公式也不同。•例如德国：•又如前苏联：0.85172cuccufff1301453cuccucuffff2020/7/341峰值应变p与棱柱体强度fc的关系2020/7/342混凝土受压峰值应变计算公式•过镇海[0-4]分析了混凝土强度fc=20～100N/mm2的试验数据，给出了峰值应变的计算公式：6(700172)10(12)pcf2020/7/343各国研究者得到不同的计算公式•混凝土受压峰值应变计算公式:•Ros:•Emperger:•Brandtzaeg:•Saenz:•林－王:3(0.5460.0291)10pcuf30.23210pcuf3105.97