第二章 钢筋和混凝土材料的力学性能_混凝土

混凝土结构ConcreteStructure第二章钢筋和混凝土材料的力学性能MechanicalPropertiesofReinforcementandConcrete第二章钢筋和混凝土的材料性能2.2混凝土第二章钢筋和混凝土材料的力学性能§2.2混凝土的物理力学性能2.2.1混凝土的组成结构2.2.2单向受力状态下混凝土的强度2.2.3混凝土破坏机理2.2.4混凝土的变形2.2.5复杂应力下混凝土的受力性能基本要求重点、难点混凝土的强度：立方体抗压强度，轴心抗压强度，抗拉强度。混凝土的变形：一次短期加载时的应变性能，弹性模量、变形模量，收缩、徐变砼的主要强度指标及其收缩徐变。第二章钢筋和混凝土的材料性能2.2混凝土2.2混凝土2.2.1混凝土的组成结构普通砼是由水泥、石、砂、水按一定的配合比拌制，经过凝固硬化后做成的人工石材。骨料水泥结晶体水泥凝胶体弹性变形的基础塑性变形的基础砼的强度及变形随时间、随环境的变化而变化。第二章钢筋和混凝土的材料性能2.2混凝土1、混凝土立方体抗压强度和强度等级（StrengthGrade）混凝土结构中，主要是利用它的抗压强度(CompressiveStrength)。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。混凝土立方体抗压强度：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(CubeStrength)，用符号C表示。C30：fcu,k=30N/mm22.2.2单向受力状态下混凝土的强度第二章钢筋和混凝土的材料性能2.2混凝土Whydoverticalcracksoccurunderverticalcompressiveforce?第二章钢筋和混凝土的材料性能混凝土的强度等级是用抗压强度来划分的《规范》用标准制作方式制成的150×150mm的立方体试块，在28天龄期，用标准试验方法测得具有95％保证率的抗压强度。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。第二章钢筋和混凝土的材料性能2.2混凝土立方体强度的影响因素：①试验方法（润滑剂）②加载速度③试验环境（温湿度）④试件尺寸SizeAffection。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0.920015005.1cucuff第二章钢筋和混凝土的材料性能2.2混凝土美国、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，kcucff,)875.0~79.0(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）。《规范》对小于C60级的混凝土取0.79，对C60取0.833，对C70取0.857，对C80取0.875高强混凝土的脆性折减系数：《规范》对小于C40级的混凝土取1.00，对C80取0.87，其间按线性插值第二章钢筋和混凝土的材料性能2.2混凝土2、轴心抗压强度AxialCompressiveStrength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。为消除端部约束的影响，棱柱体试件高宽比一般为h/b=3~4，我国通常取150mm×150mm×450mm，也常用100×100×300。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，kcuckff,2188.0《规范》对小于C50级的混凝土取0.76，对C80取0.82，其间按线性插值12第二章钢筋和混凝土的材料性能2.2混凝土WhyAxialCompressiveStrengthissmallerthancubestrength?第二章钢筋和混凝土的材料性能2.2混凝土3、轴心抗拉强度AxialTensileStrength第二章钢筋和混凝土的材料性能2.2混凝土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第二章钢筋和混凝土的材料性能2.2混凝土劈拉试验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(SplittingStrength)22aPfsp45.055.0,2)645.11(395.088.0kcuspff第二章钢筋和混凝土的材料性能2.2混凝土4、混凝土强度的标准值CharacteristicStrength《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fcu。《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。Question:Canyoufeelsafeenoughtousecharacteristicstrength?第二章钢筋和混凝土的材料性能2.2混凝土《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。[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第二章钢筋和混凝土的材料性能2.2混凝土混凝土强度标准值（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第二章钢筋和混凝土的材料性能2.2混凝土二、混凝土破坏机理FailureMechanismfcfcu?不涂润滑剂涂润滑剂≈02468102030s(MPa)e×10-3第二章钢筋和混凝土的材料性能2.2混凝土初始裂缝：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Micro-fissure，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。BACED02468102030s(MPa)e×10-3第二章钢筋和混凝土的材料性能2.2混凝土AA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。BCED02468102030s(MPa)e×10-3第二章钢筋和混凝土的材料性能2.2混凝土BAA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Expansion。但该阶段微裂缝的发展是稳定的。CED02468102030s(MPa)e×10-3第二章钢筋和混凝土的材料性能2.2混凝土BA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。CED02468102030s(MPa)e×10-3第二章钢筋和混凝土的材料性能2.2混凝土BACED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。02468102030s(MPa)e×10-3第二章钢筋和混凝土的材料性能2.2混凝土BACED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。02468102030s(MPa)e×10-3第二章钢筋和混凝土的材料性能2.2混凝土BACED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。02468102030s(MPa)e×10-3第二章钢筋和混凝土的材料性能2.2混凝土BACEDE点以后，纵向裂缝形成一斜向破坏面，此破坏面受正应力和剪应力的作用继续扩展，形成一破坏带。此时试件的强度由斜向破坏面上的骨料间的摩阻力提供。随应变继续发展，摩阻力和粘结力不断下降，但即使在很大的应变下，骨料间仍有一定摩阻力，残余强，约为(0.1~0.4)fc。第二章钢筋和混凝土的材料性能2.2混凝土图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二章钢筋和混凝土的材料性能2.2混凝土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(LateralConstraint)，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。1：局部受压强度fcl(LocalCompressiveStrength)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。局部受压试件第二章钢筋和混凝土的材料性能2.2混凝土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。螺旋箍筋约束混凝土螺旋箍筋约束混凝土第二章钢筋和混凝土的材料性能2.2混凝土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。第二章钢筋和混凝土的材料性能2.2混凝土“约束混凝土(ConfinedConcrete)”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(ConcreteFilledTube)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(DeformationCapacity)，这一点对于抗震结构非常重要。在抗震结