混凝土的物理力學性能.ppt

第2章 混凝土結(jié)構(gòu)材料的物理力學性能,第2章 混凝土結(jié)構(gòu)材料的物理力學性能,2.1 混凝土的物理力學性能,2.1 混凝土的物理力學性能 一、混凝土的強度 1、混凝土強度等級 混凝土結(jié)構(gòu)中，主要是利用混凝土的抗壓強度。因此混凝土的抗壓強度是混凝土力學性能中最主要和最基本的指標?；炷恋膹姸鹊燃壥怯每箟簭姸葋韯澐值摹?混凝土強度等級：邊長150mm立方體標準試件，在標準條件下（203，90%濕度）養(yǎng)護28天，用標準試驗方法（加載速度0.150.3N/mm2/sec，兩端不涂潤滑劑）測得的具有95%保證率的立方體抗壓強度，用符號C表示，C30表示fcu,k=30N/mm2 規(guī)范根據(jù)強度范圍，從C15C80共劃分為14個強度等級，級差為5N/mm2。與原規(guī)范GBJ10-89相比，混凝土強度等級范圍由C60提高到C80，C50以上為高強混凝土，有關指標和計算公式在C50與原規(guī)范GBJ10-89銜接。,第2章 混凝土結(jié)構(gòu)材料的物理力學性能,2.1 混凝土的物理力學性能,100mm立方體強度與標準立方體強度之間的換算關系,小于C50的混凝土，修正系數(shù)m =0.95。隨混凝土強度的提高，修正系數(shù)m 值有所降低。當fcu100=100N/mm2時，換算系數(shù)m 約為0.9,美國、日本、加拿大等國家，采用圓柱體（直徑150mm，高300 mm）標準試件測定的抗壓強度來劃分強度等級，符號記為 fc。 圓柱體強度與我國標準立方體抗壓強度的換算關系為，,立方體和圓柱體抗壓試驗都不能代表混凝土在實際構(gòu)件中的受力狀態(tài)，只是用來在同一標準條件下比較混凝土強度水平和品質(zhì)的標準（制作、測試方便）。,第2章 混凝土結(jié)構(gòu)材料的物理力學性能,2.1 混凝土的物理力學性能,2、軸心抗壓強度,軸心抗壓強度采用棱柱體試件測定，用符號fc表示，它比較接近實際構(gòu)件中混凝土的受壓情況。棱柱體試件高寬比一般為h/b=34，我國通常取150mm150mm450mm的棱柱體試件，也常用100100300試件。對于同一混凝土，棱柱體抗壓強度小于立方體抗壓強度。棱柱體抗壓強度和立方體抗壓強度的換算關系為，,規(guī)范對小于C50級的混凝土取k=0.76，對C80取k=0.82，其間按線性插值,第2章 混凝土結(jié)構(gòu)材料的物理力學性能,2.1 混凝土的物理力學性能,3、軸心抗拉強度,也是其基本力學性能，用符號 ft 表示?；炷翗?gòu)件開裂、裂縫、變形，以及受剪、受扭、受沖切等的承載力均與抗拉強度有關。,第2章 混凝土結(jié)構(gòu)材料的物理力學性能,2.1 混凝土的物理力學性能,由于軸心受拉試驗對中困難，也常常采用立方體或圓柱體劈拉試驗測定混凝土的抗拉強度,第2章 混凝土結(jié)構(gòu)材料的物理力學性能,2.1 混凝土的物理力學性能,4、混凝土強度的標準值,規(guī)范規(guī)定材料強度的標準值 fk 應具有不小于95%的保證率,立方體強度標準值即為混凝土強度等級fcu。規(guī)范在確定混凝土軸心抗壓強度和軸心抗拉強度標準值時，假定它們的變異系數(shù)與立方體強度的變異系數(shù)相同，利用與立方體強度平均值的換算關系，便可按上式計算得到。 同時，規(guī)范考慮到試件與實際結(jié)構(gòu)的差異以及高強混凝土的脆性特征，對軸心抗壓強度和軸心抗拉強度，還采用了以下兩個折減系數(shù)：結(jié)構(gòu)中混凝土強度與混凝土試件強度的比值，取0.88；脆性折減系數(shù)，對C40取1.0，對C80取0.87，中間按線性規(guī)律變化。,第2章 混凝土結(jié)構(gòu)材料的物理力學性能,2.1 混凝土的物理力學性能,第2章 混凝土結(jié)構(gòu)材料的物理力學性能,2.1 混凝土的物理力學性能,二、混凝土破壞機理,fc fcu ?,不涂潤滑劑,第2章 混凝土結(jié)構(gòu)材料的物理力學性能,2.1 混凝土的物理力學性能,A點以前，微裂縫沒有明顯發(fā)展，混凝土的變形主要彈性變形，應力-應變關系近似直線。A點應力隨混凝土強度的提高而增加，對普通強度混凝土sA約為 (0.30.4)fc ，對高強混凝土sA可達(0.50.7)fc。,A點以后，由于微裂縫處的應力集中，裂縫開始有所延伸發(fā)展，產(chǎn)生部分塑性變形，應變增長開始加快，應力-應變曲線逐漸偏離直線。微裂縫的發(fā)展導致混凝土的橫向變形增加。但該階段微裂縫的發(fā)展是穩(wěn)定的。,混凝土在結(jié)硬過程中，由于水泥石的收縮、骨料下沉以及溫度變化等原因，在骨料和水泥石的界面上形成很多微裂縫，成為混凝土中的薄弱部位?；炷恋淖罱K破壞就是由于這些微裂縫的發(fā)展造成的。,達到B點，內(nèi)部一些微裂縫相互連通，裂縫發(fā)展已不穩(wěn)定，橫向變形突然增大，體積應變開始由壓縮轉(zhuǎn)為增加。在此應力的長期作用下，裂縫會持續(xù)發(fā)展最終導致破壞。取B點的應力作為混凝土的長期抗壓強度。普通強度混凝土sB約為0.8fc，高強強度混凝土sB可達0.95fc以上。,達到C點fc，內(nèi)部微裂縫連通形成破壞面，應變增長速度明顯加快，C點的縱向應變值稱為峰值應變 e 0，約為0.002。,縱向應變發(fā)展達到D點，內(nèi)部裂縫在試件表面出現(xiàn)第一條可見平行于受力方向的縱向裂縫。,隨應變增長，試件上相繼出現(xiàn)多條不連續(xù)的縱向裂縫，橫向變形急劇發(fā)展，承載力明顯下降，混凝土骨料與砂漿的粘結(jié)不斷遭到破，裂縫連通形成斜向破壞面。E點的應變e = (23) e 0，應力s = (0.40.6) fc。,E點以后，縱向裂縫形成一斜向破壞面，此破壞面受正應力和剪應力的作用繼續(xù)擴展，形成一破壞帶。此時試件的強度由斜向破壞面上的骨料間的摩阻力提供。隨應變繼續(xù)發(fā)展，摩阻力和粘結(jié)力不斷下降，但即使在很大的應變下，骨料間仍有一定摩阻力，殘余強，約為(0.10.4) fc。,第2章 混凝土結(jié)構(gòu)材料的物理力學性能,2.1 混凝土的物理力學性能,由上述混凝土的破壞機理可知，微裂縫的發(fā)展導致橫向變形的 增大。對橫向變形加以約束，就可以限制微裂縫的發(fā)展，從而 可提高混凝土的抗壓強度。立方體試件受約束范圍大，而棱柱 體試件中部未受約束，因此造成了不同受壓試件強度的差別和 破壞形態(tài)的不同。,混凝土局部受壓強度fcl 比軸心抗壓強度 fc 大很多，也是因為局部受壓面積以 外的混凝土對局部受壓區(qū) 域內(nèi)部混凝土微裂縫產(chǎn)生 了較強的約束。,第2章 混凝土結(jié)構(gòu)材料的物理力學性能,2.1 混凝土的物理力學性能,了解混凝土的破壞機理，不僅可以解釋各種不同試驗混凝土強度的差別，還可以通過約束混凝土的橫向變形來提高混凝土的抗壓強度。如圖采用配置螺旋箍筋形成所謂“約束混凝土”，可顯著提高混凝土的抗壓強度，并且可以提高混凝土變形能力。,由螺旋箍筋約束混凝土的應力-應變曲線可見，當應力較小時，橫向變形很小，箍筋的約束作用不明顯；當應力超過B點的應力時，由于混凝土的橫向變形開始顯著增大，側(cè)向膨脹使螺旋箍筋產(chǎn)生環(huán)向拉應力，其反作用力使混凝土的橫向變形受到約束，從而使混凝土的強度和變形能力都得到提高。,“約束混凝土”的概念在工程中許多地方都有應用，如螺旋箍筋柱、后張法預應力錨具下局部受壓區(qū)域配置的鋼筋網(wǎng)或螺旋筋等。而鋼管混凝土對內(nèi)部混凝土的約束效果更好，因此近年來在我國工程中得到許多應用。 約束混凝土可以提高混凝土的強度，但更值得注意的是可以提高混凝土的變形能力，這一點對于抗震結(jié)構(gòu)非常重要。在抗震結(jié)構(gòu)對于可能出現(xiàn)塑性鉸的區(qū)域，均要求加密箍筋配置來提高構(gòu)件的變形能力，達到壞而不倒的目的。,第2章 混凝土結(jié)構(gòu)材料的物理力學性能,2.1 混凝土的物理力學性能,三、混凝土的變形 1、單軸（單調(diào)）受壓應力-應變關系,混凝土單軸受力時的應力-應變關系反映了混凝土受力全過程的重要力學特征，是分析混凝土構(gòu)件應力、建立承載力和變形計算理論的必要依據(jù)，也是利用計算機進行非線性分析的基礎。,第2章 混凝土結(jié)構(gòu)材料的物理力學性能,2.1 混凝土的物理力學性能,強度等級越高，線彈性段越長，峰值應變也有所增大。但高強混凝土中，砂漿與骨料的粘結(jié)很強，密實性好，微裂縫很少，最后的破壞往往是骨料破壞，破壞時脆性越顯著，下降段越陡。,第2章 混凝土結(jié)構(gòu)材料的物理力學性能,2.1 混凝土的物理力學性能,反映混凝土全部受壓力學性能，可采用混凝土應力-應變?nèi)€的形式。若采用無量綱坐標x=e/e0，y=s/fc，則混凝土應力-應變?nèi)€的幾何特征必須滿足,第2章 混凝土結(jié)構(gòu)材料的物理力學性能,2.1 混凝土的物理力學性能,根據(jù)以上條件，過鎮(zhèn)海提出的應力-應變?nèi)€表達式,a=Ec/E0，Ec為初始彈性模量；E0為峰值點時的割線模量，為滿足條件和，一般應有1.5a3；ac 為下降段參數(shù),2.1 混凝土的物理力學性能,第2章 混凝土結(jié)構(gòu)材料的物理力學性能,Hognestad建議的應力-應變曲線,第2章 混凝土結(jié)構(gòu)材料的物理力學性能,規(guī)范應力-應變關系,上升段：,下降段：,2.1 混凝土的物理力學性能,第2章 混凝土結(jié)構(gòu)材料的物理力學性能,2、混凝土的彈性模量 Elastic Modulus,原點切線模量 Elastic Modulus,割線模量 Secant Modulus,切線模量 Tangent Modulus,彈性系數(shù)n (coefficient of elasticity) 隨應力增大而減小 n =10.5,2.1 混凝土的物理力學性能,第2章 混凝土結(jié)構(gòu)材料的物理力學性能,彈性模量測定方法,2.1 混凝土的物理力學性能,3、箍筋約束混凝土受壓的應力-應變關系,螺旋箍筋約束對強度和變形能力均有很大提高 矩形箍筋約束對強度的提高不是很顯著，但對變形能力有顯著改善, 箍筋與內(nèi)部混凝土的體積比； 箍筋的屈服強度； 箍筋間距與核心截面直徑或邊長的比值； 箍筋直徑與肢距的比值； 混凝土強度，對高強混凝土的約束效果差一些。,影響因素,第2章 混凝土結(jié)構(gòu)材料的物理力學性能,R.Park建議的矩形封閉箍筋約束混凝土的應力-應變曲線,2.1 混凝土的物理力學性能,第2章 混凝土結(jié)構(gòu)材料的物理力學性能,2.1 混凝土的物理力學性能,4、混凝土受拉應力-應變關系,第2章 混凝土結(jié)構(gòu)材料的物理力學性能,2.1 混凝土的物理力學性能,四、復雜應力下混凝土的受力性能,雙軸應力狀態(tài) Biaxial Stress,實際結(jié)構(gòu)中，混凝土很少處于單向受力狀態(tài)。更多的是處于雙向或三向受力狀態(tài)。如剪力和扭矩作用下的構(gòu)件、彎剪扭和壓彎剪扭構(gòu)件、混凝土拱壩、核電站安全殼等。,雙向受壓強度大于單向受壓強度，最大受壓強度發(fā)生在兩個壓應力之比為0.3 0.6之間，約為(1.251.60 )fc。雙軸受壓狀態(tài)下混凝土的應力-應變關系與單軸受壓曲線相似，但峰值應變均超過單軸受壓時的峰值應變。,在一軸受壓一軸受拉狀態(tài)下，任意應力比情況下均不超過其相應單軸強度。并且抗壓強度或抗拉強度均隨另一方向拉應力或壓應力的增加而減小。,在一軸受壓一軸受拉狀態(tài)下，任意應力比情況下均不超過其相應單軸強度。并且抗壓強度或抗拉強度均隨另一方向拉應力或壓應力的增加而減小。,第2章 混凝土結(jié)構(gòu)材料的物理力學性能,2.1 混凝土的物理力學性能,構(gòu)件受剪或受扭時常遇到剪應力t 和正應力s 共同作用下的復合受力情況。,由圖可見，混凝土的抗剪強度隨拉應力增大而減??；隨壓應力增大而增大，當壓應力在0.6fc左右時，抗剪強度達到最大，壓應力繼續(xù)增大，則由于內(nèi)裂縫發(fā)展明顯抗剪強度將隨壓應力的增大而減小。,第2章 混凝土結(jié)構(gòu)材料的物理力學性能,2.1 混凝土的物理力學性能,三軸應力狀態(tài) Triaxial Stress,三軸應力狀態(tài)有多種組合，實際工程遇到較多的螺旋箍筋柱和鋼管混凝土柱中的混凝土為三向受壓狀態(tài)。三向受壓試驗一般采用圓柱體在等側(cè)壓條件進行。,局部抗壓強度Local Bearing Strength,第2章 混凝土結(jié)構(gòu)材料的物理力學性能,2.1 混凝土的物理力學性能,第2章 混凝土結(jié)構(gòu)材料的物理力學性能,2.1 混凝土的物理力學性能,五、混凝土的收縮和徐變Shrinkage and Creep 1、混凝土的收縮Shrinkage 混凝土在空氣中硬化時體積會縮小，這種現(xiàn)象稱為混凝土的收縮。 收縮是混凝土在不受外力情況下體積變化產(chǎn)生的變形。 當這種自發(fā)的變形受到外部（支座）或內(nèi)部（鋼筋）的約束時，將使混凝土中產(chǎn)生拉應力，甚至引起混凝土的開裂?；炷潦湛s會使預應力混凝土構(gòu)件產(chǎn)生預應力損失。 某些對跨度比較敏感的超靜定結(jié)構(gòu)（如拱結(jié)構(gòu)），收縮也會引起不利的內(nèi)力。,第2章 混凝土結(jié)構(gòu)材料的物理力學性能,2.1 混凝土的物理力學性能,混凝土的收縮是隨時間而增長的變形，早期收縮變形發(fā)展較快，兩周可完成全部收縮的25%，一個月可完成50%，以后變形發(fā)展逐漸減慢，整個收縮過程可延續(xù)兩年以上。一般情況下，最終收縮應變值約為(25)10-4（混凝土開裂應變(0.52.7)10-4）。,第2章 混凝土結(jié)構(gòu)材料的物理力學性能,2.1 混凝土的物理力學性能, 影響因素 混凝土的收縮受結(jié)構(gòu)周圍的溫度、濕度、構(gòu)件斷面形狀及尺寸、配合比、骨料性質(zhì)、水泥性質(zhì)、混凝土澆筑質(zhì)量及養(yǎng)護條件等許多因素有關。 水泥用量多、水灰比越大，收縮越大 骨料彈性模量高、級配好，收縮就小 干燥失水及高溫環(huán)境，收縮大 小尺寸構(gòu)件收縮大，大尺寸構(gòu)件收縮小 高強混凝土收縮大 影響收縮的因素多且復雜，要精確計算尚有一定的困難。 在實際工程中，要采取一定措施減小收縮應力的不利影響施工縫,第2章 混凝土結(jié)構(gòu)材料的物理力學性能,2.1 混凝土的物理力學性能,2、混凝土的徐變Creep (混凝土在荷載的長期作用下)，結(jié)構(gòu)或材料承受的荷載或應力不變，而變形或應變隨時間增長的現(xiàn)象稱為徐變。 徐變會使結(jié)構(gòu)（構(gòu)件）的（撓度）變形增大，引起預應力損失，在長期高應力作用下，甚至會導致破壞。 不過，徐變有利于結(jié)構(gòu)構(gòu)件產(chǎn)生內(nèi)（應）力重分布，降低結(jié)構(gòu)的受力（如支座不均勻沉降），減小大體積混凝土內(nèi)的溫度應力，受拉徐變可延緩收縮裂縫的出現(xiàn)。 與混凝土的收縮一樣，徐變也與時間有關。因此，在測定混凝土的徐變時，應同批澆筑同樣尺寸不受荷的試件，在同樣環(huán)境下同時量測混凝土的收縮變形，從徐變試件的變形中扣除對比的收縮試件的變形，才可得到徐變變形。,第2章 混凝土結(jié)構(gòu)材料的物理力學性能,2.1 混凝土的物理力學性能,在應力（0.5fc）作用瞬間，首先產(chǎn)生瞬時彈性應變eel（= si/Ec(t0)，t0加荷時的齡期）。隨荷載作用時間的延續(xù)，變形不斷增長，前4個月徐變增長較快，6個月可達最終徐變的（7080）%，以后增長逐漸緩慢，23年后趨于穩(wěn)定。,記(t-t0)時間后的總應變?yōu)閑 c(t,t0)，此時混凝土的收縮應變?yōu)閑sh(t，t0)，則徐變?yōu)椋?ecr (t,t0) = ec(t,t0)- e c(t0)- esh(t,t0)= ec(t,t0)- eel- esh(t,t0),如在時間t 卸載，則會產(chǎn)生瞬時彈性恢復應變eel。由于混凝土彈性模量隨時間增大，故彈性恢復應變eel小于加載時的瞬時彈性應變 eel。再經(jīng)過一段時間后，還有一部分應變eel可以恢復，稱為彈性后效或徐變恢復，但仍有不可恢復的殘余應變ecr,第2章 混凝土結(jié)構(gòu)材料的物理力學性能,2.1 混凝土的物理力學性能,徐變系數(shù)j (t，t0) Creep Coefficient,當初始應力小于