02-混凝土結(jié)構(gòu)材料的物理力學(xué)性能課件

1第2章混凝土結(jié)構(gòu)材料的物理力學(xué)性能2主要內(nèi)容1、混凝土的物理力學(xué)性能2、鋼筋的物理力學(xué)性能3、混凝土和鋼筋的粘結(jié)32.1混凝土的物理力學(xué)性能混凝土的組份：水泥、石、砂、水按一定的配合比制成不同等級(jí)的砼。骨料水泥結(jié)晶體水泥凝膠體混凝土的強(qiáng)度及變形隨時(shí)間、隨環(huán)境的變化而變化。彈性變形的基礎(chǔ)塑性變形的基礎(chǔ)4通常把混凝土的結(jié)構(gòu)分為三種類型：微觀結(jié)構(gòu)：也即水泥石結(jié)構(gòu)，包括水泥凝膠、晶體骨架、未水化完的水泥顆粒和凝膠孔組成。亞微觀結(jié)構(gòu)：即混凝土中的水泥砂漿結(jié)構(gòu)。宏觀結(jié)構(gòu)：即砂漿和粗骨料兩組分體系。注意：1.骨料的分布及骨料與基相之間在界面的結(jié)合強(qiáng)度是影響混凝土強(qiáng)度的重要因素；2.在荷載的作用下，微裂縫的擴(kuò)展對(duì)混凝土的力學(xué)性能有著極為重要的影響。5砼試件大小和形狀、荷載的性質(zhì)和受力條件，均影響混凝土的強(qiáng)度單向應(yīng)力狀態(tài)下的強(qiáng)度立方體抗壓強(qiáng)度軸心抗壓強(qiáng)度軸心抗拉強(qiáng)度復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)下的強(qiáng)度雙向受力強(qiáng)度三向受壓強(qiáng)度6一、單軸向應(yīng)力狀態(tài)下的砼強(qiáng)度1.混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度fcu,k和強(qiáng)度等級(jí)我國將立方體抗壓強(qiáng)度值作為混凝土強(qiáng)度的基本指標(biāo)，并作為評(píng)定砼強(qiáng)度等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件：邊長、溫度、濕度、養(yǎng)護(hù)時(shí)間混凝土強(qiáng)度等級(jí)：是按立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值確定的共14級(jí)，用C表示：C15,C20,…C50,…C75,C80。例如C20,表示為

fcu,k＝20N/mm27影響立方體抗壓強(qiáng)度的因素1）試驗(yàn)方法：不涂潤滑劑與涂潤滑劑：套箍作用我國規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法是不涂潤滑劑的2）加載速度：速度越快，強(qiáng)度越高。3）混凝土齡期：隨齡期的增長而提高。4）試件尺寸：尺寸越小，強(qiáng)度越高承壓板試塊摩擦力82.混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度fck、fc用標(biāo)準(zhǔn)棱柱體試件（150×150×300mm3），采用標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法（與立方體相同）測定的混凝土抗壓強(qiáng)度――軸心抗壓強(qiáng)度。一般認(rèn)為當(dāng)h/b=2~3時(shí)，可以消除摩擦力的影響，并能避免偏壓的情形，中間為純壓狀態(tài)，接近實(shí)際情況。fcu,k與fck的關(guān)系如何？承壓板試塊9試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)

fck/fcu,k≈0.70～0.9210《規(guī)范》偏安全的給出之間的關(guān)系為：

fck

＝0.88α1α2fcu,kα1——棱柱體與立方體抗壓強(qiáng)度比值，≤C50取0.76，C80取0.82，中間插值。α2——高強(qiáng)混凝土的脆性折減系數(shù)，≤C40取1.0，C80取0.87，中間插值。0.88——考慮實(shí)際構(gòu)件與試件混凝土之間的差異而取的折減系數(shù)。不同國家試驗(yàn)形狀及尺寸有差異。111001001501505003.混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度ftk、ft一般只為抗壓強(qiáng)度的1/17~1/8。砼強(qiáng)度越高，這個(gè)比值越小。測試方法：軸心受拉試驗(yàn)（直接）劈裂試驗(yàn)（間接）ddftsFFFF12通過試驗(yàn)分析，《規(guī)范》給出軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值與立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的關(guān)系ftk=0.88×0.395fcu,k0.55(1-1.645δ)0.45×α2式中：δ為變異系數(shù)，其它符號(hào)意義同前13注意：

fck

＝0.88α1α2fcu,kftk=0.88×0.395fcu,k0.55(1-1.645δ)0.45×α2在以后實(shí)際計(jì)算時(shí)，fck、ftk不用上式計(jì)算，當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級(jí)一定時(shí)，直接查表，見附錄2。14二、復(fù)合應(yīng)力下砼的強(qiáng)度實(shí)際上混凝土構(gòu)件都處于復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)梁既受M又受V柱同時(shí)受M、N、V節(jié)點(diǎn)更復(fù)雜所以需研究復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)下混凝土的強(qiáng)度。151.兩法向應(yīng)力σ1和σ2作用雙向受拉區(qū)雙向受壓區(qū)拉壓區(qū)拉壓區(qū)162.法向應(yīng)力σ和剪應(yīng)力τ作用“壓剪狀態(tài)”：壓應(yīng)力低時(shí)，抗剪強(qiáng)度隨壓應(yīng)力的增大而增大，當(dāng)壓應(yīng)力超過0.6fc’時(shí)，抗剪強(qiáng)度隨壓應(yīng)力的增大而減小。也就是說：由于剪應(yīng)力存在，混凝土的抗壓強(qiáng)度低于單向抗壓強(qiáng)度。“拉剪狀態(tài)”：抗剪強(qiáng)度隨拉應(yīng)力增大而減小。也就是說：由于剪應(yīng)力存在，混凝土的抗拉強(qiáng)度降低。/fc/fc0.20.1-0.10.00.61.0單軸抗拉強(qiáng)度單軸抗壓強(qiáng)度173.三向受壓狀態(tài)混凝土在三向受壓時(shí)，由于側(cè)向壓應(yīng)力的約束作用，最大的主壓應(yīng)力軸的抗壓強(qiáng)度大大增大。試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)公式：實(shí)際工程中，配有螺旋鋼箍柱、鋼管混凝土柱等都是利用此性質(zhì)，強(qiáng)度、延性大大提高“套箍作用”1=fcc’1=fcc’2=3=fLfL----側(cè)向約束壓應(yīng)力（加液壓）18三、砼的變形混凝土的變形分為:

一次短期加載作用1.混凝土的受力變形長期荷載作用

重復(fù)荷載作用

收縮、膨脹2.混凝土的體積變形溫度

濕度191.一次短期加載下砼的變形（1）受壓時(shí)應(yīng)力－應(yīng)變曲線采用棱柱體試件來測定全曲線，包括：上升段下降段（非普通試驗(yàn)機(jī)，需伺服控制）其形狀和特征是砼內(nèi)部結(jié)構(gòu)的力學(xué)標(biāo)志通過應(yīng)力—應(yīng)變曲線，可以了解混凝土各階段的強(qiáng)度和變形2021上升段（OC）:a）加載到（0.3～0.4）fc，接近直線，混凝土處于彈性階段；A點(diǎn)——比例極限。b）繼續(xù)加載，圖形逐漸彎曲，混凝土呈現(xiàn)出彈塑性性質(zhì)，E不是常數(shù)；B點(diǎn)——混凝土長期抗壓強(qiáng)度的取值依據(jù)。c）加載至峰點(diǎn)C，應(yīng)變增大，圖形更彎曲。C點(diǎn)——混凝土棱柱體抗壓強(qiáng)度fc，對(duì)應(yīng)的應(yīng)變0.002。下降段（CE）:

緩慢卸荷，裂縫繼續(xù)擴(kuò)展、貫通，變形增大。收斂點(diǎn)E——應(yīng)變約0.003～0.00422特點(diǎn)：1）混凝土的應(yīng)力應(yīng)變圖形是一曲線，說明混凝土是一種彈塑性材料，只有壓應(yīng)力很小時(shí)，才可視為彈性材料。2）混凝土強(qiáng)度對(duì)應(yīng)力應(yīng)變曲線下降段有較大影響，混凝土強(qiáng)度高，應(yīng)力下降快，延性越差；強(qiáng)度低，下降段越平緩，延性好。23（2）數(shù)學(xué)模型單軸受壓時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的數(shù)學(xué)模型u=0.00380=0.002ocfcc0.15fcu=0.00350=0.002ocfcc美國Hognestad模型德國Rüsch模型24中國規(guī)范u0ocfcc25（3）軸向受拉的應(yīng)力－應(yīng)變曲線與受壓相似，同樣存在上升段和下降段，但其應(yīng)力、應(yīng)變峰值小的多峰值應(yīng)變僅在0.0001左右tto

t0

tu

ftt(MPa)0

(mm)cr=0.00012試件：7619305mmfc=44MPa43210.010.020.030.040.050.06標(biāo)距＝83mm理論模型26（4）三向受壓狀態(tài)變形特點(diǎn)cu約束混凝土非約束混凝土ccfccfcEsecEc

c02c0

sp

cco環(huán)箍斷裂27（5）混凝土的變形模量σ—ε是一曲線，非線性，E是變量不是常數(shù)，主要有三種衡量方式1）彈性模量（原點(diǎn)模量）2）變形模量（割線模量，彈塑性模量）3）切線模量kcc10cecp0h28原點(diǎn)模量的試驗(yàn)方法：《規(guī)范》規(guī)定采用反復(fù)加荷的方法確定對(duì)標(biāo)準(zhǔn)棱柱體試件，取0.5fc反復(fù)加荷、卸載5至10次，隨加載次數(shù)增加，σ-ε接近直線，直線斜率即為彈性模量Ec。實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，Ec可以根據(jù)混凝土等級(jí)查表。c/fcc0.55~10次此線和原點(diǎn)切線基本平行，取其斜率作為Ec292.長期荷載作用下砼的變形混凝土在長期荷載下，壓應(yīng)力不變，應(yīng)變隨時(shí)間而增長的現(xiàn)象——徐變。30a）與時(shí)間有關(guān)：開始增加快，以后慢，六個(gè)月完成大部分，1～2年后穩(wěn)定.（徐變值約為瞬時(shí)應(yīng)變的1～4倍）31b）與應(yīng)力大小有關(guān)：當(dāng)應(yīng)力較小時(shí)，如<0.5fc，徐變大致與應(yīng)力成正比——線性徐變。當(dāng)應(yīng)力較大時(shí)，如>0.5fc

，徐變增長大于應(yīng)力增長——非線性徐變。當(dāng)應(yīng)力過高時(shí)，徐變急劇增大，不收斂，試件破壞所以一般取0.75fc~0.8fc為混凝土的長期極限強(qiáng)度。32c）與混凝土的齡期有關(guān)：加載時(shí)混凝土的齡期越早，徐變越大d）與混凝土的組成成分有關(guān)：水泥用量越多或水灰比越大，徐變越大。骨料質(zhì)量好，徐變越小。e）與混凝土養(yǎng)護(hù)條件有關(guān)：養(yǎng)護(hù)時(shí)溫度高，濕度大，徐變小。f）與構(gòu)件形狀、尺寸有關(guān)：體表比大，徐變小。33影響徐變的因素歸納為三個(gè)方面：內(nèi)在因素、環(huán)境因素、應(yīng)力因素。徐變對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)性能的影響：引起構(gòu)件變形增加；內(nèi)力重分布；在預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件中會(huì)造成預(yù)應(yīng)力損失。減小徐變的措施：1）選用優(yōu)質(zhì)骨料、優(yōu)質(zhì)水泥，減小水泥用量和水灰比。2）加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)，盡量搗實(shí)，保持溫度、濕度。3）適當(dāng)控制混凝土齡期。343.混凝土的收縮和膨脹－體積變形混凝土在空氣中結(jié)硬時(shí)體積減小的現(xiàn)象——收縮混凝土在水中結(jié)硬時(shí)體積增大的現(xiàn)象——膨脹膨脹值遠(yuǎn)小于收縮值，一般不考慮。收縮與時(shí)間有關(guān)，半年完成80～90％。當(dāng)這種自發(fā)的變形受到外部（支座）或內(nèi)部（鋼筋）的約束時(shí)，將使混凝土中產(chǎn)生拉應(yīng)力，甚至引起混凝土的開裂?；炷潦湛s會(huì)使預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力損失。35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(hù)條件等許多因素有關(guān)。歸納為：內(nèi)在因素、環(huán)境因素減小混凝土收縮的措施：1），2），3）同徐變4）設(shè)置適當(dāng)抗收縮鋼筋（構(gòu)造鋼筋—見相關(guān)構(gòu)造要求）（溫度變化，也會(huì)引起混凝土開裂，一般影響不大，在重要結(jié)構(gòu)、高層結(jié)構(gòu)、特種結(jié)構(gòu)中考慮——設(shè)置伸縮縫）36四、混凝土的疲勞在荷載重復(fù)作用下，混凝土的強(qiáng)度和變形有很大變化，混凝土在荷載重復(fù)作用下引起的破壞稱為－疲勞破壞。容易出現(xiàn)疲勞破壞的構(gòu)件：吊車梁、鋼筋混凝土道橋、港口海岸的混凝土結(jié)構(gòu)等。疲勞強(qiáng)度：用疲勞試驗(yàn)測定。采用100mm×100mm×300mm或150mm×150mm×450mm的棱柱體，把能使棱柱體試件承受200萬次或其以上循環(huán)荷載而發(fā)生破壞的壓應(yīng)力值稱為混凝土的疲勞抗壓強(qiáng)度。37重復(fù)荷載下混凝土的變形性能pe包羅線與一次性加載時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線相似38混凝土的疲勞強(qiáng)度與重復(fù)作用時(shí)應(yīng)力變化的幅度有關(guān)相同重復(fù)次數(shù)下，隨疲勞應(yīng)力比值的減小而增大。式中：，表示截面同一纖維上的混凝土最小應(yīng)力和最大應(yīng)力。39

混凝土的選用原則：建筑工程中，素鋼筋混凝土構(gòu)件的混凝土強(qiáng)度等級(jí)不應(yīng)低于C15；鋼筋混凝土構(gòu)件的混凝土強(qiáng)度等級(jí)不應(yīng)低于C20；采用強(qiáng)度等級(jí)400MPa及以上鋼筋時(shí)，混凝土強(qiáng)度等級(jí)不宜低于C25;預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的混凝土強(qiáng)度等級(jí)不宜低于C40，且不應(yīng)低于C30。承受重復(fù)荷載的構(gòu)件，混凝土強(qiáng)度等級(jí)不應(yīng)低于C30.402.2鋼筋的物理力學(xué)性能一、鋼筋的種類按化學(xué)成分分類：低碳鋼碳素鋼中碳鋼

隨含碳量增加，鋼筋強(qiáng)度提高，高碳鋼塑性性能降低。普通低合金鋼：除碳素鋼已有的成分外，再加入少量的硅、錳、鈦、釩等合金元素。強(qiáng)度顯著提高，塑性性能也好。

41按外形分類：光面鋼筋表面光滑，與混凝土粘結(jié)力差。變形鋼筋表面帶肋，螺旋紋、人字紋、月牙紋，與混凝土粘結(jié)力高。按生產(chǎn)工藝分類熱軋鋼筋—有屈服點(diǎn)、流幅、頸縮（用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)）預(yù)應(yīng)力鋼絲和鋼絞線、熱處理鋼筋（用于預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)）冷加工鋼筋（用于預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)）4243鋼筋的冷加工1）冷拉對(duì)熱軋鋼筋進(jìn)行張拉，張拉應(yīng)力超過原屈服點(diǎn)，然后放松，再張拉，屈服強(qiáng)度提高了，但塑性降低。（伸長率降低）K點(diǎn)的選擇：應(yīng)力控制和應(yīng)變控制溫度的影響：溫度達(dá)

700oC時(shí)恢復(fù)到冷拉前的狀態(tài)，先焊后拉提高抗拉強(qiáng)度（不宜作受壓鋼筋）BKZZ’K’殘余變形冷拉伸長率無時(shí)效經(jīng)時(shí)效442）冷拔將光面鋼筋通過強(qiáng)力拔過直徑小的鎢合金拔絲模孔，塑性降低。經(jīng)過冷拔后鋼筋沒有明顯的屈服點(diǎn)和流幅同時(shí)提高抗拉、抗壓強(qiáng)度45二、國產(chǎn)普通鋼筋按屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，分為4個(gè)等級(jí)300Mpa——熱軋光圓HPB；I335Mpa——熱軋帶肋HRB、HRBF；II400Mpa——熱軋帶肋HRB、HRBF、RRB；III500Mpa——熱軋帶肋HRB、HRBF；IV不能承受疲勞作用46三、鋼筋的強(qiáng)度和變形通過拉伸試驗(yàn)獲得的應(yīng)力應(yīng)變曲線曲線分兩類有明顯流幅：熱軋鋼筋（軟鋼）lPPA為比例極限B’為屈服上限B為屈服下限，即屈服強(qiáng)度fyBC為流幅或屈服臺(tái)階；CD為強(qiáng)化階段D為極限抗拉強(qiáng)度fuDE為頸縮階段47三、鋼筋的強(qiáng)度和變形無明顯的流幅：高碳鋼（硬鋼）（預(yù)應(yīng)力鋼絲、鋼絞線、熱處理鋼筋）a點(diǎn)：比例極限，約為0.65fua點(diǎn)前：應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為線彈性a點(diǎn)后：應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為非線性，有一定塑性變形，且沒有明顯的屈服點(diǎn)強(qiáng)度設(shè)計(jì)指標(biāo)——條件屈服點(diǎn)殘余應(yīng)變?yōu)?.2%所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力，《規(guī)范》取σ0.2=0.85fu48設(shè)計(jì)強(qiáng)度取值依據(jù)：有明顯流幅鋼筋，取其下屈服點(diǎn)強(qiáng)度作為設(shè)計(jì)取值依據(jù)。無明顯流幅鋼筋，取0.85σb

（極限抗拉強(qiáng)度）作為條件屈服點(diǎn)。鋼筋除強(qiáng)度要求外，還需具有塑性變形能力伸長率冷彎性能：彎心直徑、冷彎角度49四、應(yīng)力－應(yīng)變數(shù)學(xué)模型sss=Essys,hfysss=Essys,hfyfs,us,us,usss=Essyfys,hfs,u有明顯流幅的鋼筋無明顯流幅的鋼筋50五、鋼筋的疲勞重復(fù)荷載作用下，鋼筋的強(qiáng)度<靜載作用下的強(qiáng)度規(guī)定的應(yīng)力幅度內(nèi)，經(jīng)一定次數(shù)的重復(fù)荷載后，發(fā)生疲勞破壞的最大應(yīng)力值稱為疲勞強(qiáng)度。對(duì)鋼筋用疲勞應(yīng)力幅來表示其疲勞強(qiáng)度。試驗(yàn)方法單根鋼筋的軸拉疲勞（我國采用）鋼筋埋入混凝土中重復(fù)受拉或受彎51六、砼對(duì)鋼筋性能的要求1）強(qiáng)度

2）塑性（延性）

3）可焊性

4）與混凝土的粘結(jié)性52鋼筋的選用原則：縱向受力鋼筋宜采用HRB400、HRB500、HRBF400、HRBF500鋼筋，也可采用HPB300、HRB335、HRBF335、RRB400鋼筋；梁、柱縱向受力普通鋼筋應(yīng)采用HRB400、HRB500、HRBF400、HRBF500鋼筋。箍筋宜采用HRB400、HRBF400、HPB300、HRB500、HRBF500鋼筋，也可采用HRB335、HRBF335鋼筋；預(yù)應(yīng)力鋼筋宜采用預(yù)應(yīng)力鋼絲、鋼絞線和預(yù)應(yīng)力螺紋鋼筋。532.3混凝土與鋼筋的粘結(jié)一、粘結(jié)的意義鋼筋和混凝土之間的粘結(jié)，是保證兩者共同工作的前提。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)受力后，若鋼筋和混凝土有相對(duì)變形（滑移）就會(huì)在其交界面上產(chǎn)生剪應(yīng)力,這種剪應(yīng)力稱為鋼筋和混凝土之間的粘結(jié)力。

局部粘結(jié)應(yīng)力

粘結(jié)應(yīng)力分為：

錨固粘結(jié)應(yīng)力

54局部粘結(jié)應(yīng)力：發(fā)生在裂縫間。作用：鋼筋應(yīng)力發(fā)生變化，使相鄰兩個(gè)裂縫之間的混凝土參與受拉。其喪失，會(huì)開裂。錨固粘結(jié)應(yīng)力：發(fā)生在鋼筋端部（支座內(nèi)）。作用：鋼筋需有一定錨固長度，以積累足夠的粘結(jié)力，達(dá)到需要的拉力。否則，發(fā)生錨固破壞。55二、粘結(jié)力的組成（1）鋼筋和混凝土接觸面上的化學(xué)吸附作用力——化學(xué)膠結(jié)力（水泥對(duì)鋼筋表面氧化層滲透較?。?）混凝土收縮握裹鋼筋而產(chǎn)生的摩阻力——摩阻力（3）鋼筋表面凹凸不平與混凝土之間產(chǎn)生的機(jī)