混凝土材料的物理和力學(xué)性能.ppt

1、,本章重點(diǎn),熟悉土木工程用鋼筋的品種、級(jí)別、性能及其選用原則；,熟悉混凝土在各種受力狀態(tài)下的強(qiáng)度與變形性能及其選用原則；,了解鋼筋與混凝土的共同工作原理。,問(wèn)題引入,結(jié)構(gòu) 安全 堅(jiān)固,結(jié)構(gòu) 的經(jīng) 濟(jì)性,研究結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)性能,注意：,1.建筑力學(xué)所研究的是單一、勻質(zhì)、連續(xù)、 理想彈性材料；,2.鋼筋砼組成的構(gòu)件為復(fù)合材料，即不單一勻質(zhì)，也 非連續(xù)和理想彈性。,重視構(gòu)件的實(shí)驗(yàn)研究：基本假定、實(shí)驗(yàn)條件、實(shí)驗(yàn)依據(jù)等,鋼筋的品種：熱軋鋼筋、中高強(qiáng)鋼絲和鋼絞線、熱處理鋼筋和冷加工鋼筋,（ Steel Reinforcement）,2.1.1 建筑用鋼筋的種類(lèi),熱軋鋼筋 HotRolledSteelRei

2、nforcingBar,細(xì)晶粒熱軋帶肋鋼筋,鋼筋 化學(xué) 成分 主要 是鐵 （Fe）,鋼筋的化學(xué)成分和分類(lèi),合金元素總含量5%10%為中合金鋼，含量10%為高合金鋼,20 MnSi,40Si2Mn,對(duì)普通低合金鋼，鋼號(hào)中一律以平均含碳量萬(wàn)分之幾表示。主要合金元素，除個(gè)別情況，一般以百分之幾表示，當(dāng)其平均含量1.5%時(shí)，只標(biāo)明元素而不標(biāo)明其含量；當(dāng)其平均含量1.5%、2.5%、3.5%時(shí)，在元素后面還要標(biāo)出含量，且相應(yīng)地寫(xiě)為2、3、4。,化學(xué)元素對(duì)鋼材性能影響情況表,鋼筋的分類(lèi),熱軋鋼筋,鋼筋按加工 方法不同分類(lèi),中、高強(qiáng)鋼絲和鋼絞線,熱處理鋼筋,光圓鋼筋,熱處理 鋼筋,熱處理鋼筋強(qiáng)度高變形性能較

3、好，宜做預(yù)應(yīng)力鋼筋，但局部損傷或應(yīng)力集中之處易發(fā)生應(yīng)力脆斷,按軋制外形分類(lèi),鋼絲、鋼絞線 （預(yù)應(yīng)力鋼筋 ）,冷 加 工 鋼 筋,按軋制外形分類(lèi),不同鋼筋種類(lèi)和等級(jí)，其應(yīng)力應(yīng)變曲線之規(guī)律,（1）軟鋼：熱軋鋼筋，其應(yīng)力應(yīng)變曲線有明顯的屈服點(diǎn)和流幅，應(yīng)變較大、伸長(zhǎng)率較也大。,（2）硬鋼：熱處理鋼筋、光面鋼絲、刻痕鋼絲、螺旋形鋼絲、鋼絞線及冷軋帶肋鋼筋和冷拔低碳鋼絲，它們的應(yīng)力應(yīng)變曲線沒(méi)有明顯屈服點(diǎn)和流幅，應(yīng)變小、伸長(zhǎng)率也小，質(zhì)地硬脆。,（3）隨著鋼材強(qiáng)度提高，其塑性則降低。熱軋鋼筋有較好的塑性，但強(qiáng)度較低；預(yù)應(yīng)力鋼絲雖強(qiáng)度很高，但塑性卻較差。,1.鋼筋的強(qiáng)度,注意：, （屈服強(qiáng)度）為鋼筋的強(qiáng)度計(jì)算指

4、標(biāo)；,（極限強(qiáng)度），它為鋼筋的最大強(qiáng)度； 為鋼筋強(qiáng)度的安全儲(chǔ)備。,（如熱軋鋼筋，冷拉鋼筋）,有明顯流幅鋼筋 曲線,最高點(diǎn) e之應(yīng)力稱(chēng)為極限強(qiáng)度。,（1）彈性階段（oa 段）oa ，為直線段。,（ 為鋼筋彈性模量）,a 點(diǎn)之應(yīng)力稱(chēng)為彈性極限。 a為比例極限。,屈服臺(tái)階的下限c點(diǎn)之應(yīng)力稱(chēng)為 屈服強(qiáng)度。,o,無(wú)明顯流幅鋼筋 曲線,（如熱處理鋼筋、鋼絲和鋼絞絲）,取殘余塑性應(yīng)變?yōu)?.2%的應(yīng)力 作為假想屈服點(diǎn)（條件屈服點(diǎn)）,無(wú)明顯 流幅鋼筋,1.鋼筋的強(qiáng)度,中、高強(qiáng)鋼絲、鋼絞線,熱處理鋼筋 經(jīng)淬火處理得，fptk=1470MPa，無(wú)明顯屈服點(diǎn)。,冷加工鋼筋 冷加工工藝：冷拉、冷拔、冷軋、冷軋扭。 目的

5、：提高強(qiáng)度，節(jié)約鋼材。但塑性減小。 冷拉鋼筋仍有屈服臺(tái)階。,近年來(lái)，強(qiáng)度高、性能好的鋼筋（如鋼絲、鋼絞線）在我國(guó)已可充分供應(yīng)，故冷拉和冷拔鋼絲不再列入規(guī)范，需要應(yīng)用這些鋼筋時(shí)，應(yīng)符合專(zhuān)門(mén)規(guī)程的規(guī)定,2.1.2 混凝土結(jié)構(gòu)對(duì)鋼筋性能的要求,強(qiáng)度高,熱軋鋼筋,鋼絲、鋼絞線、各種冷加工鋼筋,條件屈服點(diǎn),殘余應(yīng)變0.2%,屈服點(diǎn),有明顯屈服點(diǎn)的鋼筋 Steel bar with yield point,無(wú)明顯屈服點(diǎn)的鋼筋 Steel bar without yield point,有明顯屈服點(diǎn)鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系 一般可采用雙線性的理想彈塑性關(guān)系,屈服強(qiáng)度（yieldstrength）：是鋼筋強(qiáng)度的設(shè)

6、計(jì)依據(jù)，因?yàn)殇摻钋髮⒑艽蟮乃苄宰冃危倚遁d時(shí)這部分變形不可恢復(fù)，這會(huì)使鋼筋混凝土構(gòu)件產(chǎn)生很大的變形和不可閉合的裂縫。屈服上限與加載速度有關(guān)，不太穩(wěn)定，一般取屈服下限作為屈服強(qiáng)度。,屈強(qiáng)比反映鋼筋的強(qiáng)度儲(chǔ)備，fy/fu=0.60.7。,塑性好 用伸長(zhǎng)率和冷彎性能衡量。,伸長(zhǎng)率,同一根鋼筋 延伸率大的鋼筋，在拉斷前有足夠預(yù)兆，延性較好。 上述伸長(zhǎng)率只反映斷口附近殘留變形大小，不反映鋼筋總伸長(zhǎng)率情況。,:,:,:,elongationrate：鋼筋拉斷時(shí)的應(yīng)變，是反映鋼筋塑性性能的指標(biāo)。,均勻伸長(zhǎng)率,=90,180 ,反復(fù) 彎曲要求：冷彎過(guò)程 中無(wú)裂縫、鱗落或斷 裂。 D 愈小，要求愈高。 反復(fù)

7、次數(shù)愈高，要求 愈高。,冷彎,冷彎是檢驗(yàn)鋼筋局部變形能力的指標(biāo)。 鋼筋塑性愈好，構(gòu)件破壞前預(yù)兆愈明顯。,冷彎試驗(yàn)錄象,可加工性好,與混凝土粘結(jié)錨固性好,變形鋼筋比光面鋼筋好,鋼筋的直徑,常用： 6mm，6.5mm，8mm，8.2mm，10mm，12mm， 14mm，16mm，18mm，20mm，22mm，25mm， 28mm，32mm，36mm，40mm，50mm。其中， 8.2mm僅適用有縱肋的熱處理鋼筋。,鋼筋的選用,普通鋼筋：宜用HRB400、HRB500、HRBF400、HRBF500 可用HPB300、HRB335、HRBF335、RRB400 預(yù)應(yīng)力筋：宜用鋼鉸線、鋼絲 可用熱處理

8、鋼筋和強(qiáng)度較高的冷加工鋼筋,d=650mm,細(xì)晶粒熱軋帶肋鋼筋,2.2.1 組成及特點(diǎn),主要材料：水泥、水、砂、石 特點(diǎn): 1）以固相為主，包含固體、液體、氣體的三相體； 2）水化過(guò)程長(zhǎng)，性能要很長(zhǎng)時(shí)間才穩(wěn)定； 3）水泥石收縮可形成微裂縫； 4）受制作、養(yǎng)護(hù)、使用條件影響大。,1.立方體抗壓強(qiáng)度, 試塊: 150mm150mm150mm 立方體；, 條件: 溫度 20 3，相對(duì)濕度 90，養(yǎng)護(hù) 28 天；, 加壓速度：每秒大約 0.3 N/mm2 0.8N/mm2 。,強(qiáng)度等級(jí)：C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、 C75、C80 等

9、十四級(jí) ；,符號(hào) C 表示砼，C 后面的數(shù)字（ 1580 ）表示立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，單位為 N/mm2。,2.2.2 混凝土強(qiáng)度,問(wèn)題：為什么要采用標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)方法？, 試塊: 150mm150mm150mm 立方體；, 條件: 溫度 20 3，相對(duì)濕度 90，養(yǎng)護(hù) 28 天；, 加壓速度：每秒大約 0.3 N/mm2 0.8N/mm2 。,實(shí)驗(yàn)研究表明：混泥土的破壞是內(nèi)部微裂縫逐漸發(fā)展的結(jié)果。,2.軸心抗壓強(qiáng)度（ ）,試件為截面150 mm150 mm、 高300 mm 的棱柱體，經(jīng)28天 齡期，用標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)測(cè)得的抗壓 強(qiáng)度，稱(chēng)軸心抗壓強(qiáng)度。其中 為軸心抗壓強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值； 為軸心抗壓強(qiáng)度的設(shè)計(jì)值

10、。,h/b3，fck趨于穩(wěn)定,“套箍效應(yīng)”,問(wèn)題：,由于棱柱體試件制作與試驗(yàn)都比較麻煩，故 測(cè)定、也較困難。,辦法：,立方體試件 抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值,砼軸心抗壓強(qiáng)度 標(biāo)準(zhǔn)值 和設(shè)計(jì)值,標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法不加潤(rùn)滑劑。,3.軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值,0.88因結(jié)構(gòu)中砼強(qiáng)度與立方體試件砼強(qiáng)度之間有差異，即后者砼之強(qiáng)度要高于 前者砼之強(qiáng)度，故應(yīng)對(duì)立方體試件砼強(qiáng)度 進(jìn)行修正（降低），其修 正系數(shù)為 0.88；,棱柱體抗壓強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度之比值，對(duì) C50 級(jí)以下取 ，,對(duì)C80 取 ，中間按線性規(guī)律插值；,砼立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。,例如，砼強(qiáng)度等級(jí)為C20，即 N/mm2，則砼軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值,取,考慮結(jié)構(gòu)中的混

11、凝土強(qiáng)度與試塊混凝土強(qiáng)度之間的差異的修正系數(shù),（2）軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,（砼材料分項(xiàng)系數(shù)，砼規(guī)范規(guī)定 ）,例如，砼強(qiáng)度等級(jí)為C20，并算得，則,取,混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（Nmm2）,混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（Nmm2）,(3)混凝土的復(fù)合受力強(qiáng)度,1)混凝土的雙向受力強(qiáng)度,2)混凝土的三向受壓強(qiáng)度,混凝土的強(qiáng)度,4. 軸心抗拉強(qiáng)度 （）,其中的 與 關(guān)系可詳見(jiàn)砼規(guī)范中的條文說(shuō)明。,混凝土的抗壓性能好，抗拉性能差 ！,實(shí)驗(yàn)研究表明：當(dāng)結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)剪應(yīng)力時(shí)，其抗拉，抗壓強(qiáng)度都會(huì)有所降低。,5.非標(biāo)準(zhǔn)試塊強(qiáng)度換算系數(shù)： 200mm200mm200mm:1.05； 100mm100mm100mm:0.95。,立方體

12、抗壓強(qiáng)度（強(qiáng)度等級(jí)）,6.分級(jí)：C15,C20,C25,C30,C35,C40,C45,C50, C55, C60, C65,C70,C75,C80 (高強(qiáng)混凝土），共14個(gè)等級(jí)。 CConcrete,單位：N/mm2或MPa。,軸心抗拉強(qiáng)度,間接測(cè)試法：,F-破壞荷載,d-圓柱體直徑或立方體邊長(zhǎng),l -圓柱體長(zhǎng)度或立方體邊長(zhǎng),直接測(cè)試法,軸心抗拉強(qiáng)度,不涂潤(rùn)滑劑,fc fcu ?,復(fù)雜應(yīng)力下的強(qiáng)度,雙向受力,圖中： ft*、 fc*混凝土單軸抗 拉、抗壓強(qiáng)度； f1 、 f2、 f3混凝土的多軸強(qiáng)度，f1f2f3,此圖說(shuō)明： 壓-壓：強(qiáng)度提高； 拉-拉：強(qiáng)度不變； 拉-壓：抗拉和抗壓強(qiáng)度都低

13、。,2.2.3 混凝土的變形,一次加載時(shí),0.3fc,（二）砼的變形,1.混凝土的受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線,OA段：線性段；A：比例極限,AB段：穩(wěn)定裂縫擴(kuò)展,BC段：裂縫快速發(fā)展，應(yīng)力達(dá)到最高,CD段：下降段，D點(diǎn)時(shí)試件宏觀上已經(jīng)破壞完全破壞， 為極限壓應(yīng)變（峰值應(yīng)變）。我國(guó)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范取均勻受壓0.002，非均勻受壓0.0033.,DEF段：E點(diǎn)以后，主裂縫已經(jīng)很寬，試件承載力極低，承載力主要由破壞了的混凝土內(nèi)部機(jī)械咬合和摩擦力提供。,0.8fc,fc,多次加載：,疲勞強(qiáng)度為（0.5-0.7）fc，通常以材料破壞所需荷載循環(huán)次數(shù)不少于200萬(wàn)次作為疲勞強(qiáng)度,彈性模量,測(cè)定方法：棱柱體試件。

14、 受壓： 受拉：Ec=0.5 Ec 剪切模量：Gc=0.4 Ec 泊松比 = 橫向應(yīng)變/縱向 應(yīng)變=0.2,徐變 Creep,定義：在荷載保持不變的情況下，變形隨時(shí)間推移 繼續(xù)增大的現(xiàn)象。 特點(diǎn)：早期發(fā)展快，但可以延續(xù)數(shù)年。,產(chǎn)生徐變的原因,尚未轉(zhuǎn)化為結(jié)晶體的水泥膠凝體粘性流動(dòng)的結(jié)果。,混凝土內(nèi)部的微裂縫在荷載長(zhǎng)期作用下持續(xù)延伸和擴(kuò)展的結(jié)果。,徐變對(duì)結(jié)構(gòu)的影響： 1.使構(gòu)件變形增大； 2.在軸壓構(gòu)件中，使鋼筋應(yīng)力增加，混凝土應(yīng)力減??； 3.在預(yù)應(yīng)力構(gòu)件中，使預(yù)應(yīng)力發(fā)生損失； 4.在超靜定結(jié)構(gòu)中，使內(nèi)力發(fā)生重分布。,收縮 Shrinkage,定義：混凝土在空氣中結(jié)硬時(shí)體積減小的現(xiàn)象。 收縮率：3

15、10-4。收縮=凝縮+干縮 特點(diǎn)：早期快，可延續(xù)12年。,（1）水泥強(qiáng)度等級(jí)越高，所配制的砼收縮也越大；,（5）構(gòu)件的體積與表面積的比值越大，收縮越小。,（2）水泥越多砼收縮越大，水灰比大砼收縮也大；骨料的量大，收縮??；,（3）在結(jié)硬過(guò)程中周?chē)鷾貪穸仍酱?，收縮越?。?（4）砼振搗越密實(shí)，收縮越?。?混凝土收縮的影響因素：,收縮對(duì)結(jié)構(gòu)的影響：當(dāng)收縮受到約束時(shí)，引起構(gòu)件開(kāi)裂。,減少收縮的措施： 限制水泥用量；減小水灰比；加強(qiáng)振搗和養(yǎng)護(hù)； 構(gòu)造鋼筋數(shù)量加強(qiáng)；設(shè)置變形縫；摻膨脹劑。,2.2.4 混凝土的選用原則,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中 混凝土強(qiáng)度等級(jí)不應(yīng)低于C20。 用強(qiáng)度等級(jí)400MP及以上鋼筋時(shí)，不宜低

16、于C25。,預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中 混凝土強(qiáng)度等級(jí)不應(yīng)低于C30，不宜低于C40。,承受重復(fù)荷載的鋼筋混凝土構(gòu)件 混凝土強(qiáng)度等級(jí)不應(yīng)低于C30。,粘結(jié)和錨固是鋼筋和混凝土形成整體、共同工作的基礎(chǔ),鋼筋與混凝土之間粘結(jié)應(yīng)力示意圖 （a）錨固粘結(jié)應(yīng)力 （b）裂縫間的局部粘結(jié)應(yīng)力,光圓鋼筋與變形鋼筋具有不同的粘結(jié)機(jī)理，其粘結(jié)作用主要由以下幾部分組成： （）鋼筋與混凝土接觸面上的化學(xué)吸附作用力（膠結(jié)力）。一般很小，僅在受力階段的局部無(wú)滑移區(qū)域起作用，當(dāng)接觸面發(fā)生相對(duì)滑移時(shí)，該力即消失。 （）混凝土收縮握裹鋼筋而產(chǎn)生的摩阻力。 （）鋼筋表面凹凸不平與混凝土之間產(chǎn)生的機(jī)械咬合作用力（咬合力）。對(duì)于光圓鋼筋，這種咬合力來(lái)自于表面的粗糙不平。 （4）鋼筋端部在混凝土內(nèi)的錨固作用。,粘結(jié)強(qiáng)度,普通鋼筋錨固長(zhǎng)度 按下列公式計(jì)算：,影響粘結(jié)強(qiáng)度的因素： .鋼筋的粘結(jié)強(qiáng)度都隨混凝土強(qiáng)度的提高而提高，但不與立方體強(qiáng)度成正比。 .保護(hù)層厚度和鋼筋間的凈距對(duì)粘結(jié)