02_钢筋混凝土材料的物理和力学性能.

第二章钢筋混凝土材料的物理和力学性能第二章钢筋混凝土材料的物理和力学性能2.1混凝土2.2钢筋2.3钢筋和混凝土的粘结2.4钢筋的锚固和连接2.1.1、混凝土的强度1、混凝土强度等级（StrengthGrade）抗拉强度低,不稳定抗压强度高,较稳定混凝土结构中，主要是利用它的抗压强度(CompressiveStrength)答:抗压强度是混凝土力学性能中最基本的指标混凝土的强度等级是用抗压强度来划分的问:什么是混凝土力学性能中最基本的指标?第二章钢筋混凝土材料的物理和力学性能2.1混凝土2.1.1、混凝土的强度1、混凝土强度等级（StrengthGrade）问:如何确定混凝土的强度等级?普通混凝土力学性能试验方法标准(GB/T50081-2002)(1)试件尺寸:边长150mm立方体标准试件(2)养护方法:在标准条件下(20±3℃，≥90%湿度),养护28天(3)试验方法:用标准试验方法（加载速度0.15~0.3N/mm2/sec，两端不涂润滑剂）(4)保证率:测得的具有95%保证率的立方体抗压强度第二章钢筋混凝土材料的物理和力学性能2.1混凝土2.1.1、混凝土的强度1、混凝土强度等级（StrengthGrade）问:如何确定混凝土的强度等级?混凝土强度等级用立方体抗压强度(CubeStrength)符号C表示C30：fcu,k=30N/mm2第二章钢筋混凝土材料的物理和力学性能2.1混凝土《规范》根据强度范围，从C15~C80共划分为14个强度等级，级差为5N/mm2。C15C20C25C30C35C40C45C50C55C60C65C70C75C80C50以上为高强混凝土淘汰C7.5,C10,增加C65~C80但C10可作为基础垫层第二章钢筋混凝土材料的物理和力学性能2.1混凝土2.1.1、混凝土的强度1、混凝土立方体强度(1)试件尺寸:中国、前苏联国家采用立方体试件标准试件:边长150mm立方体非标准试件:边长100mm立方体边长200mm立方体第二章钢筋混凝土材料的物理和力学性能2.1混凝土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0.9尺寸小，强度高第二章钢筋混凝土材料的物理和力学性能2.1混凝土200mm立方体强度与标准立方体强度之间的换算关系修正系数=1.05尺寸小，强度高尺寸大，强度低200150cucuff尺寸效应?SizeAffection第二章钢筋混凝土材料的物理和力学性能2.1混凝土尺寸效应(SizeAffection)♣混凝土的复杂性-----理论解释？Weibull(1939)：统计尺寸效应Bazant(1984)：能量释放的尺寸效应三段论解释a.混凝土的破坏起源于其内部的最不利缺陷b.试件尺寸越大，内部缺陷越多c.尺寸越大,破坏的可能性越大♣请大家思考：对工程的影响？第二章钢筋混凝土材料的物理和力学性能2.1混凝土与国际接轨？便于学术交流(1)试件尺寸:美国、日本、加拿大、欧洲国家采用圆柱体试件标准试件:直径150mm，高300mm圆柱体非标准试件:直径100mm，高200mm圆柱体直径200mm，高400mm圆柱体第二章钢筋混凝土材料的物理和力学性能2.1混凝土圆柱体抗压强度的符号记为fc'圆柱体强度与我国标准立方体抗压强度的换算关系为:cucff)81.0~79.0(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）第二章钢筋混凝土材料的物理和力学性能2.1混凝土轴心抗压强度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。hb试验表明，棱柱体试件的抗压强度与试件的高宽比有关。当高宽比h/b=1~2时，混凝土强度降低很快。h/b=2~4时，其抗压强度变化不大。因此，国家标准《普通混凝土力学性能试验方法》GBJ81-85规定，混凝土轴心抗压强度试验以150mm×150mm×300mm的试件为标准试件。第二章钢筋混凝土材料的物理和力学性能2.1混凝土2、轴心抗压强度对于同一混凝土，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，o21o88.0cucff《规范》规定：小于C50级的混凝土取a1=0.76C80级混凝土取a1=0.82，其间按线性插值。对a2，小于C40级的混凝土取a2=1C80级混凝土取a2=0.87，其间按线性插值。第二章钢筋混凝土材料的物理和力学性能2.1混凝土3、轴心抗拉强度（AxialTensileStrength）也是基本力学性能，用符号ft表示。混凝土构件的开裂、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轴心受拉试验第二章钢筋混凝土材料的物理和力学性能2.1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)dl/637.0dl2toNNf第二章钢筋混凝土材料的物理和力学性能2.1混凝土第二章钢筋混凝土材料的物理和力学性能2.1混凝土4、复合应力状态下的混凝土强度◆双轴应力状态（BiaxialStressState）实际结构中，混凝土很少处于单向受力状态。更多的是处于双向或三向受力状态。如剪力和扭矩作用下的构件、弯剪扭和压弯剪扭构件、混凝土拱坝、核电站安全壳等。第二章钢筋混凝土材料的物理和力学性能2.1混凝土◆双轴应力状态BiaxialStressState实际结构中，混凝土很少处于单向受力状态。更多的是处于双向或三向受力状态。如剪力和扭矩作用下的构件、弯剪扭和压弯剪扭构件、混凝土拱坝、核电站安全壳等。双向受压强度大于单向受压强度，最大受压强度发生在两个压应力之比为0.3~0.6之间，约为(1.25~1.60)fc。双轴受压状态下混凝土的应力-应变关系与单轴受压曲线相似，但峰值应变均超过单轴受压时的峰值应变。4、复合应力状态下的混凝土强度第二章钢筋混凝土材料的物理和力学性能2.1混凝土在一轴受压一轴受拉状态下(第二、四象限)，任意应力比情况下均不超过其相应单轴强度。并且抗压强度或抗拉强度均随另一方向拉应力或压应力的增加而减小。◆双轴应力状态BiaxialStressState实际结构中，混凝土很少处于单向受力状态。更多的是处于双向或三向受力状态。如剪力和扭矩作用下的构件、弯剪扭和压弯剪扭构件、混凝土拱坝、核电站安全壳等。4、复合应力状态下的混凝土强度第二章钢筋混凝土材料的物理和力学性能2.1混凝土◆双轴应力状态BiaxialStressState实际结构中，混凝土很少处于单向受力状态。更多的是处于双向或三向受力状态。如剪力和扭矩作用下的构件、弯剪扭和压弯剪扭构件、混凝土拱坝、核电站安全壳等。在双轴受拉状态下（第一象限），则不论应力比多大，抗拉强度均与单轴抗拉强度接近。4、复合应力状态下的混凝土强度第二章钢筋混凝土材料的物理和力学性能2.1混凝土构件受剪或受扭时常遇到剪应力t和正应力s共同作用下的复合受力情况。混凝土的抗剪强度：随拉应力增大而减小随压应力增大而增大当压应力在0.6fc左右时，抗剪强度达到最大，压应力继续增大，则由于内裂缝发展明显，抗剪强度将随压应力的增大而减小。第二章钢筋混凝土材料的物理和力学性能2.1混凝土5、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如何确定轴压和轴拉强度标准值？《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。第二章钢筋混凝土材料的物理和力学性能2.1混凝土表2-4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弹性模量（×104）Ec2.202.552.803.003.15混凝土强度等级C40C45C50C55C60C65C70C75C8026.829.632.435.538.541.544.547.450.22.402.512.652.742.852.933.003.053.103.253.353.453.553.603.653.703.753.80第二章钢筋混凝土材料的物理和力学性能2.1混凝土2.1.2混凝土的变形收缩和温度变化产生变形受力产生变形混凝土变形1、混凝土在一次短期加荷时的变形性能2、混凝土在长期荷载作用下的变形性能3、混凝土在重复荷载作用下的变形性能第二章钢筋混凝土材料的物理和力学性能2.1混凝土典型的混凝土应力—应变曲线包括上升段和下降段两部分(如左图)。在上升段，当应力较小时，—般在(0.3~0.4)以下时，混凝土可视为线弹性体，超过(0.3~0.4)时,应力—应变曲线逐渐弯曲，为弹性应变，为塑性应变)。当应力达到峰值点C后，曲线开始下降。在下降段，曲线渐趋平缓，并合一个反弯点(D点)。(1)混凝土的应力—应变曲线ocfocfcecp混凝土应力—应变曲线第二章钢筋混凝土材料的物理和力学性能2.1混凝土如图所示，对于上升段，混凝土强度的影响较小，与应力峰值点相应的应变大致为0.002，随着混凝土强度增大，则应力峰值点处的应变也稍大些。对于下降段，混凝土强度有较大的影响，混凝土强度愈高，应力下降愈剧烈，延性也就愈差。影响混凝土应力—应变曲线的因素很多，诸如混凝土的强度、组成材料的性质、配合比、龄期、试验方法以及箍筋约束等。试验表明，混凝土强度对其应力—应变曲线有一定的影响。不同强度混凝土的受压应力—应变曲线第二章钢筋混凝土材料的物理和力学性能2.1混凝土加荷速度也影响着混凝土应力—应变曲线的形状。如图所示，为相同强度的混凝土在不同应变速度下的应力—应变曲线。由图中可见，应变速度愈大，下降段愈陡，反之，下降段要平绥些。不同应变速度下的混凝土应力—应变曲线第二章钢筋混凝土材料的物理和力学性能2.1混凝土在一次短期加压时，混凝土除了在纵向产生压缩应变外，还将在横向产生膨胀应变，横向应变与纵向应变的比值，称为横向变形系数，又称为泊松比。在不同应力下，横向变形系数的变化如图所示。当混凝土应力小于0.5时，横向变形系数基本上保持为常数(《规范》中取=0.2)。当混凝土压应力超过0.5时，横向变形系数逐渐增大，应力愈大，增大的速度愈快。(2)混凝土受压时纵向应变与横向应变的关系cocfocfc混凝土横向变形系数与应力的关系第二章钢筋混凝土材料的物理和力学性能2.1混凝土混凝土体积应变与应力的关系如图所示。当混凝土压应力较小时，体积随压应力增大而减小。然后，随压应力增大，体积又重新增大，最后，竞超过了原来的体积。混凝土体积应变与应力的关系v第二章钢筋混凝土材料的物理和力学性能2.1混凝土sEc=tan原点弹性模量cecscEsEc?=tan?变形模量sEc=tan切线模量sddEcccs/c'cE（3）混凝土的弹性模量、变形模量和剪变模量三种表示方法：第二章钢筋混凝土材料的物理和力学性能2.1混凝土cceccccEEsscec'/又式中—弹性特征系数，即。弹性特征系数与应力值有关。当时，=0.8~0.9；当时，=0.4~0.8。一般情况下，混凝土强度越高，值越大。我国《规范》规定的弹性模量按下述方法确定的：在试验的棱柱体上先加荷至0.5，然后卸荷至零，再重复加荷、卸荷5次，并按应力为0.5时的变形值计算其弹性模量。由于混凝土不是弹性材料，每次卸荷至应力为零时，变形不能全部恢复，