第一章混凝土的力学性能及钢筋的连接

第一章建筑结构材料1.理解混凝土结构的耐久性规定；2.掌握混凝土的各项力学指标及变形性能。教学目标：1.2.1混凝土的强度1.混凝土的立方抗压强度fcu及强度等级。（1）混凝土的立方抗压强度确定方法：用边长为150mm的标准立方体试件，在标准养护条件下（温度20±3℃，相对湿度不小于90%）养护28天后，按照标准试验方法（试件的承压面不涂润滑剂，加荷速度约每秒0.15～0.3N/mm2）测得的具有95%保证率的抗压强度，作为混凝土的立方抗压强度标准值，用符号fcu,k表示。§1.2混凝土（2）混凝土的强度等级根据立方体抗压强度标准值fcu,k的大小，混凝土强度等级分C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75、C80共14级。其中，C60~C80属高强混凝土。（3）结构混凝土强度等级的要求钢筋混凝土结构的混凝土强度等级不应低于Ｃ15；当采用HRB335级钢筋时，混凝土强度等级不宜低于Ｃ20；当采用HRB400和RRB400级钢筋以及承受重复荷载的构件，混凝土强度等级不得低于Ｃ20。预应力混凝土结构的混凝土强度等级不应低于Ｃ30；当采用钢丝、钢绞线、热处理钢筋作为预应力钢筋时，混凝土强度等级不宜低于Ｃ40。2.混凝土的轴心抗压强度fc砼轴心抗压试验我国采用150×150×300mm棱柱体试件测得的强度作为混凝土的轴心抗压强度。混凝土的轴心抗压强度标准值按下式计算：用相同混凝土制作截面尺寸相同但高度不同的试块测定混凝土的抗压强度,实验表明试块的高宽比越大所测得的抗压强度越低.但高宽比超过3以后抗压强度的降低幅度就不大了.因为混凝土的破坏是与内部微裂缝发展密切相关的,只要能对混凝土的横向变形给以约束,使其内部微裂缝不能自由发展,就会在一定程度上提高混凝土的抗压强度.用不同的高宽比试块所做的各组试验中试块的自然表面都是与压力机上下两块承压钢板直接接触.承压钢板通过界面上的摩擦力对混凝土试块横向变形形成约束.离开承压钢板越远试块混凝土所受约束就越小.在立方体试块中由于试块高度较小,这种水平约束影响可一直达到试块高度的中部.正是由于这种水平约束的存在使立方体试块混凝土的强度有所提高.当试块高宽比增大后,上下两个端面上摩擦力约束影响已达不到试块高度的中部,使中部混凝土处在横向自由变形状态,而且高宽比越大中部横向自由变形区域也就越大,因此测得的强度就将逐步有所降低.kcu,21kc,88.0ff（2.2.1）式中—棱柱强度与立方强度之比，对C50及以下取=0.76，对C80取=0.82，中间按线形规律变化；111—考虑C40以上混凝土脆性的折减系数，对C40取=1.0，对C80取=0.87，中间按线形规律变化。2223.轴心抗拉强度ft砼抗拉试验混凝土的抗拉强度可采用尺寸为100×100×500mm的柱体试件进行直接轴心受拉试验，但其准确性较差。故国内为多采用圆柱体或立方体的劈裂试验来间接测定。混凝土轴心抗拉强度标准值按下式计算：245.00.55kcu,kt,)645.11(395.088.0ff50015015010016轴心受拉试验（4）混凝土强度指标混凝土强度也有标准值和设计值之分，混凝土强度的标准值具有95%的保证率，若将其除以材料分项系数γc（γc=1.4），即得混凝土强度设计值，混凝土强度标准值按下表采用。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表31.3.2混凝土的变形混凝土的变形可分为两类：一类是受力引起的变形；另一类是收缩和温度变化引起的变形。（1）混凝土的受力变形①混凝土单向受压时的应力—应变曲线混凝土单轴受力时的应力-应变关系反映了混凝土受力全过程的重要力学特征,是分析混凝土构件应力、建立承载力和变形计算理论的必要依据，也是利用计算机进行非线性分析的基础。试验表明混凝土完整的应力应变曲线包括两部分：上升阶段和下降阶段。图：1-9强度等级越高，线弹性段越长，峰值应变也有所增大。但高强混凝土中，砂浆与骨料的粘结很强，密实性好，微裂缝很少，最后的破坏往往是骨料破坏，破坏时脆性越显著，下降段越陡。峰值应力fc所对应的应变ε0约为0.002左右，应力小于0.3fc时混凝土处于弹性阶段，混凝土内部几乎没有裂缝，0.3～0.8fc之间，混凝土内部裂缝发展，但能保持稳定，大于0.8fc混凝土内部裂缝发展很快，塑性变形显著增大，体积应变逐渐由压缩转为扩张。ε0图1-10不同强度混凝土的应力-应变关系曲线00.0020.0040.0060.0080.01204060s(MPa)eC20C40C60C80fc0.3fc不涂润滑剂涂润滑剂≈图：1-11混凝土破坏机理fcfcu?◆《规范》应力-应变关系上升段：])1(1[0ncccfees0ee下降段：ccfscueee05,5,010)50(0033.010)50(5.0002.0)50(6012eekcucukcucufffn《规范》混凝土应力-应变曲线参数fcu≤C50C60C70C80n21.831.671.5e00.0020.002050.00210.00215eu0.00330.00320.00310.00300.0010.0020.0030.00410203040506070C80C60C40C20se图：1-12混凝土强度等级C15C20C25C30C35C40C45EC2.202.552.803.003.153.253.35混凝土强度等级C50C55C60C65C70C75C80EC3.453.553.603.653.703.753.80表：混凝土弹性模量（×10-4N/mm2）③混凝土的徐变混凝土在荷载的长期作用下，其变形随时间而不断增长的现象称为徐变。徐变会使结构（构件）的（挠度）变形增大，引起预应力损失，在长期高应力作用下，甚至会导致破坏。不过，徐变有利于结构构件产生内（应）力重分布，降低结构的受力（如支座不均匀沉降），减小大体积混凝土内的温度应力，受拉徐变可延缓收缩裂缝的出现。与混凝土的收缩一样，徐变与时间有关。因此，在测定混凝土的徐变时，应同批浇筑同样尺寸不受荷的试件，在同样环境下同时量测混凝土的收缩变形，从徐变试件的变形中扣除对比的收缩试件的变形，才可得到徐变变形。在应力（≤0.5fc）作用瞬间，首先产生瞬时弹性应变，随荷载作用时间的延续，变形不断增长，前4个月徐变增长较快，6个月可达最终徐变的（70~80）%，以后增长逐渐缓慢，2~3年后趋于稳定。t加荷瞬时应变徐变应变残余应变ε卸荷瞬时恢复应变卸荷后弹性后效图：1-15◆影响徐变得因素内在因素是混凝土的组成和配比。骨料的刚度（弹性模量）越大，体积比越大，徐变就越小。水灰比越小，徐变也越小。环境影响包括养护和使用条件。受荷前养护的温湿度越高，水泥水化作用越充分，徐变就越小。采用蒸汽养护可使徐变减少（20~35）%。受荷后构件所处的环境温度越高，相对湿度越小，徐变就越大。（2）混凝土的收缩变形混凝土在水中硬化时体积会膨胀，但其值较小，对混凝土影响不大。混凝土在空气中硬化时体积会缩小，这种现象称为混凝土的收缩。收缩是混凝土在不受外力情况下体积变化产生的变形。当这种自发的变形受到外部（支座）或内部（钢筋）的约束时，将使混凝土中产生拉应力，甚至引起混凝土的开裂。混凝土收缩会使预应力混凝土构件产生预应力损失。某些对跨度比较敏感的超静定结构（如拱结构），收缩也会引起不利的内力。◆影响因素混凝土的收缩受结构周围的温度、湿度、构件断面形状及尺寸、配合比、骨料性质、水泥性质、混凝土浇筑质量及养护条件等许多因素有关。水泥用量多、水灰比越大，收缩越大。骨料弹性模量高、级配好，收缩就小。干燥失水及高温环境，收缩大。小尺寸构件收缩大，大尺寸构件收缩小。高强混凝土收缩大。影响收缩的因素多且复杂，要精确计算尚有一定的困难。在实际工程中，要采取一定措施减小收缩应力的不利影响——施工缝。1.2.4混凝土结构的耐久性规定耐久性对混凝土质量的主要要求如下：1.设计使用年限为50年的一般结构混凝土对于设计使用年限为50年的一般结构，混凝土质量应符合规范的规定。2.设计使用年限为100年的结构混凝土：（1）结构混凝土强度等级不应低于C30；预应力混凝土结构的最低强度等级为C40。（2）混凝土中氯离子含量不得超过水泥重量的0.06%。（3）宜使用非碱活性骨料；当使用碱活性骨料时，混凝土中的碱含量不得超过3.0kg/m3。（4）混凝土保护层厚度应按相应的规定增加40%；当采取有效的表面防护措施时，厚度可适当减少。（5）在使用过程中应有定期维护措施。对于设计寿命为100年且处于二类和三类环境中的混凝土结构应采取专门有效的措施。3.临时性结构混凝土对临时性混凝土结构，可不考虑耐久性要求。有关标准的要求：三类环境中的结构构件，其受力钢筋宜采用环氧涂层带肋钢筋；对预应力锚具及连接器应有专门防护措施。四类和五类环境中的混凝土结构，其耐久性要求应符合有关标准的规定。小结：1.混凝土的强度等级；2.收缩与徐变的概念；3.混凝土结构的耐久性规定。