第二章--混凝土结构材料的物理力学性能

第2章混凝土结构材料的物理力学性能钢筋混凝土两者间的粘结强度变形粘结破坏的过程和机理2.1混凝土的物理力学性能2.1.1混凝土的组成2.1.2单轴应力状态下混凝土的强度2.1.3复合应力状态下混凝土的强度2.1.4混凝土的变形2.1.1混凝土的组成混凝土的组份：骨料水泥结晶体水泥凝胶体弹性变形的基础塑性变形的基础混凝土的强度及变形随时间、随环境的变化而变化。水泥、石、砂、水按一定的配合比制成不同等级的砼。2.1.2单轴向应力状态下的混凝土强度1.混凝土的抗压强度（1）混凝土的立方体抗压强度和强度等级kcuf,承压板试块试件在温度为200C±30C，相对湿度90%以上的标准条件下养护28天加载速度为：混凝土强等级低于C30时，控制在0.3MPa／S～0.5MPa／S；混凝土强等级等于或高于C30时，控制在0.5MPa／S～0.8MPa／S。立方体抗压强度fcu承压板试块摩擦力不涂润滑剂涂润滑剂强度大于我国规范的方法：不涂润滑剂•压力试件裂缝发展扩张整个体系解体，丧失承载力•另影响强度的因素还有：龄期、加载速率、试块尺寸等cuf/MPa立方体强度随龄期的变化关系标准试块：150×150×150非标准试块：100×100×100换算系数0.95200×200×200换算系数1.05立方体抗压强度fcu•立方体抗压强度是区分混凝土强度等级的指标，我国规范混凝土的强度等级有：•C15，C20，C25，C30，C35，C40，C45，C50，C55，C60，C65，C70，C75，C80表示混凝土Concrete立方体抗压强度强度指标的确定强度随机变量强度标准值根据统计资料，运用数理统计方法确定的具有一定保证率（95%）的统计特征值：强度标准值=强度平均值-1.645×均方差概率密度材料强度强度平均值强度标准值（2）混凝土的轴心抗压强度承压板试块标准试块：150×150×300非标准试块：100×100×300换算系数0.95200×200×400换算系数1.05cfff00ccu=0.76ff00ccu=0.82f0c/MPaf0cu/MPa混凝土轴心抗压强度与立方体抗压强度的关系试验结果：00ccuff  =0.70～0.92/《规范》平均值的换算关系：1,,ccmcumffC50及以下取αc1＝0．76C80取αc1＝0．82C50～C80之间按线性规律变化取值《规范》考虑到:1.实际结构中混凝土的制备、构件尺寸、混凝土成型和养护方法、加荷方式及受力情况与棱柱体试件之间存在的差异,取修正系数取为0．882.考虑高强混凝土脆性，脆性折减系数C40及以下取＝1．0C80取＝0．87C40～C80之间按线性规律变化取值2c2c2ckcuccckff,2188.0•对国外（美国、日本、欧洲混凝土协会等）采用的圆柱体试件（d=150,h=300），有fc’=0.79fcu圆柱体抗压强度2.混凝土的抗拉强度(1)轴心抗拉强度50015015010016轴心受拉试验也是混凝土的基本力学性能，用符号ft表示。混凝土构件开裂、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。0102030405060708090100123456ftfcuGBJ10-89规范轴心受拉强度与立方体强度间的换算关系55.0395.0cutff3/226.0cutff轴心抗拉与立方抗压强度的关系A.修正系数取为0．88B.高强混凝土脆性折减系数αc220.55,,0.880.395ctmcumff20.55,0.348ccumf平均值之间的换算关系：《规范》考虑到：拉压压劈拉试验aPP22aPftt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。ldPftt2混凝土强度劈拉强度与立方体抗压强度的换算关系:34tp,mcu,m0.19ff2.1.3复合应力状态下混凝土的强度双轴应力下的强度双向正应力下的强度曲线1020ττσσcτfcσf法向应力和剪应力组合下的强度三向受压时的混凝土强度1=fcc’1=fcc’2=3=fLfL----侧向约束压应力（加液压）圆柱体试验Lcccfff1.4''有侧向约束时的抗压强度无侧向约束时圆柱体的单轴抗压强度2.1.4混凝土的变形1.一次短期加载下混凝土的变形性能(1)混凝土受压时的应力---应变关系（Stress-strainRelationship）混凝土单轴受压应力-应变关系曲线，常采用棱柱体试件来测定。在普通试验机上采用等应力速度加载，达到轴心抗压强度fc时，试验机中集聚的弹性应变能大于试件所能吸收的应变能，会导致试件产生突然脆性破坏，只能测得应力-应变曲线的上升段。采用等应变速度加载，或在试件旁附设高弹性元件与试件一同受压，以吸收试验机内集聚的应变能，可以测得应力-应变曲线的下降段。作用是：峰值应力后，吸收试验机的变形能，测出下降段混凝土的破坏机理由上述混凝土的破坏机理可知，微裂缝的发展导致横向变形的增大。对横向变形加以约束，就可以限制微裂缝的发展，从而可提高混凝土的抗压强度。约束混凝土可以提高混凝土的强度，但更值得注意的是可以提高混凝土的变形能力，这一点对于抗震结构非常重要。(MPa)fco0(10-3)abcd225201510546810混凝土强度提高加载速度减慢不同强度等级的应力—应变曲线加载速率的影响若采用无量纲坐标x=/0，y=/fc，则混凝土应力-应变全曲线的几何特征必须满足:(2)混凝土受压时的应力---应变关系数学模型单轴受压时的应力-应变关系的数学模型u=0.00380=0.002ocfcc0.15fc2011cccf0015.01ucccfu=0.00350=0.002ocfcc2011cccf美国Hognestad模型德国Rüsch模型单轴受压时的应力-应变关系的数学模型----中国规范u0ocfccncccf01122),50(6012nnfncu时，取当5010505.0002.0cuf510500033.0cuuf(3)三向受压状态下混凝土的变形特点试件纵向受压时，混凝土的横向膨胀受到约束，使核心混凝土处于三向受压状态，内部微裂缝的发展受到抑制，从而提高了试件的纵向强度和延性，特别是延性大为提高。混凝土圆柱体三向受压时轴向应力—应变曲线00.010.020.030.040.050.061020304050σccεa/MP30mm45mm60mm90mm120mmPP螺旋箍方形箍非约束区螺旋箍筋约束混凝土的应力—应变曲线(4)混凝土的变形模量0.5fc5~10次弹性模量的测定方法c,ukf/MPa5  c+cu,k10E2.234.7f试验结果弹性模量与立方体强度的关系(5)混凝土受拉时的应力——应变关系ctctcttEfEfEf25.00TheTensionConstitutiveRelationshipofConcrete270~500tuftt0弹性系数约为0.5tu不同强度混凝土应力－应变关系的比较强度等级越高，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。t0elelshcrel?el??cr?t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。2.荷载长期作用下混凝土的变形性能——徐变瞬时恢复弹性后效残余应变收缩应变徐变应变瞬时应变徐变会使结构（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。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，徐变也与时间有关。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。徐变系数（CreepCoefficient）cecrtttt),(),(00徐变与混凝土持续应力大小有密切关系，应力越大徐变也越大；混凝土加载龄期越长，徐变越小；水泥含量越大，徐变越大；骨料弹性模量高、级配好，徐变就小；干燥失水及高温环境，徐变大；高强混凝土徐变小。混凝土徐变的影响因素产生徐变的主要原因是水泥凝胶体和内部微裂缝的扩展线性徐变破坏重复荷载下的应力-应变曲线fcf321疲劳强度fc•fcf的确定原则：100×100×300或150×150×450的棱柱体试块承受200万次（或以上）循环荷载时发生破坏的最大压应力值3.混凝土在荷载重复作用下的变形——疲劳混凝土的收缩是随时间而增长的变形，早期收缩变形发展较快，两周可完成全部收缩的25%，一个月可完成50%，以后变形发展逐渐减慢，整个收缩过程可延续两年以上。通常，最终收缩应变值约为(2~5)×10-4，而混凝土开裂应变为(0.5~2.7)×10-4，说明收缩会导致开裂。t/-410ε常温养护蒸汽养护4.混凝土的收缩与膨胀混凝土收缩包括凝缩和干缩两部分，凝缩是由于水泥结晶体比原材料的体积小；干缩是混凝土内自由水分蒸发引起的。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。混凝土收缩的影响因素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。2.2钢筋的物理力学性能2.2.1钢筋的种类2.2.2钢筋的强度与变形2.2.3钢筋应力—应变关系数学模型2.2.4钢筋的疲劳2.2.5混凝土结构对钢筋性能的要求2.2.1钢筋的种类1.按化学成分碳素钢（铁、碳、硅、锰、硫、磷等元素）低碳钢（含碳量0.25%）中碳钢（含碳量0.25~0.6%）高碳钢（含碳量0.6~1.4%）普通低合金钢（另加硅、锰、钛、钒、铬等）锰系硅钒系硅钛系硅锰系硅铬系钢筋热轧钢筋：热轧光面钢筋HPB235，热轧带肋钢筋HRB335、HRB400，余热处理钢筋RRB400冷拉钢筋：由热轧钢筋在常温下用机械拉伸而成热处理钢筋：将HRB400、RRB400钢筋通过加热、淬火、回火而成2.按加工钢丝碳素钢丝：高碳镇静钢通过多次冷拔、应力消除、矫正、回火处理而成刻痕钢丝：在钢丝表面刻痕，以增强其与混凝土间的粘结力钢绞线：若干根相同直径的钢丝成螺旋状铰绕在一起冷拔低碳钢丝：由低碳钢冷拔而成3.按表面形状光圆钢筋变形钢筋4.钢筋的应用范围非预应力钢筋：HPB235，HRB335，HRB400，RRB400预应力钢筋：碳素钢丝，刻痕钢丝，钢绞线，热处理钢筋，冷拉钢筋5.热轧钢筋的符号说明HPB235生产工艺：hotrolled表面形状：plain钢筋：bar屈服强度种类符号fyf'y热轧钢筋HPB235(Q235)210210HRB335(20MnSi)300300HRB400(20MnSiV、20MnSiNb、20MnTi)360360RRB400(K20MnSi)R360360S钢绞线S——StrandP光面钢丝P——PlainI刻痕钢丝I——Ind