混凝土第2章

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12.1混凝土的物理力学性能单轴应力状态下混凝土的强度复合应力状态下混凝土的强度混凝土的变形混凝土的疲劳2一、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fcu,k和强度等级承压板试块试件尺寸：150mm×150mm×150mm；养护条件与时间：20±3℃，相对湿度90%以上，28天；试验方法：标准试验方法3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压力试件裂缝发展扩张整个体系解体，丧失承载力4未采取减摩措施采取减摩措施后5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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：加载速率、龄期、试块尺寸等加载速度：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。6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fcu7边长150mm立方体试件，在标准条件下（20±3℃，≥90%湿度）养护28天，用标准试验方法（加载速度0.15~0.3N/mm2/sec，两端不涂润滑剂）测得的具有95%保证率的立方体抗压强度。fcu,k=fcu,m(1-1.645)。立方体抗压强度fcu,k概率密度材料强度强度平均值强度标准值8《混凝土结构设计规范》是根据混凝土立方体抗压强度标准值来划分的。从C15~C80共划分为14个强度等级（如C30表示fcu,k=30N/mm2），级差为5N/mm2。混凝土的强度等级C15C20C25C30C35C40C45C50C55C60C65C70C75C80C50及以上为高强混凝土。9（2）混凝土的轴心抗压强度混凝土的抗压强度与试件的形状有关,采用棱柱体比立方体能更好地反映混凝土结构的实际抗压能力。hb棱柱体试件高宽比h/b为2~3以150×150×300mm的棱柱体试件为标准试件也常用150×150×450mm的棱柱体试件10《规范》规定以上述棱柱体试件试验测得的具有95%保证率的抗压强度为混凝土轴心抗压强度标准值，用符号fck表示，下标c表示受压，k表示标准值。混凝土轴心抗压强度与立方体抗压强度的关系承压板试块11考虑到实际结构构件制作、养护和受力情况等方面与试件的差别，实际构件强度与试件强度之间将存在差异，《规范》基于安全取偏低值，轴心抗压强度标准值与立方体抗压强度标准值的关系按下式确定：ck12cu,k0.88ccff为棱柱体抗压强度与立方体抗压强度之比，对混凝土强度等级为C50及以下的取0.76，对C80取0.82，两者之间按直线规律变化取值。1c为高强度混凝土的脆性折减系数，对C40及以下取1.00，对C80取0.87，中间按直线规律变化取值。2c0.88为考虑实际构件与试件混凝土强度之间的差异而取用的折减系数。122.混凝土的抗拉强度(1)轴心抗拉强度50015015010016轴心受拉试验混凝土的基本力学性能，用符号ftk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。13混凝土轴心抗拉强度和立方体抗压强度的关系0.550.45tkcu,k20.880.395(11.645)cff14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。02tFfdl15二、复合应力状态下混凝土的强度1.双向正应力状态双向应力状态下混凝土的破坏包络图双向受压区（图中第三象限），一向的抗压强度随另一向压应力的增大而增大双向受拉区（图中第一象限），一个方向的抗拉强度受另一方向拉应力的影响不明显，其抗拉强度接近于单向抗拉强度。单向受压区（图中第二、四象限），抗压强度随拉应力的增大而降低，同样抗拉强度也随压应力的增大而降低，其抗压或抗拉强度均不超过相应的单轴强度。16法向应力和剪应力组合下的强度2.混凝土在正应力和剪应力共同作用下的强度混凝土的抗剪强度随拉应力的增大而减小；当压应力小于0.6fc′时，抗剪强度随压应力的增大而增大；当压应力大于0.6fc′时，抗剪强度随压应力的增大而减小；由于剪应力的存在，其抗压强度和抗拉强度均低于相应的单轴强度。17混凝土圆柱体三向受压试验时轴向应力-应变曲线3.三向受压时的混凝土强度cccL(4.5~7.0)fff18受力变形荷载长期作用下的变形非受力变形收缩膨胀一次短期加荷的变形温度变化产生的变形三、混凝土的变形多次重复荷载作用下的变形191.一次短期加载下混凝土的变形性能(1)混凝土单轴受压时的应力-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20混凝土的破坏机理混凝土棱柱体受压应力-应变曲线21混凝土棱柱体受压应力-应变曲线222324252627混凝土棱柱体受压应力-应变曲线28上升段OCse关系接近于直线，A点为比例极限。B点的应力可作为混凝土长期受压强度的依据。C点的应力即为混凝土的轴心抗压强度fc，相应的应变称为峰值应变e0,对C50及以下的素混凝土通常取e0=0002。凸曲线变为凹曲线，出现拐点D，收敛点E；超过E点后，试件的贯通主裂缝已经很宽，失去结构意义。AB段----裂缝稳定扩展阶段：OA段---准弹性阶段：混凝土棱柱体受压应力应变曲线BC段----裂缝不稳定扩展阶段：下降段CF：29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。30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。混凝土应力-应变曲线的形状和特征是混凝土内部结构发生变化的力学标志。不同强度等级的应力—应变曲线31若采用无量纲坐标x=e/e0，y=s/fc，则混凝土应力-应变全曲线的几何特征必须满足:(2)混凝土单轴受压应力--应变本构关系曲线32eu=0.0038e0=0.002oscfcec0.15fc2011eescccf0015.01eeeesucccfeu=0.0035e0=0.002oscfcec2011eescccf美国Hognestad模型德国Rüsch模型单向受压应力-应变关系的数学模型33(3)混凝土轴向受拉时的应力-应变关系不同强度的混凝土拉伸应力-应变全曲线34(4)混凝土的变形模量混凝土变形模量的表示方法混凝土的弹性模量（即原点模量）c0tanE混凝土的变形模量（割线模量）1'tancceccccEEEseee混凝土的切线模量''tancE混凝土的切线模量是一个变值，它随着混凝土应力的增大而减小。35se0.5fc5~10次弹性模量的测定方法36试验结果弹性模量与立方体强度的关系372.荷载长期作用下混凝土的变形性能——徐变徐变：结构或材料承受的应力不变，而应变随着时间增长的现象。徐变与时间关系38压应力与徐变的关系不同应力/强度比值的徐变时间曲线3940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；加载时混凝土龄期越早，徐变越大；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。产生徐变的主要原因是水泥凝胶体和内部微裂缝的扩展混凝土徐变的影响因素413.混凝土的收缩与膨胀混凝土在空气中硬化时体积会缩小，在水中体积膨胀，这种现象称为混凝土的收缩和膨胀。蒸汽养护常温养护051015200.10.20.30.4时间(月)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。42收缩的原因硬化初期，水泥石在凝固过程中产生的体积变化（化学性收缩，本身的体积收缩）后期，主要是混凝土内自由水分蒸发而引起的干缩（物理收缩，失水干燥）影响收缩的主要因素混凝土的组成和配比构件的养护条件、使用环境的温度和湿度以及凡是影响混凝土中水分保持的因素构件的体表比：比值越小，收缩越大43构件未受荷之前产生裂缝预应力构件中预应力损失（预应力筋和混凝土一同回缩引起预应力损失超静定结构产生次内力收缩对结构的影响44四、混凝土在荷载重复作用下的变形—疲劳混凝土的疲劳是在荷载重复作用下产生的。疲劳现象大量存在于工程结构中，钢筋混凝土吊车梁、钢筋混凝土桥以及港口海岸的混凝土结构等都要受到吊车荷载、车辆荷载以及波浪冲击等几百万次的作用。混凝土在重复荷载作用下的破坏称为疲劳破坏。混凝土在重复荷载作用下的受压应力-应变曲线45当加荷应力s1fcf时，其一次加荷卸荷se曲线形成一个环状，经过多次重复后，环状曲线逐渐密合成一直线。当s3fcf时，开始时混凝土的se曲线凸向应力轴，在重复加荷载过程中逐渐变化为凸向应变轴，不能形成封闭环；随着荷载重复次数的增加，se曲线的斜率不断降低，最后混凝土试件因严重开裂或变形太大而破坏，这种因荷载重复作用而引起的混凝土破坏称为混凝土的疲劳破坏。疲劳破坏4647疲劳试验采用100mm×100mm×300mm(150mm×150mm×450mm)的棱柱体，把棱柱体试件承受200万次或其以上循环荷载而发生破坏的压应力值称为混凝土的疲劳抗压强度fcf。影响因素与重复作用时应力变化的幅度有关。在相同的重复次数下，疲劳强度随着疲劳应力比值的减小而增大。疲劳强度,min,maxfcfcfcss48GB50010-2010规范规定492.2钢筋的物理力学性能钢筋的种类钢筋的强度与变形钢筋本构关系钢筋的疲劳混凝土结构对钢筋性能的要求50一、钢筋的种类1.柔性钢筋线形的普通钢筋统称为柔性钢筋，其外形有光圆和带肋两类。2.劲性钢筋劲性钢筋是指配置在混凝土中的各种型钢、钢轨或者用钢板焊成的钢骨架。劲性钢筋本身刚度很大，施工时模板及混凝土的重力可以由劲性钢筋本身来承担，因此能加速并简化支模工作。配置了劲性钢筋的混凝土结构具有较大的承载能力和变形能力，常用于高层建筑的框架梁、柱以及剪力墙和筒体结构中。5152二、国产普通钢筋《混凝土结构设计规范》规定，用于钢筋混凝土结构的国产普通钢筋为热轧钢筋。热轧钢筋是低碳钢、普通低合金钢在高温状态下轧制而成的软钢，其应力-应变曲线有明显的屈服点和流幅，断裂时有颈缩现象，伸长率比较大。国产普通钢筋按其屈服强度标准值的高低，分为4个强度等级：300MPa、335MPa、400MPa和500MPa。53钢筋的应用范围非预应力钢筋：HPB300，HRB335，HRB400，RRB400等预应力钢筋：碳素钢丝，刻痕钢丝，钢绞线，热处理钢筋，冷拉钢筋HPB300生产工艺：hotrolled表面形状：plain钢筋：bar屈服强度54工程应用《混凝土结