混凝土结构材料的物理力学性能_课件.pdf

第二章混凝土构造资料的物理力学性能混凝土的物理力学性能 钢筋的物理力学性能 混凝土与钢筋的粘接2.1混凝土的物理力学性能2.1.1混凝土的组成构造通常把混凝土的构造分为三种类型：A.微观构造：也即水泥石构造，包括水泥凝胶、晶体骨架、未化完的水 _t 2T*I、r/It留意：L骨料的分布及骨料与基相之间在界面的结合 强度是影响混凝土强度的重要要素；2.在荷载的作用下，微裂痕的扩展对混凝土的 力学性能有着极为重要的影响。2.1.2 单轴应力形状下的混凝土强度混凝土构造中，主要是利用它的抗压强度。因此抗 压强度是混凝土力学性能中最主要和最根本的目的。混凝土的强度等级是用抗压强度来划分的（1）单向受力形状下混凝土的强度1）立方体抗压强度：边长为150mm的混凝土立方体试件，在 规范条件下（温度为203,湿度N90%）养护28天，用规范实验 方法（加载速度0.150.3N/mm2/s,两端不涂光滑剂）测得的具有 95%保证率的抗压强度，用符号C表示。规范根据强度范围，从C 15C 8 0共划分为14个强度等级，级 差为 5N/mm2。2）轴心抗压强度轴心抗压强度由棱柱体试件测得的抗压强度确定。按规范方法制造的150mmX 300mm的棱柱体试件,在温度为20 土 3和相对湿度为90%以上的条件下养护28 d,用规范实验方法测得的具有95%保证率的抗压强度。对于 同一混凝土，棱柱体抗压强度小于立方体抗压强度。思索到实践构造构件制造、养护和受力情况，实践构件强 度与试件强度之间存在差别，规范基于平安取偏低值，规 定轴心抗压强度规范值和立方体抗压强度规范值的换算关系强度比 脆性折减系数式中：kl为棱柱体强度与立方体强度之比，对不大 于C 50级的混凝土取0.76,对C 8 0取0.8 2,其间按线性插 值。k2为高强混凝土的脆性折减系数，对C 40取1.0,对 C 8 0取0.8 7,中间按直线规律变化取值。0.8 8为思索实践 构件与试件混凝土强度之间的差别而取用的折减系数。fcu,k立方体强度规范值即为混凝土强度等级feu。.3）轴心抗拉强度混凝土的轴心抗拉强度可以采用直接轴心受 拉的实验方法来测定，但由于实验比较困难，目 前国内外主要采用圆柱体或立方体的劈裂实验来 间接测试混凝土的轴心抗拉强度。r劈拉实验混凝土构造设计规范 规定轴心抗拉强度规范值与立 方体抗压强度规范值的换算关系为：3）复合受力形状下混凝土的强度在平面应力形状下，当两方向应力均为压应力时，抗压强度相互提高，最大可添加27%,而当一方向为压应力，另一方向为拉应力 时，强度相互降低。当压应力不太高时，其存在可提高混凝土的抗剪强度，拉应力的存在会降低混凝土的抗剪强度。剪应力的存在降低混凝土的抗压和 抗拉强度。侧向压应力的存在可提高混凝土的抗压强度，关系为式中 匕 被约束混凝土的轴心抗压强度；/非约束混凝土的轴心抗压强度；L侧向约束压应力。侧向压应力的存在还可提高混凝土的延性。实践构造中，混凝土很少处于单向受力形状。更多的是处于双 向或三向受力形状。双轴应力形状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 0.30.6之间，约(1.251.60)fc。双轴受压 形状下混凝土的应力应 变关系与单轴受压曲线类 似，但峰值应变均超越单 轴受压时的峰值应变。第二章钢筋和混凝土的资料性能2.1.3 复杂应力下混凝土的受力性能实践构造中，混凝土很少处于单向受力形状。更多的是处于双 向或三向受力形状。双轴应力形状在一轴受压一轴受拉形 状下，恣意应力比情况 下均不超越其相应单轴 强度。并且抗压强度或 抗拉强度均随另一方向 拉应力或压应力的添加 而减小。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，抗剪强度到达最大，压应力继续增大，那么由于内裂痕开展明显，抗剪强度 将随压应力的增大而减小。三轴应力形状三轴应力形状有多种组合，实践工程遇到较多的螺旋箍筋柱和 钢管混凝土柱中的混凝土为三向受压形状。三向受压实验普通 采用圆柱体在等侧压条件进展。由实验得到的阅历公式为：式中匚被约束混凝土的轴心抗压强度；1 非约束混凝土的轴心抗压强度；L侧向约束压应力。侧向压应力的存在还可提高混凝土的延性。2.1.4混凝土的变形1、单轴受压应力-应变关系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 实际的必要根据，也是利用计算机进展非线性分析的根底。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。在普通实验机上采用等应力速度加载，到达轴心抗压强度fc时，实 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 产生忽然脆性破坏，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，以吸收实验机内集聚的应变能，可以测得应力-应变曲线的下 降段。不同强度混凝土的应力-应变关系曲线强度等级越高，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，微裂痕很少，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。Hognestad建议的应力-应变曲线b=fc000.0020.0038规范应力-应变关系上升段：qNl-(Ty(o 与下降段：，=工 与V&W芍h=2GC-5。606=0.002i-0.5(Xw-5Q)xl(r50.0033-C 4M-50)xlC T5姆唐蔑,昆疑七国/L230CH)OOCSOn2L83L夕15与QGCEQGDQD5QOOQ1QGCE15有QGCB3QGCB2QGCB1QOB2、混凝土的变形模量弹性模量耳=询变形模量耳=3%切线模量，Ec=tga弹性模量测定方法Ec=1(J3474 22+fJ cu(N/irni)2.1.5混凝土的收缩和徐变1、混凝土的收缩混凝土在空气中硬化时体积会减少，这种景象 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。当这种自发的变形遭到外部支座）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。影响要素混凝土的收缩受构造周围的温度、湿度、构件断面外形及尺寸、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 要素有关。11)水泥的种类：水泥强度等级越高，制成的混凝土收缩越大。(2)水泥的用量：水泥用量多、水灰比越大，收缩越大。(3)骨料的性质：骨料弹性模量高、级配好，收缩就小。4)养护条件：枯燥失水及高温环境，收缩大。15)混凝土制造方法：混凝土越密实，收缩越小。16)运用环境：运用环境温度、湿度越大，收缩越小。(7)构件的体积与外表积比值：比值大时，收减少。2、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 增长的景象称为徐变。徐变对混凝土构造和构件的任务性能有很大影 响。由于混凝土的徐变，会使构件的变形添加，在钢 筋混凝土截面中引起应力重分布，在预应力混凝土构 造中会呵斥预应力的损失。混凝土的徐变特性主要与时间参数有关。GS)钥学田受柱体Npmmx l（V1nn】x 400mmXp,卜二 42.3N/mnf。=0.5.zeiF0 5 10 15 20 25 30时间（月）在应力f0.5fc）作用瞬间，首先产生瞬时弹性应变eel（=si/Ec（tO）,tO加荷时的龄期）。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（7080）%,以后增长逐渐缓慢,23年后趋于稳定o2.0,0.5 1o.曳柱体 100mm x I OOnini x 400mmZujn42.3N/mnfa=0.5.A丁，心.1手sssA 0 5 10 15 2(1 2 5 3()记(t-to)时间后的总应变为e c(t,to),此时混凝土的收缩应变为esh(t,tO),那么徐变为，ecr(t,tO)=ec(t,tO)-e c(tO)-esh(t,tO)=ec(t,tO)-eel-esh(t,tO)0 5.052 1(；。一)试些出OSSS空柱体 iy)mmX iy)mmxy 400mmG.k=42.3N/mnFSSSS丁差swus泡屈丁工衣M0 5 Hi 15 2 0 2 5 30如在时间t卸载，那么会产生瞬时弹性恢复应变eel，。由于混凝 土弹性模量随时间增大，故弹性恢复应变eel，小于加载时的瞬时 弹性应变eel。再经过一段时间后，还有一部分应变eel”可以恢 复，称为弹性后效或徐变恢复，但仍有不可恢复的残留永久应 变 ecr影响要素内在要素是混凝土的组成和配比。骨料(aggregate)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运用条件。受荷前养护(curing)的温湿度越 高，水泥水化作用月充分，徐变就越小。采用蒸汽养护可使徐 变减少2035)%o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。3、混凝土在荷载反复作用下的变形（疲劳变形疲劳强度混凝土的疲劳强度由疲劳实验测定。采用100mmX100mmX 300mm或 着150mm X150mm X 450mm的棱柱体，把棱柱体试件接受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。影响要素施加荷载时的应力大小是影呼应力应变曲线不同的开展和变化的关键要 素，即混凝土的疲劳强度与反复作用时应力变化的幅度有关。在一样的 反复次数下，疲劳强度随着疲劳应力比值的增大而增大。混凝土在荷载反复作用下的 应力-应变关系2.2钢筋的物理力学性能2.2.1钢筋的种类和级别热轧钢筋、中高强钢丝和钢绞线、热处置钢筋和走比吊 A13E0 曲 AAWBC 京 0AOE0玲E月牙纹钢筋%2-1 0%自热轧钢筋的分类HPB235级、HRB335级、HRB400级、RRB400级屈服强度fyk规范值二钢材废品限值，保证率97.73%)HPB235级：fyk=235 N/mm2HRB335级：fyk=335 N/mm2HRB400级、RRB400级：fyk=400 N/mm2HPB235级（I级）钢筋多为光面钢筋，多作为现浇楼板 的受力钢筋和箍筋。HRB335级（II级）和HRB400级（HI级）钢筋强度较高，多作为钢筋混凝土构件的受力钢筋，尺寸较大的构件,也有用H级钢筋作箍筋以加强与混凝土的粘结，外形 制形成月牙肋或等高肋的变形钢筋。RRB400级（IV级）钢筋强度太高，不适宜作为钢筋混凝 土构件中的配筋，普通冷拉后作预应力筋。延伸率d5=25、16、14、10%,直径840。钢丝，中强钢丝的强度为8001200MPa,高强钢丝、钢绞线 的为 147018 60MPa；延伸率dl0=6%,dl00=3.54%；钢丝 的直径39mm；外形有光面、刻痕和螺旋肋三种，另有二股、三股和七股钢绞线，外接圆直径9.515.2mm。中高强钢丝和 钢绞线均用于预应力混凝土构造。冷加工钢筋是由热轧钢筋和盘条经冷拉、冷拔、冷轧、冷扭加 工后而成。冷加工的目的是为了提高钢筋的强度，节约钢材。但经冷加工后，钢筋的延伸率降低。近年来，冷加工钢筋的种 类很多，应根据专门规程运用。热处置钢筋是将IV级钢筋经过加热、淬火和回火等调质工艺处 置，使强度得到较大幅度的提高，而延伸率降低不多。用于预 应力混7疑土构造。2.2.2钢筋的强度与变形有明显屈服点的钢筋a为比例极限oa为弹性阶段b为屈服上限c为屈服下限，即屈服强度cd为屈服台阶de为强化阶段e为极限抗拉强度fuef为颈缩阶段几个目的:屈服强度：是钢筋强度的设计根据，由于钢筋屈服后将发生很大 的塑性变形，且卸载时这部分变形不可恢复，这会使钢筋混凝土 构件产生很大的变形和不可闭合的裂痕。屈服上限与加载速度有 关，不太稳定，普通取屈服下限作为屈服强度。延伸率：钢筋拉断后的伸长值与原长的比率，是反映钢筋塑性 性能的目的。延伸率大的钢筋，在拉断前有足够预兆，延性较好。=11。or 1 0-j0屈强比：反映钢筋的强度贮藏,fy/fu=0.6 0.7。D 0 StD 6；有明显屈服点钢筋的应力-应变关系 普通可采用双线性的理想弹塑性关系b=Es8b=fyy(N/mnf)、0 AEsHPB2 35%。%2.1A IO5HRB335*。%，HRB400 卡。%E【A。C RRB400 吊Q%，2.0A IO5HOHHsHqeHOe2.05 A IO50 S A1.95 A IO5无明显屈服点的钢筋0.2%a点：比例极限，约为0.65fua点前：应力应变关系为线弹性a点后：应力应变关系为非线性，有一定塑性变形，且没有明显的屈 服点强度设计目的条件屈服点剩余应变为0.2%所对应的应力V规范取s0.2=0.8 5fu2.2.3混凝土构造对钢筋性能的要求1）强度：要求钢筋有足够的强度和适宜的强屈比（极限强度与屈服强度的比值）。例如，对抗震等级为一、二级的框架构造，其纵向受力钢筋的实践强屈比不应小 于 1.25。2）塑性：要求钢筋应有足够的变形才干。3可焊性：要求钢筋焊接后不产生裂痕和过大的变 形，焊接接头性能良好。4与混凝土的粘结力：要求钢筋与混凝土之间有足 够的粘结力，以保证两者共同任务。2.3混凝土与钢筋的粘结2.3.1 粘结的意义粘结和锚固是钢筋和混凝土构成整体、共同任务的根底锚固粘结应力 b裂痕间的部分粘结应力2.3混凝土与钢筋的粘结2.3.2 粘结力的构成光圆钢筋与变形钢筋具有不同的粘结机理，其 粘结作用主要由三部分组成：1钢筋与混凝土接触面上的化学吸附作用力 胶结力。普通很小，仅在受力阶段的部分 无滑移区域起作用，当接触面发生相对滑移时,该力即消逝。2混凝土收缩握裹钢筋而产生的摩阻力。3钢筋外表凹凸不平与混凝土之间产生的机 械咬协作用力咬合力。对于光圆钢筋，这 种咬合力来自于外表的粗糙不平。2.3混凝土与钢筋的粘结变形钢筋与混凝土之间的机械咬协作用主要是由于变 形钢筋肋间嵌入混凝土而产生的。图2-28 变而铜的和混凝土的机械收合作用 变形钢筋和混凝土的机械咬协作用2.3混凝土与钢筋的粘结2.3.3粘结强度测试2.3 混凝土与钢筋的粘结计算公式NT-7idl式中N钢筋的拉力；d钢筋的直径;1粘结的长度。2.3混凝土与钢筋的粘结不同强度混凝土的粘结应力和相对滑移的关系2.3混凝土与钢筋的粘结2.3.4 影响粘结的要素影响钢筋与混凝土粘结强度的要素很多，主要有混凝土强度、维护层厚度及钢筋净 间距、横向配筋及侧向压应力，以及浇筑 混凝土时钢筋的位置等。A.光圆钢筋及变形钢筋的粘结强度都随混凝 土强度等级的提高而提高，但不与立方体 强度成正比。B.变形钢筋可以提高粘结强度。C.钢筋间的净距对粘结强度也有重要影响。2.3混凝土与钢筋的粘结2.3.4 影响粘结的要素D.横向钢筋可以限制混凝土内部裂痕的开展,提高粘结强度。E.在直接支撑的支座处，横向压应力约束了 混凝土的横向变形，可以提高粘结强度。F.浇筑混凝土时钢筋所处的位置也会影响粘 结强度。2.3混凝土与钢筋的粘结2.3.5钢筋的锚固与搭接保证粘结的构造措施(1)对不同等级的混凝土和钢筋，要保证最小搭接长度 和锚固长度；(2)为了保证混凝土与钢筋之间有足够的粘结，必需满 足钢筋最小间距和混凝土维护层最小厚度的要求；(3)在钢筋的搭接接头内应加密箍筋；(4)为了保证足够的粘结在钢筋端部应设置弯钩；(5)对大深度混凝土构件应分层浇筑或二次浇捣；(6)普通除重锈钢筋外，可不用除锈。2.3混凝土与钢筋的粘结钢筋的搭接钢筋搭接的原那么是：接头应设置在受力较小处,同一根钢筋上应尽量少设接头，机械衔接接头能 产生较结实的衔接力，应优先采用机械衔接。受拉钢筋绑扎搭接接头的搭接长度计算公式：式中，c为受拉钢筋搭接长度修正系数，它与同 一衔接区内搭接钢筋的截面面积有关，详见规 范。2.3混凝土与钢筋的粘结根本锚固长度钢筋的根本锚固长度取决于钢筋的强度及混凝土 抗拉强度，并与钢筋的外形有关。v规范,规定纵 向受拉钢筋的锚固长度作为钢筋的根本锚固长度,其计算公式为：小结1.钢筋：钢筋的成份、种类和级别，钢筋的应力应变曲线，钢筋的塑性性 能，钢筋的冷加工。2.混凝土：立方体抗压强度，影响混 凝土强度的要素，轴心抗压强度，轴 心抗拉强度。混凝土的变形：混凝土 在一次短期加载时的应力应变性能，混凝土的变形模量。混凝土的徐变。混凝土的收缩。c ZzE 左斤/曰上ZAA 业 I-A士 I