钢筋和混凝土的材料性能-钢筋22-混凝土.pptx

第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土2.2 2.2 混凝土混凝土ConcreteQuestions:1.What kinds of strength were used in RC construction?2.What relationship between the different concrete strength?3.What mechanical properties must be used in RC structure analysis?4.Any other properties must be considered for practical use in RC structure?第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土2.2 concrete一、一、strength1、Strength Grade Concrete is mainly offer its compressive strength in RC structures.Thus compressive strength is very important.The strength grade of concrete is defined according to the compressive strength.According to the strength,there are 14 grades of concrete.Size Effect第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土2.2 2.2 混凝土混凝土一、混凝土的强度一、混凝土的强度1、混凝土强度等级（、混凝土强度等级（Strength Grade）混混凝凝土土结结构构中中，主主要要是是利利用用它它的的抗抗压压强强度度(Compressive Strength)。因因此此抗抗压压强强度度是是混混凝凝土土力力学学性性能能中中最最主主要要和和最最基基本本的指标。的指标。混凝土的强度等级是用抗压强度来划分的混凝土的强度等级是用抗压强度来划分的混混凝凝土土强强度度等等级级：边边长长150mm立立方方体体标标准准试试件件，在在标标准准条条件件下下（203，90%湿湿度度）养养护护28天天，用用标标准准试试验验方方法法（加加载载速速度度0.150.3N/mm2/sec，两两端端不不涂涂润润滑滑剂剂）测测得得的的具具有有95%保保证证率率的立方体抗压强度的立方体抗压强度(Cube Strength)，用符号，用符号C表示。表示。C30：fcu,k=30N/mm2 第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土规范规范(GB50010-2002)根据强度范围，根据强度范围，从从C15C80共划分共划分为为14个强度等级个强度等级，级差为，级差为5N/mm2。与与原原规规范范GBJ10-89相相比比，混混凝凝土土强强度度等等级级范范围围由由C60提提高高到到C80，C50以以上上为为高高强强混混凝凝土土(High-Strentgth Concrete)，有关指标和计算公式在，有关指标和计算公式在C50与原与原规范规范GBJ10-89衔接。衔接。100mm立方体强度与标准立方体强度之间的换算关系立方体强度与标准立方体强度之间的换算关系Size Effect小于小于C50的混凝土，修正系数的混凝土，修正系数(Correction Factor)m m=0.95。随混。随混凝土强度的提高，修正系数凝土强度的提高，修正系数m m 值有所降低。当值有所降低。当fcu100=100N/mm2时，时，换算系数换算系数m m 约为约为0.9（尺寸越小，测得强度越高）（尺寸越小，测得强度越高）第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土Why do vertical cracks occur under vertical compressive force?Cube Strength第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土In America,Japan and Canada,strength grade comes from the compressive strength of standard cylinder specimens.The conversion equation of cylinder strength and the standard cube strength is:Cube strength and cylinder strength are not the actual stress of concrete in the RC members.第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土America、Japan、Canada等国家，采用圆柱体（直径等国家，采用圆柱体（直径150mm，高，高300 mm）标准试件测定的抗压强度来划分强度）标准试件测定的抗压强度来划分强度等级，符号记为等级，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，圆柱体强度与我国标准立方体抗压强度的换算关系为，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（和品质的标准（制作、测试方便制作、测试方便）。）。相同强度等级的混凝土，我国的混凝土实际强度比美国低。相同强度等级的混凝土，我国的混凝土实际强度比美国低。第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土2、Axial Compressive Strength Axial compressive strength is defined by the strength of the prism test in which can reflect the actual strength of the structural members.The size of the specimens is usually 150mm150mm450mm or 100mm100mm300mm.Axial compressive strength is smaller than cube strength,and the conversion equation of them is:Where,when strength grade is below C50,k=0.76，and for C80,k=0.82.Then the linear interpolation is used between them.第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土2、轴心抗压强度、轴心抗压强度Axial Compressive Strength 轴心抗压强度采用棱柱体试件测定，用符号轴心抗压强度采用棱柱体试件测定，用符号fc表示，它比较表示，它比较接近实际构件中混凝土的受压情况。棱柱体试件高宽比一般为接近实际构件中混凝土的受压情况。棱柱体试件高宽比一般为h/b=34，我国通常取，我国通常取150mm150mm450mm的棱柱体试件，的棱柱体试件，也常用也常用100100300试件。试件。对于同一混凝土，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小于立方体抗压强度。棱柱。棱柱体抗压强度和立方体抗压强度的换算关系为，体抗压强度和立方体抗压强度的换算关系为，规范规范对小于对小于C50级的混凝土取级的混凝土取k=0.76，对，对C80取取k=0.82，其间按线性插值其间按线性插值第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土Why Axial Compressive Strength is smaller than cube strength?Axial Compressive Strength 第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土3、Axial Tensile StrengthWith the expression of ft,axial tensile strength relates to the cracking,cracks,deformation,shear,torsion and cutting of RC members.Axial Tensile TestConversion Curves of Axial Tensile Strength and Cube Strength第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土3、轴心抗拉强度、轴心抗拉强度Axial Tensile Strength也是其基本力学性能，用符号也是其基本力学性能，用符号 ft 表示。混凝土构件开裂、裂缝、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。变形，以及受剪、受扭、受冲切等的承载力均与抗拉强度有关。第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土劈拉试验PaP拉压压It is difficult to carry out the axial tensile test,so the cube strength and cylinders splitting strength are usually used.Splitting Test第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 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试验测定混凝土的抗拉强度(Splitting Strength)第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土Tensile Strength第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土 Considering the the difference between the specimens and the actual member,and also the brittle behavior of the high strength concrete,Reduction Coefficient is introduced to the axial compressive strength and axial tensile strength.Actual strength to specimen strength ratio is 0.88;Reduction Coefficient of Brittle，for C40 is 1.0，for C80 is 0.87，and linear interpolation is used between them.Example fcu=30MPa,d d =0.12,fcu,m=fcu/(1-1.645d d)fc,m=0.76fcu,m fc,k=fc,m(1-1.645d d)0.881.0 =0.76fcu0.88 1.0=20.06MPa第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土4、混凝土强度的标准值、混凝土强度的标准值 Characteristic Strength规范规范规定材料强度的标准值规定材料强度的标准值 fk 应具有不小于应具有不小于95%的保证率的保证率立方体强度标准值立方体强度标准值即为混凝土强度等级即为混凝土强度等级fcu。规规范范在在确确定定混混凝凝土土轴轴心心抗抗压压强强度度和和轴轴心心抗抗拉拉强强度度标标准准值值时时，假假定定它它们们的的变变异异系系数数与与立立方方体体强强度度的的变变异异系系数数相相同同，利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。用与立方体强度平均值的换算关系，便可按上式计算得到。Question:Are you feel safe enough to use characteristic strength?第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土 规范规范考虑到试件考虑到试件与实际结构的差异与实际结构的差异以及以及高强混凝土高强混凝土的脆性的脆性(Brittle)特征特征，对轴心抗压强度和轴心抗拉强度，还，对轴心抗压强度和轴心抗拉强度，还采用了以下两个采用了以下两个折减系数折减系数(Reduction Coefficient)：结构中混凝土强度与混凝土试件强度的比值，取结构中混凝土强度与混凝土试件强度的比值，取0.88；脆性折减系数，对脆性折减系数，对C40取取1.0，对，对C80取取0.87，中间按线性，中间按线性规律变化。规律变化。例例 fcu=30MPa,d d =0.12,fcu,m=fcu/(1-1.645d d)fc,m=0.76fcu,m fc,k=fc,m(1-1.645d d)0.881.0 =0.76fcu0.88 1.0=20.06MPa第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土二、混凝土破坏机理二、混凝土破坏机理 Failure Mechanismfc 02468102030s(MPa)e 10-3第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土When curing,there form many micro-fissure inside the concrete which is the weakness of the concrete.And it results in the damage of the concrete.BACED02468102030s(MPa)e 10-3第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土混凝土在结硬过程中，混凝土在结硬过程中，由于水泥石的收缩、骨由于水泥石的收缩、骨料下沉以及温度变化等料下沉以及温度变化等原因，在骨料和水泥石原因，在骨料和水泥石的界面上形成很多的界面上形成很多微裂微裂缝缝 Micro-fissure，成为，成为混凝土中的薄弱部位。混凝土中的薄弱部位。混凝土的最终破坏就是混凝土的最终破坏就是由于这些微裂缝的发展由于这些微裂缝的发展造成的。造成的。BACED02468102030s(MPa)e 10-3第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土ABefore point A，the deformation is mainly elastic and the stress-strain curve is linear.BCED02468102030s(MPa)e 10-3第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土AA点点以以前前，微微裂裂缝缝没没有有明明显显发发展展，混混凝凝土土的的变变形形主主要要弹弹性性变变形形，应应力力-应应变变关关系系近近似似直直线线。A点点应应力力随随混混凝凝土土强强度度的的提提高高而而增增加加，对对普普通通强强度度 混混 凝凝 土土s sA约约 为为 (0.30.4)fc，对对高高强强混混凝凝土土s sA可可达达(0.50.7)fc。BCED02468102030s(MPa)e 10-3第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土BAAfter point A，due to the stress concentration at the micro-fissure,the cracks are extended and plastic deformation appears.CED02468102030s(MPa)e 10-3第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土BAA点点以以后后，由由于于微微裂裂缝缝处处的的应应力力集集中中，裂裂缝缝开开始始有有所所延延伸伸发发展展，产产生生部部分分塑塑性性变变形形(Plastic Deformation)，应应变变增增长长开开始始加加快快，应应力力-应应变变曲曲线线逐逐渐渐偏偏离离直直线线。微微裂裂缝缝的的发发展展导导致致混混凝凝土土 的的 横横 向向 变变 形形 增增 加加 Expansion。但但该该阶阶段段微裂缝的发展是稳定的。微裂缝的发展是稳定的。CED02468102030s(MPa)e 10-3第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土BAAt point B,the cracks are instable and the concrete will damage under a longer time.CED02468102030s(MPa)e 10-3第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土BA达达到到B点点，内内部部一一些些微微裂裂缝缝相相互互连连通通，裂裂缝缝发发展展已已不不稳稳定定，横横向向变变形形突突然然增增大大，体体积积应应变变开开始始由由压压缩缩转转为为增增加加。在在此此应应力力的的长长期期作作用用下下，裂裂缝缝会会持持续续发发展展最最终终导导致致破破坏坏。取取B点点的的应应力力作作为为混混凝凝土土的的长长期期抗抗压压强强度度。普普通通强强度度混混凝凝土土s sB约约为为0.8fc，高高强强强强度度混混凝凝土土s sB可达可达0.95fc以上。以上。CED02468102030s(MPa)e 10-3第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土BACEDAt point C，failure plane has been developed.And the longitudinal strain at this point is called peak strain e e 0(0.002).At point D,it can be found the first longitudinal cracks。02468102030s(MPa)e 10-3第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土BACED达到达到C点点fc，内部微裂缝，内部微裂缝连通形成破坏面，应变连通形成破坏面，应变增长速度明显加快，增长速度明显加快，C点的纵向应变值称为点的纵向应变值称为峰峰值应变值应变 e e 0，约为，约为0.002。纵向应变发展达到纵向应变发展达到D点，点，内部裂缝在试件表面出内部裂缝在试件表面出现第一条可见平行于受现第一条可见平行于受力方向的力方向的纵向裂缝纵向裂缝(Longitudinal Cracks)。02468102030s(MPa)e 10-3第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土BACEDWith the development of the strain,several discontinuous longitudinal cracks will appear on the specimen.Load capacity becomes lower.02468102030s(MPa)e 10-3第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土BACED随应变增长，试件上相随应变增长，试件上相继出现多条不连续的纵继出现多条不连续的纵向裂缝，横向变形急剧向裂缝，横向变形急剧发展，承载力明显下降。发展，承载力明显下降。02468102030s(MPa)e 10-3第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土BACEDBond between aggregate and mortar is broken and failure plane is developed.02468102030s(MPa)e 10-3第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土BACED混混凝凝土土骨骨料料与与砂砂浆浆的的粘粘结结不不断断遭遭到到破破坏坏，裂裂缝缝连连通通形形成成斜斜向向破破坏坏面面。E点点应应变变e e=(23)e e 0，应力应力s s=(0.40.6)fc。02468102030s(MPa)e 10-3第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土BACEDAfter point E,longitudinal cracks become to a diagonal failure plane.Then under the action of the normal stress and shear stress,they become to a failure strip.02468102030s(MPa)e 10-3第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土BACEDE点以后，纵向裂缝形成一斜点以后，纵向裂缝形成一斜向破坏面，此破坏面受向破坏面，此破坏面受正应正应力力(Normal Stress)和和剪应力剪应力(Shear Stress)的作用继续扩的作用继续扩展，形成一破坏带。此时试展，形成一破坏带。此时试件的强度由斜向破坏面上的件的强度由斜向破坏面上的骨料间的骨料间的摩阻力摩阻力(Frictional Resistance)提供。随应变继续提供。随应变继续发展，摩阻力和发展，摩阻力和粘结力粘结力(Bond Stress)不断下降，但即使在很不断下降，但即使在很大的应变下，骨料间仍有一大的应变下，骨料间仍有一定摩阻力，残余强度约为定摩阻力，残余强度约为(0.10.4)fc。第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土From the failure mechanism of the concrete,it can be seen that the development of micro-fissure result in the increase of the transverse deformation.With lateral constraint,the micro-fissure can be restricted and the compressive strength of the concrete can be improved.As a result of this,Local compressive strength is much higher than axial compressive strength.Local Compressive Specimen第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土由由上上述述混混凝凝土土的的破破坏坏机机理理可可知知，微微裂裂缝缝的的发发展展导导致致横横向向变变形形的的 增增大大。对对横横向向变变形形加加以以约约束束(Lateral Constraint)，就就可可以以限限制制微微裂裂缝缝的的发发展展，从从而而可可提提高高混混凝凝土土的的抗抗压压强强度度。立立方方体体试试件件受受约约束束范范围围大大，而而棱棱柱柱 体体试试件件中中部部未未受受约约束束，因因此此造造成成了了不不同同受受压压试试件强度的差别和件强度的差别和 破坏形态的不同。破坏形态的不同。局局 部部 受受 压压 强强 度度 fcl(Local Compressive Strength)比比轴轴心心抗抗压压强强度度 fc 大大很很多多，也也是是因因为为局局部部受受压压面面积积以以 外外的的混混凝凝土土对对局局部部受受压压区区 域域内内部部混混凝凝土土微裂缝产生微裂缝产生 了较强的约束。了较强的约束。局部受压试件第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土Through the restriction of the transverse deformation of the concrete,we can improve the compressive strength.And confined concrete is a good example.Spirally Reinforced Concrete第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土了了解解混混凝凝土土的的破破坏坏机机理理，不不仅仅可可以以解解释释各各种种不不同同试试验验混混凝凝土土强强度度的的差差别别，还还可可以以通通过过约约束束混混凝凝土土的的横横向向变变形形来来提提高高混混凝凝土土的的抗抗压压强强度度。如如图图采采用用配配置置螺螺旋旋箍箍筋筋形形成成所所谓谓“约约束束混混凝凝土土(Confined Concrete)”，可可显显著著提提高高混混凝凝土土的的抗抗压压强强度度，并并且且可可以提高混凝土以提高混凝土变形能力变形能力(Deformability)。螺旋箍筋约束混凝土螺旋箍筋约束混凝土Spirally Reinforced Concrete第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土From the curve,we can see that the effect of spiral hooping is not obvious when the stress is small.While the stress exceed point B,the effect of spiral hooping is obvious.The strength and the deformability are all improved.螺旋箍筋约束混凝土螺旋箍筋约束混凝土第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土由由螺螺旋旋箍箍筋筋(Spiral Hooping)约约束束混混凝凝土土的的应应力力-应应变变曲曲线线可可见见，当当应应力力较较小小时时，横横向向变变形形很很小小，箍箍筋筋的的约约束束作作用用不不明明显显；当当应应力力超超过过B点点的的应应力力时时，由由于于混混凝凝土土的的横横向向变变形形开开始始显显著著增增大大，侧侧向向膨膨胀胀使使螺螺旋旋箍箍筋筋产产生生环环向向拉拉应应力力，其其反反作作用用力力使使混混凝凝土土的的横横向向变变形受到约束，从而使混凝土的形受到约束，从而使混凝土的强度强度和和变形能力变形能力都得到提高。都得到提高。第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土Applications of Confined ConcreteSpirally Reinforced Column,Concrete Filled TubeThe strength and the deformability of the confined concrete are all improved.And this is very important to the aseismic structure.第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土“约约束束混混凝凝土土(Confined Concrete)”的的概概念念在在工工程程中中许许多多地地方方都都有有应应用用，如如螺螺旋旋箍箍筋筋柱柱、后后张张法法预预应应力力(Post Stressed)锚锚具具(Anchor)下下局局部部受受压压区区域域配配置置的的钢钢筋筋网网或或螺螺旋旋筋筋等等。而而钢钢管管混混凝凝土土(Concrete Filled Tube)对对内内部部混混凝凝土土的的约约束束效效果果更更好好，因因此近年来在我国工程中得到许多应用。此近年来在我国工程中得到许多应用。约约束束混混凝凝土土可可以以提提高高混混凝凝土土的的强强度度，但但更更值值得得注注意意的的是是可可以以提提高高混混凝凝土土的的变变形形能能力力(Deformation Capacity)，这这一一点点对对于于抗抗震震结构结构(Aseismic Structure)非常重要。非常重要。抗抗震震结结构构对对于于可可能能出出现现塑塑性性铰铰(Plastic Hinge)的的区区域域，均均要要求求加加密箍筋配置来提高构件的变形能力，达到密箍筋配置来提高构件的变形能力，达到坏而不倒坏而不倒的目的。的目的。由由螺螺旋旋箍箍筋筋约约束束混混凝凝土土的的应应力力-应应变变曲曲线线可可见见，当当应应力力较较小小时时，横横向向变变形形很很小小，箍箍筋筋的的约约束束作作用用不不明明显显；当当应应力力超超过过B点点的的应应力力时时，由由于于混混凝凝土土的的横横向向变变形形开开始始显显著著增增大大，侧侧向向膨膨胀胀使使螺螺旋旋箍箍筋筋产产生生环环向向拉拉应应力力，其其反反作作用用力力使使混混凝凝土土的的横横向向变变形形受受到到约约束束，从从而使混凝土的而使混凝土的强度强度和和变形能力变形能力都得到提高。都得到提高。第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土三、三、Deformation of Concrete1、Stress-strain Relationship Stress-strain relationship is an important mechanical character of concrete.It is the basis of the analysis of the member stress and design of the strength and stiffness.And also it is indispensable to the nonlinear analysis.第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土三、混凝土的变形三、混凝土的变形 Deformation1、单轴（单调）受压应力、单轴（单调）受压应力-应变关系应变关系Stress-strain Relationship 混混凝凝土土单单轴轴受受力力时时的的应应力力-应应变变关关系系反反映映了了混混凝凝土土受受力力全全过过程程的的重重要要力力学学特特征征 是是分分析析混混凝凝土土构构件件应应力力、建建立立承承载载力力和和变变形形计计算算理理论论的的必必要要依依据据，也也是是利利用用计计算算机机进进行行非非线线性性分分析析(Nonlinear Analysis)的基础。的基础。混混凝凝土土单单轴轴受受压压应应力力-应应变变关关系系曲曲线线，常常采采用用棱棱柱柱体体试试件件来来测测定定。在在普普通通试试验验机机上上采采用用等等应应力力速速度度加加载载，达达到到轴轴心心抗抗压压强强度度fc时时，试试验验机机中中集集聚聚的的弹弹性性应应变变能能大大于于试试件件所所能能吸吸收收的的应应变变能能，会会导导致致试试件件产产生生突突然然脆脆性性破破坏坏，只只能能测测得得应应力力-应应变变曲曲线的线的上升段上升段(Ascending Curve)。采采用用等等应应变变速速度度加加载载，或或在在试试件件旁旁附附设设高高弹弹性性元元件件与与试试件件一一同同受受压压，以以吸吸收收试试验验机机内内集集聚聚的的应应变变能能，可可以以测测得得应应力力-应应变变曲线的曲线的下降段下降段(Descending Curve)。第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土Stress-Strain Curves第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土不同强度混凝土的应力不同强度混凝土的应力-应变关系曲线应变关系曲线As the strength grade is higher,the linear-elastic portion of the curve is longer and the peak strain is also higher.