混凝土结构材料的性能.pptx

混凝土结构设计原理混凝土结构设计原理主主页页目目录录帮帮助助上一章上一章下一章下一章本章重点本章重点熟悉土木工程用钢筋的品种、级别、性能熟悉土木工程用钢筋的品种、级别、性能及其选用原则；及其选用原则；熟悉熟悉混凝土在各种受力状态下的强度与混凝土在各种受力状态下的强度与变形性能及其选用原则；变形性能及其选用原则；了解了解钢筋与混凝土的共同工作原理。钢筋与混凝土的共同工作原理。第 1 章400840RRB400(K20MnSi)400650HRB400(20MnSiV,20MnSiNb,20MnTi)335650HRB335(20MnSi)235820HPB235(Q235)fyk/(N/mm2)d/(mm)符号符号种种类类HPBHot rolledPlainBarHRBHot rolledRibbedBarRRBRemained heat treatmentRibbedBars se e热轧钢筋应力热轧钢筋应力-应变曲线应变曲线aabcdefua为比例极限a为弹性极限de为强化阶段b为屈服上限c为屈服下限，即屈服强度 fycd为屈服台阶e为极限抗拉强度 fu fyfef为颈缩阶段o热轧钢筋的简化应力应变曲线热轧钢筋的塑性性能伸长率伸长率:同一根钢筋同一根钢筋上述伸长率只反映断口附近残留变形大小，上述伸长率只反映断口附近残留变形大小，不反映钢筋总伸长率情况。不反映钢筋总伸长率情况。钢筋均匀伸长率的测定：钢筋均匀伸长率的测定：均均匀匀伸伸长长率率更更真真实实反反映映钢钢筋筋在在拉拉断断前前的的平平均均伸伸长率，客观反映钢筋的变形能力。长率，客观反映钢筋的变形能力。残余残余伸长伸长已回复弹已回复弹性应变性应变=90,180,反复弯曲反复弯曲要要求：冷弯过程中无裂缝、鳞求：冷弯过程中无裂缝、鳞落或断裂。落或断裂。D愈小，要求愈高。愈小，要求愈高。反复次数愈高，要求愈高。反复次数愈高，要求愈高。冷弯冷弯冷弯是检验钢筋局部变形能力的指标。冷弯是检验钢筋局部变形能力的指标。钢筋塑性愈好，构件破坏前预兆愈明显。钢筋塑性愈好，构件破坏前预兆愈明显。热轧钢筋的弹性模量和强度钢筋的屈服应力不低于规定值钢筋的屈服应力不低于规定值屈服应力屈服应力/极限抗拉强度的比值（屈强比）不宜极限抗拉强度的比值（屈强比）不宜过大过大中、高强钢丝和钢绞线v钢筋的直径钢筋的直径常用：常用：6mm，6.5mm，8mm，8.2mm，10mm，12mm，14mm，16mm，18mm，20mm，22mm，25mm，28mm，32mm，36mm，40mm，50mm。其中，。其中，8.2mm仅适用有纵肋的热处理钢筋。仅适用有纵肋的热处理钢筋。v钢筋的选用钢筋的选用普通钢筋：普通钢筋：宜用宜用HRB400和和HRB335钢筋钢筋可用可用HPB235、RRB400和冷加工钢筋和冷加工钢筋预应力筋：预应力筋：宜用宜用钢铰线、钢丝钢铰线、钢丝可用可用热处理钢筋和强度较高的冷加工钢筋热处理钢筋和强度较高的冷加工钢筋d=650mm1.2混凝土混凝土混凝土混凝土1.2.1组成及特点组成及特点主要材料：主要材料：水泥、水、砂、石水泥、水、砂、石特点特点:1）以固相为主，包含固体、液体、气体的三相体；）以固相为主，包含固体、液体、气体的三相体；2）水化过程长，性能要很长时间才稳定；）水化过程长，性能要很长时间才稳定；3）水泥石收缩可形成微裂缝；）水泥石收缩可形成微裂缝；4）受制作、养护、使用条件影）受制作、养护、使用条件影响大。响大。混凝土强度与试块混混凝土强度与试块混凝土强度的修正系数凝土强度的修正系数脆性影响脆性影响系数系数 棱柱体强度棱柱体强度与立方体强与立方体强度之比值度之比值混凝土混凝土强度强度等级等级C40C45C50C55C60C65C70C75C80 c10.760.760.760.770.780.790.800.810.82 c21.000.9840.9680.9510.9350.9190.9030.8870.87轴心抗压强度混凝土受压破坏机理可概括为：随着应力的增大，沿粗骨料界面和砂浆内部的微裂缝逐渐延伸和扩展，导致砂浆的损伤不断积累；裂缝贯通后，混凝土的连续性遭到破坏，逐渐丧失其承载力，破坏的实质是由连续材料逐步变成不连续材料的过程。轴心抗拉强度与立轴心抗拉强度与立方体抗压强度的折方体抗压强度的折算系数算系数 试验离散性的影试验离散性的影响系数响系数 试验离散性试验离散性系数系数 轴心抗拉强度双向受压双向受压时，两个方向的时，两个方向的抗压强度都有所提高；抗压强度都有所提高；双向受拉双向受拉时，两个方向的时，两个方向的抗拉强度均接近于单轴抗抗拉强度均接近于单轴抗拉强度；拉强度；拉压受力拉压受力时，混凝土的强时，混凝土的强度均低于单轴受力（压或度均低于单轴受力（压或拉）强度。拉）强度。混凝土的复合受力强度混凝土的复合受力强度 双轴应力状态双轴应力状态 Biaxial Stress State实际结构中，混凝土很少处于单向受力状态。更多的是处于实际结构中，混凝土很少处于单向受力状态。更多的是处于双双向向或或三向三向受力状态。如钢筋混凝土梁弯剪段的剪压区、框架的受力状态。如钢筋混凝土梁弯剪段的剪压区、框架的梁、柱节点区、牛腿、深梁等。梁、柱节点区、牛腿、深梁等。双向受力双向受力此图说明：此图说明：压压-压：强度提高；压：强度提高；拉拉-拉：强度不变；拉：强度不变；拉拉-压：抗拉和抗压强度都低。压：抗拉和抗压强度都低。ft*混凝土单轴抗拉强度；混凝土单轴抗拉强度；fc*混凝土单轴抗压强度混凝土单轴抗压强度剪力存在时：剪力存在时：拉拉-剪：抗拉、抗剪强度都降低；剪：抗拉、抗剪强度都降低；压压-剪：当剪：当时，抗剪强度随压应力提高而增大；时，抗剪强度随压应力提高而增大；当当时，内部裂缝增加，抗剪抗压强度时，内部裂缝增加，抗剪抗压强度均降低。均降低。三向受力：三向受力：三轴应力状态有多种组合，实际工程遇到较多的螺旋箍三轴应力状态有多种组合，实际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状态。三向筋柱和钢管混凝土柱中的混凝土为三向受压状态。三向受压试验一般采用圆柱体在等侧压条件进行。受压试验一般采用圆柱体在等侧压条件进行。三向受压时，强度增加，三向受压时，强度增加，最大增加最大增加5倍。倍。三向受压时，试件由于三向受压时，试件由于侧压限制，其内部裂缝侧压限制，其内部裂缝的产生和发展受到阻碍，的产生和发展受到阻碍，因此破坏时的轴向抗压因此破坏时的轴向抗压强度提高。强度提高。螺旋箍筋约束对强度和变形能力均有很大提高；矩形箍筋约束对强度的提高不是很显著，但对变形能力有显著改善。1.2.2 1.2.2 混凝土的变形混凝土的变形混凝土的变形可分为两类：荷载作用下的混凝土的变形可分为两类：荷载作用下的受力变形受力变形和由于混凝土和由于混凝土的收缩、温度变化等引起的的收缩、温度变化等引起的非受力变形非受力变形。1、单轴（单调）受力应力、单轴（单调）受力应力-应变关系应变关系Stress-strain Relationship混凝土单轴短期荷载作用下的应力混凝土单轴短期荷载作用下的应力-应变关系是混凝土材料最应变关系是混凝土材料最基本的力学性能，是对混凝土进行理论分析的基本依据，是研基本的力学性能，是对混凝土进行理论分析的基本依据，是研究和建立混凝土构件的承载力、变形、延性以及应用计算机进究和建立混凝土构件的承载力、变形、延性以及应用计算机进行构件的非线性全过程分析的重要依据。行构件的非线性全过程分析的重要依据。混凝土单轴受压应力混凝土单轴受压应力-应变关系曲线应变关系曲线常采用标准棱柱体或圆柱体试件来测定。常采用标准棱柱体或圆柱体试件来测定。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：超过峰值应力后，吸收试验机的变形能，测出下降段。混凝土的弹性模量混凝土的弹性模量 Elastic Modulus原点切线模量原点切线模量ElasticModulus割线（变形）模量割线（变形）模量SecantModulus切线模量切线模量TangentModulus弹性系数弹性系数n n (coefficient of elasticity)随应力增大而减小随应力增大而减小n n =10.52.2 混凝土混凝土一次加载卸载时应力混凝土一次加载卸载时应力应变曲线：应变曲线：OABB0c卸载时瞬时恢复应变残余应变卸载后弹性后效O13fcf 混凝土多次重复加载卸载的应力混凝土多次重复加载卸载的应力应变曲线：应变曲线：剪切模量：剪切模量：Gc=0.4Ec泊松比泊松比=横向应变横向应变/纵向应变纵向应变=0.2 混凝土轴心受拉时的应力混凝土轴心受拉时的应力-应变关系应变关系v徐变徐变定义：定义：在荷载保持不变的情况下，变形随时间推移在荷载保持不变的情况下，变形随时间推移继续增大的现象。继续增大的现象。特点：特点：早期发展快，但可以延续数年。早期发展快，但可以延续数年。徐徐变变对对混混凝凝土土结结构构和和构构件件的的工工作作性性能能有有很很大大影影响响。由由于于混混凝凝土土的的徐徐变变，会会使使构构件件的的变变形形增增加加，在在钢钢筋筋混混凝凝土土截截面面中中引引起起应应力力重重分分布布，在在预预应应力力混混凝凝土土结结构构中中会会造造成成预预应力的损失。应力的损失。混凝土徐变产生的原因混凝土中的水泥凝胶体在荷载作用下产生粘性流混凝土中的水泥凝胶体在荷载作用下产生粘性流动，并把它所承受的压力逐渐转给骨料颗粒，使骨动，并把它所承受的压力逐渐转给骨料颗粒，使骨料压应力增大，试件变形也随之增大；料压应力增大，试件变形也随之增大；混凝土内部的微裂缝在荷载长期作用下不断发展混凝土内部的微裂缝在荷载长期作用下不断发展和增加，也使徐变增大。和增加，也使徐变增大。当应力不大时，徐变的发展以第一个原因为主；当应力不大时，徐变的发展以第一个原因为主；当应力较大时，则以第二个原因为主。当应力较大时，则以第二个原因为主。在应力（在应力（0.5fc）作用瞬间，首先产生瞬时弹性应变）作用瞬间，首先产生瞬时弹性应变e ee，荷载，荷载持续作用下逐渐完成徐变应变持续作用下逐渐完成徐变应变。前前4个月徐变增长较快，个月徐变增长较快，6个月可达最终徐变的（个月可达最终徐变的（7080）%，以后增长逐渐缓慢，以后增长逐渐缓慢，23年后趋于稳定。年后趋于稳定。(103)00.51.01.52.051015202530(t/月)ecreecr(103)00.51.01.52.051015202530(t/月)ecreecr如在时间如在时间t 卸载，则会产生瞬时弹性恢复应变卸载，则会产生瞬时弹性恢复应变e ee。由于混凝土弹。由于混凝土弹性模量随时间增大，故弹性恢复应变性模量随时间增大，故弹性恢复应变e ee小于加载时的瞬时弹性小于加载时的瞬时弹性应变应变 e ee。再经过一段时间后，还有一部分应变。再经过一段时间后，还有一部分应变e ee可以恢复，称可以恢复，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为弹性后效或徐变恢复，但仍有不可恢复的残留永久应变e ecr影响徐变的因素1)1)应力大小应力大小当0.5fc时，徐变与应力成正比，这种情况称为线性徐变。当=(0.50.8)fc时，徐变的增长速度比应力的增长速度快，为非线性徐变。当0.8fc时，混凝土内部的微裂缝进入非稳态发展，导致混凝土破坏。取=0.8fc作为混凝土的长期抗压强度。2)2)龄期影响龄期影响加载时混凝土的龄期越长，徐变越小。加载时混凝土的龄期越长，徐变越小。为了减少徐变，应避免过早地给结构施加长期荷载，例如在施为了减少徐变，应避免过早地给结构施加长期荷载，例如在施工期内避免过早地撤除构件的模板支柱等，也可以采取加快混工期内避免过早地撤除构件的模板支柱等，也可以采取加快混凝土硬结的措施来减小龄期对徐变的影响。凝土硬结的措施来减小龄期对徐变的影响。3)3)材料组成材料组成在混凝土的组成成分中，水灰比愈大，水泥水化后残余在混凝土的组成成分中，水灰比愈大，水泥水化后残余的游离水愈多，徐变也愈大；的游离水愈多，徐变也愈大；水泥用量愈多，凝胶体在混凝土中所占比重也愈大，徐水泥用量愈多，凝胶体在混凝土中所占比重也愈大，徐变也愈大；变也愈大；骨料愈坚硬，弹性模量愈大以及骨料所占体积比愈大，骨料愈坚硬，弹性模量愈大以及骨料所占体积比愈大，则由凝胶体流动后传给骨料压力所引起的变形也愈小，徐则由凝胶体流动后传给骨料压力所引起的变形也愈小，徐变也愈小。变也愈小。4)4)外部环境外部环境养护环境湿度愈大，温度愈高，则水泥水化作用愈充分，养护环境湿度愈大，温度愈高，则水泥水化作用愈充分，徐变就愈小；徐变就愈小；混凝土在使用期间处于高温、干燥条件下所产生的徐变混凝土在使用期间处于高温、干燥条件下所产生的徐变比低温、潮湿时明显增大。比低温、潮湿时明显增大。徐变对结构的影响：徐变对结构的影响：使构件变形增大；使构件变形增大；在轴压构件中，使钢筋应力增加，混凝土应力减小；在轴压构件中，使钢筋应力增加，混凝土应力减小；在预应力构件中，使预应力发生损失；在预应力构件中，使预应力发生损失；在超静定结构中，使内力发生重分布。在超静定结构中，使内力发生重分布。PAsPAs s1c1Ps2As s2P拆去，钢筋受压混凝土受拉，可能会引起混凝土开裂徐变：徐变：s，c混凝土的收缩混凝土的收缩混凝土在空气中硬化时体积会缩小，这种现象称为混凝土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。的收缩。混凝土在水中结硬时体积会膨胀，这种现象称为混凝土的混凝土在水中结硬时体积会膨胀，这种现象称为混凝土的膨胀膨胀。收缩是混凝土在不受外力情况下体积变化产生的变形。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）的约当这种自发的变形受到外部（支座）或内部（钢筋）的约束时，束时，将使混凝土中产生拉应力，甚至引起混凝土的开裂。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。混凝土收缩会使预应力混凝土构件产生预应力损失。混凝土的非受力变形墙板干燥收缩裂缝与边框架的变形收缩对混凝土结构的影响AssAs s收缩：收缩：钢筋受压，混凝土受拉As混凝土的收缩是随时间而增长的变形，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早期收缩变形发展较快，两周可完成全部收缩的快，两周可完成全部收缩的25%，一个月可完成，一个月可完成50%，以后，以后变形发展逐渐减慢，整个收缩过程可延续两年以上。最终收变形发展逐渐减慢，整个收缩过程可延续两年以上。最终收缩应变值约为缩应变值约为(25)10-4，一般取收缩应变值为一般取收缩应变值为310-4。影响因素影响因素混混凝凝土土的的收收缩缩受受结结构构周周围围的的温温度度、湿湿度度、构构件件断断面面形形状状及及尺尺寸寸、配配合合比比、骨骨料料性性质质、水水泥泥性性质质、混混凝凝土土浇浇筑筑质质量量及及养养护条件等许多因素有关。护条件等许多因素有关。水泥用量多、水灰比越大，收缩越大水泥用量多、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，大尺寸构件收缩小小尺寸构件收缩大，大尺寸构件收缩小影响收缩的因素多且复杂，要精确计算尚有一定的困难。影响收缩的因素多且复杂，要精确计算尚有一定的困难。减少收缩的措施：减少收缩的措施：限制水泥用量；减小水灰比；加强振捣和养护；构造钢限制水泥用量；减小水灰比；加强振捣和养护；构造钢筋数量加强；设置变形缝；掺膨胀剂。筋数量加强；设置变形缝；掺膨胀剂。温度变形温度变形也是混凝土在非荷载状态下，产生内力的一个重温度变形也是混凝土在非荷载状态下，产生内力的一个重要因素。要因素。水水泥泥在在水水化化作作用用时时排排出出的的热热量量导导致致构构件件内内部部的的温温度度上上升升，构构件件表表面面由由于于便便于于散散热热而而温温度度相相对对较较低低。构构件件内内外外的的这这种种温差就会引起应力，从而导致混凝土开裂。温差就会引起应力，从而导致混凝土开裂。大体积混凝土结构以及水池、烟囱等结构由温度变化引起大体积混凝土结构以及水池、烟囱等结构由温度变化引起的温度应力必须予以考虑。的温度应力必须予以考虑。混凝土的选用原则混凝土的选用原则v钢筋混凝土结构中钢筋混凝土结构中混凝土强度等级不应低于混凝土强度等级不应低于C15。用用HRB335级钢筋时，不宜低于级钢筋时，不宜低于C20；用用HRB400和和RRB400级钢筋时，不得低于级钢筋时，不得低于C20。v预应力混凝土结构中预应力混凝土结构中 混凝土强度等级不应低于混凝土强度等级不应低于C30。当采用钢丝、钢绞线、热处理钢筋时，不宜低于当采用钢丝、钢绞线、热处理钢筋时，不宜低于C40。1.3钢筋与混凝土的粘结钢筋与混凝土的粘结钢筋与混凝土的粘结钢筋与混凝土的粘结试件的破坏是钢筋徐徐被拔出的剪切破坏。对于光面钢筋，表面轻度锈蚀有利于增加摩擦力，但摩擦作用也很有限。此外，由于光面钢筋表面的自然凹凸程度很小，机械咬合作用也不大。因此，光面钢筋与混凝土的粘结强度较低。光面钢筋的主要问题是强度低，滑移大。为保证光面钢筋的锚固，通常需在钢筋端部弯钩、弯折或加焊短钢筋以阻止钢筋与混凝土间产生较大的相对滑动。普通钢筋锚固长度普通钢筋锚固长度按下列公式计算：按下列公式计算：钢筋抗拉强钢筋抗拉强度设计值度设计值 钢筋外钢筋外形系数形系数 钢筋直径钢筋直径 混凝土轴心抗混凝土轴心抗拉强度设计值拉强度设计值 0.140.16带肋钢筋带肋钢筋光面钢筋光面钢筋钢筋类型钢筋类型