混凝土結構材料的物理力學性能

1、混凝土結構設計原理混凝土結構設計原理 學習目標學習目標掌握鋼筋的應力掌握鋼筋的應力- -應變曲線；應變曲線；了解鋼筋的冷加工性能、重復荷載下鋼筋的疲勞性能；了解鋼筋的冷加工性能、重復荷載下鋼筋的疲勞性能；掌握混凝土強度、應力掌握混凝土強度、應力- -應變曲線的概念；應變曲線的概念；熟悉混凝土變形模量、徐變、收縮的概念；熟悉混凝土變形模量、徐變、收縮的概念；掌握粘結的定義、基本錨固長度的計算；掌握粘結的定義、基本錨固長度的計算；掌握保證可靠粘結的構造要求。掌握保證可靠粘結的構造要求。 混凝土結構材料混凝土結構材料 的物理力學性能的物理力學性能 混凝土結構設計原理混凝土結構設計原理 教學提示教學提

2、示首先應明確材料的物理力學性能是混凝土首先應明確材料的物理力學性能是混凝土 結構計算理論建立的基礎。結構計算理論建立的基礎。本章應重點介紹混凝土在各種受力狀態(tài)下本章應重點介紹混凝土在各種受力狀態(tài)下 的強度與變形性能、鋼筋和混凝土的應力的強度與變形性能、鋼筋和混凝土的應力- - 應變曲線以及鋼筋與混凝土的黏結機理。應變曲線以及鋼筋與混凝土的黏結機理。 混凝土結構設計原理混凝土結構設計原理主要內容：主要內容：混凝土的物理力學性能混凝土的物理力學性能鋼筋的物理力學性能鋼筋的物理力學性能鋼筋與混凝土的粘結鋼筋與混凝土的粘結第二章 鋼筋和混凝土的材料性能2.1 混凝土混凝土立方抗壓強度混凝土立方抗壓強度

3、混凝土軸心抗壓強度混凝土軸心抗壓強度混凝土抗拉強度混凝土抗拉強度cufcftf150 150 150150 150 300100 100 500第二章 鋼筋和混凝土的材料性能2.1 混凝土 （混凝土結構中，主要是利用它的混凝土結構中，主要是利用它的抗壓強度抗壓強度。因此抗壓強。因此抗壓強度是混凝土力學性能中度是混凝土力學性能中最主要最主要和和最基本的指標最基本的指標） 邊長邊長150mm立方體標準立方體標準試件，在標準條件下（試件，在標準條件下（203，90%濕度）養(yǎng)護濕度）養(yǎng)護28天，用標準試驗方法（加載速度天，用標準試驗方法（加載速度0.150.3n/mm2/sec，兩端不涂潤滑劑）測得的

4、兩端不涂潤滑劑）測得的具有具有95%保證率保證率的立方體抗的立方體抗壓強度。壓強度。 fcu,k= fcu,m(1-1.645 )。 第二章 鋼筋和混凝土的材料性能 （2）混凝土的強度等級：混凝土的強度等級： 規(guī)范規(guī)范是根據混凝土立是根據混凝土立方體抗壓強度標準值來劃分的。從方體抗壓強度標準值來劃分的。從c15c80共劃分為共劃分為14個強度等級（如個強度等級（如c30表示表示fcu,k =30n/mm2），級差為，級差為5n/mm2。 （3）非標準試塊強度換算系數：非標準試塊強度換算系數： 200mm200mm200mm:1.05； 100mm100mm100mm:0.95。 套箍效應套箍效

5、應:不涂潤滑油不涂潤滑油 涂潤滑油涂潤滑油未采取減摩措施未采取減摩措施采取減摩措施后采取減摩措施后第二章 鋼筋和混凝土的材料性能第二章 鋼筋和混凝土的材料性能2.1 混凝土也稱棱柱體抗壓強度也稱棱柱體抗壓強度（用符號（用符號fc表示）表示），是用高寬比為，是用高寬比為24的棱柱體試件測的棱柱體試件測得的抗壓強度，我國標準以得的抗壓強度，我國標準以150150300mm的棱柱的棱柱體試件為標準試件，體試件為標準試件，也常用也常用150150450的棱柱體的棱柱體試件。試件。ckc1c2cu,k0.88ff 結構混凝土強度結構混凝土強度與試塊混凝土強與試塊混凝土強度的比值度的比值脆性影響脆性影響系

6、數系數棱柱體強度棱柱體強度與立方體強與立方體強度之比值度之比值第二章 鋼筋和混凝土的材料性能2.1 混凝土 c1 和和 c2 的取的取值值混凝土混凝土強度強度等級等級c40c45c50c55c60c65c70c75c80 c10.760.760.760.770.780.790.800.810.82 c21.000.984 0.968 0.951 0.935 0.919 0.903 0.887 0.87第二章 鋼筋和混凝土的材料性能拉壓壓 （由于軸心受拉試驗對中困難，也常常采用立方體或圓柱體由于軸心受拉試驗對中困難，也常常采用立方體或圓柱體劈劈裂試驗裂試驗測定混凝土的抗拉強度測定混凝土的抗拉強度

7、）dlfstf2,劈拉試驗fdf第二章 鋼筋和混凝土的材料性能2.1 混凝土0102030405060708090100123456 gbj10-89規(guī)范規(guī)范55. 0395. 0cu,m t,mff 3/226. 0 cu,mt,mff mtf,mcuf, 500 150 15010016軸心受拉試驗45. 055. 02)645. 11 (395. 088. 0,kcuffctk軸心抗拉強度標準值軸心抗拉強度標準值第二章 鋼筋和混凝土的材料性能2.1 混凝土第二章 鋼筋和混凝土的材料性能（1 1）規(guī)范規(guī)范規(guī)定材料強度的標準值規(guī)定材料強度的標準值 fk 應具有不小于應具有不小于95%的保證率

8、的保證率)645. 11 (mkffkcuccckff,2188. 0（3 3）軸心抗壓強度標準值軸心抗壓強度標準值45. 055. 02)645. 11 (395. 088. 0,kcuffctk（4 4）軸心抗拉強度標準值軸心抗拉強度標準值（2 2）立方體抗壓強度標準值立方體抗壓強度標準值fcu,k=fcu,m(1-1.645)第二章 鋼筋和混凝土的材料性能2.1 混凝土例例 已知已知fcu,m=30mpa, =0.14，求，求fcu,k和和fck fcu,k=fcu,m(1-1.645 ) =23.09mpa fc,m=0.76fcu,m fck=fc,m(1-1.645 )0.881.

9、0 =0.76fcu,m (1-1.645 ) 0.88 1.0 =15.44mpa混凝土強度標準值（n/mm2）混混 凝凝 土土 強強 度度 等等 級級強度種類強度種類符號符號c15c20c25c30c35軸心抗壓強度軸心抗壓強度fck10.013.416.720.123.4軸心抗拉強度軸心抗拉強度ftk1.271.541.782.012.20混混 凝凝 土土 強強 度度 等等 級級c40c45c50c55c60c65c70c75c8026.829.632.435.538.541.544.547.450.22.402.512.652.742.852.933.003.053.10第二章 鋼筋和

10、混凝土的材料性能2.1 混凝土fc 第二章 鋼筋和混凝土的材料性能2.1 混凝土 （實際結構中，混凝土（實際結構中，混凝土很少很少處于單向受力狀態(tài)。處于單向受力狀態(tài)。更多更多的是的是處于雙向或三向受力狀態(tài)。）處于雙向或三向受力狀態(tài)。）雙向受壓強度雙向受壓強度大于大于單單向受壓強度，向受壓強度，最大強最大強度發(fā)生在度發(fā)生在兩個壓應力兩個壓應力之比為之比為0.3 0.6之間，之間，約為約為(1.251.60 )fc。第二章 鋼筋和混凝土的材料性能2.1 混凝土 任意應力比情況下，任意應力比情況下，其強度均不超過其強度均不超過相應的單軸相應的單軸強度。強度。并且抗壓強度或抗拉強度均隨并且抗壓強度或抗

11、拉強度均隨另一方向拉應力另一方向拉應力或壓應力的增加而減小?；驂簯Φ脑黾佣鴾p小。 任意應力比情況下，任意應力比情況下，其強度其強度均均與單軸抗拉強與單軸抗拉強度度相近相近。第二章 鋼筋和混凝土的材料性能2.1 混凝土（構件受剪或受扭時常遇到）（構件受剪或受扭時常遇到）：抗拉、抗剪強度都降低；：抗拉、抗剪強度都降低；： 時，抗剪強度隨壓應力提高而增大；時，抗剪強度隨壓應力提高而增大； 時，抗剪抗壓強度均降低。時，抗剪抗壓強度均降低。6 . 0/cf6 . 0/cf /fc /fc第二章 鋼筋和混凝土的材料性能2.1 混凝土 （ 實際工程遇到較多的實際工程遇到較多的螺旋箍筋柱螺旋箍筋柱和和鋼管混

12、凝土柱鋼管混凝土柱中的中的混混凝土凝土為三向受壓狀態(tài)。三向受壓試驗一般采用圓柱體在等側壓為三向受壓狀態(tài)。三向受壓試驗一般采用圓柱體在等側壓條件進行。）條件進行。）1501005005 10 15 20 25000mpalfcfccf)75 . 4( 一次短期荷載下一次短期荷載下 受力變形受力變形 長期荷載下長期荷載下砼變形砼變形 多次重復荷載下多次重復荷載下 收縮變形收縮變形 體積變形體積變形 膨脹變形膨脹變形 溫度變形溫度變形第二章 鋼筋和混凝土的材料性能2.1 混凝土第二章 鋼筋和混凝土的材料性能2.1 混凝土 在普通試驗機上采用在普通試驗機上采用等應力速度等應力速度加載，加載，達到軸心達

13、到軸心抗壓強度抗壓強度fc時，時，試驗機中集聚的彈性應變能大于試件試驗機中集聚的彈性應變能大于試件所能吸收的應變能，所能吸收的應變能，會導致試件產生突然脆性破壞，會導致試件產生突然脆性破壞，只能測得曲線的只能測得曲線的上升段。上升段。 （常采用棱柱體試件來測定常采用棱柱體試件來測定）第二章 鋼筋和混凝土的材料性能2.1 混凝土 采用采用等應變速度等應變速度加載，加載，在試件旁附設高彈性元件在試件旁附設高彈性元件與試件一同受壓，以吸收試驗機內集聚的應變能，可與試件一同受壓，以吸收試驗機內集聚的應變能，可以測得曲線的以測得曲線的下降段。下降段。02468102030(mpa) 10-3第二章 鋼筋

14、和混凝土的材料性能2.1 混凝土baceda點以前點以前，微裂縫沒有，微裂縫沒有明顯發(fā)展，混凝土的變明顯發(fā)展，混凝土的變形主要彈性變形，應力形主要彈性變形，應力-應變關系近似直線。應變關系近似直線。a點應力隨混凝土強度的點應力隨混凝土強度的提高而增加，對普通強提高而增加，對普通強度混凝土度混凝土 a約為約為 (0.30.4)fc ，對高強混，對高強混凝土凝土 a可達可達(0.50.7)fc。a點以后點以后，由于微裂縫，由于微裂縫處的應力集中，裂縫開處的應力集中，裂縫開始有所延伸發(fā)展，產生始有所延伸發(fā)展，產生部分塑性變形，應變增部分塑性變形，應變增長開始加快，應力長開始加快，應力-應應變曲線逐漸

15、偏離直線。變曲線逐漸偏離直線。微裂縫的發(fā)展導致混凝微裂縫的發(fā)展導致混凝土的橫向變形增加。但土的橫向變形增加。但該階段微裂縫的發(fā)展是該階段微裂縫的發(fā)展是穩(wěn)定的。穩(wěn)定的?；炷猎诮Y硬過程中，混凝土在結硬過程中，由于水泥石的收縮、骨由于水泥石的收縮、骨料下沉以及溫度變化等料下沉以及溫度變化等原因，在骨料和水泥石原因，在骨料和水泥石的界面上形成很多微裂的界面上形成很多微裂縫，成為混凝土中的薄縫，成為混凝土中的薄弱部位。混凝土的最終弱部位?；炷恋淖罱K破壞就是由于這些微裂破壞就是由于這些微裂縫的發(fā)展造成的。縫的發(fā)展造成的。達到達到b點，內部一些微點，內部一些微裂縫相互連通，裂縫發(fā)裂縫相互連通，裂縫發(fā)展已

16、不穩(wěn)定，橫向變形展已不穩(wěn)定，橫向變形突然增大，體積應變開突然增大，體積應變開始由壓縮轉為增加。在始由壓縮轉為增加。在此應力的長期作用下，此應力的長期作用下，裂縫會持續(xù)發(fā)展最終導裂縫會持續(xù)發(fā)展最終導致破壞。取致破壞。取b點的應力點的應力作為混凝土的長期抗壓作為混凝土的長期抗壓強度。普通強度混凝土強度。普通強度混凝土 b約為約為0.8fc，高強強度，高強強度混凝土混凝土 b可達可達0.95fc以上。以上。達到達到c點點fc，內部微裂縫，內部微裂縫連通形成破壞面，應變連通形成破壞面，應變增長速度明顯加快，增長速度明顯加快，c點的縱向應變值稱為峰點的縱向應變值稱為峰值應變值應變 0，約為，約為0.00

17、2?？v向應變發(fā)展達到縱向應變發(fā)展達到d點，點，內部裂縫在試件表面出內部裂縫在試件表面出現(xiàn)第一條可見平行于受現(xiàn)第一條可見平行于受力方向的縱向裂縫。力方向的縱向裂縫。隨應變增長，試件上相隨應變增長，試件上相繼出現(xiàn)多條不連續(xù)的縱繼出現(xiàn)多條不連續(xù)的縱向裂縫，橫向變形急劇向裂縫，橫向變形急劇發(fā)展，承載力明顯下降，發(fā)展，承載力明顯下降，混凝土骨料與砂漿的粘混凝土骨料與砂漿的粘結不斷遭到破，裂縫連結不斷遭到破，裂縫連通形成斜向破壞面。通形成斜向破壞面。e點的應變點的應變 = (23) 0，應力應力 = (0.40.6) fc。第二章 鋼筋和混凝土的材料性能2.1 混凝土 強度越高強度越高，峰值應，峰值應變越

18、大，極限應變變越大，極限應變越小，下降段越陡越小，下降段越陡峭峭 延性越差延性越差強度越低強度越低，峰值應，峰值應變越小，極限應變變越小，極限應變越大，下降段越平越大，下降段越平緩緩延性越好延性越好2.1 混凝土第二章 鋼筋和混凝土的材料性能 hognestad hognestad建議的模型建議的模型uuccff000020015.010200.0020.0038 fc0.15 fc0u第二章 鋼筋和混凝土的材料性能上升段上升段：)1 (1 0ncccf0下降段下降段：ccfu00033. 010)50(0033. 0002. 010)50(5 . 0002. 02)50(60125,5,0,

19、kcuukcukcufffn規(guī)范混凝土應力-應變曲線參數 fcuc50c80n21.500.0020.00215u0.00330.0032.1 混凝土00.0010.0020.0030.00410203040506070c80c60c40c20 混凝土在橫向受約束力作用時，不但可提高其混凝土在橫向受約束力作用時，不但可提高其強度強度，還可提，還可提高其高其延性延性。 實際工程采用實際工程采用箍筋箍筋、鋼管鋼管提供約束提供約束第二章 鋼筋和混凝土的材料性能2.1 混凝土 第二章 鋼筋和混凝土的材料性能ec=tanec=tanec=tan2.1 混凝土0ddecddec 彈性系數彈性系數n n 隨

20、應力增大而減（隨應力增大而減（n n =10.5）ceelcecen第二章 鋼筋和混凝土的材料性能2.1 混凝土)n/mm(7 .342 . 2102,5kcucfe510次epaa=(0.40.5)fc)/(74.342 . 2102,5mmnfekcuc建規(guī)建規(guī)橋規(guī)橋規(guī) 第二章 鋼筋和混凝土的材料性能2.1 混凝土了了解解 ftt0ctctcttefefef25 . 00第二章 鋼筋和混凝土的材料性能2.1 混凝土凝膠體的塑性流動。凝膠體的塑性流動。裂縫的出現(xiàn)與發(fā)展。裂縫的出現(xiàn)與發(fā)展?；炷猎诤奢d的長期作用下，其應變或變形隨時間增長的現(xiàn)混凝土在荷載的長期作用下，其應變或變形隨時間增長的現(xiàn)象

21、稱為象稱為徐變徐變。第二章 鋼筋和混凝土的材料性能t0elashcrela,ela,cr, t 瞬時恢復瞬時恢復應變應變彈性后效彈性后效殘余應變殘余應變加載瞬時加載瞬時應變應變收縮應變收縮應變徐變徐變 ： 開始快、以后慢；半年完成大部分、一年穩(wěn)定、三開始快、以后慢；半年完成大部分、一年穩(wěn)定、三年終止年終止第二章 鋼筋和混凝土的材料性能2.1 混凝土 徐變會使結構（或構件）的徐變會使結構（或構件）的變形增大變形增大（如撓度）（如撓度） ； 引起引起預應力損失預應力損失； 在長期在長期高應力高應力作用下，甚至作用下，甚至會導致破壞會導致破壞。有利于結構構件產生有利于結構構件產生內（應）力重分布內（

22、應）力重分布，降低結構的受力；，降低結構的受力； 減小減小大體積混凝土大體積混凝土內的溫度應力；內的溫度應力； 受拉徐變可受拉徐變可延緩收縮裂縫延緩收縮裂縫的出現(xiàn)。的出現(xiàn)。第二章 鋼筋和混凝土的材料性能2.1 混凝土是是混凝土的組成和配比混凝土的組成和配比。 骨料的剛度（彈性模量）越大，體表比越大，徐變就越小骨料的剛度（彈性模量）越大，體表比越大，徐變就越小; 水灰比越小，水泥用量越少，徐變也越小。水灰比越小，水泥用量越少，徐變也越小。包括養(yǎng)護和使用條件。包括養(yǎng)護和使用條件。 受荷前受荷前養(yǎng)護的溫濕度越高，水泥水化作用越充分，徐變就越小。養(yǎng)護的溫濕度越高，水泥水化作用越充分，徐變就越小。 受荷

23、后受荷后構件所處的環(huán)境溫度越高，相對濕度越小，徐變就越大。構件所處的環(huán)境溫度越高，相對濕度越小，徐變就越大。第二章 鋼筋和混凝土的材料性能2.1 混凝土 徐變值與初應力基徐變值與初應力基本上本上成正比成正比，這種徐變稱為，這種徐變稱為線性徐變線性徐變。產生線性徐變的。產生線性徐變的主要原因主要原因是是凝膠體的塑性流動。凝膠體的塑性流動。 徐變最終雖仍收徐變最終雖仍收斂，但最終徐變與初應力斂，但最終徐變與初應力 i不成比例不成比例，這種徐變稱為，這種徐變稱為非非線性徐變線性徐變。產生產生非線性徐變非線性徐變的的主要原因主要原因是裂縫的出現(xiàn)與是裂縫的出現(xiàn)與發(fā)展。發(fā)展。是指初應力水平是指初應力水平

24、i /fc是影響徐變的非常是影響徐變的非常主主要要的因素。的因素。 混凝土內部微裂縫的發(fā)展已混凝土內部微裂縫的發(fā)展已處于處于不穩(wěn)定不穩(wěn)定的狀態(tài)，徐變的發(fā)展將不收斂，最終導致混的狀態(tài)，徐變的發(fā)展將不收斂，最終導致混凝土的破壞。因此將凝土的破壞。因此將0.8fc作為混凝土的長期抗壓強度。作為混凝土的長期抗壓強度。第二章 鋼筋和混凝土的材料性能第二章 鋼筋和混凝土的材料性能標準試件標準試件：150150300或或150150450mm 的棱柱體的棱柱體200萬次萬次荷載應力大小，即荷載應力大小，即疲勞應力比值疲勞應力比值是影響是影響疲勞強度疲勞強度大小的關鍵因素大小的關鍵因素 fmaxc,fminc

25、,fc混凝土疲勞強度混凝土疲勞強度fcf fcf= g g fc見見建工教材建工教材p316p316附表附表2-42-4第二章 鋼筋和混凝土的材料性能2.1 混凝土 混凝土在空氣中硬化時體積會縮小，混凝土在空氣中硬化時體積會縮小，這種現(xiàn)象稱為這種現(xiàn)象稱為混凝土的收縮混凝土的收縮。（收縮是混凝土在（收縮是混凝土在不受外力不受外力情況下由于體積情況下由于體積變化而產生的變形。）變化而產生的變形。）：干燥失水。：干燥失水。：混凝土的碳化混凝土的碳化（凝膠體中的凝膠體中的ca(oh)2 caco3）。第二章 鋼筋和混凝土的材料性能2.1 混凝土當收縮受到當收縮受到約束約束（如支座、內部鋼筋）時，將使混

26、（如支座、內部鋼筋）時，將使混凝土中凝土中產生拉應力，甚至引起混凝土的開裂。產生拉應力，甚至引起混凝土的開裂?；炷潦湛s會使混凝土收縮會使預應力混凝土預應力混凝土構件產生構件產生預應力損失。預應力損失。圖圖b) b) 墻板干燥收縮裂縫與邊框架的變形墻板干燥收縮裂縫與邊框架的變形圖圖a) a) 鋼筋混凝土構件的收縮裂縫鋼筋混凝土構件的收縮裂縫第二章 鋼筋和混凝土的材料性能2.1 混凝土早期發(fā)展快，早期發(fā)展快，兩周兩周可完成全部收縮的可完成全部收縮的25%，一個月一個月可完可完成成50%；以后發(fā)展逐漸減慢，；以后發(fā)展逐漸減慢，整個收縮過程整個收縮過程可延續(xù)可延續(xù)兩年兩年以以上。上。一般情況下，最終

27、收縮應變值約為一般情況下，最終收縮應變值約為(25)10-4 混凝土開裂應變?yōu)榛炷灵_裂應變?yōu)?0.52.7)10-414d 28dt(25)10-425%50% ch第二章 鋼筋和混凝土的材料性能2.1 混凝土水泥的強度等級高、用量多、水灰比大，收縮就水泥的強度等級高、用量多、水灰比大，收縮就大；大； 骨料彈性模量高、級配好，收縮就?。还橇蠌椥阅Ａ扛摺⒓壟浜?，收縮就?。?養(yǎng)護時的濕度大、溫度高，收縮就小；養(yǎng)護時的濕度大、溫度高，收縮就??；使用時的濕度大、溫度低，收縮就?。皇褂脮r的濕度大、溫度低，收縮就小； 構件體表比大，收縮就小；構件體表比大，收縮就小； 混凝土越密實，混凝土越密實，收縮越小

28、；收縮越?。?第二章 鋼筋和混凝土的材料性能2.1 混凝土 混凝土在水中硬化時體積會增大，混凝土在水中硬化時體積會增大，這種現(xiàn)象這種現(xiàn)象稱為混凝土的膨脹。稱為混凝土的膨脹。 但混凝土的膨脹值一般較小，對結構的影響也但混凝土的膨脹值一般較小，對結構的影響也較小，所以經常不予考慮。較小，所以經常不予考慮。第二章 鋼筋和混凝土的材料性能2.2 鋼筋 鐵元素鐵元素：主要成分。：主要成分。 碳元素碳元素：含碳量增加，強度提高，但塑性和可焊：含碳量增加，強度提高，但塑性和可焊性降低。低碳鋼（性降低。低碳鋼（0.25%)25%,25%,不應不應50%;50%; 對板、墻：不宜對板、墻：不宜25%;25%; 對柱：不宜對柱：不宜50%;50%;2.4一般構造規(guī)定ll直接根據直接根據混凝土強度等級混凝土強度等級和和鋼筋級別鋼筋級別確定確定受拉鋼筋的受拉鋼筋的搭接搭接ls第二章 材料的力學性能取縱向取縱向受拉鋼筋搭接長度受拉鋼筋搭接長度的的0.70.7倍，即倍，即0.70.7ll，且在且在任何情況下不應小于任何情況下不應小于200mm。 直徑直徑 較大縱筋較大縱筋直徑的直徑的0.25倍；倍； 間距間距： 較小縱筋較小縱筋直徑的直徑的5倍，且不