鋼筋和混凝土材料的力學(xué)性能第二章

1、第二章 鋼筋和混凝土材料的力學(xué)性能Mechanical Properties ofReinforcement and Concrete2.1 混凝土(Concrete)一、混凝土的強(qiáng)度（ Strength Grade ）1、混凝土強(qiáng)度等級(jí)混凝土結(jié)構(gòu)中，主要是利用它的抗壓強(qiáng)度(Compressive Strength) 。因此抗壓強(qiáng)度是混凝土力學(xué)性能中最基本的指標(biāo)?；炷恋膹?qiáng)度等級(jí)是用抗壓強(qiáng)度來(lái)劃分的?；炷翉?qiáng)度等級(jí)：邊長(zhǎng)150mm立方體標(biāo)準(zhǔn)試件，在標(biāo)準(zhǔn)條件下（203，90%濕度）養(yǎng)護(hù)28天，用標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法（加載速度0.30.50.8N/mm2/sec，兩端不涂潤(rùn)滑劑）測(cè)得的具有95%保證率的立

2、方體抗壓強(qiáng)度(Cube Strength) ，稱(chēng)為混凝土立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fcu,k 。規(guī)范根據(jù)強(qiáng)度范圍，從C15C80共劃分為14個(gè)強(qiáng)度等級(jí):C15,C20,C25,C30,C35,C40,C45,C50,C55,C60,C65,C70,C75,C80。C50以上為高強(qiáng)混凝土， C30表示fcu,k=30N/mm2 美國(guó)、日本、加拿大等國(guó)家，采用圓柱體（直徑150mm，高300 mm）標(biāo)準(zhǔn)試件測(cè)定的抗壓強(qiáng)度來(lái)劃分強(qiáng)度等級(jí)，符號(hào)記為 fc。圓柱體強(qiáng)度與我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)立方體抗壓強(qiáng)度的換算關(guān)系為 立方體和圓柱體抗壓試驗(yàn)都不能代表混凝土在實(shí)際構(gòu)件中的受力狀態(tài)，只是用來(lái)在同一標(biāo)準(zhǔn)條件下比較混凝土強(qiáng)度水平和

3、品質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)（制作、測(cè)試方便）。2、軸心抗壓強(qiáng)度(Uniaxial Compressive Strength) 軸心抗壓強(qiáng)度采用棱柱體試件測(cè)定，用符號(hào) fc 表示，它比較接近實(shí)際構(gòu)件中混凝土的受壓情況。我國(guó)通常取150mm150mm300mm的棱柱體試件。對(duì)于同一混凝土，棱柱體抗壓強(qiáng)度（ Understanding Failure Mechanismfc fcu 對(duì)嗎？02468102030s(MPa)e 10-3BACED 混凝土存在微裂縫 微裂縫沒(méi)有發(fā)展， 混凝土為彈性變形 微裂縫有所發(fā)展 一些微裂縫相互連通，裂縫發(fā)展加快 微裂縫連通形成破壞面，應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速度明顯加快 試件表面出現(xiàn)第一條可見(jiàn)平

4、行于受力方向的縱向裂縫 出現(xiàn)多條不連續(xù)的縱向裂縫 縱向裂縫形成一斜向破壞面。達(dá)到B點(diǎn)，內(nèi)部一些微裂縫相互連通，裂縫發(fā)展已不穩(wěn)定，橫向變形突然增大，體積應(yīng)變開(kāi)始由壓縮轉(zhuǎn)為增加。在此應(yīng)力的長(zhǎng)期作用下，裂縫會(huì)持續(xù)發(fā)展最終導(dǎo)致破壞。取B點(diǎn)的應(yīng)力作為混凝土的長(zhǎng)期抗壓強(qiáng)度。普通強(qiáng)度混凝土B約為0.8fc，高強(qiáng)強(qiáng)度混凝土B可達(dá)0.95fc以上?？v向應(yīng)變發(fā)展達(dá)到D點(diǎn)，內(nèi)部裂縫在試件表面出現(xiàn)第一條可見(jiàn)平行于受力方向的縱向裂縫。A：比例極限，B：臨界點(diǎn)，C：峰點(diǎn)，D：拐點(diǎn)，E：收斂點(diǎn)混凝土局部受壓強(qiáng)度f(wàn)cl 比軸心抗壓強(qiáng)度 fc 大很多，是因?yàn)榫植渴軌好娣e以 外的混凝土對(duì)局部受壓區(qū) 域內(nèi)部混凝土微裂縫產(chǎn)生 了較強(qiáng)

5、的約束。 局部受壓試件采用配置螺旋箍筋形成所謂“約束混凝土”，可顯著提高混凝土的抗壓強(qiáng)度，并且可以提高混凝土變形能力。理解混凝土的破壞機(jī)理，不僅可以解釋各種不同試驗(yàn)混凝土強(qiáng)度的差別，還可以通過(guò)約束混凝土的橫向變形來(lái)提高混凝土的抗壓強(qiáng)度。 螺旋箍筋約束混凝土 “約束混凝土(Confined Concrete)”的概念在工程中許多地方都有應(yīng)用，如螺旋箍筋柱、后張法預(yù)應(yīng)力錨具下局部受壓區(qū)域配置的鋼筋網(wǎng)或螺旋筋等。而鋼管混凝土(Concrete Filled Steel Tube)對(duì)內(nèi)部混凝土的約束效果更好，因此近年來(lái)在我國(guó)工程中得到許多應(yīng)用。約束混凝土可以提高混凝土的強(qiáng)度，但更值得注意的是可以提高混

6、凝土的變形能力(Deformation Capacity)，這一點(diǎn)對(duì)于抗震結(jié)構(gòu)非常重要。在抗震結(jié)構(gòu)對(duì)于可能出現(xiàn)塑性鉸的區(qū)域，均要求加密箍筋配置來(lái)提高構(gòu)件的變形能力，達(dá)到壞而不倒的目的。三、混凝土的變形1、單軸（單調(diào)）受壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系強(qiáng)度等級(jí)越高，線(xiàn)彈性段越長(zhǎng)，峰值應(yīng)變也有所增大。但高強(qiáng)混凝土中，砂漿與骨料的粘結(jié)很強(qiáng)，密實(shí)性好，微裂縫很少，最后的破壞往往是骨料破壞，破壞時(shí)脆性越顯著，下降段越陡。2、混凝土的彈性模量 Elastic Modulus原點(diǎn)切線(xiàn)模量Elastic Modulus割線(xiàn)模量Secant Modulus切線(xiàn)模量Tangent Modulus彈性系數(shù)n (coefficien

7、t of elasticity) 隨應(yīng)力增大而減小n =10.5彈性模量（原點(diǎn)模量）測(cè)定方法棱柱體試件測(cè)定3、箍筋約束混凝土受壓的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系螺旋箍筋約束對(duì)強(qiáng)度和變形能力均有很大提高矩形箍筋約束對(duì)強(qiáng)度的提高不是很顯著，但對(duì)變形能力有顯著改善(b) 矩形箍筋壓應(yīng)變箍筋d=4.76mm，s=38.1mm箍筋d=4.76mm，s=63.5mm無(wú)箍筋10203040壓應(yīng)力（N/mm2） 箍筋與內(nèi)部混凝土的體積比； 箍筋的屈服強(qiáng)度； 箍筋間距與核心截面直徑或邊長(zhǎng)的比值； 箍筋直徑與肢距的比值； 混凝土強(qiáng)度，對(duì)高強(qiáng)混凝土的約束效果差一些。影響因素4、混凝土受拉應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系四、復(fù)雜應(yīng)力下混凝土的受力性能

8、實(shí)際結(jié)構(gòu)中，混凝土很少處于單向受力狀態(tài)。更多的是處于雙向或三向受力狀態(tài)。如剪力和扭矩作用下的構(gòu)件、彎剪扭和壓彎剪扭構(gòu)件、混凝土拱壩、核電站安全殼等。雙軸應(yīng)力狀態(tài)Biaxial Stress State雙向受壓強(qiáng)度大于單向受壓強(qiáng)度，最大受壓強(qiáng)度發(fā)生在兩個(gè)壓應(yīng)力之比為0.3 0.6之間，約為(1.251.60 )fc。雙軸受壓狀態(tài)下混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系與單軸受壓曲線(xiàn)相似，但峰值應(yīng)變均超過(guò)單軸受壓時(shí)的峰值應(yīng)變。四、復(fù)雜應(yīng)力下混凝土的受力性能實(shí)際結(jié)構(gòu)中，混凝土很少處于單向受力狀態(tài)。更多的是處于雙向或三向受力狀態(tài)。如剪力和扭矩作用下的構(gòu)件、彎剪扭和壓彎剪扭構(gòu)件、混凝土拱壩、核電站安全殼等。雙軸應(yīng)力狀態(tài)

9、Biaxial Stress State在一軸受壓一軸受拉狀態(tài)下（第二、四象限），任意應(yīng)力比情況下均不超過(guò)其相應(yīng)單軸強(qiáng)度。并且抗壓強(qiáng)度或抗拉強(qiáng)度均隨另一方向拉應(yīng)力或壓應(yīng)力的增加而減小。四、復(fù)雜應(yīng)力下混凝土的受力性能實(shí)際結(jié)構(gòu)中，混凝土很少處于單向受力狀態(tài)。更多的是處于雙向或三向受力狀態(tài)。如剪力和扭矩作用下的構(gòu)件、彎剪扭和壓彎剪扭構(gòu)件、混凝土拱壩、核電站安全殼等。雙軸應(yīng)力狀態(tài)Biaxial Stress State在雙軸受拉狀態(tài)下（第一象限），則不論應(yīng)力比多大，抗拉強(qiáng)度均與單軸抗拉強(qiáng)度接近。構(gòu)件受剪或受扭時(shí)常遇到剪應(yīng)力t 和正應(yīng)力s 共同作用下的復(fù)合受力情況?；炷恋目辜魪?qiáng)度：隨拉應(yīng)力增大而減小

10、隨壓應(yīng)力增大而增大當(dāng)壓應(yīng)力在0.6fc左右時(shí)，抗剪強(qiáng)度達(dá)到最大，壓應(yīng)力繼續(xù)增大，則由于內(nèi)裂縫發(fā)展明顯，抗剪強(qiáng)度將隨壓應(yīng)力的增大而減小。三軸應(yīng)力狀態(tài) Triaxial Stress State三軸應(yīng)力狀態(tài)有多種組合，實(shí)際工程遇到較多的螺旋箍筋柱和鋼管混凝土柱中的混凝土為三向受壓狀態(tài)。三向受壓試驗(yàn)一般采用圓柱體在等側(cè)壓條件進(jìn)行。五、混凝土的收縮和徐變 Shrinkage and Creep1、混凝土的收縮Shrinkage 混凝土在空氣中硬化時(shí)體積會(huì)縮小，這種現(xiàn)象稱(chēng)為混凝土的收縮。 收縮是混凝土在不受外力情況下體積變化產(chǎn)生的變形。當(dāng)這種自發(fā)的變形受到外部（支座）或內(nèi)部（鋼筋）的約束時(shí)，將使混凝土中

11、產(chǎn)生拉應(yīng)力，甚至引起混凝土的開(kāi)裂?；炷潦湛s會(huì)使預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力損失。 某些對(duì)跨度比較敏感的超靜定結(jié)構(gòu)（如拱結(jié)構(gòu)），收縮也會(huì)引起不利的內(nèi)力。墻板干燥收縮裂縫與邊框架的變形混凝土的收縮是隨時(shí)間而增長(zhǎng)的變形，早期收縮變形發(fā)展較快，兩周可完成全部收縮的25%，一個(gè)月可完成50%，以后變形發(fā)展逐漸減慢，整個(gè)收縮過(guò)程可延續(xù)兩年以上。一般情況下，最終收縮應(yīng)變值約為(25)10-4（混凝土開(kāi)裂應(yīng)變(0.52.7)10-4）。 影響因素 水泥用量多、水灰比越大，收縮越大 骨料彈性模量高、級(jí)配好，收縮就小 干燥失水及高溫環(huán)境，收縮大 小尺寸構(gòu)件收縮大，大尺寸構(gòu)件收縮小 高強(qiáng)混凝土收縮大 影響收縮的因素

12、多且復(fù)雜，要精確計(jì)算尚有一定的困難。 在實(shí)際工程中，要采取一定措施減小收縮應(yīng)力的不利影響施工縫。2、混凝土的徐變 Creep 混凝土在荷載的長(zhǎng)期作用下，其變形隨時(shí)間而不斷增長(zhǎng)的現(xiàn)象稱(chēng)為徐變。 1、徐變會(huì)使結(jié)構(gòu)（構(gòu)件）的（撓度）變形增大，引起預(yù)應(yīng)力損失，在長(zhǎng)期高應(yīng)力作用下，甚至?xí)?dǎo)致破壞。 2、徐變有利于結(jié)構(gòu)構(gòu)件產(chǎn)生內(nèi)（應(yīng)）力重分布，降低結(jié)構(gòu)的受力（如支座不均勻沉降），減小大體積混凝土內(nèi)的溫度應(yīng)力，受拉徐變可延緩收縮裂縫的出現(xiàn)。 3、與混凝土的收縮一樣，徐變也與時(shí)間有關(guān)。影響因素內(nèi)在因素是混凝土的組成和配比。骨料(aggregate)的剛度（彈性模量）越大，體積比越大，徐變就越小。水灰比越小，徐

13、變也越小。環(huán)境影響包括養(yǎng)護(hù)和使用條件。受荷前養(yǎng)護(hù)(curing)的溫濕度越高，水泥水化作用越充分，徐變就越小。采用蒸汽養(yǎng)護(hù)可使徐變減少（2035）%。受荷后構(gòu)件所處的環(huán)境溫度越高，相對(duì)濕度越小，徐變就越大。應(yīng)力條件是指初應(yīng)力(initial stress)水平si /fc和加荷時(shí)混凝土的齡期t0，它們影響徐變的非常主要的因素。 事故分析1：XXX省一五層磚混結(jié)構(gòu)，當(dāng)主體接近完工，正在鋪設(shè)屋面板及天溝時(shí)，整棟建筑整體瞬間全部倒塌，其中一個(gè)原因是混凝土強(qiáng)度過(guò)低。經(jīng)測(cè)定，C30的混凝土大梁，實(shí)際抗壓強(qiáng)度最低只達(dá)到13MPa，C20的混凝土柱，只達(dá)到7.5MPa。 事故分析2：XX某六層框架結(jié)構(gòu)辦公大樓，澆筑第三層框架梁柱時(shí)，原