第二章鋼筋和混凝土的材料性能 鋼筋2.2 混凝土Concrete

第二章鋼筋和混凝土的材料性能2.2混凝土2.2混凝土ConcreteQuestions:1.WhatkindsofstrengthwereusedinRCconstruction?2.Whatrelationshipbetweenthedifferentconcretestrength?3.WhatmechanicalpropertiesmustbeusedinRCstructureanalysis?4.AnyotherpropertiesmustbeconsideredforpracticaluseinRCstructure?第二章鋼筋和混凝土的材料性能2.2混凝土2.2concrete一、strength1、StrengthGrade

ConcreteismainlyofferitscompressivestrengthinRCstructures.Thuscompressivestrengthisveryimportant.Thestrengthgradeofconcreteisdefinedaccordingtothecompressivestrength.

Accordingtothestrength,thereare14gradesofconcrete.SizeEffect第二章鋼筋和混凝土的材料性能2.2混凝土2.2混凝土一、混凝土的強度1、混凝土強度等級（StrengthGrade）混凝土結(jié)構中，主要是利用它的抗壓強度(CompressiveStrength)。因此抗壓強度是混凝土力學性能中最主要和最基本的指標?；炷恋膹姸鹊燃壥怯每箟簭姸葋韯澐值幕炷翉姸鹊燃墸哼呴L150mm立方體標準試件，在標準條件下（20±3℃，≥90%濕度）養(yǎng)護28天，用標準試驗方法（加載速度2/sec，兩端不涂潤滑劑）測得的具有95%保證率的立方體抗壓強度(CubeStrength)，用符號C表示。

C30：fcu,k=30N/mm2

第二章鋼筋和混凝土的材料性能2.2混凝土《規(guī)范》(GB50010-2002)根據(jù)強度范圍，從C15~C80共劃分為14個強度等級，級差為5N/mm2。與原《規(guī)范GBJ10-89》相比，混凝土強度等級范圍由C60提高到C80，C50以上為高強混凝土(High-StrentgthConcrete)，有關指標和計算公式在C50與原《規(guī)范GBJ10-89》銜接。100mm立方體強度與標準立方體強度之間的換算關系SizeEffect小于C50的混凝土，修正系數(shù)(CorrectionFactor)m。隨混凝土強度的提高，修正系數(shù)m值有所降低。當fcu100=100N/mm2時，換算系數(shù)m約為（尺寸越小，測得強度越高）第二章鋼筋和混凝土的材料性能2.2混凝土Whydoverticalcracksoccurunderverticalcompressiveforce?CubeStrength第二章鋼筋和混凝土的材料性能2.2混凝土InAmerica,JapanandCanada,strengthgradecomesfromthecompressivestrengthofstandardcylinderspecimens.Theconversionequationofcylinderstrengthandthestandardcubestrengthis:CubestrengthandcylinderstrengtharenottheactualstressofconcreteintheRCmembers.第二章鋼筋和混凝土的材料性能2.2混凝土America、Japan、Canada等國家，采用圓柱體（直徑150mm，高300mm）標準試件測定的抗壓強度來劃分強度等級，符號記為fc'。圓柱體強度與我國標準立方體抗壓強度的換算關系為，立方體和圓柱體抗壓試驗都不能代表混凝土在實際構件中的受力狀態(tài)，只是用來在同一標準條件下比較混凝土強度水平和品質(zhì)的標準（制作、測試方便）。相同強度等級的混凝土，我國的混凝土實際強度比美國低。第二章鋼筋和混凝土的材料性能2.2混凝土2、AxialCompressiveStrengthAxialcompressivestrengthisdefinedbythestrengthoftheprismtestinwhichcanreflecttheactualstrengthofthestructuralmembers.Thesizeofthespecimensisusually150mm×150mm×450mmor100mm×100mm×300mm.Axialcompressivestrengthissmallerthancubestrength,andtheconversionequationofthemis:Where,whenstrengthgradeisbelowC50,k，andforC80,k.Thenthelinearinterpolationisusedbetweenthem.第二章鋼筋和混凝土的材料性能2.2混凝土2、軸心抗壓強度AxialCompressiveStrength軸心抗壓強度采用棱柱體試件測定，用符號fc表示，它比較接近實際構件中混凝土的受壓情況。棱柱體試件高寬比一般為h/b=3~4，我國通常取150mm×150mm×450mm的棱柱體試件，也常用100×100×300試件。對于同一混凝土，棱柱體抗壓強度小于立方體抗壓強度。棱柱體抗壓強度和立方體抗壓強度的換算關系為，《規(guī)范》對小于C50級的混凝土取k，對C80取k，其間按線性插值第二章鋼筋和混凝土的材料性能2.2混凝土WhyAxialCompressiveStrengthissmallerthancubestrength?AxialCompressiveStrength

第二章鋼筋和混凝土的材料性能2.2混凝土3、AxialTensileStrengthWiththeexpressionofft,axialtensilestrengthrelatestothecracking,cracks,deformation,shear,torsionandcuttingofRCmembers.AxialTensileTestConversionCurvesofAxialTensileStrengthandCubeStrength第二章鋼筋和混凝土的材料性能2.2混凝土3、軸心抗拉強度AxialTensileStrength也是其基本力學性能，用符號ft表示?；炷翗嫾_裂、裂縫、變形，以及受剪、受扭、受沖切等的承載力均與抗拉強度有關。第二章鋼筋和混凝土的材料性能2.2混凝土劈拉試驗PaP拉壓壓Itisdifficulttocarryouttheaxialtensiletest,sothecubestrengthandcylinder’ssplittingstrengthareusuallyused.SplittingTest第二章鋼筋和混凝土的材料性能2.2混凝土劈拉試驗PaP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劈拉試驗測定混凝土的抗拉強度(SplittingStrength)第二章鋼筋和混凝土的材料性能2.2混凝土TensileStrength第二章鋼筋和混凝土的材料性能2.2混凝土Consideringthethedifferencebetweenthespecimensandtheactualmember,andalsothebrittlebehaviorofthehighstrengthconcrete,ReductionCoefficientisintroducedtotheaxialcompressivestrengthandaxialtensilestrength.⑴Actualstrengthtospecimenstrengthratiois0.88;⑵ReductionCoefficientofBrittle，，，andlinearinterpolationisusedbetweenthem.[Example]fcu=30MPa,d

=0.12,fcu,m=fcud)

fc,mfcu,m

fc,k=fc,mdcu第二章鋼筋和混凝土的材料性能2.2混凝土4、混凝土強度的標準值CharacteristicStrength《規(guī)范》規(guī)定材料強度的標準值fk應具有不小于95%的保證率立方體強度標準值即為混凝土強度等級fcu?！兑?guī)范》在確定混凝土軸心抗壓強度和軸心抗拉強度標準值時，假定它們的變異系數(shù)與立方體強度的變異系數(shù)相同，利用與立方體強度平均值的換算關系，便可按上式計算得到。Question:Areyoufeelsafeenoughtousecharacteristicstrength?第二章鋼筋和混凝土的材料性能2.2混凝土《規(guī)范》考慮到試件與實際結(jié)構的差異以及高強混凝土的脆性(Brittle)特征，對軸心抗壓強度和軸心抗拉強度，還采用了以下兩個折減系數(shù)(ReductionCoefficient)：⑴結(jié)構中混凝土強度與混凝土試件強度的比值，??；⑵脆性折減系數(shù)，對C40取，對C80取，中間按線性規(guī)律變化。[例]fcu=30MPa,d

=0.12,fcu,m=fcud)

fc,mfcu,m

fc,k=fc,mdcu第二章鋼筋和混凝土的材料性能2.2混凝土第二章鋼筋和混凝土的材料性能2.2混凝土二、混凝土破壞機理FailureMechanismfc<fcu

?不涂潤滑劑Withoutlubricant涂潤滑劑Withlubricant>≈02468102030s(MPa)e×10-3第二章鋼筋和混凝土的材料性能2.2混凝土Whencuring,thereformmanymicro-fissureinsidetheconcretewhichistheweaknessoftheconcrete.Anditresultsinthedamageoftheconcrete.BACED02468102030s(MPa)e×10-3第二章鋼筋和混凝土的材料性能2.2混凝土混凝土在結(jié)硬過程中，由于水泥石的收縮、骨料下沉以及溫度變化等原因，在骨料和水泥石的界面上形成很多微裂縫Micro-fissure，成為混凝土中的薄弱部位。混凝土的最終破壞就是由于這些微裂縫的發(fā)展造成的。BACED02468102030s(MPa)e×10-3第二章鋼筋和混凝土的材料性能2.2混凝土ABeforepointA，thedeformationismainlyelasticandthestress-straincurveislinear.

BCED02468102030s(MPa)e×10-3第二章鋼筋和混凝土的材料性能2.2混凝土AA點以前，微裂縫沒有明顯發(fā)展，混凝土的變形主要彈性變形，應力-應變關系近似直線。A點應力隨混凝土強度的提高而增加，對普通強度混凝土sA約為

(0.3~0.4)fc，對高強混凝土sA可達(0.5~0.7)fc。BCED02468102030s(MPa)e×10-3第二章鋼筋和混凝土的材料性能2.2混凝土BAAfterpointA，duetothestressconcentrationatthemicro-fissure,thecracksareextendedandplasticdeformationappears.CED02468102030s(MPa)e×10-3第二章鋼筋和混凝土的材料性能2.2混凝土BAA點以后，由于微裂縫處的應力集中，裂縫開始有所延伸發(fā)展，產(chǎn)生部分塑性變形(PlasticDeformation)，應變增長開始加快，應力-應變曲線逐漸偏離直線。微裂縫的發(fā)展導致混凝土的橫向變形增加Expansion。但該階段微裂縫的發(fā)展是穩(wěn)定的。CED02468102030s(MPa)e×10-3第二章鋼筋和混凝土的材料性能2.2混凝土BAAtpointB,thecracksareinstableandtheconcretewilldamageunderalongertime.CED02468102030s(MPa)e×10-3第二章鋼筋和混凝土的材料性能2.2混凝土BA達到B點，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，體積應變開始由壓縮轉(zhuǎn)為增加。在此應力的長期作用下，裂縫會持續(xù)發(fā)展最終導致破壞。取B點的應力作為混凝土的長期抗壓強度。普通強度混凝土sB約為fc，高強強度混凝土sB可達fc以上。CED02468102030s(MPa)e×10-3第二章鋼筋和混凝土的材料性能2.2混凝土BACEDAtpointC，failureplanehasbeendeveloped.Andthelongitudinalstrainatthispointiscalledpeakstraine0(0.002).AtpointD,itcanbefoundthefirst

longitudinalcracks。02468102030s(MPa)e×10-3第二章鋼筋和混凝土的材料性能2.2混凝土BACED達到C點fc，內(nèi)部微裂縫連通形成破壞面，應變增長速度明顯加快，C點的縱向應變值稱為峰值應變e0，約為。縱向應變發(fā)展達到D點，內(nèi)部裂縫在試件表面出現(xiàn)第一條可見平行于受力方向的縱向裂縫(LongitudinalCracks)。02468102030s(MPa)e×10-3第二章鋼筋和混凝土的材料性能2.2混凝土BACEDWiththedevelopmentofthestrain,severaldiscontinuouslongitudinalcrackswillappearonthespecimen.Loadcapacitybecomeslower.02468102030s(MPa)e×10-3第二章鋼筋和混凝土的材料性能2.2混凝土BACED隨應變增長，試件上相繼出現(xiàn)多條不連續(xù)的縱向裂縫，橫向變形急劇發(fā)展，承載力明顯下降。02468102030s(MPa)e×10-3第二章鋼筋和混凝土的材料性能2.2混凝土BACEDBondbetweenaggregateandmortarisbrokenandfailureplaneisdeveloped.02468102030s(MPa)e×10-3第二章鋼筋和混凝土的材料性能2.2混凝土BACED混凝土骨料與砂漿的粘結(jié)不斷遭到破壞，裂縫連通形成斜向破壞面。E點應變e=(2~3)e0，應力s=(0.4~0.6)fc。02468102030s(MPa)e×10-3第二章鋼筋和混凝土的材料性能2.2混凝土BACEDAfterpointE,longitudinalcracksbecometoadiagonalfailureplane.Thenundertheactionofthenormalstressandshearstress,theybecometoafailurestrip.02468102030s(MPa)e×10-3第二章鋼筋和混凝土的材料性能2.2混凝土BACEDE點以后，縱向裂縫形成一斜向破壞面，此破壞面受正應力(NormalStress)和剪應力(ShearStress)的作用繼續(xù)擴展，形成一破壞帶。此時試件的強度由斜向破壞面上的骨料間的摩阻力(FrictionalResistance)提供。隨應變繼續(xù)發(fā)展，摩阻力和粘結(jié)力(BondStress)不斷下降，但即使在很大的應變下，骨料間仍有一定摩阻力，殘余強度約為(0.1~0.4)fc。第二章鋼筋和混凝土的材料性能2.2混凝土第二章鋼筋和混凝土的材料性能2.2混凝土Fromthefailuremechanismoftheconcrete,itcanbeseenthatthedevelopmentofmicro-fissureresultintheincreaseofthetransversedeformation.With

lateralconstraint,themicro-fissurecanberestrictedandthecompressivestrengthoftheconcretecanbeimproved.Asaresultofthis,Localcompressivestrengthismuchhigherthanaxialcompressivestrength.LocalCompressiveSpecimen第二章鋼筋和混凝土的材料性能2.2混凝土由上述混凝土的破壞機理可知，微裂縫的發(fā)展導致橫向變形的增大。對橫向變形加以約束(LateralConstraint

)，就可以限制微裂縫的發(fā)展，從而可提高混凝土的抗壓強度。立方體試件受約束范圍大，而棱柱體試件中部未受約束，因此造成了不同受壓試件強度的差別和破壞形態(tài)的不同。局部受壓強度fcl(LocalCompressiveStrength)

比軸心抗壓強度

fc大很多，也是因為局部受壓面積以外的混凝土對局部受壓區(qū)域內(nèi)部混凝土微裂縫產(chǎn)生了較強的約束。局部受壓試件第二章鋼筋和混凝土的材料性能2.2混凝土Throughtherestrictionofthetransversedeformationoftheconcrete,wecanimprovethecompressivestrength.Andconfinedconcreteisagoodexample.SpirallyReinforcedConcrete第二章鋼筋和混凝土的材料性能2.2混凝土了解混凝土的破壞機理，不僅可以解釋各種不同試驗混凝土強度的差別，還可以通過約束混凝土的橫向變形來提高混凝土的抗壓強度。如圖采用配置螺旋箍筋形成所謂“約束混凝土(ConfinedConcrete)”，可顯著提高混凝土的抗壓強度，并且可以提高混凝土變形能力(Deformability)。螺旋箍筋約束混凝土SpirallyReinforcedConcrete第二章鋼筋和混凝土的材料性能2.2混凝土Fromthecurve,wecanseethattheeffectofspiralhoopingisnotobviouswhenthestressissmall.WhilethestressexceedpointB,theeffectofspiralhoopingisobvious.Thestrengthandthedeformabilityareallimproved.螺旋箍筋約束混凝土第二章鋼筋和混凝土的材料性能2.2混凝土由螺旋箍筋(SpiralHooping)約束混凝土的應力-應變曲線可見，當應力較小時，橫向變形很小，箍筋的約束作用不明顯；當應力超過B點的應力時，由于混凝土的橫向變形開始顯著增大，側(cè)向膨脹使螺旋箍筋產(chǎn)生環(huán)向拉應力，其反作用力使混凝土的橫向變形受到約束，從而使混凝土的強度和變形能力都得到提高。第二章鋼筋和混凝土的材料性能2.2混凝土ApplicationsofConfinedConcreteSpirallyReinforcedColumn,ConcreteFilledTube……Thestrengthandthedeformabilityoftheconfinedconcreteareallimproved.Andthisisveryimportanttotheaseismicstructure.第二章鋼筋和混凝土的材料性能2.2混凝土“約束混凝土(ConfinedConcrete)”的概念在工程中許多地方都有應用，如螺旋箍筋柱、后張法預應力(PostStressed)錨具(Anchor)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(ConcreteFilledTube)對內(nèi)部混凝土的約束效果更好，因此近年來在我國工程中得到許多應用。約束混凝土可以提高混凝土的強度，但更值得注意的是可以提高混凝土的變形能力(DeformationCapacity)，這一點對于抗震結(jié)構(AseismicStructure)非常重要?？拐鸾Y(jié)構對于可能出現(xiàn)塑性鉸(PlasticHinge)的區(qū)域，均要求加密箍筋配置來提高構件的變形能力，達到壞而不倒的