混凝土結(jié)構(gòu)的材料力學(xué)性能

混凝土結(jié)構(gòu)的材料力學(xué)性能第一頁，共五十三頁，2022年，8月28日§2.1混凝土

一、概述混凝土是由水、水泥、砂子和石子按一定的比例攪拌在一起，經(jīng)凝結(jié)和硬化形成的人工石材?；炷猎谀Y(jié)和硬化過程中，水泥和水進(jìn)行水化反應(yīng)生成水泥結(jié)晶體和水泥凝膠體。它兩者和未水化的水泥顆粒和凝膠孔形成水泥膠塊稱為水泥石的水泥膠塊。水泥膠塊和砂子形成水泥砂漿結(jié)構(gòu)，水泥砂漿和石子形成砂漿和粗骨料兩組分體系?；炷恋慕M成結(jié)構(gòu)分為三種類型：微觀結(jié)構(gòu)即水泥石結(jié)構(gòu)；亞微觀結(jié)構(gòu)即水泥砂漿結(jié)構(gòu)；宏觀結(jié)構(gòu)即砂漿和粗骨料兩組分體系。 混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能為：水泥結(jié)晶體和骨料組成彈性骨架，承受荷載，并具有彈性變形的能力；水泥凝膠體需要較長(zhǎng)時(shí)間才能完成硬化，故水泥凝膠體調(diào)整和擴(kuò)散混凝土的應(yīng)力，使混凝土具有塑性表形的能力。

第二頁，共五十三頁，2022年，8月28日?qǐng)D2－1混凝土內(nèi)部微裂縫發(fā)展過程由于混凝土在澆注時(shí)的泌水作用而引起沉縮，以及硬化過程中水泥漿的化學(xué)收縮（凝縮）和物理收縮（干縮多余水分蒸發(fā)）受到骨料的限制，因而在水泥膠塊和石子或砂漿的不同結(jié)合界面形成不規(guī)則的微裂縫。在荷載作用下，這種微裂縫往往是引起混凝土破壞的主要根源。如圖2－1所示。第三頁，共五十三頁，2022年，8月28日二、混凝土的強(qiáng)度

混凝土的強(qiáng)度是指混凝土能承受的某種極限應(yīng)力。

（一）、單向受力狀態(tài)1.立方體抗壓強(qiáng)度規(guī)范規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)條件為：試件的標(biāo)準(zhǔn)尺寸為150150150mm3立方體，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件為20℃±3℃，相對(duì)濕度大于等于90％，養(yǎng)護(hù)齡期為28d，加載速度為0.3～0.5兆帕/s。立方體抗壓強(qiáng)度就是指在標(biāo)準(zhǔn)條件下，按標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法中心加壓到破壞時(shí)所得的具有95％的保證率的抗壓強(qiáng)度，用表示。規(guī)范根據(jù)立方體抗壓強(qiáng)度把混凝土分為14個(gè)等級(jí)：（C7.5、C10）C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75、C80。例如，C30表示立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為30kN/mm2。其中，C50～C80為高強(qiáng)混凝土。第四頁，共五十三頁，2022年，8月28日影響立方體抗壓強(qiáng)度的因素有：1)試驗(yàn)方法；如圖2－22）試件尺寸；當(dāng)立方體的尺寸為200mm時(shí)，換算系數(shù)為1.05；當(dāng)立方體為100mm時(shí)，換算系數(shù)為0.95。3）加載速度；4）齡期；5）使用條件；如圖2-36）內(nèi)部條件；第五頁，共五十三頁，2022年，8月28日?qǐng)D2－2混凝土立方體試塊的破壞情況(a)沒有涂潤(rùn)滑劑

(b)沒有涂潤(rùn)滑劑第六頁，共五十三頁，2022年，8月28日實(shí)際破壞形式第七頁，共五十三頁，2022年，8月28日?qǐng)D2－3混凝土立方體強(qiáng)度隨齡期的變化

1.在潮濕的環(huán)境；2.在干燥的環(huán)境第八頁，共五十三頁，2022年，8月28日2．軸心抗壓強(qiáng)度第九頁，共五十三頁，2022年，8月28日試驗(yàn)表明，在試件上下表面不涂潤(rùn)滑劑測(cè)得的抗壓強(qiáng)度隨試件高度的增加，抗壓強(qiáng)度降低。因此，確定試件的尺寸時(shí)，應(yīng)具有一定的高度，使試件中間區(qū)域不致受摩擦力的影響而形成純壓狀態(tài)；同時(shí)高度也不能取得太高，避免試件破壞時(shí)，產(chǎn)生較大的附加偏心而降低其抗壓強(qiáng)度。當(dāng)高寬比h/b大于3時(shí)，強(qiáng)度下降不大。當(dāng)高寬比h/b=2～3時(shí)，其強(qiáng)度值趨于穩(wěn)定。第十頁，共五十三頁，2022年，8月28日換算關(guān)系第十一頁，共五十三頁，2022年，8月28日3．混凝土的抗拉強(qiáng)度

第十二頁，共五十三頁，2022年，8月28日?qǐng)D2－5直接軸心受拉的試驗(yàn)方法第十三頁，共五十三頁，2022年，8月28日?qǐng)D2－6混凝土劈裂試驗(yàn)示意圖

a)圓柱體試件b)立方體試件第十四頁，共五十三頁，2022年，8月28日（二）、雙向受力狀態(tài)（平面應(yīng)力狀態(tài)）

第十五頁，共五十三頁，2022年，8月28日1）在雙向受拉應(yīng)力作用下，兩者影響不大與單向拉應(yīng)力作用下強(qiáng)度幾乎相同接近于正方形。2）在雙向壓應(yīng)力作用下，一方向的抗壓強(qiáng)度隨另一方向壓應(yīng)力的增加而增加。這是因?yàn)橐粋€(gè)方向的壓應(yīng)力會(huì)對(duì)另一個(gè)方向的壓應(yīng)力所引起的側(cè)向變形形成一定程度的約束，限制內(nèi)部微裂縫的發(fā)展，從而提高強(qiáng)度，最多可以提高27％。3）拉壓應(yīng)力組合情況下，混凝土的強(qiáng)度隨著壓應(yīng)力增加而減小。這是因?yàn)槔瓚?yīng)力會(huì)加大另一方向壓應(yīng)力所引起的側(cè)向變形，加速內(nèi)部微裂縫的發(fā)展使受壓強(qiáng)度降低。第十六頁，共五十三頁，2022年，8月28日剪壓或剪拉平面應(yīng)力狀態(tài)第十七頁，共五十三頁，2022年，8月28日當(dāng)法向應(yīng)力為壓應(yīng)力時(shí)，抗剪強(qiáng)度隨著壓應(yīng)力的增大而增大，當(dāng)壓應(yīng)力在0.5～0.7之間即在0.6時(shí)，抗剪強(qiáng)度達(dá)到最大值；當(dāng)壓應(yīng)力再增大時(shí)，由于內(nèi)部微裂縫的發(fā)展抗剪強(qiáng)度反而減??；當(dāng)壓應(yīng)力達(dá)到軸心抗壓強(qiáng)度時(shí)，抗剪強(qiáng)度為0。當(dāng)法向應(yīng)力為拉應(yīng)力時(shí)，隨著拉應(yīng)力的增加抗剪強(qiáng)度降低。第十八頁，共五十三頁，2022年，8月28日剪壓或剪拉平面應(yīng)力狀態(tài)試驗(yàn)對(duì)混凝土空心薄壁圓柱體先施加縱向壓力（拉力）然后施加扭矩直到破壞，或者采取如圖2-9試件。

圖2-9剪壓或剪拉試件

第十九頁，共五十三頁，2022年，8月28日（三）、三向受力狀態(tài)（空間應(yīng)力狀態(tài)）

第二十頁，共五十三頁，2022年，8月28日第二十一頁，共五十三頁，2022年，8月28日三向受力狀態(tài)應(yīng)用

圖2－11三向受力狀態(tài)應(yīng)用第二十二頁，共五十三頁，2022年，8月28日混凝土的變形體積變形：收縮變形、溫度變形、濕度變形等；它們一般通過構(gòu)造措施來保證，所以一般不作討論。受力變形：短期加荷變形、長(zhǎng)期加荷變形、重復(fù)加荷變形以及反復(fù)荷載作用下的變形等。本章的重點(diǎn)第二十三頁，共五十三頁，2022年，8月28日（一）、混凝土短期加荷變形

作用是：峰值應(yīng)力后，吸收試驗(yàn)機(jī)的變形能，測(cè)出下降段第二十四頁，共五十三頁，2022年，8月28日第二十五頁，共五十三頁，2022年，8月28日第二十六頁，共五十三頁，2022年，8月28日橫向變形第二十七頁，共五十三頁，2022年，8月28日第二十八頁，共五十三頁，2022年，8月28日受拉時(shí)的應(yīng)力－應(yīng)變曲線

第二十九頁，共五十三頁，2022年，8月28日2.變形模量

混凝土的彈性模量原點(diǎn)切線模量（彈性模量）：拉壓相同變形模量（割線模量、彈塑性模量）切線模量第三十頁，共五十三頁，2022年，8月28日變形模量圖第三十一頁，共五十三頁，2022年，8月28日混凝土的剪切模量為第三十二頁，共五十三頁，2022年，8月28日3.應(yīng)力－應(yīng)變曲線的數(shù)學(xué)模型

u=0.00380=0.002ocfcc0.15fc美國(guó)Hognestad模型第三十三頁，共五十三頁，2022年，8月28日u=0.00350=0.002ocfcc德國(guó)Rüsch模型第三十四頁，共五十三頁，2022年，8月28日單軸受壓時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的數(shù)學(xué)模型----中國(guó)規(guī)范u0ocfcc第三十五頁，共五十三頁，2022年，8月28日?qǐng)D2－15應(yīng)力－應(yīng)變曲線的數(shù)學(xué)模型

第三十六頁，共五十三頁，2022年，8月28日（二）、混凝土在重復(fù)荷載下的變形

第三十七頁，共五十三頁，2022年，8月28日?qǐng)D2－16單次加卸合作作用下的變形第三十八頁，共五十三頁，2022年，8月28日重復(fù)荷載第三十九頁，共五十三頁，2022年，8月28日?qǐng)D2－17重復(fù)荷載作用下的變形第四十頁，共五十三頁，2022年，8月28日表2－14見課本316頁附錄2附表2-4第四十一頁，共五十三頁，2022年，8月28日等應(yīng)變加載當(dāng)采取等應(yīng)變加載時(shí)，多次重復(fù)荷載作用下的應(yīng)力－應(yīng)變曲線（如圖2-18所示）的外包線與棱柱體抗壓強(qiáng)度時(shí)的應(yīng)力－應(yīng)變曲線相同。第四十二頁，共五十三頁，2022年，8月28日（三）、混凝土在長(zhǎng)期荷載下的變形－徐變（creep）第四十三頁，共五十三頁，2022年，8月28日第四十四頁，共五十三頁，2022年，8月28日徐變與應(yīng)力大小的關(guān)系第四十五頁，共五十三頁，2022年，8月28日P0.51.01.52.02.505101520253035(×10-3)(月)cree’e’’cr’c<0.8fc，非線性徐變c<0.5fc，線性徐變第四十六頁，共五十三頁，2022年，8月28日原因之一，膠凝體的粘性流動(dòng)原因之二，混凝土內(nèi)部微裂縫的不斷發(fā)展徐變的原因第四十七頁，共五十三頁，2022年，8月28日影響徐變大小的因素：1）初始應(yīng)力的大小；隨著初始應(yīng)力的大小不同，發(fā)生線性徐變和非線性徐變。2）混凝土的組成和配比；水泥用量越大則徐變?cè)酱?；骨料?jí)配越好骨料的剛度越大則徐變?cè)叫　?）養(yǎng)護(hù)條件；蒸汽養(yǎng)護(hù)時(shí)，強(qiáng)度增加快，因而徐變小。4）使用條件；在高溫、干燥條件下徐變比較大。5）構(gòu)件的體表比（構(gòu)件的形狀尺寸）；體表比越大則徐變?cè)叫?。第四十八頁，共五十三頁?022年，8月28日徐變的因素及對(duì)結(jié)構(gòu)的影響徐變對(duì)結(jié)構(gòu)的影響：1）變形增大；如長(zhǎng)期荷載作用下受彎構(gòu)件的撓度由于受壓區(qū)混凝土的徐變可增大一倍，這主要是長(zhǎng)期荷載作用下剛度變小的結(jié)果。2）鋼筋混凝土構(gòu)件截面應(yīng)力重分布；由于鋼筋和混凝土共同工作、共同變形，混凝土的徐變會(huì)使鋼筋應(yīng)力增大混凝土應(yīng)力減小，這樣產(chǎn)生了應(yīng)力重分布。3）預(yù)應(yīng)力的損失；在預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件中，混凝土處于受壓狀態(tài)徐變作用使鋼筋變短，因而引起預(yù)應(yīng)力的損失。第四十九頁，共五十三頁，2022年，8月28日（四）、混凝土的收縮變形和膨脹（contractshrinkage）

第五十頁，共五十三頁，2022年，8月28日影響收縮的因素收縮對(duì)結(jié)構(gòu)的影響：

1）當(dāng)收縮是自由收縮時(shí)，只能引起體積縮??；

2）當(dāng)收縮受到約束時(shí)，，混凝土?xí)a(chǎn)生拉應(yīng)力甚至開裂；

3）引起預(yù)應(yīng)力的損失。影響收縮大小的因素：1）混凝土的配比；水泥的強(qiáng)度等級(jí)越高制成的混凝土收縮越大；水泥越多，收縮越大；水灰比越大，收縮也越大。骨料的彈性模量越大，收縮越小2）養(yǎng)護(hù)條件；當(dāng)采用蒸汽養(yǎng)護(hù)時(shí)，收縮值比常溫時(shí)小。3）使用條件；在結(jié)硬過程中周圍濕度越大，收縮越小。4）構(gòu)件的體表比；構(gòu)件的體表比越大收縮越小。5）混凝土的制作方法?；炷猎秸駬v密實(shí)，收縮越小。第五十一頁，共五十三頁，2022年，8月28日第五十二頁，共五十三