混凝土材料的物理和力學性能.ppt

1、,本章重點,熟悉土木工程用鋼筋的品種、級別、性能及其選用原則；,熟悉混凝土在各種受力狀態(tài)下的強度與變形性能及其選用原則；,了解鋼筋與混凝土的共同工作原理。,問題引入,結構 安全 堅固,結構 的經(jīng) 濟性,研究結構材料的力學性能,注意：,1.建筑力學所研究的是單一、勻質(zhì)、連續(xù)、 理想彈性材料；,2.鋼筋砼組成的構件為復合材料，即不單一勻質(zhì)，也 非連續(xù)和理想彈性。,重視構件的實驗研究：基本假定、實驗條件、實驗依據(jù)等,鋼筋的品種：熱軋鋼筋、中高強鋼絲和鋼絞線、熱處理鋼筋和冷加工鋼筋,（ Steel Reinforcement）,2.1.1 建筑用鋼筋的種類,熱軋鋼筋 HotRolledSteelRei

2、nforcingBar,細晶粒熱軋帶肋鋼筋,鋼筋 化學 成分 主要 是鐵 （Fe）,鋼筋的化學成分和分類,合金元素總含量5%10%為中合金鋼，含量10%為高合金鋼,20 MnSi,40Si2Mn,對普通低合金鋼，鋼號中一律以平均含碳量萬分之幾表示。主要合金元素，除個別情況，一般以百分之幾表示，當其平均含量1.5%時，只標明元素而不標明其含量；當其平均含量1.5%、2.5%、3.5%時，在元素后面還要標出含量，且相應地寫為2、3、4。,化學元素對鋼材性能影響情況表,鋼筋的分類,熱軋鋼筋,鋼筋按加工 方法不同分類,中、高強鋼絲和鋼絞線,熱處理鋼筋,光圓鋼筋,熱處理 鋼筋,熱處理鋼筋強度高變形性能較

3、好，宜做預應力鋼筋，但局部損傷或應力集中之處易發(fā)生應力脆斷,按軋制外形分類,鋼絲、鋼絞線 （預應力鋼筋 ）,冷 加 工 鋼 筋,按軋制外形分類,不同鋼筋種類和等級，其應力應變曲線之規(guī)律,（1）軟鋼：熱軋鋼筋，其應力應變曲線有明顯的屈服點和流幅，應變較大、伸長率較也大。,（2）硬鋼：熱處理鋼筋、光面鋼絲、刻痕鋼絲、螺旋形鋼絲、鋼絞線及冷軋帶肋鋼筋和冷拔低碳鋼絲，它們的應力應變曲線沒有明顯屈服點和流幅，應變小、伸長率也小，質(zhì)地硬脆。,（3）隨著鋼材強度提高，其塑性則降低。熱軋鋼筋有較好的塑性，但強度較低；預應力鋼絲雖強度很高，但塑性卻較差。,1.鋼筋的強度,注意：, （屈服強度）為鋼筋的強度計算指

4、標；,（極限強度），它為鋼筋的最大強度； 為鋼筋強度的安全儲備。,（如熱軋鋼筋，冷拉鋼筋）,有明顯流幅鋼筋 曲線,最高點 e之應力稱為極限強度。,（1）彈性階段（oa 段）oa ，為直線段。,（ 為鋼筋彈性模量）,a 點之應力稱為彈性極限。 a為比例極限。,屈服臺階的下限c點之應力稱為 屈服強度。,o,無明顯流幅鋼筋 曲線,（如熱處理鋼筋、鋼絲和鋼絞絲）,取殘余塑性應變?yōu)?.2%的應力 作為假想屈服點（條件屈服點）,無明顯 流幅鋼筋,1.鋼筋的強度,中、高強鋼絲、鋼絞線,熱處理鋼筋 經(jīng)淬火處理得，fptk=1470MPa，無明顯屈服點。,冷加工鋼筋 冷加工工藝：冷拉、冷拔、冷軋、冷軋扭。 目的

5、：提高強度，節(jié)約鋼材。但塑性減小。 冷拉鋼筋仍有屈服臺階。,近年來，強度高、性能好的鋼筋（如鋼絲、鋼絞線）在我國已可充分供應，故冷拉和冷拔鋼絲不再列入規(guī)范，需要應用這些鋼筋時，應符合專門規(guī)程的規(guī)定,2.1.2 混凝土結構對鋼筋性能的要求,強度高,熱軋鋼筋,鋼絲、鋼絞線、各種冷加工鋼筋,條件屈服點,殘余應變0.2%,屈服點,有明顯屈服點的鋼筋 Steel bar with yield point,無明顯屈服點的鋼筋 Steel bar without yield point,有明顯屈服點鋼筋的應力-應變關系 一般可采用雙線性的理想彈塑性關系,屈服強度（yieldstrength）：是鋼筋強度的設

6、計依據(jù)，因為鋼筋屈服后將很大的塑性變形，且卸載時這部分變形不可恢復，這會使鋼筋混凝土構件產(chǎn)生很大的變形和不可閉合的裂縫。屈服上限與加載速度有關，不太穩(wěn)定，一般取屈服下限作為屈服強度。,屈強比反映鋼筋的強度儲備，fy/fu=0.60.7。,塑性好 用伸長率和冷彎性能衡量。,伸長率,同一根鋼筋 延伸率大的鋼筋，在拉斷前有足夠預兆，延性較好。 上述伸長率只反映斷口附近殘留變形大小，不反映鋼筋總伸長率情況。,:,:,:,elongationrate：鋼筋拉斷時的應變，是反映鋼筋塑性性能的指標。,均勻伸長率,=90,180 ,反復 彎曲要求：冷彎過程 中無裂縫、鱗落或斷 裂。 D 愈小，要求愈高。 反復

7、次數(shù)愈高，要求 愈高。,冷彎,冷彎是檢驗鋼筋局部變形能力的指標。 鋼筋塑性愈好，構件破壞前預兆愈明顯。,冷彎試驗錄象,可加工性好,與混凝土粘結錨固性好,變形鋼筋比光面鋼筋好,鋼筋的直徑,常用： 6mm，6.5mm，8mm，8.2mm，10mm，12mm， 14mm，16mm，18mm，20mm，22mm，25mm， 28mm，32mm，36mm，40mm，50mm。其中， 8.2mm僅適用有縱肋的熱處理鋼筋。,鋼筋的選用,普通鋼筋：宜用HRB400、HRB500、HRBF400、HRBF500 可用HPB300、HRB335、HRBF335、RRB400 預應力筋：宜用鋼鉸線、鋼絲 可用熱處理

8、鋼筋和強度較高的冷加工鋼筋,d=650mm,細晶粒熱軋帶肋鋼筋,2.2.1 組成及特點,主要材料：水泥、水、砂、石 特點: 1）以固相為主，包含固體、液體、氣體的三相體； 2）水化過程長，性能要很長時間才穩(wěn)定； 3）水泥石收縮可形成微裂縫； 4）受制作、養(yǎng)護、使用條件影響大。,1.立方體抗壓強度, 試塊: 150mm150mm150mm 立方體；, 條件: 溫度 20 3，相對濕度 90，養(yǎng)護 28 天；, 加壓速度：每秒大約 0.3 N/mm2 0.8N/mm2 。,強度等級：C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、 C75、C80 等

9、十四級 ；,符號 C 表示砼，C 后面的數(shù)字（ 1580 ）表示立方體抗壓強度標準值，單位為 N/mm2。,2.2.2 混凝土強度,問題：為什么要采用標準實驗方法？, 試塊: 150mm150mm150mm 立方體；, 條件: 溫度 20 3，相對濕度 90，養(yǎng)護 28 天；, 加壓速度：每秒大約 0.3 N/mm2 0.8N/mm2 。,實驗研究表明：混泥土的破壞是內(nèi)部微裂縫逐漸發(fā)展的結果。,2.軸心抗壓強度（ ）,試件為截面150 mm150 mm、 高300 mm 的棱柱體，經(jīng)28天 齡期，用標準試驗測得的抗壓 強度，稱軸心抗壓強度。其中 為軸心抗壓強度的標準值； 為軸心抗壓強度的設計值

10、。,h/b3，fck趨于穩(wěn)定,“套箍效應”,問題：,由于棱柱體試件制作與試驗都比較麻煩，故 測定、也較困難。,辦法：,立方體試件 抗壓強度標準值,砼軸心抗壓強度 標準值 和設計值,標準試驗方法不加潤滑劑。,3.軸心抗壓強度標準值,0.88因結構中砼強度與立方體試件砼強度之間有差異，即后者砼之強度要高于 前者砼之強度，故應對立方體試件砼強度 進行修正（降低），其修 正系數(shù)為 0.88；,棱柱體抗壓強度與立方體抗壓強度之比值，對 C50 級以下取 ，,對C80 取 ，中間按線性規(guī)律插值；,砼立方體抗壓強度標準值。,例如，砼強度等級為C20，即 N/mm2，則砼軸心抗壓強度標準值,取,考慮結構中的混

11、凝土強度與試塊混凝土強度之間的差異的修正系數(shù),（2）軸心抗壓強度設計值,（砼材料分項系數(shù)，砼規(guī)范規(guī)定 ）,例如，砼強度等級為C20，并算得，則,取,混凝土強度設計值（Nmm2）,混凝土強度標準值（Nmm2）,(3)混凝土的復合受力強度,1)混凝土的雙向受力強度,2)混凝土的三向受壓強度,混凝土的強度,4. 軸心抗拉強度 （）,其中的 與 關系可詳見砼規(guī)范中的條文說明。,混凝土的抗壓性能好，抗拉性能差 ！,實驗研究表明：當結構中出現(xiàn)剪應力時，其抗拉，抗壓強度都會有所降低。,5.非標準試塊強度換算系數(shù)： 200mm200mm200mm:1.05； 100mm100mm100mm:0.95。,立方體

12、抗壓強度（強度等級）,6.分級：C15,C20,C25,C30,C35,C40,C45,C50, C55, C60, C65,C70,C75,C80 (高強混凝土），共14個等級。 CConcrete,單位：N/mm2或MPa。,軸心抗拉強度,間接測試法：,F-破壞荷載,d-圓柱體直徑或立方體邊長,l -圓柱體長度或立方體邊長,直接測試法,軸心抗拉強度,不涂潤滑劑,fc fcu ?,復雜應力下的強度,雙向受力,圖中： ft*、 fc*混凝土單軸抗 拉、抗壓強度； f1 、 f2、 f3混凝土的多軸強度，f1f2f3,此圖說明： 壓-壓：強度提高； 拉-拉：強度不變； 拉-壓：抗拉和抗壓強度都低

13、。,2.2.3 混凝土的變形,一次加載時,0.3fc,（二）砼的變形,1.混凝土的受壓應力-應變曲線,OA段：線性段；A：比例極限,AB段：穩(wěn)定裂縫擴展,BC段：裂縫快速發(fā)展，應力達到最高,CD段：下降段，D點時試件宏觀上已經(jīng)破壞完全破壞， 為極限壓應變（峰值應變）。我國混凝土結構設計規(guī)范取均勻受壓0.002，非均勻受壓0.0033.,DEF段：E點以后，主裂縫已經(jīng)很寬，試件承載力極低，承載力主要由破壞了的混凝土內(nèi)部機械咬合和摩擦力提供。,0.8fc,fc,多次加載：,疲勞強度為（0.5-0.7）fc，通常以材料破壞所需荷載循環(huán)次數(shù)不少于200萬次作為疲勞強度,彈性模量,測定方法：棱柱體試件。

14、 受壓： 受拉：Ec=0.5 Ec 剪切模量：Gc=0.4 Ec 泊松比 = 橫向應變/縱向 應變=0.2,徐變 Creep,定義：在荷載保持不變的情況下，變形隨時間推移 繼續(xù)增大的現(xiàn)象。 特點：早期發(fā)展快，但可以延續(xù)數(shù)年。,產(chǎn)生徐變的原因,尚未轉(zhuǎn)化為結晶體的水泥膠凝體粘性流動的結果。,混凝土內(nèi)部的微裂縫在荷載長期作用下持續(xù)延伸和擴展的結果。,徐變對結構的影響： 1.使構件變形增大； 2.在軸壓構件中，使鋼筋應力增加，混凝土應力減?。?3.在預應力構件中，使預應力發(fā)生損失； 4.在超靜定結構中，使內(nèi)力發(fā)生重分布。,收縮 Shrinkage,定義：混凝土在空氣中結硬時體積減小的現(xiàn)象。 收縮率：3

15、10-4。收縮=凝縮+干縮 特點：早期快，可延續(xù)12年。,（1）水泥強度等級越高，所配制的砼收縮也越大；,（5）構件的體積與表面積的比值越大，收縮越小。,（2）水泥越多砼收縮越大，水灰比大砼收縮也大；骨料的量大，收縮?。?（3）在結硬過程中周圍溫濕度越大，收縮越小；,（4）砼振搗越密實，收縮越?。?混凝土收縮的影響因素：,收縮對結構的影響：當收縮受到約束時，引起構件開裂。,減少收縮的措施： 限制水泥用量；減小水灰比；加強振搗和養(yǎng)護； 構造鋼筋數(shù)量加強；設置變形縫；摻膨脹劑。,2.2.4 混凝土的選用原則,鋼筋混凝土結構中 混凝土強度等級不應低于C20。 用強度等級400MP及以上鋼筋時，不宜低

16、于C25。,預應力混凝土結構中 混凝土強度等級不應低于C30，不宜低于C40。,承受重復荷載的鋼筋混凝土構件 混凝土強度等級不應低于C30。,粘結和錨固是鋼筋和混凝土形成整體、共同工作的基礎,鋼筋與混凝土之間粘結應力示意圖 （a）錨固粘結應力 （b）裂縫間的局部粘結應力,光圓鋼筋與變形鋼筋具有不同的粘結機理，其粘結作用主要由以下幾部分組成： （）鋼筋與混凝土接觸面上的化學吸附作用力（膠結力）。一般很小，僅在受力階段的局部無滑移區(qū)域起作用，當接觸面發(fā)生相對滑移時，該力即消失。 （）混凝土收縮握裹鋼筋而產(chǎn)生的摩阻力。 （）鋼筋表面凹凸不平與混凝土之間產(chǎn)生的機械咬合作用力（咬合力）。對于光圓鋼筋，這種咬合力來自于表面的粗糙不平。 （4）鋼筋端部在混凝土內(nèi)的錨固作用。,粘結強度,普通鋼筋錨固長度 按下列公式計算：,影響粘結強度的因素： .鋼筋的粘結強度都隨混凝土強度的提高而提高，但不與立方體強度成正比。 .保護層厚度和鋼筋間的凈距對粘結