第二章 混凝土結(jié)構(gòu)材料的物理力學(xué)性能

第二章混凝土結(jié)構(gòu)材料的物理力學(xué)性能第1頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月混凝土的強(qiáng)度混凝土立方抗壓強(qiáng)度混凝土軸心抗壓強(qiáng)度混凝土抗拉強(qiáng)度第2頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月混凝土的強(qiáng)度1、混凝土強(qiáng)度等級混凝土結(jié)構(gòu)中，主要是利用它的抗壓強(qiáng)度。因此抗壓強(qiáng)度是混凝土力學(xué)性能中最主要和最基本的指標(biāo)?；炷恋膹?qiáng)度等級是用抗壓強(qiáng)度來劃分的。混凝土強(qiáng)度等級：邊長150mm立方體標(biāo)準(zhǔn)試件，在標(biāo)準(zhǔn)條件下（20±3℃，≥95%濕度）養(yǎng)護(hù)28天，用標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法（加載速度0.15~0.3N/mm2/sec，兩端不涂潤滑劑）測得的具有95%保證率的立方體抗壓強(qiáng)度，用符號C表示，C30表示fcu,k=30N/mm2

第3頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月非標(biāo)準(zhǔn)試塊強(qiáng)度換算系數(shù)：

200mm×200mm×200mm:1.05；

100mm×100mm×100mm:0.95。

6〞×12〞圓柱體：1.20

（1〞=2.54cm）

6〞×12〞棱柱體：1.32分級：C15,C20,C25,C30,C35,C40,C45,C50,C55,C60,C65,C70,C75,C80(高強(qiáng)混凝土），共14個等級

C—Concrete,單位：N/mm2或MPa與原《規(guī)范GBJ10-89》相比，混凝土強(qiáng)度等級范圍由C60提高到C80，C50以上為高強(qiáng)混凝土。第4頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月混凝土立方體抗壓強(qiáng)度不僅與混凝土試件的大小和形狀有關(guān)，還與試驗(yàn)方法、加載速度等有關(guān)。加載速度加載速度越快，測得的強(qiáng)度越高。通常規(guī)定加載速度為：<C30時，取每秒0.3~0.5N/mm2;>或=C30時，取每秒0.5~0.8N/mm2第5頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月立方體抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)尺寸效應(yīng)及摩擦力的影響美國、日本、加拿大等國家，采用圓柱體（直徑150mm，高300mm）標(biāo)準(zhǔn)試件測定的抗壓強(qiáng)度來劃分強(qiáng)度等級，符號記為fc'。圓柱體強(qiáng)度與我國標(biāo)準(zhǔn)立方體抗壓強(qiáng)度的換算關(guān)系為第6頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月混凝土立方體的破壞情況“箍套”作用第7頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月立方體抗壓強(qiáng)度的換算關(guān)系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)，只是用來在同一標(biāo)準(zhǔn)條件下比較混凝土強(qiáng)度水平和品質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)（制作、測試方便）100mm立方體強(qiáng)度與標(biāo)準(zhǔn)立方體強(qiáng)度之間的換算關(guān)系小于C50的混凝土，修正系數(shù)m=0.95。隨混凝土強(qiáng)度的提高，修正系數(shù)m值有所降低。當(dāng)fcu100=100N/mm2時，換算系數(shù)m約為0.9第8頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月軸心抗壓強(qiáng)度軸心抗壓強(qiáng)度采用棱柱體試件測定，用符號fc表示，它比較接近實(shí)際構(gòu)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。第9頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月棱柱體抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)方法第10頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月立方抗壓與軸心抗壓強(qiáng)度的關(guān)系《規(guī)范》對小于C50級的混凝土取k=0.76，對C80取k=0.82，其間按線性插值。對于同一混凝土，棱柱體抗壓強(qiáng)度小于立方體抗壓強(qiáng)度。第11頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月軸心抗拉強(qiáng)度也是混凝土的基本力學(xué)性能，用符號

ft表示?；炷翗?gòu)件開裂、裂縫、變形，以及受剪、受扭、受沖切等的承載力均與抗拉強(qiáng)度有關(guān)。第12頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月拉壓壓劈拉試驗(yàn)aPP由于軸心受拉試驗(yàn)對中困難，也常常采用立方體或圓柱體劈拉試驗(yàn)測定混凝土的抗拉強(qiáng)度。第13頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月軸心抗拉與立方抗壓強(qiáng)度的關(guān)系第14頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值《規(guī)范》規(guī)定材料強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值fk應(yīng)具有不小于95%的保證率立方體強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值即為混凝土強(qiáng)度等級fcu?！兑?guī)范》在確定混凝土軸心抗壓強(qiáng)度和軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值時，假定它們的變異系數(shù)與立方體強(qiáng)度的變異系數(shù)相同，利用與立方體強(qiáng)度平均值的換算關(guān)系，便可按上式計算得到。同時，《規(guī)范》考慮到試件與實(shí)際結(jié)構(gòu)的差異以及高強(qiáng)混凝土的脆性特征，對軸心抗壓強(qiáng)度和軸心抗拉強(qiáng)度，還采用了以下兩個折減系數(shù)：⑴結(jié)構(gòu)中混凝土強(qiáng)度與混凝土試件強(qiáng)度的比值，取0.88；⑵脆性折減系數(shù)，對C40取1.0，對C80取0.87，中間按線性規(guī)律變化第15頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月[例]fcu=30MPa,d=0.12,fcu,m=fcu/(1-1.645d)fc,m=0.76fcu,mfc,k=fc,m(1-1.645d)×0.88×1.0=0.76fcu×0.88×1.0=20.06MPa第16頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月混凝土的變形單軸（單調(diào)）受壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系Stress-strainRelationship

混凝土單軸受力時的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系反映了混凝土受力全過程的重要力學(xué)特征，是分析混凝土構(gòu)件應(yīng)力、建立承載力和變形計算理論的必要依據(jù)，也是利用計算機(jī)進(jìn)行非線性分析的基礎(chǔ)。

混凝土單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，常采用棱柱體試件來測定。

在普通試驗(yàn)機(jī)上采用等應(yīng)力速度加載，達(dá)到軸心抗壓強(qiáng)度fc時，試驗(yàn)機(jī)中集聚的彈性應(yīng)變能大于試件所能吸收的應(yīng)變能，會導(dǎo)致試件產(chǎn)生突然脆性破壞，只能測得應(yīng)力-應(yīng)變曲線的上升段。

采用等應(yīng)變速度加載，或在試件旁附設(shè)高彈性元件與試件一同受壓，以吸收試驗(yàn)機(jī)內(nèi)集聚的應(yīng)變能，可以測得應(yīng)力-應(yīng)變曲線的下降段。第17頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月混凝土的破壞機(jī)理A點(diǎn)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(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系近似直線。A點(diǎn)應(yīng)力隨混凝土強(qiáng)度的提高而增加，對普通強(qiáng)度混凝土sA約為

(0.3~0.4)fc，對高強(qiáng)混凝土sA可達(dá)(0.5~0.7)fc

到達(dá)B點(diǎn)以后，混凝土產(chǎn)生部分塑性變形，應(yīng)力－應(yīng)變逐漸偏離直線。B點(diǎn)時的裂縫發(fā)展已不穩(wěn)定，試件的橫向變形突然增大，常取sB作為混凝土的長期抗壓強(qiáng)度；普通強(qiáng)度混凝土sB約為0.8fc，高強(qiáng)混凝土sB可達(dá)0.95fc

到達(dá)C點(diǎn)時，內(nèi)部微裂縫連通形成破壞面，試件承載力開始減小而進(jìn)入下降段。B點(diǎn)時的應(yīng)力稱為峰值應(yīng)力，即為混凝土棱柱體抗壓強(qiáng)度；相應(yīng)的縱向壓應(yīng)變稱為峰值應(yīng)變，約為0.002。繼續(xù)發(fā)展至D點(diǎn)時，破壞面初步形成。E點(diǎn)以后，縱向裂縫形成一個斜向的破壞面，此破壞面在正應(yīng)力和剪應(yīng)力的作用下形成破壞帶。此時試件的強(qiáng)度由破壞面上骨料間的摩阻力提供。隨著應(yīng)變進(jìn)一步發(fā)展，摩阻力不斷下降，試件的殘余強(qiáng)度約為0.1~0.4fc第18頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月由上述混凝土的破壞機(jī)理可知，微裂縫的發(fā)展導(dǎo)致橫向變形的增大。對橫向變形加以約束，就可以限制微裂縫的發(fā)展，從而可提高混凝土的抗壓強(qiáng)度。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凝土的變形能力，這一點(diǎn)對于抗震結(jié)構(gòu)非常重要。第19頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月若采用無量綱坐標(biāo)x=e/e0，y=s/fc，則混凝土應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€的幾何特征必須滿足:第20頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月◆清華大學(xué)過鎮(zhèn)海提出的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€表達(dá)式a=Ec/E0，Ec為初始彈性模量；E0為峰值點(diǎn)時的割線模量，為滿足條件①和②，一般應(yīng)有1.5≤a≤3；ac為下降段參數(shù)混凝土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的數(shù)學(xué)描述第21頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月美國Hognestad建議的應(yīng)力-應(yīng)變曲線第22頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月上升段：下降段：《規(guī)范》提出的混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線表達(dá)式第23頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月《規(guī)范》中混凝土應(yīng)力－應(yīng)變曲線參數(shù)的確定第24頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月箍筋約束混凝土受壓的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

ConfinementwithTransverseReinforcement

螺旋箍筋(a)螺旋箍筋壓應(yīng)變箍筋d=4.76mm，s=38.1mm，箍筋d=4.76mms=63.5mm無箍筋矩形箍筋螺旋箍筋約束對強(qiáng)度和變形能力均有很大提高矩形箍筋約束對強(qiáng)度的提高不是很顯著，但對變形能力有顯著改善當(dāng)應(yīng)力較小時，橫向變形很小，箍筋的約束作用不明顯；當(dāng)應(yīng)力超過B點(diǎn)的應(yīng)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(yīng)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(qiáng)度和變形能力都得到提高。第25頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月第26頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月混凝土受拉應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系TheTensionConstitutiveRelationshipofConcrete彈性系數(shù)約為0.5第27頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月鋼纖維混凝土（SteelFiberConcrete）第28頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月不同強(qiáng)度混凝土應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系的比較強(qiáng)度等級越高，線彈性段越長，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，破壞時脆性越顯著，下降段越陡。第29頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月混凝土的彈性模量（ElasticModulus）第30頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月彈性模量的測定方法第31頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下混凝土的力學(xué)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)生在兩個壓應(yīng)力之比為0.3~0.6之間，約為(1.25~1.60)fc。雙軸受壓狀態(tài)下混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系與單軸受壓曲線相似，但峰值應(yīng)變均超過單軸受壓時的峰值應(yīng)變。第32頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月混凝土的雙向受力強(qiáng)度雙向受拉：強(qiáng)度接近單向受拉強(qiáng)度雙向受壓：抗壓強(qiáng)度和極限壓應(yīng)變均有所提高一拉一壓：強(qiáng)度降低雙軸應(yīng)力狀態(tài)（BiaxialStressState）第33頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月構(gòu)件受剪或受扭時常遇到剪應(yīng)力t和正應(yīng)力s共同作用下的復(fù)合受力情況。混凝土的抗剪強(qiáng)度：隨拉應(yīng)力增大而減小，隨壓應(yīng)力增大而增大當(dāng)壓應(yīng)力在0.6fc左右時，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。第34頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月三軸應(yīng)力狀態(tài)（TriaxialStressState）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。第35頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月混凝土的收縮和徐變

ShrinkageandCreep混凝土在空氣中硬化時體積會縮小，這種現(xiàn)象稱為混凝土的收縮，收縮是混凝土在不受外力情況下體積變化產(chǎn)生的變形?；炷猎陂L期不變荷載的作用下，其變形隨時間而不斷增長的現(xiàn)象稱為徐變。第36頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月混凝土的收縮是隨時間而增長的變形，早期收縮變形發(fā)展較快，兩周可完成全部收縮的25%，一個月可完成50%，以后變形發(fā)展逐漸減慢，整個收縮過程可延續(xù)兩年以上。通常，最終收縮應(yīng)變值約為(2~5)×10-4，而混凝土開裂應(yīng)變?yōu)?0.5~2.7)×10-4，說明收縮會導(dǎo)致開裂?；炷潦湛s包括凝縮和干縮兩部分，凝縮是由于水泥結(jié)晶體比原材料的體積??；干縮是混凝土內(nèi)自由水分蒸發(fā)引起的。第37頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月混凝土的收縮受結(jié)構(gòu)周圍的溫度、濕度、構(gòu)件斷面形狀及尺寸、配合比、骨料性質(zhì)、水泥性質(zhì)、混凝土澆筑質(zhì)量及養(yǎng)護(hù)條件等許多因素有關(guān)：水泥用量多、水灰比越大，收縮越大；骨料彈性模量高、級配好，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??；高強(qiáng)混凝土收縮大。影響收縮的因素多且復(fù)雜，要精確計算尚有一定的困難。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?；炷潦湛s的影響因素當(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，將使混凝土中產(chǎn)生拉應(yīng)力，甚至引起混凝土的開裂。混凝土收縮會使預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力損失。第38頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月隨荷載作用時間的延續(xù)，變形不斷增長，前4個月徐變增長較快，6個月可達(dá)最終徐變的（70~80）%，以后增長逐漸緩慢，2~3年后趨于穩(wěn)定?；炷恋男熳兯矔r恢復(fù)彈性后效殘余應(yīng)變收縮應(yīng)變徐變應(yīng)變瞬時應(yīng)變徐變會使結(jié)構(gòu)（構(gòu)件）的（撓度）變形增大，引起預(yù)應(yīng)力損失，在長期高應(yīng)力作用下，甚至?xí)?dǎo)致破壞。第39頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月徐變有利于結(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)。與混凝土的收縮一樣，徐變也與時間有關(guān)。因此，在測定混凝土的徐變時，應(yīng)同批澆筑同樣尺寸不受荷的試件，在同樣環(huán)境下同時量測混凝土的收縮變形，從徐變試件的變形中扣除對比的收縮試件的變形，才可得到徐變變形。徐變系數(shù)（CreepCoefficient）第40頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月

徐變與混凝土持續(xù)應(yīng)力大小有密切關(guān)系，應(yīng)力越大徐變也越大；混凝土加載齡期越長，徐變越??；水泥含量越大，徐變越大；骨料彈性模量高、級配好，徐變就?。桓稍锸案邷丨h(huán)境，徐變大；高強(qiáng)混凝土徐變小?；炷列熳兊挠绊懸蛩禺a(chǎn)生徐變的主要原因是水泥凝膠體和內(nèi)部微裂縫的擴(kuò)展第41頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月線性徐變第42頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月第43頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月混凝土的疲勞時在荷載重復(fù)作用下產(chǎn)生的?；炷猎谥貜?fù)荷載作用下的破壞稱為疲勞破壞?；炷恋钠趶?qiáng)度用疲勞試驗(yàn)測定。采用100×100×300或150×150×450的棱柱體，把能使棱柱體承受200萬次或以上循環(huán)荷載而發(fā)生破壞的壓應(yīng)力值稱為混凝土的疲勞抗壓強(qiáng)度?；炷恋钠诘?4頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月混凝土的選用原則第45頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3混凝土與鋼筋的粘結(jié)粘結(jié)和錨固是鋼筋和混凝土形成整體、共同工作的基礎(chǔ)。粘結(jié)應(yīng)力（或粘結(jié)力）是鋼筋混凝土受力后會沿鋼筋和混凝土接觸面上產(chǎn)生的剪應(yīng)力。粘結(jié)性能通常用粘結(jié)力、粘結(jié)應(yīng)力-滑移曲線來表示。粘結(jié)力的組成1.化學(xué)膠結(jié)力：混凝土凝結(jié)時，由于水泥的水化作用在鋼筋與混凝土接觸面上產(chǎn)生的化學(xué)吸附作用力2.摩擦力：混凝土收縮后將鋼筋緊緊地握裹住而產(chǎn)生的力3.機(jī)械咬合力：鋼筋表面凹凸不平與混凝土產(chǎn)生的機(jī)械咬合作用而產(chǎn)生的力4.鋼筋端部的錨固力：采取錨固措施后所造成的機(jī)械錨固力

第46頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月鋼筋與混凝土的粘結(jié)力實(shí)質(zhì)是接觸面上的剪應(yīng)力，按其作用性質(zhì)可以分為兩大類：彎曲粘結(jié)應(yīng)力和局部粘結(jié)應(yīng)力。彎曲粘結(jié)應(yīng)力彎曲粘結(jié)應(yīng)力的分布形式與彎距有關(guān)第47頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月局部粘結(jié)應(yīng)力局部粘結(jié)應(yīng)力的分布形式不均勻第48頁，課件