第2章混凝土结构材料的物理力学性能.ppt
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1、1,第2章 混凝土结构材料的物理力学性能,基本要求1.掌握混凝土的强度和变形性能。2.了解钢筋的品种,理解软钢和硬钢的应力-应变关系3.掌握钢筋与混凝土的粘结性能。钢筋混凝土结构是由钢筋和混凝土两种性质完全不同的材料组成,钢筋混凝土结构的计算理论、计算公式都与这两种材料的物理力学性能相关。,2,2.1混凝土的物理力学性能,2.1.1单轴向应力状态下混凝土的强度 混凝土构件一般处于多轴向应力状态下,单向受力状态下混凝土的强度指标,是进行钢筋混凝土结构构件强度分析、建立强度理论公式的重要依据。为分析问题方便,先讨论单轴向应力状态下的混凝土强度。混凝土强度值的大小与采用的水泥强度等级、水灰比、骨料的
2、性质、制作方法、养护条件、龄期、试件的大小和形状、试验方法和加载速率等有很大的关系。1.混凝土的立方体抗压强度,3,混凝土结构中,主要是利用它的抗压强度。因此抗压强度是混凝土力学性能中最主要和最基本的指标。混凝土的强度等级是用抗压强度来划分的,原因?,(1)混凝土的立方体抗压强度和强度等级A.立方体抗压强度的物理意义:混凝土强度的基本指标和评定混凝土强度等级的标准B.确定混凝土立方体抗压强度的标准方法 a.标准试件:150mm 150mm150mm的立方体;b.标准制作条件:在温度(203)C和相对湿度90%以上的环境下,养护28天;,4,c.标准试验方法:试件表面不涂润滑剂、均匀加载和匀速加
3、“静”载;通常加载速率为混凝土强度小于C30时,取每秒钟0.30.5N/mm2,等于或高于C30时取0.50.8 N/mm2。d.单位:N/mm。,压力试件裂缝发展扩张整个体系解体,丧失承载力,试块,承压板,5,C.强度等级 a.确定方法:采用混凝土的立方体抗压强度;b.数值确定:具有95%的保证率;c.工程符号:(N/mm),简写形式为C;d.“规范”的等级范围:C15C80,共14级;级差为5N/mm2 e.应用范围:C15C45为普通混凝土,适用于一般的混凝土结构 C50C80为高强混凝土,适用于高层结构和预应力混凝土构件。,6,D.试验方法对立方体抗压强度的影响 a.试件表面是否涂润滑
4、剂:不涂时强度高;涂后强度底,其主要原因是由于“套箍”作用;且破坏形态不一样(见图);不涂润滑剂 涂润滑剂b.加载速度:速度快强度高,速度慢强度低,7,另影响强度的因素还有:龄期、养护条件、试块尺寸等。试块尺寸:尺寸效应(小尺寸强度高,大尺寸强度低)非标准试块:100100 100换算系数 0.95 200200 200换算系数 1.052.混凝土的轴心抗压强度 A.确定混凝土轴心抗压强度的标准方法 a.标准试件:150mm 150mm300mm的棱柱体;b.其余同混凝土立方体抗压强度的标准方法;c.工程符号:(N/mm),,8,#对于同一混凝土,棱柱体抗压强度小于立方体抗压强度。B.关于 的
5、讨论 a.高宽比:随着高宽比的增加,会降低,但高宽比为23时,会稳定;b.考虑到实际结构构件制作、养护和受力情况,实际构件强度与试件强度之间存在差异,规范基于安全取偏低值,混凝土立方体抗压强度与轴心抗压强度的关系:0.88为考虑实际构件与试件混凝土强度之间的差异而取用的折减系数。,(2.3),9,c1棱柱体强度与立方体强度之比,对不大于C50级的混凝土取0.76,对C80取0.82,其间按线性插值。c2为高强混凝土的脆性折减系数,对C40及以下取1.0,对C80取0.87,中间按直线规律变化取值。,3.混凝土的轴心抗拉强度:基本力学特征之一,构件抗剪、抗裂、抗扭、抗冲切计算中需采用。(1)确定
6、方法:轴心拉伸试验、劈裂试验、弯折试验a)轴心拉伸试验,10,缺点:钢筋不容易对中;混凝土质量不均匀,几何中心与质量中心不相一致;安装试件不可避免有较小的歪斜和 偏心对试验结果有较大影响b)劈裂试验:立方体或圆柱体试件,11,试验表明:同一品质的混凝土,劈裂强度值略大于直接拉伸强度值,劈裂试件的大小对试验结果也有影响。(2)由下图可知,混凝土轴心抗拉强度约为立方体抗压强度的1/171/8,且混凝土强度等级越高,比值越小;混凝土轴心抗拉强度与立方体抗压强度的关系,12,规范考虑构件与试件的差别、尺寸效应、加载速度的影响,并考虑了从普通强度混凝土到高强度混凝土的变化规律,取ftk与fcu,K的关系
7、为(3)在荷载较小时,混凝土即开裂,所以混凝土结构一般带裂缝工作,混凝土轴心抗拉强度不起决定作用。,2.1.2 复合应力状态下混凝土的强度 1.关于双向应力状态下的强度变化规律,(1)双向受压时,混凝土抗压强度大于单向,最多可增加27;(2)双向受拉时,混凝土抗拉强度接近于单向;(3)一向受压和一向受拉时,其抗拉(抗压)强度均低于相应的单向强度;,13,14,构件受剪或受扭时常遇到剪应力 和正应力 共同作用下的复合受力情况。混凝土的抗剪强度:(1)随拉应力增大而减小(2)随压应力增大而增大,当压应力在0.6fc左右时,抗剪强度达到最大,压应力继续增大,则由于内裂缝发展明显,抗剪强度将随压应力的
8、增大而减小。,15,(3)剪应力的存在降低混凝土的抗压和抗拉强度。2.关于三向受压状态下的强度变化规律 三轴应力状态有多种组合,实际工程遇到较多的螺旋箍筋柱和钢管混凝土柱中的混凝土为三向受压状态。三向受压试验一般采用圆柱体在等侧压条件进行。,有侧向约束时的抗压强度,无侧向约束时圆柱体的单轴抗压强度,16,结论:三向受压状态下的混凝土抗压强度大于双向和单向,侧压力的存在还会提高混凝土的延性。,17,18,2.1.3 混凝土的变形 变形的分类:受力变形荷载产生的;体积变形收缩、温差和湿差产生的。1.一次短期加载下混凝土的变形性能(1)混凝土受压时的应力-应变关系 混凝土单轴受力时的应力-应变关系反
9、映了混凝土受力全过程的重要力学特征,是分析混凝土构件应力、建立承载力和变形计算理论的必要依据,也是利用计算机进行非线性分析的基础。混凝土单轴受压应力-应变关系曲线,常采用棱柱体试件来测定。在普通试验机上采用等应力速度加载,达到轴心抗压强度fc时,试验机中集聚的弹性应变能大于,19,试件所能吸收的应变能,会导致试件产生突然脆性破坏,只能测得应力-应变曲线的上升段。采用等应变速度加载,或在试件旁附设高弹性元件与试件一同受压,以吸收试验机内集聚的应变能,可以测得应力-应变曲线的下降段。,20,21,曲线分为上升段(OC)和下降段(CF)1)上升段(OC)可分为三段a.OA段:混凝土的变形主要弹性变形
10、,应力-应变关系近似直线,在卸载后应变将重新恢复到零。A点应力随混凝土强度的提高而增加,对普通强度混凝土sA约为(0.30.4)fc,对高强混凝土sA可达(0.50.7)fc,A点称为比例极限点。b.AB段:由于微裂缝处的应力集中,裂缝开始有所延伸发展,产生部分塑性变形,应变增长开始加快,应力-应变曲线逐渐偏离直线。但该阶段微裂缝的发展是稳定的。达到B点,内部一些微裂缝相互连通,裂缝发展已不稳定,横向变形突然增大。在此应力的长期作用下,裂缝会持续发展最终导致破坏。取B点的应力作为混凝土的长期抗压强度。普通强度混凝土sB约为0.8fc,高强强度混凝土sB可达0.95fc以上。B称为临界点。,22
11、,c.BC段:应变增长速度明显加快,混凝土处于裂缝快速不稳定发展阶段,C点为混凝土受压应力达到最大时的应力值,称为混凝土的轴心抗压强度,C点的纵向应变值称为峰值应变 e 0,约为0.002。2)下降段CF:a.CD段:裂缝迅速发展,出现主裂缝,内部结构破坏严重,应力快速下降,应变还在增长,应力-应变曲线向下弯曲,直到凹向发生变化,出现拐点D。b.DE段:曲线开始凸向应变轴,混凝土内部结构处于磨合和调整阶段,主裂缝宽度进一步增大,最后只依赖骨料间的咬合力和摩擦力来承受荷载,曲线中出现收敛点E(曲率最大的一点)。c.EF段(收敛段):主裂缝宽度快速增大而完全破坏了混凝土内部结构。,23,不同强度混
12、凝土的应力-应变关系曲线,强度等级越高,线弹性段越长,峰点越高,峰值应变也有所增大;下降段越陡,单位应力幅度内应变越小,延性越差。,24,(2)混凝土单轴向受压应力-应变曲线的数学模型A.美国E.Hognestad模型(上升段为二次抛物线,下降 段为斜直线)用于美国ACI规范;(图2-11),25,B.德国Rsch 模型(上升段为二次抛物线,下降段采 用水平线)被欧盟和中国国家规范参考。(图2-12),26,C.我国规范模型(上升段为抛物线,下降段采 用水平线),当处于轴心受压取为0,27,(3)三向受压状态下混凝土的变形特点A.变形特点:侧压力越大,变形能力越好(强度也高);B.工程意义:设
13、置密排箍筋或螺旋筋间接产生侧压力。,(4)混凝土的变形摸量 由于混凝土的弹塑性性质,其模量是一个变数,通常有三种表示方法。,A.弹性模量(原点模量)EC:在应力应变曲线上,过原点作该曲线的切线,其斜率即为混凝土的弹性模量。通常通过重复加载的方式确定;,28,510次,此线和原点切线基本平行,取其斜率作为Ec,注意:能否用已知的混凝土应变乘以规范中所给的弹性模量值求混凝土的应力?,混凝土强度越高,弹性模量越大。,29,2)变形模量(割线模量)EC:连接O点至曲线任一点应力为C处割线的斜率即 EC=tg1=C/C又C=ela+pla,弹性系数=ela/C,则,k,c,c,ce,cp,h,30,3)
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