dAAA第2章 混凝土结构材料的物理力学性能.ppt
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1、dAAA第2章 混凝土结构材料的物理力学性能 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望第第2 2章章 混凝土结构材料的物理力学性混凝土结构材料的物理力学性能能2.1混凝土的物理力学性能2.2钢筋的物理力学性能2.3钢筋与混凝土的粘结2.4钢筋的锚固理解单轴和复合受力状态下混凝土的强度和混凝土的变形性能;混凝土结构对钢筋性能的要求;了解钢筋的强度和变形、级别、品种;熟悉掌握钢筋与混凝土共同工作的原理。学习目的:学习目的:学习要求:学习要求:了解单轴受力状态下混
2、凝土强度的标准检验方法,混凝土强度和强度等级;掌握混凝土在一次短期加载时的变形性能,混凝土处于三向受压的变形特点;(难)理解混凝土在重复荷载作用下的变形性能;理解混凝土的弹性模量、徐变和收缩性能;(难)了解钢筋的强度和变形、钢筋的成分、级别和品种,混凝土结构对钢筋性能的要求;掌握钢筋的应力-应变关系曲线的特点和数学模型,分清双直线和三折线模型所代表的钢筋类型;(难)掌握钢筋和混凝土的粘结性能。2.1 2.1 混凝土的强度和变形混凝土的强度和变形2.1.1 2.1.1 混凝土的组成混凝土的组成 4组分:水泥、水、石子、砂;6组分:水泥、水、石子、砂,外掺料,高效减水剂;影响强度的因素:龄期、加载
3、速率、试块尺寸、约束条件等。混凝土(Concrete):简称“砼(tng)”,是指由胶凝材料将集料胶结成整体的工程复合材料的统称。2.1.2 单轴受力状态下混凝土的抗压强度1、立方体抗压强度fcu承压板试块摩擦力不涂润滑剂涂润滑剂强度大于我国规范的方法:不涂润滑剂。其中润滑剂只要起减小试件与压力机垫板间的摩擦力的作用,此时可忽略“套箍作用”的影响,所测得的抗压强度较低。压力试件裂缝发展扩张整个体系解体,丧失承载力。影响强度的因素还有:龄期 、加载速率 、试块尺寸、约束条件等。承压面受竖向力和水平力作用,产生三维不均匀的应力场:垂直中轴线上各点为明显的三轴受压,四条垂直棱边接近单轴受压,承压面的
4、水平周边为二轴受压,竖向表面上各点为二轴受压或二轴压/拉,内部各点则为三轴受压或三轴压/拉应力状态。受三维不均匀的应力场影响实际受力非单轴受压。标准试块:150150 150,在(20 3)的温度和相对湿度90%以上的潮湿空气中养护28d,按照标准试验方法测得的抗压强度作为混凝土的立方体抗压强度。非标准试块:100100 100 换算系数 0.95 200200 200 换算系数 1.05立方体抗压强度是区分混凝土强度等级的指标立方体抗压强度是区分混凝土强度等级的指标,我国规范中混凝土的强度等级有:C15,C20,C25,C30,C35,C40,C45,C50,C55,C60,C65,C70,
5、C75,C80表示混凝土Concrete立方体抗压强度MPa1.立方体抗压强度fcu尺寸效应尺寸效应:同种混凝土试件,尺寸越小强度越高。立方体抗压试验的意义立方体抗压试验的意义不能代表混凝土在实际构件中的受力状态;可作为衡量混凝土强度水平和品质的标准。2、棱柱体的抗压强度fc承压板试块标准试块:试件的制作、养护、加载龄期和试验方法均与立方体试件的标准试验相同。且混凝土的棱柱体抗压强度随试件高厚比的增大而单调下降,但h/b2后,强度值已变化不大,故标准尺寸为150150 300。非标准试块:100100 300,换算系数 0.95 200200 400,换算系数 1.05 考虑到承压板对试件的约
6、束,立方体抗压强度大于棱柱体抗压强度,且有:fc=0.76fcu(试验结果);对国外(美国、日本、欧洲混凝土协会等)采用的圆柱体试件(d=150,h=300),有 fc=0.79fcu 圆柱体抗压强度为了消除立方体试件两端局部应力和约束变形的影响,可改用棱柱体或圆柱体试件进行抗压试验。由SanVinent原理,加载面上的不均匀垂直应力和总和为零的水平应力,只影响试件的端部的局部范围(高度约等于试件宽度),中间部分已接近于均匀的单轴受压应力状态。棱柱体抗压强度=试件的破坏荷载/试件的截面积,也可称为轴心抗压强度。2.1.2单轴受力状态下混凝土的抗拉强度1、直接受拉试验ft(轴心抗拉强度)与混凝土
7、构件的开裂、变形,以及受剪、受扭、受冲切等承载力有关。试件为100mm100mm500mm的柱体,破坏时试件中部产生横向裂缝,破坏截面上的平均拉应力即为轴心抗拉强度破坏截面上的平均拉应力即为轴心抗拉强度ft。100100150150500试验结果:ft=0.26fcu 2/3CEB-FIP MC90:考虑到构件和试件的区别,尺寸效应尺寸效应,加荷速度等的影响,取 ft=0.23fcu 2/3fcu,混凝土的立方体和圆柱体抗压强度。ComiteEuro-InternationalduBeton.u 轴心抗拉强度轴心抗拉强度 ft 与立方体抗压强度与立方体抗压强度 fcu 的关系的关系轴心抗拉强度
8、与立方体抗压强度不成线性关系,fcu越大,fcu /ft值越小值越小。线性回归:试件尺寸小者,实测抗拉强度偏高;尺寸较大者强度偏低。meanvalue2、劈裂试验ftsddftsFFFF我国根据100mm立方体的劈裂与抗压试验结果有:fts=0.19fcu 由于混凝土内部的不均匀性和安装试件的偏差等原因,采用直接轴心受拉试验测定抗拉强度很困难。国内外常采用圆柱体或立方体的劈裂试验间接测试混凝土的轴心抗拉强度。根据弹性理论,轴心抗拉强度的试验值:我国采用立方体试件,钢制垫条,国外为圆柱体试件,胶木垫条。对于同一混凝土,轴拉试验和劈拉试验对于同一混凝土,轴拉试验和劈拉试验测得的抗拉强度并不相同。测
9、得的抗拉强度并不相同。3、混凝土强度的标准值规范规范对标准值的规定:对标准值的规定:规定材料强度的标准值fk应具有不小于95%的保证率混凝土轴心抗压强度标准值fck与混凝土强度等级的关系为:混凝土轴心抗拉强度标准值ftk与混凝土强度等级的关系为:立方体抗压强度标准值棱柱体抗压强度平均值标准立方体抗压强度平均值2.1混凝土的强度和变形2.1.3复合受力状态下混凝土的强度1、双轴应力下的强度1.01.01.21.2-0.2-0.22/fc1/fc拉压/fc/fc0.20.1-0.10.00.61.0单轴抗拉强度单轴抗压强度I象限(双轴受拉)影响不大;III象限(双轴受压)增大;、象限抗压、抗拉强度
10、随拉应力增加而减小;抗剪强度随压应力的增加先增后减,随拉应力增加而减小;I III0单轴向受力状态下的混凝土强度。fc混凝土的轴心抗压强度。1122单轴单轴受拉受拉单轴单轴受压受压实际结构中,混凝土很少处于单向受力状态抗拉强度随剪应力的存在而减小。2、三向受压时的混凝土强度1=fcc1=fcc2=3=fLfL-静止水压力圆柱体试验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侧向约束压应力侧向压力系数2.1混凝土的强度和变形2.1.4混凝土的变形1、变形的类型受力变形受力变形混凝土在一次短期加载、长期加载或多次重复荷载作用下产生的变形;体积变形体积变形指由于混凝土的收缩以及温度和湿度的
11、变化所产生的变形。(MPa)fco0(10-3)abcd225201510546810 单轴受压时的应力-应变关系:作用是:峰值应力后,吸收试验机的变形能,测出下降段。2、一次短期加载下混凝土的变形性能 一次短期加载是指荷载从零开始单调增加至试件破坏,也称单调加载单调加载。a比例极限点;b临界点;c峰值点;d拐点(凹-凸);e收敛点(曲率最大)。deo读音“epsilon”(1)OA段应力较小,混凝土的变形主要是骨料和水泥结晶体受力产生的弹性变形,应力-应变关系接近直线;(2)AB段裂缝稳定扩展阶段,除混凝土本身的变形外,还有水泥胶体的粘性流动以及初始微裂缝的影响。(3)BC段进入裂缝快速发展
12、的不稳定状态,其中通常取峰值应力max作为混凝土棱柱体抗压强度的试验值fc0,相应的应变为峰值应变,一般取0210-3。(4)CD段峰值应力以后,裂缝迅速发展,试件的平均应力强度下降。曲线出现拐点,超过拐点后,只靠骨料间的咬合力及摩擦力与残余承压面来承受荷载。(5)DE段随变形增加,应力-应变曲线逐渐凸向应变轴方向,构件出现贯通的主裂缝,承载能力已经很小。此段曲线中曲率最大的一点E称为收敛点。(6)EF段对于无侧向约束的收敛段EF已失去结构意义,即结构已失去稳定。温度和混凝土收缩时在混凝土内部骨料和胶结物界面上产生不同强度混凝土的应力-应变关系曲线混凝土强度对应力混凝土强度对应力-应变关系的影
13、响应变关系的影响混凝土的强度等级越高:-曲线中线弹性段越长;峰值应变0有所增大;脆性越显著,下降段越陡。(1)单轴受压时的应力-应变关系-国外模型u=0.00380=0.002ocfcc0.15fcu=0.00350=0.002ocfcc美国Hognestad模型德国Rsch模型(2)单轴受压时的应力-应变关系-中国规范u0ocfcc(3)侧向受约束(三向受压)时混凝土的变形特点fcc有侧向约束时试件的轴心抗压强度;fc 无侧向约束时试件的轴心抗压强度;由试验可知,当混凝土试件受到约束时,可提高其抗压强度及延性当混凝土试件受到约束时,可提高其抗压强度及延性。试验中试验中静水压力;工程中静水压力
14、;工程中密排螺旋筋或箍筋密排螺旋筋或箍筋。混凝土微裂缝的发展将导致横向变形增大,若对横向变形加以约束,就可以限制微裂缝的发展,从而可提高混凝土的抗压强度。u 约束混凝土概念的提出约束混凝土概念的提出通过配置螺旋箍筋,来约束混凝土的横向变形,从而提高混凝约束混凝土的横向变形,从而提高混凝土抗压强度和变形能力土抗压强度和变形能力。变形能力的提高对于抗震结构十分重要。当应力较小时,横向变形小,箍筋的约束作用不明显;当应力超过时,混凝土的侧向膨胀使螺旋箍筋产生环向拉应力,其反力使横向变形受到约束,从而提高了混凝土的强度和变形能力。(4)混凝土的变形模量1)弹性模量弹性模量E EC C:拉、压时相似指应
15、力-应变曲线在原点切线的斜率,亦称为原点切线原点切线模量模量。该模量仅适用于应力小于A的情况。由于混凝土受压应力-应变关系是一条曲线,在不同的应力阶段,应力/应变式变数,因此不能称为弹性模量,而称其为变形模量。混凝土的弹性模量EC的试验方法(150150 300标准试件)c/fcc0.5510次此线和原点切线基本平行,取其斜率作为Ecu0如何确定:对标准尺寸150150300的棱柱体试件,先加载至=0.5fc,然后卸载至零,再重复加载卸载510次,以期消除残余变形的影响,最终的应力应变关系逐渐趋于直线。当混凝土进入塑性阶段,初始弹性模量已不能反应其应力-应变关系,此时可用割线模量或切线模量来进
16、行表示。2)变形模量 (割线模量、弹塑性模量)指应力-应变曲线上任一点处割线的斜率。当应力大于A(A点为比例极限点),可采用该模量计算混凝土的变形。当受压时,=0.51.0;受拉破坏时,=1.03)切线模量在混凝土应力-应变曲线上任一点应力为c处作一切线,切线与横坐标轴交角为,则该处的应力增量与应变增量的比值称为应力c处混凝土的切线模量,即:混凝土的切线模量随应力的增大而减小。(5)混凝土的泊松比和剪切模量 混凝土的泊松比泊松比,指横向应变与纵向应变之比值,也叫横向变性系数,是反映材料横向变形的弹性常数。当压力较小时为0.150.18,接近破坏时可达0.5以上,一般可取0.2;混凝土的剪切模量
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