sA第2章混凝土结构材料的物理力学性能.ppt
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1、sA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2.12.1混凝土的物理力学性能混凝土的物理力学性能2.1.1.2.1.1.混凝土的组成结构混凝土的组成结构1.1.组成:混凝土组成:混凝土=水泥水泥+细骨料(砂)细骨料(砂)+粗骨料(碎石或鹅粗骨料(碎石或鹅卵石)卵石)+水水+外加剂外加剂2.2.混凝土的结构分为三种类型:混凝土的结构分为三种类型:.微观结构:也即水泥石结构,包括水泥凝胶、晶体骨微观结构:也即水泥石结构,包括水
2、泥凝胶、晶体骨架、未水化完的水泥颗粒和凝胶孔组成。架、未水化完的水泥颗粒和凝胶孔组成。.亚微观结构:即混凝土中的水泥砂浆结构。亚微观结构:即混凝土中的水泥砂浆结构。.宏观结构:即砂浆和粗骨料两组分体系。宏观结构:即砂浆和粗骨料两组分体系。注意:注意:1.1.骨料的分布及骨料与基相之间在界面的结合强度骨料的分布及骨料与基相之间在界面的结合强度2 2是影响混凝土强度的重要因素;是影响混凝土强度的重要因素;2.2.在荷载的作用下,微裂缝的扩展对混凝土的力学性能有在荷载的作用下,微裂缝的扩展对混凝土的力学性能有着极为重要的影响。着极为重要的影响。2.1.22.1.2单轴应力状态下的混凝土强度单轴应力状
3、态下的混凝土强度 混凝土构件一般处于多轴向应力状态下,单向受力状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,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。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、混凝土强度值的大小与采用的水泥强度等级、水灰比、骨料的性质、制作方法、养护条件、龄期、试件的大小和骨料的性质、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
4、率等有很大的关系。形状、试验方法和加载速率等有很大的关系。1.1.混凝土的抗压强度混凝土的抗压强度3 3 混凝土结构中,主要是利用它的抗压强度。因此抗压混凝土结构中,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。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混凝土的强度等级是用抗压强度来划分的,原因原因?(1 1)混凝土的)混凝土的立方体抗压强度立方体抗压强度和和强度等级强度等级A.A.立方体抗压强度的物理意义:混凝土强度的基本指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标和评定混凝土强度等级的标准B
5、.B.确定混凝土立方体抗压强度的标准方法确定混凝土立方体抗压强度的标准方法 a.a.标准试件:标准试件:150150mm mm 150mm 150mm 150mm150mm的立方体;的立方体;b.b.标准制作条件:在温度(标准制作条件:在温度(203203)C C和相对湿度和相对湿度90%90%以上的环境下,养护以上的环境下,养护2828天;天;4 4 c.c.c.c.标准试验方法:标准试验方法:标准试验方法:标准试验方法:试件表面不涂润滑剂试件表面不涂润滑剂试件表面不涂润滑剂试件表面不涂润滑剂、均匀加载、均匀加载、均匀加载、均匀加载和匀速加和匀速加和匀速加和匀速加“静静静静”载;通常加载速率
6、为混凝土强度小于载;通常加载速率为混凝土强度小于载;通常加载速率为混凝土强度小于载;通常加载速率为混凝土强度小于C30C30C30C30时,取每秒钟时,取每秒钟时,取每秒钟时,取每秒钟0.30.5N/mm0.30.5N/mm0.30.5N/mm0.30.5N/mm2 2 2 2,等于或高于,等于或高于,等于或高于,等于或高于C30C30C30C30时取时取时取时取0.50.8 0.50.8 0.50.8 0.50.8 N/mmN/mmN/mmN/mm2 2 2 2。d.d.d.d.单位:单位:单位:单位:N/mmN/mmN/mmN/mm。压力压力试件试件裂缝发展裂缝发展扩张扩张整个体系解体,丧
7、失承载力整个体系解体,丧失承载力试块试块承压板承压板5 5C.C.C.C.强度等级强度等级强度等级强度等级 a.a.a.a.确定方法:采用混凝土的立方体抗压强度;确定方法:采用混凝土的立方体抗压强度;确定方法:采用混凝土的立方体抗压强度;确定方法:采用混凝土的立方体抗压强度;b.b.b.b.数值确定:具有数值确定:具有数值确定:具有数值确定:具有95%95%95%95%的保证率;的保证率;的保证率;的保证率;c.c.c.c.工程符号:工程符号:工程符号:工程符号:(N/mm N/mm N/mm N/mm),简写形式为),简写形式为),简写形式为),简写形式为C C C C ;d d d d.“
8、.“.“.“规范规范规范规范”的等级范围:的等级范围:的等级范围:的等级范围:C15C80C15C80C15C80C15C80,共,共,共,共14141414级;级;级;级;级差为级差为级差为级差为5N/mm5N/mm5N/mm5N/mm2 2 2 2 e.e.e.e.应用范围:应用范围:应用范围:应用范围:C15C45C15C45C15C45C15C45为普通混凝土,适用于一般的为普通混凝土,适用于一般的为普通混凝土,适用于一般的为普通混凝土,适用于一般的混凝土结构混凝土结构混凝土结构混凝土结构 C50C80 C50C80 C50C80 C50C80为高强混凝土,适用于高层结构和预应力混为高
9、强混凝土,适用于高层结构和预应力混为高强混凝土,适用于高层结构和预应力混为高强混凝土,适用于高层结构和预应力混凝土构件。凝土构件。凝土构件。凝土构件。6 6 D.D.D.D.试验方法对立方体抗压强度的影响试验方法对立方体抗压强度的影响试验方法对立方体抗压强度的影响试验方法对立方体抗压强度的影响 a.a.a.a.试件表面是否涂润滑剂:不涂时强度高;涂后强度底,试件表面是否涂润滑剂:不涂时强度高;涂后强度底,试件表面是否涂润滑剂:不涂时强度高;涂后强度底,试件表面是否涂润滑剂:不涂时强度高;涂后强度底,其主要原因是由于其主要原因是由于其主要原因是由于其主要原因是由于“套箍套箍套箍套箍”作用;且破坏
10、形态不一样(见作用;且破坏形态不一样(见作用;且破坏形态不一样(见作用;且破坏形态不一样(见图);图);图);图);不涂润滑剂不涂润滑剂不涂润滑剂不涂润滑剂 涂润滑剂涂润滑剂涂润滑剂涂润滑剂b.b.b.b.加载速度:速度快强度高,速度慢强度低加载速度:速度快强度高,速度慢强度低加载速度:速度快强度高,速度慢强度低加载速度:速度快强度高,速度慢强度低承压板试块摩擦力7 7另影响强度的因素还有:龄期、养护条件、试块尺寸等。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)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:非标准试块:1001
11、00 100100100 100换算系数换算系数 0.95 0.95 200200 200 200200 200换算系数换算系数 1.05 1.05(2 2)混凝土的)混凝土的轴心抗压强度轴心抗压强度 A.A.确定混凝土轴心抗压强度的标准方法确定混凝土轴心抗压强度的标准方法 a.a.标准试件:标准试件:150 150mm mm 150mm 150mm 300mm300mm的棱柱体;的棱柱体;b.b.其余同混凝土立方体抗压强度的标准方法;其余同混凝土立方体抗压强度的标准方法;c.c.工程符号:工程符号:(N/mm N/mm),),8 8#对于同一混凝土,棱柱体抗压强度小于立方体抗压强度。对于同一
12、混凝土,棱柱体抗压强度小于立方体抗压强度。对于同一混凝土,棱柱体抗压强度小于立方体抗压强度。对于同一混凝土,棱柱体抗压强度小于立方体抗压强度。B.B.B.B.关于关于关于关于 的讨论的讨论的讨论的讨论 a.a.a.a.高宽比:随着高宽比的增加,高宽比:随着高宽比的增加,高宽比:随着高宽比的增加,高宽比:随着高宽比的增加,会降低,但高宽比会降低,但高宽比会降低,但高宽比会降低,但高宽比为为为为23232323时,会稳定;时,会稳定;时,会稳定;时,会稳定;b.b.b.b.考虑到实际结构构件制作、养护和受力情况,实际构件考虑到实际结构构件制作、养护和受力情况,实际构件考虑到实际结构构件制作、养护和
13、受力情况,实际构件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强度与试件强度之间存在差异,规范基于安全取偏低强度与试件强度之间存在差异,规范基于安全取偏低强度与试件强度之间存在差异,规范基于安全取偏低值,值,值,值,混凝土立方体抗压强度与轴心抗压强度的关系:混凝土立方体抗压强度与轴心抗压强度的关系:混凝土立方体抗压强度与轴心抗压强度的关系:混凝土立方体抗压强度与轴心抗压强度的关系:0.880.880.880.88为考虑实际构件与试件混凝土强度之间的差异而取用为考虑实际构件与试件混凝土强度之间的差异而取用为考虑实际构件与试件混凝土强度之间的差异而
14、取用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的折减系数的折减系数的折减系数。(2-12-1)9 91棱柱体强度与立方体强度之比,对不大于棱柱体强度与立方体强度之比,对不大于C50级的混凝级的混凝土取土取0.76,对,对C80取取0.82,其间按线性插值。,其间按线性插值。2为高强混凝土的脆性折减系数,对为高强混凝土的脆性折减系数,对C40及以下取及以下取1.0,对对C80取取0.87,中间按直线规律变化取值。,中间按直线规律变化取值。2.2.混凝土的混凝土的轴心抗拉强度轴心抗拉强度:基本力学特征之一,构件抗剪、: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。抗裂、
15、抗扭、抗冲切计算中需采用。(1 1)确定方法:轴心拉伸试验、劈裂试验、弯折试验)确定方法:轴心拉伸试验、劈裂试验、弯折试验a a)轴心拉伸试验)轴心拉伸试验1001001501505001010缺点缺点缺点缺点:钢筋不容易对中;混凝土质量不均匀,几何中心与:钢筋不容易对中;混凝土质量不均匀,几何中心与:钢筋不容易对中;混凝土质量不均匀,几何中心与: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质量中心不相一致;安装试件不可避免有较小的歪斜和质量中心不相一致;安装试件不可避免有较小的歪斜和质量中心不相一致;安装试件不可避免有较小的歪斜和 偏心偏心偏心
16、偏心对试验结果有较大影响对试验结果有较大影响对试验结果有较大影响对试验结果有较大影响b b b b)劈裂试验:立方体或圆柱体试件)劈裂试验:立方体或圆柱体试件)劈裂试验:立方体或圆柱体试件)劈裂试验:立方体或圆柱体试件ddFFFF1111试验表明:同一品质的混凝土,试验表明:同一品质的混凝土,劈裂强度值略大于直接劈裂强度值略大于直接拉伸强度值拉伸强度值,劈裂试件的大小对试验结果也有影响。,劈裂试件的大小对试验结果也有影响。(2 2)由下图可知,混凝土轴心抗拉强度约为立方体抗压)由下图可知,混凝土轴心抗拉强度约为立方体抗压强度的强度的1/171/81/171/8,且混凝土强度等级越高,比值越小;
17、,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混凝土轴心抗拉强度与立方体抗压强度的关系1212规范考虑构件与试件的差别、尺寸效应、加载速度的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,取规律,取f ftktk与与f fcucu,K K的关系为的关系为 (3 3)在荷载较小时,混凝土即开裂,所以混凝土结构一在荷载较小时,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般带裂缝工作,混凝土轴心抗拉强度不起决定作用。2.1.3.2.1.3.
18、复合应力状态下混凝土的强度复合应力状态下混凝土的强度 1.1.关于双向应力状态下的强度变化规律关于双向应力状态下的强度变化规律(1 1)双向受压时,混凝土抗压强度大于单向,最多可增)双向受压时,混凝土抗压强度大于单向,最多可增加加2727 ;(2 2)双向受拉时,混凝土抗拉强度接近于单向;)双向受拉时,混凝土抗拉强度接近于单向;(3 3)一向受压和一向受拉时,其抗拉(抗压)强度均低)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;于相应的单向强度;13131414构件受剪或受扭时常遇到剪应力构件受剪或受扭时常遇到剪应力构件受剪或受扭时常遇到剪应力构件受剪或受扭时常遇到剪应力 和正
19、应力和正应力和正应力和正应力 共同作用共同作用共同作用共同作用下的复合受力情况。下的复合受力情况。下的复合受力情况。下的复合受力情况。混凝土的抗剪强度:混凝土的抗剪强度:混凝土的抗剪强度:混凝土的抗剪强度:(1 1)随拉应力增大而减小)随拉应力增大而减小)随拉应力增大而减小)随拉应力增大而减小(2 2)随压应力增大而增大,当压应力在)随压应力增大而增大,当压应力在)随压应力增大而增大,当压应力在)随压应力增大而增大,当压应力在0.6f0.6fc c左右时,左右时,左右时,左右时,抗剪强度达到最大,压应力继续增大,则由于内裂缝发展抗剪强度达到最大,压应力继续增大,则由于内裂缝发展抗剪强度达到最大
20、,压应力继续增大,则由于内裂缝发展抗剪强度达到最大,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增大而减小。明显,抗剪强度将随压应力的增大而减小。明显,抗剪强度将随压应力的增大而减小。明显,抗剪强度将随压应力的增大而减小。1515(3 3)剪应力的存在降低混凝土的抗压和抗拉强度剪应力的存在降低混凝土的抗压和抗拉强度剪应力的存在降低混凝土的抗压和抗拉强度剪应力的存在降低混凝土的抗压和抗拉强度。2.2.2.2.关于三向受压状态下的强度变化规律关于三向受压状态下的强度变化规律关于三向受压状态下的强度变化规律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
21、三轴应力状态有多种组合,实际工程遇到较多的螺旋三轴应力状态有多种组合,实际工程遇到较多的螺旋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。三向箍筋柱和钢管混凝土柱中的混凝土为三向受压状态。三向箍筋柱和钢管混凝土柱中的混凝土为三向受压状态。三向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。受压试验一般采用圆柱体在等侧压条件进行。受压试验一般采用圆柱体在等侧压条件进行。受压试验一般采用圆柱体在等侧压条件进行。有侧向约束时有侧向约束时的抗压强度的抗压强度无侧向约束无侧向约束时圆柱体的时圆柱体的单轴抗压强单轴抗压
22、强度度16161=fcc1=fcc2=3=fLfL-侧向约束侧向约束压应力(加液压)压应力(加液压)结论:结论:三向受压状态下的三向受压状态下的混凝土抗压强度大于双向混凝土抗压强度大于双向和单向,侧压力的存在还和单向,侧压力的存在还会提高混凝土的延性。会提高混凝土的延性。1717200 3=50N/mm235N/mm213 310N/mm2150100500510152025 1 2(N/mm2)1()18182.1.4.混凝土的变形 变形的分类:变形的分类:变形的分类:变形的分类:受力变形受力变形受力变形受力变形荷载产生的;荷载产生的;荷载产生的;荷载产生的;体积变形体积变形体积变形体积变形
23、收缩、温差和湿差产生的。收缩、温差和湿差产生的。收缩、温差和湿差产生的。收缩、温差和湿差产生的。1.1.1.1.一次短期加载下混凝土的变形性能一次短期加载下混凝土的变形性能一次短期加载下混凝土的变形性能一次短期加载下混凝土的变形性能(1 1 1 1)混凝土受压时的应力)混凝土受压时的应力)混凝土受压时的应力)混凝土受压时的应力-应变关系应变关系应变关系应变关系 混凝土单轴受力时的应力混凝土单轴受力时的应力混凝土单轴受力时的应力混凝土单轴受力时的应力-应变关系反映了混凝土受应变关系反映了混凝土受应变关系反映了混凝土受应变关系反映了混凝土受力全过程的重要力学特征力全过程的重要力学特征力全过程的重要
24、力学特征力全过程的重要力学特征,是分析混凝土构件应力、建立是分析混凝土构件应力、建立是分析混凝土构件应力、建立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承载力和变形计算理论的必要依据,也是利用计算机进行承载力和变形计算理论的必要依据,也是利用计算机进行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。非线性分析的基础。非线性分析的基础。非线性分析的基础。混凝土单轴受压应力混凝土单轴受压应力混凝土单轴受压应力混凝土单轴受压应力-应变关系曲线,常应变关系曲线,常应变关系曲线,常应变关系曲线,常采用棱柱采用棱柱采用棱柱采用棱柱体试件来测定体试件来测
25、定体试件来测定体试件来测定。在普通试验机上采用等应力速度加载,在普通试验机上采用等应力速度加载,在普通试验机上采用等应力速度加载,在普通试验机上采用等应力速度加载,达到轴心抗压强度达到轴心抗压强度达到轴心抗压强度达到轴心抗压强度f fc c时,试验机中集聚的弹性应变能大于时,试验机中集聚的弹性应变能大于时,试验机中集聚的弹性应变能大于时,试验机中集聚的弹性应变能大于1919试件所能吸收的应变能,会导致试件产生突然脆性破坏,试件所能吸收的应变能,会导致试件产生突然脆性破坏,只能测得应力只能测得应力-应变曲线的上升段。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采用等应变速度加
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