混凝土結構材料的物理力學性能(簡環)

第2章

混凝土結構材料的物理力學性能2.1混凝土的物理力學性能2.2鋼筋的物理力學性能2.3混凝土與鋼筋的粘結第2章2.1混凝土的物理力學性能2.1.2單軸應力狀態下的砼強度單軸強度是基礎混凝土結構中，主要是利用它的抗壓強度。抗壓強度是混凝土力學性能中最主要和最基本的指標。是復雜應力狀態下強度的基礎和重要參數。影響強度的因素水泥強度等級，水灰比，骨料性質，級配；成型方法，硬化環境，養護齡期；試件大小、形狀試驗方法、加載速率。2.1.2單軸應力狀態下的砼強度1單軸抗壓強度1）立方體抗壓強度fcu,k定義邊長為150mm的立方體標準試件，在標準養護條件（溫度為20±3℃，濕度≥90%）下養護28d，按照標準試驗方法（加載速度0.3~0.5MPa/s，兩端不涂潤滑劑）測得的抗壓強度（MPa）。強度等級具有95%保證率的抗壓強度，符號C。根據強度范圍，從C15~C80共劃分為14個強度等級，級差為5MPa。第2章2.1混凝土的物理力學性能2.1.2單軸應力狀態下的砼強度1單軸抗壓強度1）立方體抗壓強度fcu,k影響強度等級的因素試驗方法（接觸面摩擦）加載速度速度越快，強度越高齡期隨齡期逐漸增長第2章2.1混凝土的物理力學性能2.1.2單軸應力狀態下的砼強度1單軸抗壓強度2）軸心抗壓強度標準值fck按標準方法制作的150×l50×300mm的棱柱體試件，在溫度為20±3℃和相對濕度為90％以上的條件下養護28d，用標準試驗方法測得的具有95％保證率的抗壓強度（MPa）。對于同一混凝土，棱柱體抗壓強度恒小于立方體抗壓強度。第2章2.1混凝土的物理力學性能2.1.2單軸應力狀態下的砼強度2軸心抗拉強度混凝土軸心抗拉強度約為立方體抗壓強度的1/17~1/8；在荷載較小時，混凝土即開裂，所以混凝土結構一般帶裂縫工作，混凝土軸心抗拉強度不起決定作用。第2章2.1混凝土的物理力學性能2.1.2單軸應力狀態下的砼強度2軸心抗拉強度直接軸心受拉的試驗方法來測定試驗比較困難。采用圓柱體或立方體的劈裂試驗來間接測試砼的軸心抗拉強度。第2章2.1混凝土的物理力學性能FdF拉壓壓2.1.3復雜應力狀態下的砼強度1雙軸應力狀態第2章2.1混凝土的物理力學性能最大受壓強度發生在兩個壓應力之比為0.3~0.6之間，約1.25~1.60fc。雙向受壓強度大于單向受壓強度雙軸受壓狀態下混凝土的應力-應變關系與單軸受壓曲線相似，但峰值應變均超過單軸受壓時的峰值應變。2.1.3復雜應力狀態下的砼強度1雙軸應力狀態第2章2.1混凝土的物理力學性能在一軸受壓一軸受拉狀態下，任意應力比情況下均不超過其相應單軸強度。并且抗壓強度或抗拉強度均隨另一方向拉應力或壓應力的增加而減小。2.1.3復雜應力狀態下的砼強度砼平面應力狀態的特點平面應力狀態下，當兩方向應力均為壓應力時，抗壓強度相互提高，最大可增加27％，而當一方向為壓應力，另一方向為拉應力時，強度相互降低。當壓應力不太高時，可提高砼的抗剪強度。拉應力的存在會降低砼的抗剪強度。剪應力的存在降低砼的抗壓和抗拉強度。實際結構中，混凝土很少處于單向受力狀態。更多的是處于雙向或三向受力狀態。第2章2.1混凝土的物理力學性能2.1.3復雜應力狀態下的砼強度3三軸應力狀態三軸應力狀態有多種組合，實際工程遇到較多的螺旋箍筋柱和鋼管混凝土柱中的砼為三向受壓狀態。三向受壓狀態下的砼抗壓強度大于雙向和單向。第2章2.1混凝土的物理力學性能2.1.4混凝土的變形混凝土的變形分為兩類混凝土的受力變形一次短期加載；荷載長期作用；多次重復荷載混凝土的非受力變形溫差變形；濕差變形；收縮變形第2章2.1混凝土的物理力學性能1.一次短期加載下砼的變形性能（1）單軸受壓應力-應變關系第2章02468102030s(MPa)ε×10-3BACEDA點以前，微裂縫無明顯發展，混凝土的變形主要彈性變形，應力-應變關系近似直線。A點應力隨砼強度的提高而增加，普通砼sA≈0.3~0.4fc，高強砼sA≈0.5~0.7fc。2.1.4混凝土的變形1.一次短期加載下砼的變形性能（1）單軸受壓應力-應變關系第2章02468102030s(MPa)ε×10-3BACEDA點以后，由于微裂縫處的應力集中，裂縫開始有所延伸發展，產生部分塑性變形，應變增長開始加快，應力-應變曲線逐漸偏離直線。微裂縫的發展導致混凝土的橫向變形增加。但該階段微裂縫的發展是穩定的。2.1.4混凝土的變形1.一次短期加載下砼的變形性能（1）單軸受壓應力-應變關系第2章02468102030s(MPa)ε×10-3BACED達到B點，內部一些微裂縫相互連通，裂縫發展已不穩定，橫向變形突然增大，體積應變開始由壓縮轉為增加。在此應力的長期作用下，裂縫持續發展最終導致破壞。取B點的應力作為砼的長期抗壓強度。普通砼sB≈0.8fc，高強砼sB可達0.95fc以上。2.1.4混凝土的變形1.一次短期加載下砼的變形性能（1）單軸受壓應力-應變關系第2章02468102030s(MPa)ε×10-3BACEDB點以后，內部微裂縫連通形成破壞面，應變增長速度明顯加快，裂縫快速發展直至C點，此處的峰值應力smax即作為fc，相應的應變值稱為峰值應變e0，約為0.0015~0.0025，通常取0.002。2.1.4混凝土的變形1.一次短期加載下砼的變形性能（1）單軸受壓應力-應變關系第2章02468102030s(MPa)ε×10-3BACED縱向應變發展達到D點，內部裂縫在試件表面出現第一條可見平行于受力方向的縱向裂縫。2.1.4混凝土的變形1.一次短期加載下砼的變形性能（1）單軸受壓應力-應變關系第2章02468102030s(MPa)ε×10-3BACED隨應變增長，試件上相繼出現多條不連續的縱向裂縫，橫向變形急劇發展，承載力明顯下降,混凝土骨料與砂漿的粘結不斷遭到破，裂縫連通形成斜向破壞面。E點應變e=2~3e0，E點應力s=0.4~0.6

fc。2.1.4混凝土的變形1.一次短期加載下砼的變形性能（3）三軸受壓下砼的變形性能橫向受到約束時，抗壓強度和延性均可提高工程應用：約束混凝土鋼管砼密配螺旋箍筋混凝土的材料性質復雜多變，其多軸強度和變形又隨三軸應力狀態的不同而有很大差異。至今還沒有，以后也難以找到一種準確的理論方法，可以從混凝土原材料的性質、組成和制備工藝等原始條件推算其多軸力學性能。第2章2.1.4混凝土的變形1.一次短期加載下砼的變形性能（4）混凝土的變形模量混凝土彈性模量值Ec取值一般取為相當于結構使用階段的工作應力s=(0.4～0.5)fc時的割線模量值。（kN/mm2）混凝土結構設計規范GB50010-2002：砼彈性模量按下式第2章2.1.4混凝土的變形kcc0cecp0h第2章2.荷載長期作用下砼的變形性能混凝土長期變形性能——徐變混凝土在荷載的長期作用下，其變形隨時間而不斷增長的現象稱為徐變。混凝土的徐變特性主要與時間參數有關。2.1.4混凝土的變形161284369121518212427?Acecr徐變ce彈性變形ch收縮ceaeerBCD(10–4)t(月)0第2章2.荷載長期作用下砼的變形性能混凝土的徐變曲線前4個月徐變增長較快，6個月可達最終徐變的70~80%，以后增長逐漸緩慢，2~3年后趨于穩定。2.1.4混凝土的變形161284369121518212427?Acecr徐變ce彈性變形ch收縮ceaeerBCD(10–4)t(月)0第2章2.荷載長期作用下砼的變形性能混凝土的徐變曲線經過一段時間后，還有一部分應變e’’ce

可以恢復，稱為彈性后效或徐變恢復，但仍有不可恢復的殘留永久應變eer。2.1.4混凝土的變形161284369121518212427?Acecr徐變ce彈性變形ch收縮ceaeerBCD(10–4)t(月)0第2章4.混凝土的收縮定義混凝土在空氣中硬化時體積會縮小，這種現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生的變形。2.1.4混凝土的變形蒸汽養護常溫養護051015200.10.20.30.4收縮(10–3)時間(月)第2章4.混凝土的收縮影響混凝土收縮的因素與結構周圍的溫度、濕度、構件斷面形狀及尺寸、配合比、骨料性質、水泥性質、混凝土澆筑質量及養護條件等許多因素有關。1.水泥的品種水泥強度等級越高，制成的混凝土收縮越大。2.水泥的用量水泥用量多、水灰比越大，收縮越大。3骨料的性質骨料彈性模量高、級配好，收縮就小。2.1.4混凝土的變形第2章4.混凝土的收縮影響混凝土收縮的因素與結構周圍的溫度、濕度、構件斷面形狀及尺寸、配合比、骨料性質、水泥性質、混凝土澆筑質量及養護條件等許多因素有關。4.養護條件干燥失水及高溫環境，收縮大。5.混凝土制作方法混凝土越密實，收縮越小。6.使用環境使用環境溫度、濕度越大，收縮越小。7.構件的體積與表面積比值比值大時，收縮小。2.1.4混凝土的變形2.2.1鋼筋的品種和級別熱軋鋼筋種類HPB235級、HRB335級、HRB400級、RRB400級屈服強度fyk（標準值，保證率95%）HPB235級：fyk=235N/mm2；d5=25%HRB335級：fyk=335N/mm2；d5=16%HRB400級：fyk=400N/mm2；d5=14%RRB400級：fyk=400N/mm2；d5=10%第2章2.2鋼筋的物理力學性能2.2.1鋼筋的品種和級別熱軋鋼筋用途HPB235級（Ⅰ級）鋼筋多為光面鋼筋，多作為現澆樓板的受力鋼筋和箍筋。HRB335級（Ⅱ級）

級和HRB400級（Ⅲ級）：鋼筋強度較高，多作為鋼筋混凝土構件的受力鋼筋，尺寸較大的構件，也有用Ⅱ級鋼筋作箍筋以增強與混凝土的粘結，外形制作成月牙肋或等高肋的變形鋼筋。RRB400級（Ⅳ級）一般冷拉后作預應力筋。第2章2.2鋼筋的物理力學性能極限強度fyftboa－彈性階段sa－比例極限fy－屈服強度ft－極限強度cd－強化階段de－頸縮階段bc－流幅階段2.2.2鋼筋的鋼筋的強度與變形鋼筋的s－e

曲線有明顯屈服點的鋼筋第2章2.2鋼筋的物理力學性能acde屈服強度比例極限sa流幅eo(N/mm2)fy－屈服強度ft－極限強度2.2.2鋼筋的鋼筋的強度與變形鋼筋的s－e

曲線無明顯屈服點的鋼筋第2章2.2鋼筋的物理力學性能s0.2－條件屈服強度fyft0.2%條件屈服強度eos(N/mm2)2.2.5混凝土結構對鋼筋性能的要求1強度要求鋼筋有足夠的強度和適宜的強屈比(極限強度與屈服強度的比值)。例如，對抗震等級為一、二級的框架結構，其縱向受力鋼筋的實際強屈比不應小于1.25。2塑性要求鋼筋應有足夠的變形能力。3可焊性要求鋼筋焊接后不產生裂縫和過大的變形，焊接接頭性能良好。4與混凝土的粘結力：要求鋼筋與混凝土之間有足夠的粘結力，以保證兩者共同工作。第2章2.2鋼筋的物理力學性能2.3混凝土與鋼筋的粘結產生鋼筋和混凝土粘結強度的主要原因混凝土收縮將鋼筋緊緊握固而產生的摩擦力；混凝土顆料的化學作用產生的混凝土與鋼筋之間的膠合力；鋼筋表面凹凸不平與混凝土之間產生的局部粘結應力。第2章2.3.2粘結力的組成光圓鋼筋與混凝土粘結作用1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