混凝土材料的物理力學性能

1、編輯ppt1混凝土結(jié)構(gòu)材料的物理力學性能內(nèi)容提要鋼筋的強度與變形鋼筋的強度與變形混凝土的強度與變形混凝土的強度與變形粘結(jié)力粘結(jié)力編輯ppt2 Fe C Si、Mn S、P 合金元素 2.1 鋼 筋2.1.1 鋼筋的品種和級別鋼筋的品種和級別1.鋼鋼 筋筋 的的 成成 分分 編輯ppt32.鋼筋的品種： 碳素鋼 (C%)按化學成分 普通低合金鋼0.6%(0.61.4% ) -高碳鋼編輯ppt4軟鋼 有明顯屈服臺階 變形性能好 eg：熱軋鋼筋 硬鋼 無明顯屈服臺階 eg：高強鋼絲、鋼絲、 鋼絞線、熱處理鋼筋、 冷加工鋼筋 按 s-e曲線 編輯ppt5 按鋼筋的外形按鋼筋的外形 光面鋼筋 eg：HP

2、B300級變形鋼筋（螺紋 人字形 月牙紋）； 鋼絞線（7股）預應力螺紋鋼筋（精軋螺紋鋼筋）光面鋼筋螺旋肋鋼絲月牙紋鋼筋編輯ppt64）按生產(chǎn)工藝 1 熱軋鋼筋-低碳鋼、普通低合金鋼或細晶粒鋼在高溫狀態(tài)下軋制而成 HPB300級（ ）、 HRB335級（ ）、HRBF335級（ ）、 HRB400級（ ）、 HRBF400級（ ）、RRB400級（ ） HRB500級（ ）和HRBF500級（ ）2 中強度預應力鋼絲：抗拉強度為8001270MPa，外 形有光面（ ）和螺旋肋（ ）兩種 3 消除應力鋼絲：抗拉強度為14701860MPa，外形也有光面（ ）和螺旋肋（ ）兩種 4 鋼絞線（ ）：是

3、由多根高強鋼絲扭結(jié)而成，常用的有17（7股）和13（3股）等，抗拉強度為15701960MPa5 預應力螺紋鋼筋（ ）：編輯ppt7 ：冶金行業(yè)近年來研制開發(fā)出細粒的金相組織，達到與添加合金元素相同的效果，強度和延性完全滿足混凝土結(jié)構(gòu)對鋼筋性能的要求。晶粒鋼筋，這種鋼筋不需要添加或只需添加很少的合金元素，通過控制軋鋼的溫度形成細晶 ：混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范GB50010-2010未列入冷加工鋼筋，工程應用時可按相關的冷加工鋼筋技術標準執(zhí)行細晶粒鋼筋冷加工鋼筋編輯ppt82.1.2 鋼筋強度和變形鋼筋強度和變形1.鋼筋的s-e 曲線 （1）軟鋼拉伸時的典型s-e 曲線編輯ppt9四階段：0a彈性階段

4、 cf-屈服階段 df-強化階段 de-頸縮階段三應變： e y-屈服應變 d -斷后伸長率(d5或d10, d100) d 只能反映鋼筋殘余變形的大小，忽略了鋼筋的彈 性變形，不能反映鋼筋受力時的總體變形能力； 人為誤差大。 dgt-均勻伸長率 %10000-llld%100)(sb00gt-ELLLsd編輯ppt10 dgt既能反映鋼筋的殘余變形，又能反映鋼筋的彈性變形，量測結(jié)果受原始標距L0的影響較小，也不產(chǎn)生人為誤差。因此GB50010-2010采用dgt來統(tǒng)一評定鋼筋的塑性性能。 圖圖2.5 最大力下的總伸長率的量測方法最大力下的總伸長率的量測方法 dgt的測定圖圖2.4 鋼筋最大力

5、下的總伸長率鋼筋最大力下的總伸長率 編輯ppt11二強度屈服強度-混凝土構(gòu)件計算中鋼筋設計強度的依據(jù)。極限抗拉強度-材料的實際破壞強度 鋼筋的強屈比-（極限抗拉強度與屈服強度的比值）表示結(jié)構(gòu)的可靠性潛力，在抗震結(jié)構(gòu)中考慮到受拉鋼筋可能進入強化階段，要求強屈比不小于1.25。編輯ppt12 （2）硬鋼拉伸s-e曲線 圖圖2.3 無明顯屈服點鋼筋的應力應變曲線無明顯屈服點鋼筋的應力應變曲線 條件屈服強度：條件屈服強度：規(guī)范規(guī)范規(guī)定對無明顯屈服點的規(guī)定對無明顯屈服點的鋼筋，條件屈服強度取鋼筋，條件屈服強度取極限抗拉強度的極限抗拉強度的0.85倍。倍。編輯ppt13（3）鋼筋受壓s-e 曲線 軟鋼和硬

6、鋼受壓s-e 曲線與其受拉時s-e曲線基本相同，不同之處在于，鋼筋受壓時由于試件發(fā)生明顯的橫向塑性變形，截面面積增大，不會發(fā)生材料破壞，難以得出明顯的極限抗壓強度。編輯ppt142.鋼筋的冷彎性能 概念：概念：鋼筋的冷彎性能是將直徑為d的鋼筋繞直徑為D的彎芯進行彎折（圖2.6），在達到規(guī)定冷彎角度a時，鋼筋不發(fā)生裂紋、斷裂或起層現(xiàn)象。 意義：意義：冷彎性能也是評是鋼筋塑性的指標，是檢驗鋼筋韌性、內(nèi)部質(zhì)量和加工可適性的有效方法，彎芯的直徑D越小，彎折角a 越大，說明鋼筋的塑性越好。編輯ppt15 檢驗指標： 軟鋼-屈服強度、極限抗拉強度、伸長率和冷彎性能 四項。 硬鋼-極限抗拉強度、伸長率和冷彎

7、性能三項。 對在混凝土結(jié)構(gòu)中應用的熱軋鋼筋和預應筋的具體性能要求見有關國家標準，如鋼筋混凝土用鋼GB1499、預應力混凝土用鋼絲GB/T5223等。編輯ppt16概念概念：鋼筋的疲勞是指鋼筋在承受重復、周期性：鋼筋的疲勞是指鋼筋在承受重復、周期性的動荷載作用下，經(jīng)過一定次數(shù)后，從塑性破壞的動荷載作用下，經(jīng)過一定次數(shù)后，從塑性破壞變成脆性突然斷裂的破壞現(xiàn)象。變成脆性突然斷裂的破壞現(xiàn)象。eg吊車梁、橋面吊車梁、橋面板、軌枕板、軌枕鋼筋的疲勞強度鋼筋的疲勞強度是指在某一規(guī)定的應力幅內(nèi)，經(jīng)是指在某一規(guī)定的應力幅內(nèi)，經(jīng)受一定次數(shù)（我國規(guī)定為受一定次數(shù)（我國規(guī)定為200萬次）循環(huán)荷載后萬次）循環(huán)荷載后發(fā)生

8、疲勞破壞的最大應力值。發(fā)生疲勞破壞的最大應力值。 2.1.3鋼筋的疲勞鋼筋的疲勞編輯ppt17 ：由于鋼筋內(nèi)部和外表面的缺陷引起應力集中，鋼筋中晶粒發(fā)生滑移，產(chǎn)生疲勞裂紋，最后斷裂。 ：疲勞應力幅、最小應力值的大小，鋼筋外表面幾何形狀，鋼筋直徑，鋼筋強度和試驗方法等。我國混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范規(guī)定了不同等級鋼筋的疲勞應力幅度限值，并規(guī)定該值與截面同一纖維上鋼筋最小應力與最大應力的比值有關，r f 稱為疲勞應力比。對預應力鋼筋，當r f 0.9時，可不進行疲勞強度驗算。疲勞破壞的原因影響鋼筋疲勞強度的因素編輯ppt182.1.4 混凝土結(jié)構(gòu)對鋼筋性能的要求混凝土結(jié)構(gòu)對鋼筋性能的要求鋼筋的強度-屈服強

9、度及極限抗拉強度鋼筋的塑性-伸長率和冷彎性能合格。GB50010-2010和相關的國家標準中對各種鋼筋的伸長率（dgt ）和冷彎性能均有明確規(guī)定。鋼筋的可焊性-在一定的工藝條件下鋼筋焊接后不產(chǎn)生裂紋及過大的變形，保證焊接后的接頭性能良好。鋼筋與混凝土的粘結(jié)力編輯ppt192.2 2.2 混凝土混凝土2.2.1 2.2.1 混凝土的組成結(jié)構(gòu)混凝土的組成結(jié)構(gòu)水泥水泥+水水+砂（細骨料）砂（細骨料）+石材（粗骨料）石材（粗骨料）+外加劑外加劑 人工石材。人工石材?；炷羶?nèi)微縫壞情況混凝土內(nèi)微縫壞情況編輯ppt20 1.立方體抗壓強度立方體抗壓強度fcu 按標準方法制作的邊長為按標準方法制作的邊長為1

10、50mm的立方體試件，在標的立方體試件，在標準條件下養(yǎng)護，用標準試驗方法測得的具有準條件下養(yǎng)護，用標準試驗方法測得的具有95%保證率的保證率的抗壓強度值（以抗壓強度值（以N/mm2計）稱為混凝土的立方體抗壓強計）稱為混凝土的立方體抗壓強度等級。我國規(guī)范采用立方體抗壓強度作為評定混凝土強度等級。我國規(guī)范采用立方體抗壓強度作為評定混凝土強度等級的標準。度等級的標準。 標準試驗方法標準試驗方法：不涂潤滑油，加載速度為：混凝土強：不涂潤滑油，加載速度為：混凝土強度等級低于度等級低于C30時，取每秒鐘時，取每秒鐘0.30.5N/mm2；混凝土強；混凝土強度度等級高于或等于C30時，取每秒鐘0.50.8N

11、/mm2。 標準養(yǎng)護條件標準養(yǎng)護條件：溫度：溫度203、相對濕度在、相對濕度在90%以上以上的潮濕空氣環(huán)境，規(guī)定的試驗齡期為的潮濕空氣環(huán)境，規(guī)定的試驗齡期為28d。2.2.22.2.2混凝土的強度混凝土的強度編輯ppt21 混凝土強度等級有14級，分別為C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75和C80。符號“C”代表混凝土，后面的數(shù)字表示混凝土的立方體抗壓強度的標準值（以N/mm2計），例如C60表示混凝土立方體抗壓強度標準值為60N/mm2。 圖圖2.8 混凝土立方體試件破壞情況混凝土立方體試件破壞情況 編輯ppt222.軸心抗壓

12、強度fc 用混凝土棱柱體試件測得的抗壓強度稱為混凝土的軸心抗壓強度，也稱棱柱體抗壓強度。h/b ，測得的強度 ，但當h/b達到一定值后，這種影響就不明顯了。試驗表明，當h/b由1 2時，抗壓強度降低很快；但當h/b由2 4時，其抗壓強度變化不大。我國規(guī)范以150mm150mm300mm的棱柱體為混凝土軸心抗壓強度試驗的標準試件。編輯ppt23 圖圖2.11 混凝土軸心抗混凝土軸心抗壓強度與立方體抗壓壓強度與立方體抗壓強度的關系強度的關系 圖圖2.10 混凝土棱柱體混凝土棱柱體抗壓試驗和試件破壞抗壓試驗和試件破壞情況情況 編輯ppt24 混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范采用的混凝土軸心抗壓強度標準值fck與立

13、方體抗壓強度標準值fcu,k之間的換算關系為： （2.3）ac1 混凝土軸心抗壓強度立方體抗壓強度的比值，當混凝土強度等級不大于C50時， ac1 =0.76；當混凝土強度等級為C80時，ac1 =0.82；當混凝土強度等級為中間值時，按線性變化插值；ac2 混凝土的脆性系數(shù)，當混凝土強度等級不大于C40時， ac2 =1.0；當混凝土強度等級為C80時， ac2 =0.87；當混凝土強度等級為中間值時，按線性變化插值； 0.88考慮結(jié)構(gòu)中的混凝土強度與立方體試件混凝土強度差異等因素的修正系數(shù)。 kcu,c2c1ck88.0ffaa編輯ppt253. 混凝土的抗拉強度 軸心抗拉強度ft 直接拉

14、伸試驗直接拉伸試驗 劈拉強度ft，s ftfc，ft /fc=1/101/20，fcu , ft /fc編輯ppt26 我國規(guī)范采用軸心抗拉強度ft作為混凝土抗拉強度的代表值。 據(jù)試驗結(jié)果，規(guī)范采用的ftk與fcu,k間的換算關系為： c245. 00.55kcu,tk)645. 11 (395. 088. 0ad-ff編輯ppt27 4. 混凝土在復合應力作用下的強度 （1）混凝土的雙向受力強度 圖圖2.14 混凝土雙向應力強度混凝土雙向應力強度 （圖中第三象限），一向的抗壓強度隨另一向壓應力的增大而增大 （圖中第一象限），一個方向的抗拉強度受另一方向拉應力的影響不明顯，其抗拉強度接近于單向

15、抗拉強度。 （圖中第二、四象限），抗壓強度隨拉應力的增大而降低，同樣抗拉強度也隨壓應力的增大而降低，其抗壓或抗拉強度均不超過相應的單軸強度。雙向受壓時 雙向受拉時一向受拉另一向受壓時編輯ppt28（2）混凝土在正應力和剪應力共同作用下的強度 圖圖2.15 混凝土在正應力和剪應力共同作用下的強度曲線混凝土在正應力和剪應力共同作用下的強度曲線 可以看出混凝土的 ，抗剪強度隨壓應力的增大而增大；當壓應力大于0.6fc以后，抗剪強度反而隨壓應力的增大而減小。 由于剪應力的存在，其抗壓強度和抗拉強度均低于相應的單軸強度。 抗剪強度隨拉應力的增大而減??；當壓應力小于0.6fc時編輯ppt29 （3）混凝土

16、的三向受壓強度 混凝土三向受壓時，一向抗壓強度隨另兩向壓應力的增加而增大，并且混凝土受壓的極限變形也大大增加。 由試驗結(jié)果得到的經(jīng)驗公式為： 在等側(cè)向壓應力s2作用下混凝土圓柱體抗壓強度； 無側(cè)向壓應力時混凝土圓柱體抗壓強度。 k 為側(cè)向壓應力系數(shù)，根據(jù)試驗結(jié)果取k =4.57.0，平均值為5.6，當側(cè)向壓應力較低時得到的系數(shù)值較高。2cccskffccfcf編輯ppt30 2.2.3 混凝土的變形混凝土的變形 受力變形受力變形 一次短期加荷的變形一次短期加荷的變形 荷載長期作用下的變形荷載長期作用下的變形 多次重復荷載作用下的變形多次重復荷載作用下的變形 非受力變形非受力變形 溫度變化產(chǎn)生的

17、變形溫度變化產(chǎn)生的變形 收縮收縮 膨脹膨脹 編輯ppt31 圖圖2.17 混凝土棱柱體受壓應力應變曲線混凝土棱柱體受壓應力應變曲線1. 混凝土在一次短期加荷時的變形性能混凝土在一次短期加荷時的變形性能（1）混凝土受壓）混凝土受壓s s- -e e曲線曲線 上升段OC , s s- -e e關系接近于直線，A 點為比例極限（圖2.18a）。 ，B點的應力可作為混凝土長期受壓強度的依據(jù)（圖2.18b） （圖2.18c）；C點的應力即為混凝土的軸心抗壓強度fc ，相應的應變稱為峰值應變e 0 ,對C50及以下的素混凝土通常取e 0 =0002。 ：凸曲線變?yōu)榘记€，出現(xiàn)拐點D ，收斂點E ；超過E點

18、后，試件的貫通主裂縫已經(jīng)很寬，失去結(jié)構(gòu)意義。OA段-準彈性階段AB段-裂縫穩(wěn)定擴展階段 BC段-裂縫不穩(wěn)定擴展階段下降段CF編輯ppt32 圖圖2.18 混凝土內(nèi)微裂縫發(fā)展過程混凝土內(nèi)微裂縫發(fā)展過程編輯ppt33 不同強度混凝土的應力不同強度混凝土的應力-應變曲線：應變曲線： 圖圖2.19 不同強度混凝土的應力應變曲線不同強度混凝土的應力應變曲線 隨著混凝土強度的提高，上升段曲線的直線部分增大，峰值應變e 0也有所增大；但混凝土強度越高，曲線下降段越陡，延性也越差。 編輯ppt34 圖圖2.20 不同應變速度下混凝土的應力應變曲線不同應變速度下混凝土的應力應變曲線 ：隨著加荷速度的降低，峰值應

19、力逐漸減小，但與峰值應力對應的應變卻增大了，下降段也變得平緩一些。加載速度對混凝土強度的影響編輯ppt35 (2) 橫向變形系數(shù)nc 混凝土試件在一次短期加荷時，產(chǎn)生的橫向應變與縱向應變的比值，稱橫向變形系數(shù)nc，又稱為泊松比。s 0.5fc時， nc ；混凝土處于彈性階段時，取nc =0.2。當混凝土應力較小時，體積隨壓應力的增大而減小，當壓應力超過一定值后，隨壓應力的增大，體積又重新增大，最后竟然超過了原來的體積。 圖圖2.23混凝土橫向應變和縱向應變的關系混凝土橫向應變和縱向應變的關系 編輯ppt36(3)混凝土的變形模量 圖圖2.25 混凝土變形模量的表示方法混凝土變形模量的表示方法0

20、cecctanaesE彈性模量（原點模量）彈性模量（原點模量）Ec 割線模量（變形模量）1ccctanaesE切線模量atanc EEc/ ，Ec/為變值，隨sc的增大而減小。cE編輯ppt37 圖圖2.26 Ec的測定方法的測定方法規(guī)范規(guī)定的Ec的測定方法將棱柱體試件加荷至應力0.4 fc，反復加荷510次后，應力-應變曲線接近于直線，該直線的斜率即作為彈性模量的取值。cu5c7.342.210fE編輯ppt38 (4)混凝土的剪切模量Gc 我國規(guī)范近似取Gc=0.4 Ec。（5）混凝土軸向受拉的s-e關系 曲線形狀與受壓時相似，有上升和下降段，曲線原點切線斜率與受壓時基本一致，峰值應力和峰

21、值應變比受壓時小得多。 圖圖2.27 不同強度混凝土的受拉不同強度混凝土的受拉s s- -e e曲線曲線）（ccc12nEG編輯ppt392. 混凝土在荷載重復作用下的變形性能（疲勞變形）混凝土在荷載重復作用下的變形性能（疲勞變形） 圖圖2.29 混凝土多次重混凝土多次重 復加荷的復加荷的s s- -e e曲線曲線 圖圖2.28 混凝土一次加荷卸混凝土一次加荷卸 荷的荷的s s- -e e曲線曲線 編輯ppt40 當加荷應力s1fcf時，開始時混凝土的s-e曲線凸向應力軸，在重復加荷載過程中逐漸變化為凸向應變軸，不能形成封閉環(huán)；隨著荷載重復次數(shù)的增加，s-e曲線的斜率不斷降低，最后混凝土試件因

22、嚴重開裂或變形太大而破壞，這種因荷載重復作用而引起的混凝土破壞稱為混凝土的疲勞破壞。 混凝土能承受荷載多次重復作用而不發(fā)生疲勞破壞的最大應力限值稱為混凝土的疲勞強度fcf。疲勞破壞編輯ppt413. 混凝土在荷載長期作用下的變形性能徐變徐變：混凝土在荷載的長期作用下隨時間而增長的變形。徐變與時間關系 圖圖2.30 混凝土的徐變混凝土的徐變e ece-瞬時彈性應變；瞬時彈性應變；e ecr-徐變；徐變；e ece -瞬時恢復應變；瞬時恢復應變；e ece -彈性后效；彈性后效；e ecr -殘余應變。殘余應變。編輯ppt421 內(nèi)在因素主要是指混凝土的組成與配合比。水泥用量大，徐變越大。2 環(huán)境

23、影響主要是指混凝土的養(yǎng)護條件以及使用條件下的溫濕度影響。養(yǎng)護的溫度越高，濕度越大，水泥水化作用越充分，徐變就越小。3 應力條件的影響包括加荷時施加的初應力水平和混凝土的齡期兩個方面。在同樣的應力水平下，加荷齡期越早，混凝上硬化越不充分，徐變就越大；在同樣的加荷齡期條件下，施加的初應力水平越大，徐變就越大。影響混凝土徐變的因素編輯ppt43 當sc/fc0.8fc以后這種非線性徐變住往是不收斂的，最終將導致混凝土的破壞，如圖2.32所示。 圖圖2.31 壓應力與徐變的關系壓應力與徐變的關系 圖圖2.32 不同應力比值的徐變時間曲線不同應力比值的徐變時間曲線徐變的分類編輯ppt44 使構(gòu)件的變形增

24、加； 引起應力重分布； 引起預應力損失。 徐變對結(jié)構(gòu)的影響也有有利的一面，在某些情況下，徐變可減少由于支座不均勻沉降而產(chǎn)生的應力，并可延緩收縮裂縫的出現(xiàn)。徐變對工程的影響4. 混凝土的收縮、膨脹和溫度變形收縮：混凝土在空氣中凝結(jié)硬化過程中體積減小收縮對工程的影響：產(chǎn)生收縮拉應力，從而加速裂縫的出現(xiàn)和開展；在預應力混凝土結(jié)構(gòu)中，混凝土的收縮將導致預應力的損失；對跨度變化比較敏感的超靜定結(jié)構(gòu)(如拱等)，混凝土的收縮還將產(chǎn)生不利于結(jié)構(gòu)的內(nèi)力。膨脹：混凝土在水中硬化時體積增大。一般說來，收縮值要比膨脹值大很多?；炷恋呐蛎浲怯欣?，一般可不予考慮。 編輯ppt452.3 鋼筋與混凝土的相互作用鋼筋

25、與混凝土的相互作用粘結(jié)粘結(jié) 粘結(jié)應力：是沿鋼筋縱向存在于鋼筋和混凝土接觸面上的剪應力。 粘結(jié)力組成：化學膠結(jié)力，摩阻力，機械咬合力。 作用：進行力和變形的相互傳遞，保證鋼筋與混凝土共同受力、共同變形的基礎；配筋構(gòu)造的基礎。 大?。?粘結(jié)應力使鋼筋應力沿其長度發(fā)生變化，沒有粘結(jié)應力，鋼筋應力就不會發(fā)生變化，反之如果鋼筋應力沒有變化，就說明不存在粘結(jié)應力。dxdds4s2.3.1 粘結(jié)的作用與性質(zhì)粘結(jié)的作用與性質(zhì)編輯ppt46 2.3.2粘結(jié)機理分析粘結(jié)機理分析變形鋼筋與混凝土的相互作用變形鋼筋與混凝土的相互作用光圓鋼筋與混凝土的相互作用光圓鋼筋與混凝土的相互作用編輯ppt47鋼筋表面形狀鋼筋表面

26、形狀混凝土強度：混凝土強度： u=kft保護層厚度：保護層厚度：c/d , u鋼筋澆注位置鋼筋澆注位置鋼筋凈間距鋼筋凈間距橫向鋼筋和橫向壓力等橫向鋼筋和橫向壓力等2.3.3 影響粘結(jié)強度的主要因素影響粘結(jié)強度的主要因素當鋼筋的當鋼筋的錨固區(qū)作用有側(cè)向壓應力時，使粘結(jié)強度提高。錨固區(qū)作用有側(cè)向壓應力時，使粘結(jié)強度提高。編輯ppt48 1.鋼筋的錨固長度鋼筋的錨固長度 式中式中 la受拉鋼筋的錨固長度；受拉鋼筋的錨固長度； z za錨固長度修正系數(shù)，按下面規(guī)定取用，當多于一錨固長度修正系數(shù)，按下面規(guī)定取用，當多于一 項時，可以連乘計算。經(jīng)修正的錨固長度不應小于基本錨項時，可以連乘計算。經(jīng)修正的錨固長度不應小于基本錨固長度的固長度的0.6倍且不小于倍且不小于200mm。 lab鋼筋的基本錨固長度鋼筋的基本錨固長度 a a -錨固鋼筋的外形系數(shù)錨固鋼筋的外形