混凝土材料物理力學(xué)性能

混凝土材料物理力學(xué)性能第1頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.1混凝土的物理力學(xué)性能2.1.1混凝土的組成結(jié)構(gòu)混凝土結(jié)構(gòu)的三種基本類(lèi)型：Ａ.微觀結(jié)構(gòu)：也即水泥石結(jié)構(gòu)，包括水泥凝膠、晶體骨架、未水化完的水泥顆粒和凝膠孔組成。Ｂ.亞微觀結(jié)構(gòu)：即混凝土中的水泥砂漿結(jié)構(gòu)。Ｃ.宏觀結(jié)構(gòu)：即砂漿和粗骨料兩組分體系。注意：1.骨料的分布及骨料與基相之間在界面的結(jié)合強(qiáng)度是影響混凝土強(qiáng)度的重要因素；2.在荷載的作用下，微裂縫的擴(kuò)展對(duì)混凝土的力學(xué)性能有著極為重要的影響。第2頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

2.1.2單軸應(yīng)力狀態(tài)下的混凝土強(qiáng)度１.混凝土的抗壓強(qiáng)度（1）混凝土抗壓強(qiáng)度和強(qiáng)度等級(jí)1）立方體抗壓強(qiáng)度：邊長(zhǎng)為150mm的混凝土立方體試件，在標(biāo)準(zhǔn)條件下（溫度為20±3℃，濕度≥90%）養(yǎng)護(hù)28天，用標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法（加載速度0.15－0.3N/mm2/s，兩端不涂潤(rùn)滑劑）測(cè)得的具有95%保證率的抗壓強(qiáng)度。

是混凝土強(qiáng)度的基本指標(biāo)和評(píng)定混凝土強(qiáng)度等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)?！兑?guī)范》根據(jù)強(qiáng)度范圍，共劃分為14個(gè)強(qiáng)度等級(jí)：C15，C20，C25，C30，C35，C40，C45，C50，C55，C60，C65，C70，C75，C80。表示混凝土Concrete立方體抗壓強(qiáng)度2.1混凝土的物理力學(xué)性能第3頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.1混凝土的物理力學(xué)性能承壓板試塊摩擦力不涂潤(rùn)滑劑涂潤(rùn)滑劑強(qiáng)度大于試驗(yàn)方法對(duì)立方體抗壓強(qiáng)度的影響a.試件表面是否涂潤(rùn)滑劑：不涂時(shí)強(qiáng)度高；涂后強(qiáng)度底，其主要原因是由于“套箍”作用；且破壞形態(tài)不一樣；b.加載速度：速度快強(qiáng)度高，速度慢強(qiáng)度低第4頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.1混凝土的物理力學(xué)性能2）混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度A.確定混凝土軸心抗壓強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)方法標(biāo)準(zhǔn)試件：150mm150mm300mm的棱柱體；b.其余同混凝土立方體抗壓強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)方法；承壓板試塊軸心抗壓強(qiáng)度真實(shí)反映以受壓為主的混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗壓強(qiáng)度。為消除端部約束的影響

隨著高寬比的增加，混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度會(huì)降低第5頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.1混凝土的物理力學(xué)性能考慮到實(shí)際結(jié)構(gòu)構(gòu)件制作、養(yǎng)護(hù)和受力情況，實(shí)際構(gòu)件強(qiáng)度與試件強(qiáng)度之間存在差異，《規(guī)范》基于安全取偏低值，規(guī)定軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值和立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的換算關(guān)系：αc1——棱柱體強(qiáng)度與立方體強(qiáng)度之比，對(duì)不大于C50級(jí)的混凝土取0.76，對(duì)C80取0.82，其間按線性插值。αc2——高強(qiáng)混凝土的脆性折減系數(shù)，對(duì)C40取1.0，對(duì)C80取0.87，中間按直線規(guī)律變化取值。0.88為考慮實(shí)際構(gòu)件與試件混凝土強(qiáng)度之間的差異而取用的折減系數(shù)。fcu,k——立方體強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值第6頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.1混凝土的物理力學(xué)性能2.軸心抗拉強(qiáng)度確定方法：軸心受拉試驗(yàn)和劈裂試驗(yàn)；約為立方體抗壓強(qiáng)度的1/17～1/8；在荷載較小時(shí)，混凝土即開(kāi)裂，所以混凝土結(jié)構(gòu)一般帶裂縫工作，混凝土軸心抗拉強(qiáng)度不起決定作用。劈裂試驗(yàn)ftsddftsFFFF第7頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.1混凝土的物理力學(xué)性能２.１.３復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)下混凝土的強(qiáng)度雙向受壓時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度大于單向；雙向受拉時(shí)，混凝土抗拉強(qiáng)度接近于單向；一向受壓和一向受拉時(shí)，其抗拉（抗壓）強(qiáng)度均低于相應(yīng)的單向強(qiáng)度；由于剪應(yīng)力的存在，混凝土抗壓強(qiáng)度低于單向；由于壓應(yīng)力的存在，混凝土抗剪強(qiáng)度有限增加。雙向應(yīng)力狀態(tài)下混凝土的破壞包絡(luò)圖第8頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.1混凝土的物理力學(xué)性能

／fc

／fc0.20.1-0.1

0.00.61.0單軸抗拉強(qiáng)度單軸抗壓強(qiáng)度法向應(yīng)力和剪應(yīng)力下的破壞曲線混凝土的抗剪強(qiáng)度：隨拉應(yīng)力增大而減小隨壓應(yīng)力增大而增大當(dāng)壓應(yīng)力在0.6fc左右時(shí)，抗剪強(qiáng)度達(dá)到最大，壓應(yīng)力繼續(xù)增大，則由于內(nèi)裂縫發(fā)展明顯，抗剪強(qiáng)度將隨壓應(yīng)力的增大而減小。第9頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.1混凝土的物理力學(xué)性能三向受壓時(shí)的混凝土強(qiáng)度

1=fcc’

1=fcc’

2=

3=fLfL----側(cè)向約束壓應(yīng)力（加液壓）圓柱體試驗(yàn)有側(cè)向約束時(shí)的抗壓強(qiáng)度無(wú)側(cè)向約束時(shí)圓柱體的單軸抗壓強(qiáng)度三軸應(yīng)力狀態(tài)有多種組合，實(shí)際工程遇到較多的螺旋箍筋柱和鋼管混凝土柱中的混凝土為三向受壓狀態(tài)。三向受壓試驗(yàn)一般采用圓柱體在等側(cè)壓條件進(jìn)行。第10頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.1混凝土的物理力學(xué)性能２.１.４混凝土的變形變形的分類(lèi)：受力變形—荷載產(chǎn)生的；

體積變形—收縮、溫差即濕差產(chǎn)生的。1.一次短期加載下混凝土的變形性能（1）混凝土受壓時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系CBDEfc

0

0???A

cu??OA–––彈性階段

A:0.3fcAB–––彈塑性階段

:0.3fc～0.8fc裂縫穩(wěn)定階段BC–––裂縫不穩(wěn)定階段

:0.8fc～1.0fc第11頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.1混凝土的物理力學(xué)性能不同強(qiáng)度混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線強(qiáng)度等級(jí)越高，線彈性段越長(zhǎng)，峰值應(yīng)變也有所增大。但高強(qiáng)混凝土中，砂漿與骨料的粘結(jié)很強(qiáng)，密實(shí)性好，微裂縫很少，最后的破壞往往是骨料破壞，破壞時(shí)脆性越顯著，下降段越陡。第12頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.1混凝土的物理力學(xué)性能（2）混凝土單軸向受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線的數(shù)學(xué)模型１）美國(guó)E.Hognestad模型（上升段為二次拋物線，下降段為斜直線）第13頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.1混凝土的物理力學(xué)性能２）德國(guó)Rsch模型（上升段為二次拋物線，下降段采用水平線）

u=0.0035

0=0.002o

cfc

c第14頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.1混凝土的物理力學(xué)性能（3）三向受壓狀態(tài)下混凝土的變形特點(diǎn)A.變形特點(diǎn)：側(cè)壓力約大，變形能力好，強(qiáng)度高；工程意義：設(shè)置密排箍筋間接產(chǎn)生側(cè)壓力。

2

１

１

2

2

2第15頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.1混凝土的物理力學(xué)性能（4）混凝土的變形模量

由于混凝土的彈塑性性質(zhì)，模量是一個(gè)變數(shù)，通常有三種表示方法。1）彈性模量（切線模量）：通過(guò)重復(fù)加載的方式確定

0

0第16頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.1混凝土的物理力學(xué)性能2）變形模量（割線模量）3）切線模量：

c=

ela

+

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c

c

0

ela

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0h

割線切線第17頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.1混凝土的物理力學(xué)性能2.荷載長(zhǎng)期作用下混凝土的變形性能徐變：在長(zhǎng)期不變的荷載作用下，結(jié)構(gòu)或構(gòu)件產(chǎn)生的應(yīng)變或變形。第18頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.1混凝土的物理力學(xué)性能影響徐變的因素：A.應(yīng)力（荷載）大?。簯?yīng)力大時(shí)，徐變大；

c<0.5fc，徐變變形與應(yīng)力成正比----線性徐變0.5fc<

c<0.8fc非線性徐變

c>0.8fc造成混凝土破壞，不穩(wěn)定B.加載時(shí)的齡期：齡期早，徐變大；C.其它：水泥用量、水灰比、骨料、溫度以及濕度。徐變對(duì)結(jié)構(gòu)的影響：A.使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生應(yīng)力重分布；B.使預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生損失。第19頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.1混凝土的物理力學(xué)性能3.混凝土在荷載重復(fù)作用下的變形（疲勞變形）（1）疲勞破壞：荷載重復(fù)作用引起的破壞；（2）疲勞強(qiáng)度：荷載重復(fù)作用下使應(yīng)力應(yīng)變曲線始終保持密合直線的最大應(yīng)力值；混凝土在荷載重復(fù)作用下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線第20頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.1混凝土的物理力學(xué)性能4.混凝土的收縮與膨脹混凝土的收縮——混凝土在空氣中硬化時(shí)體積會(huì)縮小。影響混凝土收縮的因素：水泥的品種：水泥強(qiáng)度等級(jí)越高，制成的混凝土收縮越大。水泥的用量：水泥用量多、水灰比越大，收縮越大。骨料的性質(zhì)：骨料彈性模量高、級(jí)配好，收縮就小。養(yǎng)護(hù)條件：干燥失水及高溫環(huán)境，收縮大?；炷林谱鞣椒ǎ夯炷猎矫軐?shí)，收縮越小。使用環(huán)境：使用環(huán)境溫度、濕度越大，收縮越小。構(gòu)件的體積與表面積比值：比值大時(shí)，收縮小?；炷恋呐蛎洝炷猎谒杏不瘯r(shí)體積會(huì)增大。第21頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.2鋼筋的物理力學(xué)性能2.2.1鋼筋的品種和級(jí)別1.鋼筋的分類(lèi)（1）根據(jù)化學(xué)成分：碳素鋼：低碳鋼、中碳鋼及高碳鋼。特點(diǎn)：隨著含碳量的增加，強(qiáng)度提高，脆性增加；普通低合金鋼：為改善碳素鋼的力學(xué)特性，加入少量合金元素。（2）根據(jù)生產(chǎn)工藝：熱軋鋼筋：在高溫下直接軋制成型（如碳素鋼和普通低合金）；熱處理鋼：將熱軋鋼經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)（加熱、淬火和回火），主要是提高強(qiáng)度，而降低塑性不多；冷加工鋼筋：將普通熱軋鋼筋在常溫下進(jìn)行冷拉或冷拔。第22頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.2鋼筋的物理力學(xué)性能熱軋鋼筋：熱軋光面鋼筋HPB235，熱軋帶肋鋼筋HRB335、HRB400，余熱處理鋼筋RRB400冷拉鋼筋：由熱軋鋼筋在常溫下用機(jī)械拉伸而成熱處理鋼筋：將HRB400、RRB400鋼筋通過(guò)加熱、淬火、回火而成碳素鋼絲：高碳鎮(zhèn)靜鋼通過(guò)多次冷拔、應(yīng)力消除、矯正、回火處理而成刻痕鋼絲：在鋼絲表面刻痕，以增強(qiáng)其與混凝土間的粘結(jié)力鋼絞線：六根相同直徑的鋼絲成螺旋狀鉸繞在一起冷拔低碳鋼絲：由低碳鋼冷拔而成鋼筋鋼絲第23頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.2鋼筋的物理力學(xué)性能（3）根據(jù)鋼筋外型：A.柔性鋼筋：普通鋼筋;a.光圓鋼筋：表面是光滑的；

b.變形鋼筋：表面有肋（如月牙肋等）；c.習(xí)慣上，直徑大于4mm稱為鋼筋；小于或等于4mm稱為鋼絲。B.勁性鋼筋：型鋼、鋼軌及其組合。光面鋼筋螺紋鋼筋月牙紋鋼筋人字紋鋼筋第24頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.2鋼筋的物理力學(xué)性能鋼筋的級(jí)別Ⅰ級(jí)鋼，HPB235，強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為235N/mm2；Ⅱ級(jí)鋼，HRB335，強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為335N/mm2；Ⅲ級(jí)鋼，HRB400，強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為400N/mm2；冷加工鋼筋（1）冷拉加工方法：在常溫下將鋼筋拉伸至屈服，然后卸載；力學(xué)性質(zhì)：經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，再次拉伸時(shí)，其屈服強(qiáng)度將增大，但塑性降低；時(shí)效硬化：被拉伸至屈服點(diǎn)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，屈服強(qiáng)度增加的現(xiàn)象。第25頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.2鋼筋的物理力學(xué)性能（2）冷拔A.加工方法：在常溫下將鋼筋拔過(guò)比其自身直徑還小的硬質(zhì)合金拔絲模拉伸至屈服；B.力學(xué)性質(zhì)：經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，再次拉伸或壓縮時(shí)，其屈服強(qiáng)度將增大，但塑性降低。d1d2Pd2d1第26頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.2鋼筋的物理力學(xué)性能

AB’BCDE2.2.2鋼筋的強(qiáng)度與變形有明顯屈服點(diǎn)的鋼筋0.2%

0.2無(wú)明顯屈服點(diǎn)的鋼筋OA－彈性階段

A－比例極限

B－屈服強(qiáng)度CD－強(qiáng)化階段

D－極限強(qiáng)度DE－頸縮階段

0.2－條件屈服強(qiáng)度第27頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.2鋼筋的物理力學(xué)性能1.鋼筋屈服強(qiáng)度的取值：（1）軟鋼：取其屈服下限；（2）硬鋼：取其極限抗拉強(qiáng)度的85%；（稱為條件屈服點(diǎn)）（3）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，用鋼筋的屈服強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算。2.鋼筋的變形力學(xué)指標(biāo)：伸長(zhǎng)率和冷彎性伸長(zhǎng)率：鋼筋拉斷后的伸長(zhǎng)值與原長(zhǎng)的比率，是反映鋼筋塑性性能的指標(biāo)。延伸率大的鋼筋，在拉斷前有足夠預(yù)兆，延性較好。冷彎性能：以彎心直徑和冷彎角度來(lái)衡量第28頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.2鋼筋的物理力學(xué)性能2.2.3鋼筋應(yīng)力-應(yīng)變曲線的數(shù)學(xué)模型1.雙直線（完全彈塑性）2.三折線（完全彈塑性+硬化）

s

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s,u第29頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.2鋼筋的物理力學(xué)性能2.2.4鋼筋的疲勞鋼筋的疲勞：鋼筋在承受重復(fù)、周期動(dòng)荷載作用下，經(jīng)過(guò)一定次數(shù)后，從塑性破壞的性質(zhì)轉(zhuǎn)變成脆性突然斷裂的現(xiàn)象。重復(fù)荷載作用下，鋼筋的強(qiáng)度<靜載作用下的強(qiáng)度疲勞強(qiáng)度：規(guī)定的應(yīng)力幅度內(nèi)，經(jīng)一定次數(shù)的重復(fù)荷載后，發(fā)生疲勞破壞的最大應(yīng)力值。疲勞強(qiáng)度f(wàn)cf的確定原則：100×100×300或150×150×450的棱柱體試塊承受200萬(wàn)次（或以上）循環(huán)荷載時(shí)發(fā)生破壞的最大壓應(yīng)力值。第30頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.2鋼筋的物理力學(xué)性能2.2.5混凝土結(jié)構(gòu)對(duì)鋼筋性能的要求1.強(qiáng)度：要求鋼筋有足夠的強(qiáng)度和適宜的強(qiáng)屈比(極限強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度的比值)。例如，對(duì)抗震等級(jí)為一、二級(jí)的框架結(jié)構(gòu)，其縱向受力鋼筋的實(shí)際強(qiáng)屈比不應(yīng)小于1.25。2.塑性：要求鋼筋應(yīng)有足夠的變形能力。3.可焊性：要求鋼筋焊接后不產(chǎn)生裂縫和過(guò)大的變形，焊接接頭性能良好。4.鋼筋的耐火性：熱軋鋼筋最好，冷軋鋼筋次之，預(yù)應(yīng)力鋼筋最差。5.與混凝土的粘結(jié)力：要求鋼筋與混凝土之間有足夠的粘結(jié)力，以保證兩者共同工作。第31頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.3混凝土與鋼筋的粘結(jié)2.3.1粘結(jié)的意義粘結(jié)和錨固是鋼筋和混凝土形成整體、共同工作的基礎(chǔ)鋼筋與混凝土之間粘結(jié)應(yīng)力示意圖（a）錨固粘結(jié)應(yīng)力（b）裂縫間的局部粘結(jié)應(yīng)力錨固粘結(jié)：保證鋼筋和混凝土共同工作縫間粘結(jié)：改善鋼筋混凝土的耗能性能第32頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.3混凝土與鋼筋的粘結(jié)2.3.2粘結(jié)力的組成1.光圓鋼筋的粘結(jié)作用主要由三部分組成：（１）鋼筋與混凝土接觸面上的化學(xué)吸附作用力（膠結(jié)力）。一般很小，僅在受力階段的局部無(wú)滑移區(qū)域起作用，當(dāng)接觸面發(fā)生相對(duì)滑移時(shí)，該力即消失。（２）混凝土收縮握裹鋼筋而產(chǎn)生的摩阻力。（３）鋼筋表面凹凸不平與混凝土之間產(chǎn)生的機(jī)械咬合作用力（咬合力）。對(duì)于光圓鋼筋，這種咬合力來(lái)自于表面的粗糙不平。2.變形鋼筋與混凝土之間的機(jī)械咬合作用主要是由于變形鋼筋肋間嵌入混凝土而產(chǎn)生的。第33頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.3混凝土與鋼筋的粘結(jié)2.3.3粘結(jié)強(qiáng)度直接拔出試驗(yàn)彎曲拔出試驗(yàn)式中N—鋼筋的拉力；ｄ—鋼筋的直徑；ｌ—粘結(jié)的長(zhǎng)度。第34頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.3混凝土與鋼筋的粘結(jié)2.3.4影響粘結(jié)的因素

影響鋼筋與混凝土粘結(jié)強(qiáng)度的因素很