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第二章混凝土結(jié)構(gòu)材料的物理力學(xué)性能,混凝土的物理力學(xué)性能鋼筋的物理力學(xué)性能混凝土與鋼筋的粘接,混凝土的物理力學(xué)性能,混凝土的強度混凝土的變形,要點,,混凝土的組成結(jié)構(gòu)(自學(xué)),混凝土的組成結(jié)構(gòu),普通混凝土是由水泥、砂、石材料用水拌合硬化后形成的人工石材，是多相復(fù)合材料。,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。,C15、C30、C50、C80,,混凝土的強度,認識混凝土,混凝土的強度,混凝土的強度,（1）單向受力狀態(tài)下混凝土的強度（2）單向受力狀態(tài)下混凝土的強度之間的關(guān)系（3）復(fù)合受力狀態(tài)下混凝土的強度,（一）混凝土強度混凝土結(jié)構(gòu)中，主要是利用它的抗壓強度。因此抗壓強度是混凝土力學(xué)性能中最主要和最基本的指標(biāo)。混凝土的強度等級是用抗壓強度來劃分的,（1）單向受力狀態(tài)下混凝土的強度,1）立方體抗壓強度邊長為150mm的混凝土立方體試件，在標(biāo)準(zhǔn)條件下（溫度為203℃，濕度≥90%）養(yǎng)護28天，用標(biāo)準(zhǔn)試驗方法（加載速度0.15~0.3N/mm2/s，兩端不涂潤滑劑）測得的具有95%保證率的抗壓強度?！兑?guī)范》根據(jù)強度范圍，從C15~C80共劃分為14個強度等級，級差為5N/mm2。,C30的含義？,2）軸心抗壓強度,軸心抗壓強度由棱柱體試件測得的抗壓強度確定。按標(biāo)準(zhǔn)方法制作的150mml50mm300mm的棱柱體試件，在溫度為20土3℃和相對濕度為90％以上的條件下養(yǎng)護28d，用標(biāo)準(zhǔn)試驗方法測得的具有95％保證率的抗壓強度。對于同一混凝土，棱柱體抗壓強度小于立方體抗壓強度。,3）軸心抗拉強度,混凝土的軸心抗拉強度可以采用直接軸心受拉的試驗方法來測定，但由于試驗比較困難，目前國內(nèi)外主要采用圓柱體或立方體的劈裂試驗來間接測試混凝土的軸心抗拉強度。,式中：k１為棱柱體強度與立方體強度之比，對不大于C50級的混凝土取0.76，對C80取0.82，其間按線性插值。k2為高強混凝土的脆性折減系數(shù)，對C40以下取1.0，對C80取0.87，中間按直線規(guī)律變化取值。0.88為考慮實際構(gòu)件與試件混凝土強度之間的差異而取用的折減系數(shù)。,fcu,k：立方體抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值。Fck：混凝土軸心抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值。,（2）單向受力狀態(tài)下混凝土的強度之間的關(guān)系,1）軸心抗壓強度與立方體抗壓強度的關(guān)系,《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定軸心抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值與立方體抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值的換算關(guān)系為：,2）軸心抗拉強度與立方體抗壓強度的關(guān)系,混凝土的抗拉強度比抗壓強度小得多，為抗壓強度。,1）雙軸應(yīng)力狀態(tài),實際結(jié)構(gòu)中，混凝土很少處于單向受力狀態(tài)。更多的是處于雙向或三向受力狀態(tài)。,壓,拉－壓,（3）復(fù)合受力狀態(tài)下混凝土的強度,?雙向正應(yīng)力作用,(拉－拉)強度基本不變,(拉－壓)強度降低,(壓－壓)強度增加,1）雙軸應(yīng)力狀態(tài),實際結(jié)構(gòu)中，混凝土很少處于單向受力狀態(tài)。更多的是處于雙向或三向受力狀態(tài)。,壓,拉－壓,（3）復(fù)合受力狀態(tài)下混凝土的強度,?雙向正應(yīng)力作用,在平面應(yīng)力狀態(tài)下，當(dāng)兩方向應(yīng)力均為壓應(yīng)力時，抗壓強度相互提高，最大可增加27％，而當(dāng)一方向為壓應(yīng)力，另一方向為拉應(yīng)力時，強度相互降低。,混凝土的抗剪強度：隨拉應(yīng)力增大而減小隨壓應(yīng)力增大先增大后減小當(dāng)壓應(yīng)力在0.6fc左右時，抗剪強度達到最大，壓應(yīng)力繼續(xù)增大，則由于內(nèi)裂縫發(fā)展明顯，抗剪強度將隨壓應(yīng)力的增大而減小。,?正應(yīng)力和剪應(yīng)力作用共同作用,2）三軸受壓狀態(tài)下混凝土的強度,工程應(yīng)用：約束混凝土,側(cè)向壓應(yīng)力的存在可提高混凝土的延性。,2）三軸受壓狀態(tài)下混凝土的強度,工程應(yīng)用：約束混凝土,側(cè)向壓應(yīng)力的存在可提高混凝土的延性。,2）三軸受壓狀態(tài)下混凝土的強度,工程應(yīng)用：約束混凝土,側(cè)向壓應(yīng)力的存在可提高混凝土的延性。,（2）三軸受壓狀態(tài)下混凝土的強度,式中——被約束混凝土的軸心抗壓強度；——非約束混凝土的軸心抗壓強度；——側(cè)向約束壓應(yīng)力。,側(cè)向壓應(yīng)力的存在可提高混凝土的抗壓強度，關(guān)系為,混凝土的變形,1、一次荷載短期加載下混凝土的變形2、一次荷載長期作用下混凝土的變形3、荷載重復(fù)作用下混凝土的變形4、混凝土的收縮與膨脹5、混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系6、混凝土的模量,（二）混凝土的變形,混凝土在結(jié)硬過程中，由于水泥石的收縮、骨料下沉以及溫度變化等原因，在骨料和水泥石的界面上形成很多微裂縫，成為混凝土中的薄弱部位?；炷恋淖罱K破壞就是由于這些微裂縫的發(fā)展造成的。,,A點以前，微裂縫沒有明顯發(fā)展，混凝土的變形主要彈性變形，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系近似直線。A點應(yīng)力隨混凝土強度的提高而增加，對普通強度混凝土sA約為(0.3~0.4)fc，對高強混凝土sA可達(0.5~0.7)fc。,（二）混凝土的變形1、一次荷載短期加載下混凝土的變形,,,A點以后，由于微裂縫處的應(yīng)力集中，裂縫開始有所延伸發(fā)展，產(chǎn)生部分塑性變形，應(yīng)變增長開始加快，應(yīng)力-應(yīng)變曲線逐漸偏離直線。微裂縫的發(fā)展導(dǎo)致混凝土的橫向變形增加。但該階段微裂縫的發(fā)展是穩(wěn)定的。,,（二）混凝土的變形1、一次荷載短期加載下混凝土的變形,,,,（二）混凝土的變形1、一次荷載短期加載下混凝土的變形,達到B點，內(nèi)部一些微裂縫相互連通，裂縫發(fā)展已不穩(wěn)定，橫向變形突然增大，體積應(yīng)變開始由壓縮轉(zhuǎn)為增加。在此應(yīng)力的長期作用下，裂縫會持續(xù)發(fā)展最終導(dǎo)致破壞。取B點的應(yīng)力作為混凝土的長期抗壓強度。普通強度混凝土sB約為0.8fc，高強強度混凝土sB可達0.95fc以上。,,,,,（二）混凝土的變形1、一次荷載短期加載下混凝土的變形,達到C點fc，內(nèi)部微裂縫連通形成破壞面，應(yīng)變增長速度明顯加快，C點的縱向應(yīng)變值稱為峰值應(yīng)變e0，約為0.002。,,,,,,（二）混凝土的變形1、一次荷載短期加載下混凝土的變形,縱向應(yīng)變發(fā)展達到D點，內(nèi)部裂縫在試件表面出現(xiàn)第一條可見平行于受力方向的縱向裂縫。,,,,,,隨應(yīng)變增長，試件上相繼出現(xiàn)多條不連續(xù)的縱向裂縫，橫向變形急劇發(fā)展，承載力明顯下降，混凝土骨料與砂漿的粘結(jié)不斷遭到破，裂縫連通形成斜向破壞面。E點的應(yīng)變e=(2~3)e0，應(yīng)力s=(0.4~0.6)fc。,（二）混凝土的變形1、一次荷載短期加載下混凝土的變形,,,,,,,（二）混凝土的變形1、一次荷載短期加載下混凝土的變形,,不同強度混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線,,強度等級越高線彈性段越長峰值應(yīng)變也有所增大下降段越陡破壞時脆性越顯著延性越差,2、荷載長期作用下混凝土的變形混凝土在荷載的長期作用下，其應(yīng)變或變形隨時間而不斷增長的現(xiàn)象稱為徐變。,混凝土的徐變特性主要與時間參數(shù)有關(guān)。,如在時間t卸載，則會產(chǎn)生瞬時彈性恢復(fù)應(yīng)變eel。由于混凝土彈性模量隨時間增大，故彈性恢復(fù)應(yīng)變eel小于加載時的瞬時彈性應(yīng)變eel。再經(jīng)過一段時間后，還有一部分應(yīng)變eel可以恢復(fù)，稱為彈性后效或徐變恢復(fù)，但仍有不可恢復(fù)的殘留永久應(yīng)變ecr,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(wěn)定。徐變約為瞬時彈性應(yīng)變的1-4倍。,徐變與時間,,當(dāng)加載應(yīng)力過高（?c>0.8fc），徐變變形急劇增加而不再收斂，導(dǎo)致混凝土破壞，一般取0.75fc～0.8fc作為混凝土的長期抗壓強度。,,徐變會使構(gòu)件的變形增加，在鋼筋混凝土截面中引起應(yīng)力重分布，在預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中會造成預(yù)應(yīng)力的損失。,徐變的影響因素,徐變對結(jié)構(gòu)的影響,混凝土的級配、水灰比、初始加載齡期、初應(yīng)力大小，養(yǎng)護使用條件,3、荷載重復(fù)作用下混凝土的變形（疲勞變形）混凝土的疲勞是在荷載重復(fù)作用下產(chǎn)生的．混凝土在荷載重復(fù)作用下引起的破壞稱為疲勞破壞。,混凝土在經(jīng)過一次加卸載循環(huán)后將有一部分塑性變形不能恢復(fù)，在多次加、卸載過程中這些塑性變形不斷積累，但每次循環(huán)產(chǎn)生的殘余塑性變形將隨著循環(huán)次數(shù)的增加而不斷減少。,3、荷載重復(fù)作用下混凝土的變形（疲勞變形）,疲勞變形與應(yīng)力,,加卸載應(yīng)力-應(yīng)變環(huán)會越來越密合應(yīng)力??fcf加卸載不能形成封閉環(huán)?>fcf,3、荷載重復(fù)作用下混凝土的變形（疲勞變形）,◆疲勞強度的測定混凝土的疲勞強度由疲勞試驗測定。采用100mm100mm300mm或著150mm150mm450mm的棱柱體，把棱柱體試件承受200萬次或其以上循環(huán)荷載而發(fā)生破壞的壓應(yīng)力值稱為混凝土的疲勞抗壓強度。,4、混凝土的收縮混凝土在空氣中硬化時體積會縮小，這種現(xiàn)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(chǎn)生的變形。,4、混凝土的收縮,◆影響因素混凝土的收縮受結(jié)構(gòu)周圍的溫度、濕度、構(gòu)件斷面形狀及尺寸、配合比、骨料性質(zhì)、水泥性質(zhì)、混凝土澆筑質(zhì)量及養(yǎng)護條件等許多因素有關(guān)。（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(zhì)：骨料彈性模量高、級配好，收縮就小。（4）養(yǎng)護條件：干燥失水及高溫環(huán)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(huán)境：使用環(huán)境溫度、濕度越大，收縮越小。（7）構(gòu)件的體積與表面積比值：比值大時，收縮小。,◆《規(guī)范》應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系,上升段：,下降段：,5、混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系,峰值應(yīng)變,,極限壓應(yīng)變,彈性模量,變形模量,切線模量,6、混凝土的模量,◆彈性模量測定方法,,,,,,,,通用的做法是對標(biāo)準(zhǔn)尺寸150mm150mm300mm的棱柱體試件，先加載至σ=0.5fc然后卸載至零，再重復(fù)加載卸載5~10次，由于混凝土不是彈性材料，每次卸載至應(yīng)力為零時，存在殘余變形，隨加載次數(shù)增加，應(yīng)力—應(yīng)變曲線漸趨穩(wěn)定并基本上趨于直線，該直線的斜率即定為混凝土的彈性模量。,◆彈性模量與抗壓強度的關(guān)系,