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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(qiáng)度混凝土的變形,要點(diǎn),,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(qiáng)度,認(rèn)識(shí)混凝土,混凝土的強(qiáng)度,混凝土的強(qiáng)度,（1）單向受力狀態(tài)下混凝土的強(qiáng)度（2）單向受力狀態(tài)下混凝土的強(qiáng)度之間的關(guān)系（3）復(fù)合受力狀態(tài)下混凝土的強(qiáng)度,（一）混凝土強(qiáng)度混凝土結(jié)構(gòu)中，主要是利用它的抗壓強(qiáng)度。因此抗壓強(qiáng)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(qiáng)度等級(jí)是用抗壓強(qiáng)度來劃分的,（1）單向受力狀態(tài)下混凝土的強(qiáng)度,1）立方體抗壓強(qiáng)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(hù)28天，用標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法（加載速度0.15~0.3N/mm2/s，兩端不涂潤滑劑）測(cè)得的具有95%保證率的抗壓強(qiáng)度?！兑?guī)范》根據(jù)強(qiáng)度范圍，從C15~C80共劃分為14個(gè)強(qiáng)度等級(jí)，級(jí)差為5N/mm2。,C30的含義？,2）軸心抗壓強(qiáng)度,軸心抗壓強(qiáng)度由棱柱體試件測(cè)得的抗壓強(qiáng)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(duì)濕度為90％以上的條件下養(yǎng)護(hù)28d，用標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法測(cè)得的具有95％保證率的抗壓強(qiáng)度。對(duì)于同一混凝土，棱柱體抗壓強(qiáng)度小于立方體抗壓強(qiáng)度。,3）軸心抗拉強(qiáng)度,混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度可以采用直接軸心受拉的試驗(yàn)方法來測(cè)定，但由于試驗(yàn)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(yàn)來間接測(cè)試混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度。,式中：k１為棱柱體強(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。k2為高強(qiáng)混凝土的脆性折減系數(shù)，對(duì)C40以下取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：立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。Fck：混凝土軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。,（2）單向受力狀態(tài)下混凝土的強(qiáng)度之間的關(guān)系,1）軸心抗壓強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度的關(guān)系,《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值與立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的換算關(guān)系為：,2）軸心抗拉強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度的關(guān)系,混凝土的抗拉強(qiáng)度比抗壓強(qiáng)度小得多，為抗壓強(qiáng)度。,1）雙軸應(yīng)力狀態(tài),實(shí)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(qiáng)度,?雙向正應(yīng)力作用,(拉－拉)強(qiáng)度基本不變,(拉－壓)強(qiáng)度降低,(壓－壓)強(qiáng)度增加,1）雙軸應(yīng)力狀態(tài),實(shí)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(qiáng)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(shí)，抗壓強(qiáng)度相互提高，最大可增加27％，而當(dāng)一方向?yàn)閴簯?yīng)力，另一方向?yàn)槔瓚?yīng)力時(shí)，強(qiáng)度相互降低。,混凝土的抗剪強(qiáng)度：隨拉應(yīng)力增大而減小隨壓應(yīng)力增大先增大后減小當(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。,?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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度,式中——被約束混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度；——非約束混凝土的軸心抗壓強(qiáng)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(qiáng)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(diǎn)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(diǎn)應(yīng)力隨混凝土強(qiáng)度的提高而增加，對(duì)普通強(qiáng)度混凝土sA約為(0.3~0.4)fc，對(duì)高強(qiáng)混凝土sA可達(dá)(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(diǎn)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?cè)鲩L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(dá)到B點(diǎn)，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(huì)持續(xù)發(fā)展最終導(dǎo)致破壞。取B點(diǎn)的應(yīng)力作為混凝土的長期抗壓強(qiáng)度。普通強(qiáng)度混凝土sB約為0.8fc，高強(qiáng)強(qiáng)度混凝土sB可達(dá)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(dá)到C點(diǎn)fc，內(nèi)部微裂縫連通形成破壞面，應(yīng)變?cè)鲩L速度明顯加快，C點(diǎn)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(dá)到D點(diǎn)，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?cè)鲩L，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(diǎn)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(qiáng)度混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線,,強(qiáng)度等級(jí)越高線彈性段越長峰值應(yīng)變也有所增大下降段越陡破壞時(shí)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(shí)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(shí)間參數(shù)有關(guān)。,如在時(shí)間t卸載，則會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)彈性恢復(fù)應(yīng)變eel。由于混凝土彈性模量隨時(shí)間增大，故彈性恢復(fù)應(yīng)變eel小于加載時(shí)的瞬時(shí)彈性應(yīng)變eel。再經(jīng)過一段時(shí)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(gè)月徐變?cè)鲩L較快，6個(gè)月可達(dá)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(shí)彈性應(yīng)變的1-4倍。,徐變與時(shí)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(qiáng)度。,,徐變會(huì)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(huì)造成預(yù)應(yīng)力的損失。,徐變的影響因素,徐變對(duì)結(jié)構(gòu)的影響,混凝土的級(jí)配、水灰比、初始加載齡期、初應(yīng)力大小，養(yǎng)護(hù)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(huì)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(qiáng)度的測(cè)定混凝土的疲勞強(qiáng)度由疲勞試驗(yàn)測(cè)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(qiáng)度。,4、混凝土的收縮混凝土在空氣中硬化時(shí)體積會(huì)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(hù)條件等許多因素有關(guān)。（1）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。（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(jí)配好，收縮就小。（4）養(yǎng)護(hù)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(shí)，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(shí)，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(cè)定方法,,,,,,,,通用的做法是對(duì)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(shí)，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(qiáng)度的關(guān)系,