混凝土结构设计原理材料的物理力学性能.ppt

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1、混凝土结构设计原理混凝土结构设计原理Design Principle for Concrete Structures材料的力学性能钢钢 筋筋混混 凝凝 土土两者间的粘结两者间的粘结强强 度度变变 形形粘结破坏的粘结破坏的过程和机理过程和机理1.1.混凝土的强度等级是根据什么确定的？混凝土的强度等级是根据什么确定的？GB50010GB5001020102010规定的混凝土强度等级有哪些？规定的混凝土强度等级有哪些？2 2.混凝土的立方体抗压强度、轴心抗压强度和轴心抗拉混凝土的立方体抗压强度、轴心抗压强度和轴心抗拉强度是如何确定的？立方体抗压强度与后两者的关系强度是如何确定的？立方体抗压强度与后两

2、者的关系是什么？是什么？3 3.混凝土轴心受压应力混凝土轴心受压应力-应变曲线有何特点应变曲线有何特点?4.4.规范规定的表示混凝土的应力规范规定的表示混凝土的应力-应变关系的数学模型应变关系的数学模型?5.5.什么是混凝土的徐变？徐变对混凝土构件有何影响？什么是混凝土的徐变？徐变对混凝土构件有何影响？通常认为影响徐变的主要因素有哪些？通常认为影响徐变的主要因素有哪些？2.1 2.1 混凝土混凝土的物理力学性能的物理力学性能混凝土材料混凝土材料混凝土材料混凝土材料是由水泥、砂、石子和水按一定比例组成，经凝是由水泥、砂、石子和水按一定比例组成，经凝结和硬化形成的人造石材，属于复合材料。结和硬化形

3、成的人造石材，属于复合材料。虽然实际工程中的混凝土结构和构件一般处于复合应虽然实际工程中的混凝土结构和构件一般处于复合应力状态，但是力状态，但是单轴向受力状态单轴向受力状态下混凝土的强度是复合应力下混凝土的强度是复合应力状态下强度的基础和重要参数。状态下强度的基础和重要参数。混凝土试件的混凝土试件的大小和形状、试验方法和加载速率大小和形状、试验方法和加载速率都影都影响混凝土强度的试验结果，因此各国对各种单轴向受力下响混凝土强度的试验结果，因此各国对各种单轴向受力下的混凝土强度都规定了统一的标准试验方法。的混凝土强度都规定了统一的标准试验方法。2.1.1 单轴应力状态下的混凝土强度单轴应力状态下

4、的混凝土强度2.1.1 单轴应力状态下的混凝土强度单轴应力状态下的混凝土强度混凝土立方体抗压强度混凝土立方体抗压强度混凝土轴心抗压强度混凝土轴心抗压强度混凝土抗拉强度混凝土抗拉强度kcuf,ckftkf划分混凝土的划分混凝土的强度等级强度等级用于混凝土结构用于混凝土结构的强度计算的强度计算划分混凝土的强度等级划分混凝土的强度等级 1.标准尺寸：标准尺寸：150mm150mm150mm 2.标准养护：标准养护：20 3，湿度，湿度90%；28d 3.标准试验：标准试验：加荷速度加荷速度 0.30.5 MPa/s，垫板不涂油。垫板不涂油。4.强度保证率：强度保证率：95%规范规范根据强度范围，从根

5、据强度范围，从C15 C80共划分为共划分为14个强度等级，个强度等级，C15,C20,C25,C30,C35,C40,C45,C50,C55,C60,C65,C70,C75,C80 (高强高强混凝土）混凝土），共，共14个等级。个等级。CConcrete,单位：单位：N/mm2或或MPa。(1)混凝土立方体抗压强度混凝土立方体抗压强度kcuf,影响强度的因素：垫板是否涂润滑油、龄期、加载速率、试块尺寸等影响强度的因素：垫板是否涂润滑油、龄期、加载速率、试块尺寸等承压板承压板试块试块摩擦力摩擦力不涂润滑剂不涂润滑剂涂润滑剂涂润滑剂强度大于强度大于非标准试块强度的换算关系：非标准试块强度的换算关

6、系：200mm200mm200mm:=1.05 100mm100mm100mm:=0.95。混凝土的抗压强度与试件的形状有关混凝土的抗压强度与试件的形状有关,采用棱柱体比立方体采用棱柱体比立方体能更好地反映混凝土结构的实际抗压能力能更好地反映混凝土结构的实际抗压能力。用混凝土棱柱。用混凝土棱柱体试件测得的抗压强度称为轴心抗压强度。体试件测得的抗压强度称为轴心抗压强度。承压板承压板试试块块(2)混凝土轴心抗压强度混凝土轴心抗压强度,ckfcf 按按标准方法标准方法制作的制作的150mml50mm 300mm的棱柱的棱柱体试件，在体试件，在温度为温度为20土土3和相对湿度为和相对湿度为90以上的条

7、以上的条件下件下养护养护28d，用标准试验方法测得的具有用标准试验方法测得的具有95保证率保证率的的抗压强度为混凝土轴心抗压强度标准值。抗压强度为混凝土轴心抗压强度标准值。用符号用符号fck表示，下表示，下标标c表示受压，表示受压，k表示标准值。表示标准值。规范规范规定规定:对于同一混凝土，对于同一混凝土，棱柱体抗压强度小于立方体抗压强度棱柱体抗压强度小于立方体抗压强度。kcuccckff,2188.0 棱柱体抗压强度与立方体抗压强度之比值，棱柱体抗压强度与立方体抗压强度之比值，对对C50及及C50以下混凝土取以下混凝土取 =0.76，对对C80混凝土取混凝土取 =0.82，中间按线性取值；，

8、中间按线性取值；高强度混凝土的脆性折减系数，高强度混凝土的脆性折减系数，对对C40及以下取及以下取 =1.00，对对C80取取 =0.87，中间按线性规律取值。，中间按线性规律取值。0.88考虑考虑实际构件实际构件与与试件试件混凝土强度之间的差异而取混凝土强度之间的差异而取 用的折减系数。用的折减系数。1c 2c 1c 1c 2c 2c 500 150 15010016轴心受拉试验(3)混凝土轴心抗拉强度混凝土轴心抗拉强度tkf轴心受拉试验轴心受拉试验45.00.55kcu,2tk)645.11(395.088.0ff轴心抗拉强度与轴心抗拉强度与立方体抗压强度立方体抗压强度的折算系数的折算系数

9、 试验离散性的试验离散性的影响系数影响系数 试验离散试验离散性系数性系数 tf 抗拉强度是混凝土的基本力学指标之一，其标准值用抗拉强度是混凝土的基本力学指标之一，其标准值用ftk表示，下标表示，下标t表示受拉，表示受拉，k表示标准值。混凝土的表示标准值。混凝土的轴心抗轴心抗拉强度拉强度可以采用直接轴心受拉的试验方法来测定。可以采用直接轴心受拉的试验方法来测定。2.1.2 2.1.2 复杂应力下混凝土的强度复杂应力下混凝土的强度双向应力状态双向应力状态 实际结构中，混凝土很少处于单向受力状态。更多的是实际结构中，混凝土很少处于单向受力状态。更多的是处于处于双向双向或或三向三向受力状态。受力状态。

10、因此，研究复合应力状态下混凝因此，研究复合应力状态下混凝土的强度，对于认识混凝土的强度理论也有重要的意义。土的强度，对于认识混凝土的强度理论也有重要的意义。双向受压双向受压：强度提高。：强度提高。双向受拉双向受拉：强度不变。强度不变。一拉一压一拉一压：抗拉、抗压强：抗拉、抗压强 度均降低。度均降低。剪应力剪应力 和正应力和正应力共同作用下的复合受力情况共同作用下的复合受力情况拉拉-剪：剪：抗拉、抗剪强度都降低；抗拉、抗剪强度都降低；压压-剪：剪：当当 时，抗剪强度随压应力提高而增大；时，抗剪强度随压应力提高而增大；当当 时，内部裂缝增加，抗剪抗压强度时，内部裂缝增加，抗剪抗压强度 均降低。均降

11、低。6.0/cf6.0/cf三轴应力状态三轴应力状态三轴应力状态有多种组合，实际工程遇到较多的螺旋箍筋柱三轴应力状态有多种组合，实际工程遇到较多的螺旋箍筋柱和钢管混凝土柱中的混凝土为三向受压状态。和钢管混凝土柱中的混凝土为三向受压状态。三向受压试验一般采用圆柱体在等侧压条件进行，三向受压试验一般采用圆柱体在等侧压条件进行，即即圆柱体圆柱体周围用液体加压，在加压过程中保持液压不变，逐渐增加轴周围用液体加压，在加压过程中保持液压不变，逐渐增加轴向压力直至破坏，并量测其轴向应变的变化。向压力直至破坏，并量测其轴向应变的变化。1=fcc 1=fcc 2=3=fLfL-侧向约束压侧向约束压应力（加液压）

12、应力（加液压）三向受压时，混凝土三向受压时，混凝土抗压强度提高抗压强度提高2.1.3 混凝土的变形混凝土的变形荷载变形荷载变形非荷载变形非荷载变形短期加载短期加载长期加载长期加载混凝土的变形混凝土的变形02468102030(MPa)e 10-3BACEDA点以前点以前，微裂缝没有，微裂缝没有明显发展，混凝土的变明显发展，混凝土的变形主要弹性变形，应力形主要弹性变形，应力-应变关系近似直线。应变关系近似直线。A点应力随混凝土强度的点应力随混凝土强度的提高而增加，对普通强提高而增加，对普通强度混凝土度混凝土 A约为约为 (0.30.4)fc，对高强混对高强混凝土凝土 A可达可达(0.50.7)f

13、c。A点以后点以后，由于微裂缝，由于微裂缝处的应力集中，裂缝开处的应力集中，裂缝开始有所延伸发展，产生始有所延伸发展，产生部分塑性变形，应变增部分塑性变形，应变增长开始加快，应力长开始加快，应力-应应变曲线逐渐偏离直线。变曲线逐渐偏离直线。微裂缝的发展导致混凝微裂缝的发展导致混凝土的横向变形增加。但土的横向变形增加。但该阶段微裂缝的发展是该阶段微裂缝的发展是稳定的。稳定的。混凝土在结硬过程中，混凝土在结硬过程中，由于水泥石的收缩、骨由于水泥石的收缩、骨料下沉以及温度变化等料下沉以及温度变化等原因，在骨料和水泥石原因，在骨料和水泥石的界面上形成很多微裂的界面上形成很多微裂缝，成为混凝土中的薄缝，

14、成为混凝土中的薄弱部位。混凝土的最终弱部位。混凝土的最终破坏就是由于这些微裂破坏就是由于这些微裂缝的发展造成的。缝的发展造成的。达到达到B点，内部一些微点，内部一些微裂缝相互连通，裂缝发裂缝相互连通，裂缝发展已不稳定，横向变形展已不稳定，横向变形突然增大。在此应力的突然增大。在此应力的长期作用下，裂缝会持长期作用下，裂缝会持续发展最终导致破坏。续发展最终导致破坏。取取B点的应力作为混凝点的应力作为混凝土的长期抗压强度。普土的长期抗压强度。普通强度混凝土通强度混凝土 B约为约为0.8fc，高强强度混凝土高强强度混凝土 B可达可达0.95fc以上。以上。达到达到C点点fc，内部微裂缝内部微裂缝连通

15、形成破坏面，应变连通形成破坏面，应变增长速度明显加快，增长速度明显加快，C点的纵向应变值称为峰点的纵向应变值称为峰值应变值应变 e e 0，约为约为0.002。纵向应变发展达到纵向应变发展达到D点，点，内部裂缝在试件表面出内部裂缝在试件表面出现第一条可见平行于受现第一条可见平行于受力方向的纵向裂缝。力方向的纵向裂缝。随应变增长，试件上相随应变增长，试件上相继出现多条不连续的纵继出现多条不连续的纵向裂缝，横向变形急剧向裂缝，横向变形急剧发展，承载力明显下降，发展，承载力明显下降，混凝土骨料与砂浆的粘混凝土骨料与砂浆的粘结不断遭到破坏，裂缝结不断遭到破坏，裂缝连通形成斜向破坏面。连通形成斜向破坏面

16、。E点的应变点的应变e e=(23)e e 0，应力应力 =(0.40.6)fc。1、一次短期加载下混凝土的变形性能、一次短期加载下混凝土的变形性能比例极限比例极限临界点临界点峰值点峰值点拐点拐点收敛点收敛点不同强度混凝土的应力不同强度混凝土的应力-应变关系曲线应变关系曲线强度等级越高，峰值应变强度等级越高，峰值应变0有所增大，但下降段越陡。有所增大，但下降段越陡。说明说明高强混凝土破坏时脆高强混凝土破坏时脆性越显著性越显著。不同强度混凝土的应力不同强度混凝土的应力-应变关系曲线的比较应变关系曲线的比较上升段：上升段：水平段：水平段：cf cue ee ee e 0 2002e ee ee ee e cf0e ee e 规范规范采用的混凝土应力采用的混凝土应力-应变曲线的数学模型应变曲线的数学模型0033.0 cue eGB 500102010采用采用Rusch应力应力-应变曲线，应变曲线，但取但取0033.0 cue e 混凝土的弹性模量混凝土的弹性模量)N/mm(7.342.2102,2kfEkcuc e0.5fc510 次 采用棱柱体试件采用棱柱体试件(150mm150mm300