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1、多媒体辅助教学课程混凝土结构设计原理Concrete Structure,2.1 混凝土,2.1 混凝土的物理力学性能 2.1.1 混凝土的组成结构 2.1.2 单向受力状态下混凝土的强度 2.1.3 混凝土破坏机理 2.1.4 复杂应力下混凝土的受力性能 2.1.5 混凝土的变形 2.1.6 混凝土的收缩和徐变,2.1 混凝土,普通砼是由水泥、石、砂、水按一定的配合比拌制，经过凝固硬化后做成的人工石材。,骨料,水泥结晶体,水泥凝胶体,弹性变形的基础,塑性变形的基础,砼的强度及变形随时间、随环境的变化而变化。,返回,2.1 混凝土,1、混凝土立方体抗压强度和强度等级（ Strength Gra
2、de ） 混凝土结构中，主要是利用它的抗压强度(Compressive Strength)。因此抗压强度是混凝土力学性能中最主要和最基本的指标。混凝土立方体抗压强度：边长150mm立方体标准试件，在标准条件下（203，90%湿度）养护28天，用标准试验方法（加载速度0.150.3N/mm2/sec，两端不涂润滑剂）测得的具有95%保证率的立方体抗压强度(Cube Strength)，用符号C表示。 C30：fcu,k=30N/mm2,2.1.2 单向受力状态下混凝土的强度,混凝土的强度等级是用抗压强度来划分的规范用标准制作方式制成的150150mm的立方体试块，在28天龄期，用标准试验方法测得
3、具有95保证率的抗压强度。根据强度范围，从C15C80共划分为14个强度等级，级差为5N/mm2。C50以上为高强混凝土。,2.1 混凝土,立方体强度的影响因素：试验方法（润滑剂）加载速度试验环境（温湿度） 试件尺寸Size Affection 。100mm立方体强度与标准立方体强度之间的换算关系,小于C50的混凝土，修正系数m =0.95。随混凝土强度的提高，修正系数m 值有所降低。当fcu100=100N/mm2时，换算系数m 约为0.9,2.1 混凝土,美国、日本、加拿大等国家，采用圆柱体（直径150mm，高300 mm）标准试件测定的抗压强度来划分强度等级，符号记为 fc。圆柱体强度与
4、我国标准立方体抗压强度的换算关系为，,立方体和圆柱体抗压试验都不能代表混凝土在实际构件中的受力状态，只是用来在同一标准条件下比较混凝土强度水平和品质的标准（制作、测试方便）。,规范对小于C60级的混凝土取0.79，对C60取0.833，对C70取0.857，对C80取0.875,高强混凝土的脆性折减系数： 规范对小于C40级的混凝土取1.00，对C80取0.87，其间按线性插值,2.1 混凝土,2、轴心抗压强度Axial Compressive Strength,采用棱柱体试件测定，用符号fc表示，它比较接近实际构件中混凝土的受压情况。为消除端部约束的影响，棱柱体试件高宽比一般为h/b=34，
5、我国通常取150mm150mm450mm，也常用100100300。对于同一混凝土，棱柱体抗压强度小于立方体抗压强度。棱柱体抗压强度和立方体抗压强度的换算关系为，,规范对小于C50级的混凝土取0.76，对C80取0.82，其间按线性插值,2.1 混凝土,也是其基本力学性能，用符号 ft 表示。混凝土构件开裂、裂缝、变形，以及受剪、受扭、受冲切等的承载力均与抗拉强度有关。,3、轴心抗拉强度Axial Tensile Strength,2.1 混凝土,由于轴心受拉试验对中困难，也常常采用立方体或圆柱体劈拉试验测定混凝土的抗拉强度(Splitting Strength ),2.1 混凝土,4、混凝土
6、强度的标准值 Characteristic Strength,规范规定材料强度的标准值 fk 应具有不小于95%的保证率,立方体强度标准值即为混凝土强度等级fcu。规范在确定混凝土轴心抗压强度和轴心抗拉强度标准值时，假定它们的变异系数与立方体强度的变异系数相同，利用与立方体强度平均值的换算关系，便可按上式计算得到。Question:Can you feel safe enough to use characteristic strength?,2.1 混凝土,规范考虑到试件与实际结构的差异以及高强混凝土的脆性特征，对轴心抗压强度和轴心抗拉强度，还采用了以下两个折减系数：结构中混凝土强度与混凝土
7、试件强度的比值，取0.88；脆性折减系数，对C40取1.0，对C80取0.87，中间按线性规律变化。,例 fcu=30MPa, d =0.12, fcu,m=fcu/(1-1.645d) fc,m=0.76fcu,m fc,k=fc,m(1-1.645d)0.881.0 =0.76fcu0.88 1.0 =20.06MPa,2.1 混凝土,返回,2.1 混凝土,fc ,2.1.3 混凝土破坏机理 Failure Mechanism,2.1 混凝土,初始裂缝：混凝土在结硬过程中，由于水泥石的收缩、骨料下沉以及温度变化等原因，在骨料和水泥石的界面上形成很多微裂缝 Micro-fissure，成为混
8、凝土中的薄弱部位。混凝土的最终破坏就是由于这些微裂缝的发展造成的。,2.1 混凝土,A点以前，微裂缝没有明显发展，混凝土的变形主要弹性变形，应力-应变关系近似直线。A点应力随混凝土强度的提高而增加，对普通强度混凝土sA约为 (0.30.4)fc ，对高强混凝土sA可达(0.50.7)fc。,2.1 混凝土,A点以后，由于微裂缝处的应力集中，裂缝开始有所延伸发展，产生部分塑性变形，应变增长开始加快，应力-应变曲线逐渐偏离直线。微裂缝的发展导致混凝土的横向变形增加 Expansion。但该阶段微裂缝的发展是稳定的。,2.1 混凝土,达到B点，内部一些微裂缝相互连通，裂缝发展已不稳定，横向变形突然增
9、大，体积应变开始由压缩转为增加。在此应力的长期作用下，裂缝会持续发展最终导致破坏。取B点的应力作为混凝土的长期抗压强度。普通强度混凝土sB约为0.8fc，高强强度混凝土sB可达0.95fc以上。,2.1 混凝土,达到C点fc，内部微裂缝连通形成破坏面，应变增长速度明显加快，C点的纵向应变值称为峰值应变 e 0，约为0.002。,纵向应变发展达到D点，内部裂缝在试件表面出现第一条可见平行于受力方向的纵向裂缝。,2.1 混凝土,随应变增长，试件上相继出现多条不连续的纵向裂缝，横向变形急剧发展，承载力明显下降。,2.1 混凝土,混凝土骨料与砂浆的粘结不断遭到破，裂缝连通形成斜向破坏面。E点的应变e
10、= (23) e 0，应力s = (0.40.6) fc。,2.1 混凝土,E点以后，纵向裂缝形成一斜向破坏面，此破坏面受正应力和剪应力的作用继续扩展，形成一破坏带。此时试件的强度由斜向破坏面上的骨料间的摩阻力提供。随应变继续发展，摩阻力和粘结力不断下降，但即使在很大的应变下，骨料间仍有一定摩阻力，残余强，约为(0.10.4) fc。,2.1 混凝土,2.1 混凝土,由上述混凝土的破坏机理可知，微裂缝的发展导致横向变形的 增大。对横向变形加以约束(Lateral Constraint )，就可以限制微裂缝的发展，从而 可提高混凝土的抗压强度。立方体试件受约束范围大，而棱柱 体试件中部未受约束，
11、因此造成了不同受压试件强度的差别和 破坏形态的不同。,1：局部受压强度fcl (Local Compressive Strength) 比轴心抗压强度 fc 大很多，也是因为局部受压面积以 外的混凝土对局部受压区 域内部混凝土微裂缝产生 了较强的约束。,局部受压试件,2.1 混凝土,了解混凝土的破坏机理，不仅可以解释各种不同试验混凝土强度的差别，还可以通过约束混凝土的横向变形来提高混凝土的抗压强度。如图采用配置螺旋箍筋形成所谓“约束混凝土”，可显著提高混凝土的抗压强度，并且可以提高混凝土变形能力。,螺旋箍筋约束混凝土,螺旋箍筋约束混凝土,2.1 混凝土,由螺旋箍筋约束混凝土的应力-应变曲线可见
12、，当应力较小时，横向变形很小，箍筋的约束作用不明显；当应力超过B点的应力时，由于混凝土的横向变形开始显著增大，侧向膨胀使螺旋箍筋产生环向拉应力，其反作用力使混凝土的横向变形受到约束，从而使混凝土的强度和变形能力都得到提高。,2.1 混凝土,“约束混凝土(Confined Concrete)”的概念在工程中许多地方都有应用，如螺旋箍筋柱、后张法预应力锚具下局部受压区域配置的钢筋网或螺旋筋等。而钢管混凝土(Concrete Filled Tube)对内部混凝土的约束效果更好，因此近年来在我国工程中得到许多应用。约束混凝土可以提高混凝土的强度，但更值得注意的是可以提高混凝土的变形能力(Deforma
13、tion Capacity)，这一点对于抗震结构非常重要。在抗震结构对于可能出现塑性铰的区域，均要求加密箍筋配置来提高构件的变形能力，达到坏而不倒的目的。,由螺旋箍筋约束混凝土的应力-应变曲线可见，当应力较小时，横向变形很小，箍筋的约束作用不明显；当应力超过B点的应力时，由于混凝土的横向变形开始显著增大，侧向膨胀使螺旋箍筋产生环向拉应力，其反作用力使混凝土的横向变形受到约束，从而使混凝土的强度和变形能力都得到提高。,返回,2.1 混凝土,看以下三种受力（1） 双向正应力作用（2） 正应力和剪应力作用（3） 三轴受压（4） 局部抗压强度,实际结构中，混凝土很少处于单向受力状态。更多的是处于双向或
14、三向受力状态。如剪力和扭矩作用下的构件、弯剪扭和压弯剪扭构件、混凝土拱坝、核电站安全壳等。,2.1.4 复合应力状态下混凝土强度,2.1 混凝土,（1） 双向正应力作用Biaxial Stress State,1, 2 (压压) 强度增加,1, 2 (拉压) 强度降低,1, 2 (拉拉) 强度基本不变,第二章 钢筋和混凝土的材料性能,2.1 混凝土,双向受压强度大于单向受压强度，最大受压强度发生在两个压应力之比为0.3 0.6之间，约为(1.251.60 )fc。双轴受压状态下混凝土的应力-应变关系与单轴受压曲线相似，但峰值应变均超过单轴受压时的峰值应变。,在一轴受压一轴受拉状态下(第二、四象
15、限)，任意应力比情况下均不超过其相应单轴强度。并且抗压强度或抗拉强度均随另一方向拉应力或压应力的增加而减小。在双轴受拉状态下（第一象限），则不论应力比多大，抗拉强度均与单轴抗拉强度接近。,返回,2.1 混凝土,（2） 正应力和剪应力作用,构件受剪或受扭时常遇到剪应力t 和正应力s 共同作用下的复合受力情况。,2.1 混凝土,混凝土的抗剪强度：随拉应力增大而减小 随压应力增大而增大当压应力在（0.50.7）fc左右时，抗剪强度达到最大，压应力继续增大，则由于内裂缝发展明显，抗剪强度将随压应力的增大而减小。,返回,2.1 混凝土,（3） 三轴受压 Triaxial Stress State,200,3= 50N/mm2,35N/mm2,1,3,3,10N/mm2,150,100,50,0,5,10,15,20,25,12(N/mm2),1 (),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。一般采用圆柱体在等侧压条件下的试验测定抗压强度。,返回,
