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1、 建筑混凝土结构的力学性能设计【摘要】由于混凝土是非匀质、非线性的，脆性人工混合材料，力学性能较为复杂，且随时间而变化，性能指标的离散性很大。因此，以试验相关数据作为参数进行有限元分析，并和试验结果加以比较，以弥补试验的观测性较差的不足。【关键词】混凝土；结构；力学性能；设计由于混凝土是非匀质、非线性的，脆性人工混合材料，力学性能较为复杂，且随时间而变化，性能指标的离散性很大。因此，以试验相关数据作为参数进行有限元分析，并和试验结果加以比较，以弥补试验的观测性较差的不足。普通混凝土是由水泥、砂、石和水按一定配合比拌合，经凝固硬化后作成的人工石材。混凝土强度的大小不仅与组成材料的质量和配合比有关
2、，而且与混凝土的养护条件、龄期、受力情况以及测定其强度时所采用的试件形状、尺寸和试验方法也有密切关系。因此，研究各种单向受力状态下的混凝土强度指标时必须以统一规定的标准试验方法为依据。 1 立方体抗压强度 cuf 我国以立方体抗压强度值作为混凝土最基本的强度指标以及评价混凝土强度等级的标准，因为这种试件的强度比较稳定。 规范规定，用边长为 150mm 的标准立方体试件，在标准养护条件（温度在 203，相对湿度不小于 90）下养护 28 天后在试验机上试压。试验时，试块表面不涂润滑剂，全截面受力、加荷速度每秒钟约为（0.30.8）N/mm2。试块加压至破坏时， 所测得的极限平均压应力作为混凝土的
3、立方体抗压强度，用符号 cuf 表示，单位为 N/mm2。 规范规定的混凝土强度等级，是按立方体抗压强度标准值（即具有不小于 95保证率）确定的，用符号 C 表示，共有 14 个等级，即 C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75、C80。字母 C 后面的数字表示以 N/mm2 为单位的立方体抗压强度标准值。 在试验过程中可以看到，当试件的压力达到极限值时，在竖向压力和水平摩擦力的共同作用下，首先是试块中部外围混凝土发生剥落，形成两个对顶的角锥形破坏面（如图 41） 。这也说明试块和试验机垫板之间的摩擦对试块有“套箍”的作用，而且这种
4、“套箍”作用，越靠近试块中部作用越弱。 试验还表明，混凝土的立方体抗压强度还与试块的尺寸有关，立方体尺寸越小，测得混凝土抗压强度越高。当采用边长为 200mm或 100mm 立方体试件时，须将其抗压强度实 测值乘以 1.05 或 0.95 转换成标准试件的立方体抗压强度值。1 混凝土的强度试验混凝土是由水泥、骨料(砂、碎石)和水按一定比例配和，经搅拌、凝固而成的人工石材“砼” 。水泥和水组成的水泥浆，结硬后形成水泥石，水泥石则将骨料黏结起来形成一个整体。骨料和水泥石中的水泥结晶体作为骨架，用以承受外荷载。骨架具有 弹性性能，水泥石中的水泥胶凝体具有塑性性质，所以混凝土为弹塑性材料。1.1 混凝
5、土的强度等级混凝土在成形过程中，由于水泥石的收缩作用，在骨料和水泥石的黏结处以及水泥石内部都不可避免地存在着微细裂缝。混凝土试样受压破坏的根本原因是，在外加压力作用下，试样纵向缩短的同时，横向发生膨胀变形，引起部分微细裂缝扩展与贯通。其破坏模式与试样的尺寸、端面条件及应力状态等因素有关。因为摩擦力对混凝土横向变形的约束，使内部裂缝不能自由发展，所以压板与混凝土之间不加润滑剂时混凝土的抗压强度值大于横向自由膨胀时的抗压强度。试块上距压板愈远， “箍”的作用愈小，破坏形成截锥体。为了便于比较，需统一试样尺寸和试验方法。我国混凝土材料试验中，规定以 150mml50mml50mm 立方体，在温度为(
6、203)、相对湿度大于 90的环境下养护 28 天，端面不加润滑剂的抗压试验作为参照标准。取具有 95保证率的立方体抗压强度作为立方抗压强度标准值 cu,k，以此作为确定混凝土强度等级的依据。同时，立方抗压强度标准值也是混凝土各种力学指标的基本代表值。1.2 混凝土棱柱体抗压强度试验混凝土实际受压构件，并不是立方体，而是棱柱体，且端面并不存在约束侧向变形的摩擦力。根据圣维南原理，要消除试样端 部摩擦力的影响，试样就必须具有一定高度 h，才能保证中部处于纯受压应力状态；但若 h 过大，在试样破坏前又会产生附加偏心而使抗压强度降低。1.3 混凝土轴心抗拉强度试验抗拉强度是混凝土的基本力学性能指标，
7、可采用直接拉伸试验法和劈裂试验法来测定，亦可根据与立方抗压强度的关系进行计算。1.3.1 直接拉伸试验试验机的夹具夹紧钢筋后，缓慢对钢筋施加拉力，破坏时试件在没有钢筋的中部截面被拉断。拉断时截面上的平均应力即为混凝土的轴心抗拉强度。该拉伸试验的困难在于预埋钢筋位置存在误差，难以保证试件真正轴心受力。拉力偏心，对结果将会产生较大影响。所以，混凝土的直接拉伸试验已较少采用。1.3.2 劈裂试验目前，国内外都广泛采用劈裂试验法来测定混凝土的抗拉强度，在圆柱体试件上通过弧形垫条及垫层施加压力线荷载，在中间垂直截面上中部产生均匀，的水平向拉应力 1。当该拉应力达到混凝土的抗拉强度时，试件沿中间垂直截面劈
8、裂拉断。混凝土结构构件除单向受力外，还有可能承受轴力、弯矩、剪力和扭矩的共同作用，形成双向或三向受力。单向应力状态称为简单应力状态，双向应力状态和三向应力状态称为复合(或复杂)应力状态，复合应力状态下混凝土的强度有明显变化。 2 混凝土的变形性能混凝土的变形，分为两种：一种变形是由外荷载引起，另一种变形由非外力因素引起。荷载可产生短期变形弹塑性变形、长期变形徐变，非荷载因素引起的变形以材料的收缩变形为代表。2.1 荷载产生的短期变形2.1.1 应力应变关系混凝土棱柱体试件轴心受压完整的应力。应变曲线：总体上可分成上升 oc 和下降 cf 两部分。当压应力较小时，混凝土的变形主要是由骨料和水泥石
9、中的水泥结晶体在压力作用下产生的弹性变形，水泥石中水泥胶凝体的塑性变形和初始微裂缝变化的影响都很小，材料表现出弹性性质。应力超过 a 点以后，出现塑性变形，裂缝开始缓慢发展。若应力不再继续增加，则裂缝停止扩展。月点称为临界点，其应力大约为 0.8 c，它是混凝土长期抗压强度的依据。裂缝不稳定扩展阶段bc。这一阶段内，试样所积蓄的弹性变形能大于裂缝发展所需要的能量，造成裂缝的快速扩展。下降段 cf。应力到达峰值以后，裂缝迅速扩展，结构内部的整体性遭到严重破坏，形成曲线的下降段。2.1.2 混凝土的模量混凝土的应力应变关系为曲线，不能像材料力学那样简单地定义弹性模量正。弹性模量是直线的斜率，可以用
10、斜率来定义混凝土的模量，有切线模量和割线模量之分。2.2 荷载产生的长期变形 荷载产生的长期变形随时间的增长而增长，称为徐变。徐变是混凝土黏弹性、黏塑性特性的表现，也是材料在长期荷载作用下的变形性能。2.2.1 徐变曲线在荷载作用期间，应变由两部分构成，加载瞬时产生的瞬时弹性应变和随时间增长的徐变应变。 徐变应变开始增加较快，以后逐渐减小并趋于稳定。徐变应变值大约为瞬时弹性应变的 14 倍。卸载后，弹性应变的大部分瞬时恢复，另一部分为弹性后效，经历一段时间得以恢复；剩下不能恢复的部分为遗留在混凝土中的残余应变。2.2.2 影响徐变的主要因素应力越大，徐变越大。当 c0.5 c 时，徐变增长大于
11、应力增长，出现非线性徐变。当应力过高时，非线性徐变将会不收敛，它可直接引起构件破坏；混凝工龄期。施加荷载时混凝土龄期愈小，徐变愈大；材料配比。水泥用量越多，徐变越大；水灰比越大，徐变也越大；而骨料的强度、弹性模量越高，则徐变越小；温度、湿度。养护温度高、湿度大，水泥水化作用充分，徐变就小。2.2.3 徐变对结构的影响混凝土的徐变可使构件的变形增加，对结构有不利的影响，主要表现在它使受弯构件挠度增大、使柱的附加偏心距增大、使预应力混凝土的预应力损失、还可使截面上的应力重分布等几方面。 2.3 非荷载引起的变形收缩变形是非荷载因素引起变形的代表。混凝土在结硬过程中，体积会发生变化。当在水中结硬时，体积要增大膨胀；当在空气中结硬时，体积要缩小收缩。混凝土的收缩对构件有害。它可使构件产生裂缝，影响正常使用；在预应力混凝土结构中，混凝土收缩可引起预应力损失。实际工程中，应设法减小混凝土的收缩，避免其不利影响。参考文献：1王铁梦.建筑物的裂缝控制m.上海：上海科学技术出版社，1995.2中国建筑科学研究院.混凝土实用手册m.北京：中国建工出版社.
