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1、,学习目标 掌握钢筋的应力-应变曲线； 了解钢筋的冷加工性能、重复荷载下钢筋的疲劳性能； 掌握混凝土强度、应力-应变曲线的概念； 熟悉混凝土变形模量、徐变、收缩的概念； 掌握粘结的定义、基本锚固长度的计算； 掌握保证可靠粘结的构造要求。,混凝土结构材料 的物理力学性能,教学提示 首先应明确材料的物理力学性能是混凝土 结构计算理论建立的基础。 本章应重点介绍混凝土在各种受力状态下 的强度与变形性能、钢筋和混凝土的应力- 应变曲线以及钢筋与混凝土的黏结机理。,主要内容：,混凝土的物理力学性能 钢筋的物理力学性能 钢筋与混凝土的粘结,第二章 钢筋和混凝土的材料性能,2.1 混凝土,2.1 混凝土 一
2、、混凝土的强度,第二章 钢筋和混凝土的材料性能,2.1 混凝土,（混凝土结构中，主要是利用它的抗压强度。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） （1）立方体抗压强度标准值：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。 fcu,k= fcu,m(1-1.645)。,2.1 混凝土 一、混凝土的强度 1、立方体抗压强度fcu，立方体抗压强度标准值fcu,k,第二章 钢筋和混凝土的材料性能,（2）混凝土的强度等级： 规范是根据混凝土立方体抗压
3、强度标准值来划分的。从C15C80共划分为14个强度等级（如C30表示fcu,k =30N/mm2），级差为5N/mm2。,（3）非标准试块强度换算系数： 200mm200mm200mm:1.05； 100mm100mm100mm:0.95。,未采取减摩措施,采取减摩措施后,第二章 钢筋和混凝土的材料性能,第二章 钢筋和混凝土的材料性能,2.1 混凝土,2、轴心抗压强度fc,（1）轴心抗压强度的概念：也称棱柱体抗压强度（用符号fc表示），是用高宽比为24的棱柱体试件测得的抗压强度，我国标准以150150300mm的棱柱体试件为标准试件，也常用150150450的棱柱体试件。 （2）棱柱体抗压强
4、度和立方体抗压强度的换算关系,第二章 钢筋和混凝土的材料性能,2.1 混凝土,c1 和 c2 的取值,第二章 钢筋和混凝土的材料性能,劈裂试验,（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裂试验测定混凝土的抗拉强度）,劈拉强度,3、轴心抗拉强度ft,第二章 钢筋和混凝土的材料性能,2.1 混凝土,轴心抗拉强度试验,轴心抗拉强度标准值,第二章 钢筋和混凝土的材料性能,2.1 混凝土,第二章 钢筋和混凝土的材料性能,4、混凝土强度的标准值,（1）规范规定材料强度的标准值 fk 应具有不小于95%的保证率,第二章 钢筋和混凝土的材料性能,2.1 混凝土,例 已知fcu,m=30MPa, d
5、 =0.14，求fcu,k和fck fcu,k=fcu,m(1-1.645d) =23.09MPa fc,m=0.76fcu,m fck=fc,m(1-1.645d)0.881.0 =0.76fcu,m (1-1.645d) 0.88 1.0 =15.44MPa,第二章 钢筋和混凝土的材料性能,2.1 混凝土,二、混凝土破坏机理,fc fcu ?,第二章 钢筋和混凝土的材料性能,2.1 混凝土,三、复杂应力下混凝土的受力性能,（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三向受力状态。）,第二章 钢筋和混凝土的材料性能,2.1 混凝土,任意应力比情况下，其强度均不超过相应的单轴强
6、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。,（2）一轴受压一轴受拉（第二、四象限）,第二章 钢筋和混凝土的材料性能,2.1 混凝土,（构件受剪或受扭时常遇到）,2 剪应力t 和正应力s 共同作用下的复合受力情况,第二章 钢筋和混凝土的材料性能,2.1 混凝土,（ 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。三向受压试验一般采用圆柱体在等侧压条件进行。）,3 三轴应力状态,一次短期荷载下 受力变形 长期荷载下 砼变形 多次重复荷载下 收缩变形 体积变形 膨胀变形 温度变形,四、混凝土的变形,第二章 钢筋和混凝土的材料性能,2.1 混凝土,第二章 钢
7、筋和混凝土的材料性能,2.1 混凝土,1、一次短期荷载下的变形,在普通试验机上采用等应力速度加载，达到轴心抗压强度fc时，试验机中集聚的弹性应变能大于试件所能吸收的应变能，会导致试件产生突然脆性破坏，只能测得曲线的上升段。,（1）单轴单调受压时的应力-应变关系 （常采用棱柱体试件来测定）,第二章 钢筋和混凝土的材料性能,2.1 混凝土,（2）测定混凝土应力-应变全曲线的试验装置,采用等应变速度加载，在试件旁附设高弹性元件与试件一同受压，以吸收试验机内集聚的应变能，可以测得曲线的下降段。,第二章 钢筋和混凝土的材料性能,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
8、-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。,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。但该阶段微裂缝的发展是稳定的。,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，成为混凝土中的薄弱部位。混凝土的最终破坏就是由于这些微裂缝的发展造成的。,达到B点，内部一些微裂缝相互连通，裂缝发展已不稳定，横向变形突然增大，体积应变开始由
9、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。,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。,第二章 钢筋和混凝土的材料性能,2.1 混凝土,（3）不同强度等级混凝土的应力-应变曲线,强度越高，峰值应变越大，极限应变越小，下降段越陡峭 延性越差 强度越低，峰值应变越小，极限应变越大，下降段越平缓延性越好,2.1 混
10、凝土,第二章 钢筋和混凝土的材料性能, Hognestad建议的模型,（4）混凝土单轴受压应力-应变曲线的数学模型,第二章 钢筋和混凝土的材料性能,我国建工规范的模型,上升段：,下降段：,2.1 混凝土,（5）三向受压时的变形性能 混凝土在横向受约束力作用时，不但可提高其强度，还可提高其延性。 实际工程采用箍筋、钢管提供约束,第二章 钢筋和混凝土的材料性能,2.1 混凝土,第二章 钢筋和混凝土的材料性能,（6）混凝土的变形模量,2.1 混凝土,弹性系数n 随应力增大而减（n =10.5）,混凝土变形模量的概念,第二章 钢筋和混凝土的材料性能,2.1 混凝土,混凝土弹性模量的测定与计算,建规,桥
11、规,第二章 钢筋和混凝土的材料性能,2.1 混凝土,（7）混凝土受拉的应力-应变曲线（了解）,第二章 钢筋和混凝土的材料性能,2.1 混凝土,（1）徐变的概念,2、荷载长期作用下混凝土的变形性能徐变,混凝土在荷载的长期作用下，其应变或变形随时间增长的现象称为徐变。,第二章 钢筋和混凝土的材料性能,应变与时间的关系曲线 （t0 时刻加载， t 时刻卸载）, 特点： 开始快、以后慢；半年完成大部分、一年稳定、三年终止,（3）徐变与时间的关系,第二章 钢筋和混凝土的材料性能,2.1 混凝土,不利影响： 徐变会使结构（或构件）的变形增大（如挠度） ； 引起预应力损失； 在长期高应力作用下，甚至会导致破
12、坏。 有利影响： 有利于结构构件产生内（应）力重分布，降低结构的受力； 减小大体积混凝土内的温度应力； 受拉徐变可延缓收缩裂缝的出现。,（4）徐变对结构的影响,第二章 钢筋和混凝土的材料性能,2.1 混凝土,内在因素：是混凝土的组成和配比。 骨料的刚度（弹性模量）越大，体表比越大，徐变就越小; 水灰比越小，水泥用量越少，徐变也越小。 环境影响：包括养护和使用条件。 受荷前养护的温湿度越高，水泥水化作用越充分，徐变就越小。 受荷后构件所处的环境温度越高，相对湿度越小，徐变就越大。,（5）影响徐变的因素,第二章 钢筋和混凝土的材料性能,2.1 混凝土,当初始应力水平si /fc 0.5时，徐变值与
13、初应力基本上成正比，这种徐变称为线性徐变。产生线性徐变的主要原因是凝胶体的塑性流动。 当初应力si 在(0.50.8) fc 范围时，徐变最终虽仍收敛，但最终徐变与初应力si不成比例，这种徐变称为非线性徐变。产生非线性徐变的主要原因是裂缝的出现与发展。,应力条件：是指初应力水平si /fc是影响徐变的非常主要的因素。,当初应力si 0.8fc 时，混凝土内部微裂缝的发展已处于不稳定的状态，徐变的发展将不收敛，最终导致混凝土的破坏。因此将0.8fc作为混凝土的长期抗压强度。,3、混凝土在重复荷载作用下的变形性能疲劳,第二章 钢筋和混凝土的材料性能,（1）重复荷载作用下的应力-应变曲线,疲劳破坏的
14、特征：裂缝小而变形大,第二章 钢筋和混凝土的材料性能,（2）混凝土疲劳强度试验,标准试件：150150300或150150450mm 的棱柱体, 200万次,荷载应力大小，即疲劳应力比值是影响疲劳强度大小的关键因素,混凝土疲劳强度fcf,fcf= gr fc,见建工教材P316附表2-4,第二章 钢筋和混凝土的材料性能,2.1 混凝土,混凝土在空气中硬化时体积会缩小，这种现象称为混凝土的收缩。（收缩是混凝土在不受外力情况下由于体积变化而产生的变形。）,4、混凝土的收缩,物理方面：干燥失水。 化学方面：混凝土的碳化（凝胶体中的Ca(OH)2 CaCO3）。,（2）引起收缩的原因,（1）收缩的概念
15、,第二章 钢筋和混凝土的材料性能,2.1 混凝土,当收缩受到约束（如支座、内部钢筋）时，将使混凝土中产生拉应力，甚至引起混凝土的开裂。 混凝土收缩会使预应力混凝土构件产生预应力损失。,（3）收缩对结构的影响,图a) 钢筋混凝土构件的收缩裂缝,第二章 钢筋和混凝土的材料性能,2.1 混凝土,早期发展快，两周可完成全部收缩的25%，一个月可完成50%；以后发展逐渐减慢，整个收缩过程可延续两年以上。 一般情况下，最终收缩应变值约为(25)10-4 混凝土开裂应变为(0.52.7)10-4,（4）收缩与时间的关系,第二章 钢筋和混凝土的材料性能,2.1 混凝土,水泥的强度等级高、用量多、水灰比大，收缩
16、就大； 骨料弹性模量高、级配好，收缩就小； 养护时的湿度大、温度高，收缩就小； 使用时的湿度大、温度低，收缩就小； 构件体表比大，收缩就小； 混凝土越密实，收缩越小；,（5）影响收缩的因素,第二章 钢筋和混凝土的材料性能,2.1 混凝土,但混凝土的膨胀值一般较小，对结构的影响也较小，所以经常不予考虑。,（7）膨胀对结构的影响,第二章 钢筋和混凝土的材料性能,2.2 钢筋,2.2 钢 筋 一、钢筋的种类 1 、钢筋的化学成分：力学性能主要取决于化学成分。,铁元素：主要成分。 碳元素：含碳量增加，强度提高，但塑性和可焊性降低。低碳钢（0.25%)、中碳钢（0.250.6%)、高碳钢（0.61.4%)。 锰、硅元素：可提高强度，保持一定塑性。 磷、硫元素：使塑性降低、焊接性能降低、冷脆（磷）或热脆（硫）。,
