混凝土基本力学性能课件

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1、钢钢筋混凝土原理和分析筋混凝土原理和分析Reinforced Concrete Theory and Analyse1精选ppt0、绪论0.1钢钢筋混凝土筋混凝土结结构的构的发发展和特点展和特点 广泛广泛应应用用钢钢筋混凝土筋混凝土结结构的工程构的工程领领域：域： 建筑工程建筑工程 桥桥梁和交通工程梁和交通工程 水利和海港工程水利和海港工程 地下工程地下工程 特种特种结结构构2精选ppt3精选ppt4精选ppt5精选ppt6精选ppt上海莘庄大型立交工程上海莘庄大型立交工程该工程由15条线路，6条主线、20个定向匝道构成；占地面积45.8公顷，整个立交桥梁结构长度11.1公里、面积8.4万m2

2、。7精选ppt8精选ppt9精选ppt江阴长江大桥10精选ppt11精选ppt12精选ppt13精选ppt14精选ppt15精选ppt16精选ppt17精选ppt18精选ppt19精选ppt20精选ppt0.2本本课课程特点程特点结结构工程科学研究的一般构工程科学研究的一般规规律：律：从工程从工程实实践中提出要求和践中提出要求和问题问题，精心，精心调查调查和和统计统计、实验实验研究、理研究、理论论分析、分析、计计算算对对比、找比、找出解决出解决问题问题的方法；的方法；研究一般的研究一般的变变化化规规律，揭示作用机理，建立律，揭示作用机理，建立物理模型和数学表达，确定物理模型和数学表达，确定计计

3、算方法和构造算方法和构造措施，回到工程措施，回到工程实实践中践中验证验证，改，改进进和和补补充。充。混凝土混凝土结结构作构作为结为结构工程的一个分支，亦服构工程的一个分支，亦服从上述从上述规规律。律。钢钢筋混凝土筋混凝土结结构构优优点、缺点：点、缺点：21精选ppt参考教材参考教材 1 钢钢筋混凝土原理和分析筋混凝土原理和分析 过镇过镇海海 时时旭旭东东主主编编 清清华华大学出版社大学出版社 2003 2 混凝土混凝土结结构基本原理构基本原理 蓝蓝宗建主宗建主编编 东东南大学出南大学出版社版社 2002 3 混凝土混凝土结结构构设计规设计规范理解与范理解与应应用用 徐有徐有邻邻 周氐周氐编编著

4、著 中国建筑工中国建筑工业业出版社出版社 2002 4 钢钢筋混凝土筋混凝土结结构理构理论论 王王传传志、藤智明主志、藤智明主编编 中中国建筑工国建筑工业业出版社出版社 1985 5 钢钢筋混凝土非筋混凝土非线线性分析性分析 朱伯朱伯龙龙、董振祥、董振祥 同同济济大大学出版社学出版社 1985 6 多种混凝土材料的本构关系和破坏准多种混凝土材料的本构关系和破坏准则则 宋玉普宋玉普 中国水利水中国水利水电电出版社出版社 200222精选ppt第一篇第一篇 混凝土的力学性能混凝土的力学性能混凝土：混凝土：由水泥、骨料和水拌合形成的人工合成材料。由水泥、骨料和水拌合形成的人工合成材料。作作 用：用：

5、作作为钢为钢筋混凝土筋混凝土结结构的主体，一是自身承担构的主体，一是自身承担较较的大的荷的大的荷载载；二是容；二是容纳纳和和维护维护各种构造的各种构造的钢钢筋，筋，组组成合理的成合理的组组合性合性结结构材料。构材料。特特 点：点：非非弹弹性、非性、非线线性、非匀性、非匀质质材料，材料，较较大离散性。大离散性。本篇介本篇介绍绍：一般特性和破坏机理一般特性和破坏机理、基本基本应应力状力状态态下的下的强强度和度和变变形形，主要因素影响下的性能主要因素影响下的性能变变化化，多多轴应轴应力状力状态态下的下的强强度和本构关系度和本构关系。23精选ppt 混凝土是由水泥、水、骨料按一定比例配合，混凝土是由水

6、泥、水、骨料按一定比例配合，经过经过硬化后形成的人工石。其硬化后形成的人工石。其为为一多相复合材一多相复合材料，其料，其质质量的好坏与材料、施工配合比、施工量的好坏与材料、施工配合比、施工工工艺艺、龄龄期、期、环环境等境等诸诸多因素有关。通常将其多因素有关。通常将其组组成成结结构分构分为为：宏宏观结观结构：构：两两组组分体系，砂分体系，砂浆浆和粗骨料。和粗骨料。亚亚微微观结观结构：构：水泥砂水泥砂浆结浆结构。构。微微观结观结构：构： 水泥石水泥石结结构。构。第第1章章 基本力学性能基本力学性能1.1混凝土的混凝土的组组成成结结构和材性特点构和材性特点1.1.1材料的材料的组组成和内部构造成和内

7、部构造24精选ppt宏宏观结观结构构亚亚微微观结观结构构微微观结观结构构粗骨料（分散相）粗骨料（分散相）水泥石水泥石（基相）（基相）细细骨料（分骨料（分散相）散相）砂砂浆浆（基相）（基相）晶体骨架晶体骨架晶体带带核凝胶体核凝胶体干缩孔隙孔隙凝凝缩缩氢氢氧化氧化钙钙凝胶体混凝土组成结构25精选ppt晶体骨架：由未水化颗粒组成，承受外力，具有弹性变形特点。塑性变形：在外力作用下由凝胶、孔隙、微裂缝产生。破坏起源：孔隙、微裂缝等原因造成。PH值：由于水泥石中的氢氧化钙存在，混凝土偏碱性。由于水泥凝胶体的硬化过程需要若干年才能完成，所以，混凝土的强度、变形也会在较长时间内发生变化，强度逐渐增长，变形逐

8、渐加大。26精选ppt 由由于于混混凝凝土土材材料料的的非非均均匀匀微微构构造造、局局部部缺缺陷陷和和离离散散性性较较大大而而极极难难获获得得精精确确的的计计算算结结果果。因因此此，主主要要讨讨论论混混凝凝土土结结构构的的宏宏观观力力学学反反应应，即即混混凝凝土土结结构构在在一一定定尺尺度度范范围围内内的的平平均均值值。宏宏观观结结构构中中混混凝凝土土的的两两个个基基本本构构成成部部分分，即即粗粗骨骨料料和和水水泥泥砂砂浆浆的的随随机机分分布布，以以及及两两者者的的物物理理和和力力学学性性能能的的差差异异是是其其非非匀匀质质、不等向性、不等向性质质的根本原因。的根本原因。粗骨料和水泥粗骨料和水

9、泥浆浆体的物理力学性能指体的物理力学性能指标标的典型的典型值值27精选ppt 施施工工和和环环境境因因素素引引起起混混凝凝土土的的非非匀匀质质性性和和不不等等向向性性：例例如如浇浇注注和和振振捣捣过过程程中中，比比重重和和颗颗粒粒较较大大的的骨骨料料沉沉入入构构件件的的底底部部，而而比比重重小小的的骨骨料料和和流流动动性性大大的的水水泥泥砂砂浆浆、气气泡泡等等上上浮浮，靠靠近近构构件件模模板板侧侧面面和和表表面面的的混混凝凝土土表表层层内内，水水泥泥砂砂浆浆和和气气孔孔含含量量比比内内部部的的多多；体体积积较较大大的的结结构构，内内部部和和表表层层的的失失水水速速率率和和含含水水量量不不等等，

10、内内外外温温度度差差形形成成的的微微裂裂缝缝状状况况也也有有差差别别；建建造造大大型型结结构构时时，常常需留出水平的或其它形状的施工需留出水平的或其它形状的施工缝缝。 当当混混凝凝土土承承受受不不同同方方向向（即即平平行行、垂垂直直或或倾倾斜斜于于混混凝凝土土的的浇浇注方向）的注方向）的应应力力时时，其，其强强度和度和变变形形值值有所不同。有所不同。28精选ppt 例例如如对对混混凝凝土土立立方方体体试试件件，标标准准试试验验方方法法规规定定沿沿垂垂直直浇浇注注方方向向加加载载以以测测定定抗抗压压强强度度，其其值值略略低低于于沿沿平平行行浇浇注注方方向向加加载载的的数数值值。再再如如，竖竖向向

11、浇浇注注的的混混凝凝土土柱柱，截截面面上上混混凝凝土土性性质质对对称称，而而沿沿柱柱高高两两端端的的性性质质有有别别；卧卧位位浇浇注注的的混混凝凝土土柱柱，情情况况恰好相反。恰好相反。这这两种柱在两种柱在轴轴力作用下的力作用下的强强度和度和变变形也将不等。形也将不等。 混混凝凝土土材材料料的的非非匀匀质质性性和和不不等等向向性性的的严严重重程程度度，主主要要取取决决于于原原材材料料的的均均匀匀性性和和稳稳定定性性，以以及及制制作作过过程程的的施施工工操操作作和和管管理理的的精精细细程程度度，其其直直接接结结果果是是影影响响混混凝凝土土的的质质量量（材材性性的的指指标标和离散度）。和离散度）。浇

12、浇注方向注方向NN浇浇注方向注方向NN29精选ppt1.1.2材性的基本特点材性的基本特点 混混凝凝土土的的材材料料组组成成和和构构造造决决定定其其4个个基基本本受受力力特特点点:1复复杂杂的微的微观观内内应应力、力、变变形和裂形和裂缝缝状状态态 将将一一块块混混凝凝土土按按比比例例放放大大，可可以以看看作作是是由由粗粗骨骨料料和和硬硬化化水水泥泥砂砂浆浆等等两两种种主主要要材材料料构构成成的的不不规规则则的的三三维维实实体体结结构构，且且具具有有非非匀匀质质、非非线线性性和和不不连续连续的性的性质质。 混混凝凝土土在在承承受受荷荷载载（应应力力）之之前前，就就已已经经存存在在复复杂杂的的微微

13、观观应应力力、应应变变和和裂裂缝缝，受受力力后后更更有有剧剧烈的烈的变变化。化。30精选ppt 在在混混凝凝土土的的凝凝固固过过程程中中，水水泥泥的的水水化化作作用用在在表表面面形形成成凝凝胶胶体体，水水泥泥浆浆逐逐渐渐变变稠稠、硬硬化化，并并和和粗粗细细骨骨料料粘粘结结成成一一整整体体。在在此此过过程程中中，水水泥泥浆浆失失水水收收缩缩变变形形远远大大于于粗粗骨骨料料的的。此此收收缩缩变变形形差差使使粗粗骨骨料料受受压压，砂砂桨桨受受拉拉，和和其其它它应应力力分分布布。这这些些应应力力场场在在截截面面上上的的合合力力为为零零，但但局局部部应应力可能很大，以至在骨料界面力可能很大，以至在骨料界

14、面产产生微裂生微裂缝缝。压力拉力31精选ppt 粗粗骨骨料料和和水水泥泥砂砂桨桨的的热热工工性性能能（如如线线膨膨胀胀系系数数)有有差差别别。当当混混凝凝土土中中水水泥泥产产生生水水化化热热或或环环境境温温度度变变化化时时，两两者者的的温温度度变变形形差差受受到到相相互互约约束束而而形形成成温温度度应应力力场场。更更因因为为混混凝凝土土是是热热惰惰性性材材料料，温度梯度大而加重了温度温度梯度大而加重了温度应应力。力。 当当混混凝凝土土承承受受外外力力作作用用时时，即即使使作作用用应应力力完完全全均均匀匀，混混凝凝土土内内也也将将产产生生不不均均匀匀的的空空间间微微观观应应力力场场，取取决决于于

15、粗粗骨骨料料和和水水泥泥砂砂浆浆的的面面（体体）积积比比、形形状状、排排列列和和弹弹性性模模量量值值，以以及及界界面面的的接接触触条条件件等等。在在应应力力的的长长期期作作用用下下，水水泥泥砂砂浆浆和和粗粗骨骨料料的的徐徐变变差差使混凝土内部使混凝土内部发发生生应应力重分布，力重分布，粗骨料将承受更大的粗骨料将承受更大的压应压应力。力。压力拉力32精选ppt 所有所有这这些都些都说说明，明，从微从微观观上分析混凝土，必然要考上分析混凝土，必然要考虑虑非常复非常复杂杂的、随机分布的三的、随机分布的三维应维应力（力（应变应变）状）状态态。 其其对对于混凝土的宏于混凝土的宏观观力学性能，如开裂，裂力

16、学性能，如开裂，裂缝缝开展，开展，变变形，极限形，极限强强度和破坏形度和破坏形态态等，都有重大影响。等，都有重大影响。 混凝土内部有不可混凝土内部有不可避免的初始气孔和避免的初始气孔和缝缝隙，其尖端附近因收隙，其尖端附近因收缩缩、温度、温度变变化或化或应应力力作用都会形成局部作用都会形成局部应应力集中区，其力集中区，其应应力分力分布更复布更复杂杂，应应力力值值更更高。高。33精选ppt 2.变变形的多元形的多元组组成成 混混凝凝土土在在承承受受应应力力作作用用或或环环境境条条件件改改变变时时都都将将发发生生相相应应的的变变形形。从混凝土的从混凝土的组组成和构造特点分析，其成和构造特点分析，其变

17、变形形值值由由3部分部分组组成：成：骨料的骨料的弹弹性性变变形形 占占混混凝凝土土体体积积绝绝大大部部分分的的石石子子和和砂砂，本本身身的的强强度度和和弹弹性性模模量量值值均均比比其其组组成成的的混混凝凝土土高高出出许许多多。即即使使混混凝凝土土达达到到极极限限强强度度值值时时，骨骨料料并并不不破破碎碎，变变形形仍仍在在弹弹性性范范围围以以内内，即即变变形形与与应应力力成成正正比比，卸卸载载后后变变形可全部恢复，不留残余形可全部恢复，不留残余变变形。形。34精选ppt水泥凝胶体的粘性流水泥凝胶体的粘性流动动 水水泥泥经经水水化化作作用用后后生生成成的的凝凝胶胶体体，在在应应力力作作用用下下除除

18、了了即即时时产产生生的的变变形形外外，还还将将随随时时间间的的延延续续而而发发生生缓缓慢慢的的粘粘性性流流（移移）动动，混混凝凝土土的的变变形形不不断断地地增增长长，形形成成塑塑性性变变形形。当当卸卸载载后后，这这部部分分变变形形一一般般不不能能恢恢复复，出出现现残残余余变变形形。35精选ppt裂裂缝缝的形成和的形成和扩扩展展 在在拉拉应应力力作作用用下下，混混凝凝土土沿沿应应力力的的垂垂直直方方向向发发生生裂裂缝缝。裂裂缝缝存存在在于于粗粗骨骨料料的的界界面面和和砂砂浆浆的的内内部部，裂裂缝缝不不断断形形成成和和扩扩展展，使使拉拉变变形形很很快快增增长长。在在压压应应力力作作用用下下，混混凝

19、凝土土大大致致沿沿应应力力平平行行方方向向发发生生纵纵向向劈劈裂裂裂裂缝缝，穿穿过过粗粗骨骨料料界界面面和和砂砂浆浆内内部部。这这些些裂裂缝缝的的增增多多、延延伸伸和和扩扩展展，将将混混凝凝土土分分成成多多个个小小柱柱体体，纵纵向向变变形形增增大大。在在应应力力的的下下降降过过程程中，中，变变形仍形仍继续继续增增长长，卸，卸载载后大部分后大部分变变形不能恢复。形不能恢复。36精选ppt 后两部分后两部分变变形成分，不与混凝土的形成分，不与混凝土的应应力成比例力成比例变变化，且卸化，且卸载载后大后大部分不能恢复，一般部分不能恢复，一般统统称称为为塑性塑性变变形形。 不同原材料和不同原材料和组组成

20、的混凝土，在不同的成的混凝土，在不同的应应力水平下，力水平下，这这三部分三部分变变形所占比例有很大形所占比例有很大变变化。化。当混凝土当混凝土应应力力较较低低时时，骨料，骨料弹弹性性变变形占主要部分，形占主要部分，总变总变形很小形很小；随随应应力的增力的增大，水泥凝胶体的粘性流大，水泥凝胶体的粘性流动变动变形逐形逐渐渐加速增加速增长长；接近混凝土极限接近混凝土极限强强度度时时，裂，裂缝缝的的变变形才明形才明显显显显露，但其数量露，但其数量级级大，大，很快就超很快就超过过其它其它变变形成分形成分。 在在应应力峰力峰值值之后，随着之后，随着应应力的下降，骨料力的下降，骨料弹弹性性变变形开始恢复，凝

21、形开始恢复，凝胶体的流胶体的流动动减小，而裂减小，而裂缝缝的的变变形却形却继续继续加大。加大。37精选ppt 3.应应力状力状态态和途径和途径对对力学性能的巨大影响力学性能的巨大影响 混混凝凝土土的的单单轴轴抗抗拉拉和和抗抗压压强强度度的的比比值值约约为为1:10，相相应应的的峰峰值值应应变变之之比比约约为为1:20，都都相相差差一一个个数数量量级级。两两者者的的破破坏坏形形态态也也有有根根本本区区别别。这这与与钢钢、木木等等结结构构材材料料的的拉拉、压压强强度和度和变变形接近相等的情况有明形接近相等的情况有明显显不同。不同。 混凝土在基本受力状混凝土在基本受力状态态下力学性能的巨大差下力学性

22、能的巨大差别别使得使得：混混凝凝土土在在不不同同应应力力状状态态下下的的多多轴轴强强度度、变变形形和和破破坏坏形形态态等有很大的等有很大的变变化范化范围围；存存在在横横向向和和纵纵向向应应力力（变变）梯梯度度的的情情况况下下，混混凝凝土土的的强强度和度和变变形形值值又将又将变变化化；荷荷载载（应应力力）的的重重复复加加卸卸和和反反复复作作用用下下，混混凝凝土土将将产产生程度不等的生程度不等的变变形滞后、形滞后、刚刚度退化和残余度退化和残余变变形等形等现现象象；38精选ppt多多轴轴应应力力的的不不同同作作用用途途径径，改改变变了了微微裂裂缝缝的的发发展展状状况况和相互和相互约约束条件，混凝土出

23、束条件，混凝土出现现不同力学性能反不同力学性能反应应。 混混凝凝土土因因应应力力状状态态和和途途径径的的不不同同而而引引起起力力学学性性能能的的巨巨大大差差异异，当当然然是是其其材材料料特特性性和和内内部部微微结结构构所所决决定定的的。材材性性的的差差异异足足以以对对构构件件和和结结构构的的力力学学性性能能造造成成重重大大影影响响，在在实际实际工程中不能不加以重工程中不能不加以重视视。4.时间时间和和环环境条件的巨大影响境条件的巨大影响 混混凝凝土土随随水水泥泥水水化化作作用用的的发发展展而而渐渐趋趋成成熟熟。有有试试验验表表明明，水水泥泥颗颗粒粒的的水水化化作作用用由由表表及及里里逐逐渐渐深

24、深入入，至至龄龄期期20年后仍未年后仍未终终止。止。39精选ppt 混混凝凝土土成成熟熟度度的的增增加加，表表示示了了水水泥泥和和骨骨料料的的粘粘结结强强度度增增大大，水水泥泥凝凝胶胶体体稠稠化化，粘粘性性流流动动变变形形减减小小，因因而而混混凝凝土土的的极极限限强强度度和和弹弹性性模模量量值值都都逐逐渐渐提提高高。但但是是，混混凝凝土土在在应应力力的的持持续续作作用用下下，因因水水泥泥凝凝胶胶体体的的粘粘性性流流动动和和内内部部微微裂裂缝缝的的开开展展而而产产生生的的徐徐变变与与时时俱增，使混凝土材料和构件的俱增，使混凝土材料和构件的变变形加大，形加大，长长期期强强度降低度降低。 混混凝凝土

25、土周周围围的的环环境境条条件件既既影影响响其其成成熟熟度度的的发发展展过过程程，又又与与混混凝凝土土材材料料发发生生物物理理的的和和化化学学的的作作用用，对对其其性性能能产产生生有有利利的的或或不不利利的的影影响响。环环境境温温度度和和湿湿度度的的变变化化，在在混混凝凝土土内内部部形形成成变变化化的的不不均均匀匀的的温温度度场场和和湿湿度度场场，影影响响水水泥泥水水化化作作用用的的速速度度和和水水分分的的散散发发速速度度，产产生生相相应应的的应应力力场场和和变变形形场场，促促使使内内部部微微裂裂缝缝的的发发展展，甚甚至至形形成成表表面面宏宏观观裂裂缝缝。环环境境介介质质中中的的二二氧氧化化碳碳

26、气气体体与与水水泥泥的的化化学学成成分分作作用用，在在混混凝凝土土表表面面附附近近形形成成一一碳碳化化层层，且且逐逐渐渐增增厚厚；介介质质中中的的氯氯离离子子对对水水泥泥（和和钢钢筋筋）的的腐腐蚀蚀作作用用降降低低了了混混凝土凝土结结构的耐久性构的耐久性40精选ppt 混混凝凝土土的的这这些些材材性性特特点点，决决定定了了其其力力学学性性能能的的复复杂杂、多多变变和和离离散散，还还由由于于混混凝凝土土原原材材料料的的性性质质和和组组成成的的差差别别很很大大，完完全全从从微微观观的的定定量量分分析析来来解解决决混混凝凝土土的的性性能能问题问题，得到准确而，得到准确而实实用的用的结结果是十分困果是

27、十分困难难的。的。 所所以以，从从结结构构工工程程的的观观点点出出发发，将将一一定定尺尺度度，（例例如如70mm或或34倍倍粗粗骨骨料料粒粒径径）的的混混凝凝土土体体积积作作为为单单元元，看看成成是是连连续续的的、匀匀质质的的和和等等向向的的材材料料，取取其其平平均均的的强强度度、变变形形值值和和宏宏观观的的破破坏坏形形态态等等作作为为研研究究的的标标准准，可可以以有有相相对对稳稳定定的的力力学学性性能能并并且且用用同同样样尺尺度度的的标标准准试试件件测测定定各各项项性性能能指指标标，经经过过总总结结、统统计计和和分分析析后后建建立立的的破破坏坏（强强度度）准准则则和和本本构构关关系系，在在实

28、实际际工工程程中中应应用，一般情况下其具有足用，一般情况下其具有足够够的准确性。的准确性。 尽尽管管如如此此，了了解解和和掌掌握握混混凝凝土土的的这这些些材材性性特特点点，对对于于深深入入理理解解和和应应用用混混凝凝土土的的各各种种力力学学性性能能和和结结构构构构件件的力学反的力学反应应至关重要有助于以后各章内容的学至关重要有助于以后各章内容的学习习。41精选ppt1.1.3受力破坏的一般机理受力破坏的一般机理 混凝土材性的复混凝土材性的复杂杂程度如上述，在不同的程度如上述，在不同的应应力状力状态态下下发发生生显显著差著差别别的破坏的破坏过过程和形程和形态态。混凝土在。混凝土在结结构中主要用作

29、受构中主要用作受压压材料，材料，最最简单简单的的单轴单轴受受压压状状态态下的破坏下的破坏过过程最有代表性程最有代表性。详细详细地了解其地了解其破坏破坏过过程和机理程和机理对对于理解混凝土的材性本于理解混凝土的材性本质质，解，解释结释结构和构件的构和构件的各种各种损伤损伤和破坏和破坏现现象，以及采取措施改象，以及采取措施改进进和提高混凝土和提高混凝土质质量和量和结结构性能等都有重要意构性能等都有重要意义义。 混凝土一直被混凝土一直被认为认为是是“脆性脆性”，材料，无，材料，无论论是受是受压还压还是受拉状是受拉状态态，它的破坏，它的破坏过过程都短程都短暂暂、急、急骤骤，肉眼不可能仔，肉眼不可能仔细

30、细地地观观察到其内察到其内部的破坏部的破坏过过程。程。现现代科学技代科学技术术的高度的高度发发展，展，为为材料和材料和结结构构试验试验提提供了先供了先进进的加的加载载和量和量测测手段。手段。现现在已在已经经可以比可以比较较容易地容易地获获得混凝得混凝土受土受压压和受拉的和受拉的应应力力-应变应变全曲全曲线线，还还可采用超声波可采用超声波检测仪检测仪、x光光摄摄影影仪仪、电电子子显显微微镜镜等多种精密等多种精密侧试仪侧试仪器，器，对对混凝土的微混凝土的微观观构造构造在受力在受力过过程中的程中的变变化情况加以化情况加以详详尽的研究。尽的研究。42精选ppt 试试验验证证明明，结结构构混混凝凝土土在

31、在承承受受荷荷载载或或外外应应力力之之前前，内内部部就就已已经经存存在在少少量量、分分散散的的微微裂裂缝缝，宽宽（2-5）10-3、最最长长（1-2mm），其其主主要要原原因因是是在在混混凝凝土土的的凝凝固固过过程程中中，粗粗骨骨料料和和水水泥泥砂砂浆浆的的收收缩缩差差和和不不均均匀匀温温湿湿度度场场所所产产生生的的微微观观应应力力场场。由由于于水水泥泥砂砂浆浆和和粗粗骨骨料料表表面面的的粘粘结结强强度度只只及及该该砂砂浆浆抗抗拉拉强强度度的的35%65%，而而粗粗骨骨料料本本身身的的抗抗拉拉强强度度远远超超过过水水泥泥砂砂浆浆的的强强度度，故故当当混混凝凝土土内内微微观观拉拉应应力力较较大大

32、时时，首首先先在在粗粗骨骨料料界界面面出出现现微微裂裂缝缝，称称界界面面粘粘结结裂裂缝缝。 混混凝凝土土受受力力之之后后直直到到破破坏坏其其内内部部微微裂裂缝缝的的发发展展过过程程也也可在可在试验过试验过程中清楚地程中清楚地观观察到。察到。43精选ppt 该该试试验验采采用用方方形形板板式式试试件件(127 mm 127 mm 12.7 mm），既既接接近近理理想想的的平平面面应应力力状状态态，又又便便于于在在加加载载过过程程中中直直接接获获得得裂裂缝缝的的x光光信信息息。试试件件用用两两种种材材料料制制作作。理理想想试试件件用用3种种不不同同直直径径的的园园形形骨骨料料（厚厚12.7 mm）

33、随随机机地地埋埋人人水水泥泥砂砂浆浆，另另一一种种为为真真实实混混凝凝土土试试件。两种件。两种试试件的受力件的受力过过程和程和观侧结观侧结果相同，前者更具典型性。果相同，前者更具典型性。 试试验验证证实实了了混混凝凝土土在在受受力力前前就就存存在在初初始始微微裂裂缝缝，都都出出现现在在较较大大粗粗骨骨料料的的界界面面开开始始受受力力后后直直到到极极限限荷荷载载，混混凝凝土土内内的的微微裂裂缝缝逐逐渐渐增多和增多和扩扩展，可以分作展，可以分作3个个阶阶段：段：max=0.85max=0.65max粘结裂缝=0用X光观测的混凝土单轴受压的裂缝过程44精选ppt 1.微裂微裂缝缝相相对对称定期称定期

34、(/max0.30.5) 这这时时混混凝凝土土的的压压应应力力较较小小，虽虽然然有有些些微微裂裂缝缝的的尖尖端端因因应应力力集集中中而而沿沿界界面面略略有有发发展展，也也有有些些微微裂裂缝缝和和间间隙隙因因受受压压而而有有些些闭闭合合，对对混混凝凝土土的的宏宏观观变变形形性性能能无无明明显显变变化化。即即使使荷荷载载的的多多次次重重复复作作用用或或者者持持续续较较长长时时间间，微裂微裂缝缝也不致有大也不致有大发发展，残余展，残余变变形很小。形很小。max=0.85max=0.65max粘结裂缝=0用X光观测的混凝土单轴受压的裂缝过程45精选ppt 2.稳稳定裂定裂缝发缝发展期（展期（ /max

35、 0. 75 0. 9） 混混凝凝土土在在高高应应力力作作用用下下，粗粗骨骨料料的的界界面面裂裂缝缝突突然然加加宽宽和和延延伸伸，大大量量地地进进人人水水泥泥砂砂浆浆；水水泥泥砂砂浆浆中中的的已已有有裂裂缝缝也也加加快快发发展展，并并和和相相邻邻的的粗粗骨骨料料界界面面裂裂缝缝相相连连。这这些些裂裂缝缝逐逐个个连连通通，构构成成大大致致平平行行于于压压应应力力方方向向的的连连续续裂裂缝缝，或或称称纵纵向向劈劈裂裂裂裂缝缝。若若混混凝凝土土中中部部分分粗粗骨骨料料的的强强度度较较低低，或或有有节节理理和和缺缺陷陷，也也可可能能在在高高应应力力下下发发生生骨骨料料劈劈裂裂。这这一一阶阶段段的的应应

36、力力增增量量不不大大，而而裂裂缝缝发发展展迅迅速速，变变形形增增长长大大。即即使使应应力力维维持持常常值值，裂裂缝缝仍仍将将继继续续发发展展，不不再再能能保保持持稳稳定定状状态态。纵纵向向的的通通缝缝将将试试件分隔成数个小柱体，承件分隔成数个小柱体，承载载力下降而力下降而导导致混凝土的最致混凝土的最终终破坏。破坏。max=0.85max=0.65max粘结裂缝=0用X光观测的混凝土单轴受压的裂缝过程47精选ppt 从从对对混混凝凝土土受受压压过过程程的的微微观观现现象象的的分分析析，其其破破坏坏机机理可以概括理可以概括为为：首首先先是是水水泥泥砂砂浆浆沿沿粗粗骨骨料料的的界界面面和和砂砂浆浆内

37、内部部形形成成微微裂裂缝缝；应应力力增增大大后后这这些些微微裂裂缝缝逐逐渐渐地地延延伸伸和和扩扩展展，并并连连通通成成为为宏宏观观裂裂缝缝；砂砂浆浆的的损损伤伤不不断断积积累累，切切断断了了和和骨骨料料的的联联系系，混混凝凝土的整体性遭受破坏而逐土的整体性遭受破坏而逐渐渐地地丧丧失承失承载载力力。 混混凝凝土土在在其其它它应应力力状状态态，如如受受拉拉和和多多轴轴应应力力状状态态下下的破坏的破坏过过程也与此相似。程也与此相似。 混混凝凝土土的的强强度度远远低低于于粗粗骨骨料料本本身身的的强强度度，当当混混凝凝土土破破坏坏后后，其其中中的的粗粗骨骨料料一一般般无无破破损损的的迹迹象象，裂裂缝缝和

38、和破破碎碎都都发发生生在在水水泥泥砂砂浆浆内内部部。所所以以，混混凝凝土土的的强强度度和和变变形形性性能能在在很很大大程程度度上上取取决决于于水水泥泥砂砂浆浆的的质质量量和和密密实实性性。任任何何改改进进和和提提高高水水泥泥砂砂浆浆质质量量的的措措施都能施都能较较多地提高混凝土多地提高混凝土强强度和改善度和改善结结构的性能。构的性能。48精选ppt1.2抗抗压压强强度度1.2.1立方体抗立方体抗压压强强度度 为为了确定混凝土的抗了确定混凝土的抗压压强强度，我国的国家度，我国的国家标标准准 GBJ 81-85普通混凝土力学性能普通混凝土力学性能试验试验方法中方法中规规定：定：标标准准试试件取件取

39、边长为边长为150 mm的立方体，用的立方体，用钢钢模成型，模成型，经浇经浇注、振注、振捣捣密密实实后静置一昼夜，后静置一昼夜，试试件拆模后放入件拆模后放入标标准养准养护护室（室（203，相，相对对湿度湿度90），），28天天龄龄期后取出期后取出试试件，擦干表面水，件，擦干表面水，置于置于试验试验机内，沿机内，沿浇浇注的垂直方向施加注的垂直方向施加压压力，以力，以每秒每秒0.30.5 N/mm2的速度的速度连续连续加加载载直至直至试试件破件破坏。坏。试试件的破坏荷件的破坏荷载载除以承除以承压压面面积积，即，即为为混凝土混凝土的的标标准立方体抗准立方体抗压压强强度度 fcu ，N/mm2 （Mp

40、a）。）。49精选ppt 试验试验机通机通过钢垫过钢垫板板对试对试件施加件施加压压力。力。由于由于垫垫板的板的刚刚度有限，以度有限，以及及试试件内部和表件内部和表层层的受力状的受力状态态和材料性能有差和材料性能有差别别，致使，致使试试件承件承压压面上的面上的竖竖向向压应压应力分布不均匀。力分布不均匀。同同时时，钢垫钢垫板和板和试试件混凝土的件混凝土的弹弹性模量性模量(Es，Ec）和泊松比（）和泊松比（s ,c）值值不等，在相同不等，在相同应应力（力（）作）作用下的横向用下的横向应变应变不等（不等（ s / Es c / Ec ）。故）。故垫垫板板约约束了束了试试件的件的横向横向变变形，在形，在

41、试试件的承件的承压压面上作用着水平摩擦力。面上作用着水平摩擦力。50精选ppt 试试件件在在承承压压面面上上这这些些竖竖向向和和水水平平力力作作用用下下，其其内内部部必必产产生生不不均均匀匀的的三三维维应应力力场场：垂垂直直中中轴轴线线上上各各点点为为明明显显的的三三轴轴受受压压，四四条条垂垂直直棱棱边边接接近近单单轴轴受受压压，承承压压面面的的水水平平周周边边为为二二轴轴受受压压，竖竖向向表表面面上上各各点点为为二二轴轴受受压压或或二二轴轴压压拉拉，内内部部各各点点则则为为三三轴轴受受压压或或三三轴轴压压拉拉应应力力状状态态。注注意意这这里里还还是是将将试试件件看看作作是是各各向向同同性性的

42、的匀匀质质材材料料。若若计计及及混混凝凝土土组组成成和和材材性性的的随随机机分分布布，试试件件的的应应力力状状态态将将更更复复杂杂，且不，且不对对称。称。51精选ppt 试试件加件加载载后，后，竖竖向向发发生生压缩变压缩变形，水平向形，水平向为为伸伸长变长变形形试试件的件的上、下端因受加上、下端因受加载垫载垫板的板的约约束而横向束而横向变变形小，中部的横向膨形小，中部的横向膨胀变胀变形最大。随着荷形最大。随着荷载载或者或者试试件件应应力的增大，力的增大，试试件的件的变变形逐形逐渐渐加快增加快增长长。试试件接近破坏前，件接近破坏前，首先在首先在试试件高度的中央、靠近件高度的中央、靠近侧侧表面的位

43、表面的位置上出置上出现竖现竖向裂向裂缝缝，然后往上和往下延伸，逐，然后往上和往下延伸，逐渐转渐转向向试试件的角部，件的角部，形成正倒相形成正倒相连连的八字形裂的八字形裂缝缝。继续继续增加荷增加荷载载，新的八字形，新的八字形缝缝由表由表层层向内部向内部扩扩展，中部混凝土向外鼓展，中部混凝土向外鼓胀胀，开始剥落，最，开始剥落，最终终成成为为正倒正倒相接的四角相接的四角锥锥破坏形破坏形态态。 52精选ppt 当采用的当采用的试试件形状和尺寸不同件形状和尺寸不同时时，如，如边长边长100 mm或或200 mm的立方体，的立方体，H/D=2的的圆圆柱体混凝土柱体混凝土的破坏的破坏过过程和形程和形态虽态虽

44、然相同，但得到的抗然相同，但得到的抗压压强强度度值值因因试试件受力条件不同和尺寸效件受力条件不同和尺寸效应应而有所差而有所差别别。对对比比试验给试验给出的不同出的不同试试件抗件抗压压强强度的度的换换算关系如算关系如表。表。0.890.8750.860.830.801.0510.95抗压强度相对值C80C70C60C50C20-C40100150200强度等级边长mm圈柱体(H=300 mm, D=150mm)立方体混凝土试件表表1-2 不同形状和尺寸不同形状和尺寸试试件的混凝土抗件的混凝土抗压压强强度相度相对值对值53精选ppt 混混凝凝土土立立方方试试件件的的应应力力和和变变形形状状况况，以

45、以及及其其破破坏坏过过程程和和破破坏坏形形态态均均表表明明，标标准准试试验验方方法法并并未未在在试试件件中中建建立立起起均均匀匀的的单单轴轴受受压压应应力力状状态态，由由此此测测定定的的也也不不是是理理想想的的混混凝凝土土单单轴轴抗抗压压强强度度。当当然然，它它更更不不能能代代表表实实际际结结构构中中应应力力状状态态和和环环境条件境条件变变化很大的混凝土真化很大的混凝土真实实抗抗压压强强度。度。 尽尽管管如如此此，混混凝凝土土的的标标准准立立方方体体抗抗压压强强度度仍仍是是确确定定混混凝凝土土的的强强度度等等级级、评评定定和和比比较较混混凝凝土土的的强强度度和和制制作作质质量量的的最最主主要要

46、的的相相对对指指标标，又又是是判判定定和和计计算算其其他他力力学学性性能能指指标标的的基基础础，因因而而有有重要的技重要的技术术意意义义。 54精选ppt1.2.2棱柱体棱柱体试试件的受力破坏件的受力破坏过过程程 为为消除立方体消除立方体试试件两端局部件两端局部应应力和力和约约束束变变形的影响，最形的影响，最简单简单的的办办法是改用棱柱体（或法是改用棱柱体（或圆圆柱体）柱体）试试件件进进行抗行抗压试验压试验。根据。根据San Vinent原理。加原理。加载载面上的不均布垂直面上的不均布垂直应应力和力和x=0的水平的水平应应力，只影响力，只影响试试件件端部的局部范端部的局部范围围（高度（高度约约

47、等于等于试试件件宽宽度），中度），中间间部分已接近于均匀部分已接近于均匀的的单轴单轴受受压应压应力状力状态态。 受受压试验压试验也也证证明，破坏明，破坏发发生在棱主体生在棱主体试试件的中部。件的中部。试试件的破坏荷件的破坏荷载载除于其截面除于其截面积积，即，即为为混凝土的棱柱体抗混凝土的棱柱体抗压压强强度度 fc，或称，或称轴轴心抗心抗压压强强度。度。 55精选ppt 试验结试验结果表明，混凝土的棱柱体抗果表明，混凝土的棱柱体抗压压强强度随度随试试件高厚比件高厚比(h/b)的增大而的增大而单调单调下降，但下降，但h/b2后，后，强强度度值值已已变变化不大。故化不大。故标标准准试试件的尺寸取件的

48、尺寸取为为150 150 300,试试件的制作、养件的制作、养护护、加、加载龄载龄期和期和试试验验方法都与立方体方法都与立方体试试件的件的标标准准试验试验相同相同 。56精选ppt 在混凝土棱柱体在混凝土棱柱体试试件的受件的受压试验过压试验过程中量程中量测试测试件的件的纵纵向和横向向和横向应变应变（,），就可以），就可以绘绘制：制：受受压应压应力力-应变应变（-）全曲）全曲线线；割割线线或切或切线线泊松比（泊松比（s=/，t=d/d) ； 体体积应变积应变 (v-）曲）曲线线。 其典型的其典型的变变化化规规律如下律如下图图。试验过试验过程中程中还还可以仔可以仔细细地地观观察到察到试试件的表面宏

49、件的表面宏观观裂裂缝缝的出的出现现和和发发展展过过程，以程，以及最及最终终的破坏形的破坏形态态。57精选ppt58精选ppt 由于混凝土的原材料和由于混凝土的原材料和组组成的差异，以及成的差异，以及试验试验量量测测方方法的差异，国内外法的差异，国内外给给出的出的实验结实验结果有一定的离散度。果有一定的离散度。混混凝土的棱柱体抗凝土的棱柱体抗压压强强度随立方体度随立方体强强度度单调单调增增长长：1.2.3主要抗主要抗压压性能指性能指标标1、棱柱体抗、棱柱体抗压压强强度度59精选ppt 各各国国研研究究人人员员给给出出多多种种经经验验计计算算公公式式，或或者者给给出出一一个个定定值值，一般在一般在

50、 fc / fcu=0.780.88之之间间。 各各国国设设计计规规范范中中，出出于于结结构构安安全全度度考考虑虑，一一般般取取用用偏偏低低的的值值。例如，我国例如，我国规规范范给给出出轴压轴压强强度度标标准准值为值为其比其比值值的的变变化范化范围为围为：强强度等度等级级高者比高者比值值偏大。偏大。c1=fc/fcu c1=0.76（C50） c1=0.82（C80）c2=1.0 （C40） c2=0.87 （C80） 60精选ppt2、达、达棱柱体抗棱柱体抗压压强强度度时时的峰的峰值应变值应变 棱棱柱柱体体试试件件达达到到极极限限强强度度fc时时的的相相应应峰峰值值应应变变p虽虽然然有有稍稍

51、大大的的离散度，但是，离散度，但是，随混凝土随混凝土强强度而度而单调单调增增长长的的规规律十分明律十分明显显。 过镇过镇海在分析了混凝土海在分析了混凝土强强度度fc=20100N/mm2的的试验试验数据后，数据后，给给出的关系式出的关系式为为61精选ppt 各国的各国的设计规设计规范中，范中，对对强强度等度等级为级为C20至至C50的混凝土常常的混凝土常常规规定定单单一的峰一的峰值应变值值应变值，例如：，例如：p=0.002。此。此值值稍高于材性稍高于材性试验值试验值，但用于但用于结结构和构件分析中，由于存在构和构件分析中，由于存在应变应变梯度和箍筋梯度和箍筋约约束等有束等有利因素而得到利因素

52、而得到补偿补偿。 各国研究人各国研究人员员建建议议的多种的多种经验计经验计算式，如表所示。算式，如表所示。62精选pptep原点切原点切线线模量模量Elastic Modulus割割线线模量模量Secant Modulus切切线线模量模量Tangent Modulus弹弹性系数性系数n n (coefficient of elasticity) 随随应应力增大力增大而减小而减小 n n =10.53 3、混凝土的、混凝土的弹弹性模量性模量 Elastic ModuluseeecE=63精选ppt 弹弹性性模模量量是是材材料料变变形形性性能能的的主主要要指指标标混混凝凝土土的的受受压压应应力力应

53、应变变曲曲级级为为非非线线性性，弹弹性性模模量量(或或称称变变形形模模量量）随随应应力力或或应应变变而而连连续续地地变变化化。在在确确定定了了应应力力应应变变的的曲曲线线方方程程后后，很很容容易易计计算算所所需需的的割割线线模模量量Ec,s=/或切或切线线模量模量Ec,t=d/d。 有有时时为为了了比比较较混混凝凝土土的的变变形形性性能能，以以及及进进行行构构件件变变形形计计算算和和引引用用弹弹性性模模量量比比作作其其它它分分析析时时，需需要要有有一一个个标标定定的的混混凝凝土土弹弹性性模模量量值值（Ec）。一一般般取取为为相相当当于于结结构构使使用用阶阶段段的的工工作作应应力力=(0.40.

54、 5)fc时时的割的割线线模量模量值值。 巳巳有有的的大大量量试试验验给给出出混混凝凝土土的的弹弹性性模模量量随随其其强强度度而而单单调调增增长长的的规规律，但离散度律，但离散度较较大。大。我国我国现现行行规规范：范：64精选ppt弹弹性性模量模量值值的的经验计经验计算式有多种。算式有多种。 试验试验中量中量测测的混凝土的混凝土试试件横向件横向应变应变和泊松比和泊松比st等，受等，受纵纵向裂向裂缝缝的出的出现现、发发展以及量展以及量测测点位置的影响很大。特点位置的影响很大。特别别是是进进入入应应力力-应变应变曲曲线线的下降段的下降段p后，离散度更大。在开始受后，离散度更大。在开始受力力阶阶段，泊松比段，泊松比值约为值约为： st0.160.23一般取一般取0.20。混凝土内部形成非。混凝土内部形成非稳稳定裂定裂缝缝（0.8fc）后，泊）后，泊松比松比值飞值飞速增速增长长，且，且ts。65精选ppt