混凝土结构材料的物理和力学性能省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx
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1、第第2章章 混凝土结构材料的物理和力学性能混凝土结构材料的物理和力学性能1.11.1 第第2章章 混凝土结构材料物理和力学性能混凝土结构材料物理和力学性能 返回总目录返回总目录返回总目录返回总目录 第1页第第2章章 混凝土结构材料的物理和力学性能混凝土结构材料的物理和力学性能1.21.2 教学提醒:教学提醒:钢筋与混凝土材料物理和力学性能是混凝土结构计算理论、计算公式建立基础。主要介绍混凝土在各种受力状态下强度与变形性能;建筑工程中所用钢筋品种、级别及其性能;钢筋与混凝土粘结机理、钢筋锚固与连接结构。教学要求:教学要求:本章要求学生熟悉混凝土在各种受力状态下强度与变形性能;掌握混凝土选取标准;
2、熟悉建筑工程中所用钢筋品种、级别及其性能;掌握建筑工程对钢筋性能要求及选取标准;了解钢筋与混凝土共同工作原理,熟悉确保钢筋与混凝土之间协同工作结构办法。第2页第第2章章 混凝土结构材料的物理和力学性能混凝土结构材料的物理和力学性能1.31.3 混凝土结构是由钢筋和混凝土这两种性质不相同材料组成,它们共同承受和传递结构荷载。混凝土结构计算理论、计算公式建立,都与这两种材料力学性能亲密相关。所以,了解钢筋和混凝土这两种材料力学性能是非常主要。本章主要介绍钢筋与混凝土物理和力学性能、共同工作原理及这两种材料在工程中选取标准。第3页第第2章章 混凝土结构材料的物理和力学性能混凝土结构材料的物理和力学性
3、能1.41.4 2.1 2.1 混混 凝凝 土土 2.2 2.2 钢钢 筋筋 2.3 2.3 钢筋与混凝土之间粘结钢筋与混凝土之间粘结 2.4 2.4 钢筋锚固与接头结构钢筋锚固与接头结构 2.5 2.5 思思 考考 题题 2.6 2.6 习习 题题本章内容本章内容第4页第第2章章 混凝土结构材料的物理和力学性能混凝土结构材料的物理和力学性能1.51.52.1 混混 凝凝 土土 普通混凝土是由水泥、石子和砂3种材料用水拌和经凝固硬化后形成人造石材,是一个多相复合材料。混凝土中孔隙、界面微裂缝等缺点往往是混凝土受力破坏起源,在荷载作用下,微裂缝扩展对混凝土力学性能有着极为主要影响。因为水泥胶体硬
4、化过程需要多年才能完成,所以混凝土强度和变形也随时间逐步增加。第5页第第2章章 混凝土结构材料的物理和力学性能混凝土结构材料的物理和力学性能1.61.62.1.1 混凝土强度混凝土强度混凝土强度是其受力性能一个基本指标。荷载性质不一样及混凝土受力条件不一样,混凝土就会含有不一样强度。工程中惯用混凝土强度有工程中惯用混凝土强度有:立方体抗压强度棱柱体轴心抗压强度轴心抗拉强度等2.1 混混 凝凝 土土第6页第第2章章 混凝土结构材料的物理和力学性能混凝土结构材料的物理和力学性能1.71.71.混凝土基本强度指标混凝土基本强度指标1)立方体抗压强度立方体抗压强度 采取标准试块(规范要求边长为150m
5、m混凝土立方体),在标准条件下(温度为 203,相对湿度在90%以上)养护28天,按要求标准试验方法(中心加载,平均速度为0.30.8MPa/s,试件上下表面不涂润滑剂)测得含有95%确保率抗压强度称为混凝土立方体抗压强度fcu,k(N/mm2)。2.1 混混 凝凝 土土第7页第第2章章 混凝土结构材料的物理和力学性能混凝土结构材料的物理和力学性能1.81.81.混凝土基本强度指标混凝土基本强度指标1)立方体抗压强度立方体抗压强度规范要求,混凝土强度等级按立方体抗压强度标准值确定,用符号规范要求,混凝土强度等级按立方体抗压强度标准值确定,用符号fcuk表示,共表示,共14个等级,即个等级,即C
6、15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75、C80。比如,比如,C40表示立方体抗压强度标准值为表示立方体抗压强度标准值为40N/mm2。其中,。其中,C50及及C50以以上为高强混凝土。上为高强混凝土。2.1 混混 凝凝 土土第8页第第2章章 混凝土结构材料的物理和力学性能混凝土结构材料的物理和力学性能1.91.9立方体抗压强度受试件尺寸、试验方法和龄期原因影响。不一样立方体抗压强度受试件尺寸、试验方法和龄期原因影响。不一样尺寸立方体试件所测得强度不一样。尺寸越大,测得强度越低。尺寸立方体试件所测得强度不一样。尺寸越大,测得强度越低。
7、边长为边长为l00mm或或200mm立方体试件测得强度要转换为边长立方体试件测得强度要转换为边长150mm试件强度时,应分别乘以尺寸效应换算系数试件强度时,应分别乘以尺寸效应换算系数0.95或或1.05。其它形状和尺寸混凝土试块强度须乘不一样换算系数。其它形状和尺寸混凝土试块强度须乘不一样换算系数。2.1 混混 凝凝 土土第9页第第2章章 混凝土结构材料的物理和力学性能混凝土结构材料的物理和力学性能1.101.102.1 混混 凝凝 土土(a)不涂油脂不涂油脂 (b)涂油脂涂油脂图图2.1 立方体抗压强度试块立方体抗压强度试块 图图2.2 混凝土立方体强度随龄期改变混凝土立方体强度随龄期改变第
8、10页第第2章章 混凝土结构材料的物理和力学性能混凝土结构材料的物理和力学性能1.111.11 混凝土立方体强度与龄期相关混凝土立方体强度与龄期相关 如图2.2所表示。图中曲线1、2分别代表在潮湿环境和干燥环境下测得数据。混凝土立方体抗压强度伴随龄期逐步增加,增加速度开始时较快,以后逐步迟缓,强度增加过程往往要延续几年,在潮湿环境中往往延续更长。2.1 混混 凝凝 土土第11页第第2章章 混凝土结构材料的物理和力学性能混凝土结构材料的物理和力学性能1.121.12 2)2)棱柱体轴心抗压强度棱柱体轴心抗压强度 采取棱柱体比立方体能更加好地反应混凝土结构实际抗压能力。规范要求以150mm150m
9、m300mm棱柱体作为标准试件,测得含有95%确保率抗压强度为混凝土轴心抗压强度标准值,用符号fck表示。试件高宽比普通取为34。2.1 混混 凝凝 土土第12页第第2章章 混凝土结构材料的物理和力学性能混凝土结构材料的物理和力学性能1.131.13如图2.4所表示是依据我国所做混凝土棱柱体与立方体抗压强度对比试验结果。从图中能够看到,试验值 与 统计平均值大致成一条直线,它们比值大致为0.70.92,强度大比值大些。2.1 混混 凝凝 土土图图2.3 混凝土棱柱体抗压试验及试件破坏情况混凝土棱柱体抗压试验及试件破坏情况图图2.4 混凝土轴心抗压强度与立方体抗压强度关系混凝土轴心抗压强度与立方
10、体抗压强度关系第13页第第2章章 混凝土结构材料的物理和力学性能混凝土结构材料的物理和力学性能1.141.14轴心抗压强度标准值与立方体抗压强度标准值关系,规范按下式确定:(2-1)式中,棱柱体强度与立方体强度之比值,对C50及C50以下混凝土取 =0.76,对C80混凝土取 =0.82,中间按线性规律取值;高强度混凝土脆性折减系数,对C40及以下取 =1.00,对C80取 =0.87,中间按线性规律取值。0.88考虑实际构件与试件混凝土强度之间差异而取用折减系数。2.1 混混 凝凝 土土第14页第第2章章 混凝土结构材料的物理和力学性能混凝土结构材料的物理和力学性能1.151.153)轴心抗
11、拉强度轴心抗拉强度抗拉强度也是混凝土基本力学指标之一,用它可确定混凝土抗裂能力,也可间接地衡量混凝土冲切强度等其它力学性能。混凝土轴心抗拉强度很低,且较离散,普通为立方体强度1/181/10。按劈裂试验间接测定混凝土轴心抗拉强度,其劈拉强度即为混凝土轴心抗拉强度ftk,可按下式计算:(2-2)(2-3)式中,Pu破坏荷载;d 立方体试件边长或圆柱体试件直径;L 圆柱体试件长度。2.1 混混 凝凝 土土第15页第第2章章 混凝土结构材料的物理和力学性能混凝土结构材料的物理和力学性能1.161.16试验表明,劈裂抗拉强度略大于直接收拉强度。轴心抗拉强度标准值试验表明,劈裂抗拉强度略大于直接收拉强度
12、。轴心抗拉强度标准值ftk与立与立方体抗压强度标准值方体抗压强度标准值fcu,k关系为关系为:(2-4)2.1 混混 凝凝 土土图图2.5 混凝土劈裂试验示意图混凝土劈裂试验示意图Ftk=0.395fcu,k0.55第16页第第2章章 混凝土结构材料的物理和力学性能混凝土结构材料的物理和力学性能1.171.172.混凝土复合受力强度混凝土复合受力强度在实际工程结构中,构件受力情况中单向受力极少,而往往受轴力、弯矩、剪力、扭矩等不一样组协力作用,处于复杂复合应力状态。1)双向受力双向受力对于双向应力状态,两个相互垂直平面上作用有法向应力时,其混凝土强度改变曲线如图2.6所表示。2.1 混混 凝凝
13、 土土图图2.6 双向受力下应力状态双向受力下应力状态第17页第第2章章 混凝土结构材料的物理和力学性能混凝土结构材料的物理和力学性能1.181.181、双向受压时、双向受压时(第第象限象限)混凝土一向强度随另一向压应力增加而增加。双向受压混凝土强度要比单向受压强度最多可提升约27%。2、双向受拉时、双向受拉时(第第象限象限)混凝土一向抗拉强度与另一向拉应力大小基本无关,即抗拉强度和单向应力时抗拉强度基本相等。3、一向受拉,一向受压时、一向受拉,一向受压时(第第、象限象限)混凝土强度均低于单向受力强度。2.1 混混 凝凝 土土第18页第第2章章 混凝土结构材料的物理和力学性能混凝土结构材料的物
14、理和力学性能1.191.192)三向受压三向受压混凝土在三向受压情况下,因为受到侧向压力约束作用,延迟和限制了沿轴线方向内部微裂缝发生和发展,因而混凝土受压后极限抗压强度和极限应变都有显著提升和发展。由试验得到经验公式为:(2-5)式中,三轴受压状态混凝土圆柱体沿纵轴抗压强度;混凝土单轴受压时抗压强度;侧向约束压应力。三轴受压时,混凝土强度及变形能力都有较大提升。在实际工程中,常利用此特征来提升混凝土构件抗压强度和变形能力。比如采取螺旋箍筋、加密箍筋等。2.1 混混 凝凝 土土第19页第第2章章 混凝土结构材料的物理和力学性能混凝土结构材料的物理和力学性能1.201.203)局部受压强度局部受
15、压强度当构件承压面积A大于荷载局部传力面积Ac时(如图2.7所表示),承压混凝土局部受力,周围混凝土对关键混凝土受压后产生侧向变形有约束作用,所以,局部承压强度比棱柱体强度要高。局部承压强度,以fcl表示。按公式(2-6)计算:(2-6)式中,局部承压强度提升系数,大于1,其值可用 计算。2.1 混混 凝凝 土土第20页第第2章章 混凝土结构材料的物理和力学性能混凝土结构材料的物理和力学性能1.211.21图图2.7 混凝土局部承压示意图混凝土局部承压示意图 图图2.8 法向正应力和剪应力组合受力时混凝土强度曲线法向正应力和剪应力组合受力时混凝土强度曲线2.1 混混 凝凝 土土第21页第第2章
16、章 混凝土结构材料的物理和力学性能混凝土结构材料的物理和力学性能1.221.224)4)单轴正应力和剪应力共同作用时强度单轴正应力和剪应力共同作用时强度图2.8所表示为法向正应力和剪应力组合受力时混凝土强度曲线。图中面积可分为3个区域:区为拉剪状态,随 加大,抗拉强度下降;区为压剪状态,随 增大,抗剪强度增加;区为压剪状态,随 深入加大,抗剪能力反而开始下降。所以当结构中出现剪应力时,其抗压强度会有所降低,而且抗拉强度也会降低。2.1 混混 凝凝 土土第22页第第2章章 混凝土结构材料的物理和力学性能混凝土结构材料的物理和力学性能1.231.23 2.1.2 混凝土变形混凝土变形 混凝土变形普
17、通有两种。一个是受力变形,如混凝土在一次短期加载、荷载长久作用和屡次重复荷载作用下会产生变形。另一个是体积变形,如混凝土因为硬化过程中收缩以及温度和湿度改变也会产生变形。变形也是混凝土一个主要力学性能。2.1 混混 凝凝 土土第23页第第2章章 混凝土结构材料的物理和力学性能混凝土结构材料的物理和力学性能1.241.241.单轴向受压时混凝土应力单轴向受压时混凝土应力-应变关系应变关系(1)一次短期加载下混凝土变形性能一次短期加载下混凝土变形性能图图2.9所表示为棱柱体试件一次短期加荷下混凝土受压应力所表示为棱柱体试件一次短期加荷下混凝土受压应力-应变全曲线,反应了应变全曲线,反应了受荷各阶段
18、混凝土内部结构改变及破坏机理,是研究混凝土结构极限强度理论主受荷各阶段混凝土内部结构改变及破坏机理,是研究混凝土结构极限强度理论主要依据。要依据。曲线分为上升段曲线分为上升段OC和下降段和下降段CE两部分两部分。上升段又可分为上升段又可分为3段:段:OA段为第段为第阶段,阶段,=(0.30.4)fc,应力,应力-应变关系靠近应变关系靠近直线,称为弹性阶段。直线,称为弹性阶段。AB段为第段为第阶段,阶段,=(0.30.8)fc,因为水泥凝胶体塑,因为水泥凝胶体塑性变形,应力性变形,应力-应变曲线开始凸向应力轴,伴随应变曲线开始凸向应力轴,伴随 加大,微裂缝开始扩展,并出现加大,微裂缝开始扩展,并
19、出现新裂缝,新裂缝,=0.8fc可作为混凝土长久荷载作用下极限强度。可作为混凝土长久荷载作用下极限强度。BC段为第段为第阶段,阶段,fc,此时,微裂缝发展贯通,应变增加更加快,直至应力峰值点,此时,微裂缝发展贯通,应变增加更加快,直至应力峰值点C,该峰值应力,该峰值应力通常作为混凝土棱柱体抗压强度通常作为混凝土棱柱体抗压强度fc,对应应变称为峰值应变,对应应变称为峰值应变0,其值取,其值取0.00150.0025,通常取为,通常取为0.002。2.1 混混 凝凝 土土第24页第第2章章 混凝土结构材料的物理和力学性能混凝土结构材料的物理和力学性能1.251.25C点以后,进入下降段点以后,进入
20、下降段CE,裂缝继续扩展、贯通,变形快速发展,使应力裂缝继续扩展、贯通,变形快速发展,使应力-应应变曲线出现拐点变曲线出现拐点D,直至收敛点,直至收敛点E,曲线平缓下降,这时贯通主裂缝已经很宽。,曲线平缓下降,这时贯通主裂缝已经很宽。图图2.9 混凝土棱柱体受压应力混凝土棱柱体受压应力-应变曲线应变曲线2.1 混混 凝凝 土土第25页第第2章章 混凝土结构材料的物理和力学性能混凝土结构材料的物理和力学性能1.261.26混凝土受压应力混凝土受压应力-应变曲线应变曲线 当前较惯用有美国当前较惯用有美国EHognestad提议方程提议方程(如图如图2.10所表示所表示)和德国和德国Rusch提议方
21、程提议方程(如图如图2.11所表示所表示)。(1)E.Hognestad应力应力-应变曲线应变曲线(如图如图2.10所表示所表示):该模型上升段为二次抛物线,下降段为斜直线。该模型上升段为二次抛物线,下降段为斜直线。上升段:上升段:(2-7)下降段:下降段:(2-8)式中,式中,峰值强度峰值强度 ;对应于峰值应力时应变,取对应于峰值应力时应变,取 ;极限压应变,取极限压应变,取 。2.1 混混 凝凝 土土第26页第第2章章 混凝土结构材料的物理和力学性能混凝土结构材料的物理和力学性能1.271.27(2)Rusch应力应力-应变曲线应变曲线(如图如图2.11所表示所表示):该模型上升段为二次抛
22、物线,下降段为水平直线。该模型上升段为二次抛物线,下降段为水平直线。上升段:上升段:(2-9)下降段:下降段:(2-10)(3)GB 50010采取模型:采取模型:GB 50010采取采取Rusch应力应力-应变曲线,但取应变曲线,但取 。图图2.10 E.Hognestad应力应力-应变曲线应变曲线 图图2.11 Rusch应力应力-应变曲线应变曲线2.1 混混 凝凝 土土第27页第第2章章 混凝土结构材料的物理和力学性能混凝土结构材料的物理和力学性能1.281.282)混凝土变形模量混凝土变形模量混凝土与弹性材料不一样,受压应力混凝土与弹性材料不一样,受压应力-应变关系是一条曲线,在不一应
23、变关系是一条曲线,在不一样应力阶段,应力与应变之比变形模量不是一个常数。混凝土变形样应力阶段,应力与应变之比变形模量不是一个常数。混凝土变形模量有以下模量有以下3种表示方法。种表示方法。(1)混凝土初始弹性模量混凝土初始弹性模量(原点模量原点模量):如图如图2.12所表示,为应力所表示,为应力-应变曲线原点处切线斜率,称为混凝土初应变曲线原点处切线斜率,称为混凝土初始弹性模量。始弹性模量。(2-11)式中式中,ao 砼应力砼应力-应变曲线原点处切线与横坐标夹角。应变曲线原点处切线与横坐标夹角。2.1 混混 凝凝 土土E0=tan a0第28页第第2章章 混凝土结构材料的物理和力学性能混凝土结构
24、材料的物理和力学性能1.291.29(2)混凝土弹性模量混凝土弹性模量因为初始弹性模量不易从试验中测定因为初始弹性模量不易从试验中测定,当前通用做法是采取棱柱体当前通用做法是采取棱柱体(150mm150mm300mm)试件,先加载至试件,先加载至 ,然后卸载至零,再重复加,然后卸载至零,再重复加载卸载。伴随加载次数增加载卸载。伴随加载次数增加(510次次),应力,应力-应变曲线渐趋稳定并基本上趋于直应变曲线渐趋稳定并基本上趋于直线,该直线斜率即定为混凝土弹性模量。统计得混凝土弹性模量与立方体强度关线,该直线斜率即定为混凝土弹性模量。统计得混凝土弹性模量与立方体强度关系为:系为:x103 (2-
25、12)混凝土进入塑性阶段后,初始弹性模量已不能反应这时应力混凝土进入塑性阶段后,初始弹性模量已不能反应这时应力-应变性质,所以,应变性质,所以,有时用变形模量或切线模量来表示这时应力有时用变形模量或切线模量来表示这时应力-应变关系。应变关系。2.1 混混 凝凝 土土第29页第第2章章 混凝土结构材料的物理和力学性能混凝土结构材料的物理和力学性能1.301.30图图2.12 混凝土变形模量表示方法混凝土变形模量表示方法2.1 混混 凝凝 土土第30页第第2章章 混凝土结构材料的物理和力学性能混凝土结构材料的物理和力学性能1.311.31 (3)混凝土变形模量:混凝土变形模量:在图在图2.12中中
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