混凝土结构材料的物理力学性能(2)市公开课金奖市赛课一等奖课件.pptx
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1、第二章 混凝土结构材料物理力学性能第1页第1页第二章 钢筋和混凝土材料性能2.1 混凝土物理力学性能2.1 混凝土物理力学性能2.1.1混凝土构成结构通常把混凝土结构分为三种类型:.微观结构:也即水泥石结构,包括水泥凝胶、晶体骨架、未水化完水泥颗粒和凝胶孔构成。.亚微观结构:即混凝土中水泥砂浆结构。.宏观结构:即砂浆和粗骨料两组分体系。注意:1.骨料分布及骨料与基相之间在界面结合强度是影响混凝土强度主要原因;2.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。第2页第2页第二章 钢筋和混凝土材料性能2.1 混凝土2.1.2单轴应力状态下混凝土强度 混凝土结构中,主要是利用它抗压强度。
2、因此抗压强度是混凝土力学性能中最主要和最基本指标。混凝土强度等级是用抗压强度来划分2.1 混凝土物理力学性能(1)混凝土抗压强度 1)立方体抗压强度:边长为150mm混凝土立方体试件,在原则条件下(温度为203,湿度90%)养护28天,用原则试验办法(加载速度0.150.3N/mm2/s,两端不涂润滑剂)测得含有95%确保率抗压强度,用符号C表示。规范依据强度范围,从C15C80共划分为14个强度等级,级差为5N/mm2。第3页第3页2)轴心抗压强度 按原则办法制作150mml50mm 300mm棱柱体试件,在温度为20土3和相对湿度为90以上条件下养护28d,用原则试验办法测得含有95确保率
3、抗压强度。对于同一混凝土,棱柱体抗压强度小于立方体抗压强度。考虑到实际结构构件制作、养护和受力情况,实际构件强度与试件强度之间存在差别,规范基于安全取偏低值,要求轴心抗压强度原则值和立方体抗压强度原则值换算关系为:2.1 混凝土物理力学性能第4页第4页 式中:k为棱柱体强度与立方体强度之比,对小于C50级混凝土取0.76,对C80取0.82,其间按线性插值。k2为高强混凝土脆性折减系数,对C40取1.0,对C80取0.87,中间按直线规律改变取值。0.88为考虑实际构件与试件混凝土强度之间差别而取用折减系数。fcu,k立方体强度原则值即为混凝土强度等级fcu。2.1 混凝土物理力学性能第5页第
4、5页2 混凝土轴心抗拉强度 混凝土轴心抗拉强度能够采用直接轴心受拉试验办法来测定,但由于试验比较困难,当前国内外主要采用圆柱体或立方体劈裂试验来间接测试混凝土轴心抗拉强度。2.1 混凝土物理力学性能劈拉试验FdF拉压压第6页第6页第二章 钢筋和混凝土材料性能2.1 混凝土物理力学性能 混凝土结构设计规范要求轴心抗拉强度原则值与立方体抗压强度原则值换算关系为:混凝土轴心抗拉强度与立方体抗压强度关系第7页第7页 在平面应力状态下,当两方向应力均为压应力时,抗压强度互相提升,最大可增长27,而当一方向为压应力,另一方向为拉应力时,强度互相减少。当压应力不太高时,其存在可提升混凝土抗剪强度,拉应力存在
5、会减少混凝土抗剪强度。剪应力存在减少混凝土抗压和抗拉强度。侧向压应力存在可提升混凝土抗压强度,关系为:式中 被约束混凝土轴心抗压强度;非约束混凝土轴心抗压强度;侧向约束压应力。侧向压应力存在还可提升混凝土延性。(3)复合受力状态下混凝土强度第8页第8页第二章 钢筋和混凝土材料性能2.1 混凝土2.1.3混凝土变形1、单轴受压应力-应变关系 混凝土单轴受力时应力-应变关系反应了混凝土受力全过程主要力学特性,是分析混凝土构件应力、建立承载力和变形计算理论必要依据,也是利用计算机进行非线性分析基础。混凝土单轴受压应力-应变关系曲线,常采用棱柱体试件来测定。在普通试验机上采用等应力速度加载,达到轴心抗
6、压强度fc时,试验机中集聚弹性应变能不小于试件所能吸取应变能,会造成试件产生忽然脆性破坏,只能测得应力-应变曲线上升段。采用等应变速度加载,或在试件旁附设高弹性元件与试件一同受压,以吸取试验机内集聚应变能,能够测得应力-应变曲线下降段。2.1 混凝土物理力学性能第9页第9页第二章 钢筋和混凝土材料性能2.1 混凝土2.1 混凝土物理力学性能第10页第10页02468102030s(MPa)e 10-3第二章 钢筋和混凝土材料性能2.2 混凝土BACEDA点以前,微裂缝没有明显发展,混凝土变形主要弹性变形,应力-应变关系近似直线。A点应力随混凝土强度提升而增长,对普通强度混凝土sA约为 (0.3
7、0.4)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-应变曲线逐步偏离直线。微裂缝发展造成混凝土横向变形增长。但该阶段微裂缝发展是稳定。混凝土在结硬过程中,由于水泥石收缩、骨料下沉以及温度改变等原因,在骨料和水泥石界面上形成诸多微裂缝,成为混凝土中微弱部位。混凝土最后破坏就是由于这些微裂缝发展造成。达到B点,内部一些微裂缝互相连通,裂缝发展已不稳定,横向变形忽然增大,体积应变开始由压缩转为增长。在此应力长期作用下,裂缝会连续发展最后造成破坏。取B点应力作为混凝土长期抗压强度。普通强度混凝土sB约为
8、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纵向裂缝。随应变增长,试件上相继出现多条不连续纵向裂缝,横向变形急剧发展,承载力明显下降,混凝土骨料与砂浆粘结不断遭到破,裂缝连通形成斜向破坏面。E点应变e=(23)e 0,应力s=(0.40.6)fc。2.1 混凝土物理力学性能第11页第11页第二章 钢筋和混凝土材料性能2.1 混凝土不同强度混凝土应力-应变关系曲线强度等级越高,线弹性段越长,峰值应变也有所增大
9、。但高强混凝土中,砂浆与骨料粘结很强,密实性好,微裂缝很少,最后破坏往往是骨料破坏,破坏时脆性越明显,下降段越陡。2.1 混凝土物理力学性能第12页第12页2.1 混凝土第二章 钢筋和混凝土材料性能 Hognestad提议应力-应变曲线2.1 混凝土物理力学性能第13页第13页第二章 钢筋和混凝土材料性能 规范应力-应变关系上升段:下降段:2.1 混凝土2.1 混凝土物理力学性能第14页第14页第二章 钢筋和混凝土材料性能2、混凝土变形模量弹性模量变形模量切线模量2.1 混凝土2.1 混凝土物理力学性能第15页第15页第二章 钢筋和混凝土材料性能 弹性模量测定办法2.1 混凝土2.1 混凝土物
10、理力学性能第16页第16页第二章 钢筋和混凝土材料性能2.1 混凝土2.1.5混凝土收缩和徐变1、混凝土收缩 混凝土在空气中硬化时体积会缩小,这种现象称为混凝土收缩。收缩是混凝土在不受外力情况下体积改变产生变形。当这种自发变形受到外部(支座)或内部(钢筋)约束时,将使混凝土中产生拉应力,甚至引起混凝土开裂。混凝土收缩会使预应力混凝土构件产生预应力损失。2.1 混凝土物理力学性能第17页第17页第二章 钢筋和混凝土材料性能2.1 混凝土 影响原因 混凝土收缩受结构周围温度、湿度、构件断面形状及尺寸、配合比、骨料性质、水泥性质、混凝土浇筑质量及养护条件等许多原因相关。(1)水泥品种:水泥强度等级越
11、高,制成混凝土收缩越大。(2)水泥用量:水泥用量多、水灰比越大,收缩越大。(3)骨料性质:骨料弹性模量高、级配好,收缩就小。(4)养护条件:干燥失水及高温环境,收缩大。(5)混凝土制作办法:混凝土越密实,收缩越小。(6)使用环境:使用环境温度、湿度越大,收缩越小。(7)构件体积与表面积比值:比值大时,收缩小。2.1 混凝土物理力学性能第18页第18页第二章 钢筋和混凝土材料性能2.1 混凝土2、混凝土徐变 混凝土在荷载长期作用下,其变形随时间而不断增长现象称为徐变。徐变对混凝土结构和构件工作性能有很大影响。由于混凝土徐变,会使构件变形增长,在钢筋混凝土截面中引起应力重分布,在预应力混凝土结构中
12、会造成预应力损失。混凝土徐变特性主要与时间参数相关。2.1 混凝土物理力学性能第19页第19页第二章 钢筋和混凝土材料性能2.1 混凝土 在应力(0.5fc)作用瞬间,首先产生瞬时弹性应变eel(=si/Ec(t0),t0加荷时龄期)。随荷载作用时间延续,变形不断增长,前4个月徐变增长较快,6个月可达最后徐变(7080)%,以后增长逐步缓慢,23年后趋于稳定。2.1 混凝土物理力学性能第20页第20页第二章 钢筋和混凝土材料性能2.1 混凝土 记(t-t0)时间后总应变为e c(t,t0),此时混凝土收缩应变为esh(t,t0),则徐变为,ecr(t,t0)=ec(t,t0)-e c(t0)-
13、esh(t,t0)=ec(t,t0)-eel-esh(t,t0)2.1 混凝土物理力学性能第21页第21页第二章 钢筋和混凝土材料性能2.1 混凝土如在时间t 卸载,则会产生瞬时弹性恢复应变eel。由于混凝土弹性模量随时间增大,故弹性恢复应变eel小于加载时瞬时弹性应变 eel。再通过一段时间后,尚有一部分应变eel能够恢复,称为弹性后效或徐变恢复,但仍有不可恢复残留永久应变ecr2.1 混凝土物理力学性能第22页第22页第二章 钢筋和混凝土材料性能2.1 混凝土 影响原因内在原因是混凝土构成和配比。骨料(aggregate)刚度(弹性模量)越大,体积比越大,徐变就越小。水灰比越小,徐变也越小
14、。环境影响包括养护和使用条件。受荷前养护(curing)温湿度越高,水泥水化作用月充足,徐变就越小。采用蒸汽养护可使徐变减少(2035)%。受荷后构件所处环境温度越高,相对湿度越小,徐变就越大。2.1 混凝土物理力学性能第23页第23页第二章 钢筋和混凝土材料性能2.1 混凝土3、混凝土在荷载重复作用下变形(疲劳变形)疲劳强度混凝土疲劳强度由疲劳试验测定。采取100mm100mm300mm 或着150mm150mm450mm棱柱体,把棱柱体试件承受200万次或其以上循环荷载而发生破坏压应力值称为混凝土疲劳抗压强度。影响原因施加荷载时应力大小是影响应力-应变曲线不同发展和改变关键原因,即混凝土疲
15、劳强度与重复作用时应力改变幅度相关。在相同重复次数下,疲劳强度伴随疲劳应力比值增大而增大。2.1 混凝土物理力学性能第24页第24页第二章 钢筋和混凝土材料性能2.1 混凝土混凝土在荷载重复作用下应力-应变关系2.1 混凝土物理力学性能第25页第25页第二章 钢筋和混凝土材料性能2.2 钢筋物理力学性能2.2 钢筋物理力学性能 2.2.1钢筋品种和级别 热轧钢筋、中高强钢丝和钢绞线、热处理钢筋和冷加工钢筋第26页第26页第二章 钢筋和混凝土材料性能2.2 钢筋物理力学性能热轧钢筋分类HPB235级、HRB335级、HRB400级、RRB400级屈服强度 fyk(原则值=钢材废品限值,确保率97
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