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1、第2章 混凝土结构材料的物理力学性能,第2章 混凝土结构材料的物理力学性能,2.1 混凝土的物理力学性能,2.1 混凝土的物理力学性能一、混凝土的强度1、混凝土强度等级混凝土结构中，主要是利用混凝土的抗压强度。因此混凝土的抗压强度是混凝土力学性能中最主要和最基本的指标。混凝土的强度等级是用抗压强度来划分的。混凝土强度等级：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，用符号C表示，C30表示fcu,k=30N/mm2 规范根据强度范围，从C15C80共
2、划分为14个强度等级，级差为5N/mm2。与原规范GBJ10-89相比，混凝土强度等级范围由C60提高到C80，C50以上为高强混凝土，有关指标和计算公式在C50与原规范GBJ10-89衔接。,第2章 混凝土结构材料的物理力学性能,2.1 混凝土的物理力学性能,100mm立方体强度与标准立方体强度之间的换算关系,小于C50的混凝土，修正系数m =0.95。随混凝土强度的提高，修正系数m 值有所降低。当fcu100=100N/mm2时，换算系数m 约为0.9,美国、日本、加拿大等国家，采用圆柱体（直径150mm，高300 mm）标准试件测定的抗压强度来划分强度等级，符号记为 fc。圆柱体强度与我
3、国标准立方体抗压强度的换算关系为，,立方体和圆柱体抗压试验都不能代表混凝土在实际构件中的受力状态，只是用来在同一标准条件下比较混凝土强度水平和品质的标准（制作、测试方便）。,第2章 混凝土结构材料的物理力学性能,2.1 混凝土的物理力学性能,2、轴心抗压强度,轴心抗压强度采用棱柱体试件测定，用符号fc表示，它比较接近实际构件中混凝土的受压情况。棱柱体试件高宽比一般为h/b=34，我国通常取150mm150mm450mm的棱柱体试件，也常用100100300试件。对于同一混凝土，棱柱体抗压强度小于立方体抗压强度。棱柱体抗压强度和立方体抗压强度的换算关系为，,规范对小于C50级的混凝土取k=0.7
4、6，对C80取k=0.82，其间按线性插值,第2章 混凝土结构材料的物理力学性能,2.1 混凝土的物理力学性能,3、轴心抗拉强度,也是其基本力学性能，用符号 ft 表示。混凝土构件开裂、裂缝、变形，以及受剪、受扭、受冲切等的承载力均与抗拉强度有关。,第2章 混凝土结构材料的物理力学性能,2.1 混凝土的物理力学性能,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拉试验测定混凝土的抗拉强度,第2章 混凝土结构材料的物理力学性能,2.1 混凝土的物理力学性能,4、混凝土强度的标准值,规范规定材料强度的标准值 fk 应具有不小于95%的保证率,立方体强度标准值即为混凝土强度等级fcu。规范在确
5、定混凝土轴心抗压强度和轴心抗拉强度标准值时，假定它们的变异系数与立方体强度的变异系数相同，利用与立方体强度平均值的换算关系，便可按上式计算得到。同时，规范考虑到试件与实际结构的差异以及高强混凝土的脆性特征，对轴心抗压强度和轴心抗拉强度，还采用了以下两个折减系数：结构中混凝土强度与混凝土试件强度的比值，取0.88；脆性折减系数，对C40取1.0，对C80取0.87，中间按线性规律变化。,第2章 混凝土结构材料的物理力学性能,2.1 混凝土的物理力学性能,第2章 混凝土结构材料的物理力学性能,2.1 混凝土的物理力学性能,二、混凝土破坏机理,fc fcu ?,不涂润滑剂,第2章 混凝土结构材料的物
6、理力学性能,2.1 混凝土的物理力学性能,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-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
7、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。,随应变增长，试件上相继出现多条不连续的纵向裂缝，横向变形急剧发展，承载力明显下降，混凝土骨料与砂浆的粘结不断遭到破，裂缝
8、连通形成斜向破坏面。E点的应变e = (23) e 0，应力s = (0.40.6) fc。,E点以后，纵向裂缝形成一斜向破坏面，此破坏面受正应力和剪应力的作用继续扩展，形成一破坏带。此时试件的强度由斜向破坏面上的骨料间的摩阻力提供。随应变继续发展，摩阻力和粘结力不断下降，但即使在很大的应变下，骨料间仍有一定摩阻力，残余强，约为(0.10.4) fc。,第2章 混凝土结构材料的物理力学性能,2.1 混凝土的物理力学性能,由上述混凝土的破坏机理可知，微裂缝的发展导致横向变形的 增大。对横向变形加以约束，就可以限制微裂缝的发展，从而 可提高混凝土的抗压强度。立方体试件受约束范围大，而棱柱 体试件中
9、部未受约束，因此造成了不同受压试件强度的差别和 破坏形态的不同。,混凝土局部受压强度fcl 比轴心抗压强度 fc 大很多，也是因为局部受压面积以 外的混凝土对局部受压区 域内部混凝土微裂缝产生 了较强的约束。,第2章 混凝土结构材料的物理力学性能,2.1 混凝土的物理力学性能,了解混凝土的破坏机理，不仅可以解释各种不同试验混凝土强度的差别，还可以通过约束混凝土的横向变形来提高混凝土的抗压强度。如图采用配置螺旋箍筋形成所谓“约束混凝土”，可显著提高混凝土的抗压强度，并且可以提高混凝土变形能力。,由螺旋箍筋约束混凝土的应力-应变曲线可见，当应力较小时，横向变形很小，箍筋的约束作用不明显；当应力超过
10、B点的应力时，由于混凝土的横向变形开始显著增大，侧向膨胀使螺旋箍筋产生环向拉应力，其反作用力使混凝土的横向变形受到约束，从而使混凝土的强度和变形能力都得到提高。,“约束混凝土”的概念在工程中许多地方都有应用，如螺旋箍筋柱、后张法预应力锚具下局部受压区域配置的钢筋网或螺旋筋等。而钢管混凝土对内部混凝土的约束效果更好，因此近年来在我国工程中得到许多应用。约束混凝土可以提高混凝土的强度，但更值得注意的是可以提高混凝土的变形能力，这一点对于抗震结构非常重要。在抗震结构对于可能出现塑性铰的区域，均要求加密箍筋配置来提高构件的变形能力，达到坏而不倒的目的。,第2章 混凝土结构材料的物理力学性能,2.1 混
11、凝土的物理力学性能,三、混凝土的变形1、单轴（单调）受压应力-应变关系,混凝土单轴受力时的应力-应变关系反映了混凝土受力全过程的重要力学特征，是分析混凝土构件应力、建立承载力和变形计算理论的必要依据，也是利用计算机进行非线性分析的基础。,第2章 混凝土结构材料的物理力学性能,2.1 混凝土的物理力学性能,强度等级越高，线弹性段越长，峰值应变也有所增大。但高强混凝土中，砂浆与骨料的粘结很强，密实性好，微裂缝很少，最后的破坏往往是骨料破坏，破坏时脆性越显著，下降段越陡。,第2章 混凝土结构材料的物理力学性能,2.1 混凝土的物理力学性能,反映混凝土全部受压力学性能，可采用混凝土应力-应变全曲线的形
12、式。若采用无量纲坐标x=e/e0，y=s/fc，则混凝土应力-应变全曲线的几何特征必须满足,第2章 混凝土结构材料的物理力学性能,2.1 混凝土的物理力学性能,根据以上条件，过镇海提出的应力-应变全曲线表达式,a=Ec/E0，Ec为初始弹性模量；E0为峰值点时的割线模量，为满足条件和，一般应有1.5a3；ac 为下降段参数,2.1 混凝土的物理力学性能,第2章 混凝土结构材料的物理力学性能,Hognestad建议的应力-应变曲线,第2章 混凝土结构材料的物理力学性能,规范应力-应变关系,上升段：,下降段：,2.1 混凝土的物理力学性能,第2章 混凝土结构材料的物理力学性能,2、混凝土的弹性模量
13、 Elastic Modulus,原点切线模量Elastic Modulus,割线模量Secant Modulus,切线模量Tangent Modulus,弹性系数n (coefficient of elasticity) 随应力增大而减小n =10.5,2.1 混凝土的物理力学性能,第2章 混凝土结构材料的物理力学性能,弹性模量测定方法,2.1 混凝土的物理力学性能,3、箍筋约束混凝土受压的应力-应变关系,螺旋箍筋约束对强度和变形能力均有很大提高 矩形箍筋约束对强度的提高不是很显著，但对变形能力有显著改善, 箍筋与内部混凝土的体积比； 箍筋的屈服强度； 箍筋间距与核心截面直径或边长的比值；
14、箍筋直径与肢距的比值； 混凝土强度，对高强混凝土的约束效果差一些。,影响因素,第2章 混凝土结构材料的物理力学性能,R.Park建议的矩形封闭箍筋约束混凝土的应力-应变曲线,2.1 混凝土的物理力学性能,第2章 混凝土结构材料的物理力学性能,2.1 混凝土的物理力学性能,4、混凝土受拉应力-应变关系,第2章 混凝土结构材料的物理力学性能,2.1 混凝土的物理力学性能,四、复杂应力下混凝土的受力性能,双轴应力状态 Biaxial Stress,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。如剪力和扭矩作用下的构件、弯剪扭和压弯剪扭构件、混凝土拱坝、核电站安全壳等。,双向
15、受压强度大于单向受压强度，最大受压强度发生在两个压应力之比为0.3 0.6之间，约为(1.251.60 )fc。双轴受压状态下混凝土的应力-应变关系与单轴受压曲线相似，但峰值应变均超过单轴受压时的峰值应变。,在一轴受压一轴受拉状态下，任意应力比情况下均不超过其相应单轴强度。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。,在一轴受压一轴受拉状态下，任意应力比情况下均不超过其相应单轴强度。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。,第2章 混凝土结构材料的物理力学性能,2.1 混凝土的物理力学性能,构件受剪或受扭时常遇到剪应力t 和正应力s 共同作用下的复合受力
16、情况。,由图可见，混凝土的抗剪强度随拉应力增大而减小；随压应力增大而增大，当压应力在0.6fc左右时，抗剪强度达到最大，压应力继续增大，则由于内裂缝发展明显抗剪强度将随压应力的增大而减小。,第2章 混凝土结构材料的物理力学性能,2.1 混凝土的物理力学性能,三轴应力状态 Triaxial Stress,三轴应力状态有多种组合，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。,局部抗压强度Local Bearing Strength,第2章 混凝土结构材料的物理力学性能,2.1 混凝土的物理力学性能,第2章 混凝土结构材料的物理力学
17、性能,2.1 混凝土的物理力学性能,五、混凝土的收缩和徐变Shrinkage and Creep1、混凝土的收缩Shrinkage 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体积变化产生的变形。 当这种自发的变形受到外部（支座）或内部（钢筋）的约束时，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。 某些对跨度比较敏感的超静定结构（如拱结构），收缩也会引起不利的内力。,第2章 混凝土结构材料的物理力学性能,2.1 混凝土的物理力学性能,混凝土的收缩是随时间而增长的变形，早期收缩变形发展较快，两周可完成全部
18、收缩的25%，一个月可完成50%，以后变形发展逐渐减慢，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(0.52.7)10-4）。,第2章 混凝土结构材料的物理力学性能,2.1 混凝土的物理力学性能, 影响因素 混凝土的收缩受结构周围的温度、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因素有关。 水泥用量多、水灰比越大，收缩越大 骨料弹性模量高、级配好，收缩就小 干燥失水及高温环境，收缩大 小尺寸构件收缩大，大尺寸构件收缩小 高强混凝土收缩大 影响收缩的因素多且复杂，要精确计算尚有一定的困难。 在实际工程中，要
19、采取一定措施减小收缩应力的不利影响施工缝,第2章 混凝土结构材料的物理力学性能,2.1 混凝土的物理力学性能,2、混凝土的徐变Creep (混凝土在荷载的长期作用下)，结构或材料承受的荷载或应力不变，而变形或应变随时间增长的现象称为徐变。 徐变会使结构（构件）的（挠度）变形增大，引起预应力损失，在长期高应力作用下，甚至会导致破坏。 不过，徐变有利于结构构件产生内（应）力重分布，降低结构的受力（如支座不均匀沉降），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。 与混凝土的收缩一样，徐变也与时间有关。因此，在测定混凝土的徐变时，应同批浇筑同样尺寸不受荷的试件，在同样环境下同时量测混凝
20、土的收缩变形，从徐变试件的变形中扣除对比的收缩试件的变形，才可得到徐变变形。,第2章 混凝土结构材料的物理力学性能,2.1 混凝土的物理力学性能,在应力（0.5fc）作用瞬间，首先产生瞬时弹性应变eel（= si/Ec(t0)，t0加荷时的龄期）。随荷载作用时间的延续，变形不断增长，前4个月徐变增长较快，6个月可达最终徐变的（7080）%，以后增长逐渐缓慢，23年后趋于稳定。,记(t-t0)时间后的总应变为e c(t,t0)，此时混凝土的收缩应变为esh(t，t0)，则徐变为，ecr (t,t0) = ec(t,t0)- e c(t0)- esh(t,t0)= ec(t,t0)- eel- e
21、sh(t,t0),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小于加载时的瞬时弹性应变 eel。再经过一段时间后，还有一部分应变eel可以恢复，称为弹性后效或徐变恢复，但仍有不可恢复的残余应变ecr,第2章 混凝土结构材料的物理力学性能,2.1 混凝土的物理力学性能,徐变系数j (t，t0) Creep Coefficient,当初始应力小于0.5fc时，徐变在2年以后可趋于稳定，最终的徐变系数j =14。,影响因素内在因素是混凝土的组成和配比。骨料(aggregate)的刚度（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
22、小。环境影响包括养护和使用条件。受荷前养护(curing)的温湿度越高，水泥水化作用月充分，徐变就越小。采用蒸汽养护可使徐变减少（2035）%。受荷后构件所处的环境温度越高，相对湿度越小，徐变就越大。,第2章 混凝土结构材料的物理力学性能,2.1 混凝土的物理力学性能,应力条件是指初应力(initial stress)水平si /fc和加荷时混凝土的龄期t0，它们影响徐变的非常主要的因素。当初始应力水平si /fc 0.5时，徐变值与初应力基本上成正比，也即（最终）徐变系数j =ecr /eel =Ececr /si =常数，这种徐变称为线性徐变。 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，也即徐变系数j 随si的增大而增大，这种徐变称为非线性徐变。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。 高强混凝土的密实性好，在相同的s /fc比值下，徐变比普通混凝土小得多。但由于高强混凝土承受较高的应力值，初始变形较大，故两者总变形接近。此外，高强混凝土线性徐变的范围可达0.65fc，长期强度约为0.85fc，也比普通混凝土大一些。,第2章 混凝土结构材料的物理力学性能,2.1 混凝土的物理力学性能,
