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1、材料的力学性能,钢 筋,混 凝 土,两者间的粘结,强 度,变 形,粘结破坏的过程和机理,学习目标掌握混凝土强度、应力-应变曲线；熟悉混凝土变形模量、徐变、收缩；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。,2.1混凝土的基本性能,组成 混凝土是由水泥、砂、石子和水按一定比例组成，经凝结和硬化形成的，属于复合材料。,混凝土是由水泥结晶体、水泥凝胶体和内部孔隙、界面微裂缝组成的,混凝土的基本性能：强度、变形、耐腐蚀、耐热、碳化、防渗,混凝土的强度,混凝土立方抗压强度fcu,混凝土轴心抗压强度fc,混凝土抗
2、拉强度ft,1.单向受力状态下混凝土的强度,（1）混凝土强度等级 混凝土的强度等级是用立方体抗压强度来划分的。混凝土强度等级：边长150mm立方体标准试件，在标准条件下（202，90%湿度）养护28天，用标准试验方法（加载速度0.30.5N/mm2/s，两端不涂润滑剂）测得的具有95%保证率【fcu,k=fcu,m(1-1.645)】的立方体抗压强度，用符号C表示，C30表示立方体抗压强度标准值：=30N/mm2。规范根据强度范围，从C15C80共划分为14个强度等级，级差为5N/mm2。C50以上为高强混凝土。,套箍效应及尺寸效应,套箍效应,不涂润滑剂,涂润滑剂,立方体抗压强度的换算关系,小
3、于C55的混凝土，100mm立方体强度与标准立方体强度之间的换算关系见上式。修正系数m=1.05。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。,非标准试块强度换算系数：100mm100mm100mm:200mm200mm200mm:,尺寸效应,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）。,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。圆柱体强度与我国标准立方体抗压强度
4、的换算关系为：,混凝土的工程要求（规范）p17,素混凝土结构的强度等级不应低于C15；钢筋混凝土结构的混凝土强度等级不应低于C20;当采用强度等级400MPa及以上的钢筋时，混凝土强度等级不应低于C25；承受重复荷载的钢筋混凝土构件，混凝土强度等级不应低于C30；预应力混凝土结构的混凝土强度等级不宜低于C40，且不应低于C30；,（2）轴心抗压强度fc,轴心抗压强度fc采用棱柱体试件测定（高宽比取h/b2），它比较接近实际构件中混凝土的受压情况。,（棱柱体抗压强度）,我国取150mm150mm300mm的棱柱体试件作为标准试件。,立方体抗压与轴心抗压强度的关系,对于同一混凝土，棱柱体抗压强度小
5、于立方体抗压强度。,P18.棱柱体抗压强度和立方体抗压强度的换算关系,我国标准以150150300mm的棱柱体试件为标准试件，按立方体试验的相同规定所得的满足95%保证率的应力值即轴心抗压强度标准值fck。,c1 和 c2 的取值,（3）轴心抗拉强度ft,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。,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。,对立方体试件,对圆柱体试件,轴心抗拉与立方抗压强度的关系,轴心抗拉强度标准值,2.复杂应力状态下混凝土的强度,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。
6、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。,如：梁的弯剪区，梁柱节点，牛腿，深梁,（1）双轴应力状态（Biaxial Stress State）,任意应力比情况下，其强度均不超过相应的单轴强度。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。,（b）一轴受压一轴受拉（第二、四象限）,2 剪应力t 和正应力s 共同作用下的复合受力情况,（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,规范：三轴抗压强度最高不宜超过单轴抗压强度的5倍,混凝土局部受压强度fcl 比
7、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。在后张法中会出现。,局部抗压强度 Local Bearing Strength,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,2.1.2 混凝土的变形性能,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，只能测得应力-应变曲线的上升段。采用等应变速度加载，或在试件旁附设高弹性元件与试件
8、一同受压，以吸收试验机内集聚的应变能，可以测得应力-应变曲线的下降段。,1.一次短期荷载下的变形,（1）单轴单调受压时的应力-应变关系 Stress-strain Relationship,混凝土的破坏机理,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,到达B点以后，混凝土产生部分塑性变形，应力应变逐渐偏离直线。B点时的裂缝发展已不稳定，试件的横向变形突然增大，常取sB作为混凝土的长期抗压强度；普通强度混凝土sB约为0.8 fc，高强混凝土s
9、B可达0.95 fc,到达C点时，内部微裂缝连通形成破坏面，试件承载力开始减小而进入下降段。C点时的应力称为峰值应力，即为混凝土棱柱体抗压强度；相应的纵向压应变称为峰值应变，约为0.002。继续发展至D点时，破坏面初步形成。,E点以后，纵向裂缝形成一个斜向的破坏面，此破坏面在正应力和剪应力的作用下形成破坏带。此时试件的强度由破坏面上骨料间的摩阻力提供。随着应变进一步发展，摩阻力不断下降，试件的残余强度约为0.10.4 fc,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。,约束混凝土可以提高混凝土的强度，但更值
10、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。,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。,fc fcu?,不涂润滑剂,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:,（a）混凝土应力-应变关系的数学描述,清华大学过镇海提出的应力-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1.5a
11、3；ac 为下降段参数,美国Hognestad建议的应力-应变曲线,规范提出的混凝土应力-应变曲线表达式,（2）混凝土受拉应力-应变关系The Tension Constitutive Relationship of Concrete,（3）箍筋约束混凝土受压的应力-应变关系Confinement with Transverse Reinforcement,螺旋箍筋,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,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
12、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。,影响因素,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；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。,（4）不同强度混凝土应力应变关系的比较,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.混凝土在荷载重复作用下的变形（疲劳变形）,（1）重复荷载作用下的应力-应变曲线,混凝土在荷载重复作用下引起的破坏称为疲劳破坏。疲劳破坏的特征：裂缝小而变形大。使棱柱体试件承受200万次或其
13、以上循环荷载而发生破坏的压力值称为混凝土的疲劳强度。,（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,3.混凝土的弹性模量（Elastic Modulus）,弹性模量的测定方法,混凝土剪变模量Gc,Gc=0.417 Ec,当泊松比,规范取,Gc=0.4 Ec,4.荷载长期作用下混凝土的变形性能徐变,（1）徐变的概念,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。,应变与时间的关系曲线（t0 时刻加载，t 时刻卸载）,特点：开
14、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,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,（5）混凝土徐变的影响因素,内在因素：水泥含量越大，徐变越大；骨料弹性模量高、级配好，徐 变就小；,环境因素：干燥失水及高温环境，徐变大；加载龄期越长，徐变越小；构件的体表比越大，徐变越小；,应力因素：应力越大徐变也越大；持荷时间越长，徐变越大。,三 个 方 面,高强混凝
15、土徐变小,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，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。,线性徐变,5.混凝土的收缩和膨胀,混凝土在空气中硬化时体积会缩小，这种现象
16、称为混凝土的收缩。,混凝土在水中硬化时体积会增大，这种现象称为混凝土的膨胀。,收缩和膨胀是混凝土在不受外力情况下体积变化产生的变形，收缩值比膨胀值大许多,（1）收缩与膨胀的概念,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,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,（4）收缩与时间的关系,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,水泥的强度等级高、用量多、水灰比大，收缩就大；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,
