混凝土结构构件

1、 学习目标 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； 掌握混凝土强度、应力-应变曲线的概念； 熟悉混凝土变形模量、徐变、收缩的概念； 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。 第二章 混凝土结构材料 的物理力学性能 教学提示 首先应明确材料的物理力学性能是混凝土 结构计算理论建立的基础。 本章应重点介绍混凝土在各种受力状态下 的强度与变形性能、钢筋和混凝土的应力- 应变曲线以及钢筋与混凝土的黏结机理。 主要内容： 混凝土的物理力学性能 钢筋的物理力学性能 钢筋与混凝土的粘结 第二章 钢筋和混凝土的材料性能 2.1 混凝土 混凝土立方

2、抗压强度 混凝土轴心抗压强度 混凝土抗拉强度 cu f c f t f 150 150 150 150 150 300 100 100 500 第二章 钢筋和混凝土的材料性能 2.1 混凝土 （混凝土结构中，主要是利用它的抗压强度。因此抗压强 度是混凝土力学性能中最主要和最基本的指标） 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。 fcu,k= fcu,m(1-1.645)。 第二章 钢筋和混凝土的材料性能 （2）混凝土的强度等级： 规范是根据混

3、凝土立方体抗压强度标准值来划分的。 从C15C80共划分为14个强度等级（如C30表示fcu,k =30N/mm2），级差为5N/mm2。 （3）非标准试块强度换算系数： 200mm200mm200mm:1.05； 100mm100mm100mm:0.95。 套箍效应: 不涂润滑油 涂润滑油 未采取减摩措施采取减摩措施后 第二章 钢筋和混凝土的材料性能 第二章 钢筋和混凝土的材料性能 2.1 混凝土 也称棱柱体抗压强度（用符号fc表示），是用高宽比 为24的棱柱体试件测得的抗压强度，我国标准以150150300mm的棱柱体试件 为标准试件，也常用150150450的棱柱体试件。 ckc1c2c

4、u,k 0.88ff 结构混凝土强度 与试块混凝土强 度的比值 脆性影响 系数 棱柱体强度 与立方体强 度之比值 第二章 钢筋和混凝土的材料性能 2.1 混凝土 c1 和 c2 的取值 混凝土混凝土 强度强度 等级等级 C40 C45C50C55C60C65C70C75C80 c10.760.760.760.770.780.790.800.810.82 c21.000.984 0.968 0.951 0.935 0.919 0.903 0.887 0.87 第二章 钢筋和混凝土的材料性能 拉 压 压 （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 裂试验测定混凝土的抗拉强度） dl F

5、 st f 2 , 劈拉试验 F d F 第二章 钢筋和混凝土的材料性能 2.1 混凝土 0102030405060708090100 1 2 3 4 5 6 GBJ10-89 规范 55. 0 395. 0 cu,m t,m f f 3/2 26. 0 cu,mt,m f f mt f , mcu f , 500 150 150 100 16 轴心受拉试验 45. 055. 0 2 )645. 11 (395. 088. 0 , kcu ff ctk 轴心抗拉强度标准值 第二章 钢筋和混凝土的材料性能 2.1 混凝土 第二章 钢筋和混凝土的材料性能 （1）规范规定材料强度的标准值 fk 应具

6、有不小于95%的保证率 )645. 11 ( mk ff kcuccck ff ,21 88. 0 （3）轴心抗压强度标准值 45. 055. 0 2 )645. 11 (395. 088. 0 , kcu ff ctk （4）轴心抗拉强度标准值 （2）立方体抗压强度标准值 fcu,k= fcu,m(1- 1.645) 第二章 钢筋和混凝土的材料性能 2.1 混凝土 例 已知fcu,m=30MPa, =0.14，求fcu,k和fck fcu,k=fcu,m(1-1.645) =23.09MPa fc,m=0.76fcu,m fck=fc,m(1-1.645)0.881.0 =0.76fcu,m

7、 (1-1.645) 0.88 1.0 =15.44MPa 混凝土强度标准值（N/mm2） 混混 凝凝 土土 强强 度度 等等 级级 强度种类强度种类符号符号 C15C20C25C30C35 轴心抗压强度轴心抗压强度fck10.013.416.720.123.4 轴心抗拉强度轴心抗拉强度ftk1.271.541.782.012.20 混混 凝凝 土土 强强 度度 等等 级级 C40C45C50C55C60C65C70C75C80 26.829.632.435.538.541.544.547.450.2 2.402.512.652.742.852.933.003.053.10 第二章 钢筋和混凝

8、土的材料性能 2.1 混凝土 fc 第二章 钢筋和混凝土的材料性能 2.1 混凝土 （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。） 双向受压强度大于单向受压强度， 最大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。 第二章 钢筋和混凝土的材料性能 2.1 混凝土 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。 任意应力比情况下，其强度 均与单轴抗拉强度相近。 第二章 钢筋和混凝土的材料性能 2.1 混凝土 （构件受剪或受扭时常遇到） ：抗拉、抗剪强度都降低； ：

9、 时，抗剪强度随压应力提高而增大； 时，抗剪抗压强度均降低。 6 . 0/ c f 6 . 0/ c f /fc /fc 第二章 钢筋和混凝土的材料性能 2.1 混凝土 （ 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。） 150 100 50 05 10 15 20 25 0 00 Mpa L f c f cc f)75 . 4( 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 第二章 钢筋和混凝土的材料性能 2.1 混凝土 第二章 钢筋和混凝土的材料性能 2.1 混凝

10、土 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 得曲线的上升段。 （常采用棱柱体试件来测定） 第二章 钢筋和混凝土的材料性能 2.1 混凝土 采用等应变速度加载，在试件旁附设高弹性元件与试件一同受压，以吸收试验 机内集聚的应变能，可以测得曲线的下降段。 02468 10 20 30 (MPa) 10 -3 第二章 钢筋和混凝土的材料性能 2.1 混凝土 B A C E D 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

11、，对普通强 度混凝土A约为 (0.30.4)fc ，对高强混 凝土A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 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

12、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 B约为0.8fc，高强强度 混凝土B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 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，裂缝连 通形成斜向破坏面。E 点的应变 = (23) 0， 应力 = (0.40.6)

13、 fc。 第二章 钢筋和混凝土的材料性能 2.1 混凝土 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 2.1 混凝土 第二章 钢筋和混凝土的材料性能 Hognestad建议的模型 u u c c f f 0 0 0 0 2 00 15.01 0 2 00.0020.0038 f c 0.15 fc 0u 第二章 钢筋和混凝土的材料性能 上升段：)1 (1 0 n c cc f 0 下降段： cc f u 0 0033. 010)50(0033. 0 002. 010)50(5 . 0002. 0 2)50( 6

14、0 1 2 5 , 5 ,0 , kcuu kcu kcu f f fn 规范混凝土应力-应变曲线参数 fcu C50 C80 n 2 1.5 0 0.002 0.00215 u 0.0033 0.003 2.1 混凝土 00.0010.0020.0030.004 10 20 30 40 50 60 70 C80 C60 C40 C20 混凝土在横向受约束力作用时，不但可提高其强度，还可提 高其延性。 实际工程采用箍筋、钢管提供约束 第二章 钢筋和混凝土的材料性能 2.1 混凝土 第二章 钢筋和混凝土的材料性能 Ec= tan Ec= tan Ec= tan 2.1 混凝土 0 d d Ec

15、d d Ec 弹性系数n 随应力增大而减（n =10.5） c E elc E c En 第二章 钢筋和混凝土的材料性能 2.1 混凝土 )N/mm( 7 .34 2 . 2 10 2 , 5 kcu c f E 510 次 ep A A=(0.40.5)fc )/( 74.34 2 . 2 10 2 , 5 mmN f E kcu c 建规 桥规 第二章 钢筋和混凝土的材料性能 2.1 混凝土 了解 ft t0 c t c t c t t E f E f E f2 5 . 0 0 第二章 钢筋和混凝土的材料性能 2.1 混凝土 凝胶体的塑性流动。 裂缝的出现与发展。 混凝土在荷载的长期作用下

16、，其应变或变形随时间增长的现 象称为徐变。 第二章 钢筋和混凝土的材料性能 t 0 ela sh cr ela , ela , cr , t 瞬时恢复 应变 弹性后效 残余应变 加载瞬时 应变 收缩应变 徐变 ： 开始快、以后慢；半年完成大部分、一年稳定、三年终 止 第二章 钢筋和混凝土的材料性能 2.1 混凝土 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。 第二章 钢筋和混凝土的材料性能 2.1 混凝土 是混凝土的组成

17、和配比。 骨料的刚度（弹性模量）越大，体表比越大，徐变就越小; 水灰比越小，水泥用量越少，徐变也越小。 包括养护和使用条件。 受荷前养护的温湿度越高，水泥水化作用越充分，徐变就越小。 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。 第二章 钢筋和混凝土的材料性能 2.1 混凝土 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。 徐变最终虽仍收敛，但最终徐变与初应力i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。 是指初应力水平i /fc是影响徐变的非常主要的因素。 混凝土内部微裂缝的发展已处于不稳定的状态

18、，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。 第二章 钢筋和混凝土的材料性能 第二章 钢筋和混凝土的材料性能 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 f maxc, f minc,f c 混凝土疲劳强度fcf fcf= g fc 见建工教材P316附表2-4 第二章 钢筋和混凝土的材料性能 2.1 混凝土 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由于体积变化而产生的变形。） ：干燥失水。 ：混凝土的碳化（凝胶

19、体中的Ca(OH)2 CaCO3）。 第二章 钢筋和混凝土的材料性能 2.1 混凝土 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。 图b) 墙板干燥收缩裂缝与边框架的变形 图a) 钢筋混凝土构件的收缩裂缝 第二章 钢筋和混凝土的材料性能 2.1 混凝土 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 14d 28dt (25)10-4 25% 50% c

20、h 第二章 钢筋和混凝土的材料性能 2.1 混凝土 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； 第二章 钢筋和混凝土的材料性能 2.1 混凝土 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。 但混凝土的膨胀值一般较小，对结构的影响也较小，所以经常不予考虑。 第二章 钢筋和混凝土的材料性能 2.2 钢筋 铁元素：主要成分。 碳元素：含碳量增加，强度提高，但塑性和可焊性降低。低碳钢（25%,不应50%; 对板、墙：不宜25%;

21、 对柱：不宜50%; 2.4一般构造规定 ll 直接根据混凝土强度等级和钢筋级别确定受拉钢筋的搭接ls 第二章 材料的力学性能 取纵向受拉钢筋搭接长度的0.7倍，即0.7ll，且在任何情况下不应小于200mm。 直径较大纵筋直径的0.25倍； 间距：较小纵筋直径的5倍，且不应大于100mm.(受拉搭接） 较小纵筋直径的10倍，且不应大于200mm.(受压搭接） 2.4一般构造规定 锥螺纹钢筋连接 第二章 材料的力学性能 2.4一般构造规定 第二章 材料的力学性能 2.4一般构造规定 挤压钢筋连接 第二章 材料的力学性能 2.4一般构造规定 第二章 材料的力学性能 本 章 小 结 1、混凝土的力

22、学性能 （1）混凝土的强度：fcu,k及其测定方法、fc、ft；混凝土强度的标准 值；复合受力下混凝土的强度及变形性能 （2）混凝土的变形：单轴单调受压的曲线； 曲线的规范模 型；混凝土的弹性模量及其测定；混凝土的收缩、膨胀及徐变。 2、钢筋的力学性能 （1）钢筋的品种：热轧钢筋（HPB235=R235、HRB335、 HRB400、RRB400=KL400 ）、钢丝、钢绞线、冷加工钢筋和热 处理钢筋。 （2）曲线（有、无明显屈服点的钢筋）； 曲线的规范模型 （3）钢筋的强度指标屈服强度、极限强度；变形指标延伸率 和冷弯性能；钢筋强度的标准值。 第二章 材料的力学性能 小结 本 章 小 结 （1）粘结的作用； （2）两类粘结（锚固粘结和局部粘结）； （3）粘结力的构成； （4）两种类型的粘结破坏（劈裂式破坏和刮梨式破坏）； （5）改善粘结的措施。 4、钢筋混凝土结构的一般构造规定 3、钢筋与混凝土的粘结 （1）基本锚固长度的概念及其计算d f f l t y a （2）钢筋的连接：搭接、机械连接和焊接。 链接下一章 教学提示 首先应明确材料的物理力学性能是混凝土 结构计算理论建立的基础。 本章应重点介绍混凝土在各种受力状态下 的强度与变形性能、钢筋和混凝土的应力- 应变曲线以及钢筋与混凝土的黏结机理。 未采取减摩措施采取减摩措