混凝土结构材料物理力学性能名师优质课赛课一等奖市公开课获奖课件

第2章混凝土结构材料物理力学性能§2.1混凝土物理力学性能钢筋混凝土是由钢和混凝土两种材料组成，了解这两种材料各自力学性能，是掌握钢筋混凝土结构构件受力性能、计算理论和设计方法基础。2.1.1混凝土组成结构普通混凝土：水泥、砂、石+水，拌合，硬化后形成。组成结构微观看：水泥石结构亚微观看：水泥砂浆结构宏观看：砂浆+粗骨料结构还存在孔隙和微裂缝由晶体骨架（充分水化）、水泥凝胶（未充分水化）、未水化水泥颗粒和凝胶孔组成。第1页

微裂缝——界面裂缝

混凝土受力与变形

是因为浇筑混凝土时泌水作用引发沉缩、水化作用造成化学收缩以及干缩在混凝土内部不一样界面上形成裂缝。

在承受外力时，砂、石、晶体骨架、未水化水泥颗粒起骨架作用，含有弹性材料变形特点，而水泥凝胶、孔隙和微裂缝则含有塑性材料变形特点。所以，混凝土是一个非弹性材料。

因为水泥凝胶硬化过程很长，所以，混凝土强度和变形随时间增加而增加。2.1.2单向应力状态下混凝土强度单向与多向应力状态问题第2页水泥强度、水灰比、骨料性质、骨料级配、成型方法、硬化时环境条件、龄期等。影响混凝土强度原因硬化前，这是材料人研究问题几何形状、几何尺寸、应力状态、加荷方法、加荷速度。硬化后，这是结构人关心问题1混凝土抗压强度（1）——混凝土立方体抗压强度与混凝土强度等级用途：怎样测试：评定混凝土强度等级。三标状态下测试：标准制作：150立方体标准养护：20±3℃，相对湿度90%以上，养护28d.

标准试验：试件表面不涂润滑剂；加载速度：C30以下，0.3~0.5N/mm2/s,C30及以上,0.3~0.5N/mm2/s。

确保率：95%以上，符号：第3页C15,C20,C25,C30,C35,C40,C45；C50,C55,C60,C65,C70,C75,C80。高强度混凝土

由划分强度等级（2）——混凝土轴心抗压强度试件：意义：150×150×300

直接反应混凝土柱抗压能力。实际构件和试件差异脆性折减系数承压板试块αc2对C40及以下取1.0，对C80取0.87，二者之间取线性内插值；对国外（美国、日本、欧洲混凝土协会等）采取圆柱体试件（d=152,h=305），有：第4页1001001501505002混凝土轴心抗拉强度混凝土抗拉强度试验方法：脆性材料抗拉强度测试：采取这种方法试验，拉力难以对中。劈拉强度

可按下式计算：第5页混凝土轴心抗拉强度：符号：取值：规范采取公式：我国规范考虑了从普通强度混凝土到高强混凝土改变规律，取式中，δ为变异系数。双向正应力下强度曲线1.01.01.21.2-0.2-0.2拉压2/fc1/fc2.1.3复合应力状态下混凝土强度1双向应力状态（1）双向应力状态下混凝土破坏包络图结论：Ⅰ双向受拉，同单向受拉；Ⅱ、Ⅳ一拉一压，强度降低；Ⅲ双向受压，强度提升，1.27。第6页（2）法向应力与剪应力组合破坏曲线结论：压应力使抗剪强度增大，但超出一定值（0.6*fc）后反而减小；拉应力使抗剪强度剪小。法向应力和剪应力下强度曲线单轴抗拉强度单轴抗压强度/fc/fc0.20.1-0.10.00.61.02三向应力状态三向受压混凝土，不但抗压强度提升，而且延性增加。有侧向压力约束试件轴心抗压强度：1=fcc’1=fcc’2=3=fLfL----侧向约束压应力（加液压）式中，ƒcc′为有侧向约束时抗压强度；ƒc′为圆柱体单轴抗压强度。三向受压混凝土柱状试件受压第7页应力——应变曲线百分比极限A：临界点B：裂缝进入非稳定发展峰点C拐点D收敛点E：靠骨料间咬协力及摩擦力与残余承压面来承受荷载，构件失去结构意义。工程中主要关心是上升段，研究者二者都关心。峰值应力：平均峰值应变：2.1.4混凝土变形1一次短期加载下变形性能（1）混凝土受压时应力—应变关系混凝土受压应力——应变曲线第8页不一样强度等级混凝土，应力—应变曲线特点(MPa)fco0(10-3)abcd225201510546810混凝土强度提升加载速度减慢o建立混凝土应力—应变曲线数学模型意义（2）混凝土受压应力—应变曲线数学模型模型：模型一：美国E.Hognestad提议模型u=0.00380=0.002ocfcc0.15fcε≤ε0（上升段）第9页模型二：德国Ruschu提议模型ε≤ε0（上升段）u=0.00350=0.002ocfcc

ε0≤ε≤εu式中：其它模型：

ε0≤ε≤εu（下降段）式中：第10页（3）三向受压时混凝土变性特点三向受压混凝土，不但强度提升，而且延性增加。cu约束混凝土非约束混凝土ccfccfcEsecEc

c02c0

sp

cco环箍断裂工程应用主动约束：在试验室有意义，在工程中无实际意义。

被动约束：

螺旋箍筋混凝土

钢管混凝土

方形截面柱

圆形截面柱

第11页（4）混凝土变形模量变形模量作用：应力与应变之间转换计算。因为混凝土应力——应变关系呈曲线，这使相关混凝土变形模量描述变得复杂。出现：1）原点切线模量——混凝土弹性模量适合用于c/fc此线和原点切线基本平行，取其斜率作为Ecc0.55~10次混凝土弹性模量试验方法：采取150×150×300标准试件，先加载至0.5fc，然后卸载至0，再重复加载5～10次，曲线逐步趋于直线，该直线斜率即为混凝土弹性模量。第12页2）混凝土变形模量——即割线模量定义：即当Ec’已知时，可进行σc和εc之间转换。3）混凝土切线模量用于增量计算：

Ec与fcu,k关系：（kN/mm2）可用于计算，第13页（5）混凝土受拉时应力——应变关系曲线形状：P.17，图2—16t(MPa)0

(mm)cr=0.00012试件：7619305mmfc=44MPa43210.010.020.030.040.050.06标距＝83mm峰值应力对应峰值应变：75～115με受拉弹性模量：Et≈Ec峰值应力时割线模量：构件计算时，可取：第14页2荷载长久作用下混凝土变形性能徐变概念：混凝土在长久不变荷载作用下，应变或变形随时间增加现象称为混凝土徐变。徐变产生原因：水泥凝胶体粘性流动——应力较小时

混凝土内部微裂缝发展与增加——应力较大时

徐变影响原因：（1）与应力大小相关当，线形徐变；当，非线形徐变。第15页线形徐变与时间关系：六个月完成大部，一年后趋于稳定，三年左右基本终止。15(月)0.51.01.52.02.5051020253035(×10-3)c<0.5fc，线性徐变c<0.8fc，非线性徐变cree’e’’cr’混凝土在长久不变高应力状态下极限强度：0.75～0.8（2）其它原因：试验还表明，加载时混凝土龄期越早，徐变越大。另外混凝土组成成份对徐变也有很大影响。水泥用量越多，徐变越大；水灰比越大，徐变也越大。骨料弹性性质也显著地影响徐变值，普通，骨料越坚硬，弹性模量越高，对水泥石徐变约束作用越大，混凝土徐变越小。另外混凝土制作方法、养护条件，尤其是养护时温度和湿度对徐变也有主要影响，养护时温度高、湿度大，水泥水化作用充分，徐变越小。。P.18。加荷时混凝土龄期，水泥用量，水灰比，骨料性质，养护条件等。第16页3混凝土在重复荷载作用下变形性能（疲劳变形）试验表明，当重复作用应力值低于ƒcf时，应力应变曲线经屡次重复后密合成一条直线，当重复作用应力值高于ƒcf时，应力应变曲线由开始凸向应力轴而逐步凸向应变轴，这标志着混凝土内部微裂缝发展加剧趋近破坏。

混凝土疲劳抗压强度ƒcf：能够经受200万次重复作用而不至破坏压应力值。fcf3210

重复荷载下应力-应变曲线徐变危害：使构件变形增加；引发截面内力重分布；在预应力混凝土结构中会造成预应力损失。混凝土疲劳强度fcf与疲劳应力比相关疲劳应力比越大，疲劳强度越高。第17页4混凝土收缩和膨胀

混凝土在空气中结硬——体积变小，收缩；水中结硬——体积变大，膨胀。收缩值比膨胀值大很多，故普通只讨论收缩。定义：混凝土在空气中结硬时体积减小现象。产生原因：混凝土中游离水分子蒸发。收缩危害：使结构产生裂缝。收缩变形对结构影响：自由收缩时，钢筋中产生压应力，混凝土中产生拉应力。约束收缩时，钢筋平均应力不变，混凝土中产生拉应力造成构件开裂。

收缩影响原因：水泥品种，等级越高，收缩越大；水泥用量，水泥用量越多，水灰比越大，收缩越大；骨料性质，骨料弹性模量大，收缩小；养护条件，温湿度越大，收缩越小；制作方法，混凝土越密实，收缩越小；使用环境，温湿度大时，收缩小；构件体积与表面积比值，比值大时，收缩小。第18页§2.2钢筋物理力学性能2.2.1钢筋种类按化学成份分：磷、硫钢筋化学成份铁碳锰(Mn)、硅(Si)、铌(Nb)、钛(Ti)、钒(V)、铬(Cr)；混凝土结构用钢材碳素钢普通低合金钢低碳钢：含碳量＜0.25%

中碳钢：含碳量0.25%～0.6%高碳钢：含碳量0.6%～1.4%含碳量越高，强度越高，但塑性与可焊性也降低。在碳素钢成份中再加入少许硅、锰、钒、钛、铬等合金元素。可提升强度并能改进塑性和可焊性。高碳钢，含碳量＞0.6％低碳钢，含碳量≤0.25％第19页“混凝土结构设计规范（GB50010—）”列出钢筋第一类：普通钢筋（热轧钢筋）由低碳钢、普通低合金钢在高温下轧制而成。种类：P.317，附表2－7代号简称符号设计强度HPB235(Q235)Ⅰ级210HRB335（20MnSi）Ⅱ级300HRB400(20MnSiV,20MnSiNb,20MnTi)Ⅲ级360RRB400（20MnSi）余热处理Ⅲ级360R第20页第二类：预应力钢筋（P.318，附表2－9）钢绞线由多根高强钢丝捻制在一起，经低温回火处理去除内应力后制成，分3股和7股两种。消除应力钢丝光面钢丝螺旋肋钢丝刻痕钢丝是用高碳镇静钢轧制盘圆后，经冷拔而成。为了增加碳素钢丝表面粘结力，在碳素钢丝表面“刻痕”就制成了刻痕钢丝。热处理钢筋它是特定强度热轧钢筋再经过加热、淬火、回火等调质工艺处理钢筋。经热处理钢筋强度能得到较大幅度提升，而塑性降低并不多。第21页钢筋按外形分钢筋按冷加工方法分钢筋形式钢筋在混凝土中应用钢纤维钢筋、钢丝型钢变形钢筋，Ⅱ、Ⅲ光圆钢筋，Ⅰ冷拔冷拉第22页热轧钢筋预应力钢筋第23页2.2.2钢筋强度与变形软钢与硬钢钢筋按σ—ε拉伸曲线可分为软钢、硬钢。A——百分比极限B’——屈服上限B——屈服下限BC——屈服台阶CD——强化阶段D——极限强度DE——破坏阶段E——极限应变构件中钢筋应力抵达屈服点后，会产生很大塑性变形，使钢筋混凝土构件出现很大变形和过宽裂缝，以至不能使用，所以对有显著流幅钢筋，在计算承载力时以屈服点作为钢筋强度限值。软钢σ—ε拉伸曲线第24页b——极限抗拉强度c——极限应变条件屈服强度：取残余应变为0.2%所对应应力作为无显著流幅钢筋强度限值，通常称为条件屈服强度。也能够按0.85σb确定条件屈服强度。钢筋其它指标伸长率冷弯软钢：热轧钢筋，冷拉钢筋硬钢：钢丝、钢铰线、热处理钢筋硬钢σ—ε拉伸曲线第25页2.2.3钢筋应力——应变曲线数学模型量化问题，供分析用。双直线型（完全弹塑性模型）2．三折线型（完全弹塑性加硬化模型）第26页

3．双斜线型（弹塑性模型）2.2.4钢筋疲劳钢筋疲劳强度与疲劳应力比值ρf=σfmin/σfman相关。重复荷载作用下，钢筋强度＜静载作用下强度。且：钢筋疲劳强度对不一样疲劳应力比值满足循环次数为200万次条件下钢筋最大应力值。第27页2.2.5混凝土结构对钢筋性能要求1.强度：屈服强度，极限强度。强度比≥1.252.塑性：伸长率，冷弯。3.可焊性：焊接处性能良好。4.耐火性：热轧——冷轧——预应力筋，靠混凝土保护层厚度调整。5.与混凝土粘结力（光圆、变形）。混凝土：0℃～100℃§2.3混凝土与钢筋粘结2.3.1粘结意义钢筋与混凝土共同工作条件1.含有相近线膨胀系数钢：这么能够防止因为温度变形而产生过高内部应力。第28页2.含有良好粘结力钢筋和混凝土接触面上剪应力——称为粘结应力。良好粘结力是确保钢筋和混凝土共同工作基础。▲混凝土受压截面中钢筋和混凝土粘结问题怎样求解截面应力？引用变形协调条件：这个条件就是假定混凝土和钢筋之间没有滑移，充分粘结在一起，所以二者变形相等。第29页▲

混凝土梁弯曲时，钢筋与混凝土之间粘结问题涂有润滑剂钢筋，不会跟着混凝土变形。混凝土结构中不一样粘结问题1.简支梁支座处钢筋锚固问题2.

裂缝间局部粘结应力在支座处钢筋表面产生粘结应力叫：锚固粘结应力。混凝土结构中经典钢筋粘结问题：（1）弯矩改变梯度大地方（连续梁中间支座）钢筋粘结问题。（2）风荷载作用下，框架结构中间节点处，梁受变号弯矩时钢筋锚固问题。第30页2.3.2粘结力组成钢筋与混凝土之间粘结力形成1胶结力——由钢筋与混凝土接触面上化学吸附作用力形成。2摩阻力——由混凝土收缩，将钢筋紧紧握裹而产生摩阻力。3机械咬协力——钢筋表面凹凸不平与混凝土之间产生机械咬合作用力。

4机械锚固力

第31页1.光面钢筋粘结力直段光面钢筋粘结力主要起源胶结力—混凝土强度越高，胶结能力越大摩阻力—钢筋表面粗糙度，关于钢筋锈蚀认识设计时，直段光面受拉钢筋末端加弯钩对于不一样钢筋，组成其粘接力主导成份不一样：2.变形钢筋粘结力变形钢筋粘结破坏：刮犁式破坏粘结力主要起源摩阻力机械咬协力第32页产生刮犁式破坏产生纵向裂缝第33页2.3.3、4粘结强度与影响粘结强度原因测定粘结强度试验1.拔出试验粘结应力：钢筋与混凝土接触面上产生沿钢筋纵向剪应力τ

抗拔试验平均粘结应力粘结应力分