1、結構力學砼力學性能第1頁，共59頁，2022年，5月20日，11點44分，星期三學習目標掌握混凝土強度、應力-應變曲線的概念；熟悉混凝土變形模量、徐變、收縮的概念；掌握鋼筋的應力-應變曲線；了解鋼筋的冷加工性能、重復荷載下鋼筋的疲勞性能；掌握粘結的定義、基本錨固長度的計算；掌握保證可靠粘結的構造要求。 第2頁，共59頁，2022年，5月20日，11點44分，星期三2.1混凝土材料混凝土的組成 混凝土材料是由水泥、砂、石子和水按一定比例、順序混合攪拌，經(jīng)凝結和硬化形成的，屬于復合材料。 混凝土是由水泥結晶體、水泥凝膠體和內(nèi)部孔隙、界面微裂縫組成的?；炷恋男阅馨ǎ?強度、變形、碳化、耐腐蝕、耐

2、熱、防滲第3頁，共59頁，2022年，5月20日，11點44分，星期三2.1.1混凝土的強度 混凝土立方抗壓強度fcu混凝土軸心抗壓強度fc混凝土抗拉強度ft1.單向受力狀態(tài)下混凝土的強度150 150 150150 150 300100 100 500第4頁，共59頁，2022年，5月20日，11點44分，星期三（1）.混凝土強度等級 混凝土的強度等級是用立方體抗壓強度來劃分的。 混凝土強度等級：邊長150mm立方體標準試件，在標準條件下（203，90%濕度）養(yǎng)護28天，用標準試驗方法（加載速度0.30.5N/mm2/sec，兩端不涂潤滑劑）測得的具有95%保證率【fcu,k= fcu,m(

3、1-1.645)】的立方體抗壓強度，用符號C表示。 C30表示 fcu,k=30N/mm2 規(guī)范根據(jù)強度范圍，從C15C80共劃分為14個強度等級，級差為5N/mm2。C50以上為高強混凝土。第5頁，共59頁，2022年，5月20日，11點44分，星期三立方體抗壓強度的試驗第6頁，共59頁，2022年，5月20日，11點44分，星期三摩擦力的影響及尺寸效應套箍效應 不涂潤滑劑涂潤滑劑第7頁，共59頁，2022年，5月20日，11點44分，星期三立方體抗壓強度的換算關系100mm立方體強度與標準立方體強度之間的換算關系小于C50的混凝土，修正系數(shù)m =0.95。隨混凝土強度的提高，修正系數(shù)m 值

4、有所降低。當fcu=100N/mm2時，換算系數(shù)m 為0.9非標準試塊強度換算系數(shù)： 200mm200mm200mm: 100mm100mm100mm:第8頁，共59頁，2022年，5月20日，11點44分，星期三結構對混凝土的要求素混凝土結構的強度等級不應低于C15；鋼筋混凝土結構的混凝土強度等級不應低于C20;當采用強度等級400MPa及以上的鋼筋時，混凝土強度等級不應低于C25；承受重復荷載的鋼筋混凝土構件，混凝土強度等級不應低于C30；預應力混凝土結構的混凝土強度等級不宜低于C40，且不應低于C30；第9頁，共59頁，2022年，5月20日，11點44分，星期三（2）軸心抗壓強度 軸心

5、抗壓強度采用棱柱體試件測定，用符號fc表示，它比較接近實際構件中混凝土的受壓情況。試件高寬比一般取h/b2，我國通常取150mm150mm300mm為標準試件，也可用100mm100mm450mm試件。 （棱柱體抗壓強度） 第10頁，共59頁，2022年，5月20日，11點44分，星期三軸心抗壓強度的試驗方法第11頁，共59頁，2022年，5月20日，11點44分，星期三立方體抗壓與軸心抗壓強度的關系對于同一混凝土，棱柱體抗壓強度小于立方體抗壓強度。 第12頁，共59頁，2022年，5月20日，11點44分，星期三結構混凝土與試塊混凝土的強度差異修正系數(shù)脆性影響系數(shù) 棱柱體強度與立方體強度之比

6、值棱柱體抗壓強度和立方體抗壓強度的換算關系 我國標準以150150300mm的棱柱體試件為標準試件，按立方體試驗的相同規(guī)定所得的滿足95%保證率的應力值即軸心抗壓強度標準值。第13頁，共59頁，2022年，5月20日，11點44分，星期三 c1 和 c2 的取值混凝土強度等級C40C45C50C55C60C65C70C75C80 c10.760.760.760.770.780.790.800.810.82 c21.000.9840.9680.9510.9350.9190.9030.8870.87第14頁，共59頁，2022年，5月20日，11點44分，星期三（3）軸心抗拉強度也是混凝土的基本力

7、學性能，用符號 ft 表示。 混凝土構件開裂、裂縫、變形，以及受剪、受扭、受沖切等的承載力均與抗拉強度ft有關。第15頁，共59頁，2022年，5月20日，11點44分，星期三拉壓壓劈拉試驗aPP由于軸心受拉試驗對中困難，也常常采用立方體或圓柱體劈拉試驗測定混凝土的抗拉強度。圓柱體試件立方體試件第16頁，共59頁，2022年，5月20日，11點44分，星期三軸心抗拉強度試驗方法第17頁，共59頁，2022年，5月20日，11點44分，星期三軸心抗拉與立方抗壓強度的關系第18頁，共59頁，2022年，5月20日，11點44分，星期三軸心抗拉強度標準值第19頁，共59頁，2022年，5月20日，1

8、1點44分，星期三第20頁，共59頁，2022年，5月20日，11點44分，星期三2. 復雜應力狀態(tài)下混凝土的力學性能實際結構中，混凝土很少處于單向受力狀態(tài)。更多的是處于雙向或三向受力狀態(tài)。如剪力和扭矩作用下的構件、彎剪扭和壓彎剪扭構件、混凝土拱壩、核電站安全殼等。第21頁，共59頁，2022年，5月20日，11點44分，星期三第22頁，共59頁，2022年，5月20日，11點44分，星期三（1）雙軸應力狀態(tài)（Biaxial Stress State）雙向受壓強度大于單向受壓強度，最大強度發(fā)生在兩個壓應力之比為0.3 0.6之間，約為(1.251.60 )fc。（a）雙向受壓（第三象限）第23

9、頁，共59頁，2022年，5月20日，11點44分，星期三 任意應力比情況下，其強度均不超過相應的單軸強度。并且抗壓強度或抗拉強度均隨另一方向拉應力或壓應力的增加而減小。（b）一軸受壓一軸受拉（第二、四象限）（c）雙軸受拉（第一象限） 任意應力比情況下，其強度均與單軸抗拉強度相近。第24頁，共59頁，2022年，5月20日，11點44分，星期三(2) 剪應力t 和正應力s 共同作用下的復合受力情況混凝土的強度：拉-剪：抗拉、抗剪強度都降低；壓-剪： 時，抗剪強度隨壓應力提高而增大； 時，抗剪抗壓強度均降低。 /fc /fc第25頁，共59頁，2022年，5月20日，11點44分，星期三（3）.

10、三軸應力狀態(tài)（ Triaxial Stress State）三軸應力狀態(tài)有多種組合，實際工程遇到較多的螺旋箍筋柱和鋼管混凝土柱的中混凝土為三向受壓狀態(tài)。三向受壓試驗一般采用圓柱體在等側壓條件進行。規(guī)范：三軸抗壓強度最高不宜超過單軸抗壓強度的5倍第26頁，共59頁，2022年，5月20日，11點44分，星期三 混凝土局部受壓強度fcl 比軸心抗壓強度 fc 大很多，也是因為局部受壓面積以 外的混凝土對局部受壓區(qū) 域內(nèi)部混凝土微裂縫產(chǎn)生 了較強的約束。局部抗壓強度 Local Bearing Strength第27頁，共59頁，2022年，5月20日，11點44分，星期三 一次短期荷載下 受力變形

11、 長期荷載下砼變形 多次重復荷載下 收縮變形 體積變形 膨脹變形 溫度變形2.1.2 混凝土的變形性能第28頁，共59頁，2022年，5月20日，11點44分，星期三 混凝土單軸受壓應力-應變關系曲線，常采用棱柱體試件來測定。 在普通試驗機上采用等應力速度加載，達到軸心抗壓強度fc時，試驗機中集聚的彈性應變能大于試件所能吸收的應變能，會導致試件產(chǎn)生突然脆性破壞，只能測得應力-應變曲線的上升段。 采用等應變速度加載，或在試件旁附設高彈性元件與試件一同受壓，以吸收試驗機內(nèi)集聚的應變能，可以測得應力-應變曲線的下降段。（1）單軸（單調）受壓應力-應變關系1.一次短期荷載作用下的變形第29頁，共59頁

12、，2022年，5月20日，11點44分，星期三第30頁，共59頁，2022年，5月20日，11點44分，星期三混凝土的破壞機理A點以前，微裂縫沒有明顯發(fā)展，混凝土的變形主要彈性變形，應力應變關系近似直線。A點應力隨混凝土強度的提高而增加，對普通強度混凝土sA約為 (0.30.4)fc ，對高強混凝土sA可達(0.50.7)fc 到達B點以后，混凝土產(chǎn)生部分塑性變形，應力應變逐漸偏離直線。B點時的裂縫發(fā)展已不穩(wěn)定，試件的橫向變形突然增大，常取sB作為混凝土的長期抗壓強度 ；普通強度混凝土sB約為0.8 fc ，高強混凝土sB可達0.95 fc 到達C點時，內(nèi)部微裂縫連通形成破壞面，試件承載力開始

13、減小而進入下降段。C點時的應力稱為峰值應力，即為混凝土棱柱體抗壓強度；相應的縱向壓應變稱為峰值應變，約為0.002。繼續(xù)發(fā)展至D點時，破壞面初步形成。E點以后，縱向裂縫形成一個斜向的破壞面，此破壞面在正應力和剪應力的作用下形成破壞帶。此時試件的強度由破壞面上骨料間的摩阻力提供。隨著應變進一步發(fā)展，摩阻力不斷下降，試件的殘余強度約為0.10.4 fc第31頁，共59頁，2022年，5月20日，11點44分，星期三由上述混凝土的破壞機理可知，微裂縫的發(fā)展導致橫向變形的增大。對橫向變形加以約束，就可以限制微裂縫的發(fā)展，從而可提高混凝土的抗壓強度。約束混凝土可以提高混凝土的強度，但更值得注意的是可以提

14、高混凝土的變形能力，這一點對于抗震結構非常重要。第32頁，共59頁，2022年，5月20日，11點44分，星期三 由上述混凝土的破壞機理可知，微裂縫的發(fā)展導致橫向變形的 增大。對橫向變形加以約束，就可以限制微裂縫的發(fā)展，從而 可提高混凝土的抗壓強度。立方體試件受約束范圍大，而棱柱 體試件中部未受約束，因此造成了不同受壓試件強度的差別和 破壞形態(tài)的不同。fc 第33頁，共59頁，2022年，5月20日，11點44分，星期三若采用無量綱坐標x=e/e0，y=s/fc，則混凝土應力-應變?nèi)€的幾何特征必須滿足:混凝土應力-應變關系的數(shù)學描述第34頁，共59頁，2022年，5月20日，11點44分，

15、星期三 清華大學過鎮(zhèn)海提出的應力-應變?nèi)€表達式 a=Ec/E0， Ec為初始彈性模量； E0為峰值點時的割線模量， 為滿足條件和，一般應有1.5a3；ac 為下降段參數(shù)第35頁，共59頁，2022年，5月20日，11點44分，星期三美國Hognestad建議的應力-應變曲線第36頁，共59頁，2022年，5月20日，11點44分，星期三規(guī)范提出的混凝土應力-應變曲線表達式第37頁，共59頁，2022年，5月20日，11點44分，星期三（2）混凝土受拉應力-應變關系The Tension Constitutive Relationship of Concrete彈性系數(shù)約為0.5第38頁，共

16、59頁，2022年，5月20日，11點44分，星期三（3）箍筋約束混凝土受壓的應力-應變關系Confinement with Transverse Reinforcement 螺旋箍筋(a) 螺旋箍筋壓應變箍筋d=4.76mm，s=38.1mm，箍筋d=4.76mms=63.5mm無箍筋矩形箍筋螺旋箍筋約束對強度和變形能力均有很大提高 矩形箍筋約束對強度的提高不是很顯著，但對變形能力有顯著改善當應力較小時，橫向變形很小，箍筋的約束作用不明顯；當應力超過B點的應力時，由于混凝土的橫向變形開始顯著增大，側向膨脹使螺旋箍筋產(chǎn)生環(huán)向拉應力，其反作用力使混凝土的橫向變形受到約束，從而使混凝土的強度和變形

17、能力都得到提高。第39頁，共59頁，2022年，5月20日，11點44分，星期三影響因素 箍筋與內(nèi)部混凝土的體積比； 箍筋的屈服強度； 箍筋間距與核心截面直徑或邊長的比值； 箍筋直徑與肢距的比值； 混凝土強度，對高強混凝土的約束效果差一些。第40頁，共59頁，2022年，5月20日，11點44分，星期三（4）不同強度混凝土應力應變關系的比較強度等級越高，線彈性段越長，峰值應變也有所增大。但高強混凝土中，砂漿與骨料的粘結很強，密實性好，微裂縫很少，最后的破壞往往是骨料破壞，破壞時脆性越顯著，下降段越陡。第41頁，共59頁，2022年，5月20日，11點44分，星期三2.混凝土在荷載重復作用下的變

18、形（疲勞變形） （1）混凝土在荷載重復作用下應力應變曲線第42頁，共59頁，2022年，5月20日，11點44分，星期三 混凝土在荷載重復作用下引起的破壞稱為疲勞破壞。 疲勞破壞的特征：裂縫小而變形大。 把能使棱柱體試件承受200萬次或其以上循環(huán)荷載而發(fā)生破壞的壓力值稱為混凝土的疲勞強度 。第43頁，共59頁，2022年，5月20日，11點44分，星期三（2）混凝土疲勞強度試驗標準試件：150150300或150150450mm 的棱柱體 200萬次荷載應力大小，即疲勞應力比值是影響疲勞強度大小的關鍵因素 混凝土疲勞強度fcf fcf= gr fc第44頁，共59頁，2022年，5月20日，1

19、1點44分，星期三3 混凝土的彈性模量（Elastic Modulus）第45頁，共59頁，2022年，5月20日，11點44分，星期三彈性模量的測定方法第46頁，共59頁，2022年，5月20日，11點44分，星期三混凝土剪變模量GcGc=0.417 Ec當泊松比規(guī)范取Gc=0.4 Ec第47頁，共59頁，2022年，5月20日，11點44分，星期三4.荷載長期作用下混凝土的變形性能徐變（1）徐變的概念凝膠體的塑性流動。裂縫的出現(xiàn)與發(fā)展。（2）產(chǎn)生徐變的原因混凝土在荷載的長期作用下，其應變或變形隨時間增長的現(xiàn)象稱為徐變。第48頁，共59頁，2022年，5月20日，11點44分，星期三應變與時

20、間的關系曲線（t0 時刻加載， t 時刻卸載）t0elashcrela,ela,cr,eteeeeee 特點： 開始快、以后慢；半年完成大部分、一年穩(wěn)定、三年終止（3）徐變與時間的關系瞬時恢復應變彈性后效殘余應變加載瞬時應變 收縮應變 徐變 第49頁，共59頁，2022年，5月20日，11點44分，星期三不利影響： 徐變會使結構（或構件）的變形增大（如撓度） ； 引起預應力損失； 在長期高應力作用下，甚至會導致破壞。有利影響： 有利于結構構件產(chǎn)生內(nèi)（應）力重分布，降低結構的受力； 減小大體積混凝土內(nèi)的溫度應力； 受拉徐變可延緩收縮裂縫的出現(xiàn)。（4）徐變對結構的影響第50頁，共59頁，2022年

21、，5月20日，11點44分，星期三（5）混凝土徐變的影響因素內(nèi)在因素：水泥含量越大，徐變越大； 骨料彈性模量高、級配好，徐 變就??；環(huán)境因素：干燥失水及高溫環(huán)境，徐變大； 加載齡期越長，徐變越??； 構件的體表比越大，徐變越??；應力因素：應力越大徐變也越大； 持荷時間越長，徐變越大。 三 個 方 面高強混凝土徐變小第51頁，共59頁，2022年，5月20日，11點44分，星期三 當初始應力水平si /fc 0.5時，徐變值與初應力基本上成正比，這種徐變稱為線性徐變。產(chǎn)生線性徐變的主要原因是凝膠體的塑性流動。 當初應力si 在(0.50.8) fc 范圍時，徐變最終雖仍收斂，但最終徐變與初應力si不成比例，這種徐變稱為非線性徐變。產(chǎn)生非線性徐變的主要原因是裂縫的出現(xiàn)與發(fā)展。應力條件：是指初應力水平si /fc是影響徐變的非常主要的因素。 當初應力si 0.8fc 時，混凝土內(nèi)部微裂縫的發(fā)展已處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，徐變的發(fā)展將不收斂，最終導致混凝土的破壞。因此將0.8fc作為混凝土的長期抗壓強度。第52頁，共59頁，2022年，5月20日，11點44分，星期三線性徐變第53頁，共5