混凝土绪论材料性能

,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,*,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,*,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,*,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,*,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,*,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,*,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,*,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,*,*,混凝土结构,1,绪论,一、混凝土结构的概念和特点,1.,一般概念,P,P,P,P,素混凝土梁承载力小，破坏突然,钢筋混凝土梁承载力大，变形性能好，破坏有预告,2,一、混凝土结构的概念和特点,1.,一般概念,P,P,钢筋（加筋）,+,混凝土,钢筋混凝土结构（构件）,拉压性能均好,抗压性能好,利用混凝土抗压，钢筋受拉（亦可受压）,-,各尽其能，相得益彰,3,一、混凝土结构的概念和特点,2.,混凝土和钢筋共同工作的原因,*,混凝土和钢筋之间有良好的工作性能，两者可靠地结合在一起，可共同受力，共同变形,*,两者的温度线膨胀系数很接近，避免产生较大的温度应力破坏两者的粘结力，混凝土：,1.0,10,-5,1.5 10,-5,，钢筋：,1.2 10,-5,*,混凝土包裹在钢筋的外部，可使钢筋免于腐蚀或高温软化,P,P,4,一、混凝土结构的概念和特点,3.,预应力混凝土结构的一般概念,P,P,预应力钢筋,P,P,5,一、混凝土结构的概念和特点,4.,混凝土结构的组成,柱下基础,楼板,柱,梁,梁,墙,楼梯,墙下基础,地下室底板,6,一、混凝土结构的概念和特点,5.,混凝土结构的优缺点,优点：,耐久性好,耐火性好,整体性好,可模性好,就地取材,节约钢材,阻止射线的穿透,缺点：,自重大,易开裂,耗模板,施工受季节性影响,隔热隔声性能差,随着科学技术的不断发展，正逐渐被克服,P,P,7,二、混凝土结构的发展,1.,钢筋混凝土结构的诞生,*,1824,年，英国人,J. Aspdin,发明了波特兰水泥，有了混凝土；,*,1849,年，法国人,Joseph Louis Lambot,用水泥砂浆涂在钢丝网的两面做成小船,-,最早的钢筋混凝土结构；,*,1861,年，法国花匠,J. Monier,用钢丝作为配筋制作了花盆并申请了专利，后由申请年了钢筋混凝土板、管道、拱桥等专利,-,尽管他不懂钢筋混凝土结构的受力原理，甚至将钢筋配置在板的中部，他却被认为是钢筋混凝土结构的发明者；,P,P,*,1884,年，德国人,Wayss, Bauschingger,和,Koenen,等提出了钢筋应配置在构件中受拉力的部位和钢筋混凝土板的计算理论。后来，钢筋混凝土结构逐渐得到了推广应用。,8,二、混凝土结构的发展,2.,材料方面的发展,P,P,强度不断提高,美国,60,年代混凝土抗压强度平均值：,28N/mm,2,，,70,年代 ：,42N/mm,2,，有特殊需要时：,40N/mm,2,100 N/mm,2,，试验室中：,266 N/mm,2,轻质混凝土的应用,容重一般为：,14kN/m,3,18kN/m,3,(,普通混凝土为,24kN/m,3,),，加气混凝土、陶粒混凝土、火山岩混凝土、碎砖混凝土等,无砂混凝土,只有粗骨料，无细骨料,FRP,筋的应用,用,FRP,筋代替钢筋,9,二、混凝土结构的发展,3.,结构方面的发展,P,P,P,P,预应力混凝土结构的应用,在混凝土的受拉区施加预应力，以提高混凝土结构的抗裂度，减轻构件的自重,结构体系的丰富,不同用途、不同结构功能具有相应的结构体系：混凝土结构、钢与混凝土的组合结构、,FRP,混凝土及预应力混凝土结构等,10,二、混凝土结构的发展,4.,理论研究方面的发展,设计方法,允许应力设计法,破坏阶段设计法,极限状态设计法,半经验半概率法,近似概率法,全概率法,生命全过程设计法,材料力学的方法,按经验法确定安全系数,11,二、混凝土结构的发展,4.,理论研究方面的发展,结构基本理论,-,如何设计一个新结构,荷载的确定方法,结构的力学分析：线性和非线性,构件的承载力计算、设计方法和构造措施,未来的方向：计算机的应用与发展，结构整体空间作用分析方法的完善与应用,12,二、混凝土结构的发展,4.,理论研究方面的发展,结构基本理论,-,旧结构的维护、改造与加固（,80,年代中期发展起来）,承载力计算,耐久性评估,寿命预测,损伤分析,加固理论,13,二、混凝土结构的发展,4.,理论研究方面的发展,结构基本理论,-,计算机仿真技术的应用,14,二、混凝土结构的发展,4.,理论研究方面的发展,结构基本理论,-,结构试验技术的完善,15,三、混凝土结构的应用,1.,房屋工程,我国超过,100m,高的高层建筑中绝大多数是混凝土结构或为混凝土和钢的组合结构,混凝土组合柱,组合楼板,钢柱,组合梁,组合桁架,钢筋混凝土筒体,16,三、混凝土结构的应用,2.,交通工程,隧道、桥梁、高速公路、城市高架公路、地铁大都采用混凝土结构。如,1994,年建成的上海内环线浦西段高架公路，以及与之相连的南浦大桥、杨浦大桥的塔架，,1995,年建成的地铁一号线、延安东路隧道、英吉利海峡隧道等,17,三、混凝土结构的应用,3.,水利工程,大坝、拦海闸墩、渡槽、港口等多用混凝土结构,瑞士大狄克桑期坝，,1962,年，高,285m,，世界最高的混凝土重力坝,我国湖北宜昌的三峡大坝，高,186m,，装机容量,1786,千瓦,18,三、混凝土结构的应用,4.,特种工程,核电站的安全壳、热电厂的冷却塔、储水池、储气灌、海洋石油平台、电视塔等,19,钢筋和混凝土材料力学性能,一、钢筋的强度和变形,1.,钢筋的应力,-,应变曲线,A,B,B,C,D,E,上屈服点不稳定,下屈服点,出现颈缩,拉断,BC,段为屈服平台,CD,段为强化段,0.2%,0.2,标距,有明显流幅的钢筋,无明显流幅的钢筋,钢筋受压和受拉时的应力,-,应变曲线几乎相同,20,一、钢筋的强度和变形,1.,钢筋的应力,-,应变曲线,A,B,B,C,D,E,0.2%,0.2,强度指标,*,明显流幅的钢筋：下屈服点对应的强度作为设计强度的依据，因为，钢筋屈服后会产生大的塑性变形，钢筋混凝土构件会产生不可恢复的变形和不可闭合的裂缝，以至不能使用,*,无明显流幅的钢筋：残余应变为,0.2%,时所对应的应力作为条件屈服强度,21,一、钢筋的强度和变形,1.,钢筋的应力,-,应变曲线,强度指标的确定,强度,随机变量,强度标准值,根据统计资料，运用数理统计方法确定的具有一定保证率（钢筋为,97.73%,）的统计特征值：,强度标准值,=,强度平均值,-2,均方差,概率密度,材料强度,强度平均值,强度标准值,22,一、钢筋的强度和变形,1.,钢筋的应力,-,应变曲线,A,B,B,C,D,E,0.2%,0.2,变形指标,*,伸长率：钢筋拉断后的伸长与原长的比值,*,冷弯要求：将直径为,d,的钢筋绕直径为,D,的钢辊弯成一定的角度而不发生断裂,23,一、钢筋的强度和变形,2.,钢筋的成分、级别和品种,按化学成分,碳素钢（铁、碳、硅、锰、硫、磷等元素）,低碳钢（含碳量,0.25%,）,中碳钢（含碳量,0.250.6%,）,高碳钢（含碳量,0.61.4%,）,普通低合金钢（另加硅、锰、钛、钒、铬等）,硅系,硅钒系,硅钛系,硅锰系,硅铬系,24,一、钢筋的强度和变形,2.,钢筋的成分、级别和品种,钢筋,热轧钢筋：热轧光面钢筋,HPB235,，热轧带肋钢筋,HRB335,、,HRB400,，余热处理钢筋,RRB400,冷拉钢筋：由热轧钢筋在常温下用机械拉伸而成,热处理钢筋：将,HRB400,、,RRB400,钢筋通过加热、淬火、回火而成,按加工,钢丝,碳素钢丝：高碳镇静钢通过多次冷拔、应力消除、矫正、回火处理而成,刻痕钢丝：在钢丝表面刻痕，以增强其与混凝土间的粘结力,钢绞线：六根相同直径的钢丝成螺旋状铰绕在一起,冷拔低碳钢丝：由低碳钢冷拔而成,25,一、钢筋的强度和变形,2.,钢筋的成分、级别和品种,按表面形状,光圆钢筋,变形钢筋,钢筋的应用范围,非预应力钢筋：,HRB235,，,HRB335,，,HRB400,，,RRB400,预应力钢筋：碳素钢丝，刻痕钢丝，钢绞线，热处理钢筋，冷拉钢筋,26,一、钢筋的强度和变形,3.,钢筋的冷加工和热处理,冷拉,B,K,Z,Z,K,残余变形,冷拉伸长率,无时效,经时效,K,点的选择：应力控制和应变控制,温度的影响：温度达,700C,时恢复到冷拉前的状态，先焊后拉,特性：只提高抗拉强度，不提高抗压强度，强度提高，塑性下降,27,一、钢筋的强度和变形,3.,钢筋的冷加工和热处理,冷拔,经过冷拔后钢筋没有明显的屈服点和流幅,冷拔既能提高抗拉强度又能提高抗压强度,28,一、钢筋的强度和变形,3.,钢筋的冷加工和热处理,热处理,对特定钢号的钢筋进行淬火和回火处理,强度提高，塑性降低,不降低强度的前提下，消除由淬火产生的内力，改善塑性和韧性,29,一、钢筋的强度和变形,4.,钢筋的徐变和松弛,徐变,应力不变，随时间的增长应变继续增加,松弛,长度不变，随时间的增长应力降低,对结构，尤其是预应力结构，产生不利的影响，需采取必要的措施,30,一、钢筋的强度和变形,5.,钢筋的疲劳,重复荷载作用下，钢筋的强度,静载作用下的强度,规定的应力幅度内，经一定次数的重复荷载后，发生疲劳破坏的最大应力值称为疲劳强度。对钢筋用疲劳应力幅来表示其疲劳强度。,试验方法,单根钢筋的轴拉疲劳,钢筋埋入混凝土中重复受拉或受弯,31,一、钢筋的强度和变形,6.,混凝土结构对钢筋的要求,强度要求：屈服强度和极限强度，抗震设计时还要求有一定的屈强比,塑性要求：伸长率和冷弯要求,可焊性,与混凝土的粘结性,32,一、钢筋的强度和变形,7.,钢筋应力,-,应变曲线的数学模型,s,s,s,=E,s,s,y,s,h,f,y,s,s,s,=E,s,s,y,s,h,f,y,f,s,u,s,u,s,u,s,s,s,=E,s,s,y,f,y,s,h,f,s,u,有明显流幅的钢筋,无明显流幅的钢筋,33,二、混凝土的强度和变形,1.,单轴受力状态下混凝土的抗压强度,立方体抗压强度,f,cu,承压板,试块,摩擦力,不涂润滑剂,涂润滑剂,强度大于,我国规范的方法：不涂润滑剂,压力,试件裂缝发展扩张整个体系解体，丧失承载力,另影响强度的因素还有：龄期、加载速率、试块尺寸等,34,二、混凝土的强度和变形,1.,单轴受力状态下混凝土的抗压强度,标准试块：,150,150 150,非标准试块：,100,100 100,换算系数,0.95,2,00,200 200,换算系数,1.05,立方体抗压强度是区分混凝土强度等级的指标，我国规范混凝土的强度等级有：,C15,，,C20,，,C25,，,C30,，,C35,，,C40,，,C45,，,C50,，,C55,，,C60,，,C65,，,C70,，,C75,，,C80,表示混凝土,Concrete,立方体抗压强度,立方体抗压强度,f,cu,35,强度指标的确定,强度,随机变量,强度标准值,根据统计资料，运用数理统计方法确定的具有一定保证率（混凝土为,95%,）的统计特征值：,强度标准值,=,强度平均值,-1.645,均方差,概率密度,材料强度,强度平均值,强度标准值,二、混凝土的强度和变形,1.,单轴受力状态下混凝土的抗压强度,36,二、混凝土的强度和变形,1.,单轴受力状态下混凝土的抗压强度,棱柱体抗压强度,f,c,承压板,试块,标准试块：,150,150 300,非标准试块：,100,100 300,换算系数,0.95,2,00,200 400,换算系数,1.05,考虑到承压板对试件的约束，立方体抗压强度大于棱柱体抗压强度，且有：,f,c,=0.76,f,cu,(,试验结果,),考虑到构件和试件的区别，取,f,c,=0.67,f,cu,对国外（美国、日本、欧洲混凝土协会等）采用的圆柱体试件（,d=150, h=300,），有,f,c,=0.79,f,cu,圆柱体抗压强度,37,二、混凝土的强度和变形,2.,单轴受力状态下混凝土的抗拉强度,直接受拉试验,f,t,100,100,150,150,500,试验结果：,f,t,=0.26,f,cu,2/3,考虑到构件和试件的区别，尺寸效应，加荷速度等的影响，取,f,t,=0.23,f,cu,2/3,38,二、混凝土的强度和变形,2.,单轴受力状态下混凝土的抗拉强度,劈裂试验,f,ts,d,d,f,ts,F,F,F,F,我国根据,100mm,立方体的劈裂与抗压试验结果有：,f,ts,=0.19,f,cu,3/4,39,二、混凝土的强度和变形,2.,复合受力状态下混凝土的抗拉强度,双轴应力下的强度,1.0,1.0,1.2,1.2,-0.2,-0.2,2,/,f,c,1,/,f,c,拉,压,/,f,c,/,f,c,0.2,0.1,-0.1,0.0,0.6,1.0,单轴抗拉强度,单轴抗压强度,双向正应力下的强度曲线,法向应力和剪应力下的强度曲线,40,二、混凝土的强度和变形,2.,复合受力状态下混凝土的抗拉强度,三向受压时的混凝土强度,1,=,f,cc,1,=,f,cc,2,=,3,=,f,L,f,L,-,侧向约束压应力（加液压）,圆柱体试验,有侧向约束时的抗压强度,无侧向约束时圆柱体的单轴抗压强度,41,二、混凝土的强度和变形,3.,混凝土的疲劳强度,破坏,重复荷载下的应力,-,应变曲线,f,c,f,3,2,1,疲劳强度,f,c,f,c,f,的确定原则：,100,100 300,或,150,150 450,的棱柱体试块承受,200,万次（或以上）循环荷载时发生破坏的最大压应力值,42,二、混凝土的强度和变形,4.,混凝土的变形性能,单轴受压时的应力,-,应变关系,作用是：峰值应力后，吸收试验机的变形能，测出下降段,(MPa),f,c,o,0,(,10,-3,),a,b,c,d,2,25,20,15,10,5,4,6,8,10,混凝土强度提高,加载速度减慢,43,二、混凝土的强度和变形,4.,混凝土的变形性能,单轴受压时的应力,-,应变关系的数学模型,44,二、混凝土的强度和变形,4.,混凝土的变形性能,单轴受压时的应力,-,应变关系的数学模型,-,中国规范,45,二、混凝土的强度和变形,4.,混凝土的变形性能,侧向受约束时混凝土的变形特点,cu,约束混凝土,非约束混凝土,c,c,f,cc,f,c,E,sec,E,c,c0,2,c0,sp,cc,o,环箍断裂,46,二、混凝土的强度和变形,4.,混凝土的变形性能,轴向受拉时混凝土的应力应变关系,t,t,o,t0,tu,f,t,t,(MPa),0,(mm),cr,=0.00012,试件：,76,19,305mm,f,c,= 44MPa,4,3,2,1,0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06,标距,83mm,理论模型,！,47,二、混凝土的强度和变形,4.,混凝土的变形性能,重复荷载下混凝土的变形性能,p,e,包罗线与一次性加载时的应力,-,应变曲线相似,48,二、混凝土的强度和变形,4.,混凝土的变形性能,混凝土的弹性模量,c,c,c,c,e,p,0,1,原点切线模量（弹性模量）：拉压相同,变形模量（割线模量、弹塑性模量）,切线模量,受压时，为,0.41.0,；,受拉破坏时，为,1.0,49,二、混凝土的强度和变形,4.,混凝土的变形性能,混凝土的弹性模量的试验方法（,150,150,300,标准试件,）,c,/,f,c,c,0.5,510,次,此线和原点切线基本平行，取其斜率作为,E,c,50,二、混凝土的强度和变形,4.,混凝土的变形性能,混凝土的泊松比和剪切模量,混凝土的泊松比，在压力较小时为,0.150.18,，接近破坏时可达,0.5,以上，一般可取,0.2,混凝土的剪切模量为,51,二、混凝土的强度和变形,4.,混凝土的变形性能,长期荷载作用下混凝土的变形性能,-,徐变,0.5,1.0,1.5,2.0,2.5,0,5,10,15,20,25,30,35,(,10,-3,),(,月,),c,0.5,f,c,，线性徐变,c,0.8,f,c,，非线性徐变,cr,e,e,e,cr,P,原因之一，胶凝体的粘性流动,原因之二，混凝土内部微裂缝的不断发展,52,二、混凝土的强度和变形,4.,混凝土的变形性能,长期荷载作用下混凝土的变形性能,-,影响徐变的因素,应力：,c,0.5f,c,，徐变变形与应力成正比,-,线性徐变,0.5f,c,c,0.8f,c,，造成混凝土破坏，不稳定,加荷时混凝土的龄期，越早，徐变越大,水泥用量越多，水灰比越大，徐变越大,骨料越硬，徐变越小,53,二、混凝土的强度和变形,4.,混凝土的变形性能,混凝土的收缩,-,结硬过程中混凝土体积缩小的性质,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：骨料越硬，收缩越小,养护条件、制作方法、使用环境、体积与表面积的比值等,54,二、混凝土的强度和变形,4.,混凝土的变形性能,徐变对混凝土结构的影响,P,A,s,P,A,s,s1,c1,P,s2,A,s,s2,P,拆去，钢筋受压混凝土受拉，可能会引起混凝土开裂,徐变： ,s,， ,c,55,二、混凝土的强度和变形,4.,混凝土的变形性能,收缩对混凝土结构的影响,A,s,s,A,s,s,收缩： 钢筋受压， 混凝土受拉,A,s,56,粘结与锚固,一、粘结作用与粘结机理,1.,粘结作用,裂缝出现前的粘结作用,P,P,M,2,=,M,1,+,M,M,1,T,2,=,T,1,+,T,T,1,x,M,2,=,M,1,+,M,M,1,理想分布,实际分布,st,梁中粘结应力的分布与,V,的分布规律相同；,实际上由于微裂缝的存在分布规律还要变化,钢筋的周长,57,一、粘结作用与粘结机理,2.,粘结作用,P,P,裂缝出现后的粘结作用,T,两种粘结作用,锚固粘结,保证钢筋和混凝土共同工作,缝间粘结,改善钢筋混凝土的耗能性能,58,一、粘结作用与粘结机理,2.,粘结机理,光圆钢筋,粘附力,摩擦力,机械咬合力,（钢筋表面不平、微锈时可显著提高咬合力）,有滑移时粘附力即消失,钢筋受力较大时粘结力主要由此二部分组成,59,一、粘结作用与粘结机理,2.,粘结机理,变形钢筋,粘附力,摩擦力,机械咬合力,主要作用,60,一、粘结作用与粘结机理,3.,粘结试验,拔出试验,搭接长度,延伸长度,半梁试验,搭接长度试验,延伸长度试验,61,一、粘结作用与粘结机理,4.,粘结破坏形态,光圆钢筋,钢筋拔出,62,一、粘结作用与粘结机理,4.,粘结破坏形态,变形钢筋,纵向分量,径向分量,构件纵向开裂,63,一、粘结作用与粘结机理,4.,粘结破坏形态,变形钢筋,纵向分量,径向分量,混凝土撕裂,混凝土局部挤碎,刮出式破坏,64,二、钢筋与混凝土间粘结强度,l,T,u,一般用拔出试验测出钢筋与混凝土间的平均粘结强度,钢筋周长,埋置长度,拔出拉力,影响因素,混凝土强度,浇注位置（水平浇注、竖向浇注）,钢筋的外形特征,保护层厚度和钢筋的净距,65,三、锚固、搭接长度,1.,锚固长度的理论分析,原则,钢筋屈服时正好发生锚固破坏,对象,以直径为,2,c,的混凝土试件内配直径为,d,的变形钢筋为例,假定,纵裂发生在刮出式破坏以前,66,三、锚固、搭接长度,1.,锚固长度的理论分析,假定由于,p,引起的混凝土中的拉应力按线形分布,d,c,c,d,p,t,t,当,t,=,f,t,时，锚固破坏,l,a,67,三、锚固、搭接长度,1.,锚固长度的理论分析,当变形钢筋肋倾角为,45,时,d,p,t,t,l,a,68,三、锚固、搭接长度,1.,锚固长度的理论分析,2,c,当,c,2,d,时，,l,a,的数值比上式的数值要小,69,三、锚固、搭接长度,2.,实用锚固长度的计算公式,l,a,基本锚固长度（,GB50010,）：,锚固钢筋的外形系数，光圆钢筋取,0.16,带肋钢筋取,0.14.,对不同的情况还要作修正,对上式作修正可得搭接长度,70,