第二章钢筋和混凝土的材料性能 钢筋2.2 混凝土Concrete

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,*,第二章 钢筋和混凝土的材料性能,2.2 混凝土,2.2 混凝土,Concrete,Questions:,1. What kinds of strength were used in RC construction?,2. What relationship between the different concrete strength?,3. What mechanical properties must be used in RC structure analysis?,4. Any other properties must be considered for practical use in RC structure?,第二章 钢筋和混凝土的材料性能,2.2 混凝土,2.2 concrete,一、strength,1、,Strength Grade,Concrete is mainly offer its compressive strength in RC structures. Thus compressive strength is very important.,The strength grade of concrete is defined according to the compressive strength.,According to the strength, there are 14 grades of concrete.,Size Effect,第二章 钢筋和混凝土的材料性能,2.2 混凝土,2.2 混凝土,一、混凝土的强度,1、混凝土强度等级（,Strength Grade,）,混凝土结构中，,主要是利用它的,抗压强度,(,Compressive Strength,),。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。,混凝土的强度等级是用抗压强度来划分的,混凝土强度等级,：边长150mm立方体标准试件，在标准条件下（203，90%湿度）养护28天，用标准试验方法（加载速度,2,/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(,Cube Strength,)，用符号,C,表示。,C30：,f,cu,k,=30N/mm,2,第二章 钢筋和混凝土的材料性能,2.2 混凝土,规范(GB50010-2002) 根据强度范围，,从C15C80共划分为14个强度等级,，级差为5N/mm,2,。,与原规范GBJ10-89相比，混凝土强度等级范围由C60提高到C80，C50以上为,高强混凝土(High-Strentgth Concrete),，有关指标和计算公式在C50与原规范GBJ10-89衔接。,100mm立方体强度与标准立方体强度之间的换算关系,Size Effect,小于C50的混凝土，修正系数(Correction Factor),m,。随混凝土强度的提高，修正系数,m,值有所降低。当,f,cu,100,=100N/mm,2,时，换算系数,m,约为（尺寸越小，测得强度越高）,第二章 钢筋和混凝土的材料性能,2.2 混凝土,Why,do vertical cracks occur under vertical compressive force?,Cube Strength,第二章 钢筋和混凝土的材料性能,2.2 混凝土,In America, Japan and Canada, strength grade comes from the compressive strength of standard cylinder specimens.,The conversion equation of cylinder strength and the standard cube strength is:,Cube strength and cylinder strength are not the actual stress of concrete in the RC members.,第二章 钢筋和混凝土的材料性能,2.2 混凝土,America、Japan、Canada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,f,c,。,圆柱体强度与我国标准立方体抗压强度的换算关系为，,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,）。,相同强度等级的混凝土，我国的混凝土实际强度比美国低。,第二章 钢筋和混凝土的材料性能,2.2 混凝土,2、,Axial Compressive Strength,Axial compressive strength is defined by the strength of the prism test in which can reflect the actual strength of the structural members. The size of the specimens is usually 150mm150mm450mm or 100mm100mm300mm.,Axial compressive strength is smaller than cube strength, and the conversion equation of them is:,Where, when strength grade is below C50,k,，and for C80,k,. Then the linear interpolation is used between them.,第二章 钢筋和混凝土的材料性能,2.2 混凝土,2、轴心抗压强度,Axial Compressive Strength,轴心抗压强度采用棱柱体试件测定，用符号,f,c,表示，它比较接近实际构件中混凝土的受压情况。棱柱体试件高宽比一般为h/b=34，我国通常取150mm150mm450mm的棱柱体试件，也常用100100300试件。,对于同一混凝土，,棱柱体抗压强度小于立方体抗压强度,。棱柱体抗压强度和立方体抗压强度的换算关系为，,规范对小于C50级的混凝土取,k,，对C80取,k,，,其间按线性插值,第二章 钢筋和混凝土的材料性能,2.2 混凝土,Why,Axial Compressive Strength is smaller than cube strength?,Axial Compressive Strength,第二章 钢筋和混凝土的材料性能,2.2 混凝土,3、,Axial Tensile Strength,With the expression of,f,t, axial tensile strength relates to the cracking, cracks, deformation, shear, torsion and cutting of RC members.,Axial Tensile Test,Conversion Curves of Axial Tensile Strength and Cube Strength,第二章 钢筋和混凝土的材料性能,2.2 混凝土,3、轴心抗拉强度,Axial Tensile Strength,也是其基本力学性能，用符号,f,t,表示。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。,第二章 钢筋和混凝土的材料性能,2.2 混凝土,劈拉试验,P,a,P,拉,压,压,It is difficult to carry out the axial tensile test, so the cube strength and cylinders splitting strength are usually used.,Splitting Test,第二章 钢筋和混凝土的材料性能,2.2 混凝土,劈拉试验,P,a,P,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拉试验测定混凝土的抗拉强度(,Splitting Strength,),第二章 钢筋和混凝土的材料性能,2.2 混凝土,Tensile Strength,第二章 钢筋和混凝土的材料性能,2.2 混凝土,Considering the the difference between the specimens and the actual member, and also the brittle behavior of the high strength concrete,Reduction Coefficient,is introduced to the axial compressive strength and axial tensile strength.,Actual strength to specimen strength ratio is 0.88;,Reduction Coefficient of Brittle,，and linear interpolation is used between them.,Example,f,cu,=30MPa,d,=0.12,f,cu,m,=,f,cu,d,),f,c,m,f,cu,m,f,c,k,=,f,c,m,d,cu,第二章 钢筋和混凝土的材料性能,2.2 混凝土,4、混凝土强度的标准值,Characteristic Strength,规范规定材料强度的标准值,f,k,应具有不小于,95%,的保证率,立方体强度标准值,即为混凝土强度等级,f,cu,。,规范在确定混凝土轴心抗压强度和轴心抗拉强度标准值时，假定它们的变异系数与立方体强度的变异系数相同，利用与立方体强度平均值的换算关系，便可按上式计算得到。,Question:,Are you feel safe enough to use characteristic strength?,第二章 钢筋和混凝土的材料性能,2.2 混凝土,规范考虑到试件,与实际结构的差异,以及,高强混凝土的脆性(Brittle)特征,，对轴心抗压强度和轴心抗拉强度，还采用了以下两个,折减系数(Reduction Coefficient),：,结构中混凝土强度与混凝土试件强度的比值，取；,脆性折减系数，对C40取，对C80取，中间按线性规律变化。,例,f,cu,=30MPa,d,=0.12,f,cu,m,=,f,cu,d,),f,c,m,f,cu,m,f,c,k,=,f,c,m,d,cu,第二章 钢筋和混凝土的材料性能,2.2 混凝土,第二章 钢筋和混凝土的材料性能,2.2 混凝土,二、混凝土破坏机理,Failure Mechanism,f,c,0,2,4,6,8,10,20,30,s,(MPa),e,10,-3,第二章 钢筋和混凝土的材料性能,2.2 混凝土,When curing, there form many,micro-fissure,inside the concrete which is the weakness of the concrete. And it results in the damage of the concrete.,B,A,C,E,D,0,2,4,6,8,10,20,30,s,(MPa),e,10,-3,第二章 钢筋和混凝土的材料性能,2.2 混凝土,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,Micro-fissure,，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。,B,A,C,E,D,0,2,4,6,8,10,20,30,s,(MPa),e,10,-3,第二章 钢筋和混凝土的材料性能,2.2 混凝土,A,Before point A,，the deformation is mainly elastic and the stress-strain curve is linear.,B,C,E,D,0,2,4,6,8,10,20,30,s,(MPa),e,10,-3,第二章 钢筋和混凝土的材料性能,2.2 混凝土,A,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,s,A,约为,(0.30.4),f,c,，对高强混凝土,s,A,可达(0.50.7),f,c,。,B,C,E,D,0,2,4,6,8,10,20,30,s,(MPa),e,10,-3,第二章 钢筋和混凝土的材料性能,2.2 混凝土,B,A,After point A,，due to the stress concentration at the micro-fissure, the cracks are extended and,plastic deformation,appears.,C,E,D,0,2,4,6,8,10,20,30,s,(MPa),e,10,-3,第二章 钢筋和混凝土的材料性能,2.2 混凝土,B,A,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(Plastic Deformation),，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,Expansion,。但该阶段微裂缝的发展是稳定的。,C,E,D,0,2,4,6,8,10,20,30,s,(MPa),e,10,-3,第二章 钢筋和混凝土的材料性能,2.2 混凝土,B,A,At point B, the cracks are instable and the concrete will damage under a longer time.,C,E,D,0,2,4,6,8,10,20,30,s,(MPa),e,10,-3,第二章 钢筋和混凝土的材料性能,2.2 混凝土,B,A,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,s,B,约为,f,c,，高强强度混凝土,s,B,可达,f,c,以上。,C,E,D,0,2,4,6,8,10,20,30,s,(MPa),e,10,-3,第二章 钢筋和混凝土的材料性能,2.2 混凝土,B,A,C,E,D,At point C,，failure plane has been developed. And the longitudinal strain at this point is called,peak strain,e,0,(0.002).,At point D,it can be found the first,longitudinal cracks,。,0,2,4,6,8,10,20,30,s,(MPa),e,10,-3,第二章 钢筋和混凝土的材料性能,2.2 混凝土,B,A,C,E,D,达到C点,f,c,，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,e,0,，约为。,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(Longitudinal Cracks),。,0,2,4,6,8,10,20,30,s,(MPa),e,10,-3,第二章 钢筋和混凝土的材料性能,2.2 混凝土,B,A,C,E,D,With the development of the strain, several discontinuous longitudinal cracks will appear on the specimen. Load capacity becomes lower.,0,2,4,6,8,10,20,30,s,(MPa),e,10,-3,第二章 钢筋和混凝土的材料性能,2.2 混凝土,B,A,C,E,D,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。,0,2,4,6,8,10,20,30,s,(MPa),e,10,-3,第二章 钢筋和混凝土的材料性能,2.2 混凝土,B,A,C,E,D,Bond between aggregate and mortar is broken and failure plane is developed.,0,2,4,6,8,10,20,30,s,(MPa),e,10,-3,第二章 钢筋和混凝土的材料性能,2.2 混凝土,B,A,C,E,D,混凝土骨料与砂浆的粘结不断遭到破坏，裂缝连通形成斜向破坏面。E点应变,e,= (23),e,0,，应力,s,= (0.40.6),f,c,。,0,2,4,6,8,10,20,30,s,(MPa),e,10,-3,第二章 钢筋和混凝土的材料性能,2.2 混凝土,B,A,C,E,D,After point E, longitudinal cracks become to a diagonal failure plane. Then under the action of the,normal stress,and,shear stress, they become to a failure strip.,0,2,4,6,8,10,20,30,s,(MPa),e,10,-3,第二章 钢筋和混凝土的材料性能,2.2 混凝土,B,A,C,E,D,E点以后，纵向裂缝形成一斜向破坏面，此破坏面受,正应力(Normal Stress),和,剪应力(Shear Stress),的作用继续扩展，形成一破坏带。此时试件的强度由斜向破坏面上的骨料间的,摩阻力(Frictional Resistance),提供。随应变继续发展，摩阻力和,粘结力(Bond Stress),不断下降，但即使在很大的应变下，骨料间仍有一定摩阻力，残余强度约为(0.10.4),f,c,。,第二章 钢筋和混凝土的材料性能,2.2 混凝土,第二章 钢筋和混凝土的材料性能,2.2 混凝土,From the failure mechanism of the concrete, it can be seen that the development of micro-fissure result in the increase of the transverse deformation. With,lateral constraint, the micro-fissure can be restricted and the compressive strength of the concrete can be improved.,As a result of this, Local compressive strength,is much higher than,axial compressive strength.,Local Compressive Specimen,第二章 钢筋和混凝土的材料性能,2.2 混凝土,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(,Lateral Constraint,),，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。,局部受压强度,f,cl,(Local Compressive Strength),比轴心抗压强度,f,c,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。,局部受压试件,第二章 钢筋和混凝土的材料性能,2.2 混凝土,Through the restriction of the transverse deformation of the concrete, we can improve the compressive strength. And,confined concrete,is a good example.,Spirally Reinforced Concrete,第二章 钢筋和混凝土的材料性能,2.2 混凝土,了解混凝土的破坏机理，不仅可以解释各种不同试验混凝土强度的差别，还可以通过约束混凝土的,横向变形,来提高混凝土的抗压强度。如图采用配置螺旋箍筋形成所谓“,约束混凝土(Confined Concrete),”，可显著提高混凝土的抗压强度，并且可以提高混凝土,变形能力(Deformability),。,螺旋箍筋约束混凝土,Spirally Reinforced Concrete,第二章 钢筋和混凝土的材料性能,2.2 混凝土,From the curve, we can see that the effect of,spiral hooping,is not obvious when the stress is small. While the stress exceed point B, the effect of,spiral hooping,is obvious. The strength and the deformability are all improved.,螺旋箍筋约束混凝土,第二章 钢筋和混凝土的材料性能,2.2 混凝土,由,螺旋箍筋(Spiral Hooping),约束混凝土的应力-应变曲线可见，,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。,第二章 钢筋和混凝土的材料性能,2.2 混凝土,Applications of Confined Concrete,Spirally Reinforced Column, Concrete Filled Tube,The strength and the deformability of the confined concrete are all improved. And this is very important to the,aseismic structure,.,第二章 钢筋和混凝土的材料性能,2.2 混凝土,“,约束混凝土,(Confined Concrete),”的概念在工程中许多地方都有应用，如螺旋箍筋柱、,后张法预应力(Post Stressed),锚具(Anchor),下局部受压区域配置的钢筋网或螺旋筋等。而,钢管混凝土(Concrete Filled Tube),对内部混凝土的约束效果更好，因此近年来在我国工程中得到许多应用。,约束混凝土可以提高混凝土的强度，,但更值得注意的是可以提高混凝土的,变形能力(Deformation Capacity),，这一点对于,抗震结构(Aseismic Structure),非常重要。,抗震结构对于可能出现,塑性铰(Plastic Hinge),的区域，均要求加密箍筋配置来提高构件的变形能力，达到,坏而不倒,的目的。,由螺旋箍筋约束混凝土的应力-应变曲线可见，,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。,第二章 钢筋和混凝土的材料性能,2.2 混凝土,三、,Deformation of Concrete,1、,Stress- strain Relationship,Stress-strain relationship is an important mechanical character of concrete.,It is the basis of the analysis of the member stress and design of the strength and stiffness. And also it is indispensable to the nonlinear analysis.,第二章 钢筋和混凝土的材料性能,2.2 混凝土,三、混凝土的变形,Deformation,1、单轴（单调）受压应力-应变关系,Stress- strain Relationship,混凝土单轴受力时的应力-应变关系反映了混凝土受力全过程的重要力学特征 是分析混凝土构件应力、建立承载力和变形计算理论的必要依据，也是利用计算机进行,非线性分析(Nonlinear Analysis),的基础。,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,f,c,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,(Ascending Curve),。,采用,等应变速度,加载，或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，可以测得应力-应变曲线的,下降段,(Descending Curve),。,第二章 钢筋和混凝土的材料性能,2.2 混凝土,第二章 钢筋和混凝土的材料性能,2.2 混凝土,Stress-Strain Curves,第二章 钢筋和混凝土的材料性能,2.2 混凝土,不同强度混凝土的应力-应变关系曲线,As the strength grade is higher, the linear-elastic portion of the curve is longer and the peak strain is also higher.,