复合材料力学

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1 结构设计原理 2019 年秋季 西安交通大学航天航空学院 刘益伦教一楼东 年 9-12 月

2 钢筋混凝土基本概念及材料力学性能 : 重点 : 1.1 钢筋混凝土结构的基本概念 1.2 混凝土物理力学性能 1.3 钢筋物理力学性能 1.4 钢筋与混凝土之间的粘结

3 理解钢筋混凝土结构的概念和混凝土中配置受力钢筋的作用 理解混凝土的立方体抗压强度, 轴心抗压强度和抗拉强度概念, 了解混凝土的弹性模量 徐变和收缩变形 深刻理解混凝土在一次单调加载作用下受压应力 应变曲线 了解普通热轧钢筋的强度和变形, 掌握普通热轧钢筋的强度级别和品种 理解钢筋与混凝土之间的粘结性能及其机理

4 1.1 钢筋混凝土结构的概念 钢筋混凝土结构是由配置受力的普通钢筋或钢筋骨架的混凝土 制成的结构 图 1-1 素混凝土梁和钢筋混凝土梁 a) 受竖向力作用的混凝土梁 ; b) 素混凝土梁的断裂 ; c) 钢筋混凝土梁的开裂

5 图 1-2 素混凝土和钢筋混凝土轴心受压构件的受力性能比较 a) 柱的压力 混凝土应变曲线 ;b) 素混凝土柱 ; c) 钢筋混凝土柱 钢筋的作用是代替混凝土受拉 ( 受拉区混凝土出现裂 缝后 ) 或协助混凝土受压 5

6 钢筋和混凝土能有效地结合在一起共同工作, 主要的原因是 : (1) 混凝土和钢筋之间有着良好的粘结力, 使两者能可靠地结合成一个整体, 在荷载作用下能够很好地共同变形, 完成其结构功能 (2) 钢筋和混凝土的温度线膨胀系数较为接近, 钢筋为 ( )/ -1, 混凝土为 ( ~ )/ -1, 当温度变化时, 钢筋与混凝土之间不致产生较大的相对变形而破坏两者之间的粘结 (3) 质量良好的混凝土可以保护钢筋免遭锈蚀, 保证了钢筋与混凝土的共同作用 6

7 钢筋混凝土基本概念及材料力学性能 : 重点 : 1.1 钢筋混凝土结构的基本概念 1.2 混凝土物理力学性能 1.3 钢筋物理力学性能 1.4 钢筋与混凝土之间的粘结

8 混凝土的定义 混凝土 (concrete) 是指由胶凝材料 颗粒状骨料以及必要时加入化学外加剂和矿物掺合料, 按一定的比例与水 ( 或不加水 ) 拌和, 之后在一定养护条件下硬化后形成的复合材料 作为主要的建筑材料之一, 混凝土具有强度高 耐久性好 原料来源广 成本低廉 适用于各种自然环境等优点, 还具有 因需配制 按需成形 的特点, 成为现代建筑工程中用途最广 用量最大的人工建筑材料 目前全世界每年生产的水泥材料超过 40 亿吨, 中国的产量占 50% 以上, 而中国每年混凝土工程数量比全世界其他国家的总和多 53%, 基建稳居全球第一

9 混凝土的发展历史 混凝土做为建筑材料的历史久远, 用石灰 砂和卵石制成的砂浆和混凝土在公元前 500 年就已经在东欧使用 最早使用水硬性凝胶材料制备混凝土的是罗马人, 这种用火山灰 石灰 砂 石制备的 天然混凝土 具有凝结力强 坚固耐久 不透水等特点, 在古罗马得到广泛应用, 万神殿和罗马圆形剧场就是其中杰出的代表

10 混凝土的发展历史 1824 年, 英国人约瑟夫 阿斯普丁发明了波特兰水泥 1850 年, 法国人朗波研究出使用钢筋混凝土的方法 1919 年艾布拉姆斯发表了著名的水灰比学说 1925 年, 利滋发表了水灰比学说 恒定用水量学说, 奠定了现代混凝土的理论基础 1928 年, 法国的佛列西涅提出了混凝土的收缩和徐变理论, 发明了预应力钢筋混凝土施工工艺 1960 年前后, 混凝土外加剂的出现, 极大地改善了混凝土的各种性能, 为混凝土施工工艺的发展创造了良好的条件 我国是世界上的混凝土生产大国, 全国每年水泥产量超过 20 亿吨, 占世界总产量的 55% 以上 在以后的 年时间内混凝土仍将是最主要的建筑材料之一

11 混凝土的组成 传统水泥混凝土的基本组成材料是水泥 粗细骨料和水 其中, 水泥浆占 20%~30%, 砂石骨料占 70% 左右 水泥 混凝土中的第五种成分, 为了改善或提高混凝土的性能 7-15% 水 14-21% 石子 水泥浆 25-40% 混凝土外加剂 新拌混凝土 凝结硬化 石子 砂 水泥浆 气孔 21-28% 骨料 硬化混凝土 砂 60-75% 39-42%

12 混凝土的分类 按生产方式和施工方式分类 : 按照生产方式, 混凝土可分为预拌混凝土和现场施工混凝土等 商品混凝土搅拌站 / 搅拌车 混凝土现场施工 按照施工方式, 可分为泵送 喷射 碾压 挤压 离心和压力灌浆 混凝土等

13 混凝土的分类 按配筋方式分类 : 素混凝土 钢筋混凝土 预应力混凝土 纤维增强混凝土等

14 混凝土的分类 按强度特征分类 : 普通混凝土 强度等级为 C10~ C55 的混凝土 高强混凝土 强度等级为 C60 及 以上的混凝土 超高强混凝土 强度等级为 C100 及以上的混凝土

15 混凝土的分类 按塌落度大小分类 : 流动性混凝土 塑性混凝土 大流动性混凝土 低塑性混凝土 按塌落度大小 流态混凝土 塌落度 : 测定混凝土拌合物和易性的一种指标, 用拌合物在 自重作用下向下塌落的高度表示, 单位为 cm

16 混凝土的应用领域混凝土可应用于 : 工业与民用建筑 大坝等水利工程 给排水工程 道路 桥梁等交通工程 地下工程 国防工程

17 混凝土的应用领域 矮寨盘山公路 南京长江大桥 港珠澳大桥 贵州关岭大桥 新藏公路

18 混凝土的应用领域 Shanghai Xianggang Beijing Xi an 中国西部科技创新港

19 混凝土的应用领域 上海西岸龙美术馆 韩美林艺术馆 乌镇木心美术馆 泰山桃花峪游人中心

20 混凝土的主要缺点 抗拉强度低 ( 约为其抗压强度的 1/10-1/20 左右, 是钢筋抗拉强度的 1/100 左右 ); 脆性大, 变形能力差, 抗冲击能力差, 在冲击载荷下容易产生脆断 自重大, 比强度低, 密度一般在 2350~2450kg/m3 左右 体积稳定性差, 其干燥收缩大, 在载荷作用下的徐变也大 作为墙体材料, 导热系数较大, 在 1.2(kcal/m h ) 左右, 大约是砖的 2 倍

21 混凝土的发展趋势 高强 高性能和绿色化

22 混凝土的发展趋势

23 混凝土的发展趋势

24 混凝土的发展趋势

25 混凝土的发展趋势

26 新型混凝土介绍 - 透水混凝土 透水混凝土是一种由粗骨料 水泥和水拌制而成的多孔轻质混凝土 透水混凝土所具备透气 透水以及重量轻等优点, 孔隙率达到 20%-25%, 透水速度达到 31-52L/(m h-1), 使得它在减轻城市内涝 加快推进海绵城市建设和水污染防治等工作上有着不可替代的重要作用

27 新型混凝土介绍 - 透水混凝土 透水混凝土助力海绵城市建设 虽然透水混凝土有很好的透水性能, 但是目前其抗压强度却较低 ( 大多数处于 C20-C25 等级 ), 不能应用于机动车路面 未来如何平衡材料强度与透水性的矛盾, 增加有效孔隙, 提高透水时效是研发的重点 以强度和透水性为衡量标准, 良好的骨料级配和配比设计是解决强度与透水性互相矛盾的有效途径

28 新型混凝土介绍 - 再生混凝土 随着钢筋混凝土建筑的不断老化 城市建设带来的拆迁改造而产生的建筑垃圾越来越多 目前, 中国建筑垃圾年产量超过 20 亿 t, 且年均增速保持 10% 以上, 而建筑垃圾资源化利用率不足 10%, 远低于欧美和日韩国家 为解决上述问题, 再生混凝土应运而生

29 新型混凝土介绍 - 泡沫混凝土 泡沫混凝土也叫做轻质混凝土, 它广泛应用于节能墙体材料之中 我 国现今的泡沫混凝土更多的应用在屋面泡沫混凝土保温层现浇 泡沫 混凝土面块 泡沫混凝土轻质墙板 泡沫混凝土补偿地基

30 新型混凝土介绍 - 吸音混凝土 吸音混凝土, 顾名思义就是一种可以针对外部产生的噪音采取隔音或者吸音的物质 它具有连续 多孔的内部结构 吸音混凝土的开发就是为了减少交通噪音, 同时, 它也适应于机场 高速铁路两侧 地铁等易产生噪音的一些公共场所, 它不仅能够明显地减低交通噪音, 更能改善出行环境以及公共交通设施周围的居住环境

31 新型混凝土介绍 - 自修复混凝土 自修复混凝土拥有破碎之后能够自行 修复愈合 的功能 混凝土结构失效的主要原因是微裂缝的扩展, 自修复混凝土的主要性能便是能够在混凝土产生裂缝后做出反应自行愈合, 这种新材料不仅可以提高混凝土的使用寿命, 更能有效降低节约混凝土结构中的维护成本

32 新型混凝土介绍 -3D 打印混凝土 上海智慧湾科创园 3D 打印桥 3D 打印混凝土技术是在 3D 打印技术的基础上发展起来的应用于混凝土施工的新技术 3D 打印混凝土技术在打印过程中, 无需传统混凝土成型过程中的支模过程, 是一种最新的混凝土无模成型技术 对于新拌的混凝土浆体, 为满足 3D 打印的要求, 必须达到特定的性能要求

33 新型混凝土介绍 - 再生混凝土 再生混凝土是将废弃混凝土经过破碎 清洗等步骤制成再生骨料, 再按照一定的比例与级配, 部分甚至全部代替砂石等天然集料配制成的混凝土 再生混凝土不仅保存总资源, 也可以防止环境污染, 是一种可持续发展的绿色混凝土 然而, 再生骨料因表层包覆多孔多裂隙老砂浆, 其性能远低于天然砂石, 限制了其在建筑行业的应用 为了提升再生骨料的品质, 国内外众多学者开展了再生骨料的颗粒整形法 加热研磨法等物理强化方法和纳米 SiO2 溶液浸泡法 酸溶液浸泡法 聚乙烯醇(PVA) 乳液浸泡法 CO2 碳化法等化学强化方法的研究

34 新型混凝土介绍 - 再生混凝土 再生骨料的碳化处理, 不仅可提升其物理力学性能, 而且可利用其碱骨 料特性封存温室气体 CO2 再生骨料的碳化主要涉及的化学反应为 : Ca(OH) 2 + CO 2 C-S-H + CO 2 CaCO 3 + H 2 O CaCO 3 + SiO 2 n H 2 O C 3 S + (3-x)CO 2 + yh 2 O C x SH y + (3-x)CaCO 3 C 2 S + (2-x)CO 2 + yh 2 O C x SH y + (2-x)CaCO 3 天然骨料混凝土 (RAC) 和碳化骨料混凝土 (CRAC) 的压缩性能对比

35 新型混凝土介绍 - 再生混凝土 再生骨料取代率对再生混凝土性能的影响

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37 CO 2 国际气候变化研究委员会 (IPCC): 在 年期间,CO 2 的浓度持续增长 ; 最终导致全球平均温度从 1.4 C 上升至 6.1 C 而二氧化碳浓度上升导致的海水酸化, 很可能是第六次生物大灭绝的开始, 这一切就将发生于未来的数十年内, 比气候变化的威胁更迫切 工程可以为人类做什么? Engineering for humanity 37

38 38

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40 仅需 50% CO2/ 空气混合气成本低廉而经济效果显著 CaO+CO 2 CaCO 3 MgO+CO 2 MgCO 3 此反应为自发反应, 无需额外消耗能量, 且碳化反应快, 时间短, 经济效益高 二氧化碳养护的低碳水泥具有早期强度高, 收缩率小, 抗渗性 抗冻融性 耐腐蚀性 耐磨性等优良性能 钢渣 炉渣 矿渣 污泥 赤泥 焚烧灰 废水泥等含有可碳化组分 (f-cao 和 f-mgo) 的材料压制成型后经 CO 2 碳化养护可制成高强度建筑材料 水泥行业贡献了约百分之五的全球碳排放, 并可有效利用多种固废 一吨水泥目前可吸收约 吨 CO2 比起单一的 CO2 地质封存而言, 把 CO2 封存 在水泥里可能具有更广泛的经济性和工程化示范效应, 产生经济效益, 同时为加速地质封存化学反应提供有效思路 40

41 新型混凝土介绍 - 低碳混凝土 CO2 不仅可以碳化再生骨料, 还可用于碳化养护常规混凝土, 获得低碳混凝土制件 CO2 养护混凝土是指让 CO2 与新拌混凝土在成型后接触, 使水泥熟料中的硅酸钙及少量水化产物与 CO2 反应生成碳酸钙和硅胶的过程 混凝土在经过 CO2 养护后能获得较高的早期强度, 大大缩短混凝土养护时间, 并且有较好的尺寸稳定性 养护后混凝土孔隙率降低, 力学性能和耐久性也得到提升 每生产一吨水泥, 要向空气中 排放近一吨的 CO2 混凝土中每 1 吨水泥最多可固定 0.5 吨 CO2

42 新型混凝土介绍 - 低碳混凝土 碳化工艺流程 CO 2 扩散过程

43 新型混凝土介绍 - 低碳混凝土

44 1.2.1 混凝土物理力学性能 单轴受力状态下的强度 立方体抗压强度 f cu 轴心抗压强度 f c 混凝土的物理力学性能 强度 变形 复合应力状态下的强度 荷载作用下的变形 ( 受力变形 ) 轴心抗拉强度 f t 双向应力状态三向应力状态短期一次荷载作用下的变形长期荷载作用下的变形 非荷载作用下的变形 ( 体积变形 ) 结硬时的收缩与膨胀热胀冷缩 湿胀干缩

45 混凝土是由水泥 砂 石子和水等搅拌而成的人造石材, 不是匀质弹性材料 一 混凝土的强度在钢筋混凝土结构中, 混凝土主要用于抗压 1 影响混凝土强度的因素影响混凝土强度的因素很多, 可以总结为以下几点 : 材料方面 水泥用量 水泥强度 水灰比 骨料品种 配合比等 浇筑 养护方面 捣制方法 养护温度 湿度等 试验方法方面 试件形状 尺寸 加载速度等

46 1.2.1 混凝土的强度 混凝土立方抗压强度 f cu 混凝土轴心抗压强度 f c 混凝土抗拉强度 f t

47 1.2.1 混凝土的强度 1) 混凝土立方体抗压强度混凝土的立方体抗压强度是按规定的标准试件和标准试验方法得到的混凝土强度基本代表值 每边边长为 150mm 的立方体为标准试件 标准试件在 20 ±2 的温度和相对湿度在 95% 以上的潮湿空气中养护 28d, 依照标准制作方法和试验方法测得的抗压强度值 ( 以 MPa 为单位 ) 作为混凝土的立方体抗压强度 混凝土立方体抗压强度用符号 f cu 表示

48 混凝土立方体抗压强度与试验方法有着密切的关系 图 1-3 立方体抗压强度试件 a) 立方体试件的受力 ;b) 承压板与试件表面之间未涂润滑剂时 ;c) 承压板与试件表面之间涂润滑剂时 规定采用的方法是不加油脂润滑剂的试验方法 混凝土的抗压强度还与试件尺寸有关

49 混凝土的强度等级 : 规范 是根据混凝土立方体抗压强度标准值来划分的 从 C15~C80 共划分为 14 个强度等级 ( 如 C30 表示 f cu,k =30N/mm 2 ), 级差为 5N/mm 2 非标准试块强度换算系数 : 套箍效应 : 200mm 200mm 200mm:1.05; 100mm 100mm 100mm:0.95 不涂润滑油 涂润滑油

50 未采取减摩措施 采取减摩措施后

51 2) 混凝土轴心抗压强度 ( 棱柱体抗压强度 ) 棱柱体试件 ( 高度大于截面边长的试件 ) 的受力状态更接近于实际构件中混凝土的受力情况 按照与立方体试件相同条件下制作和试验方法所得的棱柱体试件的抗压强度值, 称为混凝土轴心抗压强度, 用符号 f c 表示 混凝土的轴心抗压强度试验以 150mm 150mm 300mm 的试件为 标准试件 图 1-4 h/b 对抗压强度的影响 51

52 ) 混凝土抗拉强度 轴心抗拉强度 f t 远远小于轴心抗压强度 f c, 一般只有 5%~10%, 且强度等级越高, 这个比值越小 测定方法 : P 直径 16-20mm P P 压 100 拉 2P dl P d P d d: 立方体边长或圆柱体直径 P 轴心受拉试验 劈裂试验 l: 立方体边长或圆柱体长度

53 4) 复合应力状态下的混凝土强度在钢筋混凝土结构中, 构件通常受到轴力 弯矩 剪力及扭矩等不同组合情况的作用, 因此, 混凝土更多的是处于双向或三向受力状态 在复合应力状态下, 混凝土的强度有明显变化

54 双向正应力状态下混凝土强度 (1) 当双向受压时 ( 图 1-7 中第三象限 ), 一向的混凝土强度随着另一向压应力的增加而增加 图 1-7 双向应力状态下混凝土强度变化曲线 σ 1 /σ 2 约等于 2 或 0.5 时, 其强度比单向抗压强度增加约为 25% 左右, 而在 σ 1 /σ 2 =1 时, 其强度增加仅为 16% 左右

55 (2) 当双向受拉时 ( 图 1-7 中第一象限 ), 无论应力比值 σ 1 /σ 2 如何, 实测破坏强度基本不变, 双向受拉的混凝土抗拉 强度均接近于单向抗拉强度 (3) 当一向受拉 一向受压时 ( 图 1-7 中第二 四象限 ), 混凝土的强度均低于单向受力 ( 压或拉 ) 的强度 图 1-7 双向应力状态下混凝土强度变化曲线 55

56 法向应力 ( 拉或压 ) 和剪应力形成压剪或拉剪复合应力状 态下混凝土强度 混凝土的抗压强度由于剪应力的存在而降低 ; 图 1-8 法向应力与剪应力组合时的强度曲线 当 σ/f c <(0.5~0.7) 时, 抗剪强度随压应力的增大而增大 ; 当 σ/f c >(0.5~0.7) 时, 抗剪强度随压应力的增大而减小

57 混凝土圆柱体三向受压 混凝土轴心抗压强度 f cc 与侧压应力 σ 2 之间的关系用下列线 性经验公式表达 : f f k cc c 2 (1-2) f cc 三向受压时圆柱体的混凝土轴心抗压强度 ; f c 混凝土圆柱体强度, 计算时可近似以混凝土 轴心抗压强度 f c 代之 ; 2 侧压应力值 k 侧压效应系数, 侧向压力较低时得到的值较大 图 1-9 三向受压状态下混凝土强度

58 1.2.2 混凝土的变形 变形 荷载作用下的变形 ( 受力变形 ) 非荷载作用下的变形 ( 体积变形 ) 短期一次荷载作用下的变形长期荷载作用下的变形结硬时的收缩与膨胀热胀冷缩 湿胀干缩

59 1) 混凝土在一次单调加载作用下的变形性能 (1) 混凝土的应力 应变曲线对棱柱体试件进行的一次单调加载试验 ( 指加载从零开始单调增加至试件破坏, 也称单调加载 ) 来测试混凝土的应力 应变曲线 在试验时, 需使用刚度较大的试验机, 或者在试验中用控制应变速度的特殊装置来等应变速度地加载, 或者在普通压力机上用高强弹簧 ( 或油压千斤顶 ) 与试件共同受压, 测得混凝土试件受压时典型的应力 应变曲线

60 下降段 上升段 收敛段 图 1-10 混凝土受压时应力 应变曲线 一次单调加载下完整的混凝土轴心受压应力应变曲线 由上升段 OC 下降段 CD 和收敛段 DE 三个阶段组成

61 上升段 : 当压应力 σ<0.3f c 左右时, 应力应变关系接近直线变化 (OA 段 ), 混凝土处于弹性阶段工作 在压应力 σ 0.3f c 后, 随着压应力的增大, 应力 应变关系愈来愈偏离直线, 原有的混凝土内部微裂缝发展, 并在孔隙等薄弱处产生新的个别的微裂缝 当应力达到 0.8 f c (B 点 ) 左右后, 内部裂缝处于非稳定发展阶段 当应力达到最大应力 σ=f c 时 (C 点 ), 应力应变曲线的斜率已接近于水平, 试件表面出现不连续的可见裂缝 下降段 : 到达峰值应力点 C 后, 混凝土的强度并不完全消失, 随着应力 σ 的减少 ( 卸载 ), 应变仍然增加, 曲线下降坡度较陡, 混凝土表面裂缝逐渐贯通 收敛段 : 在反弯点 D 之后, 应力下降的速率减慢, 曲线逐渐平缓至稳定的残余应力 表面纵向裂缝把混凝土棱柱体分成若干个小柱, 外载力由裂缝处的摩擦咬合力及小柱体的残余强度所承受

62 混凝土轴心受压应力应变曲线的上升段 OC 和下降段 CD, 最大应力值 f c 及相应的应变值 ε c0 以及 D 点的应变值 ( 称极限压应变值 ε cu ) 成为曲线的三个特征值 对于均匀受压的棱柱体试件, 其压应力达到 f c 时, 混凝土就不能承受更大的压力, 成为结构构件计算时混凝土强度的主要指标 与 f c 相比对应的应变 ε c0 随混凝土强度等级而异, 约在 (1.5~2.5) 10-3 间变动, 平均值为 ε c0 = 应力 - 应变曲线中相应于 D 点的混凝土极限压应变 ε cu 约为 (3.0~5.0) 10-3

63 影响混凝土轴心受压应力 - 应变曲线的主要因素 : 1 混凝土强度 2 应变速率 图 1-11 强度等级不同的混凝土的应力 - 应变曲线 3 测试技术和试验条件 63

64 (2) 混凝土的弹性模量与变形模量 混凝土的弹性模量有三种表示方法 1 原点弹性模量 E c 2 切线模量 E c 3 变形模量 E c 图 1-12 混凝土变形模量的表示方法

65 我国 公路桥规 混凝土弹性模量 E c 取值方法 : 试验采用棱柱体试件, 取应力上限为 σ=0.5 f c, 然后卸荷至零, 再重复加载卸荷 5~10 次, 变形已基本趋于稳定, 应力 应变曲线接近于直线 ( 图 1-13), 该直线的斜率即作为混凝土弹性模量的取值 混凝土弹性模量是根据混凝土棱柱体标 准试件, 用标准的试验方法所得的规定 压应力值与其对应的压应变值的比值 图 1-13 测定混凝土弹性模量的方法

66 混凝土 E c 的经验公式为 : E c ( f cu, k ) (MPa) (1-7) f cu, k 混凝土立方体抗压强度标准值. 混凝土弹性模量值见附表 1-2 取混凝土的受拉弹性模量与受压弹性模量相等

67 混凝土的剪切弹性模量 G c, 一般可根据试验测得的混凝 土弹性模量 E c 和泊松比按式 (1-8) 确定 : G c E c 2(1 ) c (1-8) 其中 v c 为混凝土的横向变形系数 ( 泊松比 ) 取 v c =0.2 时, 代入式 (1-8) 得到 G c =0.4E c

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69 2) 混凝土在长期荷载作用下的变形性能 徐变变形 在荷载的长期作用下, 混凝土的变形将随时间而增加, 即 在应力不变的情况下, 混凝土的应变随时间继续增长, 这种现 象被称为混凝土的徐变 混凝土徐变变形是在持久作用下混凝土结构随时间推移而 增加的应变

70 图 1-14 为 100mm 100mm 400mm 的棱柱体试件在相对 湿度为 65% 温度为 20 承受 σ=0.5f c 压应力并保持不变的 情况下变形与时间的关系曲线 图 1-14 混凝土的徐变曲线

71 图 1-15 压应力与徐变的关系

72 影响混凝土徐变的因素 (1) 混凝土在长期荷载作用下产生的应力大小 图 1-15 表明, 当压应力 σ 0.5f c 时, 徐变大致与应力成正比, 各条徐变曲线的间距差不多是相等的, 称为线性徐变 线性徐变在加荷初期增长很快, 一般在两年左右趋以稳定, 三年左右徐变即告基本终止 当压应力 σ 介于 (0.5~0.8)f c 之间时, 徐变的增长较应力的增长为快, 这种情况称为非线性徐变 当压应力 σ>0.8f c 时, 混凝土的非线性徐变往往是不收敛的

73 (2) 加荷时混凝土的龄期 加荷时混凝土龄期越短, 则 徐变越大 图 1-16 加荷时混凝土龄期对徐变大小的影响 (3) 混凝土的组成成分和配合比

74 (4) 养护及使用条件下的温度与湿度 当环境介质的温度和湿度保持不变时, 混凝土内水分的逸失取决于构件的尺寸和体表比 ( 构件体积与表面积之比 ) 构件的尺寸越大, 体表比越大, 徐变就越小 图 1-17 构件尺寸对徐变的影响

75 3) 混凝土的收缩 在混凝土凝结和硬化的物理化学过程中体积随时间推移 而减小的现象称为混凝土收缩 混凝土在不受力情况下的这种自由变形, 在受到外部或 内部 ( 钢筋 ) 约束时, 将产生混凝土拉应力甚至开裂

76 混凝土的收缩是一种随时间而增长的变形 ( 图 1-18) 结硬初期收缩变形发展很快, 两周可完成全部收缩的 25%, 一个月约可完成 50%, 三个月后增长缓慢, 一般两年后趋于稳定, 最终收缩变形值约为 (2~6) 10-4 图 1-18 混凝土的收缩变形与时间关系

77 引起混凝土收缩的原因 : 主要是硬化初期水泥石在水化凝固结硬过程中产生的体积变化, 后期主要是混凝土内自由水分蒸发引起的干缩 影响混凝土收缩的因素 : (1) 混凝土的组成和配合比 (2) 混凝土构件的养护条件 使用环境的温度与湿度等 (3) 混凝土构件的体表比

78 钢筋混凝土基本概念及材料力学性能 : 重点 : 1.1 钢筋混凝土结构的基本概念 1.2 混凝土物理力学性能 1.3 钢筋物理力学性能 1.4 钢筋与混凝土之间的粘结

79 一 钢筋的化学成分 铁 Fe 碳 C 和其他合金元素等 制作钢筋的钢材按照化学成分分可以分为 : 碳素钢 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%) 含碳量越高, 强度越高, 塑性 可焊性越低 低合金钢 在碳素钢的基础上, 冶炼时加入少量合金元素 ( 如硅 锰等 ) 而成 强度高 塑性好

80 三 常用钢筋的品种 热轧钢筋 钢丝 钢绞线 热处理钢筋等 刻痕钢丝刻痕钢丝 3 股钢绞线量测尺寸股钢绞线量测尺寸绞线线 螺旋肋钢丝螺旋肋钢丝 D 公称直径 A 3 股钢绞线量测尺寸 钢绞线 热轧钢筋钢丝钢绞线 图用低碳钢 普通低 2-1 常用钢筋形式 2-1 常用钢筋形式合金钢在高温下轧制而成 直径较小, 有冷拉钢丝 消除应力钢丝等, 外形有光面 刻痕和螺旋肋三种, 一般用于预应力混凝土结构 由多根高强钢丝在绞丝机上绞图 2-1 常用钢筋形合, 再经过低温回火制成 通常有二股 三股和七股钢绞线, 用于预应力混凝土结构

81 1.3 钢筋 配筋混凝土结构中采用的钢筋有由热轧低碳钢 低合金钢所制成的普通钢筋和由高碳钢制成的预应力钢筋 ( 例如, 高强度碳素钢丝 钢绞线等 ) 钢筋混凝土结构采用的普通 钢筋为热轧钢筋 图 1-19 热轧钢筋的外形 a) 光圆钢筋 ;b) 螺纹钢筋 ; c) 人字形钢筋 ;d) 月牙形钢筋

82 1.3.1 热轧钢筋的种类 热轧带肋钢筋截面包括纵肋和横肋, 外周不是一个光滑连 续的圆周, 因此, 热轧带肋钢筋直径采用公称直径 公称直径是与钢筋的公称横截面积相等的圆的直径, 即以 公称直径的圆面积就是钢筋的截面面积 对于热轧光圆钢 筋截面, 其直径就是公称直径

83 1.3.2 热轧钢筋的强度等级和牌号 钢筋的牌号是根据钢筋屈服强度标准值 制造成型方式及种类等规定加以分类的代号 热轧钢筋的牌号是由英文字母缩写和屈服强度标准值组成

84 细晶粒系列 HRBF 钢筋,HRB500 钢筋和热处理钢筋 RRB400 都不能用作承受疲劳作用的钢筋, 这时宜采用 HRB400 钢筋 目前, 公路桥规 规定公路桥梁钢筋混凝土结构使用的热轧钢筋牌号为 R235(HPB235) HRB335 HRB400 和 KL400(RRB400) 当钢筋混凝土构件处于受侵蚀物质等影响的环境中时, 公路桥规 建议可以采用环氧树脂涂层钢筋 环氧树脂涂层钢筋时在工厂生产条件下, 用热轧钢筋采用环氧树脂粉来以静电喷涂方法生产的钢筋

85 1.3.3 热轧钢筋的强度与变形 1-20: 热轧钢筋试件单向拉伸试验的典型应力 应变曲线见图 弹性阶段 (0~a) 屈服阶段 (a~f) 强化阶段 (f~d) 破坏阶段 (d~e) 图 1-20 有明显流幅的钢筋应力 应变曲线

86 从工程结构设计角度来看, 应当注意有关热轧钢筋强度的以下情况 : (1) 热轧钢筋的拉伸应力 应变曲线有明显的屈服点和流幅, 断裂时有颈缩现象 ; (2) 热轧钢筋的应力到达屈服点后, 会产生很大的塑性变形 ( 流幅 ), 使钢筋混凝土构件出现很大的变形和过宽的混凝土裂缝, 以致不能正常使用, 因此, 以屈服强度作为钢筋强度限值, 且按其屈服下限确定 (3) 钢筋极限强度是钢筋的实际破坏强度 钢筋屈服强度与极限强度的比值称为屈强比, 它可以代表钢筋的强度储备, 国家标准规定热轧钢筋的屈强比应不大于 0.8

87 1.3.4 热轧钢筋的塑性性能 热轧钢筋除应具有足够的强度外, 还应具有一定的塑性变形能力, 通常用伸长率和冷弯性能两个指标来衡量 (1) 伸长率是由热轧钢筋单向拉伸试验得到其伸长率值 钢筋断后伸长率是指钢筋试件上标距为 10d 或 5d(d 为钢筋公称直径 ) 范围内的伸长值与原长的比率, 伸长值即为图 1-20 所示钢筋应力 应变曲线中 e 点的横坐标值

88 (2) 冷弯性能 工程上钢筋在工地现场进行冷加工, 形成满足设计要求的 各种形状的钢筋, 基本形式是钢筋的弯钩和弯折 ( 图 1-21) 为了使钢筋在加工 使用时不开裂 弯断或脆断, 钢筋必须满足冷弯性能要求 图 1-21 钢筋的弯钩与弯折示意图 ( 尺寸单位 :mm) a) 钢筋 135 弯钩 ; b) 钢筋的弯折

89 钢筋冷弯性能试验将钢筋标准试件放在冷弯试验机上, 用有一定弯心直径 D 的冲头, 在常温下对标准试件施加力使之弯曲达到规定弯角 (180 或 90 ) 检查钢筋标准试件表面, 不出现裂纹, 起层, 鳞落或断裂现象, 则认为钢筋冷弯性能合格 钢冲头 钢筋标准试件 试验台座 试验前 钢筋试件冷弯试验 冷弯后 冲头 冷弯试验后的钢筋试件

90 1.4 钢筋与混凝土之间的粘结 在钢筋混凝土结构中, 钢筋和混凝土这两种材料之所以能共同工作的基本前提是具有足够的粘结强度, 能承受由于变形差 ( 相对滑移 ) 沿钢筋与混凝土接触面上产生的剪应力, 通常把这种剪应力称为粘结应力

91 无粘结梁受荷前 s =0 无粘结梁受荷后 相对滑移 受力性能同素混凝土梁

92 端部有锚固无粘结梁受荷前 有粘结梁受荷前 s = 常数 端部有锚固无粘结梁受荷后 有粘结梁受荷后 dx

93 1.4.1 粘结的作用 通过对粘结力基准试验和模拟构件 试验, 可以测定出粘结应力的分布 情况, 了解钢筋和混凝土之间的粘 结作用的特性 钢筋自混凝土试件 中的拔出试验就是一种对粘结力的 观测试验 图 1-22 为钢筋一端埋置在混凝土试 件中, 在钢筋伸出端施加拉拔力的 拔出试验示意图 图 1-22 光圆钢筋的拔出试验 a) 试验示意图 ; b) 粘结应力分布图 ; c) 钢筋应力分布图 ; d) 钢筋隔离体受力

94 图 1-23 钢筋的粘结应力分布图 a) 光圆钢筋情况 ; b) 带肋钢筋情况

95 1.4.2 粘结机理分析 光圆钢筋与混凝土的粘结作用主要由三部分组成 : (1) 混凝土中水泥胶体与钢筋表面的化学胶着力 ; (2) 钢筋与混凝土接触面上的摩擦力 ; (3) 钢筋表面粗糙不平产生的机械咬合作用 其中胶着力所占比例很小, 发生相对滑移后, 光圆钢筋与混凝土之间的粘结力主要由摩擦力和咬合力提供

96 带肋钢筋与混凝土之间的胶着力和摩擦力仍然存在, 但带肋钢筋与混凝土之间的粘结力主要是钢筋表面凸起的 肋纹与混凝土的机械咬合作用 ( 图 1-24) 图 1-24 变形钢筋横肋处的挤压力和内部裂缝图

97 径向分力 (1) 变形钢筋受力后, 其凸出的肋对混凝土产生斜向挤压力 (2) 水平分力使钢筋周围的混凝土轴向受拉 受剪, 并使混凝土产生内部斜向锥形裂缝 径向分力使混凝土中产生环向拉力, 并使混凝土产生内部径向裂缝

98 (3) 径向裂缝发展到构件表面, 产生劈裂裂缝, 机械咬合作用很快丧失, 产生劈裂式粘结破坏

99 (4) 若肋前部的混凝土在水平分力和剪力作用下被挤碎, 发生沿肋外径圆柱面的剪切破坏, 即形成 刮梨式 粘结破坏 ( 在钢筋周围的横向钢筋较多或混凝土的保护层厚度较大时发生 ) (5) 刮梨式 粘结破坏是变形钢筋与混凝土粘结强度的上限 钢筋

100 锚固长度拔出试验 u F dl s A dl s 钢筋屈服时未被拔出的最小埋长称受拉钢筋的基本锚固长度

101 1.4.3 影响粘结强度的因素 (1) 光圆钢筋及变形钢筋的粘结强度均随混凝土强度等级的提高而提高, 但并不与立方体强度 f cu 成正比 (2) 浇筑混凝土时钢筋所处的位置 (3) 截面上有多根钢筋并列一排时, 钢筋之间的净距 (4) 混凝土保护层厚度 (5) 带肋钢筋与混凝土的粘结强度比用光圆钢筋时大

102 思考题 : 1 钢筋和混凝土之间的黏结力是怎样产生的? 影响黏结力的因素有哪些? 2 钢筋混凝土之所以能一起工作的原因有哪些? 3 简述混凝土一次短期加载时的变形特点 4 什么是混凝土的徐变? 它有何变化规律? 5 钢材 ( 软钢 ) 的应力 - 应变关系曲线特征是什么? 6 什么是钢筋的冷作硬化? 什么是时效? 7 什么是混凝土的收缩和膨胀?

7

7 第 1 章绪 论 学习目标 : (1) 理解混凝土结构形成机理, 钢筋和混凝土共同工作的原因 ; (2) 熟悉混凝土结构的特点 发展和应用 ; (3) 理解本课程的特点和学习方法 1.1 混凝土结构的基本概念和特点 1.1.1 混凝土结构的基本概念 以混凝土为主要材料制作的结构称为混凝土结构, 包括素混凝土结构 钢筋混凝土结构 预应力混凝土结构等 素混凝土结构是指无筋或不配置受力钢筋的混凝土结构,

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