第二章材料力学性能.pptx
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1、材料的力学性能材料的力学性能材料的力学性能材料的力学性能钢钢 筋筋混混 凝凝 土土两者间的粘结两者间的粘结强强 度度变变 形形粘结破坏的粘结破坏的过程和机理过程和机理第第3 3章章 材料的物理力学性能材料的物理力学性能第1页/共107页混凝土(砼)材料混凝土(砼)材料 混凝土材料是由水泥、砂、石子和水按一定比例组成,混凝土材料是由水泥、砂、石子和水按一定比例组成,经凝结和硬化形成的,属于复合材料。经凝结和硬化形成的,属于复合材料。混凝土是由水泥结晶体、水泥凝胶体和内部微裂缝组成的混凝土是由水泥结晶体、水泥凝胶体和内部微裂缝组成的第第3 3章章 材料的物理力学性能材料的物理力学性能 3.2 3.
2、2 混凝土的物理力学性能混凝土的物理力学性能 第2页/共107页混凝土的强度混凝土的强度u 混凝土强度等级混凝土强度等级 混混凝凝土土结结构构中中,主主要要是是利利用用它它的的抗抗压压强强度度。因因此此抗抗压压强强度是混凝土力学性能中最主要和最基本的指标。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混凝土的强度等级是用立方体抗压强度标准值立方体抗压强度标准值来划分的。来划分的。混混凝凝土土强强度度等等级级:边边长长150mm立立方方体体标标准准试试件件,在在标标准准条条件件下下(203,90%湿湿度度)养养护护28天天,用用标标准准试试验验方方法法(加加载载速速度度0.150
3、.3N/mm2/s,两两端端不不涂涂润润滑滑剂剂)测测得得的的具具有有95%保保证证率率的的立立方方体体抗抗压压强强度度,用用符符号号C表表示示,C30表表示立方体抗压强度标准值示立方体抗压强度标准值第第3 3章章 材料的物理力学性能材料的物理力学性能 3.2 3.2 混凝土的物理力学性能混凝土的物理力学性能 第3页/共107页第第3 3章章 材料的物理力学性能材料的物理力学性能 3.2 3.2 混凝土的物理力学性能混凝土的物理力学性能 1 立方体抗压强度立方体抗压强度(cubic compressive strength)规范根据强度范围,从C15C80共划分为14个强度等级,级差为5N/m
4、m2。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。影响因素:尺寸效应:尺寸越大,内部缺陷较多,强度较低。加载速度:加载速度越快,强度越高。端部约束:涂润滑油,强度降低。150mm150mm150mm150mm150mm150mm第4页/共107页 3.2 3.2 混凝土的物理力学性能混凝土的物理力学性能 立方体抗压强度的试验立方体抗压强度的试验尺寸效应尺寸效应及及摩擦力摩擦力的影响的影响第第3 3章章 材料的物理力学性能材料的物理力学性能第5页/共107页 3.2 3.2 混凝土的物理力学性能混凝土的物理力学性能 立方体抗压强度的试验立方体抗压
5、强度的试验第第3 3章章 材料的物理力学性能材料的物理力学性能第6页/共107页未采取减摩措施未采取减摩措施采取减摩措施后采取减摩措施后 3.2 3.2 混凝土的物理力学性能混凝土的物理力学性能 第第3 3章章 材料的物理力学性能材料的物理力学性能第7页/共107页第第3 3章章 材料的物理力学性能材料的物理力学性能 3.2 3.2 混凝土的物理力学性能混凝土的物理力学性能 2 2 轴心抗压强度轴心抗压强度(prismatic compressive strength)棱柱体高度的取值:摆脱端部摩擦力的影响;试件不致失稳。与 的关系:试验目的:采用棱柱体试件,反映混凝土的实际工作状态。试件尺寸
6、:我国取 mm为标准试件。150mm150mm300mm300mmu 强度强度 第8页/共107页第第3 3章章 材料的物理力学性能材料的物理力学性能 3.2 3.2 混凝土的物理力学性能混凝土的物理力学性能 3 3 轴心抗拉强度轴心抗拉强度 与 的关系:直接受拉试验 劈裂试验kt2Ffdlp=第9页/共107页 3.2 3.2 混凝土的物理力学性能混凝土的物理力学性能 第第3 3章章 材料的物理力学性能材料的物理力学性能4 4 复杂受力状态下混凝土的强度复杂受力状态下混凝土的强度 双轴应力状态 双向受拉,接近单轴抗拉强度;双向受压,混凝土的侧向变形受到约束,强度提高;一拉一压,加速了混凝土内
7、部微裂缝的发展,抗拉、抗压强度均降低。实际混凝土结构构件大多处于复合应力状态,即双向或三向实际混凝土结构构件大多处于复合应力状态,即双向或三向受力状态。如框架梁、柱既受到柱轴向力作用,又受到弯距和受力状态。如框架梁、柱既受到柱轴向力作用,又受到弯距和剪力的作用,形成压弯、弯剪以及弯剪扭和压弯剪扭等构件。剪力的作用,形成压弯、弯剪以及弯剪扭和压弯剪扭等构件。第10页/共107页双轴应力状态双轴应力状态双向受拉,影响不大双向拉压,拉压强度均不超过其相应单轴强度。且均随另一方向拉应力或压应力的增加而减小。双向压压区,一向强度随另一向压力的增加而增加,双向受压强度比单轴强度最多提高27%。Biaxia
8、l Stress State第第3 3章章 材料的物理力学性能材料的物理力学性能第11页/共107页第第3 3章章 材料的物理力学性能材料的物理力学性能 3.2 3.2 混凝土的物理力学性能混凝土的物理力学性能 5 5 复杂受力状态下混凝土的强度复杂受力状态下混凝土的强度 三轴应力状态 试件侧向变形受到限制,其内部微裂缝的产生和发展受到阻碍,当侧压力增大时,轴向抗压强度也相应增大。混凝土的三轴抗压强度混凝土的三轴抗压强度 第12页/共107页第第3 3章章 材料的物理力学性能材料的物理力学性能 3.2 3.2 混凝土的物理力学性能混凝土的物理力学性能 6 复杂受力状态下混凝土的强度复杂受力状态
9、下混凝土的强度 剪压或剪拉复合应力状态 随着拉应力的增大,混凝土的抗剪强度降低。随着压应力的增大,混凝土的抗剪强度逐渐增大;当压应力超过某一数值后,抗剪强度随压应力增大而减小。混凝土的剪压复合强度混凝土的剪压复合强度 第13页/共107页第第3 3章章 材料的物理力学性能材料的物理力学性能 3.2 3.2 混凝土的物理力学性能混凝土的物理力学性能 7 三向三向受压时混凝土的应力受压时混凝土的应力应变曲线应变曲线 试件纵向受压时,混凝土的横向膨胀受到约束,使核心混凝土处于三向受压状态,内部微裂缝的发展受到抑制,从而提高了试件的纵向强度和延性,特别是延性大为提高。混凝土圆柱体三向受压时轴向应力混凝
10、土圆柱体三向受压时轴向应力应变曲线应变曲线 u 混凝土的应力混凝土的应力应变关系(本构关系)应变关系(本构关系)第14页/共107页第第3 3章章 材料的物理力学性能材料的物理力学性能 3.2 3.2 混凝土的物理力学性能混凝土的物理力学性能 8 一次短期加载下一次短期加载下混凝土受压的应力混凝土受压的应力应变曲线应变曲线 当0.3 时,关系接近于直线;当=(0.30.8)时,关系偏离直线;当=(0.81.0)时,内部微裂缝进入非稳定发展阶段。峰值应变 极限压应变 混凝土的应力混凝土的应力应变曲线应变曲线 第15页/共107页02468102030(MPa)10-3A比例极限比例极限B临界点临
11、界点C峰点峰点D反弯点反弯点E收敛点收敛点上升段下降段第第3 3章章 材料的物理力学性能材料的物理力学性能 3.2 3.2 混凝土的物理力学性能混凝土的物理力学性能 残余应力第16页/共107页第第3 3章章 材料的物理力学性能材料的物理力学性能 3.2 3.2 混凝土的物理力学性能混凝土的物理力学性能 不同强度混凝土应力应变关系的比较不同强度混凝土应力应变关系的比较强度等级越高,线弹性段越长,峰强度等级越高,线弹性段越长,峰值应变也有所增大。但值应变也有所增大。但高强混凝土高强混凝土中,砂浆与骨料的粘结很强,密实中,砂浆与骨料的粘结很强,密实性好,微裂缝很少,性好,微裂缝很少,最后的破坏往最
12、后的破坏往往是骨料破坏,破坏时脆性越显著,往是骨料破坏,破坏时脆性越显著,下降段越陡下降段越陡。第17页/共107页美国美国HognestadHognestad建议的应力建议的应力-应变曲线应变曲线第第3 3章章 材料的物理力学性能材料的物理力学性能 3.2 3.2 混凝土的物理力学性能混凝土的物理力学性能 第18页/共107页上升段:上升段:下降段:下降段:规范规范提出的混凝土应力提出的混凝土应力-应变曲线表达式应变曲线表达式第第3 3章章 材料的物理力学性能材料的物理力学性能 3.2 3.2 混凝土的物理力学性能混凝土的物理力学性能 0 0.001 0.002 0.003 0.004 fc
13、第19页/共107页规范规范中混凝土应力应变曲线参数的确中混凝土应力应变曲线参数的确定定第第3 3章章 材料的物理力学性能材料的物理力学性能 3.2 3.2 混凝土的物理力学性能混凝土的物理力学性能 第20页/共107页 3.2 3.2 混凝土的物理力学性能混凝土的物理力学性能 第第3 3章章 材料的物理力学性能材料的物理力学性能7 7 混凝土的变形模量混凝土的变形模量 初始弹性模量:过原点切线的斜率。切线模量:过某一点切线的斜率。割线模量:某一点与原点连线的斜率。混凝土的变形模量混凝土的变形模量 第21页/共107页 3.2 3.2 混凝土的物理力学性能混凝土的物理力学性能 第第3 3章章
14、材料的物理力学性能材料的物理力学性能弹性模量的测量方法第22页/共107页kcc0cecp0h原点弹性模量:3.2 3.2 混凝土的物理力学性能混凝土的物理力学性能 第第3 3章章 材料的物理力学性能材料的物理力学性能剪切模量:第23页/共107页第第3 3章章 材料的物理力学性能材料的物理力学性能 3.2 3.2 混凝土的物理力学性能混凝土的物理力学性能 7 7 混凝土的变形模量混凝土的变形模量 混凝土弹性模量与立方体抗压强度之间的关系:第24页/共107页 混凝土在荷载重复作用下的变形(疲劳变形)混凝土在荷载重复作用下的变形(疲劳变形)疲劳强度疲劳强度混凝土的疲劳强度由疲劳试验测定。采用混
15、凝土的疲劳强度由疲劳试验测定。采用100mm100mm300mm 或者或者150mm150mm450mm的棱柱体,把棱柱体试件承受的棱柱体,把棱柱体试件承受200万次或其以上循环荷载而发生破坏的压应力值称为混凝土万次或其以上循环荷载而发生破坏的压应力值称为混凝土的疲劳抗压强度。的疲劳抗压强度。影响因素影响因素施加荷载时的应力大小是影响应力施加荷载时的应力大小是影响应力-应变曲线不同的发展和变应变曲线不同的发展和变化的关键因素,即混凝土的疲劳强度与重复作用时应力变化的化的关键因素,即混凝土的疲劳强度与重复作用时应力变化的幅度有关。在相同的重复次数下,疲劳强度随着疲劳应力比值幅度有关。在相同的重复
16、次数下,疲劳强度随着疲劳应力比值的增大而增大。的增大而增大。第第3 3章章 材料的物理力学性能材料的物理力学性能 3.2 3.2 混凝土的物理力学性能混凝土的物理力学性能 第25页/共107页混凝土在荷载重复作用下的应力-应变关系第第3 3章章 材料的物理力学性能材料的物理力学性能 3.2 3.2 混凝土的物理力学性能混凝土的物理力学性能 第26页/共107页混凝土的收缩和徐变混凝土的收缩和徐变Shrinkage and Creep混凝土在空气中硬化时体积会缩小,这种现象称为混凝土的收缩,混凝土在空气中硬化时体积会缩小,这种现象称为混凝土的收缩,收缩是混凝土在收缩是混凝土在不受外力不受外力情况
17、下体积变化产生的变形。情况下体积变化产生的变形。混凝土在混凝土在长期不变荷载长期不变荷载的作用下,其变形随时间而不断增长的现象的作用下,其变形随时间而不断增长的现象称为徐变。称为徐变。第第3 3章章 材料的物理力学性能材料的物理力学性能 3.2 3.2 混凝土的物理力学性能混凝土的物理力学性能 第27页/共107页混凝土收缩包括混凝土收缩包括凝缩凝缩和和干缩干缩两部分,凝缩是由于水泥结晶体比原材料两部分,凝缩是由于水泥结晶体比原材料的体积小;干缩是混凝土内自由水分蒸发引起的。的体积小;干缩是混凝土内自由水分蒸发引起的。混凝土的收缩是混凝土的收缩是随时间而增长的变形随时间而增长的变形,早期收缩变
18、形发展较快,两周,早期收缩变形发展较快,两周可完成全部收缩的可完成全部收缩的25%,一个月可完成,一个月可完成50%,以后变形发展逐渐减慢,以后变形发展逐渐减慢,整个收缩过程可延续两年以上。通常,最终收缩应变值约为整个收缩过程可延续两年以上。通常,最终收缩应变值约为(25)10-4,而混凝土开裂应变为,而混凝土开裂应变为(0.52.7)10-4,说明收缩会导致开裂说明收缩会导致开裂。第第3 3章章 材料的物理力学性能材料的物理力学性能第28页/共107页混凝土的收缩受结构周围的温度、湿度、构件断面形状及尺寸、配合比、混凝土的收缩受结构周围的温度、湿度、构件断面形状及尺寸、配合比、骨料性质、水泥
19、性质、混凝土浇筑质量及养护条件等许多因素有关:骨料性质、水泥性质、混凝土浇筑质量及养护条件等许多因素有关:水泥用量多、水灰比越大,收缩越大;水泥用量多、水灰比越大,收缩越大;骨料弹性模量高、级配好,收缩就小;骨料弹性模量高、级配好,收缩就小;干燥失水及高温环境,收缩大;干燥失水及高温环境,收缩大;小尺寸构件收缩大,大尺寸构件收缩小;小尺寸构件收缩大,大尺寸构件收缩小;高强混凝土收缩大。高强混凝土收缩大。影响收缩的因素多且复杂,要影响收缩的因素多且复杂,要精确计算尚有一定的困难精确计算尚有一定的困难。在实际工程中,在实际工程中,要采取一定措施减小收缩应力的不利影响要采取一定措施减小收缩应力的不利
20、影响。混凝土收缩的影响因素混凝土收缩的影响因素当这种自发的变形受到外部(支座)或内部(钢筋)的约当这种自发的变形受到外部(支座)或内部(钢筋)的约束时,将使混凝土中产生拉应力,甚至引起混凝土的开裂。束时,将使混凝土中产生拉应力,甚至引起混凝土的开裂。混凝土收缩会使预应力混凝土构件产生预应力损失。混凝土收缩会使预应力混凝土构件产生预应力损失。第第3 3章章 材料的物理力学性能材料的物理力学性能 3.2 3.2 混凝土的物理力学性能混凝土的物理力学性能 第29页/共107页混凝土收缩的影响因素混凝土收缩的影响因素第第3 3章章 材料的物理力学性能材料的物理力学性能 3.2 3.2 混凝土的物理力学
21、性能混凝土的物理力学性能 第30页/共107页第第3 3章章 材料的物理力学性能材料的物理力学性能 3.2 3.2 混凝土的物理力学性能混凝土的物理力学性能 8 8 混凝土的徐变混凝土的徐变 定义:在不变荷载长期作用下,混凝土的变形随时间而徐徐 增长的现象。徐变的特点:开始增长较快,以后逐渐减慢,最后趋于稳定。混凝土的徐变混凝土的徐变 第31页/共107页第第3 3章章 材料的物理力学性能材料的物理力学性能 3.2 3.2 混凝土的物理力学性能混凝土的物理力学性能 8 8 混凝土的徐变混凝土的徐变 徐变的原因:水泥凝胶体的黏性流动,使骨料应力增大。混凝土中内部微裂缝的发展。影响徐变的因素:应力
22、的大小;混凝土的龄期;混凝土的制作、养护环境;水灰比与水泥用量;骨料用量及力学性能。第32页/共107页第第3 3章章 材料的物理力学性能材料的物理力学性能 3.2 3.2 混凝土的物理力学性能混凝土的物理力学性能 线性徐变线性徐变第33页/共107页第第3 3章章 材料的物理力学性能材料的物理力学性能 3.2 3.2 混凝土的物理力学性能混凝土的物理力学性能 8 8 混凝土的徐变混凝土的徐变徐变对结构设计的影响:使钢筋混凝土构件截面产生内力重分布;使受弯构件和偏压构件的变形加大;使预应力混凝土构件产生预应力损失。第34页/共107页第第3 3章章 材料的物理力学性能材料的物理力学性能 3.2
23、 3.2 混凝土的物理力学性能混凝土的物理力学性能 第35页/共107页主要成分为主要成分为铁铁元素,还含有少量的碳、硅、锰、硫、磷等元素,力学性元素,还含有少量的碳、硅、锰、硫、磷等元素,力学性能主要与能主要与碳碳的含量有关:的含量有关:%含碳量越高,则钢筋的强度越高,质地硬,但塑性、韧性、耐腐蚀性含碳量越高,则钢筋的强度越高,质地硬,但塑性、韧性、耐腐蚀性变差。变差。若含碳量低于若含碳量低于0.25,则称为低碳钢,钢筋混凝土结构中多应用的是低,则称为低碳钢,钢筋混凝土结构中多应用的是低碳钢。碳钢。少量的合金元素如硅、锰、钛、铬等,可以有效地提高钢材的强度和改少量的合金元素如硅、锰、钛、铬等
24、,可以有效地提高钢材的强度和改善钢材的其他性能。善钢材的其他性能。20MnSi 前面的前面的20指的是平均含碳量的万分数,其他化学元素的含量在指的是平均含碳量的万分数,其他化学元素的含量在1.5以下。以下。u 钢筋的成分钢筋的成分第一节第一节 钢筋钢筋第第3 3章章 材料的物理力学性能材料的物理力学性能 3.1 3.1 钢筋的物理力学性能钢筋的物理力学性能 第36页/共107页 钢筋的形式和种类钢筋的形式和种类1.钢筋的化学成分钢筋的化学成分元素名元素名强度强度塑性塑性可焊性可焊性 不利影响不利影响Fe C Si Mn P S 冷脆冷脆热脆热脆第37页/共107页u 根据钢筋制作方法分类:根据
25、钢筋制作方法分类:热轧钢筋、热处理钢筋和冷加工钢筋 热轧钢筋是由低碳钢、普通低合金钢在高温状况下轧制而成热轧钢筋是由低碳钢、普通低合金钢在高温状况下轧制而成的钢筋。的钢筋。热处理钢筋又称调质钢筋,是用中碳低合金带肋钢筋通过加热、热处理钢筋又称调质钢筋,是用中碳低合金带肋钢筋通过加热、淬火和回火等调质工艺处理的钢筋。淬火和回火等调质工艺处理的钢筋。热处理后,钢筋强度热处理后,钢筋强度能得到较大幅度提高,而塑性降低不多。能得到较大幅度提高,而塑性降低不多。热轧钢筋强度不是很高但塑性较好,一般钢筋混凝热轧钢筋强度不是很高但塑性较好,一般钢筋混凝土结构中的钢筋和预应力混凝土结构中的非预应力普通钢筋土结
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