第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土02.2 02.2 混凝土混凝土ConcreteQuestions: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?钢筋和混凝土的材料性能课件第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土2.2 2.2 混凝土混凝土 (P.12) 一、混凝土的强度一、混凝土的强度1、混凝土强度等级（、混凝土强度等级（ Strength Grade ） 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(Compressive Strength) )。因因此此抗抗压压强强度度是是混混凝凝土土力力学学性性能能中中最最主主要要和和最最基基本本的指标。的指标。混凝土的强度等级是用抗压强度来划分的混凝土的强度等级是用抗压强度来划分的混混凝凝土土强强度度等等级级 ： (P.12) 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0.150.3N/mm2/sec，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(Cube Strength fcu,k)，混混凝凝土土强强度等级用符号度等级用符号C表示。表示。 C30：fcu,k=30N/mm2 钢筋和混凝土的材料性能课件第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土规范根据强度范围，规范根据强度范围，从从C15C80共划分为共划分为14个强度等级个强度等级，级差为级差为5N/mm2。与原规范与原规范GBJ10-89相比，混凝土强度等级范围由相比，混凝土强度等级范围由C60提提高到高到C80，C50以上为以上为高强混凝土高强混凝土，有关指标和计算公式在，有关指标和计算公式在C50与原规范与原规范GBJ10-89衔接。衔接。100mm立方体强度与标准立方体强度之间的换算关系立方体强度与标准立方体强度之间的换算关系Size Affection小于小于C50的混凝土，修正系数的混凝土，修正系数m m =0.95。随混凝土强度的提高，修。随混凝土强度的提高，修正系数正系数m m 值有所降低。当值有所降低。当fcu100=100N/mm2时，换算系数时，换算系数m m 约为约为0.9钢筋和混凝土的材料性能课件第二章 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?钢筋和混凝土的材料性能课件第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土美国、日本、加拿大等国家，采用圆柱体（直径美国、日本、加拿大等国家，采用圆柱体（直径150mm，高高300 mm）标准试件测定的抗压强度来划分强度等级，符）标准试件测定的抗压强度来划分强度等级，符号记为号记为 fc。圆柱体强度与我国标准立方体抗压强度的换算关系为，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（和品质的标准（制作、测试方便制作、测试方便）。）。钢筋和混凝土的材料性能课件第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土2、轴心抗压强度、轴心抗压强度Axial Compressive Strength (P.12) 轴轴心心抗抗压压强强度度采采用用棱棱柱柱体体试试件件测测定定，用用符符号号 f c 表表示示，它它比比较较接接近近实实际际构构件件中中混混凝凝土土的的受受压压情情况况。棱棱柱柱体体试试件件高高宽宽比比一一般般为为h/b=34，我我国国通通常常取取150mm150mm450mm的的棱棱柱柱体体试试件件，也常用也常用100100300试件。试件。对于同一混凝土，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小于立方体抗压强度。棱柱。棱柱体抗压强度和立方体抗压强度的换算关系为，体抗压强度和立方体抗压强度的换算关系为，规范对小于规范对小于C50级的混凝土取级的混凝土取1=0.76，对，对C80取取1 =0.82，其间按线性插值，如其间按线性插值，如C60混凝土，棱柱体抗压强度为：混凝土，棱柱体抗压强度为：钢筋和混凝土的材料性能课件第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土 规范考虑到试件规范考虑到试件与实际结构的差异与实际结构的差异以及以及高强混凝土高强混凝土的脆性特征的脆性特征，对轴心抗压强度和轴心抗拉强度，还采用了以，对轴心抗压强度和轴心抗拉强度，还采用了以下两个下两个折减系数折减系数：结构中混凝土强度与混凝土试件强度的比值，取结构中混凝土强度与混凝土试件强度的比值，取0.88；脆性折减系数脆性折减系数2，对，对C40取取1.0，对，对C80取取0.87，中间按线，中间按线性规律变化。性规律变化。例例 fcu=30MPa, d d =0.12, fcu,m=fcu/(1-1.645d d) fc,m=0.76fcu,m fc,k=fc,m(1-1.645d d)0.881.0 =0.76fcu0.88 1.0 =20.06MPa钢筋和混凝土的材料性能课件第二章 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?钢筋和混凝土的材料性能课件第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土fc 24/28钢筋和混凝土的材料性能课件第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土3、轴心抗拉强度、轴心抗拉强度Axial Tensile Strength (P.10)也是其基本力学性能，用符号也是其基本力学性能，用符号 ft 表示。混凝土构件开裂、裂缝、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。变形，以及受剪、受扭、受冲切等的承载力均与抗拉强度有关。钢筋和混凝土的材料性能课件第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土劈拉试验PaP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试验测定混凝土的抗拉强度(Splitting Strength )钢筋和混凝土的材料性能课件第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土钢筋和混凝土的材料性能课件第二章 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、混凝土强度的标准值 Characteristic Strength规范规定材料强度的标准值规范规定材料强度的标准值 fk 应具有不小于应具有不小于95%的保证率的保证率立方体强度标准值立方体强度标准值即为混凝土强度等级即为混凝土强度等级fcu。规范在确定混凝土轴心抗压强度和轴心抗拉强度标准值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。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:Can you feel safe enough to use characteristic strength?钢筋和混凝土的材料性能课件第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土钢筋和混凝土的材料性能课件第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土混混凝凝土土在在结结硬硬过过程程中中，由由于于水水泥泥石石的的收收缩缩、骨骨料料下下沉沉以以及及温温度度变变化化等等原原因因，在在骨骨料料和和水水泥泥石石的的界界面面上上形形成成很很多多微微裂裂缝缝 Micro-fissure，成成为为混混凝凝土土中中的的薄薄弱弱部部位位。混混凝凝土土的的最最终终破破坏坏就就是是由由于于这这些些微微裂裂缝缝的的发发展展造成的。造成的。02468102030s(MPa)e 10-3BACED二、混凝土破坏机理二、混凝土破坏机理 Failure Mechanism P.14钢筋和混凝土的材料性能课件02468102030s(MPa)e 10-3第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土AA点点以以前前，微微裂裂缝缝没没有有明明显显发发展展，混混凝凝土土的的变变形形主主要要弹弹性性变变形形，应应力力-应应变变关关系系近近似似直直线线。A点点应应力力随随混混凝凝土土强强度度的的提提高高而而增增加加，对对普普通通强强度度混混凝凝土土s sA约约为为 (0.30.4)fc ，对对高高强强混混凝凝土土s sA可可达达(0.50.7)fc。BCED钢筋和混凝土的材料性能课件02468102030s(MPa)e 10-3第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土BAA点点以以后后，由由于于微微裂裂缝缝处处的的应应力力集集中中，裂裂缝缝开开始始有有所所延延伸伸发发展展，产产生生部部分分塑塑性性变变形形，应应变变增增长长开开始始加加快快，应应力力-应应变变曲曲线线逐逐渐渐偏偏离离直直线线。微微裂裂缝缝的的发发展展导导致致混混凝凝土土 的的 横横 向向 变变 形形 增增 加加 Expansion。但但该该阶阶段段微裂缝的发展是稳定的。微裂缝的发展是稳定的。CED钢筋和混凝土的材料性能课件02468102030s(MPa)e 10-3第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土BA达达到到B点点，内内部部一一些些微微裂裂缝缝相相互互连连通通，裂裂缝缝发发展展已已不不稳稳定定，横横向向变变形形突突然然增增大大，体体积积应应变变开开始始由由压压缩缩转转为为增增加加。在在此此应应力力的的长长期期作作用用下下，裂裂缝缝会会持持续续发发展展最最终终导导致致破破坏坏。取取B点点的的应应力力作作为为混混凝凝土土的的长长期期抗抗压压强强度度。普普通通强强度度混混凝凝土土s sB约约为为0.8fc，高高强强强强度度混混凝土凝土s sB可达可达0.95fc以上。以上。CED钢筋和混凝土的材料性能课件02468102030s(MPa)e 10-3第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土BACED达达到到C点点fc，内内部部微微裂裂缝缝连连通通形形成成破破坏坏面面，应应变变增增长长速速度度明明显显加加快快，C点点的的纵纵向向应应变变值值称称为为峰峰值应变值应变 e e 0，约为，约为0.002。纵纵向向应应变变发发展展达达到到D点点，内内部部裂裂缝缝在在试试件件表表面面出出现现第第一一条条可可见见平平行行于于受受力方向的纵向裂缝。力方向的纵向裂缝。钢筋和混凝土的材料性能课件02468102030s(MPa)e 10-3第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土BACED随应变增长，试件上相随应变增长，试件上相继出现多条不连续的纵继出现多条不连续的纵向裂缝，横向变形急剧向裂缝，横向变形急剧发展，承载力明显下降。发展，承载力明显下降。钢筋和混凝土的材料性能课件02468102030s(MPa)e 10-3第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土BACED混混凝凝土土骨骨料料与与砂砂浆浆的的粘粘结结不不断断遭遭到到破破，裂裂缝缝连连通通形形成成斜斜向向破破坏坏面面。E点点的的应应变变e e = (23) e e 0，应力应力s s = (0.40.6) fc。钢筋和混凝土的材料性能课件02468102030s(MPa)e 10-3第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土BACEDE点点以以后后，纵纵向向裂裂缝缝形形成成一一斜斜向向破破坏坏面面，此此破破坏坏面面受受正正应应力力和和剪剪应应力力的的作作用用继继续续扩扩展展，形形成成一一破破坏坏带带。此此时时试试件件的的强强度度由由斜斜向向破破坏坏面面上上的的骨骨料料间间的的摩摩阻阻力力提提供供。随随应应变变继继续续发发展展，摩摩阻阻力力和和粘粘结结力力不不断断下下降降，但但即即使使在在很很大大的的应应变变下下，骨骨料料间间仍仍有有一一定定摩摩阻阻力力，残残余余强强度度约约为为(0.10.4) fc。钢筋和混凝土的材料性能课件第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土钢筋和混凝土的材料性能课件第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土由由上上述述混混凝凝土土的的破破坏坏机机理理可可知知，微微裂裂缝缝的的发发展展导导致致横横向向变变形形的的 增增大大。对对横横向向变变形形加加以以约约束束(Lateral Constraint )，就就可可以以限限制制微微裂裂缝缝的的发发展展，从从而而可可提提高高混混凝凝土土的的抗抗压压强强度度。立立方方体体试试件件受受约约束束范范围围大大，而而棱棱柱柱体体试试件件中中部部未未受受约约束束，因因此此造造成成了了不不同同受受压压试试件强度的差别和破坏形态的不同。件强度的差别和破坏形态的不同。局部受压强度局部受压强度fcl (Local Compressive Strength) 比轴比轴心抗压强度心抗压强度 fc 大很多，也是大很多，也是因为局部受压面积以因为局部受压面积以 外的混外的混凝土对局部受压区凝土对局部受压区 域内部混域内部混凝土微裂缝产生凝土微裂缝产生 了较强的约了较强的约束。束。局部受压试件钢筋和混凝土的材料性能课件局部抗压强度局部抗压强度 Local Bearing Strength第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土钢筋和混凝土的材料性能课件第二章 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度的差别，还可以通过约束混凝土的横向变形横向变形来提高混凝土的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抗压强度。如图采用配置螺旋箍筋形成所谓“约束混凝土约束混凝土”，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。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。螺旋箍筋约束混凝土螺旋箍筋约束混凝土钢筋和混凝土的材料性能课件螺旋箍筋约束混凝土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 混凝土由由螺螺旋旋箍箍筋筋约约束束混混凝凝土土的的应应力力-应应变变曲曲线线可可见见，当当应应力力较较小小时时，横横向向变变形形很很小小，箍箍筋筋的的约约束束作作用用不不明明显显；当当应应力力超超过过B点点的的应应力力时时，由由于于混混凝凝土土的的横横向向变变形形开开始始显显著著增增大大，侧侧向向膨膨胀胀使使螺螺旋旋箍箍筋筋产产生生环环向向拉拉应应力力，其其反反作作用用力力使使混混凝凝土土的的横横向向变变形形受受到到约约束束，从从而使混凝土的而使混凝土的强度强度和和变形能力变形能力都得到提高。都得到提高。钢筋和混凝土的材料性能课件第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土“约约束束混混凝凝土土(Confined Concrete) )”的的概概念念在在工工程程中中许许多多地地方方都都有有应应用用，如如螺螺旋旋箍箍筋筋柱柱、后后张张法法预预应应力力锚锚具具下下局局部部受受压压区区域域配配置置的的钢钢筋筋网网或或螺螺旋旋筋筋等等。而而钢钢管管混混凝凝土土(Concrete Filled Tube)对对内内部部混混凝凝土土的的约约束束效效果果更更好好，因因此此近近年年来来在在我我国国工工程程中得到许多应用。中得到许多应用。约约束束混混凝凝土土可可以以提提高高混混凝凝土土的的强强度度，但但更更值值得得注注意意的的是是可可以以提提高高混混凝凝土土的的变变形形能能力力(Deformation Capacity)，这这一一点点对对于于抗抗震结构非常重要。震结构非常重要。在在抗抗震震结结构构对对于于可可能能出出现现塑塑性性铰铰的的区区域域，均均要要求求加加密密箍箍筋筋配配置置来提高构件的变形能力，达到来提高构件的变形能力，达到坏而不倒坏而不倒的目的。的目的。由由螺螺旋旋箍箍筋筋约约束束混混凝凝土土的的应应力力-应应变变曲曲线线可可见见，当当应应力力较较小小时时，横横向向变变形形很很小小，箍箍筋筋的的约约束束作作用用不不明明显显；当当应应力力超超过过B点点的的应应力力时时，由由于于混混凝凝土土的的横横向向变变形形开开始始显显著著增增大大，侧侧向向膨膨胀胀使使螺螺旋旋箍箍筋筋产产生生环环向向拉拉应应力力，其其反反作作用用力力使使混混凝凝土土的的横横向向变变形形受受到到约约束束，从从而使混凝土的而使混凝土的强度强度和和变形能力变形能力都得到提高。都得到提高。钢筋和混凝土的材料性能课件