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1、第1页/共127页第2页/共127页第3页/共127页第4页/共127页上海莘庄大型立交工程上海莘庄大型立交工程该工程由15条线路，6条主线、20个定向匝道构成；占地面积45.8公顷，整个立交桥梁结构长度11.1公里、面积8.4万m2。第5页/共127页第6页/共127页第7页/共127页江阴长江大桥第8页/共127页第9页/共127页第10页/共127页第11页/共127页第12页/共127页第13页/共127页第14页/共127页第15页/共127页第16页/共127页第17页/共127页第18页/共127页0.2本课程特点本课程特点结构工程科学研究的一般规律：结构工程科学研究的一般规律：
2、从工程实践中提出要求和问题，精心调查和从工程实践中提出要求和问题，精心调查和统计、实验研究、理论分析、计算对比、找统计、实验研究、理论分析、计算对比、找出解决问题的方法；出解决问题的方法；研究一般的变化规律，揭示作用机理，建立研究一般的变化规律，揭示作用机理，建立物理模型和数学表达，确定计算方法和构造物理模型和数学表达，确定计算方法和构造措施，回到工程实践中验证，改进和补充。措施，回到工程实践中验证，改进和补充。混凝土结构作为结构工程的一个分支，亦服混凝土结构作为结构工程的一个分支，亦服从上述规律。从上述规律。钢筋混凝土结构优点、缺点：钢筋混凝土结构优点、缺点：第19页/共127页参考教材参考
3、教材 1 钢筋混凝土原理和分析钢筋混凝土原理和分析 过镇海过镇海 时旭东主编时旭东主编 清清华大学出版社华大学出版社 2003 2 混凝土结构基本原理混凝土结构基本原理 蓝宗建主编蓝宗建主编 东南大学出东南大学出版社版社 2002 3 混凝土结构设计规范理解与应用混凝土结构设计规范理解与应用 徐有邻徐有邻 周氐编周氐编著著 中国建筑工业出版社中国建筑工业出版社 2002 4 钢筋混凝土结构理论钢筋混凝土结构理论 王传志、藤智明主编王传志、藤智明主编 中中国建筑工业出版社国建筑工业出版社 1985 5 钢筋混凝土非线性分析钢筋混凝土非线性分析 朱伯龙、董振祥朱伯龙、董振祥 同济大同济大学出版社学
4、出版社 1985 6 多种混凝土材料的本构关系和破坏准则多种混凝土材料的本构关系和破坏准则 宋玉普宋玉普 中国水利水电出版社中国水利水电出版社 2002第20页/共127页第一篇第一篇 混凝土的力学性能混凝土的力学性能混凝土：混凝土：由水泥、骨料和水拌合形成的人工合成材料。由水泥、骨料和水拌合形成的人工合成材料。作作 用：用：作为钢筋混凝土结构的主体，一是自身承担作为钢筋混凝土结构的主体，一是自身承担较的大的荷载；二是容纳和维护各种构造的钢筋，组较的大的荷载；二是容纳和维护各种构造的钢筋，组成合理的组合性结构材料。成合理的组合性结构材料。特特 点：点：非弹性、非线性、非匀质材料，较大离散性。非
5、弹性、非线性、非匀质材料，较大离散性。本篇介绍：本篇介绍：一般特性和破坏机理一般特性和破坏机理、基本应力状态下的强基本应力状态下的强度和变形度和变形，主要因素影响下的性能变化主要因素影响下的性能变化，多轴应力状多轴应力状态下的强度和本构关系态下的强度和本构关系。第21页/共127页 混凝土是由水泥、水、骨料按一定比例配合，混凝土是由水泥、水、骨料按一定比例配合，经过硬化后形成的人工石。其为一多相复合材经过硬化后形成的人工石。其为一多相复合材料，其质量的好坏与材料、施工配合比、施工料，其质量的好坏与材料、施工配合比、施工工艺、龄期、环境等诸多因素有关。通常将其工艺、龄期、环境等诸多因素有关。通常
6、将其组成结构分为：组成结构分为：宏观结构：宏观结构：两组分体系，砂浆和粗骨料。两组分体系，砂浆和粗骨料。亚微观结构：亚微观结构：水泥砂浆结构。水泥砂浆结构。微观结构：微观结构：水泥石结构。水泥石结构。第第1章章 基本力学性能基本力学性能1.1混凝土的组成结构和材性特点混凝土的组成结构和材性特点材料的组成和内部构造材料的组成和内部构造第22页/共127页宏观结构宏观结构亚微观结构亚微观结构微观结构微观结构粗骨料（分散相）粗骨料（分散相）水泥石水泥石（基相）（基相）细骨料（分细骨料（分散相）散相）砂浆砂浆（基相）（基相）晶体骨架晶体骨架晶体带核凝胶体带核凝胶体干缩孔隙孔隙凝缩凝缩氢氧化钙氢氧化钙凝
7、胶体混凝土组成结构第23页/共127页晶体骨架：由未水化颗粒组成，承受外力，具有弹性变形特点。塑性变形：在外力作用下由凝胶、孔隙、微裂缝产生。破坏起源：孔隙、微裂缝等原因造成。PH值：由于水泥石中的氢氧化钙存在，混凝土偏碱性。由于水泥凝胶体的硬化过程需要若干年才能完成，所以，混凝土的强度、变形也会在较长时间内发生变化，强度逐渐增长，变形逐渐加大。第24页/共127页 由由于于混混凝凝土土材材料料的的非非均均匀匀微微构构造造、局局部部缺缺陷陷和和离离散散性性较较大大而而极极难难获获得得精精确确的的计计算算结结果果。因因此此，主主要要讨讨论论混混凝凝土土结结构构的的宏宏观观力力学学反反应应，即即混
8、混凝凝土土结结构构在在一一定定尺尺度度范范围围内内的的平平均均值值。宏宏观观结结构构中中混混凝凝土土的的两两个个基基本本构构成成部部分分，即即粗粗骨骨料料和和水水泥泥砂砂浆浆的的随随机机分分布布，以以及及两两者者的的物物理理和和力力学学性性能能的的差差异异是是其其非非匀匀质、不等向性质的根本原因。质、不等向性质的根本原因。粗骨料和水泥浆体的物理力学性能指标的典型值粗骨料和水泥浆体的物理力学性能指标的典型值第25页/共127页 施施工工和和环环境境因因素素引引起起混混凝凝土土的的非非匀匀质质性性和和不不等等向向性性：例例如如浇浇注注和和振振捣捣过过程程中中，比比重重和和颗颗粒粒较较大大的的骨骨料
9、料沉沉入入构构件件的的底底部部，而而比比重重小小的的骨骨料料和和流流动动性性大大的的水水泥泥砂砂浆浆、气气泡泡等等上上浮浮，靠靠近近构构件件模模板板侧侧面面和和表表面面的的混混凝凝土土表表层层内内，水水泥泥砂砂浆浆和和气气孔孔含含量量比比内内部部的的多多；体体积积较较大大的的结结构构，内内部部和和表表层层的的失失水水速速率率和和含含水水量量不不等等，内内外外温温度度差差形形成成的的微微裂裂缝缝状状况况也也有有差差别别；建建造造大大型型结结构构时时，常常需留出水平的或其它形状的施工缝需留出水平的或其它形状的施工缝。当当混混凝凝土土承承受受不不同同方方向向（即即平平行行、垂垂直直或或倾倾斜斜于于混
10、混凝凝土土的的浇浇注方向）的应力时，其强度和变形值有所不同。注方向）的应力时，其强度和变形值有所不同。第26页/共127页 例例如如对对混混凝凝土土立立方方体体试试件件，标标准准试试验验方方法法规规定定沿沿垂垂直直浇浇注注方方向向加加载载以以测测定定抗抗压压强强度度，其其值值略略低低于于沿沿平平行行浇浇注注方方向向加加载载的的数数值值。再再如如，竖竖向向浇浇注注的的混混凝凝土土柱柱，截截面面上上混混凝凝土土性性质质对对称称，而而沿沿柱柱高高两两端端的的性性质质有有别别；卧卧位位浇浇注注的的混混凝凝土土柱柱，情情况况恰好相反。这两种柱在轴力作用下的强度和变形也将不等。恰好相反。这两种柱在轴力作用
11、下的强度和变形也将不等。混混凝凝土土材材料料的的非非匀匀质质性性和和不不等等向向性性的的严严重重程程度度，主主要要取取决决于于原原材材料料的的均均匀匀性性和和稳稳定定性性，以以及及制制作作过过程程的的施施工工操操作作和和管管理理的的精精细细程程度度，其其直直接接结结果果是是影影响响混混凝凝土土的的质质量量（材材性性的的指指标和离散度）。标和离散度）。浇注方向浇注方向NN浇注方向浇注方向NN第27页/共127页材性的基本特点材性的基本特点 混混凝凝土土的的材材料料组组成成和和构构造造决决定定其其4个个基基本本受受力力特特点点:1复杂的微观内应力、变形和裂缝状态复杂的微观内应力、变形和裂缝状态 将
12、将一一块块混混凝凝土土按按比比例例放放大大，可可以以看看作作是是由由粗粗骨骨料料和和硬硬化化水水泥泥砂砂浆浆等等两两种种主主要要材材料料构构成成的的不不规规则则的的三三维维实实体体结结构构，且且具具有有非非匀匀质质、非非线线性性和和不连续的性质。不连续的性质。混混凝凝土土在在承承受受荷荷载载（应应力力）之之前前，就就已已经经存存在在复复杂杂的的微微观观应应力力、应应变变和和裂裂缝缝，受受力力后后更更有有剧剧烈的变化。烈的变化。第28页/共127页 在在混混凝凝土土的的凝凝固固过过程程中中，水水泥泥的的水水化化作作用用在在表表面面形形成成凝凝胶胶体体，水水泥泥浆浆逐逐渐渐变变稠稠、硬硬化化，并并
13、和和粗粗细细骨骨料料粘粘结结成成一一整整体体。在在此此过过程程中中，水水泥泥浆浆失失水水收收缩缩变变形形远远大大于于粗粗骨骨料料的的。此此收收缩缩变变形形差差使使粗粗骨骨料料受受压压，砂砂桨桨受受拉拉，和和其其它它应应力力分分布布。这这些些应应力力场场在在截截面面上上的的合合力力为为零零，但但局局部部应力可能很大，以至在骨料界面产生微裂缝。应力可能很大，以至在骨料界面产生微裂缝。压力拉力第29页/共127页 粗粗骨骨料料和和水水泥泥砂砂桨桨的的热热工工性性能能（如如线线膨膨胀胀系系数数)有有差差别别。当当混混凝凝土土中中水水泥泥产产生生水水化化热热或或环环境境温温度度变变化化时时，两两者者的的
14、温温度度变变形形差差受受到到相相互互约约束束而而形形成成温温度度应应力力场场。更更因因为为混混凝凝土土是是热热惰惰性性材材料料，温度梯度大而加重了温度应力。温度梯度大而加重了温度应力。当当混混凝凝土土承承受受外外力力作作用用时时，即即使使作作用用应应力力完完全全均均匀匀，混混凝凝土土内内也也将将产产生生不不均均匀匀的的空空间间微微观观应应力力场场，取取决决于于粗粗骨骨料料和和水水泥泥砂砂浆浆的的面面（体体）积积比比、形形状状、排排列列和和弹弹性性模模量量值值，以以及及界界面面的的接接触触条条件件等等。在在应应力力的的长长期期作作用用下下，水水泥泥砂砂浆浆和和粗粗骨骨料料的的徐徐变变差差使混凝土
15、内部发生应力重分布，使混凝土内部发生应力重分布，粗骨料将承受更大的压应力。粗骨料将承受更大的压应力。压力拉力第30页/共127页 所有这些都说明，所有这些都说明，从微观上分析混凝土，必然要考从微观上分析混凝土，必然要考虑非常复杂的、随机分布的三维应力（应变）状态。虑非常复杂的、随机分布的三维应力（应变）状态。其对于混凝土的宏观力学性能，如开裂，裂缝开展，其对于混凝土的宏观力学性能，如开裂，裂缝开展，变形，极限强度和破坏形态等，都有重大影响。变形，极限强度和破坏形态等，都有重大影响。混凝土内部有不可混凝土内部有不可避免的初始气孔和缝避免的初始气孔和缝隙，其尖端附近因收隙，其尖端附近因收缩、温度变
16、化或应力缩、温度变化或应力作用都会形成局部应作用都会形成局部应力集中区，其应力分力集中区，其应力分布更复杂，应力值更布更复杂，应力值更高。高。第31页/共127页 2.变形的多元组成变形的多元组成 混混凝凝土土在在承承受受应应力力作作用用或或环环境境条条件件改改变变时时都都将将发发生生相相应应的的变变形形。从混凝土的组成和构造特点分析，其变形值由从混凝土的组成和构造特点分析，其变形值由3部分组成：部分组成：骨料的弹性变形骨料的弹性变形 占占混混凝凝土土体体积积绝绝大大部部分分的的石石子子和和砂砂，本本身身的的强强度度和和弹弹性性模模量量值值均均比比其其组组成成的的混混凝凝土土高高出出许许多多。
17、即即使使混混凝凝土土达达到到极极限限强强度度值值时时，骨骨料料并并不不破破碎碎，变变形形仍仍在在弹弹性性范范围围以以内内，即即变变形形与与应应力力成成正正比比，卸载后变形可全部恢复，不留残余变形。卸载后变形可全部恢复，不留残余变形。第32页/共127页水泥凝胶体的粘性流动水泥凝胶体的粘性流动 水水泥泥经经水水化化作作用用后后生生成成的的凝凝胶胶体体，在在应应力力作作用用下下除除了了即即时时产产生生的的变变形形外外，还还将将随随时时间间的的延延续续而而发发生生缓缓慢慢的的粘粘性性流流（移移）动动，混混凝凝土土的的变变形形不不断断地地增增长长，形形成成塑塑性性变变形形。当当卸卸载载后后，这这部部分
18、分变变形形一一般般不不能能恢恢复复，出出现现残残余余变形变形。第33页/共127页裂缝的形成和扩展裂缝的形成和扩展 在在拉拉应应力力作作用用下下，混混凝凝土土沿沿应应力力的的垂垂直直方方向向发发生生裂裂缝缝。裂裂缝缝存存在在于于粗粗骨骨料料的的界界面面和和砂砂浆浆的的内内部部，裂裂缝缝不不断断形形成成和和扩扩展展，使使拉拉变变形形很很快快增增长长。在在压压应应力力作作用用下下，混混凝凝土土大大致致沿沿应应力力平平行行方方向向发发生生纵纵向向劈劈裂裂裂裂缝缝，穿穿过过粗粗骨骨料料界界面面和和砂砂浆浆内内部部。这这些些裂裂缝缝的的增增多多、延延伸伸和和扩扩展展，将将混混凝凝土土分分成成多多个个小小
19、柱柱体体，纵纵向向变变形形增增大大。在在应应力力的的下下降降过过程程中，变形仍继续增长，卸载后大部分变形不能恢复。中，变形仍继续增长，卸载后大部分变形不能恢复。第34页/共127页 后两部分变形成分，不与混凝土的应力成比例变化，且卸载后大后两部分变形成分，不与混凝土的应力成比例变化，且卸载后大部分不能恢复，一般统称为部分不能恢复，一般统称为塑性变形塑性变形。不同原材料和组成的混凝土，在不同的应力水平下，这三部分变不同原材料和组成的混凝土，在不同的应力水平下，这三部分变形所占比例有很大变化。形所占比例有很大变化。当混凝土应力较低时，骨料弹性变形占主要部分，总变形很小当混凝土应力较低时，骨料弹性变
20、形占主要部分，总变形很小；随应力的增随应力的增大，水泥凝胶体的粘性流动变形逐渐加速增长大，水泥凝胶体的粘性流动变形逐渐加速增长；接近混凝土极限强度时，裂缝的变形才明显显露，但其数量级大，接近混凝土极限强度时，裂缝的变形才明显显露，但其数量级大，很快就超过其它变形成分很快就超过其它变形成分。在应力峰值之后，随着应力的下降，骨料弹性变形开始恢复，凝在应力峰值之后，随着应力的下降，骨料弹性变形开始恢复，凝胶体的流动减小，而裂缝的变形却继续加大。胶体的流动减小，而裂缝的变形却继续加大。第35页/共127页 3.应力状态和途径对力学性能的巨大影响应力状态和途径对力学性能的巨大影响 混混凝凝土土的的单单轴
21、轴抗抗拉拉和和抗抗压压强强度度的的比比值值约约为为1:10，相相应应的的峰峰值值应应变变之之比比约约为为1:20，都都相相差差一一个个数数量量级级。两两者者的的破破坏坏形形态态也也有有根根本本区区别别。这这与与钢钢、木木等等结结构构材材料料的的拉拉、压强度和变形接近相等的情况有明显不同。、压强度和变形接近相等的情况有明显不同。混凝土在基本受力状态下力学性能的巨大差别混凝土在基本受力状态下力学性能的巨大差别使得使得：混混凝凝土土在在不不同同应应力力状状态态下下的的多多轴轴强强度度、变变形形和和破破坏坏形形态等有很大的变化范围态等有很大的变化范围；存存在在横横向向和和纵纵向向应应力力（变变）梯梯度
22、度的的情情况况下下，混混凝凝土土的的强度和变形值又将变化强度和变形值又将变化；荷荷载载（应应力力）的的重重复复加加卸卸和和反反复复作作用用下下，混混凝凝土土将将产产生程度不等的变形滞后、刚度退化和残余变形等现象生程度不等的变形滞后、刚度退化和残余变形等现象；第36页/共127页多多轴轴应应力力的的不不同同作作用用途途径径，改改变变了了微微裂裂缝缝的的发发展展状状况况和相互约束条件，混凝土出现不同力学性能反应和相互约束条件，混凝土出现不同力学性能反应。混混凝凝土土因因应应力力状状态态和和途途径径的的不不同同而而引引起起力力学学性性能能的的巨巨大大差差异异，当当然然是是其其材材料料特特性性和和内内
23、部部微微结结构构所所决决定定的的。材材性性的的差差异异足足以以对对构构件件和和结结构构的的力力学学性性能能造造成成重重大大影影响响，在实际工程中不能不加以重视。在实际工程中不能不加以重视。4.时间和环境条件的巨大影响时间和环境条件的巨大影响 混混凝凝土土随随水水泥泥水水化化作作用用的的发发展展而而渐渐趋趋成成熟熟。有有试试验验表表明明，水水泥泥颗颗粒粒的的水水化化作作用用由由表表及及里里逐逐渐渐深深入入，至至龄龄期期20年后仍未终止。年后仍未终止。第37页/共127页 混混凝凝土土成成熟熟度度的的增增加加，表表示示了了水水泥泥和和骨骨料料的的粘粘结结强强度度增增大大，水水泥泥凝凝胶胶体体稠稠化
24、化，粘粘性性流流动动变变形形减减小小，因因而而混混凝凝土土的的极极限限强强度度和和弹弹性性模模量量值值都都逐逐渐渐提提高高。但但是是，混混凝凝土土在在应应力力的的持持续续作作用用下下，因因水水泥泥凝凝胶胶体体的的粘粘性性流流动动和和内内部部微微裂裂缝缝的的开开展展而而产产生生的的徐徐变变与与时俱增，使混凝土材料和构件的变形加大，长期强度降低时俱增，使混凝土材料和构件的变形加大，长期强度降低。混混凝凝土土周周围围的的环环境境条条件件既既影影响响其其成成熟熟度度的的发发展展过过程程，又又与与混混凝凝土土材材料料发发生生物物理理的的和和化化学学的的作作用用，对对其其性性能能产产生生有有利利的的或或不
25、不利利的的影影响响。环环境境温温度度和和湿湿度度的的变变化化，在在混混凝凝土土内内部部形形成成变变化化的的不不均均匀匀的的温温度度场场和和湿湿度度场场，影影响响水水泥泥水水化化作作用用的的速速度度和和水水分分的的散散发发速速度度，产产生生相相应应的的应应力力场场和和变变形形场场，促促使使内内部部微微裂裂缝缝的的发发展展，甚甚至至形形成成表表面面宏宏观观裂裂缝缝。环环境境介介质质中中的的二二氧氧化化碳碳气气体体与与水水泥泥的的化化学学成成分分作作用用，在在混混凝凝土土表表面面附附近近形形成成一一碳碳化化层层，且且逐逐渐渐增增厚厚；介介质质中中的的氯氯离离子子对对水水泥泥（和和钢钢筋筋）的的腐腐蚀
26、蚀作作用用降降低低了了混混凝土结构的耐久性凝土结构的耐久性第38页/共127页 混混凝凝土土的的这这些些材材性性特特点点，决决定定了了其其力力学学性性能能的的复复杂杂、多多变变和和离离散散，还还由由于于混混凝凝土土原原材材料料的的性性质质和和组组成成的的差差别别很很大大，完完全全从从微微观观的的定定量量分分析析来来解解决决混混凝凝土土的的性性能能问题，得到准确而实用的结果是十分困难的。问题，得到准确而实用的结果是十分困难的。所所以以，从从结结构构工工程程的的观观点点出出发发，将将一一定定尺尺度度，（例例如如70mm或或34倍倍粗粗骨骨料料粒粒径径）的的混混凝凝土土体体积积作作为为单单元元，看看
27、成成是是连连续续的的、匀匀质质的的和和等等向向的的材材料料，取取其其平平均均的的强强度度、变变形形值值和和宏宏观观的的破破坏坏形形态态等等作作为为研研究究的的标标准准，可可以以有有相相对对稳稳定定的的力力学学性性能能并并且且用用同同样样尺尺度度的的标标准准试试件件测测定定各各项项性性能能指指标标，经经过过总总结结、统统计计和和分分析析后后建建立立的的破破坏坏（强强度度）准准则则和和本本构构关关系系，在在实实际际工工程程中中应应用，一般情况下其具有足够的准确性。用，一般情况下其具有足够的准确性。尽尽管管如如此此，了了解解和和掌掌握握混混凝凝土土的的这这些些材材性性特特点点，对对于于深深入入理理解
28、解和和应应用用混混凝凝土土的的各各种种力力学学性性能能和和结结构构构构件件的力学反应至关重要有助于以后各章内容的学习。的力学反应至关重要有助于以后各章内容的学习。第39页/共127页受力破坏的一般机理受力破坏的一般机理 混凝土材性的复杂程度如上述，在不同的应力状态下发生显混凝土材性的复杂程度如上述，在不同的应力状态下发生显著差别的破坏过程和形态。混凝土在结构中主要用作受压材料，著差别的破坏过程和形态。混凝土在结构中主要用作受压材料，最简单的单轴受压状态下的破坏过程最有代表性最简单的单轴受压状态下的破坏过程最有代表性。详细地了解其详细地了解其破坏过程和机理对于理解混凝土的材性本质，解释结构和构件
29、的破坏过程和机理对于理解混凝土的材性本质，解释结构和构件的各种损伤和破坏现象，以及采取措施改进和提高混凝土质量和结各种损伤和破坏现象，以及采取措施改进和提高混凝土质量和结构性能等都有重要意义。构性能等都有重要意义。混凝土一直被认为是混凝土一直被认为是“脆性脆性”，材料，无论是受压还是受，材料，无论是受压还是受拉状态，它的破坏过程都短暂、急骤，肉眼不可能仔细地观察到拉状态，它的破坏过程都短暂、急骤，肉眼不可能仔细地观察到其内部的破坏过程。现代科学技术的高度发展，为材料和结构试其内部的破坏过程。现代科学技术的高度发展，为材料和结构试验提供了先进的加载和量测手段。现在已经可以比较容易地获得验提供了先
30、进的加载和量测手段。现在已经可以比较容易地获得混凝土受压和受拉的应力混凝土受压和受拉的应力-应变全曲线，还可采用超声波检测仪、应变全曲线，还可采用超声波检测仪、x光摄影仪、电子显微镜等多种精密侧试仪器，对混凝土的微观光摄影仪、电子显微镜等多种精密侧试仪器，对混凝土的微观构造在受力过程中的变化情况加以详尽的研究。构造在受力过程中的变化情况加以详尽的研究。第40页/共127页 试试验验证证明明，结结构构混混凝凝土土在在承承受受荷荷载载或或外外应应力力之之前前，内内部部就就已已经经存存在在少少量量、分分散散的的微微裂裂缝缝，宽宽（2-5）10-3、最最长长（1-2mm），其其主主要要原原因因是是在在
31、混混凝凝土土的的凝凝固固过过程程中中，粗粗骨骨料料和和水水泥泥砂砂浆浆的的收收缩缩差差和和不不均均匀匀温温湿湿度度场场所所产产生生的的微微观观应应力力场场。由由于于水水泥泥砂砂浆浆和和粗粗骨骨料料表表面面的的粘粘结结强强度度只只及及该该砂砂浆浆抗抗拉拉强强度度的的35%65%，而而粗粗骨骨料料本本身身的的抗抗拉拉强强度度远远超超过过水水泥泥砂砂浆浆的的强强度度，故故当当混混凝凝土土内内微微观观拉拉应应力力较较大大时时，首首先先在在粗粗骨骨料料界界面面出出现现微微裂裂缝缝，称称界界面面粘粘结裂缝。结裂缝。混混凝凝土土受受力力之之后后直直到到破破坏坏其其内内部部微微裂裂缝缝的的发发展展过过程程也也
32、可在试验过程中清楚地观察到。可在试验过程中清楚地观察到。第41页/共127页 该该试试验验采采用用方方形形板板式式试试件件(127 mm 127 mm 12.7 mm），既既接接近近理理想想的的平平面面应应力力状状态态，又又便便于于在在加加载载过过程程中中直直接接获获得得裂裂缝缝的的x光光信信息息。试试件件用用两两种种材材料料制制作作。理理想想试试件件用用3种种不不同同直直径径的的园园形形骨骨料料（厚厚12.7 mm）随随机机地地埋埋人人水水泥泥砂砂浆浆，另另一一种种为为真真实实混混凝凝土土试件。两种试件的受力过程和观侧结果相同，前者更具典型性。试件。两种试件的受力过程和观侧结果相同，前者更具
33、典型性。试试验验证证实实了了混混凝凝土土在在受受力力前前就就存存在在初初始始微微裂裂缝缝，都都出出现现在在较较大大粗粗骨骨料料的的界界面面开开始始受受力力后后直直到到极极限限荷荷载载，混混凝凝土土内内的的微微裂裂缝缝逐逐渐增多和扩展，可以分作渐增多和扩展，可以分作3个阶段：个阶段：max=0.85max=0.65max粘结裂缝=0用X光观测的混凝土单轴受压的裂缝过程第42页/共127页 1.微裂缝相对称定期微裂缝相对称定期(/max0.30.5)这这时时混混凝凝土土的的压压应应力力较较小小，虽虽然然有有些些微微裂裂缝缝的的尖尖端端因因应应力力集集中中而而沿沿界界面面略略有有发发展展，也也有有些
34、些微微裂裂缝缝和和间间隙隙因因受受压压而而有有些些闭闭合合，对对混混凝凝土土的的宏宏观观变变形形性性能能无无明明显显变变化化。即即使使荷荷载载的的多多次次重重复复作作用用或或者者持持续续较较长长时时间间，微裂缝也不致有大发展，残余变形很小。微裂缝也不致有大发展，残余变形很小。max=0.85max=0.65max粘结裂缝=0用X光观测的混凝土单轴受压的裂缝过程第43页/共127页 2.稳定裂缝发展期（稳定裂缝发展期（/max 0.75 0.9）混混凝凝土土在在高高应应力力作作用用下下，粗粗骨骨料料的的界界面面裂裂缝缝突突然然加加宽宽和和延延伸伸，大大量量地地进进人人水水泥泥砂砂浆浆；水水泥泥砂
35、砂浆浆中中的的已已有有裂裂缝缝也也加加快快发发展展，并并和和相相邻邻的的粗粗骨骨料料界界面面裂裂缝缝相相连连。这这些些裂裂缝缝逐逐个个连连通通，构构成成大大致致平平行行于于压压应应力力方方向向的的连连续续裂裂缝缝，或或称称纵纵向向劈劈裂裂裂裂缝缝。若若混混凝凝土土中中部部分分粗粗骨骨料料的的强强度度较较低低，或或有有节节理理和和缺缺陷陷，也也可可能能在在高高应应力力下下发发生生骨骨料料劈劈裂裂。这这一一阶阶段段的的应应力力增增量量不不大大，而而裂裂缝缝发发展展迅迅速速，变变形形增增长长大大。即即使使应应力力维维持持常常值值，裂裂缝缝仍仍将将继继续续发发展展，不不再再能能保保持持稳稳定定状状态态
36、。纵纵向向的的通通缝缝将试件分隔成数个小柱体，承载力下降而导致混凝土的最终破坏。将试件分隔成数个小柱体，承载力下降而导致混凝土的最终破坏。max=0.85max=0.65max粘结裂缝=0用X光观测的混凝土单轴受压的裂缝过程第45页/共127页 从从对对混混凝凝土土受受压压过过程程的的微微观观现现象象的的分分析析，其其破破坏坏机机理可以概括为：理可以概括为：首首先先是是水水泥泥砂砂浆浆沿沿粗粗骨骨料料的的界界面面和和砂砂浆浆内内部部形形成成微微裂缝裂缝；应应力力增增大大后后这这些些微微裂裂缝缝逐逐渐渐地地延延伸伸和和扩扩展展，并并连连通通成为宏观裂缝成为宏观裂缝；砂砂浆浆的的损损伤伤不不断断积
37、积累累，切切断断了了和和骨骨料料的的联联系系，混混凝凝土的整体性遭受破坏而逐渐地丧失承载力土的整体性遭受破坏而逐渐地丧失承载力。混混凝凝土土在在其其它它应应力力状状态态，如如受受拉拉和和多多轴轴应应力力状状态态下下的破坏过程也与此相似。的破坏过程也与此相似。混混凝凝土土的的强强度度远远低低于于粗粗骨骨料料本本身身的的强强度度，当当混混凝凝土土破破坏坏后后，其其中中的的粗粗骨骨料料一一般般无无破破损损的的迹迹象象，裂裂缝缝和和破破碎碎都都发发生生在在水水泥泥砂砂浆浆内内部部。所所以以，混混凝凝土土的的强强度度和和变变形形性性能能在在很很大大程程度度上上取取决决于于水水泥泥砂砂浆浆的的质质量量和和
38、密密实实性性。任任何何改改进进和和提提高高水水泥泥砂砂浆浆质质量量的的措措施都能较多地提高混凝土强度和改善结构的性能。施都能较多地提高混凝土强度和改善结构的性能。第46页/共127页1.2抗压强度抗压强度立方体抗压强度立方体抗压强度 为了确定混凝土的抗压强度，我国的国家标准为了确定混凝土的抗压强度，我国的国家标准 GBJ 81-85普通混凝土力学性能试验方法普通混凝土力学性能试验方法中中规定：规定：标准试件取边长为标准试件取边长为150 mm的立方体，用的立方体，用钢模成型，经浇注、振捣密实后静置一昼夜，试钢模成型，经浇注、振捣密实后静置一昼夜，试件拆模后放入标准养护室（件拆模后放入标准养护室
39、（203，相对湿度，相对湿度90），），28天龄期后取出试件，擦干表面水，天龄期后取出试件，擦干表面水，置于试验机内，沿浇注的垂直方向施加压力，以置于试验机内，沿浇注的垂直方向施加压力，以每秒每秒0.30.5 N/mm2的速度连续加载直至试件破的速度连续加载直至试件破坏。试件的破坏荷载除以承压面积，即为混凝土坏。试件的破坏荷载除以承压面积，即为混凝土的标准立方体抗压强度的标准立方体抗压强度 fcu，N/mm2（Mpa）。）。第47页/共127页 试验机通过钢垫板对试件施加压力。试验机通过钢垫板对试件施加压力。由于垫板的刚度有限，以由于垫板的刚度有限，以及试件内部和表层的受力状态和材料性能有差别
40、，致使试件承压及试件内部和表层的受力状态和材料性能有差别，致使试件承压面上的竖向压应力分布不均匀。面上的竖向压应力分布不均匀。同时，钢垫板和试件混凝土的弹同时，钢垫板和试件混凝土的弹性模量性模量(Es，Ec）和泊松比（）和泊松比（s,c）值不等，在相同应力（）值不等，在相同应力（）作）作用下的横向应变不等（用下的横向应变不等（s/Es c/Ec）。故）。故垫板约束了试件的垫板约束了试件的横向变形，在试件的承压面上作用着水平摩擦力。横向变形，在试件的承压面上作用着水平摩擦力。第48页/共127页 试试件件在在承承压压面面上上这这些些竖竖向向和和水水平平力力作作用用下下，其其内内部部必必产产生生不
41、不均均匀匀的的三三维维应应力力场场：垂垂直直中中轴轴线线上上各各点点为为明明显显的的三三轴轴受受压压，四四条条垂垂直直棱棱边边接接近近单单轴轴受受压压，承承压压面面的的水水平平周周边边为为二二轴轴受受压压，竖竖向向表表面面上上各各点点为为二二轴轴受受压压或或二二轴轴压压拉拉，内内部部各各点点则则为为三三轴轴受受压压或或三三轴轴压压拉拉应应力力状状态态。注注意意这这里里还还是是将将试试件件看看作作是是各各向向同同性性的的匀匀质质材材料料。若若计计及及混混凝凝土土组组成成和和材材性性的的随随机机分分布布，试试件件的的应应力力状状态态将将更更复杂，且不对称。复杂，且不对称。第49页/共127页 试件
42、加载后，竖向发生压缩变形，水平向为伸长变形试件的试件加载后，竖向发生压缩变形，水平向为伸长变形试件的上、下端因受加载垫板的约束而横向变形小，中部的横向膨胀变上、下端因受加载垫板的约束而横向变形小，中部的横向膨胀变形最大。随着荷载或者试件应力的增大，试件的变形逐渐加快增形最大。随着荷载或者试件应力的增大，试件的变形逐渐加快增长。试件接近破坏前，长。试件接近破坏前，首先在试件高度的中央、靠近侧表面的位首先在试件高度的中央、靠近侧表面的位置上出现竖向裂缝，然后往上和往下延伸，逐渐转向试件的角部，置上出现竖向裂缝，然后往上和往下延伸，逐渐转向试件的角部，形成正倒相连的八字形裂缝。继续增加荷载，新的八字
43、形缝由表形成正倒相连的八字形裂缝。继续增加荷载，新的八字形缝由表层向内部扩展，中部混凝土向外鼓胀，开始剥落，最终成为正倒层向内部扩展，中部混凝土向外鼓胀，开始剥落，最终成为正倒相接的四角锥破坏形态。相接的四角锥破坏形态。第50页/共127页 当采用的试件形状和尺寸不同时，如边长当采用的试件形状和尺寸不同时，如边长100 mm或或200 mm的立方体，的立方体，H/D=2的圆柱体混凝土的圆柱体混凝土的破坏过程和形态虽然相同，但得到的抗压强度的破坏过程和形态虽然相同，但得到的抗压强度值因试件受力条件不同和尺寸效应而有所差别。值因试件受力条件不同和尺寸效应而有所差别。对比试验给出的不同试件抗压强度的
44、换算关系如对比试验给出的不同试件抗压强度的换算关系如表。表。0.890.8750.860.830.801.0510.95抗压强度相对值C80C70C60C50C20-C40100150200强度等级边长mm圈柱体(H=300 mm,D=150mm)立方体混凝土试件表表1-2 不同形状和尺寸试件的混凝土抗压强度相对值不同形状和尺寸试件的混凝土抗压强度相对值第51页/共127页 混混凝凝土土立立方方试试件件的的应应力力和和变变形形状状况况，以以及及其其破破坏坏过过程程和和破破坏坏形形态态均均表表明明，标标准准试试验验方方法法并并未未在在试试件件中中建建立立起起均均匀匀的的单单轴轴受受压压应应力力状
45、状态态，由由此此测测定定的的也也不不是是理理想想的的混混凝凝土土单单轴轴抗抗压压强强度度。当当然然，它它更更不不能能代代表表实实际际结结构构中中应应力力状状态态和和环环境条件变化很大的混凝土真实抗压强度。境条件变化很大的混凝土真实抗压强度。尽尽管管如如此此，混混凝凝土土的的标标准准立立方方体体抗抗压压强强度度仍仍是是确确定定混混凝凝土土的的强强度度等等级级、评评定定和和比比较较混混凝凝土土的的强强度度和和制制作作质质量量的的最最主主要要的的相相对对指指标标，又又是是判判定定和和计计算算其其他他力力学学性性能能指指标标的的基基础础，因因而而有有重要的技术意义。重要的技术意义。第52页/共127页
46、棱柱体试件的受力破坏过程棱柱体试件的受力破坏过程 为消除立方体试件两端局部应力和约束变形的影响，最简单的办为消除立方体试件两端局部应力和约束变形的影响，最简单的办法是改用棱柱体（或圆柱体）试件进行抗压试验。根据法是改用棱柱体（或圆柱体）试件进行抗压试验。根据San Vinent原理。加载面上的不均布垂直应力和原理。加载面上的不均布垂直应力和x=0的水平应力，只影响试件的水平应力，只影响试件端部的局部范围（高度约等于试件宽度），中间部分已接近于均匀端部的局部范围（高度约等于试件宽度），中间部分已接近于均匀的单轴受压应力状态。的单轴受压应力状态。受压试验也证明，破坏发生在棱主体试件的中部。试件的破
47、坏荷受压试验也证明，破坏发生在棱主体试件的中部。试件的破坏荷载除于其截面积，即为载除于其截面积，即为混凝土的棱柱体抗压强度混凝土的棱柱体抗压强度 fc，或称轴心抗压，或称轴心抗压强度。强度。第53页/共127页 试验结果表明，混凝土的棱柱体抗压强度随试验结果表明，混凝土的棱柱体抗压强度随试件高厚比试件高厚比(h/b)的增大而单调下降，但的增大而单调下降，但h/b2后，后，强度值已变化不大。故标准试件的尺寸取为强度值已变化不大。故标准试件的尺寸取为150 150 300,试件的制作、养护、加载龄期和试试件的制作、养护、加载龄期和试验方法都与立方体试件的标准试验相同验方法都与立方体试件的标准试验相
48、同。第54页/共127页 在混凝土棱柱体试件的受压试验过程中量测试件的在混凝土棱柱体试件的受压试验过程中量测试件的纵向和横向应变（纵向和横向应变（,），就可以绘制：），就可以绘制：受压应力受压应力-应变（应变（-）全曲线；）全曲线；割线或切线泊松比（割线或切线泊松比（s=/，t=d/d)；体积应变体积应变 (v-）曲线。）曲线。其典型的变化规律如下图。试验过程中还可以仔细其典型的变化规律如下图。试验过程中还可以仔细地观察到试件的表面宏观裂缝的出现和发展过程，以地观察到试件的表面宏观裂缝的出现和发展过程，以及最终的破坏形态。及最终的破坏形态。第55页/共127页第56页/共127页 由于混凝土的
49、原材料和组成的差异，以及试验量测方由于混凝土的原材料和组成的差异，以及试验量测方法的差异，国内外给出的实验结果有一定的离散度。法的差异，国内外给出的实验结果有一定的离散度。混混凝土的棱柱体抗压强度随立方体强度单调增长：凝土的棱柱体抗压强度随立方体强度单调增长：主要抗压性能指标主要抗压性能指标1、棱柱体抗压强度、棱柱体抗压强度第57页/共127页 各各国国研研究究人人员员给给出出多多种种经经验验计计算算公公式式，或或者者给给出出一一个个定定值值，一般在一般在 fc/fcu=0.780.88之间。之间。各各国国设设计计规规范范中中，出出于于结结构构安安全全度度考考虑虑，一一般般取取用用偏偏低低的的
50、值值。例如，我国例如，我国规范规范给出轴压强度标准值为给出轴压强度标准值为其比值的变化范围为：其比值的变化范围为：强度等级高者比值偏大。强度等级高者比值偏大。c1=fc/fcu c1=0.76（C50）c1=0.82（C80）c2=1.0（C40）c2=0.87（C80）第58页/共127页2、达、达棱柱体抗压强度时的峰值应变棱柱体抗压强度时的峰值应变 棱棱柱柱体体试试件件达达到到极极限限强强度度fc时时的的相相应应峰峰值值应应变变p虽虽然然有有稍稍大大的的离散度，但是，离散度，但是，随混凝土强度而单调增长的规律十分明显。随混凝土强度而单调增长的规律十分明显。过镇海在分析了混凝土强度过镇海在分