混凝土原理和分析试题

1、混凝土的材料组成和构造决定其 4 个基本受力特点1．复杂的微观内应力、变形和裂缝状态混凝土由粗骨料和硬化水泥砂浆等两种主要材料构成的不规则的三维实体结构，且具有非匀质、非线性和不连续的性质。

当混凝土承受外力作用时，即使作用应力完全均匀，混凝土内也将产生不均匀的空间微观应力场在应力的长期作用下，水泥砂浆和粗骨料的徐变差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。

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。

2.变形的多元组成⑴骨料的弹性变形即变形与应力成正比，卸载后变形可全部恢复，不留残余变形。

⑵水泥凝胶体的粘性流动水泥经水化作用后生成的凝胶体，在应力作用下除了即时产生的变形外，还将随时间的延续而发生缓慢的粘性流（移）动，混凝土的变形不断地增长，形成塑性变形。

当卸载后，这部分变形一般不能恢复，出现残余变形。

⑶裂缝的形成和扩展在应力的下降过程中，变形仍继续增长，卸载后大部分变形不能恢复。

3.应力状态和途径对力学性能的影响混凝土在基本受力状态下力学性能的巨大差别使得：①混凝土在不同应力状态下的多轴强度、变形和破坏形态等有很大的变化范围；②存在横向和纵向应力（变）梯度的情况下，混凝土的强度和变形值又将变化；③荷载（应力）的重复加卸和反复作用下，混凝土将产生程度不等的变形滞后、刚度退化和残余变形等现象；④多轴应力的不同作用途径，改变了微裂缝的发展状况和相互约束条件，混凝土出现不同力学性能反应。

4.时间和环境条件的巨大影响2、混凝土受力破坏的一般机理从对混凝土受压过程的微观现象的分析，其破坏机理可以概括为：⑴首先是水泥砂浆沿粗骨料的界面和砂浆内部形成微裂缝；—⑵应力增大后这些微裂缝逐渐地延伸和扩展，并连通成为宏观裂缝；⑶砂浆的损伤不断积累，切断了和骨料的联系，混凝土的整体性遭受破坏而逐渐地丧失承载力。

3.1要获得稳定的应力-应变全曲线，主要是曲线的下降段，必须控制混凝土试件缓慢地变形和破坏。

有两类试验方法：①应用电液伺服阀控制的刚性试验机直接进行试件等应变速度加载；(1)各向异性本构模型结构屮任何一点有b个应力分it相应地有6个应变分虽匚如果各应力和应变分显间的弹性常数都不同•其一•般的本构关系式为(8 la)这生已经取F|2 =切■畑=“I = 5和Xi2 ■ Tu» /a s Zn，Z JJ =卩口。

式(X・la)简耳成子矩阵的形戍为式中£“卫为正应力％和正应变飾之间的刚度系数，即禅性模量;为眄应力J和剪应变沧之间的刚度系数，即剪切模弧为正应力久和剪应变打之间的刚度系数皿川为剪应力q和正应变％之间的刖度系数，后两者都称为耦合变形Mfia汶■•本构模创中刚度炉阵不对你•共冇6x6 = 36个材料聊性常数(模址儿(2)正交异性本构模型对于正交舁性材料•正应力作用尸不产生剪应变(丫叭严x)湧应力作用下k产生正应变(“川严X),旦不任其它平面产生剪应变。

本构模型可以分解，簡化为(8-2a)(/2b)具中式W-2G 中的剛度坤阵对称只富币于独立常数，舟加战（42町中三个常数，故正交异性 本构模曜中的弹性常数减少为9个。

若材料的弹性常数用孙知的工程量Ew 和&等表示.建立的車构黄系即广义虎克定律式中：臥血母为三个垂直方向的弹性模•皿处切为三个垂宵方向的剪囲模靳切 为应力"聲对5方向的橫向蛮彤系数，即沽楡比“畑和呗类推“式（8-3n ）中的柔度矩阵对称.故J?I“I2 = E 尹亦场也=鬲收•民吹 =^1*13本枸摸型中的独立弹性常敎也足9 t. 4、粘结的组成，比较光圆和螺纹锚固与拔出实验破坏形态的异同，说明粘结机理 钢筋和混凝土之间的粘结力或者抗滑移力，由 3部分组成。

① 混凝土中的水泥凝胶体在感觉表面产生的化学粘着力或吸附力。

② 周围混凝土对钢筋的摩阻力，当混凝土的粘着力破坏后发挥作用。

③ 钢筋表面粗糙不平，或变形钢筋凸肋和混凝土之间的机械咬合作用，即混凝土对钢筋表面斜向压力的纵向分力。

在光圆钢筋的拔出试验中，量测到的拉力或平均粘结应力与钢筋两端的滑移 曲线，钢筋应力沿其埋长的分布和据以计算的粘结应力分布， 以及钢筋滑移的分 布等随荷载增长的变化如图 6-1a 。

当试件开始受力后，加载端的粘着力很快被 破坏，即可测得加载端钢筋和混凝土的相对滑移（ S,）。

此时钢筋只有靠近加载 端的一部分受力（代＞ 0 ），粘结应力分布也限于这一段。

从粘结应力（I ）的 峰点至加载端之间的钢筋段都发生相对滑移，其余部分仍为无滑移的粘结区。

随 着荷载的增大，钢筋的受力段逐渐加长，粘结应力（•）分布的峰点向自由端（F ） 漂移，滑移段随之扩大，加载端的滑移（3）加快发展。

[R3h)(8-4)丄 強 临图6-1a光圆钢筋的拔出试验结果当荷载增大，达到—/丄二0.4 - 0.6后，钢筋的受力段和滑移段继续扩展，加载端的滑移明显成曲线增长，但自由端仍无滑移。

粘结应力（•）不仅分布区段延伸，峰点加快向自由端漂移，其形状也由峰点右偏曲线转为左偏曲线。

当~ / u 0.8时，钢筋的自由端开始滑移，加载端的滑移发展更迅速。

此时滑移段已遍及钢筋全埋长，粘结应力的峰点很靠近自由端。

加载端附近的粘结破坏严重，粘结应力已很小，钢筋的应力接近均匀。

当自由端的滑移为S f =0.1 -0.2mm寸，试件的荷载达最大值N u，即得钢筋的极限粘结强度。

此后，钢筋的滑移（S1和SJ急速增大，拉拔力由钢筋表面的摩阻力和残存的咬合力承担，周围混凝土受碾磨而破碎，阻抗力减小，形成--S曲线的下降段。

最终，钢筋从混凝土中被徐徐拔出，表面上带有少量磨碎的混凝土粉渣。

变形钢筋拔出试验中量测的粘结应力-滑移典型曲线，以及钢筋应力、粘结应力和滑移沿钢筋埋长的分布随荷载的变化过程如图6-1b。

变形钢筋和光圆钢2⑹⑹图6-1b变形钢筋的拔出试验结果筋的主要区别是钢筋表面具有不同形状的横肋或斜肋。

变形钢筋受拉时，肋的凸缘挤压周围混凝土，大大提高了机械咬合力，改变了粘结受力机理，有利于钢筋在混凝土中的粘结锚固性能。

一个不配横向筋的拔出试件，开始受力后钢筋的加载端局部就因为应力集中而破坏了与混凝土的粘着力，发生滑移（S1 ）。

当荷载增大到7 / f0.3时，钢筋自由端的粘着力也被破坏，开始出现滑移（S f），加载端的滑移加快增长。

和光圆钢筋相比，变形钢筋自由端滑移时的应力值接近，但 "/ p值大大减小，钢筋的受力段和滑移段的长度也较早地遍及钢筋的全埋长。

当平均粘结应力达一/ y= 0.4 - 0.5，即•- S曲线上的A点，钢筋靠近加载端横肋的背面发生粘结力破坏，出现拉脱裂缝①。

随即，此裂缝向后延伸，形成表面纵向滑移裂缝②。

当荷载稍有增大，肋顶混凝土受钢筋肋部的挤压，使裂缝①向前延伸，转为斜裂缝③，试件内部形成一圆锥形裂缝面。

随着荷载继续增加，钢筋肋部的裂缝不断加宽，并且从加载端往自由端依次地在各肋部发生，滑移（S,和sj的发展加快，—-S曲线的斜率渐减。

和光圆钢筋相比，变形钢筋的应力6沿埋长的变化曲率较小，故粘结应力分布比较均匀。

这些裂缝形成后，试件的拉力主要依靠钢筋表面的摩阻力和肋部的挤压力传递。

肋前压应力的增大，使混凝土局部挤压，形成肋前破碎区④。

钢筋肋部对周围混凝土的挤压力，其横（径）向分力在混凝土中产生环向拉应力。

当此拉应力超过混凝土的极限强度时，试件内形成径向-纵向裂缝⑤。

当荷载接近极限值时，加载端附近的裂缝发展至试件表面。

此后，裂缝沿纵向往自由端延伸，并发出劈裂声响，钢筋的滑移急剧增长，荷载增加不多即达峰点，很快转入下降段，不久试件被劈裂成2块或3块。

混凝土劈裂面上留有钢筋的肋印，而钢筋的表面在肋前区附着混凝土的破碎粉末。

试件配设了横向螺旋筋或钢筋的保护层很厚（c/d 5 ）时，当荷载较小时C - A）时，横向筋的作用很小，•- S曲线与前述试件无区别。

在试件混凝土内出现裂缝（一• / ）后，横向筋约束了裂缝的开展，提高了抗阻力，•- S 曲线斜率稍高。

当荷载接近极限值时，钢筋肋对周围混凝土挤压力的径向分力也将产生径向-纵向裂缝，但开裂时的应力和相应的滑移量都有很大提高。

径向-纵向裂缝出现后，横向筋的应力剧增，限制此裂缝的扩展，试件不会被劈开，抗拔力可继续增大，钢筋滑移的大量增加，使肋前的混凝土破碎区不断扩大，而且沿钢筋埋长的各肋前区一次破碎和扩展，肋前挤压力的减小形成-S曲线的下降段。

最终，钢筋横肋间的混凝土咬合齿被剪断，钢筋连带肋间充满着的混凝土碎末一起缓缓地被拔出，此时，沿钢筋肋外皮的圆柱面上有摩擦力，试件仍保有一定残余抗拔力。

机理1两者之间存在良好的粘结力，在荷载作用下可以协调变形，共同受力；2、相似的温度线膨胀系数，因此当温度变化时不会因产生过大的变形差而致使粘结力破坏5、裂缝的不利影响6、当构件的件能和设计由勢力控制时.其受力状态比压弯梅件复黑，有以下特点：①段有単坤爰顛财二⑴的构件，虽然在构件上可找到一个“纯剪"的載面=0) ■例如轴部简支支唾督和构」牛上止、负含矩异号处，徂构件不会沿此垂立弦而发生破加〜在剪力为常值1「；nw因)的恆段内，弯矩曲議性变化，构件主娶因为码力发生斜裂縫概坏时.必黔受弯审柞用隣影响，昕以+构件的抗剪农载力实屬卜堤關力和弯矩共同作用下的承载力'可称弯剪承载At②卿力佗用F产土成奸的剪应力，构件内形成一堆应力场；③即使是完仝弹性的材料,平截面傾定也不再适用午④构杵在破环过尿中发生显著的应力重分布(图17-R.不再符合“梁■的应力分布规⑤构件破抿过程短促•延性小，-般坏"7、8、中和轴计算公式解：①推导式2-3: N =彳抄e 1 f②推导式2-4:N 肌仓1 hbh 丄 bh 3 2 h12一Xe-h N e N e e 0 1 h x e弹性状态下，根据：bh 丄 bh 3 2 ，得：12 X e 小h e =0.5 -- h 12e o 9、二轴答：以双轴为例，(1)当混凝土处于二轴受压时，其抗压强度均超过其单轴抗压强度，随应 力比例的变化规律为：混凝土二轴受压的应力-应变曲线为抛物线形，有峰点和下降段，与单轴受压的应力-应变全 曲线相似。

试件破坏时，最大主压应力方向的强度f3和峰值应变£ 3p 都大于单轴受压的相 应值。

两个受力方向的峰值应变 £ 3p 最大应变值发生在，& 2p 由单轴受压时的拉伸逐渐转为压缩变形，至二轴等压时达最大压应变£ 3p=s 2p 。

二轴受压的体积应变 £ v 在应力较低时，混凝土泊松比v s<0.5,体积应变为压缩。

当应力达 到二轴强度的85%〜90%后，试件内部裂缝发展，其体积应变转为膨胀。