荷载作用下的变形-建筑材料第2版

1）短期荷载作用下的变形

混凝土是一种不均匀的材料，在外力作用下既可产生弹性变形也可产生塑性变形，是一种弹塑性材料。荷载作用下的变形能力大小用变形模量表示。

由于混凝土的σ－ε曲线呈非线性关系，混凝土的应变与应力的变化规律为一变量，不同应力阶段的应力与应变关系的材料模量是变化的，统称变形模量，用以下三种方法表示：

（1）混凝土的弹性模量（原点切线模量）

在混凝土一次加载的棱柱体应力－应变曲线的原点做一切线，其斜率即为混凝土的原点模量（弹性模量）：Ec＝tgα。

图4－10　混凝土原点切线模量及测定

由于要在混凝土一次加载应力－应变曲线上做原点的切线，而不容易准确找到原点切线，所以通常的做法是对标准尺寸为150mm×150mm×300mm的棱柱体试件，先加载至轴心抗压强度的三分之一，然后卸载到零，反复5～10次。由于混凝土不是完全弹性材料，每次卸载存在残余变形，随加载次数的增加，应力－应变曲线渐趋于稳定的直线，该直线的斜率就是混凝土的弹性模量。

（2）混凝土的变形模量（割线模量或弹塑性模量）

σ－ε曲线上任意一点与原点连线的斜率，称为任意点的变形模量，如图4－11。

图4－11　混凝土的割线模量

图4－12　混凝土的切线模量

（3）混凝土的切线模量

σ－ε曲线上某一应力的切线的斜率。

由图4－12可以看出，混凝土的切线模量是一个变值，它随混凝土的应力增大而减小。

混凝土的弹性模量与其强度之间存在着较密切的关系。通常当混凝土强度等级为C10～C60时，弹性模量约为17．5～36GPa。也可以用下式通过强度估计混凝土的弹性模量：(www.xing528.com)

混凝土的弹性模量在结构设计中计算混凝土的变形、开裂和应力时经常用到。

影响混凝土弹性模量的因素基本上与影响强度的因素相同。弹性模量与混凝土组成成分的弹性模量和数量有关，骨料用量多，水泥浆数量少，弹性模量大；所用的骨料弹性模量大则混凝土的弹性模量也大。弹性模量也与混凝土中含水量、含气量有关。混凝土饱水时的弹性模量比干燥时大，引气混凝土弹性模量降低。

2）混凝土的徐变

徐变是混凝土在荷载长期作用下，即应力不变情况下，应变随时间继续增长的现象，如图4－13。

徐变开始时增长较快，以后逐渐减慢，经过较长时间后就逐渐趋于稳定。一般六个月完成大部分（70%～80%），一年趋于稳定，三年基本完成。当在两年后卸载，瞬时恢复部分应变，经过一段时间又恢复一部分应变（弹性后效），剩余的为残余变形，它是水泥凝胶体向水泥结晶体应力重新分布、内部微裂缝长期积累的结果。

图4－13　混凝土的徐变

徐变会使结构（构件）的（挠度）变形增大，引起预应力损失，在长期高应力作用下，甚至会导致破坏。但徐变有利于结构构件产生内（应）力重分布，降低结构的受力，减小大体积混凝土的温度应力。

徐变产生的原因：水泥石由结晶体和凝胶体组成，在外力长期持续作用下，凝胶体具有黏性流动的特性，产生持续变形。混凝土内部的微裂缝在外力的作用下不断扩展，也会导致应变的增加。

徐变受很多因素影响：

（1）应力越大徐变也越大，当应力较小时，徐变与应力成正比，称为线形徐变；应力较大时，徐变变形比应力增长要快，称为非线形徐变。

（2）加载龄期越早，徐变越大。

（3）养护时的温度和湿度对徐变有重要影响，养护时温度高、湿度大，水泥水化作用充分，徐变越小；受荷载作用后，环境温度越高，湿度越低，则徐变越大。

（4）骨料越坚硬，弹性模量越高，对水泥石徐变的约束作用越大，混凝土徐变越小。

（5）水泥用量越多，徐变越大；水灰比越大，徐变越大。

（6）大尺寸试件内部失水受到限制，徐变减小。