物理力学性能课件

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1、第2章 建筑结构材料的物理力学性能,钢材 木材(自学) 混凝土 砌体,2.1 钢材,2.1.1 建筑结构用钢的化学成分,铁 -主体成分，97%以上 碳 -碳导致硬度强度增加，导致塑性下降 硫，磷-有害成分，硫导致热脆，磷导致冷脆 氧，氮-有害杂质，氧导致热脆，氮导致冷脆 锰，硅，钒，钛，铌，镍，铬 -合金元素，改善钢材的性能,2.1.2 建筑结构用钢的物理力学性能,钢筋品种,热轧钢筋 Hot Rolled Steel Reinforcing Bar HPB235级、HRB335级、HRB400级、RRB400级,HPB,HRB,RRB,屈服强度 fyk HPB235级： fyk = 235 N

2、/mm2 HRB335级： fyk = 335 N/mm2 HRB400级、RRB400级： fyk = 400 N/mm2,钢筋品种,HPB235级(级)钢筋多为光面钢筋，多作为现浇楼板的受力钢筋和箍筋 HRB335级(级)和 HRB400级(级)钢筋强度较高，多作为钢筋混凝土构件的受力钢筋，尺寸较大的构件，也有用级钢筋作箍筋的为增强与混凝土的粘结，外形制作成月牙肋或等高肋的变形钢筋。 级钢筋强度太高，不适宜作为钢筋混凝土构件中的配筋，一般冷拉后作预应力筋 延伸率（Percentage of elongation）：d5=25、16、14、10%，直径840mm。,热轧钢筋,钢丝 中强钢丝的

3、强度为8001200MPa，高强钢丝、钢绞线的为 1470 1860MPa；延伸率d10=6%；钢丝的直径39mm；外形有光面、刻痕和螺旋肋三种，另有二股、三股和七股钢绞线，外接圆直径9.515.2 mm。中高强钢丝和钢绞线均用于预应力混凝土结构。 冷加工钢筋 是由热轧钢筋和盘条经冷拉、冷拔、冷轧、冷扭加工后而成。冷加工的目的是为了提高钢筋的强度，节约钢材。但经冷加工后，钢筋的延伸率降低。近年来，冷加工钢筋的品种很多，应根据专门规程使用。 热处理钢筋 是将级钢筋通过加热、淬火和回火等调质工艺处理，使强度得到较大幅度的提高，而延伸率降低不多。用于预应力混凝土结构。,钢筋品种,2.1.2 建筑结构

4、用钢的物理力学性能,常见钢筋外形,强度 材料抵抗破坏能力的指标,钢筋的力学性能,有明显屈服点,oa弹性阶段（虎克定律） bc屈服阶段 cd硬化阶段 de颈缩阶段,a弹性极限fb c屈服强度fy （结构计算中的 材料强度） d极限强度fu,注：钢材具有明显的流幅（屈服平台较长），钢材有足够的塑性变形来保证截面上的应力达到均匀分布，从而构成塑性内力重分布的理论基础。,强度 材料抵抗破坏能力的指标,钢筋的力学性能,无明显屈服点,a点：比例极限，约为0.65fu a点前：应力-应变关系为线弹性 a点后：应力-应变关系为非线性，有一定塑性变形，且没有明显的屈服点 名义屈服点：残余应变为0.2%所对应的应

5、力，规范取s0.2 =0.85 fu,材料强度依据,弹性与塑性,材料在外力作用下产生变形，当外力除去后能完全恢复到原始形状的性质，称为弹性。,弹性模量：,材料在外力作用下产生变形，当外力除去后，部分变形恢复的性质，称为塑性。,钢筋的力学性能,满足虎 克定律,塑性性能,冲击韧性：是对于钢结构使用钢材的特殊要求，是检验钢材对于冲击荷载的承受能力。,伸长率：钢材拉断后的塑性变形量较钢材原始尺度的变化率，是衡量钢材变形能力的重要指标。,冷弯指标：是检验钢材冷加工性能的指标，对于钢筋与钢板，其冷弯指标是指在常温下被检验材料对于某一相对的半径（相对板材厚度与钢筋直径）的弯曲角度。,伸长率:, 越大, 钢筋

6、延性或塑性越好,徐变和应力松弛,混凝土的徐变是指混凝土在长期的、不变的、较高的荷载作用下，其变形随时间的增长而增加的现象，称为徐变。,在恒定温度和应变条件下，构件或材料的应力随时间而见小的现象，称为应力松弛。容易引起预应力损失。,2.1.3 影响钢材性能的其他因素,钢筋的加工性能,常见的建筑工程钢材加工有冷加工、热加工两类： 冷加工：板材、线材的冷弯；线材的冷拉、冷拔； 热加工：焊接。,冷拉后的钢筋没有明显的屈服阶段，如B图。 冷拉卸载后经过一段时间的停滞，再对其张拉，会重新恢复屈服阶段而呈现出屈服强度提高的应力应变图形；这种现象被称为冷做硬化现象； 冷拉仅提高钢筋的抗拉强度，不提高其抗压强度

7、； 冷拉工艺不改变钢筋的强度级别 。,冷拉,钢筋的加工性能,冷拔是指将光圆钢筋以强力拉拽使其通过小直径的硬质合金模具，使其截面减小而长度增长； 冷拔后的钢筋的强度会大大提高； 冷拔后钢筋的塑性会降低； 冷拔后的钢筋与之前的钢筋不属于同一种钢筋。,冷拔,2.1.4 建筑结构常用的钢材种类,钢结构用钢材 钢的种类、牌号和代号 碳素钢：Q196, Q215, Q235（3号钢）, Q255, Q275 Q屈服强度“屈”字汉语拼音的字首； 牌号按强度大小加以区分（代表了含碳量） Q235钢按质量级别（冲击韧性）可分为A、B、C、D四级。 低合金钢：Q345（16Mn）, Q390（15MnV）, Q4

8、20 按质量等级不同（冲击韧性）分为A、B、C、D、E五级。,2.1.4 建筑结构常用的钢材种类,常用钢材规格 热轧钢板 薄钢板(t 4mm) 厚钢板(t4mm) 特厚钢板(t60mm) 扁钢板(带钢，t=460mm) 表示方法：宽度厚度长度， -800 12 2100,2.1.4 建筑结构常用的钢材种类,热轧型钢 角钢 表示方法：等边角钢 L边宽厚度， 不等边角钢 长边宽短边宽厚度 工字钢 表示方法：外廓高度的厘米数位型号。按腹板由薄到厚分为a、b和c三级。如I32c, I32Q号。 H型钢和T型钢 表示方法：H截面高宽度腹板厚翼缘厚 槽钢 表示方法：匚30a 槽钢外廓高度为30cm, 匚2

9、5Q外廓高25cm 钢管 表示方法：外径壁厚 4006,2.1.4 建筑结构常用的钢材种类,冷弯薄壁型钢 厚度1.56热轧钢板经冷加工成型,2.2 木材,2.2.1 木结构常用树种及强度等级 2.2.2 承重木结构用材分类 2.2.3 木结构的材质等级和材质标准 2.2.4 木材的物理力学性能与常用木材主要特性 2.2.5 木结构构件对木材含水率的要求 2.2.6 承重结构用胶的质量要求,2.3 混凝土,2.3.1 混凝土的强度,定义,立方体抗压强度是指按照标准方法制作养护的边长为150mm的立方体试件，在28天龄期，用标准试验方法测得的抗压强度。,强度等级,C15,C20,C25,C30,C

10、35,C40,C45,C50C80共14级,C 混凝土 15立方体抗压强度的标准值为15N/mm2,2.3.1 混凝土强度,强度范围,普通混凝土 强度等级小于等于C50的混凝土 高强混凝土 强度等级高于C50的混凝土。,轴心抗压强度 fck（棱柱体抗压强度）,定义 轴心抗压强度是指按照标准方法制作养护的截面为150mm150mm高300mm的棱柱体，在28天龄期，用标准试验方法测得的抗压强度。,轴心抗压强度 fck（棱柱体抗压强度）,折算,轴心抗压强度与立方体抗压强度比值,高强混凝土脆性折减系数,0.88经验折减系数,2.3.1 混凝土强度,轴心抗拉强度,也是其基本力学性能，用符号 ft 表示

11、。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。,2.3.1 混凝土强度,劈裂抗拉强度,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,2.3.2 混凝土的变形,单轴（单调）受压应力-应变关系,A,-比例极限 B,-临界点 C,-峰值点 D,-反弯点（拐点） E,-收敛点,e0,ecu,强度对应力-应变曲线的影响,强度等级越高，线弹性段越长，峰值应变也有所增大。但高强混凝土中，砂浆与骨料的粘结很强，密实性好，微裂缝很少，最后的破坏往往是骨料破坏，破坏时脆性越显著，下降段越陡。,规范应力-应变关系,上升段：,下降段：,混凝土弹性模量

12、,原点切线模量,割线 (变形）模量,切线模量,弹性系数n 随应力增大而减小 n =10.5,2.3.3 混凝土的变形模量,混凝土弹性模量,弹性模量测定方法,fcu-混凝土的立方体强度，可用混凝土强度等级值代入。,0.35,混凝土受拉应力-应变关系,混凝土的收缩和徐变,混凝土的收缩 定义： 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。它是混凝土在不受外力情况下体积变化产生的变形。,墙板干燥收缩裂缝与边框架的变形,混凝土的收缩,特征： 图示混凝土的收缩是随时间而增长的变形； 早期收缩变形早期发展较快，以后逐渐减慢，两周可完成全部收缩的25%，一个月可完成50%，两年后稳定。 一般情况

13、下，最终收缩应变值约为(25)10-4 混凝土开裂应变为(0.52.7)10-4 ,原因： 水泥石水化凝固产生体积变化； 自由水分蒸发而引起干缩,混凝土的收缩,不利影响： 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。 混凝土收缩会使预应力混凝土构件产生预应力损失。 某些对跨度比较敏感的超静定结构（如拱结构），收缩也会引起不利的内力。,混凝土的徐变,定义： 混凝土在荷载的长期作用下，其变形随时间而不断增长的现象称为徐变。,与混凝土的收缩一样，徐变也与时间有关。因此，在测定混凝土的徐变时，应同批浇筑同样尺寸不受荷的试件，在同样环境下同时量测

14、混凝土的收缩变形，从徐变试件的变形中扣除对比的收缩试件的变形，才可得到徐变变形。,混凝土的徐变,加荷时的龄期t0 ，瞬时弹性应变eel， 收缩应变为esh(t，t0)， 瞬时弹性恢复应变eel ，弹性后效或徐变恢复eel，残留应变ecr ,混凝土的徐变,特征： 图示随荷载作用时间的延续，变形不断增长； 前快后慢，6个月可达最终徐变的（7080）%，23年后趋于稳定。,混凝土的徐变,原因：有不同假设 水泥凝胶体在荷载作用下具有粘性流动的性质 加载应力较高时，微裂缝的发展 内部颗粒间水分迁移,混凝土的徐变,不利影响 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

15、导致破坏。 有利影响 徐变有利于结构构件产生内（应）力重分布，降低结构的受力（如支座不均匀沉降），减小大体积混凝土内的温度应力，受拉徐变可延缓收缩裂缝的出现。,2.3.4 钢筋与混凝土的粘结, 钢筋与混凝土间具有足够的粘结是保证钢筋与混凝土共同受力变形的基本前提。 通过钢筋与混凝土界面的粘结应力，可以实现钢筋与混凝土之间的应力传递，从而使两种材料可以结合在一起共同工作。 粘结应力通常是指钢筋与混凝土界面间的剪应力。,2.3.4 钢筋与混凝土的粘结,钢筋与混凝土的粘结作用由三部分组成： 混凝土中水泥胶体与钢筋表面的胶结力； 混凝土因收缩将钢筋握紧而产生的钢筋与混凝土间的摩擦力； 机械咬合力。,当

16、钢筋与混凝土产生相对滑动后，胶结作用即丧失。 摩擦力的大小取决于握裹力和钢筋与混凝土表面的摩擦系数。,2.3.4 钢筋与混凝土的粘结,粘结应力的分布是不均匀的,粘结强度tu ：粘结破坏（钢筋拔出或混凝土劈裂）时钢筋与混 凝土界面上的最大平均粘结应力,2.3.4 钢筋与混凝土的粘结,当锚固长度增加达到一定值，钢筋受拉达到屈服（强度充分发挥）时未产生粘结破坏，该临界情况的锚固长度称为基本锚固长度la,影响粘结强度的主要因素 混凝土强度、保护层厚度和钢筋净间距、横向配筋、钢筋表面和外形特征、受力情况及锚固长度,2.3.4 钢筋与混凝土的粘结,基本锚固长度la 规范是以拔出试验为基础确定基本锚固长度的。取粘结强度tu与混凝土抗拉强度 ft 成正比，并根据试验结果，取钢筋受拉时的基本锚固长度为，,a,2.3.4 钢筋与混凝土的粘结,基本锚固长度la修正 构件中钢筋的实