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1、3. 结构常用材料的物理与力学性质3.1 结构材料的基本要求 3.2 材料的强度取值 3.3 混凝土的物理力学性质 3.4 建筑用钢材的物理力学性质 3.5 钢筋与混凝土的共同工作原理3.1 结构材料的基本要求1. 结构材料要有足够的、有一定环境适应度的强度足够的强度是对于结构材料的基本要求，没有强度或强度不足就根本不能 承担建筑物的巨大荷载，甚至会导致建筑物坍塌，不能保证内部的空间或 应有的效果。另外，结构的材料面对季节变化所导致的温度、湿度、冻融 循环等，其强度也不能有明显的变化。同时，结构的材料还应该能够抵御空气与环境的腐蚀影响；在特殊情况下 ，如火灾，结构材料能够保证保持强度性能的基本
2、时间，使人们可以逃离 险境。2. 结构材料要有足够的刚度除了强度指标，刚度抵抗变形的能力也同样重要。没有足够的强度， 构件受力后虽然不破坏，但可能由于变形过大，会导致构件与构件之间宏 观几何关系的改变，进而会使得结构整体的受力性能复杂化和不确定性增 加，使设计复杂性提高，实际使用的模糊性加大，安全性降低。3.1 结构材料的基本要求3. 结构材料要有相应的重度材料的重量是结构保持自身稳定性的重要手段，在动荷载作用下，轻薄的 构件会产生不良的颤动，不仅影响工作效果，而且颤动所产生的往复应力 的作用，会使材料发生低应力脆断疲劳破坏。建筑物自身的自重是其保持整体稳定、抵抗倾覆的重要因素，如重力式水 坝
3、、挡土墙；重型屋面；重力式桥墩。4. 结构材料要有相对低廉的价格结构材料使用量大，成本是必须被有效控制的。材料的价格并非是施工成本的全部，施工的难易程度也是总成本的重要影 响因素。设计者应从结构的性能要求、材料的基础价格、施工的难易程度等多方面 综合考虑材料的成本，使性能价格比达到较优化的程度。3.1 结构材料的基本要求5. 结构材料要有良好的环保性能结构材料良好的环保性能，要从三方面体现出来：首先是指材料在使用中不会对环境与健康形成不良的危害，对于人体 不产生不良作用，无毒、无放射性、没有不良气体的释放、不与空气 发生不良反应等。其次，在材料的生产过程中不对自然界产生相对的破坏，不大范围的
4、破坏自然界、影响自然环境，不破坏生态平衡。第三，材料是可回收、可以重复利用的，重而减少对于新材料的利用 ，间接保护自然。3.1 结构材料的基本要求6. 结构材料的常规选择从材料的选择原则与标准、科学技术发展水平、现有的经济条件与技术条 件，符合这些条件的主要结构材料主要是钢材与混凝土材料。混凝土材料是一种脆性材料，需要与钢材联合工作才能保证其功效的发挥 ，常见的是钢筋混凝土结构、劲性混凝土（钢骨混凝土）结构。普通跨度的多层与高层结构多数采用混凝土结构。钢结构的施工速度快、建筑有效空间大（构件截面小）也是采用钢结构的 主要原因。但是钢结构不耐腐蚀，在高温下会迅速失去强度不耐火。对于一些特殊的构筑
5、物，由于自身的重量与特定的环境要求，如港口、道 路、水坝等，混凝土材料为首选。3.2 材料的强度取值实际工程材料的强度取值实际工程材料存在着离散性，既不完全满足力学计算所提出的基本假 设，形成构件的材料在构件上的各个点的破坏强度不完全一致；与荷载的统计方法相类似，对于材料的强度的特征值也采取统计分析 的方式来进行，并规定了相应的保证率；材料强度特征值的保证率也为：95%，即以该特征值衡量该材料的强 度统计数据，95%的指标高于该特征值。3.2 材料的强度取值规律：同种材料的中，较大与较小的强度指 标出现概率低，常规强度指标出现概 率高强度平均值为，均方差为；有些材料的 强度离散性小，如钢材；有
6、些材料的 离散性大，如混凝土。 强度值出 现 概 率强度值出 现 概 率根据正态分布函数的数学特征，确定特征强度指标： R =-1.645RsRc3.3 混凝土3.3.1 混凝土的强度理论3.3.2 混凝土的变形理论立方抗压强度棱柱抗压强度抗拉强度 多维受力强度短期应力变形 长期应力变形非应力变形3.3 混凝土3.3.1 混凝土的强度理论立方抗压强度1.立方抗压强度是混凝土的基本强度指标2.在标准的试验机上，以标准的实验方法，对于大量的、按照某一统一标准 生产制作的混凝土标准试件进行压缩破坏，所得出的保证率为95%的强度 指标fcu。混凝土是由骨料（石子与砂）、水泥凝胶（水与水泥的水化物）组成
7、的混合物 。混凝土内部还有少量的未水化的水泥颗粒、游离的与结合在水泥凝胶表面的水 分、气泡、杂质等。混凝土是组成不均匀的材料，不同构件的施工作业条件也存在巨大的差异，其 力学性能必然体现出较大的离散性。必须采用统计方法来确定混凝土的强度特 征值3.3.1 混凝土的强度1.混凝土的立方抗压强度fcu 及强度等级。（1）混凝土的立方抗压强度确定方法：用边长为150mm的标准立方体试件，在标准养护条件下（温度203，相对湿度不小于90%）养护28天后，按照标准试验方法（试件的承压面不涂润滑剂，加荷速度约每秒0.150.3N/mm2）测得的具有95%保证率的抗压强度，作为混凝土的立方抗压强度标准值，用
8、符号fcu,k表示。3.3 混凝土砼立方体抗压试验 (点击播放视频)（2）混凝土的强度等级根据立方体抗压强度标准值fcu,k的大小，混凝土强度等级分C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75、C80共14级。其中，C60 C80属高强混凝土。（3）结构混凝土强度等级的要求钢筋混凝土结构的混凝土强度等级不应低于15；当采用HRB335级钢筋时，混凝土强度等级不宜低于20；当采用HRB400和RRB400级钢筋以及承受重复荷载的构件，混凝土强度等级不得低于20。预应力混凝土结构的混凝土强度等级不应低于30；当采用钢丝、钢绞线、热处理钢筋作
9、为预应力钢筋时，混凝土强度等级不宜低于40。3.3 混凝土试验过程1.压力试验机压力较小时，试件表面无变化，但可以听到隐约的噼啪声， 表明时间内部的微裂缝出现。 2.随着压力试验机压力的增加，试件便面中部开始出现竖向裂缝，并逐渐 向上下底面延伸。 3.中部的混凝土开始脱落，混凝土可以出现正、倒四角锥体相连的形态。 4.压力达到一定数量之后，正、倒四角锥体相连体的中部混凝土破碎，整 个试件破坏。IIVIIIII3.3 混凝土标准试验机是指用来压缩试块的试验机的基本指标；试验机重点在于试块上下两端的压板的刚度与摩擦力；压板的刚度过小，会使得试块试验过程中，压板变形过大，在试块破坏时 压板变形恢复量
10、大，弹性是能释放迅速，会加快试件的破坏；3.3 混凝土标准试验机压板与试件接触面的摩擦系数也十分关键，较大的摩擦力会约束试件边缘 受压所产生的侧向变形，延缓试件的破坏。摩擦力较大摩擦力小3.3 混凝土标准的实验方法是指试验机的加荷速度，速度快于试件内部破坏裂缝开展的速度会使得试验结果 偏高，反之会偏低。应变应力加荷速度快，强度高、变形能力低。加荷速度慢，强度低、变形能力高。3.3 混凝土标准试件是指试件的尺度与养护状况。我国规范所确定的标准试件的尺度为150毫米边长的 立方体，养护状况为标准状况203，90%相对湿度，标准大气压养护 28天。龄期强 度3d7d14d21d28d标准强度寒冷季节
11、标准状况 蒸气养护3.3 混凝土标准试件尺度小于150毫米时，试验的统计指标高于标准试件指标；尺度大于150毫米时， 试验的统计指标低于标准试件指标；小试件，边界效应明显标准试件大试件，边界效应不明显3.3 混凝土统一标准指接受同一批次试验的试件的混凝土配合比与组成材料的成分相同。保证率由于混凝土自身的离散性特点，大量的混凝土试件的收压破坏强度也表现出较大 的离散性，当某一指标能够使混凝土试验强度的95%均大于该指标时，则该指标为 相应制作标准的混凝土的立方抗压强度。强度值出 现 概 率Rc95%R c95%混凝土的强度指标是大量试件的统 计指标，对于具体试件，其试验指 标不一定与强度标准相同
12、。不能通过试验的方式确定某一块具 体试块所属的强度等级。3.3 混凝土棱柱抗压强度1.由于压力试验机压板对于试件的边界约束影响区域有限，当立方抗压强 度试件的高度增加时，试件中部所受的影响逐渐减小，试件受压破坏的强 度指标逐渐降低。2.在试验中发现，当试件高度增加至宽度的3倍以上时，试件的强度指标不 再降低，而是趋于稳定，说明此时试件中部受压破坏截面已经不再受边界 约束的影响，其破坏体现出混凝土材料本身的破坏强度。3.在我国混凝土设计规 范中，将此时的混凝土试件受压强度称为棱柱抗 压强度，又称为轴心抗压强度。4.轴心抗压强度被作为混凝土构件受压设计 的强度指标。我国采用 150150300mm
13、棱柱体试件测得的强度作为混凝土的轴心抗压强度。H/Bfc/fcu1.00.512342.混凝土的轴心抗压强度fc砼轴心抗压试验 (点击播放视频)3.3 混凝土抗拉强度 混凝土的抗拉强度ft很低，虽然有一定的强 度，但一般不作为计算依据； 在实际结构设计中，混凝土的受拉区配有钢 筋来承担拉应力，混凝土是开裂工作的； 对于特殊建筑物，如抗渗型要求较高的水池 、地下室的外墙等，混凝土的抗裂性的高低是保 证不发生渗漏的主要因素，此时需要使用混凝土 的受拉强度进行抗裂计算。3.3 混凝土混凝土的抗拉强度可采用尺寸为100100500mm的柱体 试件进行直接轴心受拉试验，但其准确性较差。故国内 为多采用圆
14、柱体或立方体的劈裂试验来间接测定。50015015016钢筋100100抗拉强度的试验测定方法 1 直接测量法；抗拉强度的试验测定方法 2 劈拉试验折算法。3.3 混凝土 多维受力强度1. 在实际结 构中，混凝土经 常不处于单轴应 力状态， 而受多维应力的作用；2. 侧向压力会使纵向受压裂 缝的开展延迟，促使纵向 受压强度有效提高；3. 反之侧向拉力会使纵向受 压裂缝的开展加快，使纵 向受压强度明显降低。4. 多维受力强度可以采用经 验公式：f*=fc+ 4.121/fc 2/fc 1.00.80.60.40.21.00.80.60.40.23.3 混凝土 多维受力强度的应用 钢管混凝土 螺旋
15、箍筋应变 应力 应变无螺旋箍筋配有较大间距的螺旋箍筋配有较小间距的螺旋箍筋3.3 混凝土OA段： 0.3fc，混凝土基本处于弹性工作阶段，应 力应变关系呈线性； AB段：约在(0.30.8) fc，塑性变形逐渐增大，应力 应变关系越来越偏离直线； BC段： 约在(0.81.0) fc，塑性变形显著增大，c点 的应力达峰值应力； C点以后：试件承载能力下降，应变继续增大，最终还 会留下残余应力。应变应 力0BAC3.3.2 混凝土的变形理论短期应力变形混凝土的短期受力变形过程混凝土在一次加载下的应力应变关系是混凝土最基本的力学性能之一，可以 较全面的反映混凝土的强度和变形特点；是确定构件截面上混
16、凝土受压区应 力分布图形的主要依据。3.3 混凝土应变应 力0AB3.3.2 混凝土的变形理论短期应力变形如果在c点以内卸去荷载，从卸荷曲线上看出，可以将应变值分成三部分：I：为卸荷立即恢复的弹性应变e ；II：是经过一段时间可以逐渐恢复的应变，称弹性后效ae ；III：留有一部分不可能恢复的应变称残余应变cp 。eaecp3.3 混凝土3.3.2 混凝土的变形理论短期应力变形 弹性模量 从混凝土的应力应变图形可以看出，混凝土不具备单一的弹性模量。 因此混凝土的弹性模量定义为：以标准试验方法所确定的混凝土的应力应 变曲线的起始点的切线的斜率，记为Ec。 变形模量 混凝土量是指以标准试验方法所确定的混凝土的应力应变曲线上任意一点 与起始点的连线的斜率曲线上一点与0点所形成的割线的斜率，记为 Ec。应变应 力Ec = Ec， 被称为
