2.和混凝土材料的力学性能—第二讲

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1、河南理工大学土木工程学院河南理工大学土木工程学院2024/9/5CH2MECHANICALPROPERTIESOFMATERIALS22024/9/5河南理工大学土木工程学院河南理工大学土木工程学院本章重点本章重点(Emphasis)熟悉土木工程用钢筋的品种、级别、性能及其选熟悉土木工程用钢筋的品种、级别、性能及其选用原则（用原则（thevariety，level，performanceandselectionprincipleofsteelreinforcement）；）；熟悉混凝土在各种受力状熟悉混凝土在各种受力状态下的下的强强度与度与变形形性能性能（strengthanddeformat

2、ionofconcreteundervariousloads)及其及其选用原用原则；了解了解钢筋与混凝土的粘筋与混凝土的粘结性能性能(bondbetweensteelbarandconcrete)。CH2.钢筋和混凝土材料的基本性能钢筋和混凝土材料的基本性能CH2. Mechanical Properties of Materials32024/9/5河南理工大学土木工程学院河南理工大学土木工程学院钢筋的力学性能指标？钢筋的力学性能指标？为何以屈服强度作为钢筋强度设计值的依据，为何以屈服强度作为钢筋强度设计值的依据，而不是极限抗拉强度？而不是极限抗拉强度？混凝土结构对钢筋性能的具体要求？混凝土

3、结构对钢筋性能的具体要求？小结小结2.1PerformanceofSteelBarCH2.钢筋和混凝土材料的基本性能钢筋和混凝土材料的基本性能42024/9/5河南理工大学土木工程学院河南理工大学土木工程学院结合钢筋应力结合钢筋应力-应变曲应变曲线和钢筋混凝土梁受力线和钢筋混凝土梁受力特点说明特点说明“为何将屈服为何将屈服强度作为钢筋强度设计强度作为钢筋强度设计值的依据，而不是极限值的依据，而不是极限抗拉强度？抗拉强度？”任务任务2.1PerformanceofSteelBarCH2.钢筋和混凝土材料的基本性能钢筋和混凝土材料的基本性能PPABBCDEUltimatestressfu Yiel

4、dingstressfy 52024/9/5河南理工大学土木工程学院河南理工大学土木工程学院fyfu-屈服强度屈服强度-极限抗拉强度极限抗拉强度fy / fu-屈强比屈强比强度储备强度储备塑性指标（延伸率（延伸率elongation）冷弯性能冷弯性能强度指标strengthIndexPlasticityindexcold-formedcapacityultimatetensilestrengthyieldingstrength均匀伸长率均匀伸长率CH2.钢筋和混凝土材料的基本性能钢筋和混凝土材料的基本性能2.1PerformanceofSteelBar回顾回顾62024/9/5河南理工大学土木

5、工程学院河南理工大学土木工程学院强度要求强度要求：保证经济性。：保证经济性。屈服强度屈服强度和和极限抗拉强度极限抗拉强度，还要求，还要求有适当的有适当的屈强比。屈强比。塑性要求塑性要求：保证结构延性，给人以破坏的预兆。：保证结构延性，给人以破坏的预兆。伸长率伸长率和和冷弯冷弯要求。要求。可焊性可焊性：钢筋钢筋焊接后不产生裂纹及过大的变形焊接后不产生裂纹及过大的变形，保证，保证焊接后的接头性能良好。焊接后的接头性能良好。与混凝土的粘结性与混凝土的粘结性：保证钢筋和混凝土：保证钢筋和混凝土共同工作共同工作。耐久性和耐火性耐久性和耐火性：设置必要的混凝土：设置必要的混凝土保护层保护层。CH2.钢筋和

6、混凝土材料的基本性能2.1 Performance of Steel Bar可焊性刻痕钢丝72024/9/5河南理工大学土木工程学院河南理工大学土木工程学院混凝土水泥水骨料混凝土水泥水骨料混凝土是多空隙、不均匀的物体，混凝土是多空隙、不均匀的物体，内部存在许多微裂纹内部存在许多微裂纹水化过程长，性能需较长时间才能稳定水化过程长，性能需较长时间才能稳定ConcretecementwateraggregatesCH2.钢筋和混凝土材料的基本性能钢筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcrete82024/9/5河南理工大学土木工程学院河南理工大学土木工程学院Cubecomp

7、ressivestrengthPrismcompressivestrengthTensilestrengthCompressivestrengthunderbi-axialortri-axialloadsCH2.钢筋和混凝土材料的基本性能钢筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcreteDeformationofconcreteunderaxialandtri-axialcompressiveloads92024/9/5河南理工大学土木工程学院河南理工大学土木工程学院试试验验证证明明，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

8、存存在在少少量量、分分散散的的微微裂裂缝缝，宽宽(25)10-3、最最长长(12mm)，其其主主要要原原因因是是在在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应力场观应力场。CH2.钢筋和混凝土材料的基本性能钢筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcrete在逐渐受压过程中，混凝在逐渐受压过程中，混凝土试块的破坏是土试块的破坏是内部微裂内部微裂缝逐渐发展缝逐渐发展(Extensionofmicro-cracks)的结果。的结果。粘粘结结裂裂缝缝混凝土加载前的内部微裂缝混凝土

9、加载前的内部微裂缝102024/9/5河南理工大学土木工程学院河南理工大学土木工程学院 =0.85 max =0.65 max粘粘结结裂裂缝缝s = ss = smax =0混混凝凝土土试试块块从从开开始始受受力力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逐渐增多和扩展，可以分作缝逐渐增多和扩展，可以分作三个阶段三个阶段：CH2.钢筋和混凝土材料的基本性能钢筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcrete微裂缝不发展微裂缝不发展微裂缝扩展微裂缝扩展微裂缝非稳定发展微裂缝非稳定发展混凝土破坏混凝土破坏用用X光观测的混凝土单轴受压的裂缝过程光观测的混凝土单轴受

10、压的裂缝过程112024/9/5河南理工大学土木工程学院河南理工大学土木工程学院 =0.85 max =0.65 max粘粘结结裂裂缝缝s = ss = smax =0CH2.钢筋和混凝土材料的基本性能钢筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcrete微裂缝不发展微裂缝不发展微裂缝扩展微裂缝扩展微裂缝非稳定发展微裂缝非稳定发展混凝土破坏混凝土破坏结论：结论：混凝土受压破坏是由于混凝土混凝土受压破坏是由于混凝土内裂缝的扩展所内裂缝的扩展所致致。如果对混凝土的。如果对混凝土的横向变形加以约束横向变形加以约束，限制裂缝的开限制裂缝的开展展，则可以，则可以提高提高混凝土纵向混凝

11、土纵向抗压强度抗压强度。122024/9/5河南理工大学土木工程学院河南理工大学土木工程学院立方体抗压强度立方体抗压强度(Cube Compressive Strength)fcu1）单轴受力状态下的混凝土强度（单轴受力状态下的混凝土强度（underaxialloads）CH2.钢筋和混凝土材料的基本性能钢筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcrete轴心抗压强度轴心抗压强度(Axial Compressive Strength)fc轴心抗拉强度轴心抗拉强度(Axial Tensile Strength)ft132024/9/5河南理工大学土木工程学院河南理工大学土木

12、工程学院承压板试块温度：温度：202033相对湿度：相对湿度：9090标准标准条件条件养护养护28d28d标准标准试验方法试验方法抗压强度抗压强度边长为边长为150mm150mm的的标准标准立方体立方体试块试块加载速度：加载速度：0.150.150.25MPa/s0.25MPa/s全截面受力，表面不涂润滑剂全截面受力，表面不涂润滑剂CH2.钢筋和混凝土材料的基本性能钢筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcrete142024/9/5河南理工大学土木工程学院河南理工大学土木工程学院影响因素一：润滑剂(lubricant)摩擦力friction不涂润滑剂不涂润滑剂涂润滑剂

13、涂润滑剂套箍效应套箍效应强度大于强度大于立方体抗压强度影响因素立方体抗压强度影响因素(Factors that affect the cube strength)Thefrictionbetweentheheadsofthetestingmachineandthespecimenofferssomelateralconstrainttorestrictthelateralexpansionofthespecimenunderpressure,sothespecimencantakeahighercompressivestrength.承压板试块CH2.钢筋和混凝土材料的基本性能钢筋和混凝土材料

14、的基本性能2.2PerformanceofConcrete152024/9/5河南理工大学土木工程学院河南理工大学土木工程学院影响因素二：尺寸(Size)尺寸效应尺寸效应标准试块标准试块150150150非标准试块非标准试块100100100非标准试块非标准试块2002002001.05:1:0.95尺寸越大尺寸越大, ,内部缺陷较多内部缺陷较多; ;尺寸越大，套箍作用越不明显。尺寸越大，套箍作用越不明显。试块尺寸越大，实测破坏强度越低。试块尺寸越大，实测破坏强度越低。Thesmallerthesizeofthespecimen,thehigherthecompressivestrength.

15、CH2.钢筋和混凝土材料的基本性能钢筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcrete立方体抗压强度影响因素立方体抗压强度影响因素(Factors that affect the cube strength)162024/9/5河南理工大学土木工程学院河南理工大学土木工程学院影响因素三：加载速度The loading speed加载速度快，内部微裂纹来不及扩展加载速度快，内部微裂纹来不及扩展实测强度提高实测强度提高Theloadingspeedincreasesmorerapidlyduringthetest,thecompressivestrengthwillbehig

16、her.CH2.钢筋和混凝土材料的基本性能钢筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcrete立方体抗压强度影响因素立方体抗压强度影响因素(Factors that affect the cube strength)172024/9/5河南理工大学土木工程学院河南理工大学土木工程学院另外，影响因素还有另外，影响因素还有龄期龄期、养护养护条件、条件、材料材料组成、试件组成、试件形状形状以及试验以及试验方法方法等。等。CH2.钢筋和混凝土材料的基本性能钢筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcrete因此，在建立混凝土的强度时，需要规定一个因此，在建立

17、混凝土的强度时，需要规定一个统一的标准统一的标准作作为依据。为依据。温度：温度：202033相对湿度：相对湿度：9090边长为边长为150mm150mm的的标准标准立方体立方体试块试块标准标准条件条件养护养护28d28d标准标准试验方法试验方法加载速度：加载速度：0.150.150.25MPa/s0.25MPa/s全截面受力，表面不涂润滑剂全截面受力，表面不涂润滑剂抗压强度抗压强度182024/9/5河南理工大学土木工程学院河南理工大学土木工程学院具有具有95保保证率率的立方体抗的立方体抗压强强度度标准准值(N/mm2)14gradesC15C20C25C30C35C40C45C50C55C6

18、0C65C70C75C80高强混凝土高强混凝土代表代表Concrete立方体抗压强立方体抗压强度标准值度标准值fcu,kCH2.钢筋和混凝土材料的基本性能钢筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcrete混凝土的强度等级混凝土的强度等级strengthgradeofconcrete按立方体抗按立方体抗压强强度度标准准值fcu,k确定确定概率密度材料强度强度平均值强度标准值192024/9/5河南理工大学土木工程学院河南理工大学土木工程学院承压板试块 抗压强度与抗压强度与试件形状试件形状有关，实际构件往往是有关，实际构件往往是棱柱体棱柱体，棱柱体抗压强度比立方体试件能更好

19、地，棱柱体抗压强度比立方体试件能更好地反映混凝土的反映混凝土的实际抗压能力实际抗压能力。真实反映混凝土的实际工作状态真实反映混凝土的实际工作状态CH2.钢筋和混凝土材料的基本性能钢筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcrete 试件长度不宜过小或过大：试件长度不宜过小或过大：摆脱端部摆脱端部摩擦摩擦力力的影响；的影响；试件不致试件不致失稳失稳或发生较大或发生较大弯曲变形弯曲变形。Standardspecimen:150150300(450)mm202024/9/5河南理工大学土木工程学院河南理工大学土木工程学院CH2.钢筋和混凝土材料的基本性能钢筋和混凝土材料的基本性

20、能2.2PerformanceofConcrete 试验量测到试验量测到fc值比值比fcu值小值小，并且棱柱体，并且棱柱体试件试件高宽比高宽比( (即即h/b) )越大越大，它的，它的强度越小强度越小。承压板试块中部横向变形中部横向变形不受端部摩擦力的约束，不受端部摩擦力的约束，代表了混凝土处于代表了混凝土处于单向全截面均匀受压的应单向全截面均匀受压的应力状态力状态。真实反映混凝土的实际工作状态真实反映混凝土的实际工作状态 通过大量比对试验，可建立通过大量比对试验，可建立fc值与值与fcu值值之间的关系式。之间的关系式。212024/9/5河南理工大学土木工程学院河南理工大学土木工程学院立方体

21、抗压强度试验平均值立方体抗压强度试验平均值脆性折减系数：脆性折减系数：C40以下：以下：C80：考虑实际构件的工作条考虑实际构件的工作条件与试件件与试件所处条件的差所处条件的差异异引入的修正系数引入的修正系数CH2.钢筋和混凝土材料的基本性能钢筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcretefc 与与fcu的关系曲线的关系曲线222024/9/5河南理工大学土木工程学院河南理工大学土木工程学院 由于混凝土构件由于混凝土构件内部的不均匀性内部的不均匀性，加之安装，加之安装试件偏差试件偏差的原因，通过直接受拉试验测量抗拉强度是很困难的，试的原因，通过直接受拉试验测量抗拉强度

22、是很困难的，试验验数据离散性很大数据离散性很大。100100150150500 直接测试法直接测试法 误差大误差大难实现难实现CH2.钢筋和混凝土材料的基本性能钢筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcrete混凝土的抗裂、抗剪、抗扭、抗冲混凝土的抗裂、抗剪、抗扭、抗冲切等与之有关。试验方法未统一。切等与之有关。试验方法未统一。232024/9/5河南理工大学土木工程学院河南理工大学土木工程学院ddftsFFFF根据弹性根据弹性力学知识力学知识试件中间垂直截面除加力点试件中间垂直截面除加力点附近很小的范围外，有均匀附近很小的范围外，有均匀分布的水平拉应力。当拉应分布的水

23、平拉应力。当拉应力力达到达到混凝土的混凝土的抗拉强度抗拉强度时，时，试件被劈成两半试件被劈成两半。CH2.钢筋和混凝土材料的基本性能钢筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcrete劈裂试验劈裂试验(splittingtest)242024/9/5河南理工大学土木工程学院河南理工大学土木工程学院CH2.钢筋和混凝土材料的基本性能钢筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcrete抗折试验抗折试验(bendingtest)Standardspecimen:150150500600mmfr=Mu / W252024/9/5河南理工大学土木工程学院河南理

24、工大学土木工程学院混混凝凝土土的的脆脆性性系系数数，当当混混凝凝土土的的强强度度等等级级不不大大于于C40时时，=1.0；当当混混凝凝土土的的强强度度等等级级为为C80时时，=0.87；其间按线性插值。；其间按线性插值。 0.88考虑结构中的混凝土强度与试块混凝上强度之考虑结构中的混凝土强度与试块混凝上强度之间的差异等因素的修正系数。间的差异等因素的修正系数。为轴心抗拉强度与立方体抗压强度的折算关系。为轴心抗拉强度与立方体抗压强度的折算关系。CH2.钢筋和混凝土材料的基本性能钢筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcreteft=0.395262024/9/5河南理工大

25、学土木工程学院河南理工大学土木工程学院双轴应力下的强度双轴应力下的强度underbi-axialload2）复合受力状态下混凝土的强度）复合受力状态下混凝土的强度underbi-axialortri-axialloads双向受拉双向受拉，1与与2的相互影响不大，双向受拉强度均的相互影响不大，双向受拉强度均接接近近于于单向受拉强度单向受拉强度。一向受拉，另一向受压，混凝土强度均低于单向拉伸一向受拉，另一向受压，混凝土强度均低于单向拉伸或压缩的强度，即或压缩的强度，即双向异号应力使强度降低。双向异号应力使强度降低。双向受压双向受压，一向强度随另一向应力的增加而，一向强度随另一向应力的增加而增加增加

26、。CH2.钢筋和混凝土材料的基本性能钢筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcrete272024/9/5河南理工大学土木工程学院河南理工大学土木工程学院三向受压时的强度三向受压时的强度undertri-axialload 3=fcc 3=fcc 1= 2=fLfL-侧向约束压侧向约束压应力（加液压）应力（加液压）三轴受压试验三轴受压试验StrengthwithlateralconstraintStrengthwithoutlateralconstraint混凝土一向抗压强混凝土一向抗压强度随另两向侧压力度随另两向侧压力的增加而提高，同的增加而提高，同时轴向变形能力也时

27、轴向变形能力也明显提高明显提高试验系数，试验系数，C50为为1.0；C80为为0.85；其间线性内插。；其间线性内插。CH2.钢筋和混凝土材料的基本性能钢筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcrete2）复合受力状态下混凝土的强度）复合受力状态下混凝土的强度underbi-axialortri-axialloads282024/9/5河南理工大学土木工程学院河南理工大学土木工程学院对对于于纵纵向向受受压压的的混混凝凝土土，约约束束混混凝凝土土的的侧侧向向变变形形，可可使使混混凝凝土土的的抗抗压压强强度度和和延延性性有有较较大大提提高高。实实际际工工程程中中常常用用钢钢

28、管管混混凝凝土土柱、螺旋钢箍柱柱、螺旋钢箍柱。CH2.钢筋和混凝土材料的基本性能钢筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcrete292024/9/5河南理工大学土木工程学院河南理工大学土木工程学院CH2.钢筋和混凝土材料的基本性能钢筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcrete302024/9/5河南理工大学土木工程学院河南理工大学土木工程学院CH2.钢筋和混凝土材料的基本性能钢筋和混凝土材料的基本性能312024/9/5河南理工大学土木工程学院河南理工大学土木工程学院CH2.钢筋和混凝土材料的基本性能钢筋和混凝土材料的基本性能2.2Perf

29、ormanceofConcrete322024/9/5河南理工大学土木工程学院河南理工大学土木工程学院混凝土的变形混凝土的变形体积变形体积变形受力变形受力变形一次短期加载下的变形一次短期加载下的变形荷载长期作用下的变形荷载长期作用下的变形 多次重复荷载作用下的变形多次重复荷载作用下的变形 硬化过程中的收缩变形硬化过程中的收缩变形 温湿度变化引起的变形温湿度变化引起的变形 CH2.钢筋和混凝土材料的基本性能钢筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcrete332024/9/5河南理工大学土木工程学院河南理工大学土木工程学院受压应力受压应力-应变关系应变关系Stress-s

30、trainrelationshipunderaxialcompressiveload作用是峰值应力后，作用是峰值应力后，吸收试验机的变形能，吸收试验机的变形能，测出下降段。测出下降段。棱柱体试块棱柱体试块骨料和水泥结骨料和水泥结晶体弹性变形晶体弹性变形内部微裂缝内部微裂缝稳定扩展稳定扩展内部微裂缝内部微裂缝非稳定扩展非稳定扩展峰值应变峰值应变(peakstrain)0取取0.002裂缝迅速发展，内裂缝迅速发展，内部整体性严重破坏部整体性严重破坏极限压应变极限压应变(ultimatestrain)u取取0.0033CH2.钢筋和混凝土材料的基本性能钢筋和混凝土材料的基本性能2.2Performa

31、nceofConcrete百分表百分表342024/9/5河南理工大学土木工程学院河南理工大学土木工程学院(MPa)fco0(10-3)abcd225201510546810混凝土强度提高混凝土强度提高加载速度减慢加载速度减慢影响因素影响因素(Factors)GradeofconcreteLoadingspeedTheconditionoflateralconstraintCH2.钢筋和混凝土材料的基本性能钢筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcrete352024/9/5河南理工大学土木工程学院河南理工大学土木工程学院CH2.钢筋和混凝土材料的基本性能钢筋和混凝土材

32、料的基本性能2.2PerformanceofConcrete362024/9/5河南理工大学土木工程学院河南理工大学土木工程学院受拉应力受拉应力-应变关系应变关系Stress-strainrelationshipundertensionloadCH2.钢筋和混凝土材料的基本性能钢筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcrete极限拉应变极限拉应变(ultimatestrain)t取取1.510-4372024/9/5河南理工大学土木工程学院河南理工大学土木工程学院Stress-strainrelationshipunderrepeatedload破坏破坏fcf321fc

33、f的确定原则：的确定原则：100100300或或150150450的棱柱的棱柱体试块承受体试块承受200200万次（或以万次（或以上）循环荷载时发生破坏的上）循环荷载时发生破坏的最大压应力值最大压应力值CH2.钢筋和混凝土材料的基本性能钢筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcrete382024/9/5河南理工大学土木工程学院河南理工大学土木工程学院1 c c ccpe原点切线模量：原点切线模量：拉压相同拉压相同割线模量割线模量secantmodulus切线模量切线模量tangentmodulus 是材料变形性能的主要指标，是材料变形性能的主要指标，在计算构件变形、截

34、面应力在计算构件变形、截面应力和预应力构件的预应力损失等时用。和预应力构件的预应力损失等时用。0CH2.钢筋和混凝土材料的基本性能钢筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcrete弹性模量弹性模量elasticitymodulus变形模量变形模量modulusofdeformation392024/9/5河南理工大学土木工程学院河南理工大学土木工程学院混凝土弹性模量试验方法混凝土弹性模量试验方法重复加载试验重复加载试验(repeatedloadingtest)c/fcc0.5510次此线和原点切线此线和原点切线基本平行，取其基本平行，取其斜率作为斜率作为Ec标准试件标准

35、试件150mm150mm300mm取应力上限为取应力上限为0.5fc重复加载重复加载510次次。试验结试验结果回归果回归CH2.钢筋和混凝土材料的基本性能钢筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcrete402024/9/5河南理工大学土木工程学院河南理工大学土木工程学院混凝土的泊松比混凝土的泊松比(Poissonsratio)和剪切模量和剪切模量(Shearmodulus)ShearmodulusofconcretePoissonsratioofconcrete（试件的试件的横向应变与纵向应变横向应变与纵向应变之比之比），在压力较小时为，在压力较小时为0.150.18

36、，接近破坏时可达，接近破坏时可达0.5以上，规范取以上，规范取0.2。根据弹性理论根据弹性理论CH2.钢筋和混凝土材料的基本性能钢筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcrete412024/9/5河南理工大学土木工程学院河南理工大学土木工程学院CH2.钢筋和混凝土材料的基本性能钢筋和混凝土材料的基本性能2.2PerformanceofConcrete小结小结混凝土受压破坏的实质？如何提高抗压强度？混凝土受压破坏的实质？如何提高抗压强度？混凝土单轴受压应力混凝土单轴受压应力-应变曲线反映了混凝土哪些力学应变曲线反映了混凝土哪些力学性能？性能？混凝土强度的影响因素有哪些？混凝土强度的影响因素有哪些？混凝土的弹性模量有哪些？在应力混凝土的弹性模量有哪些？在应力-应变图形上画出。应变图形上画出。