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1、第三章：工程结构第三章：工程结构材料的物理力学性能材料的物理力学性能 内容提要内容提要n一、钢材的物理力学性能n二、混凝土的物理力学性能n三、砌体的材料及力学性能n四、本章要点第三章：第三章：材料的性能材料的性能 一、钢材的物理力学性能一、钢材的物理力学性能1、简单应力下钢材的性能 (1)钢材的应力-应变关系 曲线形式： 有明显流幅的： 弹性、屈服、强化和颈缩阶段 没有明显流幅的： 没有明显的屈服阶段 曲线简化：屈服前：完全弹性的；屈服后：完全塑性的。 第三章：第三章：材料的性能材料的性能 一、钢材的物理力学性能一、钢材的物理力学性能(2)钢材的强度指标屈服强度：设计时钢材允许达到的最大应力
2、有明显流幅的钢材：取屈服点的应力； 无有明显流幅的钢材：取条件屈服强度。 条件屈服强度：残余应变为0.2%对应的应力。极限强度：材料能承受的最大应力反映安全储备屈强比：屈服强度/极限强度 (3)钢材的塑性指标伸长率：拉断后构件伸长率截面收缩率：拉断后面积缩小率 冷弯性能：以冷弯的角度来衡量 第三章：第三章：材料的性能材料的性能 一、钢材的物理力学性能一、钢材的物理力学性能2、复杂应力下钢材的性能(1)复杂应力状态下的屈服条件判别方法：用能量理论建立屈服条件，用折算应力判别 当 时，钢材没有屈服 当 时，钢材屈服。折算应力 以主应力表示： 以应力分量表示 第三章：第三章：材料的性能材料的性能 一
3、、钢材的物理力学性能一、钢材的物理力学性能 分析结果： 主应力同号时，不易屈服， 塑性下降，越接近越明显。 主应力异号时，易屈服，破 坏呈塑性，差别越大越明显。(2)反复荷载下钢材的疲劳 疲劳破坏：在低于强度的应力反复作用下，所发生破坏。 疲劳破坏特点： 包括裂纹形成，缓慢发展和迅速断裂三个过程 没有明显的变形，脆性破坏 第三章：第三章：材料的性能材料的性能 一、钢材的物理力学性能一、钢材的物理力学性能 影响因素： 荷载的的性质：拉、压、剪等 应力循环特征：(应力比 ) 静载（=1） 同号循环（0） 脉冲循环(=0) 异号循环(0) 完全对称循环（-1） 循环次数: 应力比一定时， 疲劳强度与
4、荷载的循环次数有关。 第三章：第三章：材料的性能材料的性能 一、钢材的物理力学性能一、钢材的物理力学性能疲劳极限：当最大应力小于某一数值， 反复荷载循环无穷次，材料也不会破坏。 疲劳曲线(试验结果) 循环N次 包络线ABCD简化疲劳曲线 ABCD的方程 BCD(拉为主) AB(压为主) 第三章：第三章：材料的性能材料的性能 一、钢材的物理力学性能一、钢材的物理力学性能3 影响钢材性能的一般因素(1)化学成分 碳：提高强度；但塑性，可焊性、耐锈蚀性等劣化。 锰：提高强度，改善脆性；但对可焊性和耐锈力不利。 硅：提高强度，但含量过高，对塑性可焊性耐锈力不利。 硫：高温时变脆，降低塑性韧性抗疲劳能力
5、和耐锈能力。 磷：提高强度和耐锈力，低温变脆，降低塑性可焊性等。 (2)钢材缺陷 偏析:钢中化学成分的不一致性和不均匀性 裂纹：先天的裂纹，或是微观的或是宏观的 分层：在厚度方向分成多层，各层相互连接，并不脱离 夹杂物：尤其是硫化物和氧化物等第三章：第三章：材料的性能材料的性能 一、钢材的物理力学性能一、钢材的物理力学性能(3)钢材的硬化时效硬化：现象：时间增加，强度提高，塑性下降。 特点：过程很长，反复荷载和高温下易产生。冷作硬化：常温下产生塑性变形后屈服点提高，塑性降低。应变时效：产生塑性变形后，特别是在高温下，使已经产 生冷作硬化的钢材又发生时效硬化。第三章：第三章：材料的性能材料的性能
6、 一、钢材的物理力学性能一、钢材的物理力学性能(4)温度 在正常温度下：基本不随温度变化 在高温度下：温度升高，强度、弹性模量均有下降趋势 蓝脆现象：250左右，抗拉强度反而提高， 塑性和韧性下降。 在低温时：温度降低，强度略提高， 塑性等下降，有脆性倾向。 冷脆现象：当温度降低至某一温度以下时， 材料变脆。 第三章：第三章：材料的性能材料的性能 一、钢材的物理力学性能一、钢材的物理力学性能(5)应力集中 现象：当构件内部缺陷或截面形状等改变时，应力分布 不均匀，出现局部高峰应力，促使钢材变脆。 影响因素：截面变化愈剧烈，应力集中现象愈明显。 第三章：第三章：材料的性能材料的性能 一、钢材的物
7、理力学性能一、钢材的物理力学性能4、结构对钢材的要求及钢材的分类(1)结构对钢材的要求 具有较高的屈服强度和极限强度； 具有良好的塑性和韧性 具有良好的工艺加工性能； 良好的耐锈蚀能力 与混凝土良好的粘结力(2)钢材的选择： 结构或构件的类型及重要性； 作用的性质（静力和动力作用）； 连接方式（焊接、铆接或螺栓连接）； 工作环境（温度和腐蚀等）。第三章：第三章：材料的性能材料的性能 一、钢材的物理力学性能一、钢材的物理力学性能(3)结构用钢材的分类 碳素钢： 强度等级：按屈服强度分五个品种，Q195Q275。 质量等级：A、B、C、D四级，对冲击韧性要求不同 脱氧方式：镇静、半镇静、沸腾和特殊
8、镇静，用ZbF和TZ示例：Q235Bb表示屈服强度为235，B级半镇静钢 低合金钢： 强度等级：按屈服强度分五个品种，Q295Q460。 质量等级：A、B、C、D、E五级，对冲击韧性要求不同 脱氧方式：镇静和特殊镇静钢 热处理钢第三章：第三章：材料的性能材料的性能 一、钢材的物理力学性能一、钢材的物理力学性能(4)(4)钢材的规格钢材的规格钢板钢板：以“宽度厚度长度”或“宽度厚度”表示型钢型钢：角钢角钢：等边“L肢宽厚度”；不等边“L长肢宽短肢宽厚度” 工字钢工字钢：普通工字钢以I+截面的高度；轻型工字钢前面加Q 槽钢槽钢：有普通槽钢和轻型槽钢两种，用截面的高度编号 H H型钢型钢：热扎和焊接
9、两种，“高度*宽度*腹板厚度*翼缘厚度” 钢管钢管：有热轧无缝钢管和焊接钢管。以“外径壁厚”表示薄壁型钢薄壁型钢：用薄钢板冷轧而成，形式及尺寸可以变化。钢筋钢筋 按照表面形状按照表面形状：有光面钢筋和变形钢筋 钢筋种类钢筋种类： 热轧钢筋：分HRB235、HRB335和HRB400或RRB400三级，符号+直径 预应力钢丝：有光面碳素、螺旋肋和三面刻痕钢丝三种，符号+直径 预应力钢绞线：多根钢丝绞合制成。“1股数公称直径”表示 热处理钢筋：HT+钢筋表示 第三章：第三章：材料的性能材料的性能 二、混凝土的物理力学性能二、混凝土的物理力学性能1、简单受力下混凝土的性能 (1)受压的应力应变关系曲
10、线特征应力小：近似线性关系应力大：非线性关系近峰值:不稳定非线性下降段：反弯点后平缓 主要影响因素混凝土强度：强度提高,峰值点应变高；下降段陡延性差加载速度：愈大，强度高，峰值应变低；下降段陡延性差第三章：第三章：材料的性能材料的性能 二、混凝土的物理力学性能二、混凝土的物理力学性能数学模型 普通混凝土：(C50以下) =0.002 ，n=2 0.002(均匀压),0.0033(不均匀压、弯) 高强混凝土(C50以上)第三章：第三章：材料的性能材料的性能 二、混凝土的物理力学性能二、混凝土的物理力学性能(2)简单受力下混凝土的强度立方体抗压强度立方体抗压强度标准方法制作,边长150mm立方体,
11、28天龄期，进行抗压实验得到的破坏时试件的平均压应力。立方体抗压强度标准值：95%保证率的立方体抗压强度值。用途：力学性能的基本代表值，混凝土强度等级划分依据。强度等级：按立方体抗压强度标准值分为14级，“C+标准值” 轴心抗压强度 立方体受压不是处于单轴受力状态！采用棱柱体，中间基本上是处于轴心受压。第三章：第三章：材料的性能材料的性能 二、混凝土的物理力学性能二、混凝土的物理力学性能影响因素：材料成分、养护、龄期、实验方法和试件尺寸 与立方体强度的关系 关系系数(比值)：小于等于C50时，取0.76； 大于C50时： 考虑混凝土脆性的折减系数，小于C40时，不折减取1.0；大于C40时：
12、轴心抗拉强度试验方法：直接拉伸、弯折和劈裂与立方体强度的关系第三章：第三章：材料的性能材料的性能 二、混凝土的物理力学性能二、混凝土的物理力学性能(3)混凝土的变形模量原点弹性模量定义：过原点作切线的斜率取值：变形模量定义：原点和任意点作割线的斜率。关系： 弹性特征系数 切线模量：过任一点作切线的斜率为时的切线模量剪切模量：根据弹性模量和泊松比确定： 第三章：第三章：材料的性能材料的性能 二、混凝土的物理力学性能二、混凝土的物理力学性能2、复杂应力下混凝土的性能 (1)复合应力下混凝土强度和变形 多向受压双向压：强度提高；三向压(约束受压)：强度和延性明显提高，双向受拉:影响不大 一拉一压：强
13、度降低 剪压或剪拉：剪拉：强度降低剪压： 压应力较小：抗剪强度随压应力增加而增大； 压应力较大：抗剪强度随压应力的增加而降低。 第三章：第三章：材料的性能材料的性能 二、混凝土的物理力学性能二、混凝土的物理力学性能(2)长期荷载下混凝土的变形混凝土的徐变现象：在荷载长期作用下，变形将随时间而增加；原因：凝胶体的粘性流动，内部微裂缝不断产生和发展等影响：导致变形增大，应力重分布和内力分布等。 混凝土徐变曲线特点：开始增长较快， 以后逐渐减慢， 逐渐趋于稳定(收敛)卸载时变形恢复: 瞬时弹性恢复、弹性后效，永久应变第三章：第三章：材料的性能材料的性能 二、混凝土的物理力学性能二、混凝土的物理力学性
14、能影响徐变的主要因素应力水平：应力越大，徐变也越大 应力小于0.5fc，线性徐变；大于0.5fc，非线性徐变。龄期：加载时龄期越短，徐变越大 组成：水泥用量越多，水灰比越大，徐变也越大； 骨料强度和弹性模量越高，徐变越小。养护和使用环境：养护温度高，湿度大，徐变越小； 受力后环境温度越高，湿度低，徐变就越大。 第三章：第三章：材料的性能材料的性能 二、混凝土的物理力学性能二、混凝土的物理力学性能(3)重复荷载下混凝土性能一次重复加载下加载：随应力增加应变增加卸载：不重复加载轨迹，有弹性后效和残余变形 多次重复加载下峰值小于疲劳强度：每循环成环，面积逐渐减少，至直线；峰值大于疲劳强度：开始与小应
15、力的相似； 成直线后，凸凹方向改变，斜率降低，裂缝和变形严重混凝土疲劳破坏：因荷载重复作用而引起的破坏混凝土疲劳强度：疲劳破坏需要重复荷载的最小应力峰值 (4)混凝土的收缩、膨胀和温度变形 第三章：第三章：材料的性能材料的性能 二、混凝土的物理力学性能二、混凝土的物理力学性能3、钢筋与混凝土的粘结(1)钢筋与混凝土粘结的作用作用：保证力的相互传递，是共同工作的基本条件 单元分析：假设：一端力T，另端为T+dT根据平衡条件：分析结果 应力变化大，粘结力大，变化小，粘结小当钢筋应力没有变化时，粘结应力等于零 第三章：第三章：材料的性能材料的性能 二、混凝土的物理力学性能二、混凝土的物理力学性能有关
16、的设计问题钢筋端部的锚固裂缝间应力的传递裂缝截面：拉力为零离开一段距离：混凝土有拉力 两条裂缝中间：混凝土拉力最大 (2)粘结力的组成 化学吸附 摩擦 机械咬合 附加咬合等作用第三章：第三章：材料的性能材料的性能 三、砌体的物理力学性能三、砌体的物理力学性能1、砌体的材料及种类 (1)块体材料砖 普通砖：240mm115mm53mm实心 空心砖：全国无统一规格 分级：按极限抗压强度为6级，以“MU+极限强度”表示砌块 按材料分：粉煤灰、煤渣混凝土和混凝土等 按内部结构分：有实心的，也有空心的 按尺寸分：小型900mm 分级：按照极限抗压强度分5级，以“MU+极限强度”石材 按照加工的程度：分细
17、料石、粗料石和毛料石。 分级：按极限抗压强度，分9级，以“MU+极限强度” 第三章：第三章：材料的性能材料的性能 三、砌体的物理力学性能三、砌体的物理力学性能(2)砂浆作用：使块体连成整体；抹平块体表面；填补块体间缝隙；分类：按照组成成分：无塑性掺合料的水泥砂浆、有塑性掺合 料的混合砂浆、不含水泥的砂浆 按照重力密度：大于1.5t/m3重砂浆，小于1.5t/m3轻砂浆分级：按抗压极限强度分5级，以“M+极限强度”表示砌体对砂浆的基本要求符合强度和耐久性要求；应具有一定的可塑性，在砌筑时容易且较均匀地铺开；应具有足够的保水性，即在运输和砌筑时保持质量的能力。第三章：第三章：材料的性能材料的性能
18、三、砌体的物理力学性能三、砌体的物理力学性能(3)砌体的种类 砌体是由块体用砂浆砌筑成的整体。砖砌体：实心砌体，或空心砌体， 有一顺一顶或三顺一顶砌筑法。 石砌体：料石、毛石和毛石混凝土砌体。砌块砌体砌块排列是要有规律性，减少通缝。配筋砌体:在砌体内配置适量的钢筋，形成配筋砌体，如 在水平灰缝中配置网状钢筋，形成网状配筋砌体； 在砌体外或预留槽内配置纵向筋形成组合砌体。第三章：第三章：材料的性能材料的性能 三、砌体的物理力学性能三、砌体的物理力学性能2、砌体的力学性能(1)砌体的抗压强度破坏过程及应力特点受力全过程： 第一阶段：自受力到单块砖内出现竖向裂缝； 第二阶段：单块砖内裂缝发展，连接并
19、穿过若干皮砖 第三阶段：裂缝贯通，把砌体分成若干1/2砖立柱，失稳应力特点： 不仅存在压应力， 而且有弯曲应力和剪切应力，以及横向拉压应力 第三章：第三章：材料的性能材料的性能 三、砌体的物理力学性能三、砌体的物理力学性能原因分析：水平灰缝厚度和密实度不均匀 砖表面力分布不均匀且上下不对应横向变形时相互约束 受压时横向膨胀，砖和砂浆 横向变形系数不同，相互约束。弹性地基梁作用 砂浆层受压将产生压缩变形， 砖就象在弹性地基上的梁， 其内部将产生弯曲应力和剪应力竖向灰缝处的应力集中第三章：第三章：材料的性能材料的性能 三、砌体的物理力学性能三、砌体的物理力学性能影响砌体强度的主要因素块体和砂浆的强
20、度砂浆的弹塑性性能:变形越大，弯曲剪切等越大，强度越低；砂浆的流动性:砂浆的流动性大，对提高砌体强度有利；灰缝厚度：过薄或过厚将引起弯曲剪切应力，强度降低砌筑质量 砌体抗压强度计算及取值考虑因素：块体强度和砂浆强度及种类等取值： 第三章：第三章：材料的性能材料的性能 三、砌体的物理力学性能三、砌体的物理力学性能(2)砌体的抗拉、抗弯和抗剪强度粘结分类 法向粘结力 切向粘结力轴心抗拉强度通缝截面：强度低且离散性大，不能设计为轴心受拉构件沿齿缝截面：与砂浆的强度等级有关：沿块体截面：不考虑竖向灰缝，与块体的强度等级有关 第三章：第三章：材料的性能材料的性能 三、砌体的物理力学性能三、砌体的物理力学性能弯曲抗拉强度 通缝截面破坏和沿齿缝截面破坏: 块体截面破坏： 抗剪强度应力应变关系曲线 弹性模量取值： 与抗压强度成正比，比例系数与砂浆等级等有关。剪切模量： 第三章：第三章：材料的性能材料的性能 四、本章要点四、本章要点一、材料的力学性能 1、强度及强度指标 2、变形及变形指标 3、应力应变关系及模量二、不同条件下的强度特点 1、简单条件下（压、拉等） 2、复杂条件下（约束受力、反复荷载、长期荷载等）三、强度取值及选用 1、不同强度的获取方法：实验 2、不同强度之间的关系：实验回归四、不同建筑材料的规格、特点及应用
