第三章结构材料力学性能及其选用

1、第三章结构材料力学性能及其选用 第三章第三章 结构材料的力学性能结构材料的力学性能 及其选用及其选用 第三章结构材料力学性能及其选用 伦敦千年穹顶 第三章结构材料力学性能及其选用 巴黎埃菲尔铁塔 第三章结构材料力学性能及其选用 吉隆坡国家石油双塔大厦 第三章结构材料力学性能及其选用 日本明石海峡大桥 第三章结构材料力学性能及其选用 钢 理论上，凡是把含碳量小于2%，含杂质比较少的 铁碳合金称为钢。 含碳量超过2%，称为生铁；含碳量小于0.08%， 称为工业纯铁。 钢的特点 具有强度高，塑性好，具有良好的韧性；工艺性能 良好，易于加工；但是，钢材易锈蚀、耐火性差。 第三章结构材料力学性能及其选用

2、 二、建筑钢材的主要品种 1.型钢 简单截面型钢：圆钢、 方钢、六角钢、八角 钢等； 复杂截面型钢：工字 钢、角钢、槽钢、钢 轨等。 第三章结构材料力学性能及其选用 二、建筑钢材的主要品种 2.线材 如钢筋、钢丝等。 第三章结构材料力学性能及其选用 二、建筑钢材的主要品种 3.管材 无缝钢管、焊 接钢管等。 第三章结构材料力学性能及其选用 二、建筑钢材的主要品种 4.板材 光面钢板、花纹钢板、 彩色涂层钢板等。 压型彩钢板 第三章结构材料力学性能及其选用 第三章 预应力混凝土结构的一般知识 第一节 建筑钢材 一、钢材的力学性能 建筑结构中的钢材可分为两类：有明显屈服点的 钢材和无明显屈服点的钢

3、材。 1. 应力-应变曲线 第三章结构材料力学性能及其选用 0.2% f0.2 屈服阶段屈服阶段 弹性阶段弹性阶段 a（比例极限）（比例极限） b c e d（抗拉强度）（抗拉强度） 强化阶段强化阶段 破坏阶段破坏阶段 屈服强度屈服强度 有明显屈服点的 钢材应力-应变曲线 无明显屈服点的 钢材应力-应变曲线 第三章结构材料力学性能及其选用 四个阶段四个阶段 0 LL O AF 弹性阶段弹性阶段OAOA 屈服阶段屈服阶段ABAB 强化阶段强化阶段BCBC 颈缩阶段颈缩阶段CDCD A B C D 低碳钢受拉的应力应变图低碳钢受拉的应力应变图 第三章结构材料力学性能及其选用 弹性阶段弹性阶段OA

4、一条通过原点一条通过原点 的直线，应力与应变成正比。的直线，应力与应变成正比。 弹性弹性 弹性模量弹性模量 E E值的大小反映了钢材抵抗值的大小反映了钢材抵抗 弹性变形的能力。弹性变形的能力。 A点对应点对应 的应力。的应力。 tgE : p 0 LL O AF A 低碳钢受拉的应力应变图低碳钢受拉的应力应变图 p E1 E2 l图形的特点： l 试件的特点： l计算的指标： A B C D 弹性极限 第三章结构材料力学性能及其选用 屈服阶段屈服阶段AB 一条波动的曲 线，应力增加很小，而应变增加 很大。 所能承受的拉 力增加很小，而塑性变形迅速 增加，似乎钢材不能承受外力 屈服强度（也叫屈服

5、点） 点对应的应力。 0 LL l图形的特点： l试件的特点： l计算的指标： O AF A 低碳钢受拉的应力应变图低碳钢受拉的应力应变图 p A C D B B上 上 B下 下 : s 下 B s A Fs s 屈服。 第三章结构材料力学性能及其选用 强化阶段强化阶段BC 一段上升的曲线。 抵抗塑性变形的能力又重新 提高 抗拉强度 l图形的特点： l试件的特点： l计算的指标： 0 LL O AF A 低碳钢受拉的应力应变图低碳钢受拉的应力应变图 p A C D B B上 上 B下 下 s A F b b b C点对应的应力。 强化。 第三章结构材料力学性能及其选用 颈缩阶段颈缩阶段CD 一

6、段下降的曲线。 变形迅速发展，在有杂质或 缺陷处，断面急剧缩小 ，直到断裂。 伸长率： l图形的特点： l试件的特点： l计算的指标： AF 0 LL O A p A C D B B上 上 B下 下 s b 21 1 100% LL L L2 L1 l计算的指标： 颈缩 第三章结构材料力学性能及其选用 三个重要的指标 屈服强度s 结构设计中钢材强度取值的依据 抗拉强度b 钢材所能承受的最大应力 屈强比 屈强比，利用率 ，安全可靠程度 伸长率 衡量钢材塑性的指标，越大说明 钢材的塑性越好 b s b s AF 0 LL O A p A C D B B上 上 B下 下 s b s b b s 21

7、 1 100% LL L 第三章结构材料力学性能及其选用 2. 强度 钢材的强度指标包括屈服强度和抗拉强度。 有明显屈服点的钢材以屈服强度作为其关键性的强 度指标； 无明显屈服点的钢材以抗拉强度作为其主要强度指 标，并以其的0.85倍作为其条件屈服强度。 3. 塑性 伸长率是指试件拉断后原标距的伸长值与原标距的 比值（以百分数表示） 冷弯性能是指钢材在常温下承受弯曲时产生塑性变 形能力。 反映塑性性能的指标是“伸长率”和“冷弯性能”。 21 1 100% ll l 第三章结构材料力学性能及其选用 钢材的屈服强度、抗拉强度、伸长率和冷弯性能是 检验有明显屈服点钢材的四项主要质量指标，对于无明 显

8、屈服点的钢筋只测定后三项。 二、钢材的冷加工及其品种二、钢材的冷加工及其品种 1. 钢材的冷拉 冷拉强化 冷拉时效或时效硬化 2. 钢材的冷拔 3. 钢材的品种 （1）钢筋 热轧钢筋、冷拉钢筋-有明显屈服点 钢丝、钢绞线-无明显屈服点 热轧钢筋：热轧光圆钢筋 HPB 热轧带肋钢筋 HRB 第三章结构材料力学性能及其选用 第三章结构材料力学性能及其选用 按按 化化 学学 成成 分分 碳素钢碳素钢 低合金钢低合金钢在碳素钢基础上加入少量的硅、锰、在碳素钢基础上加入少量的硅、锰、 钛、钒、铬等合金元素。有效提高钢钛、钒、铬等合金元素。有效提高钢 材的强度，改善钢材的其它性能。材的强度，改善钢材的其它

9、性能。 低碳钢含碳量低碳钢含碳量0.25% 中碳钢含碳量中碳钢含碳量0.25%0.6% 高碳钢含碳量高碳钢含碳量0.6%1.4% 除铁外，含少除铁外，含少 量碳、硅、锰、量碳、硅、锰、 硫、磷硫、磷 级级热轧钢筋、钢丝热轧钢筋、钢丝 、级级热轧钢筋、热处理钢筋热轧钢筋、热处理钢筋 第三章结构材料力学性能及其选用 钢丝钢丝：碳素钢丝、刻痕钢丝及钢绞线：碳素钢丝、刻痕钢丝及钢绞线 D公称直径 A 3股钢绞线量测尺寸 钢绞线钢绞线 刻痕钢丝刻痕钢丝 螺旋肋钢丝螺旋肋钢丝 外形外形 光面钢筋光面钢筋 变形钢筋变形钢筋: :等高肋钢筋、月牙肋钢筋等高肋钢筋、月牙肋钢筋 第三章结构材料力学性能及其选用 （

10、2）型钢和钢板 型钢：角钢（包括等边和不等边角钢）、槽钢、工 字钢等； 第三章结构材料力学性能及其选用 钢 转炉钢 沸腾钢 电炉钢 平炉钢 按冶炼方法分 按脱氧程度分 镇静钢 半镇静钢 特殊镇静钢 按炉衬材料分 为酸性钢和碱 性钢 F Z b TZ 钢材牌号：碳素结构钢中的Q235钢和低合金结构钢中 Q345（16Mn）、Q390（15MnV）和Q420（15MnV）四种； Q235钢分为A、B、C、D四个质量等级； 第三章结构材料力学性能及其选用 三、钢材的选用三、钢材的选用 钢筋和混凝土能够共同工作的原因： 钢筋和混凝土之间存在粘结力，这是二者共同工作的 基础； 钢筋和混凝土的线膨胀系数相

11、近； 混凝土提供的碱性工作环境可以保护钢筋免遭锈蚀。 混凝土结构对钢筋性能的主要要求是： 强度 塑性 可焊性 与混凝土的粘结力。 1. 混凝土结构对钢筋性能的要求 2. 钢筋的选用 第三章结构材料力学性能及其选用 第二节 混 凝 土 一、混凝土的强度 1 1、立方体抗压强度fcu 混凝土强度等级 混凝土的强度等级是用立方体抗压强度来划分的 混凝土强度等级：边长150mm立方体为标准试件，在标准 条件下（203，90%湿度）养护28天，用标准试验方 法测得的具有95%保证率的立方体抗压强度，用符号C表示， C30表示fcuk=30N/mm2 。 第三章结构材料力学性能及其选用 2.混凝土强度等级

12、 按混凝土立方体抗压强度标准值划分的级别。以“C”和混 凝土立方体抗压强度标准值（fcu,k）表示，主要有C15， C20，C25，C30，C35，C40，C45，C50，C55，C60， 等强度等级。 立方体抗压强度标准值（fcu,k ） ，是立方体抗压强度总体 分布中的一个值，强度低于该值的百分率不超过5%。 强度等级表示的含义： 强度的范围：某混凝土，其fcu30.034.9MPa； 某混凝土，其fcu30.0MPa的保证率为95%。 C30 “C”代表“混凝土”。 “30”代表fcu,k30.0MPa； 第三章结构材料力学性能及其选用 3.轴心抗压强度 采用 150mm150mm300

13、mm 的棱柱体试件。 F F 轴心抗压强度与立方体强度的换算： 12 0.88 ckcccu ff 第三章结构材料力学性能及其选用 3. 混凝土的抗拉强度 混凝土的抗拉性能非常差，抗拉强 度标准值约为轴心抗压强度的1/81/16。 500 150 150 100 16 轴心受拉试验 二、混凝土的变形 1. 短期加荷下的应力-应变关系 我国常采用棱柱体来测定混凝土的应变-应变曲线关 系。 第三章结构材料力学性能及其选用 02468 10 20 30 (MPa) 10-3 A 比例极限比例极限 B 临界临界 点点 C 峰点峰点 D拐点拐点 E收敛收敛 点点 上升段上升段 下降段下降段 混凝土一次加

14、荷下的应力-应变曲线 第三章结构材料力学性能及其选用 上上 升升 段段 OA段加载至(0.30.4)fc，变形主要是骨料和 水泥结晶体受力产生的弹性变形。 AB段裂缝稳定扩展阶段，B点的应力可以作为 长期抗压强度的依据。 BC段不稳定裂缝扩展阶段， C点的应力为棱柱体 的抗压强度fc，相应的应变称为峰值应变 ，一般 在0.002附近。 下降段下降段CE CE 是混凝土达到峰值应力后裂缝继续扩展、 贯通。C点后，裂缝迅速扩展，内部结构的整体受到 严重破坏，赖以传递荷载的传力路线不断减少，应 力强度不断下降，曲线先下弯，直到凹向发生改变， 出现拐点D。D点后，只靠骨料间的咬合力和摩擦力 与残余承载

15、面承受荷载。 收敛点收敛点E E 是曲线中曲率最大的一点，E开始以后的曲 线称为收敛段。 0 第三章结构材料力学性能及其选用 2. 混凝土的模量 Ec= tan 弹性模量（原点模量）弹性模量（原点模量） 0 d d Ec E c = tan 2 切线模量切线模量 d d Ec c E elac E c E Ec= tan 1 割线模量割线模量(变形模量）变形模量） ela 混凝土的弹性模量可由下式计算： 5 10 34.7 2.2 c cuk E f -混凝土的立方体 抗压强度（MPa） cuk f 第三章结构材料力学性能及其选用 3. 荷载长期作用下混凝土的变形性能徐变 结构或材料承受的荷载

16、不变，而应变和变形随时间 增长的现象称为徐变。 徐变的不利之处：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。 影响徐变的因素：初始应力的大小、时间、混凝土的 环境条件和混凝土的组成。 4. 混凝土的收缩 混凝土在空气中硬化时体积变小的现象称为混凝土 的收缩。 有利之处：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。 第三章结构材料力学性能及其选用 三、混凝土的强度等级的选用原则 规范将混凝土结构用混凝土强度等级分为14个 等级，从C15C80，每级相差5MPa。 钢筋混凝土结构的混凝土强度等级不应小于C15； 当采用HRB335级钢筋时，混凝土强度等级不宜小于C20； 预应力钢筋混凝土强度等