5结构工程材料的力学性能

1、第5章工程结构材料的力学性能2015.8本章提要工程结构对主要材料的根本要求强度 、弹性 、塑性 、脆性和韧性 各种工程材料的性状、品种、标记符号,以及各自的强度、变形等力学性能钢筋和混凝土结构材料 、砌体结构材料 、钢结构材料 、木材 结构设计中各种材料的选用原则、要求第5章 结构工程材料的力学性能5.1 结构对工程材料性能的根本要求5.2 钢筋和混凝土材料5.3 砌体结构材料5.4 钢结构材料5.5 木材5.1 结构对工程材料性能的根本要求结构材料的根本要求结构材料要有所需要的力学性能:各种材料在外力作用下,其抵抗破坏和变形的能力；强度、弹性、塑性、脆性、韧性、硬度和耐磨性等 b. 结构材

2、料要有防水、绝热、吸声等性能 ；c. 结构材料要有耐热、耐腐蚀等性能 、抵抗温、湿度变化及反复冻融等的破坏作用 ；d. 结构材料要有相对低廉的价格；e. 结构材料要有良好的环保性能。5.1 结构对工程材料性能的根本要求5.1.1 材料的强度材料在外力(荷载作用下抵抗破坏的能力。常以应力的形式表示。其数值是材料受外力破坏时,单位面积上所承受的力 抗拉、抗压、抗弯和抗剪等强度。 5.1 结构对工程材料性能的根本要求5.1.2 材料的弹性与塑性弹性：材料在外力作用下产生变形,当外力取消后,材料变形即可消失并能完全恢复原来形状的性质塑性 ：在外力作用下材料产生变形,如果取消外力,仍保持变形后的形状尺寸

3、,并且不产生裂缝的性质延性：材料超越弹性极限后至破坏以前耐受变形的能力。弹性模量。反映材料受力时抵抗弹性变形的能力。seadefufyfabcdefb塑性变形弹性变形5.1 结构对工程材料性能的根本要求5.1.3 材料的脆性和韧性脆性：在外力作用下,当外力到达一定限度后,材料突然破坏而又无明显的塑性变形的性质。韧性：在冲击、震动荷载作用下,材料能承受很大的变形也不致被破坏的性能。是强度与塑性的综合指标。易受温度影响。硬度：材料抵抗其它较硬物体压入或刻划的能力。耐磨性：材料外表抗磨损的能力。 5.1 结构对工程材料性能的根本要求BACK5.2 钢筋和混凝土材料5.2.1 砼结构的根本概念1.根本

4、概念5.2 钢筋和砼材料钢筋混凝土：是钢筋和砼按一定方式组成的能共同工作的建筑材料。混凝土结构(Concrete Structure) :主要以混凝土材料,并根据需要 配置钢筋、预应力筋、钢骨、钢管等,作为主要承重材料 的结构。素混凝土结构钢筋混凝土结构预应力混凝土结构钢骨混凝土结构钢管混凝土结构纤维增强混凝土钢 -混凝土组合结构NEXT素混凝土结构（Plain Concrete)5.2 钢筋和砼材料钢筋混凝土结构（Reinforced Concrete)5.2 钢筋和砼材料预应力混凝土结构（Prestressed Concrete)5.2 钢筋和砼材料钢骨混凝土结构（Steel Reinfo

5、rced Concrete) (Encased Concrete)5.2 钢筋和砼材料钢管混凝土结构（Concrete Filled Tube)5.2 钢筋和砼材料纤维增强混凝土（Fiber Reinforced concrete )5.2 钢筋和砼材料钢-混凝土组合结构(Composite Structure) (Hybrid Structure)5.2 钢筋和砼材料5.2.1 砼结构的根本概念2.试验介绍混凝土： 抗压强度高,而抗拉强度却很低 一般抗拉强度只有抗压强度的1/81/20 破坏时具有明显的脆性性质 因此,素混凝土构件在实际工程的应用很有限,主要用于以受压为主的根底、柱墩和一些非

6、承重结构。5.2 钢筋和砼材料素混凝土梁Pcr = 9.7kN150300fc=13.4N/mm2ft=1.54N/mm2 ftsc= ft2500Pu Pcrsc= ft ft破坏时跨中截面受压边缘的压应力与抗拉强度相近,远未到达混凝土的抗压强度,破坏表现为脆性断裂,无明显预兆。5.2 钢筋和砼材料5.2.1 砼结构的根本概念2.试验介绍钢 材： 抗拉和抗压强度都很高 具有屈服现象,破坏时表现出较好的延性 但细长的钢筋受压时极易压曲,仅能作为受拉构件将混凝土和钢材这两种材料有机地结合在一起,可以取长补短,充分利用材料的性能。5.2 钢筋和砼材料钢筋混凝土梁Pcr = 9.7kNfc=13.4

7、N/mm2ft=1.54N/mm2fy=335N/mm2 ftsc= ft1503002500Pu 52.5kNsc= ft ft ss sc2f16 fy配置钢筋后,RC梁的承载力比素混凝土梁大大提高,钢筋的抗拉强度和混凝土的抗压强度均得到充分利用,且破坏过程有明显预兆。Py 50.0kN fc5.2 钢筋和砼材料钢筋混凝土梁Pcr = 9.7kN ftsc= ft1503002500Pu 52.5kNsc= ft ft ss sc2f16 fyPy 50.0kN fc从开裂荷载到屈服荷载,在很长的过程带裂缝工作；通常裂缝宽度很小,不致影响正常使用。但裂缝导致梁的刚度显著降低,使得钢筋混凝土

8、梁不能应用于大跨度结构。如何解决？fc=13.4N/mm2ft=1.54N/mm2fy=335N/mm25.2 钢筋和砼材料钢筋混凝土Reinforced Concrete除在构件的受拉区配筋外,还有许多其他配筋方式可以在构件的受压区配置钢筋协助混凝土承受压力在复杂应力区域（如梁在受剪区段、受扭构件、节点区、剪力墙等）,可以配置箍筋或纵横交错的钢筋当构件受力很大时,可以直接配置钢骨还可以利用箍筋约束混凝土来提高混凝土的抗压强度,甚至直接采用钢管采用纤维（钢纤维、玻璃纤维等）与混凝土一起搅拌形成的纤维混凝土,其抗拉强度可以到达提高 因此,两种（或两种以上）材料的有机组合,充分发挥各自的长处,可以

9、创造出多种形式的复合材料,适应各种不同受力的要求,取得很好的综合经济效益5.2 钢筋和砼材料常见的配筋方式5.2 钢筋和砼材料5.2.1 砼结构的根本概念3.钢筋混凝土的特点钢筋与混凝土共同工作的原因:钢筋和砼之间存在粘结力钢筋和砼线膨胀系数接近砼保护钢筋5.2 钢筋和砼材料5.2.1 砼结构的根本概念3.钢筋混凝土的特点特点 优点:A.材料利用合理B.可模性好C.耐久性和耐火性较好,维护费用低D.现浇混凝土结构的整体性好,延性较好,适用于抗震、抗爆结构E.刚度大、阻尼大,有利于结构的变形控制。F.易于就地取材5.2 钢筋和砼材料5.2.1 砼结构的根本概念3.钢筋混凝土的特点特点 缺点:A.

10、自重大B.抗裂性差C.承载力有限D.施工复杂,工序多（支模、绑钢筋、浇筑、养护）,工期长,施工受季节、天气的影响较大。E.混凝土结构一旦破坏,其修复、加固、补强比较困难。5.2 钢筋和砼材料混凝土结构学习中应注意的问题5.2 钢筋和砼材料截面的根本受力形态:正截面受力斜截面受剪扭曲截面受扭根本构件的受力往往是根本受力形态的复合5.2 钢筋和砼材料基本理论工程应用问题的复杂性问题的综合性问题不是单一的解答是不唯一的受力性能理论分析构件设计结构设计材料的力学性能两种材料的配比两种材料的共同工作5.2 钢筋和砼材料学习中应注意的问题：1、构件和结构设计是一个综合性问题。设计过程包括结构方案、构件选型

11、、材料选择、配筋构造、施工方案等,同时还需要考虑平安闲用和经济合理。设计中许多数据可能有多种选择方案,因此设计结果不是唯一的。最终设计结果应经过各种方案的比较,综合考虑使用、材料、造价、施工等各项指标的可行性,才能确定较为适宜的一个设计结果。5.2 钢筋和砼材料学习中应注意的问题：2、工程工程的建设是国家的重要工作,必须依照国家公布的法规进行。设计人员必须遵照各种结构类型的设计标准或规程进行设计。各种设计标准或规程是具有约束性和立法性的文件,其目的是使工程结构的设计在符合国家经济政策的条件下,保证设计的质量和工程工程的平安可靠。注意在学习中,有关根本理论的应用最终都要落实到标准的具体规定。由于

12、工程结构类型很多,不同的结构类型有不同的设计标准或规程,但混凝土结构的根本理论是一致的,应重点学好根本理论。BACK5.2 钢筋和砼材料5.2.2 钢筋1.钢筋的种类强度高，塑性低强度高，粘结性好强度高预应力钢筋钢筋热轧钢筋钢 丝钢绞线预应力螺纹钢筋HPB300HRB335HRB400HRB500光圆钢筋变形钢筋变形钢筋变形钢筋非预应力钢筋强度塑性弱强高低5.2 钢筋和砼材料1.钢筋的种类按刚度将钢筋分为:柔性钢筋劲性钢筋5.2 钢筋和砼材料按化学成分将钢筋分为:碳素钢普通低合金钢我国常见钢筋外形5.2 钢筋和砼材料热轧钢筋 Hot Rolled Steel Reinforcing Bar种类

13、:HPB300级、HRB335级、HRB400级、HRB500级 HRBF335级、HRBF400级、HRBF500级 RRB400级HPBHot rolledPlainBarHRBFHot rolledRibbedBarRRBRemained head treatmentRibbedBarFine2. 钢筋的力学性能1)钢筋的应力-应变关系sea为比例极限 s =Eseaa为弹性极限oa：弹性阶段ade：强化阶段bb为屈服上限c为屈服下限,即屈服强度 fycdad：屈服阶段efue为极限抗拉强度 fu ef：颈缩阶段fyf 有明显屈服点的钢筋（软钢） Steel bar with yield

14、 point强度设计指标5.2 钢筋和砼材料有明显屈服点钢筋的应力-应变关系一般可采用双线性的理想弹塑性关系1Es5.2 钢筋和砼材料无明显屈服点的钢筋（硬钢）Steel bar without yield pointa点：比例极限,约为0.65fua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强度设计指标协定流限（条件流限）剩余应变为0.2%所对应的应力标准取s0.2 =0.85 fu5.2 钢筋和砼材料2)钢筋的塑性性能2. 钢筋的力学性能延伸率elongation rate：钢筋拉断时的应变 反映钢筋塑性性能的指标5.2 钢筋和砼材料最大

15、力下的总伸长率（平均伸长率）2. 钢筋的力学性能3）钢筋的松弛与疲劳松弛：钢筋受力后在保持长度不变的情况下,应力随时间的增长而逐渐降低的现象。会引起预应力损失疲劳：钢筋在屡次重复荷载作用下发生脆性突然断裂的现象疲劳强度低于静载下极限强度5.2 钢筋和砼材料3. 钢筋的计算指标钢筋的强度标准值( Characteristic or Standard Strength)钢筋的强度设计值具有95%保证率的基本代表值。其中，热轧钢筋根据屈服强度确定，用 表示；预应力钢绞线、钢丝和热处理钢筋的强度根据极限抗拉强度确定，用 表示。热轧钢筋强度设计值：预应力钢筋强度设计值：等于标准值除以材料分项系数。5.2

16、 钢筋和砼材料4. 钢筋混凝土结构对钢筋性能的要求强度高塑性好可焊性好与混凝土粘结锚固性能好常规直径:d=6,8,10,12,14,16,18,20,22,25,28,32mm12种。5.2 钢筋和砼材料5.2.3 混凝土1.混凝土的强度定义：石子、沙子水泥石:水泥胶凝体塑性变形 水泥结晶体 弹性骨架（弹性变形）水泥+水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。砼强度等级1）立方体抗压强度150mm150mm150mm强度等级：依据立方体抗压强度标准值C15,C20,C25,C30,C35,C40,C45,C50C80共1

17、4级C 混凝土15立方体抗压强度的标准值为15N/mm25.2 钢筋和砼材料1.钢筋和混凝土材料的力学性能定义：折算：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。2)轴心抗压强度（棱柱体抗压强度）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150mm300mm混凝土的抗拉强度比抗压强度低得多,一般只有抗压强度的5%10%应用:构件的抗裂性、抗剪、抗冲切、抗扭试验方法:拉伸试验 劈裂试验3)轴心抗拉强度5.2 钢筋和砼材料4)混凝土强度的设计值5.2 钢筋和砼材料5)影响混凝土强度

18、的主要因素混凝土配合比原材料品质和种类施工浇捣的密实程度养护条件混凝土的龄期5.2 钢筋和砼材料5.2.3 混凝土2.混凝土的变形(deformation)混凝土的受力变形一次短期荷载作用下重复荷载作用下长期荷载作用下混凝土的非受力变形收缩膨胀温度变形5.2 钢筋和砼材料A.混凝土的受力变形混凝土在一次短期加荷时的应力-应变关系（本构关系）OA弹性阶段AB微裂缝开展BC弹塑性,竖向裂缝形成CD下降段受压混凝土一次短期加荷的应力-应变曲线cucc0ABCDfc0残余变形弹性变形5.2 钢筋和砼材料混凝土破坏机理02468102030s(MPa)e 10-3BACEDA点以前,微裂缝没有明显开展,

19、混凝土的变形主要弹性变形,应力-应变关系近似直线。A点应力随混凝土强度的提高而增加,对普通强度混凝土sA约为 (0.30.4)fc ,对高强混凝土sA可达(0.50.7)fc。A点以后,由于微裂缝处的应力集中,裂缝开始有所延伸开展,产生局部塑性变形,应变增长开始加快,应力-应变曲线逐渐偏离直线。微裂缝的开展导致混凝土的横向变形增加。但该阶段微裂缝的开展是稳定的。混凝土在结硬过程中,由于水泥石的收缩、骨料下沉以及温度变化等原因,在骨料和水泥石的界面上形成很多微裂缝,成为混凝土中的薄弱部位。混凝土的最终破坏就是由于这些微裂缝的开展造成的。到达B点,内部一些微裂缝相互连通,裂缝开展已不稳定,横向变形

20、突然增大,体积应变开始由压缩转为增加。在此应力的长期作用下,裂缝会持续开展最终导致破坏。取B点的应力作为混凝土的长期抗压强度。普通强度混凝土sB约为0.8fc,高强强度混凝土sB可达0.95fc以上。到达C点fc,内部微裂缝连通形成破坏面,应变增长速度明显加快,C点的纵向应变值称为峰值应变 e 0,约为0.002。纵向应变开展到达D点,内部裂缝在试件外表出现第一条可见平行于受力方向的纵向裂缝。随应变增长,试件上相继出现多条不连续的纵向裂缝,横向变形急剧开展,承载力明显下降,混凝土骨料与砂浆的粘结不断遭到破,裂缝连通形成斜向破坏面。E点的应变e = (23) e 0,应力s = (0.40.6)

21、 fc。E点以后,纵向裂缝形成一斜向破坏面,此破坏面受正应力和剪应力的作用继续扩展,形成一破坏带。此时试件的强度由斜向破坏面上的骨料间的摩阻力提供。随应变继续开展,摩阻力和粘结力不断下降,但即使在很大的应变下,骨料间仍有一定摩阻力,剩余强,约为(0.10.4) fc。5.2 钢筋和砼材料标准应力-应变关系上升段：下降段：5.2 钢筋和砼材料混凝土在重复荷载作用下的应力应变关系5.2 钢筋和砼材料（3）混凝土的弹性模量 Elastic Modulus原点切线模量Elastic Modulus割线模量Secant Modulus切线模量Tangent Modulus弹性系数n (coefficie

22、nt of elasticity) 随应力增大而减小n =10.55.2 钢筋和砼材料弹性模量测定方法5.2 钢筋和砼材料混凝土的徐变影响因素：应力水平、加载龄期、配合比、养护条件、水泥品种等对构件影响：增大变形；引起内力重分布；引起预应力损失砼在长期荷载作用下随时间而 增长的变形原因 ：水泥胶凝体的流动性及内部微裂缝开展5.2 钢筋和砼材料B.混凝土的非受力变形原因 ：化学收缩、干湿变形影响因素：配合比、养护、体表比对构件影响：构件产生裂缝；引起预应力损失收缩砼在空气中硬化体积减小的现象5.2 钢筋和砼材料B.混凝土的非受力变形膨胀 砼在水中或处于饱和湿度情况下结硬时 体积增大的现象。远小于

23、收缩值5.2 钢筋和砼材料B.混凝土的非受力变形温度变形热胀冷缩的性质控制措施：加强养护、减小水泥用量、控制水 灰比、采用坚硬的骨料、良好的级 配、恰当的水泥品种5.2 钢筋和砼材料5.2.3 混凝土3. 混凝土的选用原则建筑工程中,钢筋混凝土构件的混凝土强度等级不应低于C15;当采用HRB335级钢筋时,不宜低于C20;当采用HRB400和RRB400级钢筋以及承受重复荷载的构件,不得低于C20;预应力混凝土结构不应低于C30;采用钢绞线、钢丝、热处理钢筋作预应力钢筋时,不宜低于C40.5.2 钢筋和砼材料5.2.4 钢筋与混凝土的粘结、锚固及钢筋 的连接1. 钢筋与混凝土间粘结力钢筋与混凝

24、土之间粘结应力示意图（a）锚固粘结应力 （b）裂缝间的局部粘结应力粘结的意义：粘结和锚固是钢筋和混凝土形成整体、共同工作的根底5.2 钢筋和砼材料1. 钢筋与混凝土间粘结力1)粘结力 假设钢筋和混凝土有相对变形（滑移）,就会在钢筋和混凝土交界面上产生沿钢筋轴线方向的相互作用力,这种力称为钢筋与混凝土的粘结力。化学胶结力：混凝土凝结时,由于水泥的水化作用在钢筋与混凝土接触面上产生的化学吸附作用力摩擦力：混凝土收缩后将钢筋紧紧地握裹住而产生的力 机械咬合力：钢筋外表凹凸不平与混凝土产生的机械咬合作用而产生的力 钢筋端部的锚固力：采取锚固措施后所造成的机械锚固力2)粘结力的组成5.2 钢筋和砼材料钢

25、筋与混凝土的粘结强度通常采用拔出试验来测定3)粘结强度钢筋与砼的粘结面上所能承受的平均剪应力的最大值。5.2 钢筋和砼材料4)影响因素：钢筋的外表形状、直径；砼的强度等级、保护层厚度及钢筋净距；侧向压力及横向钢筋、端部焊接件；浇筑位置等5.2 钢筋和砼材料2. 保证钢筋与混凝土粘结的措施钢筋的锚固锚固长度 普通钢筋 预应力钢筋 进行拔出试验时,受拉钢筋到达屈服的同时发生粘结破坏,该临界情况的锚固长度称为根本锚固长度,用 表示钢筋的附加机械锚固形式及构造要求5.2 钢筋和砼材料受拉钢筋锚固长度2. 保证钢筋与混凝土粘结的措施钢筋的连接：焊接、绑扎搭接、机械连接 混凝土保护层厚度： 最外层钢筋外边

26、缘到混凝土外外表的距离。 BACK5.2 钢筋和砼材料5.3 砌体结构材料砌体 是把块体（包括粘土砖、空心砖、砌块、石材等）和砂浆通过砌筑而成的结构材料。砌体结构 系指将由块体和砂浆砌筑而成的墙、柱作为建筑物主要受力构件的结构体系。砖砌体结构砌块砌体结构石砌体结构配筋砌体 5.3 砌体结构材料5.3 砌体结构材料主要符号： MU块体的强度等级 M 砂浆的强度等级 Mb砼砌块砌筑砂浆的强度等级 Ms蒸压灰砂砖、蒸压粉煤灰砖砌筑砂浆 的强度等级 Cb砼砌块灌孔砼的强度等级5.3 砌体结构材料5.3.1 砌体材料的强度等级一.砖1.烧结砖(1)烧结普通砖 原料：粘土、煤矸石、页岩或粉煤灰标准砖尺寸：

27、24011553 mm强度等级：MU30、MU25、MU20、MU15、MU10适用范围： 房屋上部及地下根底等部位(2)烧结多孔砖 原料：同烧结砖,但孔洞率不小于15%尺寸：承重多孔砖目前主要采用P型砖（24011590） 和M型砖（19019090）多孔砖优点：可节约粘土、减少砂浆用量、提高工效、节省墙体造价；可减轻块体自重、增强墙体抗震性能适用范围： 房屋上部结构（不宜用于冻胀地区地下部位）5.3 砌体结构材料烧结普通砖 P型多孔砖M型多孔砖 空心砖5.3 砌体结构材料5.3.1 砌体材料的强度等级一.砖2.非烧结硅酸盐砖（包括蒸压灰砂砖和蒸压粉煤灰砖 ）原料：石灰和砂尺寸：同烧结普通砖

28、适用范围： 不得用于长期受热200以上、受急冷急热和有酸性介质侵蚀的建筑部位,MU15和MU15以上的蒸压灰砂砖可用于基础及其他建筑部位,蒸压粉煤灰砖用于根底或用于受冻融和干湿交替作用的建筑部位必须使用一等砖强度等级： MU25、MU20、MU15、MU105.3 砌体结构材料5.3.1 砌体材料的强度等级一.砖4.石材 分类：（按容重）重质岩石、轻质岩石 （按其加工后的外形规则程度）可分为料石和毛石强度等级： MU100、MU80、MU60、MU50、MU40、MU30、MU20七级3.砌块原料：普通混凝土或轻骨料混凝土主规格尺寸：390190190mm空心率：25%50%强度等级： MU2

29、0、MU15、MU10、MU7.5、 MU55.3 砌体结构材料5.3.1 砌体材料的强度等级二.砂浆1. 砂浆作用(1)将单个的块体粘结成整体、促使构件应力分布均匀；(2)填实块体之间的缝隙,提高砌体的保温和防水性能,增强墙体抗冻性能2. 砂浆分类(1)水泥砂浆 ；(2)混合砂浆； (3)非水泥砂浆（石灰、粘土砂浆）3. 强度等级按龄期28天的立方体（边长70.7mm）测得的抗压强度平均值,分为：M15、M10、M7.5、M5、M2.5五级。施工阶段新砌筑的砌体强度可按砂浆强度为零确定其砌体强度 5.3 砌体结构材料5.3.1 砌体材料的强度等级三.砼小型空心砌筑砂浆和灌孔砼砌筑砂浆Mb30

30、、Mb25、Mb20、Mb15、Mb10、Mb7.5、Mb5灌孔砼Cb40、Cb35、Cb30、Cb25、Cb205.3 砌体结构材料5.3.2 砌体材料的选择原则：因地置宜,就地取材,充分利用工业废料,并考虑建筑物耐久性要求、工作环境、受荷性质与大小、施工技术水平等。对于五层及五层以上房屋的墙,以及受振动或层高大于6m的墙、柱所用材料的最低强度等级：砖为MU10,砌块MU7.5,石材MU30,砂浆M5。地面以下或防潮层以下的砌体,潮湿的房间的墙,按标准选择材料。BACK5.3 砌体结构材料5.4 钢结构材料5.4.1 钢结构所用材料的要求和性能较高的强度、足够的变形能力和良好的加工性能。1.钢材钢材的品种 碳素结构钢 常用的碳素结构钢有Q195、Q215、Q235、Q255和Q275等5种 ；质量等级分为A、B、C、D四级低合金高强度结构钢有Q345、Q390、Q420等 ；质量等级分为A、B、C、D、E级 5.4 钢结构材料5.4.1 钢结构所用材料的要求和性能1.钢材钢材的品种钢材的性能 a.强度：钢材的强度指标主要有屈服强度(屈服点)和抗拉强度；屈强比 b.塑性：指钢材在应力超过屈服点后,能产生显著的剩余变形(塑性变形)而不立即断裂的性质。c.韧性 ：钢材在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力 d.可焊性