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拉伸和压缩实验拉伸和压缩试验是建筑材料力学性能试验中最基本和最普通的实验，它对于评定材料的基本力学性能关系最密切。对于大多数建筑材料是使用其拉伸强度还是压缩强度，基本上取决于材料的工作条件，而工作条件又取决于材料本身的结构性能，即：根据材料的性能，决定材料的工作条件受拉或受压等。或根据受力特点受拉或受压，选择结构材料。例如：金属材料具有较高的抗拉强度，同时也具有较高的抗压强度，而用做受拉力作用的材料则更为有效，而用作受压杆（若为细长杆）容易失稳，为此，需增加杆件的截面积，而材料的强度值未能充分得以利用。因此，按材料的性能进行设计时，钢结构中的杆件应尽可能设计为受拉杆件。又如：大多数无机非金属材料如：混凝土、砖、砂浆等，都具有较大的脆性，其抗拉强度与抗压强度相比很低，因此常用于抵抗压力的作用，因此其抗压试验的作用和意义与拉伸试验相比就显得很重要。而这类材料用于承受拉力荷载显然是不适合的，当然象砖砌件这类结构其破坏又是由于砖的折（拉）断而开始的。总之，材料受拉力和压力的作用，是材料受力的两个最基本形式，此外材料还可能受到弯、剪、扭等力的作用，材料抗拉强度与抗压强度之间有一定关系（材料不一样关系不一样），抗压强度与抗弯、抗剪和抗扭之间也有一定的关系，这些关系难有准确的表达式，而拉、压强度是材料使用得最为广泛的两个强度值。（建筑结构中，柱墙主要承受压力，梁、板主要承受弯曲应力，屋架中的拉杆承受拉力） 第一节 拉伸实验一、对试件的要求（对试件总的要求是，对试验结果影响大的应消除） 1、试件形式，有园柱形，如钢 ，平板形，如钢板等，8字形，如砂浆等，受拉截面一般为园形、正方形或长方形。为了使断裂面发生在试件中长度的中部试件总是制成在长度中间的横截面小于两端的横截面，在这个断面上的应力不受夹具装置的影响。 2、试件的端部形状，应适合于试验材料本身的性能和试验机夹具装置。可做成平滑的、阶梯形、螺纹形或锥形等。端部的直径或宽度与中间偏袄截面直径或宽度之比与材料性能有关，如钢材 为1.5:1，材料1.73.75:1,对脆性材料端部的制作特别重要，由于受夹具作用应力的影响，避免在端部破坏，应做得大一些。截面变化处应做成园角，以减小应力集中产生的影响，如“8”字形砂浆试件（但此试件非采用夹持方式）。3、试件的对称轴，试件在整个长度应对称于纵轴，以防止加荷时因偏心而受到弯曲作用（这对脆性材料影响尤其严重），下图为平板式试件制备中常见的几种弊病：4、试件中间缩小截面的长度和面积，取决于试验材料的类型和测量变形的仪器。对金属材料，中间缩小截面的长度应是以使得试件正常破坏，也就是试件的延伸率或颈缩现象不应受端部夹具的约束。对于脆性材料因延伸率很小，缩小截面的长度可以很短。如钢筋试件或，而砂浆“8”字试件则很短。试件应尽可能采用标准试件，如钢材拉伸试验，木材顺反抗拉强度试验，砂浆、石膏抗拉强度试验，石油沥青油毡抗拉强度试验等。若无标准试件也也采用非标拉力试件，如砼可采用下图所示的形状，试件形状为正方形或圆形，试件的抗拉强度与受力面积有关，其关系为面积越大，缺陷等因素的影响大，因此测试强度值较低。面积501002004001000强度比值1.201.000.850.800.70试验这类材料，要得到可能的数据，关键是严格对中，避免发生弯曲和扭转。目前砼抗拉强度的测定均采用劈裂法，这种方法可用普通的立方体或圆柱体试件（在砼抗拉试验中介绍）。二、夹具装置1、对夹具装置的基本要求夹具应能有效地将所加荷载传递到试件上，传递荷载的作用力与试件的中心线在同一直线上。即在整个试验过程中，夹具的作用中心与实践的中心线始终在一直线上，而不会产生扭转或弯曲的作用，否则将影响韧性材料如金属的比例极限、屈服总等值，影响脆性材料的抗拉强度。2、夹具最普通的握紧装置就是契形夹具，为防止滑动契形夹具表面带有小齿形条纹，这类夹具适合于做韧性材料的拉力试验，如金属木材等，但不适用于脆性材料，因为契形压碎作用引起夹具处材料的破坏。契形夹具主要分为表面为平的和工字形凹槽两种，前者主要用于扁平试件，后者主要用于圆柱形试件。两片夹具夹紧试件时，为使试件中心线与试验机压头中心线相一致，必须使夹具正确地位于试验机压头中心，下图为夹具安放的正确与否：对于其他形状的试件，如做圆柱形或方形砼拉力试验时必须设计适合的夹具装置，如：（在图a，b中采用了球座）为了使试验的中心线与夹具的中心线一致，常使用球面支承或销轴承等自动调整装置（但其也不是完全有效的，因为球面支承或销轴承本身亦存在不易调整的问题）。三、试验过程1、在整个拉伸试验中，要确定所测试的项目，如金属材料的拉力试验通常测定屈服点、抗拉强度和伸长，对脆性材料主要测定其抗拉强度和断裂特性。2、试件装上试验机前，一般要测量其尺寸，主要是截面尺寸，有的还要称重，根据尺寸测量的精确度要求，采用符合要求的标尺、卡尺或测微仪。最简单的情况是测试件的直径或厚度和宽度（对于圆柱形试件，至少应取三个不同位置的断面，通常取上、中、下三个断面，分别测出互相垂直的两个直径，取其平均值，确定试件强度时的计算断面，应取三者中最小者，对于矩形截面，适当地选取三个位置量，取三个厚度和宽度）。确定测试指标；尺寸测量；刻画标距；选择试验机测量范围。3、如果要进行延伸率测定，则应刻画出标距长度，并标志出标距端点和等分点，一般可采用线中眼、线尖刻痕、彩色涂料等做标志，但标志应是非常轻微的，以不损伤试件，不影响强度为基本准则。如果用引伸仪、千分表或其他仪器、仪表，必须安放在试件中心线上适应的位置。4、估计试件可能达到的最大荷载读数，选择合适的实践机的测量范围。根据不同的测量范围换挂不同的摆砣并选择相应的刻度盘，使指针处于第三象限为最好，也可处于第二象限。5、试件安装，安装时应检查夹具是否安全、正确，试件安放位置应便于观察标志。6、试验一般步骤：试验机对零；画应力应变曲线时上好笔和坐标纸；按规定加荷速度加荷；若要测定荷重变形关系则按一定的荷载增量或变形增量进行，记录最大荷载读数，计算伸长率等值，观察其断口类型，如熟铁具有锯齿形纤维状断口，而铸铁的断口是铅灰色、平坦的晶粒状。四、主要影响因素影响拉伸试验结果的主要因素是实验条件，其中包括试件尺寸、形状；试件制作工艺；夹具和试件安装；试验加荷速度以及试验时环境的温度、湿度等。1、 长径比（L/D）的影响试件尺寸的影响主要是长径比的影响，对于韧性金属材料，不同长径比的试件及试验结果如图： 长径比大，延伸率小，主要因为计算延伸率的基础长度而延伸长最大的在中间。 从图中可以看出，当L/D大于2时，截面的缩小与L/D无关；当L/D小于2时，截面的缩小受到影响。 这是因为端部的放大、横向约束抵抗截面缩小。最大程度的约束使截面缩小零。 长径比对延伸率的约束。L/D较小者比L/D较大者的延伸率大。 对应力应变曲线的影响：（B）图，L/D为零时试件具有较高的强度和非常的变形（呈脆性材料的性质）。2、 刻痕的影响，试件上的刻痕会提高韧性材料的表面强度和降低表面韧性，对脆性材料回引起强度降低。3、 试件边缘的弯曲及夹具紧贴对强度测试的影响。“8”字形试件（砂浆）应力分布是不均匀的，如图：4、夹具装置产生偏心荷载的影响，引起应力分布不均，引起变形的不一致。在轻微偏心荷载的条件下，可取两个相对部分的平均应变。对韧性材料的强度影响不大，而对脆性材料有相当明显的影响。5、 加荷速度的影响，加荷速度快，导致材料强度提高，韧性降低。加荷速度对韧性材料的影响，大于对脆性材料的影响。有些材料在慢速荷载作用下具有相当的韧性，但若采取突然加荷，则破坏时的延伸率很小。前面讲了四个方面的问题：试件要求，截面形式，长度中间截面尺寸的缩小，缩小截面的长度，端部形状，对称轴（长度方向对称于纵轴）；夹具，夹具中心线与试验机中心线重合，夹具的安装与选择；试验过程（试验项目、测量尺寸等、标距、选择试验机）。 五、钢材拉伸试验 抗拉性能是钢材的重要性能。由拉力试验所测得的屈服点，抗拉强度和伸长率是钢材的重要技术指标，是评定钢材质量是否合格的一个试验项目。1、 低碳钢（软钢）受拉应力应变图OA弹性阶段 （）AB屈服阶段 （）BC强化阶段 （）CD颈缩阶段 （） B点屈服点用表示：是呈现屈服现象的金属材料，试样在试验过程中力不增加仍能保持继续伸长时的应力。 B上是屈服阶段的最高点，称上屈服点，用表示：是试样发生屈服而力首次下降前的最大应力。 B下点称为下屈服点，用表示，是当不计初始瞬时效应时屈服阶段中的最小应力。 抗拉强度 对于没有明显屈服阶段的高强度钢筋和钢丝等，不能测出其屈服点，故常以规定残余伸长率为0.02%的应力作为规定的屈服极限用表示。2、 试样尺寸及形状3、 试样尺寸测定和准备4、 试验条件（试验速度、试验温度）5、 主要仪器设备6、 性能测定 屈服点，上屈服点，下屈服点的测定。a、 指针法，拉伸中：测力度盘的指针首次停止转动的恒定力（）对应屈服点或指针首次回转前的最大力（）对应上屈服点。 或不计初始瞬时效应时的最小力（）对于下屈服点。b、 图示法在拉伸曲线上确定屈服平台恒定的力或屈服阶段中力首次下降前的最大力或不计初始瞬时。 规定残余伸长应力的测定（实验课讲） 抗拉强度的测定 断后伸长率的测定（实验课讲）六、砼抗拉强度实验（劈裂法）七、木材顺纹抗拉强度试验实验六、七都是要求掌握的试验，请参阅常用建筑材料试验手册建筑材料等有关书籍。压缩试验一、 对试件的要求1、 试件截面不同截面的试件在受压时，其截面应力分布有较大差别，为了获得较均匀的压应力，圆形截面比其它形式的截面好，但为了制作方面等原因又常采用正方形截面的试件。2、 试件的高度比（或高度与直径之比），一般可以从14。高度比过大有可能提高试件的弯曲趋向，从而使整个截面的应力分布不均，截面应力分布示意图。若高度比过小，则试验机承压板对试件端部的约束摩擦影响加大，使试件测试的强度结果值增大。当需要测定压缩应力应变曲线，就需采用较高的试件，以便安装测试仪器（如砼抗压弹性模量的测定采用150150300mm的棱柱体试件）。3、 试件的尺寸取决于材料类型，对宏观匀质材料，如木材、岩石（若只测其极限抗压强度）可以用相对较小的试件（如木材顺纹抗压采用202030mm的试件），非匀质材料如砼其尺寸必须受到骨料粒径等因素的控制，其试件尺寸相对较大（采用150150150立方体作为标准试件）。4、 试件的受压必须是平滑的，并与试件轴线或垂直，因此，砼成型时的表面，不得用作受压面。二、 支承板及球面支座在二节四条中，要求试件表面平整不至于引起应力集中，要求试件受压面与竖向轴线垂直，不至于由于偏心荷载引起弯曲。象金属试件，可用机械加工平整，各面可以相互垂直，木材能锯到平整，且试件尺寸较小，容易满足上要求，然而对砼、石材和粘土，砖等试件要求加支承板和球面支座，以调整试验机压头和试件表面之间存在的不平行影响，达到传递荷载均匀分布的目的。 试件应位于球面支座的中心 加封顶材料的试件，其封顶材料的弹性模量及强度至少等于试验材料的弹性模量及强度。 不能用橡胶板和纤维板等软质材料做支承板。 试件表面和支承板应干燥、无油迹等。三、 试验过程1、 抗压试验通常测定的性能是抗压强度。对于脆性材料其极限强度是一定的容易测定。对于没有异常征兆标志极限强度的材料常采用变形极限作为强度标准。除测定抗压强度外，有的还用测定压力应变曲线和弹性模量等。2、 抗压试验的一般过程试件尺寸测量（有的需称其质量）将试件正确地置于试验机承压板上按规定速度进行加荷记录荷载读数结果计算等试件尺寸的测量所使用的量具必须满足相应的精度要，其尺寸测量一般应在不同的位置测定，如圆柱形试件，至少在两个相互垂直的直径上测量，取其平均值。 放置试件时，注意对中和较平，并注意试件的受压面。 加荷速度，在许多情况下，在达到最大荷载的一半以前允许用某一适宜的速度加荷，随后按规定的速度加荷。 试验中若测变形，至少应取两个相对方向所测之值的平均值，如圆柱形试件，可在周边相隔120度的三个角度线上测量变形。3、 抗压破坏的类型抗压试件破坏有多种类型，对于脆性材料一般沿着对角面或者锥形（圆柱体试件）或金字塔形（立方体试件）这些类型基本上是属于受剪而破坏。材料抵抗破坏的能力，主要表现在粘着力一样的内摩擦力，根据莫尔理论，破裂面的角度是内摩擦角的一个函数，如图由图可得： 对于砼等材料由于内部结构的不均匀性，不一定符合这个理论，另外端部的作用也回影响破裂面角度，因此，实际破裂面角度与理论值会产生较大偏差。铸铁、砂岩、砖和砼等材料，试验中观测到的值约为。木材的破坏类型（荷载平行于纤维方向）a、 压碎（断裂面近似水平）b、 契形劈裂（劈裂方向：径向或切向）c、 剪切（断裂面与水平方向成锐角）d、 劈裂（顺纹和横纹两方向强度相差较大）e、 剪切和顺纹劈裂（通常发生在横纹试件中）对于韧性材料和塑性材料，在压缩试验过程中，有的以变形极限作为标志，如产生横向鼓出就认为是破坏了，有的韧性相对低的材料，试验过程中表面硬化发展成表面裂缝而作为破坏。四、 重要影响因素1、 尺寸的影响，如砼尺寸愈小，测得的抗压强度值就愈高（环箍效应）。 压机压板弹性模量比砼大515倍，波松比则不大于砼的两倍，所以在荷载作用下压板的横向应变小于砼的横向应变，因而上下压板与试件的上下面之间产生的摩擦对试件的横向膨胀起约束作用，对强度有提高作用，愈接近端部，这种约束力愈大，在距离端面大约（为试件横向尺寸）的范围以外约束作用才消失。2、 试件端部条件，平整度的影响砼封盖时，如有少量凸出，强度会降低20%左右，封盖材料的强度对砼强度的测试结果也有影响。3、 加荷速度加荷速度快显示出的强度高4、 测试时实验室纬度、湿度等因素也有影响。五、 砼抗压强度试验六、 木材顺纹抗压强度试验七、 普通粘土砖抗压强度试验八、 水泥胶砂抗压强度试验九、 岩石抗压强度试验第三节 砼抗压弹性模量试验在钢筋砼结构设计和混凝土变形计算中，都需要计入砼的弹性模量。一、 砼应力应变曲线与各种切线图砼应力应变曲线上任一点弹性应变塑性应变总应变原点弹性模量切线弹性模量割线弹性模量砼原点弹性模量不易测准，实际很少应用。砼切线弹性模量仅适用于很小的荷载变化范围。砼割线弹性模量表示所选点的实际变形，并且容易测准，因此，常在工程上采用。因此测定砼静力变压弹性模量，通常取应力为轴心抗压强度40%时的加荷割线模量。二、 试拉主要仪器试验机，变形测量仪表等。三、 试件以150150300mm的棱柱体试件作为标准试件，每次制作6个试件，其中3个用于测定砼轴心抗压强度。四、 测定步骤1、试件从养护毛巾取出后，应在1小时内进行试验，试验前应用湿巾覆盖，避免水分蒸发。 2、擦拭试件表面，外观检查，测量尺寸（截面尺寸，计算轴心抗压强度）。 3、取将3个试件测轴心抗压强度，另三个做弹性模量试验。 4、（弹性模量试验）试件安装 试件相对两侧面画一条中心线（不取试件的成形面和其对面），将变形测量仪按要求安装在中心线上，标准试件的测量标距采用150mm。 调整试件在试验机上的位置，使其轴心与下压板的中心对准，升动压力机，当上压板与试件接近时，调整球座使接触均衡。5、测试 预压三次 以砼立方体抗压强度试验之加荷速度要求（时取0.3-0.5；时，取0.5-0.8）,加至0.4，然后以同样速度卸至0，如此反复三次。 此过程中，观察试验机及仪表运转情况，如有必要，应予调整。当采用100100mm截面的非标准试件时，其两次测读得的变形值之差不得大于变形平均值的20%，否则应调整试件位置。 加荷测试 以之加荷速度进行第四次加荷 先加到应力为0.5的初始荷载，保持30s，分别读取两侧仪表读数加荷至控制荷载保持30s，读取试件两侧仪表读数，分别计算两侧的变形值，并计算出平均值，记为。然后卸至30S读取加至30s读取计算如此反复。当与相差不大于0.00002L，可停止试验，否则应重复上述过程直至满足要求。（L测点标距）五、结果计算 砼弹性模量 应力为0.4fc时的荷载N初始荷载NA试件承压面积最后一次从加荷至时的试件两侧变形差的平均值mmL测点标距弹性模量按3个试件测得值的算术平均值计算，若其中一个与之差超过20%，则按另两个试件的平均值计算，如有二个试件与之差超过规定，则试件结果无效。该试验所显示的对试验的一些基本要求1、 尽可能采用标准试件，当确有必要时，有条件地采用非标准试件（高度比应在2-3范围内）。2、 影响因素、养护时间、测试时间、测试前的养护、加荷速度等。3、 试件的成型面不作测试面（抗压中不能作受压面）；4、 试件的对中。5、 仪表的安装应便于观察（千分表读数）。思考题：1、某厂生产的一批粘土砖（厂方设计标号）送样到实验室检测其标号，现实验室有五种测力范围的试验机可供选择（A1000KN B800KN C500KN D200KN E100KN），问测其砖的抗折、抗压强度可分别选用哪种试验机最好？哪种试验机也可选用？哪种试验机不能选用？问题：前面讲述了“圆形截面可比其他形式的截面获得较为均匀的压应力，但由于圆形截面的试件制作较困难，因此常采用正方形截面的试件”。圆形截面试件制作困难表现在哪些方面？ 成型试模制作试件成型试件后期制作试验操作主要体现为：圆形截面的试件，其成型面必须成为受压面，而根据抗压试验对受压面的要求，成型面不能直接作受压面，成型面用作受压面时，必须封顶，而封顶过程较为麻烦，对封顶材料的强度、弹性模量有要求，而做成立方体试件时，可直接用成型时的侧面所受压面。问题：（若无国家标准）对抗拉、抗压试件尺寸的确定应遵循哪些原则？第七章 剪切与弯曲试验第一节 剪切试验一、 在剪应力作用下材料的特点剪切就是材料受到一对大小相等、方向相反、作用线很近的横向力作用，使材料沿外力作用方向发生错动，先变成平行四边形，而后被剪断。1、 不同荷载作用下的剪切 直接剪切（铆钉） 扭转荷载产生的剪切扭转剪切应力在圆的截面上沿扭转轴从零到端部为最大。扭转中不存在弯曲而只有剪切叫纯剪。a、扭转试验中，对于抗剪强度低于实际抗拉强度的材料，如低碳钢，破坏时首先从杆的最外层沿横截面发生剪断破坏，如图： b、扭转试验中，对于抗拉强度低于抗剪强度的材料，例如铸铁，则破坏是首先在杆的最外层沿着与杆轴约成45度倾角的螺旋形曲面发生拉断而产生的，见图： 矩形截面均质梁中的剪切（变弯剪切） 剪应力沿梁截面高度按二次抛物线规律而变在中和轴处剪应力最大，其最大应力比平均应力大50%。 单向拉伸或压缩时产生的剪应力当物体单向承受拉伸或压缩应力的作用，那么45度斜面上的剪应力最最大剪应力，该值为其正应力大小的一半。若此时事件试件沿45度斜面发生剪切运动而破坏，这就可以说明材料是因为超过其抗剪强度而破坏。如铸铁压缩时的破坏。2、 切应力与切应变扭转试样的应力和应变图 试件表面的应力状态 弹性变形阶段的切应力和切应变沿截面的分布，均呈线性分布！ 弹塑性阶段的切应力和切应变沿截面的分布，切应变呈线性分布！切应力不呈线性分布！根据材料力学： 剪切应变圆柱形试样的半径相距为L的两截面间的相对扭转角由虎克定律，比例极限以内的最大剪应力可用下式求得： G剪切弹性模量若取长的一段进行分析可得： I横截面极惯性矩即： 即：单位长度的扭转角与成正比，与G.I成反比G.I抗扭刚度总扭转角若要测剪切单性模量G，根据试验中所加扭矩和所测扭转，由上式计算而得。对于圆形截面的最大剪应力为：=若欲求塑性范围内的真实切应力，可用以下公式计算：= 单位长度上的扭转角d（圆柱形）试件直径扭断时， 则真实扭转强度：如测得的曲线在最后部分几乎与轴平行，则可近似地取=0，于是 按弹性过程计算时，扭转条件极限：可见： 二、 剪切试验的类型直接剪切可产生剪切应力受弯时也可产生剪切应力单向拉伸或压缩时可产生剪切应力扭转时可产生剪切应力作为剪切试验，一般有直接剪切试验和扭转试验1、 直接剪切（考虑材料抗剪性能的一种简单表示）试验中，试验装置应牢固地将试件夹住，荷载与试件保持一定的垂直关系，平稳加荷，使试件不发生弯曲应力。2、 扭转剪切可较为精确地测定剪切性能，用实心圆截面或空心球形截面的柱体做试件。在试验中，借助于相应的仪器可以测定变形。由于截面应力分布不均，表面最大，心部最小，所以不能显示材料的体积缺陷，但对表面缺陷以及表面硬化层的性能都很敏感。扭转试验用语测定脆性材料的剪切强度是不适应的。3、 剪切试验的确定脆性材料如加气砼木材等做直接剪切，韧性材料如金属可做扭转剪切。铆钉实际使用状态为直接剪切，因切多做直接剪切，在结构中多可颗铆钉连接一接点时，铆钉直接剪切时的挤压变形，可使受力重分布，各铆钉受力较为均匀。第二节 弯曲试验一、 材料受弯特性力作用在试件上，使其截面上一部分产生压应力而另一部分未产生压应力，那么试件就是弯曲了。 建筑结构中最常见的弯曲情况是筒支梁和悬臂梁。 一般情况下弯曲伴随着横向剪切，如果只有弯曲应力而没有剪切应力，则称之为纯弯曲。最大正应力W抗弯截面模量（矩形，圆形）最大剪切力横截面上剪力 A=bh 矩形截面面积I极惯性矩 h梁高 y剪应力处距中和轴的距离超过比例极限后，应力与应变不成比例，因此，在横截面上的弯曲应力不成直线变化。如图：1、 弹性阶段，线性变化，中和轴即重心轴2、 超过比例极限，按弯曲方程计算出的最大应力高于实际最大应力。 3、超过比例极限，拉伸和压缩不具有同样的应力应边持性，为保持合力矩平衡，中和轴必须向刚性大的一边移动（如刚性相差较大），则，按弯曲公式计算的最大应力比刚性大的一边真实应力低，比刚性小的一边真实应力大。二、 受弯破坏1、 受拉区外层纤维达到屈服，受压区变形小，