结构材料的力学性能及指标.ppt

建筑结构 ConstructionStructural 主讲教师李柔锋 TELQQ 1301605707 E MAIL li rou feng 3 课堂教学 出勤 提问 讨论每章作业课程设计期末考试 混凝土结构设计原理 中国建筑工业出版社 混凝土结构及砌体结构 中国建筑工业出版社 建筑材料 中国铁道出版社 成绩构成 参考书目 目录 1 概论 2 建筑结构设计基本原理 3 结构材料的力学性能及指标 4 混凝土结构 5 砌体结构 6 钢结构 7 钢筋混凝土单层厂房 8 多层与高层钢筋混凝土结构 9 大跨度建筑结构 10 抗震设计基本概念 11 多层砌体结构抗震设计 12 钢筋混凝土多层框架结构抗震设计简述 第一篇建筑结构概论 结构材料的力学性能及指标 3 第一节结构材料的基本要求 好的建筑结构用材料的要求是 极限应力高 尤其弹性极限高 意味着用它做成的结构强度 承载力 高 弹性模量大 意味着用它做成的结构变形小 延性好 意味着用它做成的结构在破坏前有较大的变形 这一点对结构的抗震作用十分有利 因为在结构发生较大变形的同时吸收能力 可以减小地震作用 第二节混凝土 一 概念1 定义混凝土 是由胶结材料 骨料和水按一定比例配制 经搅拌振捣成型 在一定条件下养护而成的人造石材 简写砼 是当代最主要的土木工程材料之一 普通混凝土 是由水泥 粗骨料 碎石或卵石 细骨料 砂 和水拌合 经硬化而成的一种人造石材 水泥 水泥是粉状的水硬性胶凝材料 即加水拌合成塑性浆体 能在空气中和水中凝结硬化 可将其它材料胶结成整 并形成坚硬石材的材料 混凝土由两相组成 骨料和水泥浆基体 骨料 砂 细骨料 和砾石或碎石 粗骨料 水泥浆基体 主要作用是覆盖和联结骨料颗粒 含有水和水泥成分 水泥的种类很多 目前主要的 使用最广的是硅酸盐水泥 此外 其他材料用于混凝土中 如化学外加剂 矿物掺合料 金属和聚合物纤维等 通过这些成分的掺入 可以提高混凝土的性能 从而获得特种混凝土 1 石子 2 砂子 3 水泥浆 4 气孔混凝土结构示意图 2 发展历史 1824年发明了波特兰水泥 硅酸盐水泥 以水泥作为胶凝材料的混凝土开始问世1850年钢筋混凝土问世1928年预应力混凝土问世 优点 材料利用合理 钢筋和混凝土的材料强度可以得到充分发挥 结构承载力与刚度比例合适 基本无局部稳定问题 单位应力价格低 对于一般工程结构 经济指标优于钢结构 可模性好 混凝土可根据需要浇筑成各种性质和尺寸 适用于各种形状复杂的结构 如空间薄壳 箱形结构等 耐久性和耐火性较好 维护费用低 钢筋有混凝土的保护层 不易产生锈蚀 而混凝土的强度随时间而增长 混凝土是不良热导体 30mm厚混凝土保护层可耐火2小时 使钢筋不致因升温过快而丧失强度 现浇混凝土结构的整体性好 且通过合适的配筋 可获得较好的延性 适用于抗震 抗爆结构 同时防振性和防辐射性能较好 适用于防护结构 刚度大 阻尼大 有利于结构的变形控制 易于就地取材 混凝土所用的大量砂 石 易于就地取材 近年来 已有利用工业废料来制造人工骨料 或作为水泥的外加成分 改善混凝土的性能 缺点 自重大 不适用于大跨 高层结构 轻质 高强和预应力 抗裂性差 普通RC结构 在正常使用阶段往往带裂缝工作 环境较差 露天 沿海 化学侵蚀 时会影响耐久性 也限制了普通RC用于大跨结构 高强钢筋无法应用 预应力混凝土 承载力有限 在重载结构和高层建筑底部结构 构件尺寸太大 减小使用空间 高强 钢骨 钢管混凝土 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 钢模 飞模 滑模等 泵送 早强 商品 高性能 免振自密实混凝土等 混凝土结构一旦破坏 其修复 加固 补强比较困难 混凝土结构加固技术不断得到发展 如最近研究开发的采用碳纤维布加固混凝土结构技术 快速简便 二 混凝土的强度 混凝土基本的强度指标由立方体抗压强度 轴心抗压强度和轴心抗拉强度三种 1 立方体抗压强度混凝土结构中 主要是利用它的抗压强度 因此抗压强度是混凝土力学性能中最主要和最基本的指标 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立方体标准试件 在标准条件下 20 3 90 湿度 养护28天 用标准试验方法 加载速度0 15 0 3N mm2 sec 两端不涂润滑剂 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fcu k 30N mm2 规范 根据强度范围 从C15 C80共划分为14个强度等级 级差为5N mm2 与原 规范GBJ10 89 相比 混凝土强度等级范围由C60提高到C80 C60以上为高强混凝土 2 轴心抗压强度 轴心抗压强度采用棱柱体试件测定 用符号fc表示 它比较接近实际构件中混凝土的受压情况 棱柱体试件高宽比一般为h b 3 4 我国通常取150mm 150mm 450mm的棱柱体试件 也常用100 100 300试件 对于同一混凝土 棱柱体抗压强度小于立方体抗压强度 3 轴心抗拉强度 是其基本力学性能 用符号ft表示 混凝土构件开裂 裂缝 变形 以及受剪 受扭 受冲切等的承载力均与抗拉强度有关 混凝土是脆性材料 内部存在许多孔隙 抗拉强度很低 仅为轴心抗压强度的1 10左右 在混凝土结构的承载力计算中通常不考虑混凝土承受拉力 三 混凝土的变形 1 混凝土的徐变1 混凝土在荷载的长期作用下 其变形随时间而不断增长的现象称为徐变 2 影响因素 内在因素 是混凝土的组成和配比 骨料的刚度 弹性模量 越大 体积比越大 徐变就越小 水灰比越小 徐变也越小 环境影响 包括养护和使用条件 受荷前养护的温湿度越高 水泥水化作用越充分 徐变就越小 采用蒸汽养护可使徐变减少 20 35 受荷后构件所处的环境温度越高 相对湿度越小 徐变就越大 2 混凝土的收缩 混凝土在空气中硬化时体积会缩小 这种现象称为混凝土的收缩 收缩是混凝土在不受外力情况下体积变化产生的变形 当这种自发的变形受到外部 支座 或内部 钢筋 的约束时 将使混凝土中产生拉应力 甚至引起混凝土的开裂混凝土的收缩是随时间而增长的变形 早期收缩变形发展较快 两周可完成全部收缩的25 一个月可完成50 以后变形发展逐渐减慢 整个收缩过程可延续两年以上 混凝土的收缩受结构周围的温度 湿度 构件断面形状及尺寸 配合比 骨料性质 水泥性质 混凝土浇筑质量及养护条件等许多因素有关 四 掺合料和化学外加剂 1 掺合料2 化学外加剂 五 特殊性能混凝土 1 高强混凝土 2 高性能混凝土 1 定义美国混凝土学会定义 高性能混凝土是一种能符合特殊性能要求的混凝土 此种混凝土往往不能用常规的混凝土组分材料和通常的搅拌 浇捣和养护的习惯做法所获得 2 特点 超高的强度 低渗透性 良好的结构性能 优越的耐久性 可观的经济效益 环保性 有关常规的混凝土物理 力学性能指标亦要根据不同的使用要求而有所提高或改善 3 自密实混凝土 一般混凝土的成型密实主要靠机械振捣 不仅劳动强度大 易出质量事故 并且有噪声影响居民工作或生活 1 特点自密实混凝土具有很高的抗离析能力 且不需要夯实和振捣 可自行密实到每一个角落 硬化后有很高的强度 与普通混凝土相比 自密实混凝土浇注出来的构件表面光滑平整 4 轻集料混凝土 轻质砼 轻骨料砼 1 定义用轻质粗骨料 轻质细骨料 或普通砂 水泥和水配制而成的 其表观密度不大于1950kg m3的混凝土称之 是一种轻质 高强 多功能的新型土木工程材料 密度大于2600kg m3为重混凝土 在1950 2600kg m3之间为普通混凝土 5 纤维增强混凝土 简称FRC 普通混凝土抗拉强度低 抗裂性差 脆性大 采用纤维能克服混凝土缺点 1 定义纤维增强混凝土是由不连续的短纤维均匀地分散于水泥混凝土基材中形成的复合混凝土材料 在混凝土中掺用纤维材料 可以避免混凝土裂缝的扩展 因为纤维材料能承受塑性收缩 干缩或自收缩等引起的拉力 聚丙烯网状纤维 混凝土改性聚丙烯纤维 6 收缩补偿混凝土 7 喷射混凝土8 再生混凝土 第三节钢材 钢材特点优点 强度高 塑性和韧性好 能承受冲击和振动荷载 易于加工和装配 缺点 易锈蚀和耐火性差 钢结构构件的稳定性差 钢材化学成分 主要化学成分 铁和少量的碳 有锰 硅等有利元素及硫 磷 氧 氮 氢等有害杂质元素 在合金钢中添加能改善钢材性能的某些合金元素 如锰 钒等 钢材分类 根据浇注方法分 沸腾钢 半沸腾钢 镇静钢和特殊镇静钢 根据化学成分分 碳素钢和合金钢 其中碳素钢根据含碳量的不同分为低碳钢 中碳钢和高碳钢 合金钢根据合金元素含量的不同分为低合金钢 中合金钢和高合金钢 建筑钢结构中常用的是碳素钢Q235 A3钢 和低合金钢Q315 16Mn钢 一 建筑钢材 建筑钢材的产品种类一般分为型材 板材 管材 金属制品 一 型材主要有角钢 工字钢 槽钢 方钢 吊车轨道 金属门窗 钢板桩型钢等 槽钢 钢管 角钢 工字钢 H型钢 1 轧制H形钢 其性能远超过普通工字钢 也可以制成其他截面形式 具有节约材料 方便施工 方便油漆的优点 H型钢 2 冷弯型钢和压型钢板 由薄钢板在常温下经冷加工成型的钢材 杆状的称为冷弯薄壁型钢 板状的称为压型钢板 1 冷弯型钢壁厚一般为1 5 3 0mm 厚度薄 可方便地加工成各种所需要的形状 截面特性好 材料得到充分利用 节省材料 是制作轻型钢结构的主要材料 分类 按截面分 开口 半闭口 闭口 按形状分 冷弯槽钢 C形钢 角钢 Z形钢 方钢 矩形钢 异型钢等 3 钢管 1 优点 对于轴心受压杆件 管截面是材料分布最佳的形式 具有各向等强 抗扭刚度大 抗弯性能好等优点 钢管两端封闭后 内表面不产生腐蚀 外表面不易积水 表面积小 防腐费用大大降低 用钢管制作的结构具有外形美观流畅 在满足结构功能要求的同时可以直接作为建筑装饰 在钢管内填充混凝土形成钢管混凝土 可以充分发挥钢管与混凝土两种材料各自的特性 是承载力和变形能力大大提高 2 缺点利用钢管制作结构 杆端节点连接复杂 在网架结构采用的焊接和螺栓球节点 球节点本身就要消耗可观的材料并且施工工艺比较复杂 采用直接焊接时 杆端需要加工成非常复杂的空间曲线形状 为方便连接 方管和矩形管得到越来越多的使用 方管具有和圆管相近的结构性能 但其连接却很方便 4 高强和特效钢5 铝合金材料 二 钢筋 1 钢筋的分类 热轧钢筋HotRolledSteelReinforcingBarHPB235级 HRB335级 HRB400级 RRB400级 屈服强度fykHPB235级 fyk 235N mm2HRB335级 fyk 335N mm2 HPB235级 级 钢筋多为光面钢筋 PlainBar 多作为现浇楼板的受力钢筋和箍筋HRB335级 级 和HRB400级 级 钢筋强度较高 多作为钢筋混凝土构件的受力钢筋 尺寸较大的构件 也有用 级钢筋作箍筋的为增强与混凝土的粘结 Bond 外形制作成月牙肋或等高肋的变形钢筋 DeformedBar 1 弹性 有应力就有应变 应力降为零时应变消失 弹性极限点处 图上a点 的应力称弹性极限 材料从开始受力到弹性极限间称弹性阶段 2 塑性 表现为应力降为零应变并不消失 留有永久变形或称残余变形 从弹性极限到材料达到最大应力间称塑性阶段 这时应变增长速率比应力增长快 最大的极限应力称强度极限 即材料的强度 3 延性 材料超越弹性极限后至破坏前耐受变形的能力 延性愈大 材料破坏前的塑性变形愈大 具有塑性的材料必然有延性 脆性材料没有延性 材料延性在结构抗震设计中极为重要 4 弹性模量 材料在线弹性极限范围内的应力 应变关系 这时应力与应变成正比例 这个关系称弹性定律 比例常数E称弹性模量 无明显屈服点的钢筋 a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 条件屈服点残余应变为0 2 所对应的应力 规范 取s0 2 0 85fu 4个指标 屈服强度 是钢筋强度的设计依据 因为钢筋屈服后将很大的塑性变形 且卸载时这部分变形不可恢复 这会使钢筋混凝土构件产生很大的变形和不可闭合的裂缝 屈服上限与加载速度有关 不太稳定 一般取屈服下限作为屈服强度 延伸率 钢筋拉断时的应变 是反映钢筋塑性性能的指标 延伸率大的钢筋 在拉断前有足够预兆 延性较好 极限强度冷弯性能 2 钢筋的强度和变形 热轧和冷拉钢筋的应力 应变曲线具有明显的流幅 该类钢筋又被称为软钢 冷拔 冷轧 热处理钢筋 高强钢丝和钢绞线的应力 应变则无明显流幅 该类钢筋又被称为硬钢 软钢取屈服强度作为设计强度的依据 硬钢无明显的屈服点 取条件屈服强度作为设计强度的依据 3 钢筋混凝土结构及预应力混凝土结构对钢筋性能的要求1 有较高的强度和适宜的屈强比 强度是指屈服强度或条件屈服强度 屈强比是指屈服强度与极限强度之比 2 有较好的塑性 3 与混凝土之间有良好粘结力 4 具有较好的可焊性 保证焊接后接头的受力性能良好 拉伸破坏不发生在接头处 三 钢筋混凝土 一 混凝土和钢筋混凝土 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基础 柱墩和一些非承重结构 钢材 纯钢构件的承载力也往往取决于钢材的压曲 材料强度一般得不到充分地发挥 二 钢筋与混凝土共同工作的条件 钢筋和混凝土之间存在有良好的粘结力 钢材与混凝土具有基本相同的温度线膨胀系数 钢材为1 2 10 5 混凝土为 1 0 1 5 10 5 三 钢筋与混凝土之间的粘结作用 粘结作用由胶合作用 摩擦作用和咬合作用三部分组成 其中 胶合作用较小 在后两种作用中 光面钢筋以摩擦作用为主 带肋钢筋 又称变形钢筋 则以咬合作用为主 第四节砌体材料 一 定义砌体 由块体和砂浆砌筑而成的整体材料 砌体结构 由砖砌体 石砌体或砌块砌体建造的结构 二 砌体结构发展简史 1 第一阶段 在清朝末年 19世纪中叶以前 2 第二阶段 19世纪中叶以后至解放前大致100年左右的时期 3 第三阶段 解放后至今 1 在原有基础上的发展 2 新的发展 包括新结构 新材料和新技术的采用 3 逐步建立了具有我国特色的砌体结构设计计算理论 三 特点 一 优点 1 就地取材 造价低 2 技术性能好 耐久性好 化学稳定性和大气稳定性好 保温隔热性能好 3 施工简便 砌筑时不需模板及特殊的技术设备 4 节约水泥 钢材和木材 二 缺点 1 强度低 材料用量多 构件自重大 2 砌筑工作繁重 3 砂浆和块材间的粘结力较弱 抗震性能差 4 砖砌构件中粘土砖的用量很大 四 砌体结构的发展趋势 大力发展轻质高强的各种实心砖 空心砖 砌块和高强度砂浆 大力发展各种工业废料制品和混凝土砌块 发展配筋砖砌体结构 积极采用各种砌块 墙板等 提高建筑业机械化和工业化施工 五 砌体分类 分为无筋砌体 配筋砌体 配筋砌体 砌体中配有钢筋或钢筋混凝土者称之 常采用的无筋砌体有 砖砌体 石砌体和砌块砌体 一 无筋砌体 1 砖砌体 由砖和砂浆砌筑而成的整体材料 无孔洞或孔洞率小于25 的砖称为实心砖 1 烧结普通砖 是以粘土为主要原料制坯干燥后烧制而成的 它的标准尺寸为 240mm 115mm 53mm 2 石砌体 1 定义 由石材和砂浆或由石材和混凝土砌筑而成的整体材料 2 分类料石 细料石 半细料石 粗料石 毛料石 毛石 形状不规则 中部厚度不应小于200mm 毛石混凝土 3 砌块砌体 1 定义砌块砌体 由砌块和砂浆砌筑而成的整体材料 砌块 由非粘土材料制成 主要有混凝土砌块 无熟料水泥煤渣混凝土砌块和粉煤灰硅酸盐砌块 2 类型 小型砌块 中型砌块 大型砌块按外观形状可分为实心砌块和空心砌块 按材料不同 常用的砌块有普通混凝土与装饰混凝土小型空心砌块 轻集料混凝土小型空心砌块 粉煤灰小型空心砌块 蒸压砂加气混凝土砌块和石膏砌块 四 配筋砌体 承载力 延性高 1 网状配筋砖砌体 横向配筋砖砌体 在砖砌体的水平灰逢内配置钢筋网 3 组合砖砌体 由砖砌体和钢筋混凝土或钢筋砂浆构成的砌体称之 2 配筋混凝土砌块砌体 在混凝土小型空心砌块砌体的孔洞内设置竖向钢筋和在水平灰缝设置水平钢筋并用灌孔混凝土灌实的砌体 六 材料强度等级 块体和砂浆的强度等级 是指根据其抗压强度而划分的等级 块体强度等级符号为 MU 单位为 MPa 1 砖强度等级 1 烧结普通砖MU30 MU25 MU20 MU15 MU10 砂浆 1 定义由胶凝材料 石灰 水泥 和细骨料 砂 加水搅拌而成的混合材料 2 作用将块材按一定的砌筑方法粘结成整体而共同工作 同时 因在铺砌时填满块材的间隙 使砌体受力均匀 提高砌体的保温性能 防水性能和防冻性能等 3 分类 按成分可分为 1 水泥砂浆是由水泥与砂