工程结构第三章 材料性能

1、第三章第三章 结构材料的力学性能及选用结构材料的力学性能及选用 主要内容：主要内容： 反映材料性能的基本指标反映材料性能的基本指标 钢材钢材 混凝土混凝土 砌体砌体 3.1 结构材料性质及强度取值结构材料性质及强度取值 3.1 结构材料性质及强度取值结构材料性质及强度取值 n按其变形能力来分按其变形能力来分 n塑性材料（破坏时有较大的塑性变形）：钢材塑性材料（破坏时有较大的塑性变形）：钢材 n脆性材料（破坏前无明显的塑性变形）：混凝土、砖、脆性材料（破坏前无明显的塑性变形）：混凝土、砖、 砌块等砌块等 n材料性能分类材料性能分类 重度 线胀系数 泊松比 剪切模量 弹性模量 物理 性能 徐变与应

2、力松弛 疲劳强度 冷弯性能 冲击韧性 截面收缩率 延伸率 塑性指标 承压强度 强度极限 屈服强度 比例极限 强度指标 力学性 能 快体与砂浆间的黏结 钢筋和混凝土间的黏结 钢材的可焊性 可结合性 材料的力学性能材料的力学性能强度指标强度指标 bc bc sc 塑性材料塑性材料 脆性材料脆性材料 材料的应力材料的应力-应变图形应变图形 比例极限比例极限 应力、应力、 应变之间满足线性关应变之间满足线性关 系的最大应力系的最大应力 屈服强度屈服强度 一般用一般用 下屈服点作为材料的下屈服点作为材料的 屈服强度屈服强度 强度极限强度极限 试件、试件、 试样能承受的最大名试样能承受的最大名 义应力义应

3、力 承压强度承压强度 构件构件 之间通过接触面传递之间通过接触面传递 压力称为承压，承压压力称为承压，承压 面所能承担的最大压面所能承担的最大压 应力应力 p s b c 塑性材料一般受拉、受压材料性质相似塑性材料一般受拉、受压材料性质相似 脆性材料抗压强度高于抗拉强度脆性材料抗压强度高于抗拉强度 塑性材料塑性材料 脆性材料脆性材料sc bc bc 材料强度的取值方法材料强度的取值方法 n取值依据取值依据 n塑性材料强度取屈服值（无明显流动的塑性材料塑性材料强度取屈服值（无明显流动的塑性材料 取名义屈服值）取名义屈服值） n脆性材料强度取强度极限脆性材料强度取强度极限 n强度值分布规律强度值分

4、布规律 随机变量随机变量 正态分布正态分布 n强度特征值强度特征值 busy ff cbctbt ff 平均值 infm x n xxx n xf 1 )( 1 21 2 )( 1 1 fif xx n S fff xS/ 标准差 变异系数 材料强度的取值方法材料强度的取值方法 材料强度标准值材料强度标准值 在正常情况下，可能出现的在正常情况下，可能出现的 材料强度最小值。按材料强度最小值。按统一标准统一标准材料强度标准值材料强度标准值 取取95%的保证率即的保证率即 材料强度设计值材料强度设计值 为满足可靠度要求，将材料为满足可靠度要求，将材料 强度标准值除以大于强度标准值除以大于1的系数得

5、出的强度值的系数得出的强度值 )645. 11 (645. 1 fmffk ff k f f 材料分项系数，由可靠度指 标和材料性质决定 材料的力学性能材料的力学性能材料的塑性材料的塑性 以试件变形后的残余变形定义塑性以试件变形后的残余变形定义塑性 长试样：圆截面长试样：圆截面 矩形截面矩形截面 短试样：圆截面短试样：圆截面 矩形截面矩形截面 dl10 0 00 3 .11Al dl5 0 00 65. 5Al 延伸率延伸率 %100 0 01 l ll 截面收缩率截面收缩率 %100 0 10 A AA 为塑性材料为塑性材料 ；否则为脆性材料；否则为脆性材料 %5 冲击韧性冲击韧性 冲击韧性

6、冲击韧性 钢材在冲击荷载作用下断裂时吸收机械能的一钢材在冲击荷载作用下断裂时吸收机械能的一 种能力，是衡量钢材抵抗可能因低温、应力集中、种能力，是衡量钢材抵抗可能因低温、应力集中、 冲击荷载作用等而致脆性断裂的一项机械性能，是冲击荷载作用等而致脆性断裂的一项机械性能，是 强度与塑性的综合表现。强度与塑性的综合表现。 冲击韧性定义为试件破坏后所消耗的冲击功冲击韧性定义为试件破坏后所消耗的冲击功 kk W 冷弯性能和疲劳强度冷弯性能和疲劳强度 疲劳强度疲劳强度 在循环荷载作用下，当达在循环荷载作用下，当达 到一定的循环次数时，构件到一定的循环次数时，构件 和发生脆性破坏，且破坏应和发生脆性破坏，且

7、破坏应 力远小于力远小于 ，称为疲，称为疲 劳破坏。劳破坏。 在规定的循环次数和荷载在规定的循环次数和荷载 变化幅度下，材料所能承受变化幅度下，材料所能承受 的最大动态应力，称为疲劳的最大动态应力，称为疲劳 强度强度 bs 或 ff 或 冷弯性能冷弯性能 冷弯是将直径为冷弯是将直径为d的钢筋绕直径的钢筋绕直径 为为D的弯芯弯曲到规定的角度后的弯芯弯曲到规定的角度后 无裂纹或起层现象，则表示冷弯无裂纹或起层现象，则表示冷弯 合格。合格。 徐变和应力松弛徐变和应力松弛 徐变或蠕变徐变或蠕变 恒定温度和应力作用下，构件的恒定温度和应力作用下，构件的 变形随时间变形随时间t增长的现象增长的现象 应力松

8、弛应力松弛 在恒定的温度和应变条件下，构件在恒定的温度和应变条件下，构件 应力随应力随 时间的增加而减小的现象时间的增加而减小的现象 材料的可结合性材料的可结合性 钢材的可焊性钢材的可焊性 焊接构件在施焊后的强焊接构件在施焊后的强 度不应低于母材的强度。度不应低于母材的强度。 钢筋和混凝土之间的黏结钢筋和混凝土之间的黏结 是钢筋混凝是钢筋混凝 土结构工作的基础。黏结力由摩擦力、胶结土结构工作的基础。黏结力由摩擦力、胶结 力和机械咬合力组成，其黏结强度与钢筋锚力和机械咬合力组成，其黏结强度与钢筋锚 固长度、钢筋表面形状有关。固长度、钢筋表面形状有关。 块体与砂浆之间的黏结块体与砂浆之间的黏结 黏

9、结强度与砂黏结强度与砂 浆质量和块体类型有关，它决定砌体的抗弯、浆质量和块体类型有关，它决定砌体的抗弯、 抗剪和抗拉强度抗剪和抗拉强度 3.2 钢材的力学性能钢材的力学性能 钢材的拉伸应力钢材的拉伸应力-应变曲线及钢材强度取应变曲线及钢材强度取 值的依据值的依据 3.2.1 钢材的分类钢材的分类 锰系钢锰系钢硅锰系钢硅锰系钢 钢材钢材 碳素钢碳素钢 低合金钢低合金钢 低碳钢低碳钢 含碳量含碳量0.25% 中碳钢中碳钢 含碳量含碳量0.25%0.6% 高碳钢高碳钢 含碳量含碳量0.6%1.4% 硅钒系钢硅钒系钢硅钛系钢硅钛系钢硅铬系钢硅铬系钢 钢材的化学成分对钢材性能的影响钢材的化学成分对钢材性

10、能的影响 元素元素作用作用强度强度塑性塑性 冲击冲击 韧性韧性 冷弯冷弯 性能性能 热脆热脆冷脆冷脆 碳碳 含量对钢材的强度、塑性、韧性和含量对钢材的强度、塑性、韧性和 焊接性有决定性影响焊接性有决定性影响0.22% 高高低低低低低低 锰锰 适量适量 碳素钢中作为脱氧剂碳素钢中作为脱氧剂0.30.8% 低合金钢中作为合金元素低合金钢中作为合金元素1.21.6% 提高提高没过多的降低没过多的降低改善改善 过量过量降低降低 减少氧、硫的有减少氧、硫的有 害影响害影响 变脆变脆 硅硅 过量过量 熔炼镇静钢的脱氧剂。且能使钢中熔炼镇静钢的脱氧剂。且能使钢中 纯铁晶粒细小和散布均匀纯铁晶粒细小和散布均匀

11、 提高提高无显著不良影响无显著不良影响 适量适量 降低，且恶化抗降低，且恶化抗 锈蚀能力和焊接锈蚀能力和焊接 性性 0.3%（Q235）或）或0.6% （16Mn、15MnV） 钒钒提高强度和细化晶粒，高温硬度提高提高强度和细化晶粒，高温硬度提高 硫硫 热脆（热脆（FeS在高温熔化而使钢材出现裂纹），在高温熔化而使钢材出现裂纹）， 使钢的焊接性变坏使钢的焊接性变坏 降低降低含量含量0.035%0.05% 磷磷冷脆（低温韧性降低并产生脆性破坏）冷脆（低温韧性降低并产生脆性破坏）0.035%0.045% 氧、氮、氧、氮、 氢氢 氧同硫增加钢的脆性；氮类似磷，将低钢的塑性、冲击韧性并增大其冷脆性；氢

12、在低温时易使氧同硫增加钢的脆性；氮类似磷，将低钢的塑性、冲击韧性并增大其冷脆性；氢在低温时易使 钢产生脆性破坏。钢产生脆性破坏。 钢材的牌号钢材的牌号 铸造碳钢铸造碳钢:： 铸钢代号铸钢代号ZG、屈服点、屈服点fy-抗拉强度抗拉强度fu，例，例ZG200- 400 钢筋中的低合金钢钢筋中的低合金钢: 平均含碳量万分数、主要合金元素符号、合金含平均含碳量万分数、主要合金元素符号、合金含 量百分数。其中合金元素含量量百分数。其中合金元素含量1.5%时不标注，时不标注， 1.5%时标注时标注2， 2.5%时标注时标注3，此类推。例如，此类推。例如 16Mn、20MnSi、40Si2MnV 螺栓用钢：

13、螺栓用钢： 用碳钢或低合金钢制造。用碳钢或低合金钢制造。 抗拉强度抗拉强度.屈强比抗屈强比抗 拉强度以拉强度以t/cm2为单位。螺栓有为单位。螺栓有4.6级、级、4.8级、级、8.8 级和级和10.9级四个级别。级四个级别。 钢材的牌号钢材的牌号结构钢材牌号结构钢材牌号 n 碳素结构钢牌号碳素结构钢牌号代表屈服点字母代表屈服点字母Q、屈服应力、屈服应力 标准值、标准值、-质量等级、脱氧方法，例如质量等级、脱氧方法，例如Q235-AF、 Q255-C。碳素结构钢共分。碳素结构钢共分Q195、Q215、Q235、Q255 和和Q275五个牌号，钢结构中通常仅使用五个牌号，钢结构中通常仅使用Q235

14、。Q235 钢根据厚度尺寸，分为钢根据厚度尺寸，分为6档。档。 质量等级质量等级A、B、C、D 脱氧方法脱氧方法F、b、Z、TZ 低合金高强度钢牌号低合金高强度钢牌号代表屈服点字母代表屈服点字母Q、屈服、屈服 应力标准值、应力标准值、-质量等级例如质量等级例如Q295B、Q420E。低合。低合 金高强度结构钢共分金高强度结构钢共分Q295、Q345、Q390、Q420和和 Q460五个牌号，其中五个牌号，其中Q345钢、钢、Q390钢和钢和Q420钢为钢钢为钢 结构的选用钢材。结构的选用钢材。 质量等级质量等级A、B、C、D、E 钢材的规格钢材的规格 钢板钢板 厚厚h、宽宽b、长长l 厚钢板：

15、厚钢板：h=4.560mm，b=6003000mm，l=412m 薄钢板：薄钢板：h=0.354mm，b=5001500mm，l=0.54m 扁钢板：扁钢板：h=460mm，b=12200mm，l=39m 花纹钢板：花纹钢板：h=2.58mm，b=6001800mm，l=0.612m 型钢型钢 工字钢字钢 槽钢槽钢 角钢角钢 钢管钢管 钢材的规格钢材的规格钢筋和钢丝钢筋和钢丝 钢筋钢筋 : 是指用于混凝土结构或配筋砌体中的直径在是指用于混凝土结构或配筋砌体中的直径在 450mm范围内的园钢。范围内的园钢。5mm及以下的细钢筋称为及以下的细钢筋称为 钢丝。钢丝。12mm及以下的钢筋或钢丝常以盘圆

16、形式提及以下的钢筋或钢丝常以盘圆形式提 供。供。 按外形分：按外形分：光面（直径为光面（直径为650mm）和变形（采用与）和变形（采用与 光面钢筋相同重量的当量直径，直径一般不小于光面钢筋相同重量的当量直径，直径一般不小于 10mm） 钢筋的种类钢筋的种类 n热轧钢筋：热轧钢筋：由低碳钢、低合金钢热轧而成，均为由低碳钢、低合金钢热轧而成，均为 软钢，按屈服强度标准值大小分为：软钢，按屈服强度标准值大小分为：HPB235、 HRB335、HRB400和和RRB400四个级别。其中四个级别。其中 HPB235为为Q235钢，光圆形式。钢，光圆形式。 HRB335、 RRB400级变形钢筋均为级变形

17、钢筋均为20MnSi钢，后者经余钢，后者经余 热处理。热处理。 HRB400钢筋由钢筋由20MnSiV钢、钢、 20MnSiNb钢或钢或 20MnTi制成，为变形钢筋。制成，为变形钢筋。 n热处理钢筋：热处理钢筋：由由40Si2Mn、48Si2Mn、45Si2Cr 等合金钢热轧而成的钢筋进行加温、淬火和回火等合金钢热轧而成的钢筋进行加温、淬火和回火 等调质处理而得到的钢筋。热处理钢筋强度大幅等调质处理而得到的钢筋。热处理钢筋强度大幅 度提高、塑性降低不多，均为硬钢。度提高、塑性降低不多，均为硬钢。 n消除应力钢丝消除应力钢丝：将高碳镇静钢经冷拔后，中：将高碳镇静钢经冷拔后，中 温回火消除应力并

18、稳定化处理的光面钢筋。温回火消除应力并稳定化处理的光面钢筋。 n刻痕钢丝刻痕钢丝：在光面钢丝的表面上进行刻痕处：在光面钢丝的表面上进行刻痕处 理，以增加钢丝和混凝土之间的粘结力。理，以增加钢丝和混凝土之间的粘结力。 n螺纹肋钢丝螺纹肋钢丝：以普通的低碳钢或低合金钢热：以普通的低碳钢或低合金钢热 轧的盘圆条为母材，经冷轧减径后在其表面轧的盘圆条为母材，经冷轧减径后在其表面 冷轧二面或三面有月牙肋的钢筋。冷轧二面或三面有月牙肋的钢筋。 n钢铰线：钢铰线：由由3股或股或7股高强钢丝绞盘在一起经股高强钢丝绞盘在一起经 过低温回火处理消除应力后制成。过低温回火处理消除应力后制成。 钢筋的表示符号钢筋的表

19、示符号 例例 212 8 150 热轧钢筋热轧钢筋 钢铰钢铰 线线 消除应力钢丝消除应力钢丝 热处热处 理钢理钢 丝丝 HPB 235 HRB 335 HRB 400 RRB 400 光面光面螺旋肋螺旋肋刻痕刻痕 钢筋的冷加工钢筋的冷加工 结构钢材选用的基本原则结构钢材选用的基本原则 结构的重要性等级结构的重要性等级：一、二、三级：一、二、三级 n荷载特征荷载特征： 结构所承受的荷载可为静力或动力的；经结构所承受的荷载可为静力或动力的；经 常作用、有时作用或偶然出现的；经常满常作用、有时作用或偶然出现的；经常满 载或经常不满载等载或经常不满载等 n连接方式连接方式： 焊接结构钢材的质量要求应高

20、于同样情况焊接结构钢材的质量要求应高于同样情况 的非焊接结构，碳、硫、磷等有害元素的的非焊接结构，碳、硫、磷等有害元素的 含量应较低，塑性和韧性应较好，而且还含量应较低，塑性和韧性应较好，而且还 应该具有含碳量的合格保证应该具有含碳量的合格保证 n结构的工作环境温度结构的工作环境温度： n 对经常处于或可能处于较低负温下工对经常处于或可能处于较低负温下工 作的钢结构、尤其是焊接结构，应选用化作的钢结构、尤其是焊接结构，应选用化 学成分和机械性能质量较好和脆性转变温学成分和机械性能质量较好和脆性转变温 度低于结构工作环境温度的钢材度低于结构工作环境温度的钢材 n钢材的厚度钢材的厚度： n 厚度大

21、的钢材其强度、冲击韧性和焊厚度大的钢材其强度、冲击韧性和焊 接性能都较差，且易产生三向残余应力。接性能都较差，且易产生三向残余应力。 构件厚度大的焊接结构应采用质量好的钢构件厚度大的焊接结构应采用质量好的钢 材。材。 钢材的选用钢材的选用 承重结构的钢材：承重结构的钢材：宜选用宜选用Q235钢、钢、Q345 钢、钢、 Q390钢和钢和Q420钢。钢。 选择选择钢筋或钢丝应考虑钢筋或钢丝应考虑：强度、塑性、可强度、塑性、可 焊性及与混凝土的粘结性焊性及与混凝土的粘结性要求。普通钢筋宜采要求。普通钢筋宜采 用用HRB400级和级和HRB335级钢筋，也可采用级钢筋，也可采用 HPB235级和级和R

22、RB400级；预应力钢筋宜采用级；预应力钢筋宜采用 预应力钢绞线、钢丝，也可采用热处理钢筋。预应力钢绞线、钢丝，也可采用热处理钢筋。 普通钢筋：普通钢筋：指用于钢筋混凝土结构中的钢指用于钢筋混凝土结构中的钢 筋和预应力钢筋混凝土结构中的非预应力筋。筋和预应力钢筋混凝土结构中的非预应力筋。 3.2.2 钢材的强度设计值钢材的强度设计值 结构钢材结构钢材 n抗拉、抗压和抗弯强度设计值抗拉、抗压和抗弯强度设计值 ，对钢，对钢 结构中结构中Q235钢钢取取1.087，对，对Q345钢、钢、Q390钢钢 和和Q420钢钢取取1.111 n抗剪强度设计值抗剪强度设计值 n端面承压强度设计值端面承压强度设计

23、值 其中抗力分项系数对其中抗力分项系数对Q235钢和钢和Q345钢取钢取1.15，对，对 Q390钢和钢和Q420钢取钢取1.175 k ff yyvy fff58. 03 fffv5803. RuuRucekce fff cek vy k f f f 钢材的强度设计值钢材的强度设计值 钢铸件钢铸件 n抗拉、抗压和抗弯强度设计值抗拉、抗压和抗弯强度设计值 n端面承压强度设计值端面承压强度设计值 n抗剪强度设计值抗剪强度设计值 fffv5803. uce ff650. y ff780. 钢材的强度设计值钢材的强度设计值 对接焊缝对接焊缝 n对接焊缝的抗压强度设计值对接焊缝的抗压强度设计值 、抗剪

24、强度设计值、抗剪强度设计值 取母材的强度值：取母材的强度值： n抗拉强度设计值：抗拉强度设计值： 角焊缝、铆钉、螺栓连接角焊缝、铆钉、螺栓连接 取材料的抗拉强度为标准值乘一经验系数得设计值取材料的抗拉强度为标准值乘一经验系数得设计值 ffff w v w c 58. 0 f f f w t 85. 0 焊缝质量1、2级 焊缝质量3级 w c f 钢材的强度设计值钢材的强度设计值 钢筋钢筋 受拉钢筋受拉钢筋强度设计值强度设计值 受压钢筋受压钢筋强度设计值强度设计值 s pyk py s yk y f f f f yy sssy ff EEf 002. 0 混凝土最大压应变混凝土最大压应变 为为0

25、.002, 所以钢筋以应所以钢筋以应 变变0.002为控制条件为控制条件 3.2.3 钢材的本构模型钢材的本构模型 理想弹塑性模型理想弹塑性模型 hsyy s f E , y 未考虑强化效应未考虑强化效应 钢材的本构模型钢材的本构模型 n理想弹塑性线性强化模型理想弹塑性线性强化模型 在理想弹塑性模型 的基础上考虑线性 强化 )( , , hssy ushs Ef 当 钢材的本构模型钢材的本构模型 n弹塑性模型弹塑性模型 没有明显的流幅 钢材的本构模型钢材的本构模型 n刚塑性模型刚塑性模型 当塑性变形足够大时，略去弹性变形仅考虑塑性变当塑性变形足够大时，略去弹性变形仅考虑塑性变 形的模型形的模型

26、 3.3 混凝土混凝土 混凝土混凝土是由水泥、骨料（砂和石）和水按一定比例配和凝是由水泥、骨料（砂和石）和水按一定比例配和凝 结硬化而成的人工石材。结硬化而成的人工石材。 混凝土的结构：混凝土的结构：宏观结构、亚微观结构和微观结构。宏观结构、亚微观结构和微观结构。 混凝土的弹塑性性质混凝土的弹塑性性质 混凝土的强度等级：混凝土的强度等级：C15、 C20、C25、C30、C35、C40、 C45、C50、C55、C60、C65、 C70、C75和和C80共十四级共十四级 C表示混凝土表示混凝土 （concrete），），C后的数值为后的数值为 混凝土的立方抗压强度标准值混凝土的立方抗压强度标准

27、值 3.3.1 混凝土受压破坏机理混凝土受压破坏机理 立方体受压立方体受压 尺寸效应：立方体尺尺寸效应：立方体尺 寸越小，实验得出的寸越小，实验得出的 抗压强度越高抗压强度越高 为了便于比较，需统一试样尺寸和试验方法为了便于比较，需统一试样尺寸和试验方法。标准立方体试块标准立方体试块 150mm150mm150mm，不涂润滑剂。立方体抗压强度值，不涂润滑剂。立方体抗压强度值 作为划分混凝土强度等级的依据作为划分混凝土强度等级的依据 cu f 尺寸效应的原因：尺寸效应的原因：1） 内部缺陷少；内部缺陷少；2）实验）实验 方法的影响，箍的作用方法的影响，箍的作用 标准试块、标准养护条件、标准试验方

28、法标准试块、标准养护条件、标准试验方法 边长为边长为150mm150mm150mm的标准立方体的标准立方体 试块、在试块、在203C的温度和相对湿度在的温度和相对湿度在90%以上的以上的 潮湿空气中养护潮湿空气中养护28天，依照标准试验方法测得的天，依照标准试验方法测得的 具有具有95%保证率的抗压强度。保证率的抗压强度。 标准试验方法：标准试验方法： 试件上下表面不加润滑剂试件上下表面不加润滑剂 加载速度：加载速度：C30时，时，0.30.5N/mm2/秒；秒； C30时，时， 0.50.8N/mm2/秒。秒。 试件尺寸：边长为试件尺寸：边长为200mm或或100mm时，分别乘时，分别乘 换

29、算系数换算系数1.05和和0.95。 混凝土的龄期：混凝土的龄期：28天天 2. 棱柱受压棱柱受压 混凝土实际状态为棱柱体受压，且端面不存在约混凝土实际状态为棱柱体受压，且端面不存在约 束。试验中选用束。试验中选用150mm 150mm 450mm450mm，或选，或选 150mm 150mm 600mm600mm的试样。的试样。 试验得出的强度值称为混试验得出的强度值称为混 凝土的轴心抗压强度。立方抗凝土的轴心抗压强度。立方抗 压强度与轴心抗压强度之间可压强度与轴心抗压强度之间可 建立统计关系。建立统计关系。c f 3388. 0 21 cukccck ff 3. 三向受压三向受压 n混凝土

30、的三向受压强度高于单向受压强度。混凝土的三向受压强度高于单向受压强度。 n随着侧压力的提高，试件的横向变形受到约束，使随着侧压力的提高，试件的横向变形受到约束，使 竖向抗压强度得到提高。竖向抗压强度得到提高。 n侧压力对混凝土强度的影响侧压力对混凝土强度的影响 3.3.2 混凝土的设计强度混凝土的设计强度 混凝土强度设计值为其标准值除以混凝土材料分项系数，取混凝土强度设计值为其标准值除以混凝土材料分项系数，取 ，则，则 混凝土轴心抗压强度和轴心抗拉强度都可通过立方体抗压强混凝土轴心抗压强度和轴心抗拉强度都可通过立方体抗压强 度进行换算，度进行换算， 混凝土轴心抗压强度混凝土轴心抗压强度 与混凝

31、土立方体抗压强度与混凝土立方体抗压强度 的的 关系：关系： 4 . 1 k f f cu f c f kcuccck ff , . 21 880 其中其中c1为轴压强度和立方体抗压强度之比，为轴压强度和立方体抗压强度之比，C50时，取时，取0.76， 对对C80 取取0.82，中间按线性插值确定；，中间按线性插值确定；c2为为C40以上混凝土考以上混凝土考 虑脆性折减系数，对虑脆性折减系数，对C40取取1.0，对，对C80取取0.87，中间按线性插，中间按线性插 值确定。值确定。0.88为结构混凝土强度与试件混凝土强度的比值。为结构混凝土强度与试件混凝土强度的比值。 （混凝土强度修正系数。）（

32、混凝土强度修正系数。） 4 . 1 c 混凝土抗拉强度混凝土抗拉强度 n试验方法试验方法 n劈裂试验：垫条的尺寸、试件尺寸对试验结果均有影响。劈裂试验：垫条的尺寸、试件尺寸对试验结果均有影响。 劈裂抗拉强度略大于直接受拉强度。劈裂抗拉强度略大于直接受拉强度。 n直接抗拉试验直接抗拉试验 试件为试件为100mm100mm100mm500mm500mm，两端埋，两端埋 有伸出长度为有伸出长度为150mm150mm的变形钢筋。的变形钢筋。 抗拉强度与立方抗压强度的统计关系 n系数系数0.395和指数和指数0.55是根据试验数据得是根据试验数据得 出的。出的。 n规范对混凝土立方体强度采用的变异系规范

33、对混凝土立方体强度采用的变异系 数如下：数如下： 550 2 450 645113950880 . , . . kcuctk ff C15C20C25C30C35C40C45C50C50C60C80 0.210.180.160.140.130.120.120.110.110.10 kcu f , 混凝土的选用混凝土的选用 n钢筋混凝土结构的混凝土强度等级钢筋混凝土结构的混凝土强度等级不宜低不宜低 于于C15；当采用；当采用HRB335级钢筋时，混凝土强度等级钢筋时，混凝土强度等 级不宜低于级不宜低于C20；当采用；当采用HRB400和和RRB400级钢筋级钢筋 以及承受重复荷载的构件，混凝土强

34、度等级不得低以及承受重复荷载的构件，混凝土强度等级不得低 于于C20。 n预应力混凝土结构的混凝土强度等级预应力混凝土结构的混凝土强度等级不不 宜低于宜低于C30；当采用预应力钢绞线、钢丝、热处理；当采用预应力钢绞线、钢丝、热处理 钢筋作预应力钢筋时，混凝土强度等级不宜低于钢筋作预应力钢筋时，混凝土强度等级不宜低于 C40。 n当采用当采用山砂混凝土和高炉混凝土时，尚应符山砂混凝土和高炉混凝土时，尚应符 合专门规程的规定。合专门规程的规定。 3.3.3 3.3.3 混凝土的变形性能混凝土的变形性能 1. 一次短期加载时的变形一次短期加载时的变形 2. 重复荷载作用的变形及疲劳强度重复荷载作用的

35、变形及疲劳强度 3. 混凝土的模量混凝土的模量 4. 荷载长期作用下的变形荷载长期作用下的变形 5. 混凝土的体积变形混凝土的体积变形 1. 一次短期加载时的变形性能 （1）上升段）上升段 1. OA（0.30.4fc），混），混 凝土的变形主要是骨料和凝土的变形主要是骨料和 水泥结晶体受力产生的弹水泥结晶体受力产生的弹 性变形，内部原有的微裂性变形，内部原有的微裂 缝处于稳定状态。缝处于稳定状态。 2. AB（B为临界点），为临界点）， 裂缝稳定扩展阶段，塑性裂缝稳定扩展阶段，塑性 变形逐渐增大。变形逐渐增大。 3.BC段，内部微裂缝进段，内部微裂缝进 入非稳定发展阶段，已延入非稳定发展阶段

36、，已延 伸扩展为若干连通的裂缝。伸扩展为若干连通的裂缝。 对应的应力为混凝土的棱对应的应力为混凝土的棱 柱体抗压强度，相应的应柱体抗压强度，相应的应 变为峰值应变。变为峰值应变。 1. 一次短期加载时的变形性能 （2）下降段）下降段 峰值应力以后，裂峰值应力以后，裂 缝迅速发展，内部缝迅速发展，内部 结构的整体性受到结构的整体性受到 越来越严重的破坏，越来越严重的破坏， 赖以传递荷载的路赖以传递荷载的路 径不断减少，试件径不断减少，试件 的平均应力强度下的平均应力强度下 降。过拐点后，荷降。过拐点后，荷 载由骨料间的咬合载由骨料间的咬合 力及摩擦力共同承力及摩擦力共同承 受。受。 卸载时的变形

37、性能 混凝土卸载曲线混凝土卸载曲线 cd瞬时恢复的弹瞬时恢复的弹 性应变性应变 bc弹性后效弹性后效 ob残余应变残余应变 混凝土受拉时应力混凝土受拉时应力-应应 变关系与受压时相似，变关系与受压时相似， 峰值对应的应变在峰值对应的应变在 0.005%0.027%之间之间 不同强度的混凝土应力应变曲线不同强度的混凝土应力应变曲线 n峰值应变峰值应变 变化不大变化不大 n随混凝土强随混凝土强 度的提高下度的提高下 降段变陡，降段变陡， 即延性变差即延性变差 2 重复荷载作用下的变形特点及疲劳强度 n疲劳强度：重复加载卸载循环次数达疲劳强度：重复加载卸载循环次数达2106次以上时才引次以上时才引

38、起混凝土破坏的最大应力定义为混凝土的疲劳强度。起混凝土破坏的最大应力定义为混凝土的疲劳强度。 n疲劳强度值一般为疲劳强度值一般为0.5fc 3 3 混凝土的变形模量混凝土的变形模量 的单位为的单位为N/mm2 kcu c f E , 5 7 .34 2 . 2 10 kcu f , 弹性模量弹性模量Ec 0 0 tg d d Ec 根据试验统计结果得根据试验统计结果得: 测试方法：棱柱试样，应力测试方法：棱柱试样，应力 上限上限0.5fc， ，反复加载 反复加载5-10次，次， 应力应力-应变曲线接近直线，量应变曲线接近直线，量 此斜率此斜率。 3 3 混凝土的变形模量混凝土的变形模量 混凝土

39、的剪切变形模量混凝土的剪切变形模量Gc 5 . 04 . 0 5 . 0 7 . 04 . 0 1 3 . 0 疲劳变形时，受拉时， 增大时， ccc f 变形模量变形模量Ec c e c c e c c c EE ce /称为混凝土的弹性系数 混凝土的泊送比 2 . 0 c 根据弹性理论 c c c c E E G417. 0 )1 (2 4 4 荷载长期作用下的变形荷载长期作用下的变形徐变徐变 （1）概念 混凝土在长期荷载作用下应力不 变，应变随时间继续增长的现象。 4 4 荷载长期作用下的变形荷载长期作用下的变形徐变徐变 （1）徐变）徐变： a 混凝土应力的大小混凝土应力的大小 b 加荷

40、龄期的长短加荷龄期的长短 c 混凝土的组成成分混凝土的组成成分 d 养护环境的温湿度养护环境的温湿度 （2）徐变产生的原因）徐变产生的原因 凝胶体的粘性流动；混凝土内部的微裂缝在凝胶体的粘性流动；混凝土内部的微裂缝在 长期荷载下的发展长期荷载下的发展 （3）影响徐变的因素）影响徐变的因素 a. 混凝土应力的大小与徐变的关系 n应力越大徐变越大应力越大徐变越大 n当应力较小时当应力较小时0.5fc时，徐变比应力增长更快，时，徐变比应力增长更快， 称为称为非线性徐变非线性徐变，由于微裂缝开展；，由于微裂缝开展； n当应力当应力0.8fc时，徐变将成为时，徐变将成为非收敛性的非收敛性的， 即即0.8

41、fc为混凝土的长期抗压强度。为混凝土的长期抗压强度。 b. 加荷龄期与徐变的关系 n混凝土的龄期越早，徐变越大混凝土的龄期越早，徐变越大。 原因在于龄期越长，其水泥石中的结晶骨架越多原因在于龄期越长，其水泥石中的结晶骨架越多 c. 混凝土的组成成分、养护环境与徐变的关系 n骨料越坚硬、弹性模量越高，对水泥石的约束作骨料越坚硬、弹性模量越高，对水泥石的约束作 用越大，混凝土徐变越小。用越大，混凝土徐变越小。 n水泥用量越多，徐变越大；水泥用量越多，徐变越大； n水灰比越大，徐变也越大水灰比越大，徐变也越大； n养护环境对徐变的影响：养护环境对徐变的影响： n养护时温度高、湿度大，水泥水化作用充养

42、护时温度高、湿度大，水泥水化作用充 分，徐变就小分，徐变就小 4 4 荷载长期作用下的变形荷载长期作用下的变形徐变徐变 （4）徐变对构件的影响 a. 增加受弯构件的变形增加受弯构件的变形 b. 在构件中引起内力重分布在构件中引起内力重分布。 nc. 造成预应力钢筋的预应力损失造成预应力钢筋的预应力损失 （1 1）概念：混）概念：混 凝土在结硬过程中凝土在结硬过程中 体积会发生变化体积会发生变化 空气中结硬空气中结硬收收 缩缩 水中结硬水中结硬膨胀膨胀 收缩比膨胀大得多，收缩比膨胀大得多， 收缩值一般取收缩值一般取 3 31010-4 -4 5.混凝土的收缩和膨胀混凝土的收缩和膨胀 收缩和膨胀的

43、影响因素 水泥用量越多、水灰比越大、骨料颗粒越小、水泥用量越多、水灰比越大、骨料颗粒越小、 孔隙率越高、骨料的弹性模量越低，则收缩越孔隙率越高、骨料的弹性模量越低，则收缩越 大。混凝土越密实，收缩越小。大。混凝土越密实，收缩越小。 混凝土在结硬过程中周围湿度大以及使用环境混凝土在结硬过程中周围湿度大以及使用环境 的湿度大时，收缩较小。的湿度大时，收缩较小。 减小混凝土收缩的措施减小混凝土收缩的措施 n在施工中应注意振捣质量；加强养护；选在施工中应注意振捣质量；加强养护；选 择合理的混凝土级配，以减少水泥用量；择合理的混凝土级配，以减少水泥用量； 降低水灰比降低水灰比 n还可采用膨胀水泥等方法来

44、减轻混凝土的还可采用膨胀水泥等方法来减轻混凝土的 收缩对钢筋混凝土结构物所造成的危害。收缩对钢筋混凝土结构物所造成的危害。 3.3.4 混凝土的本构关系 1. 单轴受压单轴受压 欧洲模式规范欧洲模式规范(90CEB-FIP) c cc f yx cx bxax y 1 0 2 系数由特定条件确定：系数由特定条件确定： a E E E E d d fdx dy x c bcba yx c ba yx ccc c c 00 0 2 : , 0 )1 ( 2 0 :0 , 1 1 1 :1 , 1 峰值条件峰值条件 初始斜率初始斜率 3.3.4 混凝土的本构关系 得出得出： 2 ,1 , 00 cc

45、 E E cb E E a 本构方程为：本构方程为： 00 2 000 21 c c cc c cc E E E E f 在非线性计算中，可根据前一步的应力、应变，在非线性计算中，可根据前一步的应力、应变， 确定出切线模量，继而假设切线模量为下一步确定出切线模量，继而假设切线模量为下一步 的初始弹性模量，根据应变确定出当前应力。的初始弹性模量，根据应变确定出当前应力。 3.3.4 混凝土的本构关系 简化模型简化模型 cucc c n c c c f f 0 0 0 , ,11 （我国规范采用）（我国规范采用） 0033. 010500033. 0 10505 . 0002. 0002. 0 2

46、50 60 1 2 5 , 5 ,0 , kcucu kcu kcu f f fn 3.3.4 混凝土的本构关系 当n=2时， cucc c cc c c f f 0 0 2 00 , ,2 2. 单轴受拉单轴受拉 c ct ct ctcct ctcctctc E f ff Ef 9 . 0 00015. 0 00015. 0 100.1f ,9 . 0 ,9 . 0 ctct 3.3.4 混凝土的本构关系 3. 三轴应力状态（三轴应力状态（Ottosen）模型）模型 Ecsa不同应力水平下的割线模量 csa不同应力水平下的泊松比 3.4 钢筋和混凝土之间的粘结作用钢筋和混凝土之间的粘结作用

47、3.4.1 粘结作用的来源粘结作用的来源 3.4.2 粘结作用的意义粘结作用的意义 3.4.3 粘结破坏粘结破坏 3.4.4 粘结强度粘结强度 3.4.5 影响粘结强度的因素影响粘结强度的因素 3.4.1 粘结作用的来源粘结作用的来源 1.粘结应力：钢筋混凝土受力后沿着钢筋和混凝粘结应力：钢筋混凝土受力后沿着钢筋和混凝 土接着面上产生剪应力。土接着面上产生剪应力。 2.光圆钢筋、变形钢筋与混凝土的粘结作用光圆钢筋、变形钢筋与混凝土的粘结作用 1）钢筋和混凝土接着面上的化学吸附力）钢筋和混凝土接着面上的化学吸附力（胶结（胶结 力）力）。 2）混凝土收缩握裹钢筋而产生摩擦力。 3）钢筋表面粗糙不平

48、（凹凸不平）与混凝土）钢筋表面粗糙不平（凹凸不平）与混凝土 之间产生的之间产生的机械咬合力。机械咬合力。钢筋和混凝土接触钢筋和混凝土接触 面上的面上的化学吸附力（胶结力）化学吸附力（胶结力）。 3.4.2 提高粘结的措施提高粘结的措施 n粘结和锚固是钢筋和混凝土形成整体、共同工作粘结和锚固是钢筋和混凝土形成整体、共同工作 的基础的基础 n钢筋的端部加弯钩、弯折，或在锚固区贴焊短钢钢筋的端部加弯钩、弯折，或在锚固区贴焊短钢 筋、贴焊角钢等，可以提高端部锚固能力。筋、贴焊角钢等，可以提高端部锚固能力。 n光圆钢筋的末端均需设置弯钩光圆钢筋的末端均需设置弯钩 n锚固长度锚固长度 3.4.3 粘结强度

49、粘结强度 n试验方法试验方法 2. 粘结破坏粘结破坏 n光面钢筋：锚筋被光面钢筋：锚筋被 拔出。拔出。 n变形钢筋：出现纵变形钢筋：出现纵 向劈裂裂缝或刮犁向劈裂裂缝或刮犁 式破坏式破坏 3. 粘结强度粘结强度 n粘结应力粘结应力 n粘结强度粘结强度 a dl P a u dl P max la锚固长度 粘结应力分布粘结应力分布 是不均匀的，是不均匀的， 算出的是平均算出的是平均 值值 3.4.4 影响粘结强度的因素影响粘结强度的因素 n混凝土强度混凝土强度 n钢筋的表面状态钢筋的表面状态 n保护层厚度保护层厚度 n钢筋净间距：钢筋的净间距过小，外围混凝钢筋净间距：钢筋的净间距过小，外围混凝

50、土将发生水平劈裂。土将发生水平劈裂。 n横向配筋横向配筋 n侧向压应力侧向压应力 n混凝土浇筑状况混凝土浇筑状况 1. 混凝土强度混凝土强度 混凝土抗拉强混凝土抗拉强 度越高，粘结度越高，粘结 强度越高强度越高 2. 钢筋的表面状态钢筋的表面状态 钢筋锈蚀增加粘钢筋锈蚀增加粘 结强度，所以一结强度，所以一 般钢筋不用除锈般钢筋不用除锈 3. 保护层厚度保护层厚度 5. 横向配筋横向配筋 6. 侧向压应力侧向压应力 7. 混凝土浇筑状况混凝土浇筑状况 3.5 砌体材料砌体材料 n3.5.1 砌体材料的种类和强度等级砌体材料的种类和强度等级 n3.5.2 砌体的分类砌体的分类 n3.5.3 砌体的

51、强度砌体的强度 n3.5.4 砌体的变形砌体的变形 3.5.1 砌体材料的种类和强度等级砌体材料的种类和强度等级 一、块体的种类一、块体的种类 二、块体的强度等级二、块体的强度等级 三、砂浆的种类和强度等级三、砂浆的种类和强度等级 一、块体的种类一、块体的种类 1. 砖砖 1) 烧结转烧结转 n烧结普通砖烧结普通砖：以粘土、页岩、煤矸石、：以粘土、页岩、煤矸石、 粉煤灰为主要原料，经过焙烧而成的实粉煤灰为主要原料，经过焙烧而成的实 心和孔洞率不大于心和孔洞率不大于15%的砖。的砖。 240mm115mm53mm n烧结多孔砖烧结多孔砖: 以粘土、页岩、煤矸石为主要原料，经以粘土、页岩、煤矸石为

52、主要原料，经 过焙烧而成，孔洞率过焙烧而成，孔洞率15%，分，分P型砖和型砖和 M型砖型砖 KM1型：型：190mm190mm90mm， 孔洞率孔洞率26% KP1型：型： 240mm115mm90mm， 孔洞率孔洞率25% KP2型：型：240mm180mm115mm 2）非烧结硅酸盐砖）非烧结硅酸盐砖 n蒸压灰砂砖蒸压灰砂砖： n 以石英砂和石灰为主要原料，这种砖以石英砂和石灰为主要原料，这种砖 不能用于温度长期超过不能用于温度长期超过200C、受急冷急、受急冷急 热或有酸性介质侵蚀的部位。热或有酸性介质侵蚀的部位。 n蒸压粉煤灰砖蒸压粉煤灰砖（烟灰砖）：（烟灰砖）： n 以粉煤灰为主要原

53、料，掺配一定比例以粉煤灰为主要原料，掺配一定比例 的石灰、石膏或其它碱性激发剂，再加入的石灰、石膏或其它碱性激发剂，再加入 一定量的炉渣或水淬矿渣作骨料。这种砖一定量的炉渣或水淬矿渣作骨料。这种砖 的抗冻性、长期强度稳定性以及防水性能的抗冻性、长期强度稳定性以及防水性能 等均不及粘土砖。等均不及粘土砖。 n炉渣砖炉渣砖（煤渣砖）：（煤渣砖）： n 以炉渣为主要原料，掺配适量的以炉渣为主要原料，掺配适量的 石灰、石膏或其它碱性激发剂。这种石灰、石膏或其它碱性激发剂。这种 砖的耐热温度可达砖的耐热温度可达300C。 n矿渣砖矿渣砖： n 以未经水淬处理的高炉矿渣为主以未经水淬处理的高炉矿渣为主 要

54、原料，掺配一定比例的石灰、粉煤要原料，掺配一定比例的石灰、粉煤 灰或煤渣。灰或煤渣。 2. 砌块砌块 n规格尺寸：规格尺寸：390mm190mm 190mm 190mm190mm，空心率，空心率25%-50%25%-50%。 n南方多用普通混凝土做成空心砌块南方多用普通混凝土做成空心砌块 n北方多用浮石、火山渣、陶粒等轻北方多用浮石、火山渣、陶粒等轻 集料做成的轻集料混凝土空心砌块集料做成的轻集料混凝土空心砌块 n利用工业废料加工生产的砌块：粉利用工业废料加工生产的砌块：粉 煤灰砌块、煤矸石砌块、炉渣混凝煤灰砌块、煤矸石砌块、炉渣混凝 土砌块、加气混凝土砌块等土砌块、加气混凝土砌块等 3. 天

55、然石材天然石材 n常用常用花岗岩、砂岩、石灰石等花岗岩、砂岩、石灰石等，重力密，重力密 度大于度大于18kN/m3，强度大，耐久性好，强度大，耐久性好， 用于建筑物的基础、挡土墙、拱桥、房用于建筑物的基础、挡土墙、拱桥、房 屋的贴面等。屋的贴面等。 n按加工程度分按加工程度分 n料石料石 n料石料石 n细料石细料石 宽度、高度不小于宽度、高度不小于200或长度的或长度的 1/4，叠砌面凹入深度不应大于，叠砌面凹入深度不应大于10mm； n半细料石半细料石 叠砌面凹入深度不应大于叠砌面凹入深度不应大于 15mm； n粗料石粗料石 叠砌面凹入深度不应大于叠砌面凹入深度不应大于20mm； n毛料石毛

56、料石 叠砌面凹入深度不应大于叠砌面凹入深度不应大于25mm。 n毛石毛石 形状不规则，中部厚度不应小于形状不规则，中部厚度不应小于 200mm。 二、块体强度等级二、块体强度等级 n块体的强度等级用块体的强度等级用MUf1表示，用标准表示，用标准 试验方法测得的块体极限抗压强度，单试验方法测得的块体极限抗压强度，单 位用位用Mpa。 n烧结普通砖和烧结多孔砖烧结普通砖和烧结多孔砖的强度等级：的强度等级： MU30、MU25、MU20、MU15、 MU10； n蒸压灰砂砖、蒸压粉煤灰蒸压灰砂砖、蒸压粉煤灰砖砖的强度等级：的强度等级： MU25、MU20、MU15、MU10； 三、砂浆的种类和强度

57、等级三、砂浆的种类和强度等级 n砌块砌块的强度等级：的强度等级： n MU20、MU15、MU10、MU7.5、MU5 n石材石材的强度等级：的强度等级： MU100、MU80、MU60、MU50、MU40、 MU30、MU20。 三、砂浆的种类和强度等级三、砂浆的种类和强度等级 1.砂浆的种类砂浆的种类 2.砂浆的强度等级砂浆的强度等级 3.砂浆的质量要求砂浆的质量要求 1. 砂浆的作用砂浆的作用 砂浆砂浆：由胶凝材料（水泥、石灰）、由胶凝材料（水泥、石灰）、 细骨料（砂）和水按一定的配合比搅拌细骨料（砂）和水按一定的配合比搅拌 而成而成 n将单块的砌体连成整体，并因抹平块体将单块的砌体连成

58、整体，并因抹平块体 表面使应力分布均匀表面使应力分布均匀 n砂浆填满块体间的缝隙，减少了砌体的砂浆填满块体间的缝隙，减少了砌体的 透气性，从而提高砌体的隔热、防水和透气性，从而提高砌体的隔热、防水和 抗冻性能。抗冻性能。 2. 砂浆的种类砂浆的种类 n水泥砂浆水泥砂浆：强度高、耐久性好，可塑性和保：强度高、耐久性好，可塑性和保 水性差，故而砌筑质量差。用于防潮层以下水性差，故而砌筑质量差。用于防潮层以下 或强度要求高的砌体中；或强度要求高的砌体中； n混合砂浆混合砂浆：在水泥砂浆中掺入适量的塑性掺：在水泥砂浆中掺入适量的塑性掺 和料，有水泥石灰砂浆、水泥黏土砂浆。有和料，有水泥石灰砂浆、水泥黏

59、土砂浆。有 一定的强度和耐久性，和易性、保水性较好。一定的强度和耐久性，和易性、保水性较好。 n非水泥砂浆非水泥砂浆：有石灰砂浆、石膏砂浆、黏土：有石灰砂浆、石膏砂浆、黏土 砂浆等。强度低、耐久性差，可塑性和保水砂浆等。强度低、耐久性差，可塑性和保水 性好，主要用于临时性建筑物。性好，主要用于临时性建筑物。 3. 砂浆的强度等级砂浆的强度等级 n按标准试验方法测得的砂浆块体的极限按标准试验方法测得的砂浆块体的极限 抗压强度来确定其强度等级。抗压强度来确定其强度等级。 n试件尺寸：试件尺寸： 70.7mm70.7mm70.7mm，标准养，标准养 护护28天。取天。取6个试件抗压强度平均值个试件抗

60、压强度平均值f2作作 为强度等级，为强度等级，M f2 n强度等级分为：强度等级分为：M15、M10、M7.5、M5、 M2.5。 4. 砂浆的质量要求砂浆的质量要求 n强度：根据强度的高低划分砂浆的强度：根据强度的高低划分砂浆的 强度等级强度等级 n可塑性：容易铺成厚度及密实度较可塑性：容易铺成厚度及密实度较 均匀的灰缝均匀的灰缝 n保水性：在运输和砌筑过程中保持保水性：在运输和砌筑过程中保持 水分的能力水分的能力 3.5.2 砌体的分类砌体的分类 一、砖砌体一、砖砌体 二、砌块砌体二、砌块砌体 三、石砌体三、石砌体 四、配筋砌体四、配筋砌体 一、砖砌体一、砖砌体 n用途：承重内外墙、砖柱，