工程结构材料的物理力学性能

1、2021-12-181第第3章章 工程结构材料的物理力学性能工程结构材料的物理力学性能 3.1 钢材的物理力学性能钢材的物理力学性能3.2 混凝土的物理力学性能混凝土的物理力学性能3.3 砌体的材料及力学性能砌体的材料及力学性能3.1 钢材的物理力学性能钢材的物理力学性能 3.1.1 简单应力下钢材的性能简单应力下钢材的性能有明显流幅钢材的应力有明显流幅钢材的应力应变曲线应变曲线1.1.钢材的应力钢材的应力- -应变关系应变关系无明显流幅钢材的应无明显流幅钢材的应力力应变曲线应变曲线fy理想弹塑性材料的应力应变曲线理想弹塑性材料的应力应变曲线2.2.钢材的强度指标钢材的强度指标fu抗拉强度，安

2、全储备抗拉强度，安全储备 fy强度标准值强度标准值，为设计依据，为设计依据（1）屈服强度）屈服强度（2）极限强度（抗拉强度）极限强度（抗拉强度）3.3.钢材的塑性钢材的塑性 钢材在外力作用下，塑性变形增加而不发生脆性断裂钢材在外力作用下，塑性变形增加而不发生脆性断裂的能力。的能力。 2021-12-185%100010AAA断面收缩率断面收缩率0A试件原截面面积。试件原截面面积。1A试件拉断后颈缩端口处截面面积。试件拉断后颈缩端口处截面面积。%1001llldl5或或 对应的对应的用用5或或10表示表示dl10伸长率伸长率ll、1试件拉断后、拉断前标距的长度。试件拉断后、拉断前标距的长度。4.

3、冷弯性能冷弯性能衡量钢材在衡量钢材在常温常温下下冷加工弯曲冷加工弯曲时产生时产生塑性变形塑性变形的能力。的能力。 由冷弯试验确定，是判别钢材由冷弯试验确定，是判别钢材塑性塑性及及冶金质量冶金质量的综合的综合 指标指标 。5.5.冲击韧性冲击韧性 衡量钢材在衡量钢材在冲击荷载冲击荷载作用下作用下抵抗脆性破坏抵抗脆性破坏的机械性能指标。的机械性能指标。用于表征钢材抵抗冲击荷载及动力荷载的能力，是钢材的动力用于表征钢材抵抗冲击荷载及动力荷载的能力，是钢材的动力性能，是强度与塑性的综合表现。性能，是强度与塑性的综合表现。 zoxyyzyxxyxzzyzxZXY单元体受复杂应力单元体受复杂应力（应力分量

4、）（应力分量）112233单元体受主应力单元体受主应力3.1.2 复杂应力下钢材的性能复杂应力下钢材的性能yeqf213232221)()()(21yzxyzxyxzzyyxzyxeqf)(3)(222222用应力分量表示用应力分量表示用主应力表示用主应力表示yeqf材料处于弹性状态材料处于弹性状态yeqf材料处于塑性状态材料处于塑性状态 当三向应力中有一向应力很小或等于零时，当三向应力中有一向应力很小或等于零时，称为平面应力状态，上式简化为称为平面应力状态，上式简化为212221eq2223xyyxyxeq普通梁，上式可简化为普通梁，上式可简化为223xeq取取yeqf则得则得yyff58.

5、 03纯剪纯剪23eq3.1.3 反复荷载作用下钢材的疲劳反复荷载作用下钢材的疲劳1.疲劳断裂的概念疲劳断裂的概念 微观裂缝在微观裂缝在连续重复荷载连续重复荷载作用下不断扩展直至断裂的脆作用下不断扩展直至断裂的脆性破坏。性破坏。疲劳断裂的危害：疲劳断裂的危害：疲劳断裂时截面疲劳断裂时截面的的平均应力平均应力低于材料的低于材料的抗拉强度。抗拉强度。2.疲劳断裂过程疲劳断裂过程 （1）裂缝的形成）裂缝的形成（2）裂纹扩展）裂纹扩展（3）迅速断裂）迅速断裂应力幅应力幅完全对称循环完全对称循环( ( -1) -1) 脉冲循环脉冲循环( ( 0) 0) maxmin应力比值应力比值minmax 3.疲劳

6、术语疲劳术语静荷载作用静荷载作用( ( +1) +1) 一般应力循环一般应力循环(-1(-1 +1C50时：时：)50(002. 076. 0.1kcucf混凝土脆性的折减系数，混凝土脆性的折减系数，C40)40(00325. 01,2kcucf（3）轴心抗拉强度）轴心抗拉强度 混凝土结构设计规范混凝土结构设计规范规定规定轴心抗拉强度轴心抗拉强度标准值标准值与与立立方体抗压强度标准值方体抗压强度标准值的换算关系为：的换算关系为： 目前国内外主要采用圆柱体或立方体的劈裂试验来间接测目前国内外主要采用圆柱体或立方体的劈裂试验来间接测试混凝土的轴心抗拉强度。试混凝土的轴心抗拉强度。dlFf 2st,

7、45. 055. 0,2)645. 11 (395. 088. 0kcuctkff（1）弹性模量（原点模量）弹性模量（原点模量）（2）变形模量）变形模量定义：定义：过应力过应力-应变曲线应变曲线原点原点 切线切线的斜率。的斜率。)(N/mm 34.72.2102kcu,50ftgEcecc定义：定义：过应力过应力-应变曲线原点应变曲线原点 与与某应力点割线某应力点割线的斜率。的斜率。3. 混凝土的变形模量混凝土的变形模量 cccecccecccEE弹性特征系数弹性特征系数变值，随应力增大而减小。变值，随应力增大而减小。ccecpcpcec（3）切线模量）切线模量应力应力-应变曲线应变曲线某点切

8、线某点切线的斜率，变值。的斜率，变值。cecpcddEc 2tan根据弹性模量和泊松比确定。根据弹性模量和泊松比确定。 （4）剪切模量）剪切模量ccccEEG4 . 0) 1(23.2.2复杂应力下混凝土的性能复杂应力下混凝土的性能1.复合应力下混凝土强度和变形复合应力下混凝土强度和变形（1）多向受压多向受压双向压：强度提高；双向压：强度提高；压拉压拉压拉拉拉压拉压混凝土在混凝土在双向应力状态双向应力状态下的强度下的强度三向压三向压(约束受压约束受压)：强度强度和和延性延性明显提高。明显提高。约束应力状态下混凝土受压应约束应力状态下混凝土受压应力力应变曲线应变曲线（2）双向受拉）双向受拉影响不

9、大影响不大（3）一拉一压）一拉一压强度降低强度降低（4）剪压或剪拉）剪压或剪拉剪拉：强度降低剪拉：强度降低剪压：剪压： 压应力较小：抗剪强度随压应力增加而增大；压应力较小：抗剪强度随压应力增加而增大；压应力较大：抗剪强度随压应力的增加而降低。压应力较大：抗剪强度随压应力的增加而降低。 2.长期荷载下混凝土的变形长期荷载下混凝土的变形（1）混凝土的徐变）混凝土的徐变在荷载长期作用下，变形将随时间而增加的现象。在荷载长期作用下，变形将随时间而增加的现象。cf1.00.3cf混凝土徐变曲线混凝土徐变曲线（2）影响徐变的主要因素）影响徐变的主要因素1）应力条件）应力条件 2）龄期因素）龄期因素3）内在

10、因素）内在因素 4）环境因素）环境因素3. 重复荷载下混凝土性能重复荷载下混凝土性能一次重复加载一次重复加载多次重复加载多次重复加载OABBCO12fcf混凝土疲劳强度：混凝土疲劳强度：疲劳破坏需要重复荷载的最小应力峰值疲劳破坏需要重复荷载的最小应力峰值)()(tcpftfcffffp混凝土疲劳强度修正系数，与疲劳应力比值有关，混凝土疲劳强度修正系数，与疲劳应力比值有关， 具体取值见附表具体取值见附表1-16。fcfcfmax,min,4.混凝土的收缩、膨胀和温度变形混凝土的收缩、膨胀和温度变形影响混凝土收缩的因素有：影响混凝土收缩的因素有：水泥的品种水泥的品种： 水泥的用量；骨料的性质水泥的

11、用量；骨料的性质 ；养护条件养护条件；混凝土混凝土制作方法制作方法；使用环境。使用环境。3.2.3 钢筋与混凝土的粘结钢筋与混凝土的粘结 1.钢筋与混凝土粘结的作用钢筋与混凝土粘结的作用作用作用：保证力的相互传递，是共同工作的：保证力的相互传递，是共同工作的基本条件基本条件TdxdTT dxdAdxdTss2.粘结力的组成粘结力的组成 化学吸附化学吸附 摩擦摩擦 机械咬合机械咬合 附加咬合等作用附加咬合等作用ss钢筋端部的锚固钢筋端部的锚固裂缝间应力的传递裂缝间应力的传递增加锚固能力的措施增加锚固能力的措施钢筋与混凝土之间的粘结作用：钢筋与混凝土之间的粘结作用：3.影响粘结强度的因素影响粘结强

12、度的因素 （1）混凝土强度等级）混凝土强度等级 （2）钢筋表面形状）钢筋表面形状 （3）混凝土保护层厚度、钢筋净距）混凝土保护层厚度、钢筋净距（4）横向钢筋、侧向压力（例如支座处）横向钢筋、侧向压力（例如支座处 ） （5）浇筑混凝土时钢筋的位置）浇筑混凝土时钢筋的位置（6）反复加载）反复加载 3.3 砌体的物理力学性能砌体的物理力学性能3.3.1 砌体的材料及种类砌体的材料及种类 1.块体材料块体材料 （1）砖）砖（2）砌块）砌块（3）石材）石材普通砖：普通砖：240mm115mm53mm实心实心 粉煤灰、煤渣混凝土和混凝土等粉煤灰、煤渣混凝土和混凝土等小型小型900mm强度等级：强度等级：M

13、U30、MU25、MU20、MU15和和MU10。强度等级：强度等级：MU20、MU15、MU10、 MU7.5 和和 MU52.砂浆砂浆砌体对砂浆的基本要求砌体对砂浆的基本要求 符合强度和耐久性要求；符合强度和耐久性要求； 应具有一定的可塑性，在砌筑时容易且较均匀地铺开；应具有一定的可塑性，在砌筑时容易且较均匀地铺开； 应具有足够的保水性，即在运输和砌筑时保持质量的能力。应具有足够的保水性，即在运输和砌筑时保持质量的能力。3.砌体的种类砌体的种类砌体：由块体用砂浆砌筑成的整体。砌体：由块体用砂浆砌筑成的整体。种类：砖砌体、石砌体、砌块砌体、配筋砌体种类：砖砌体、石砌体、砌块砌体、配筋砌体一顺

14、一丁一顺一丁 三顺一丁三顺一丁3.3.2砌体的力学性能砌体的力学性能1.砌体的抗压强度砌体的抗压强度（1）破坏过程及应力特点）破坏过程及应力特点1）块体和砂浆的强度）块体和砂浆的强度2）砂浆的弹塑性性能砂浆的弹塑性性能3）砂浆的流动性）砂浆的流动性:4）灰缝厚度灰缝厚度5）砌筑质量）砌筑质量 （2）影响砌体强度的主要因素）影响砌体强度的主要因素（3）砌体抗压强度计算及取值）砌体抗压强度计算及取值2211)07. 01 (kffkfm现行规范砌体抗压强度：现行规范砌体抗压强度：mf砌体抗压强度平均值砌体抗压强度平均值1f块体抗压强度平均值块体抗压强度平均值2f砂浆抗压强度平均值砂浆抗压强度平均值

15、1k2k系数，见附表系数，见附表1-242.砌体的抗拉、抗弯和抗剪强度砌体的抗拉、抗弯和抗剪强度（1）轴心抗拉强度）轴心抗拉强度沿齿缝截面：沿齿缝截面：23,fkfmt沿通锋截面破坏沿通锋截面破坏（不能采用）（不能采用）沿齿缝截面破坏沿齿缝截面破坏（1）应力应变关系曲线）应力应变关系曲线（3）抗剪强度）抗剪强度25,fkfmvm（2）弯曲抗拉强度）弯曲抗拉强度通缝截面破坏和沿齿缝截面破坏通缝截面破坏和沿齿缝截面破坏:24,fkfmtm3.砌体的应力砌体的应力应变曲线和弹性模量应变曲线和弹性模量 O)1ln(mmffn（3）剪切模量）剪切模量EGm4 . 0（2）弹性模量）弹性模量初始弹性模量、

16、切线模量、割线模量初始弹性模量、切线模量、割线模量各类砌体弹性模量见附表各类砌体弹性模量见附表1-22。 单排孔且对孔砌筑的混凝土砌块灌孔砌体的弹性模量单排孔且对孔砌筑的混凝土砌块灌孔砌体的弹性模量E取取2000fg。（4）砌体的膨胀系数）砌体的膨胀系数 见附表见附表1-23。补充砌体规范内容补充砌体规范内容施工质量控制等级施工质量控制等级项目项目施工质量控制等级施工质量控制等级ABC现场质现场质量管理量管理监督检查制度健全，监督检查制度健全，并严格执行；施工并严格执行；施工方有在岗专业技术方有在岗专业技术管理人员，人员齐管理人员，人员齐全，并持证上岗全，并持证上岗监督检查制度基本健监督检查制

17、度基本健全，并能执行；全，并能执行； 施施工方有在岗专业技术工方有在岗专业技术管理人员，人员齐全，管理人员，人员齐全，并持证上岗并持证上岗有监督检查制度；施有监督检查制度；施工方有在岗专业技术工方有在岗专业技术管理人员管理人员砂浆、砂浆、混凝土混凝土强度强度试块按规定制作，试块按规定制作，强度满足验收规定，强度满足验收规定，离散性小离散性小试块按规定制作，强试块按规定制作，强度满足验收规定，离度满足验收规定，离散较小散较小试块按规定制作，试试块按规定制作，试块强度满足验收规定，块强度满足验收规定，离散性大离散性大砂浆拌砂浆拌合方式合方式机械拌合；配合比机械拌合；配合比计量控制严格计量控制严格机

18、械拌合；配合比计机械拌合；配合比计量控制一般量控制一般机械或人工拌合；配机械或人工拌合；配合比计量控制较差合比计量控制较差砌筑工砌筑工人人中级工以上，其中中级工以上，其中高级工不少于高级工不少于30% 高、中级工不少于高、中级工不少于70%初级工以上初级工以上 注：注：1.砂浆、混凝土强度离散性大小根据强度标准差而定；砂浆、混凝土强度离散性大小根据强度标准差而定； 2.配筋砌体不得为配筋砌体不得为C C级施工。级施工。砌体强度设计值砌体强度设计值 3.2.1龄期为龄期为28d的以毛截面计算的砌体抗压强度设计值，当施的以毛截面计算的砌体抗压强度设计值，当施工质量控制等级为工质量控制等级为B级时，

19、应根据块体和砂浆的强度等级分别按下级时，应根据块体和砂浆的强度等级分别按下列规定采用：列规定采用：1.烧结普通砖、烧结多孔砖砌体的抗压强度设计值，应按表烧结普通砖、烧结多孔砖砌体的抗压强度设计值，应按表3.2.1-1采用。采用。表表3.2.1-1 烧结普通砖和烧结多孔砖砌体的抗压强度设计值烧结普通砖和烧结多孔砖砌体的抗压强度设计值(MPa)砖强度等级砖强度等级砂浆强度等级砂浆强度等级砂浆强度砂浆强度M15M15M10M10M7.5M7.5M5M5M2.5M2.50 0MU30MU303.943.943.273.272.932.932.592.592.262.261.151.15MU25MU25

20、3.603.602.982.982.682.682.372.372.062.061.051.05MU20MU203.223.222.672.672.392.392.122.121.841.840.940.94MU15MU152.792.792.312.312.072.071.831.831.601.600.820.82MU10MU101.891.891.691.691.501.501.301.300.670.67注：当烧结多孔砖的孔洞率大于注：当烧结多孔砖的孔洞率大于30%时，表中数值应乘以时，表中数值应乘以0.9。表表3.2.1-2混凝土普通砖和混凝土多孔砖砌体的抗压强度设计值混凝土普通砖和

21、混凝土多孔砖砌体的抗压强度设计值(MPa)砖强度砖强度等级等级砂浆强度等级砂浆强度等级砂浆强砂浆强度度Mb20Mb15Mb10Mb7.5Mb50MU304.613.943.272.932.591.15MU254.213.602.982.682.371.05MU203.773.222.672.392.120.94MU152.792.312.071.830.822.混凝土普通砖和混凝土多孔砖砌体的抗压强度设计值，应混凝土普通砖和混凝土多孔砖砌体的抗压强度设计值，应按表按表3.2.1-2采用采用。3.蒸压灰砂普通砖和蒸压粉煤灰普通砖砌体的抗压强度设计值，蒸压灰砂普通砖和蒸压粉煤灰普通砖砌体的抗压强度

22、设计值，应按表应按表3.2.1-3采用。采用。砖强度砖强度等级等级砂浆强度等级砂浆强度等级砂浆强砂浆强度度Mb15Mb10Mb7.5Mb50MU253.602.982.682.371.05MU203.222.672.392.120.94MU152.792.312.071.830.82注：当采用专用砂浆砌筑时，其抗压强度设计值按表中数值采用。注：当采用专用砂浆砌筑时，其抗压强度设计值按表中数值采用。表表3.2.1-3 蒸压灰砂普通砖和蒸压粉煤灰普通砖砌体的抗压强度设计值蒸压灰砂普通砖和蒸压粉煤灰普通砖砌体的抗压强度设计值(MPa)4.单排孔混凝土砌块和轻集料混凝土砌块对孔砌筑砌体的抗压单排孔混凝

23、土砌块和轻集料混凝土砌块对孔砌筑砌体的抗压强度设计值，应按表强度设计值，应按表3.2.1-4采用。采用。表表3.2.1-4 单排孔混凝土砌块和轻集料混凝土砌块对孔砌筑砌体单排孔混凝土砌块和轻集料混凝土砌块对孔砌筑砌体的抗压强度设计值的抗压强度设计值(MPa)砌块强砌块强度等级度等级砂浆强度等级砂浆强度等级砂浆强砂浆强度度Mb20Mb15Mb10Mb7.5Mb50MU206.305.684.954.443.942.33MU154.914.023.613.201.89MU102.792.502.221.31MU7.51.931.711.01MU51.190.70注：注：1.对独立柱或厚度为双排组砌

24、的砌块砌体，应按表中数值乘对独立柱或厚度为双排组砌的砌块砌体，应按表中数值乘以以0.7； 2.对对T形截面墙体、柱，应按表中数值乘以形截面墙体、柱，应按表中数值乘以0.85。cg6 . 0fff5.单排孔混凝土砌块对孔砌筑时，灌孔砌体的抗压强度设计单排孔混凝土砌块对孔砌筑时，灌孔砌体的抗压强度设计值值fg，应按下列方法确定：，应按下列方法确定：1)混凝土砌块砌体的灌孔混凝土强度等级不应低于混凝土砌块砌体的灌孔混凝土强度等级不应低于Cb20，且不应低于且不应低于1.5倍的块体强度等级。灌孔混凝土强度指标取同强倍的块体强度等级。灌孔混凝土强度指标取同强度等级的混凝土强度指标。度等级的混凝土强度指标

25、。2)灌孔混凝土砌块砌体的抗压强度设计值灌孔混凝土砌块砌体的抗压强度设计值fg，应按下列公式，应按下列公式计算：计算：fg：灌孔混凝土砌块砌体的抗压强度设计值，该值不应大于未灌孔砌体抗：灌孔混凝土砌块砌体的抗压强度设计值，该值不应大于未灌孔砌体抗压强度设计值的压强度设计值的2倍；倍；f：未灌孔混凝土砌块砌体的抗压强度设计值，应按表：未灌孔混凝土砌块砌体的抗压强度设计值，应按表3.2.1-4采用；采用；fc：灌孔混凝土的轴心抗压强度设计值；：灌孔混凝土的轴心抗压强度设计值；：混凝土砌块砌体中灌孔混凝土面积与砌体毛面积的比值；：混凝土砌块砌体中灌孔混凝土面积与砌体毛面积的比值；：混凝土砌块的孔洞率

26、；：混凝土砌块的孔洞率；：混凝土砌块砌体的灌孔率，系截面灌孔混凝土面积与截面孔洞面积的：混凝土砌块砌体的灌孔率，系截面灌孔混凝土面积与截面孔洞面积的比值，灌孔率应根据受力或施工条件确定，且不应小于比值，灌孔率应根据受力或施工条件确定，且不应小于33%。6.双排孔或多排孔轻集料混凝土砌块砌体的抗压强度设计值，应双排孔或多排孔轻集料混凝土砌块砌体的抗压强度设计值，应按表按表3.2.1-5采用。采用。表表3.2.1-5 双排孔或多排孔轻集料混凝土砌块砌体的抗压强度设计值双排孔或多排孔轻集料混凝土砌块砌体的抗压强度设计值(MPa)砌块强度砌块强度等级等级砂浆强度等级砂浆强度等级砂浆砂浆强度强度Mb10

27、Mb7.5Mb50MU103.082.762.451.44MU7.52.131.881.12MU51.310.78MU3.50.950.56注：注：1.表中的砌块为火山渣、浮石和陶粒轻集料混凝土砌块；表中的砌块为火山渣、浮石和陶粒轻集料混凝土砌块；2.对厚度方向为双排组砌的轻集料混凝土砌块砌体的抗压强度对厚度方向为双排组砌的轻集料混凝土砌块砌体的抗压强度设计值，应按表中数值乘以设计值，应按表中数值乘以0.8。7.块体高度为块体高度为180mm350mm的毛料石砌体的抗压强度设计的毛料石砌体的抗压强度设计值，应按表值，应按表3.2.1-6采用。采用。 表表3.2.1-6 毛料石砌体的抗压强度设计

28、值毛料石砌体的抗压强度设计值(MPa)毛料石强度等级毛料石强度等级砂浆强度等级砂浆强度等级砂浆强砂浆强度度M7.5M5M2.50MU1005.424.804.182.13MU804.854.293.731.91MU604.203.713.231.65MU503.833.392.951.51MU403.433.042.641.35MU302.972.632.291.17MU202.422.151.870.95注：对细料石砌体、粗料石砌体和干砌勾缝石砌体，表中数注：对细料石砌体、粗料石砌体和干砌勾缝石砌体，表中数值应分别乘以调整系数值应分别乘以调整系数1.4、1.2和和0.8。8.毛石砌体的抗压强

29、度设计值，应按表毛石砌体的抗压强度设计值，应按表3.2.1-7采用。采用。 表表3.2.1-7 毛石砌体的抗压强度设计值毛石砌体的抗压强度设计值(MPa)毛石强度等级毛石强度等级砂浆强度等级砂浆强度等级砂浆强砂浆强度度M7.5M5M2.50MU1001.271.120.980.34MU801.131.000.870.30MU600.980.870.760.26MU500.900.800.690.23MU400.800.710.620.21MU300.690.610.530.18MU200.560.510.440.15注：注：1）对于用形状规则的块体砌筑的砌体，当搭接长度与块）对于用形状规则的块体砌筑的砌体，当搭接长度与块体高度的比值小于体高度的比值小于1时，其轴心抗拉强度设计值时，其轴心抗拉强度设计值ft和弯曲抗拉和弯曲抗拉强度设计值强度设计值fm应按表中数值乘以搭接长度与块体高度比值后应按表中数值乘以搭接长度与块体高度比值后采用；采用；2）