第3章 结构材料的力学性能

1、第三章第三章 结构材料的力学性能结构材料的力学性能1.1.结构材料的基本要求结构材料的基本要求2.2.建筑钢材建筑钢材3.3.混凝土混凝土4.4.钢筋和混凝土的相互作用钢筋和混凝土的相互作用5.5.木材木材 结构材料的基本要求结构材料的基本要求以材料的力学性能指标评定以材料的力学性能指标评定 结构材料的力学性能及指标a. a. 结构材料要有足够的、有一定环境适应度的强度；结构材料要有足够的、有一定环境适应度的强度；b. 结构材料要有足够的刚度；结构材料要有足够的刚度；c. 结构材料要有相应的重度；结构材料要有相应的重度；d. 结构材料要有相对低廉的价格；结构材料要有相对低廉的价格；e. 结构材

2、料要有良好的环保性能。结构材料要有良好的环保性能。 材料的基本力学指标材料的基本力学指标 包括：强度、弹性、塑性、冲击韧性与冷脆性、徐包括：强度、弹性、塑性、冲击韧性与冷脆性、徐变和松弛变和松弛一、钢筋的种类及选用一、钢筋的种类及选用强度高，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 丝钢绞线热处理钢筋HPB235HRB335HRB400RRB400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钢筋钢筋第一节建筑钢材A.A.结构对钢材的要求及钢材的分类结构对钢材的要求及钢材的分类(1)(1)结构对钢材的要求结构对钢材的要求 具有较高的屈服强度和极限强度；具有较高的屈服强

3、度和极限强度； 具有良好的塑性和韧性具有良好的塑性和韧性 具有良好的工艺加工性能；具有良好的工艺加工性能； 良好的耐锈蚀能力良好的耐锈蚀能力 与混凝土良好的粘结力与混凝土良好的粘结力(2)(2)钢材的选择钢材的选择： 结构或构件的类型及重要性；结构或构件的类型及重要性； 作用的性质（静力和动力作用）；作用的性质（静力和动力作用）； 连接方式（焊接、铆接或螺栓连接）；连接方式（焊接、铆接或螺栓连接）； 工作环境（温度和腐蚀等）。工作环境（温度和腐蚀等）。第一节建筑钢材(3)(3)结构用钢材的分类结构用钢材的分类 碳素钢碳素钢： 强度等级：按屈服强度分五个品种，强度等级：按屈服强度分五个品种，Q1

4、95Q275Q195Q275。 质量等级：质量等级：A A、B B、C C、D D四级，对冲击韧性要求不同四级，对冲击韧性要求不同 脱氧方式：镇静、半镇静、沸腾和特殊镇静，用脱氧方式：镇静、半镇静、沸腾和特殊镇静，用ZbFZbF和和TZTZ 示例：示例：Q235BbQ235Bb表示屈服强度为表示屈服强度为235235，B B级半镇静钢级半镇静钢 低合金钢低合金钢： 强度等级：按屈服强度分五个品种，强度等级：按屈服强度分五个品种，Q295Q460Q295Q460。 质量等级：质量等级：A A、B B、C C、D D、E E五级，对冲击韧性要求不同五级，对冲击韧性要求不同 脱氧方式：镇静和特殊镇静

5、钢脱氧方式：镇静和特殊镇静钢 热处理钢热处理钢第一节建筑钢材B.B.常见钢筋外形常见钢筋外形普通钢筋强度标准值（N/mm2）种 类符号fykHPB235(Q235)235HRB335(20MnSi)335热轧钢筋HRB400(20MnSiV、20MnSiNb、20MnTi)RRB400(20MnSi)400第一节建筑钢材C.C.钢筋强度钢筋强度材料抵抗破坏能力的指标材料抵抗破坏能力的指标 包括：抗压、抗拉、抗剪、抗扭、疲劳强度包括：抗压、抗拉、抗剪、抗扭、疲劳强度s se efufya弹性极限弹性极限fbc屈服强度屈服强度fy d极限强度极限强度fdfefb 某些无明显屈服点的材料，以残余变形

6、某些无明显屈服点的材料，以残余变形0.2%0.2%对应应力对应应力作为名义屈服强度。作为名义屈服强度。d0s se ecs s0.20.2%abcdbcaoadeD.D.弹性与塑性弹性与塑性 材料在外力作用下产生变形，当外力除去后能完全恢复到原材料在外力作用下产生变形，当外力除去后能完全恢复到原始形状的性质，称为始形状的性质，称为弹性弹性。s se eadefufyfabcdefb残余变形残余变形弹性变形弹性变形e es s sE弹性模量：弹性模量： 材料在外力作用下产生变形，材料在外力作用下产生变形，当外力除去后，部分变形恢当外力除去后，部分变形恢复的性质，称为复的性质，称为塑性塑性。冲击韧

7、性：冲击韧性：是对于钢结构使用钢材的特殊要求，是检验钢材是对于钢结构使用钢材的特殊要求，是检验钢材对于冲击荷载的承受能力。对于冲击荷载的承受能力。E.E.塑性性能塑性性能伸长率：伸长率：钢材拉断后的塑性变形量较钢钢材拉断后的塑性变形量较钢材原始尺度的变化率，是衡量钢材变形材原始尺度的变化率，是衡量钢材变形能力的重要指标。能力的重要指标。冷弯指标：冷弯指标：是检验钢材冷加工性能的指标，对于钢筋与钢板，是检验钢材冷加工性能的指标，对于钢筋与钢板，其冷弯指标是指在常温下被检验材料对于某一相对的半径其冷弯指标是指在常温下被检验材料对于某一相对的半径（相对板材厚度与钢筋直径）的弯曲角度。（相对板材厚度与

8、钢筋直径）的弯曲角度。伸长率伸长率: :d d0 0s se e 0010or 5lll 越大越大, , 钢筋延性或塑性越好钢筋延性或塑性越好第一节建筑钢材F.F.钢材的加工性能钢材的加工性能常见的建筑工程钢材加工有冷加工、热加工两类：常见的建筑工程钢材加工有冷加工、热加工两类：冷加工：板材、线材的冷弯；线材的冷拉、冷拔；冷加工：板材、线材的冷弯；线材的冷拉、冷拔；热加工：焊接。热加工：焊接。冷拉后的钢筋冷拉后的钢筋没有明显的屈服阶段没有明显的屈服阶段，如，如B B图。图。冷拉卸载后经过一段时间的停滞，再对冷拉卸载后经过一段时间的停滞，再对其张拉，会重新恢复屈服阶段而呈现出其张拉，会重新恢复屈

9、服阶段而呈现出屈服强度提高的应力应变图形；这种现屈服强度提高的应力应变图形；这种现象被称为象被称为冷做硬化冷做硬化现象；现象；冷拉仅冷拉仅提高钢筋的抗拉强度提高钢筋的抗拉强度，不提高其不提高其抗压强度抗压强度；冷拉工艺冷拉工艺不改变钢筋的强度级别不改变钢筋的强度级别 。0A AB B冷拉冷拉第一节建筑钢材冷拔是指将光圆钢筋以强力拉拽使其冷拔是指将光圆钢筋以强力拉拽使其通过小直径的硬质合金模具，使其截通过小直径的硬质合金模具，使其截面减小而长度增长；面减小而长度增长；冷拔后的钢筋的冷拔后的钢筋的强度会大大提高强度会大大提高；冷拔后钢筋的冷拔后钢筋的塑性会降低塑性会降低；冷拔后的钢筋与之前的钢筋不

10、属于同冷拔后的钢筋与之前的钢筋不属于同一种钢筋。一种钢筋。0冷拔冷拔第一节建筑钢材G.G.钢材的硬化钢材的硬化 时效硬化时效硬化： 现象：时间增加，强度提高，塑性下降。现象：时间增加，强度提高，塑性下降。 特点：过程很长，反复荷载和高温下易产生。特点：过程很长，反复荷载和高温下易产生。 冷作硬化冷作硬化：常温下产生常温下产生塑性变形后屈服点提高，塑性降低。塑性变形后屈服点提高，塑性降低。 应变时效应变时效：产生塑性变形后，特别是在高温下，使已经产：产生塑性变形后，特别是在高温下，使已经产 生冷作硬化的钢材又发生时效硬化。生冷作硬化的钢材又发生时效硬化。第一节建筑钢材温度影响温度影响 在正常温度

11、在正常温度下：基本不随温度变化下：基本不随温度变化 在高温度下在高温度下：温度升高，强度、弹性模量均有下降趋势：温度升高，强度、弹性模量均有下降趋势 蓝脆现象：蓝脆现象：250250左右，抗拉强度反而提高，左右，抗拉强度反而提高， 塑性和韧性下降。塑性和韧性下降。 在低温时在低温时：温度降低，强度略提高，：温度降低，强度略提高， 塑性等下降，有脆性倾向。塑性等下降，有脆性倾向。 冷脆现象：当温度降低至某一温度以下时，冷脆现象：当温度降低至某一温度以下时， 材料变脆。材料变脆。 第一节建筑钢材J.J.影响钢材性能的一般因素影响钢材性能的一般因素(1)(1)化学成分化学成分 碳：提高强度；碳：提高

12、强度；但塑性，可焊性、耐锈蚀性等劣化。但塑性，可焊性、耐锈蚀性等劣化。 锰：提高强度，改善脆性；锰：提高强度，改善脆性；但对可焊性和耐锈力不利。但对可焊性和耐锈力不利。 硅硅：提高强度，但含量过高，对塑性可焊性耐锈力不利。：提高强度，但含量过高，对塑性可焊性耐锈力不利。 硫硫：高温时变脆，降低塑性韧性抗疲劳能力和耐锈能力。：高温时变脆，降低塑性韧性抗疲劳能力和耐锈能力。 磷磷：提高强度和耐锈力，低温变脆，降低塑性可焊性：提高强度和耐锈力，低温变脆，降低塑性可焊性 等。等。 (2)(2)钢材缺陷钢材缺陷 偏析偏析: :钢中化学成分的不一致性和不均匀性钢中化学成分的不一致性和不均匀性 裂纹裂纹：先

13、天的裂纹，或是微观的或是宏观的：先天的裂纹，或是微观的或是宏观的 分层分层：在厚度方向分成多层，各层相互连接，并不脱离：在厚度方向分成多层，各层相互连接，并不脱离 夹杂物夹杂物：尤其是硫化物和氧化物等：尤其是硫化物和氧化物等第一节建筑钢材二、钢筋的计算指标二、钢筋的计算指标1.1.钢筋的强度标准值钢筋的强度标准值2.2.钢筋的强度设计值钢筋的强度设计值具有具有95%95%保证率保证率的基本代表值。其中，热轧钢筋根据屈服强度的基本代表值。其中，热轧钢筋根据屈服强度确定，用确定，用 表示；预应力钢绞线、钢丝和热处理钢筋的表示；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，用强度根据极限

14、抗拉强度确定，用 表示。表示。ykfptkf1 . 1, ssykykyyffff ，2 . 1, ssptkptkpypyffff ，a.a. 热轧钢筋强度设计值：热轧钢筋强度设计值：b.b. 预应力钢筋强度设计值：预应力钢筋强度设计值：四、钢筋的截面面积四、钢筋的截面面积常规直径常规直径:d=6,8,10,12,14,16,18,20,22,25,28,32mm12:d=6,8,10,12,14,16,18,20,22,25,28,32mm12种。种。等于标准值除以分项系数。等于标准值除以分项系数。第一节建筑钢材三、钢材的选用1.混凝土结构对钢筋性能的要求 强度、塑性、可焊性、与砼的粘接力

15、、低温性2. 钢筋的选用原则 普通钢筋、预应力钢筋、低强度钢筋3.钢结构中的钢材 结构的重要性、荷载特征、连接方法、工作温度第一节建筑钢材第二节混凝土第二节混凝土一、混凝土的强度一、混凝土的强度a.a. 定义：定义：水泥胶体 (水泥结晶体和水泥胶块)弹性骨架（混凝土）水泥+水石子、沙子立方体抗压强度是指按照标准方法制作养护的立方体抗压强度是指按照标准方法制作养护的边长为边长为150mm150mm的立方体的立方体试件，在试件，在2828天天龄期，用龄期，用标准试验方法标准试验方法测测得的抗压强度。得的抗压强度。砼强度等级砼强度等级kcuf,1. 立方体抗压强度150mm150mm150mm150

16、mm150mm150mmb.b. 强度等级：强度等级：C15,C20,C25,C30,C35,C40,C45,C50C15,C20,C25,C30,C35,C40,C45,C50C80C80共共1414级级C C 混凝土混凝土1515立方体抗压强度的标准值为立方体抗压强度的标准值为15N/mm15N/mm2 2a.a. 定义：定义：b.b. 折算：折算：轴心抗压强度是指按照标准方法制作养护的轴心抗压强度是指按照标准方法制作养护的截面为截面为150mm150mm150150mmmm高高300mm300mm的棱柱体的棱柱体，在，在2828天天龄期，用龄期，用标准标准试验方法试验方法测得的抗压强度。

17、测得的抗压强度。2.2. 轴心抗压强度轴心抗压强度ckf（棱柱体抗压强度）（棱柱体抗压强度）kcuckff,.21880 1 轴心抗压强度与立方体抗压强度比值轴心抗压强度与立方体抗压强度比值2 高强混凝土脆性折减系数高强混凝土脆性折减系数0.880.88经验折减系数经验折减系数150mm150mm300mm300mm第二节混凝土3. 轴心抗拉强度轴心抗拉强度 4505502645113950880. cutff第二节混凝土混凝土的抗拉强度比抗压强度低得多，一般只有抗压强度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的5%10%5%10%第二节混凝土4. 混凝土在复合应力作用下的强度混凝

18、土在复合应力作用下的强度a. 混凝土的双向受力强度混凝土的双向受力强度双向受拉：强度接近双向受拉：强度接近单向受拉强度单向受拉强度双向受压：抗压强度和双向受压：抗压强度和极限压应变均有所提高极限压应变均有所提高一拉一压：强度降低一拉一压：强度降低第二节混凝土b. 混凝土的三向受压强度混凝土的三向受压强度三向受压时，混凝土的抗压强度和极限变形都有较大提高三向受压时，混凝土的抗压强度和极限变形都有较大提高第二节混凝土在有剪应力作用时，混凝土的抗压强度将低于单轴抗压强度在有剪应力作用时，混凝土的抗压强度将低于单轴抗压强度c. 混凝土在正应力和剪应力作用下的复合强度混凝土在正应力和剪应力作用下的复合强

19、度二、混凝土的变形二、混凝土的变形e ecue ecs sc0ABCDfce e0残余变形残余变形弹性变形弹性变形OA弹性阶段弹性阶段AB微裂缝开展微裂缝开展BC弹塑性，竖向裂缝形成弹塑性，竖向裂缝形成CD下降段下降段混凝土是弹塑性材料混凝土是弹塑性材料收缩、徐变收缩、徐变第二节混凝土混凝土的弹性模量测定混凝土的弹性模量测定)(.MPafEcuc73422105 第二节混凝土a. 原因原因 ：水分蒸发水分蒸发c.影响因素：影响因素：配合比、养护、体表比配合比、养护、体表比b. 对构件影响：对构件影响：a) 构件产生裂缝；构件产生裂缝；b) 引起预应力损失引起预应力损失1. 收缩收缩 砼在空气中

20、硬化体积减小的现象砼在空气中硬化体积减小的现象第二节混凝土引起收缩的主要原因：引起收缩的主要原因：干燥失水是引起收缩的重要因素。使用环境的温度越高、干燥失水是引起收缩的重要因素。使用环境的温度越高、湿度超低，收缩越大湿度超低，收缩越大.蒸汽养护的收缩值要小于常温养护的收蒸汽养护的收缩值要小于常温养护的收缩值，这是因为高温高温可加快水化作用减少混凝士的自由缩值，这是因为高温高温可加快水化作用减少混凝士的自由水分加速了凝结与硬化的时间。水分加速了凝结与硬化的时间。通过试验还表明，通过试验还表明，水泥用量越多、水灰比越大，收缩越水泥用量越多、水灰比越大，收缩越大；骨料的级配好、弹性模量大，收缩越小；

21、构件的体积与大；骨料的级配好、弹性模量大，收缩越小；构件的体积与表面积比值大时，收缩小。表面积比值大时，收缩小。第二节混凝土混凝土的温度变形混凝土的温度变形当温度变化时，混凝土的体积同样也有热胀冷缩的性当温度变化时，混凝土的体积同样也有热胀冷缩的性质。质。 当温度变形受到外界的约束而不能自由发生时，将在构当温度变形受到外界的约束而不能自由发生时，将在构件内产生温度应力。件内产生温度应力。 在大体积混凝土中在大体积混凝土中 ，由于混凝土表面较内部的收缩量，由于混凝土表面较内部的收缩量大，再加上水泥水化热使混凝土的内部温度比表面温度高，大，再加上水泥水化热使混凝土的内部温度比表面温度高，如果把内部

22、混凝土视为相对不变形体，它将对试图缩小体积如果把内部混凝土视为相对不变形体，它将对试图缩小体积的表面混凝土形成约束，在表面混凝士形成拉应力，的表面混凝土形成约束，在表面混凝士形成拉应力， 如果如果内外变形差较大，将会造成表层混凝土开裂。内外变形差较大，将会造成表层混凝土开裂。 第二节混凝土c.影响因素：影响因素：配合比、养护、应力条件配合比、养护、应力条件b. 对构件影响：对构件影响：a) 增大变形；增大变形；b) 引起内力重分布；引起内力重分布；c) 引起预应力损失引起预应力损失2. 徐变徐变砼在长期荷载作用下随时间而增长的变形砼在长期荷载作用下随时间而增长的变形a. 原因原因 ：水泥胶凝体

23、的流动性及内部微裂缝开展水泥胶凝体的流动性及内部微裂缝开展第二节混凝土产生徐变的原因：产生徐变的原因：影响徐变的因素：影响徐变的因素：第二节混凝土徐变对混凝土结构的影响：徐变对混凝土结构的影响：a.使钢筋与混凝土产生应力重分布，引起超静定结构产引起超静定结构产生应力松弛（因为超静定结构的变形受到约束，混凝生应力松弛（因为超静定结构的变形受到约束，混凝土的应力随时间的增长而降低，即产生应力松弛）土的应力随时间的增长而降低，即产生应力松弛）可缓解应力集中、调节温度应力、调节由支座不均可缓解应力集中、调节温度应力、调节由支座不均匀沉降产生的附加应力。匀沉降产生的附加应力。b.造成结构应力变大造成结构

24、应力变大对结构不利对结构不利c.引起预应力混凝土结构中预应力损失引起预应力混凝土结构中预应力损失对于预应力对于预应力结构建立有效预应力不利结构建立有效预应力不利减小徐变的措施：减小徐变的措施：加强养护、减小水泥用量及水灰加强养护、减小水泥用量及水灰比、增加混凝土的密实度等比、增加混凝土的密实度等第二节混凝土建筑工程中，钢筋混凝土构件的混凝土强度等级建筑工程中，钢筋混凝土构件的混凝土强度等级不应不应低于低于C15;C15;当采用当采用HRB335HRB335级钢筋时，级钢筋时，不宜低于不宜低于C20C20; ;当采用当采用HRB400HRB400和和RRB400RRB400级钢筋以及承受重复荷载

25、的构级钢筋以及承受重复荷载的构件，件，不得低于不得低于C20;C20;预应力混凝土结构预应力混凝土结构不应低于不应低于C30;C30;采用钢绞线、钢丝、热处理钢筋作预应力钢筋时，采用钢绞线、钢丝、热处理钢筋作预应力钢筋时， 不宜低于不宜低于C40.C40.三、混凝土的选用三、混凝土的选用第二节混凝土一、基本概念一、基本概念是是钢筋钢筋和和砼砼按一定方式组成的能按一定方式组成的能共同工作共同工作的的建筑材料。建筑材料。1.1. 钢筋混凝土：钢筋混凝土：2.2. 钢筋混凝土结构：钢筋混凝土结构： 是钢筋混凝土为主要承重骨架的结构。是钢筋混凝土为主要承重骨架的结构。砼：抗拉强度大约是抗压强度的砼：抗

26、拉强度大约是抗压强度的1/10 1/10 。钢筋：抗拉抗压强度都很强钢筋：抗拉抗压强度都很强 。二、共同工作原理二、共同工作原理1.1. 钢筋和砼之间存在粘结力钢筋和砼之间存在粘结力2.2. 钢筋和砼线膨胀系数接近钢筋和砼线膨胀系数接近3.3. 砼保护钢筋砼保护钢筋第三节钢筋与混凝土的相互作用粘接力第三节钢筋与混凝土的相互作用粘接力1. 粘结力粘结力第三节钢筋与混凝土的相互作用粘接力若钢筋和混凝土有相对变形（滑移），就会在钢若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。作用力，这种力称为钢筋与混凝土的粘结力。化学胶结力化学胶结力：混凝土凝结时，由于水泥的水化作用在钢筋：混凝土凝结时，由于水泥的水化作用在钢筋与混凝