第3章 结构材料的力学性能

第三章结构材料的力学性能结构材料的基本要求建筑钢材混凝土钢筋和混凝土的相互作用木材结构材料的基本要求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.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；c.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；e.结构材料要有良好的环保性能。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、徐变和松弛一、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第一节建筑钢材A.结构对钢材的要求及钢材的分类(1)结构对钢材的要求

具有较高的屈服强度和极限强度；

具有良好的塑性和韧性

具有良好的工艺加工性能；

良好的耐锈蚀能力

与混凝土良好的粘结力(2)钢材的选择：

结构或构件的类型及重要性；

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）；

工作环境（温度和腐蚀等）。第一节建筑钢材(3)结构用钢材的分类

碳素钢：

强度等级：按屈服强度分五个品种，Q195~Q275。

质量等级：A、B、C、D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ZbF和TZ

示例：Q235Bb表示屈服强度为235，B级半镇静钢

低合金钢：

强度等级：按屈服强度分五个品种，Q295~Q460。

质量等级：A、B、C、D、E五级，对冲击韧性要求不同

脱氧方式：镇静和特殊镇静钢

热处理钢第一节建筑钢材B.常见钢筋外形第一节建筑钢材C.钢筋强度——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sefufyoa—弹性阶段bc—屈服阶段cd—硬化阶段de—颈缩阶段

a—弹性极限fbc—屈服强度fy

d—极限强度fd

fefb某些无明显屈服点的材料，以残余变形0.2%对应应力作为名义屈服强度。d0

c

0.20.2%abcdbcaoa’deD.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始形状的性质，称为弹性。sea’defufyfabcdefb残余变形弹性变形弹性模量：材料在外力作用下产生变形，当外力除去后，部分变形恢复的性质，称为塑性。冲击韧性：是对于钢结构使用钢材的特殊要求，是检验钢材对于冲击荷载的承受能力。E.塑性性能伸长率：钢材拉断后的塑性变形量较钢材原始尺度的变化率，是衡量钢材变形能力的重要指标。冷弯指标：是检验钢材冷加工性能的指标，对于钢筋与钢板，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。伸长率:d0

越大,钢筋延性或塑性越好第一节建筑钢材F.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：冷加工：板材、线材的冷弯；线材的冷拉、冷拔；热加工：焊接。冷拉后的钢筋没有明显的屈服阶段，如B图。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屈服强度提高的应力应变图形；这种现象被称为冷做硬化现象；冷拉仅提高钢筋的抗拉强度，不提高其抗压强度；冷拉工艺不改变钢筋的强度级别。0σεAB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通过小直径的硬质合金模具，使其截面减小而长度增长；冷拔后的钢筋的强度会大大提高；冷拔后钢筋的塑性会降低；冷拔后的钢筋与之前的钢筋不属于同一种钢筋。0σε冷拔第一节建筑钢材G.钢材的硬化

时效硬化：

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。

冷作硬化：常温下产生塑性变形后屈服点提高，塑性降低。

应变时效：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。第一节建筑钢材

H.温度影响

在正常温度下：基本不随温度变化

在高温度下：温度升高，强度、弹性模量均有下降趋势

蓝脆现象：250℃左右，抗拉强度反而提高，塑性和韧性下降。

在低温时：温度降低，强度略提高，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，材料变脆。

第一节建筑钢材J.影响钢材性能的一般因素(1)化学成分

碳：提高强度；但塑性，可焊性、耐锈蚀性等劣化。

锰：提高强度，改善脆性；但对可焊性和耐锈力不利。

硅：提高强度，但含量过高，对塑性可焊性耐锈力不利。

硫：高温时变脆，降低塑性韧性抗疲劳能力和耐锈能力。

磷：提高强度和耐锈力，低温变脆，降低塑性可焊性等。(2)钢材缺陷

偏析:钢中化学成分的不一致性和不均匀性

裂纹：先天的裂纹，或是微观的或是宏观的

分层：在厚度方向分成多层，各层相互连接，并不脱离

夹杂物：尤其是硫化物和氧化物等第一节建筑钢材二、钢筋的计算指标钢筋的强度标准值钢筋的强度设计值具有95%保证率的基本代表值。其中，热轧钢筋根据屈服强度确定，用表示；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，用表示。热轧钢筋强度设计值：预应力钢筋强度设计值：四、钢筋的截面面积常规直径:d=6,8,10,12,14,16,18,20,22,25,28,32mm12种。——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、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一、混凝土的强度定义：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边长为150mm的立方体试件，在28天龄期，用标准试验方法测得的抗压强度。砼强度等级立方体抗压强度150mm150mm150mm强度等级：C15,C20,C25,C30,C35,C40,C45,C50～C80共14级C—混凝土15—立方体抗压强度的标准值为15N/mm2定义：折算：轴心抗压强度是指按照标准方法制作养护的截面为150mm×150mm高300mm的棱柱体，在28天龄期，用标准试验方法测得的抗压强度。轴心抗压强度（棱柱体抗压强度）—轴心抗压强度与立方体抗压强度比值—高强混凝土脆性折减系数0.88—经验折减系数150mm300mm第二节混凝土轴心抗拉强度第二节混凝土混凝土的抗拉强度比抗压强度低得多，一般只有抗压强度的5%~10%第二节混凝土4.混凝土在复合应力作用下的强度a.混凝土的双向受力强度双向受拉：强度接近单向受拉强度双向受压：抗压强度和极限压应变均有所提高一拉一压：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c.混凝土在正应力和剪应力作用下的复合强度二、混凝土的变形

cu

c

c0ABCDfc

0残余变形弹性变形OA—弹性阶段AB—微裂缝开展BC—弹塑性，竖向裂缝形成CD—下降段混凝土是弹塑性材料——收缩、徐变第二节混凝土受压混凝土一次短期加荷的应力-应变曲线混凝土的弹性模量测定第二节混凝土原因：水分蒸发影响因素：配合比、养护、体表比对构件影响：构件产生裂缝；引起预应力损失收缩——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：

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.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水分加速了凝结与硬化的时间。通过试验还表明，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；构件的体积与表面积比值大时，收缩小。第二节混凝土

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质。

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。在大体积混凝土中

，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，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，

如果内外变形差较大，将会造成表层混凝土开裂。

第二节混凝土影响因素：配合比、养护、应力条件对构件影响：增大变形；引起内力重分布；引起预应力损失徐变——砼在长期荷载作用下随时间而增长的变形原因：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：a.水泥石由结晶体荷凝胶体组成，在外力长期持续作用下，凝胶体具有粘性流动的特性，产生持续变形；b.混凝土内部的微裂缝在外力的作用下不断扩展，导致应变的增加。影响徐变的因素：a.混凝土应力条件是影响徐变的非常重要因素b.加荷时混凝土的龄期c.混凝土的组成和配合比d.骨料e.构件形状及尺寸f.养护及使用条件下的温湿度第二节混凝土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）——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。b.造成结构应力变大——对结构不利c.引起预应力混凝土结构中预应力损失——对于预应力结构建立有效预应力不利减小徐变的措施：加强养护、减小水泥用量及水灰比、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不应低于C15;当采用HRB335级钢筋时，不宜低于C20;当采用HRB400和RRB400级钢筋以及承受重复荷载的构件，不得低于C20;预应力混凝土结构不应低于C30;采用钢绞线、钢丝、热处理钢筋作预应力钢筋时，不宜低于C40.三、混凝土的选用第二节混凝土一、基本概念是钢筋和砼按一定方式组成的能共同工作的建筑材料。钢筋混凝土：钢筋混凝土结构：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1/10。钢筋：抗拉抗压强度都很强

。二、共同工作原理钢筋和砼之间存在粘结力钢筋和砼线膨胀系数接近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。化学胶结力：混凝土凝结时，由于水泥的水化作用在钢筋与混凝土接触面上产生的化学吸附作用力摩擦力：混凝土收缩后将钢筋紧紧地握裹住而产生的力机械咬合力：钢筋表面凹凸不平与混凝土产生的机械咬合作用而产生的力钢筋端部的锚固力：采取锚固措施后所造成的机械锚固力2.粘结力的组成钢筋与混凝土的粘结强度通常采用拔出试验来测定第三节钢筋与混凝土的相互作用－粘接力3.粘结强度——钢筋与砼的粘结面上所能承受的平均剪应力的最大值。4.影响因素：钢筋的表面形状、直径；砼的强度等级、保护层厚度；侧向压力及横向钢筋；浇筑位置；等5.