工程结构材料的物理力学性能课件

工程结构材料的物理

力学性能一、钢材的物理力学性能二、混凝土的物理力学性能三、砌体的材料及力学性能四、本章要点一、钢材的物理力学性能1、简单应力下钢材的性能

曲线形式：

有明显流幅的：弹性、屈服、强化和颈缩阶段

没有明显流幅的：没有明显的屈服阶段

曲线简化：屈服前：完全弹性的；屈服后：完全塑性的。(2)钢材的强度指标

屈服强度：设计时钢材允许达到的最大应力

有明显流幅的钢材：取屈服点的应力；

无有明显流幅的钢材：取条件屈服强度。

条件屈服强度：卸载后残余应变为0.2%对应的应力。

极限强度：材料能承受的最大应力，反映安全储备

屈强比：屈服强度/极限强度(3)钢材的塑性指标

伸长率：拉断后构件伸长率

截面收缩率：拉断后面积缩小率

冷弯性能：以冷弯180角度来衡量塑性变形能力。“比单向拉伸更为严格，也容易暴露钢材内部缺陷。”(4)钢材的韧性指标冲击试验，表征抵抗脆性破坏的能力10X10X55mm的方棒。开U形口或V形口。

前者用冲击值AK/AN=J/mm2后者直接用Ak来表示。2、复杂应力下钢材的性能

(1)复杂应力状态下的屈服条件

判别方法：用能量理论建立屈服条件，用折算应力判别

当时，钢材没有屈服

当时，钢材屈服。

折算应力

以主应力表示：

以应力分量表示（a）（b）（c）（d）b:平面应力状态，主应力表示：应力分量表示：c:当只有正应力和剪应力时（一般的受弯构件）应力分量表示：d:纯剪状态：

分析结果：

主应力同号时:不易屈服，但塑性下降，越接近越明显；

主应力异号时:易屈服，破坏呈塑性，差别越大越明显。曲线a：单向拉伸；曲线b：双向拉伸；

曲线c：一向拉一向压

图3-6不同平面应力条件下钢材的应力应变曲线(2)反复荷载下钢材的疲劳

疲劳破坏特点：

包括裂纹形成，缓慢发展和迅速断裂三个过程

没有明显的变形，脆性破坏

影响因素：

荷载的的性质拉、压、剪等

应力循环特征：

(应力比)

循环次数:

疲劳极限：当最大应力小于某一数值时，反复荷载循环无穷次，材料也不会破坏。至破坏时的循环次数

疲劳曲线(试验结果)国际上一般采用图3-9所示修正的顾得曼（Good-man）分析图含义

循环N次

包络线当应力落在曲线上，N次时破坏；当应力落在曲线下方，不会坏；当应力落在曲线上方时没到N次就坏

简化疲劳曲线－－直线形式我国现行设计标准ABCD的方程：BCD(拉为主)AB(压为主)简化曲线形式3影响钢材性能的一般因素(1)化学成分：FE:99%

碳：提高强度；但塑性，可焊性、耐锈蚀性等劣化。

锰：弱脱氧剂提高强度，改善脆性；但对可焊性和耐锈力不利。

硅：强的脱氧剂提高强度，但含量过高，对塑性可焊性耐锈力不利。

硫：RECUI高温时变脆，降低塑性韧性抗疲劳能力和耐锈能力。

磷：LENGCUI提高强度和耐锈力，低温变脆，降低塑性可焊性等。氧

类似于硫氮类似于磷(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(3)钢材的硬化

时效硬化：

现象：时间增加，氮和碳从纯铁体中析出，形成氮化物和碳化物，使强度提高，塑性和韧性下降。

特点：过程很长，但在反复、重复荷载和温度变化等，容易产生；当经受塑性变形后加热，时效硬化发展的特别快。

冷作硬化：

现象：冷（常温）加工产生塑性变形时，屈服点提高，塑性降低

特点：在弹性阶段，基本上不影响钢材的力学性能；塑性阶段，卸去荷载重新加载，屈服点将会提高至卸载时的应力

应变时效：当产生塑性变形后，特别是在高温环境条件下，使已经产生冷作硬化的钢材又发生时效硬化。

时效硬化冷作硬化应变时效(4)温度

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、弹性模量等均有下降趋势

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。

0100200300400500600°C图3-12温度对钢材力学性能影响的示例脆性破坏过渡区塑性破坏实验温度图3-13低温下钢材的脆性倾向冲击断裂功(5)应力集中

现象：当构件内部缺陷或截面形状等改变时，应力分布不均匀，出现局部高峰应力，促使钢材变脆

影响因素：截面变化愈剧烈，应力集中现象愈明显4、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）(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：由低到高分A、B、C、D四级，对冲击韧性要求不同

脱氧方式：镇静、半镇静、沸腾和特殊镇静钢，用Z、b、F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：由低到高分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

(4)钢材的规格

钢板：以“―宽度厚度长度”或“―宽度厚度”表示

型钢：

角钢：等边“L肢宽厚度”；不等边“L长肢宽短肢宽厚度”

工字钢：普通工字钢以工+截面的高度；轻型工字钢前面加Q

槽钢：有普通槽钢和轻型槽钢两种，用截面的高度编号

H型钢：热扎H型钢：有宽、中、窄翼缘H型钢和H型钢柱四类(符号HW、HM、HN和HP)，以“高度宽度腹板厚度翼缘厚度”表示；焊接H型钢：钢板焊接而成，用“高度宽度腹板厚度翼缘厚度”

钢管：有热轧无缝钢管和焊接钢管。以“φ外径壁厚”表示

薄壁型钢：用薄钢板冷轧而成，形式及尺寸可以变化

钢筋（钢丝、钢绞线）

按照表面形状：有光面钢筋和变形钢筋

钢筋种类：钢筋种类热轧钢筋：分HRB235、HRB335和HRB400或RRB400三级，符号+直径预应力钢丝：有光面碳素、螺旋肋和三面刻痕钢丝三种，符号+直径预应力钢绞线：多根钢丝绞合制成。“φ1股数公称直径”表示:热处理钢筋：φHT+钢筋表示φS

φM

φI

φ1φI×7×12.7φHT8.2

二、混凝土的物理力学性能1.简单受力下混凝土的性能

(1)受压的应力应变关系

曲线特征

上升段：应力小：近似线性关系应力大：非线性关系近峰值：不稳定非线性

下降段：反弯点后平缓

影响因素

混凝土强度：强度提高,峰值点应变高；下降陡,延性差

加载的速度：速度愈大，峰值应力愈大，峰值应变降低；下降段愈陡，延性愈差fc

ABBεCDE应变速度0.001/100天0.001/天0.001/时0.001/分ε

3-18不同强度混凝土的应力应变关系应变速度0.001/100天0.001/天0.001/时0.001/分图3

-19不同应变速度下混凝土的应力应变关系应力应变曲线的数学模型我国《混凝土结构设计规范》:采用的模式为抛物线－直线模式；（非常重要）美国和北美等地区:应用Hognestad模式，这两种模式均将下降段简化为直线。

(a)我国现行规范采用的曲线模型

σ

εcu

ε0fc其数学表达式为：说明

—对应混凝土压应变为时的混凝土压应力；

—对应混凝土压应力刚达到时的混凝土压应变，当混凝土强度等级小于等于C50时，应取0.002；当混凝土强度等级大于C50时，应按照下式计算确定：－混凝土的极限压应变，当正截面处于轴心受压时取为0.002；当正截面处于非均匀受压时，对于强度等级小于C50的混凝土，应取0.0033，对于强度等级大于C50的混凝土，应按照下式计算确定：

n—与混凝土强度等级有关系数，当混凝土强度等级小于等于C50时，应取2；当混凝土强度等级大于C50时，应按照下式计算确定：

—混凝土立方体抗压强度标准值。(b)Hognestad建议的曲线模型0.15fc

ε0

εcu

fcσ(2).简单受力状态下混凝土的强度

简单受力条件下混凝土的强度主要有:立方体抗压强度、轴心抗压强度和轴心抗拉强度.其中立方体抗压强度是混凝土力学性能的基本代表值，是混凝土强度等级划分的依据。因此，混凝土其它各种力学指标均通过对比实验建立与立方体抗压强度的相关关系。立方体抗压强度形状有圆柱体和立方体两种，我国采用的是立方体试件。我国《混凝土结构设计规范》规定：混凝土立方体抗压强度系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，用标准实验方法进行抗压实验得到的破坏时试件的平均压应力。

不仅与材料的组成成分、养护的条件、龄期等因素和实验方法有关，而且与试件的尺寸有关。尺寸愈小，测得的强度值愈高。立方体抗压强度有时也采用边长为200mm或100mm的立方体试件，但对这些采用非标准尺寸试件得到的实验结果应分别乘以截面尺寸修正系数1.05或0.95。规定混凝土强度等级是按照立方体抗压强度标准值确定的。混凝土立方体抗压强度标准值是按照上述立方体抗压强度实验方法得到的具有95%保证率的抗压强度值，以符号表示。现行规范按照混凝土立方体抗压强度标准值，把钢筋混凝土结构中混凝土的强度等级分为14级，以“C+立方体抗压强度标准值”表示，即C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75、C80。轴心抗压强度在上述立方体抗压强度实验中，混凝土并不是处于单轴受力状态，试件的两端施加了“套箍”约束。此时，试件处于复杂的应力状态。显然，端部的约束作用可以延缓了裂缝的发展，提高试件测得的抗压强度。

(a)立方体试件(b)棱柱体试件

根据实验结果，当棱柱体的高宽达到2-3时，棱柱体试件中间区段基本上是处于轴心受压状态。我国现行规范规定，混凝土轴心抗压强度实验以150mm×150mm×300mm的试件作为标准试件。因此，混凝土轴心抗压强度又称为混凝土棱柱体抗压强度。换算

--轴心抗压强度与立方体抗压强度的比值，当混凝土强度等级小于等于C50时，取0.76；当混凝土强度等级大于C50时，按照下式计算确定:

—考虑混凝土脆性的折减系数，当混凝土强度等级小于等于C40时，取1.0；当混凝土强度等级大于C40时，按照下式计算确定：轴心抗拉强度混凝土抗拉强度的实验方法主要有三种：直接拉伸实验弯折实验劈裂实验。图3-22混凝土劈裂实验示意图根据对比实验结果的统计分析，并考虑结构中混凝土实际受力状态与试件的差异以及混凝土的脆性特点，我国现行规范取混凝土轴心抗拉强度平均值和立方体抗压强度平均值的关系为：（3-20）式中，系数0.395和0.55是根据实验结果回归分析得到的，和的单位均为N/mm2。（3）.混凝土的变形模量α0εce弹性特征系数：弹性变形占总变形比例，反映材料的弹性状态1、原点弹性模量（简称弹性模量）2、变形模量3、切线模量4、剪切模量

原点弹性模量

定义：过原点作切线的斜率取值

:现行规范取:混凝土的变形模量定义：连接原点和任意点作割线的斜率应力为时的变形模量。弹性特征系数：弹性变形占总变形比例，反映材料的弹性状态随着应力的提高，弹性系数逐渐降低，混凝土的变形模量明显小于弹性模量切线模量：过任一点作切线的斜率为时的切线模量。剪切模量：根据弹性模量和泊松比（0.2）确定：2复杂受力状态下混凝土的性能

（1）复合应力下强度和变形

多向受压

双向压：强度提高

三向压(约束受压)：强度和延性明显提高约束抗压强度

利用：在柱中设置螺旋筋或箍筋等，钢管混凝土等双向受拉:互影响不大图标另详：一拉一压应力状态下当混凝土处于一向受拉一向受压应力状态下时，其结果如图3-24的第二和第四象限所示，一个方向的混凝土抗拉强度或抗压强度随另一向应力的增加而降低。剪压或剪拉应力状态下压应力较小：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(2)长期荷载下混凝土的变形

混凝土的徐变

现象：在荷载长期作用下，变形将随时间而增加；

原因：凝胶体的粘性流动，内部微裂缝的不断产生和发展等影响：导致变形增大，应力重分布和内力分布等。徐变曲线

混凝土徐变曲线

特点：开始增长较快，以后逐渐减慢，逐渐趋于稳定(收敛)

卸载时变形恢复:瞬时弹性恢复、弹性后效，永久应变

影响徐变的主要因素

应力水平：应力越大，徐变也越大应力小于0.5fc，线性徐变；大于0.5fc，非线性徐变。

龄期：加载时龄期越短，徐变越大

组成：水泥用量越多，水灰比越大，徐变也越大；骨料强度和弹性模量越高，徐变越小。养护和使用环境：养护温度高，湿度大，徐变越小；受力后环境温度越高，湿度低，徐变就越大

(3)重复荷载下混凝土的强度和变形a）一次加载卸载b)多次加载卸载图3-28混凝土在短期重复荷载下的应力应变关系曲线

一次重复加载下混凝土的应力应变关系

加载时：应力增加，应变增加；

卸载时：不重复加载轨迹，荷载卸除后，有弹性后效和残余变形多次重复加载下混凝土的应力应变关系：当应力峰值小于混凝土的疲劳强度时：每次循环形成环状，面积逐渐减少，直至成直线；当应力峰值大于混凝土的疲劳强度时：开始的数次循环中，与小应力的相似；成直线后，曲线由凸凹方向改变，斜率降低，裂缝和变形严重

混凝土的疲劳强度

疲劳破坏：因荷载重复作用而引起的破坏

疲劳强度：产生疲劳破坏所需要重复荷载的最小应力峰值：

(4)混凝土的收缩、膨胀和温度变形

混凝土收缩：

原因：主要是干燥失水和碳化作用引起的；

影响因素：组成成分、养护方法和使用环境等

对结构的影响：对结构有不利的作用，引起收缩应力，裂缝等。

混凝土的膨胀

温度变形：定型的混凝土在温度变化下会产生温度变形。混凝土的温度线膨胀系数取1.0/摄氏度3钢筋与混凝土的粘结

(1)钢筋与混凝土粘结的作用保证力的相互传递，是共同工作的基本条件

钢筋应力变化大，粘结力越大，钢筋应力变化小，粘结力越小；

当钢筋应力没有变化时，粘结应力等于零TT+dTdxτ

有关的设计问题

钢筋端部的锚固:不能太小，也不能太长；

裂缝间应力的传递裂缝截面：混凝土拉力为零，离开一段距离，混凝土有拉力；两条裂缝的中间：钢筋应力最小。τσs(2)粘结力的组成

化学吸附作用：也称胶结力

摩擦作用：混凝土收缩，界面产生挤压应力。

机械咬合作用：钢筋表面凸凹不平形成的相互咬合；

附加咬合作用钢筋端部设置弯钩，加焊短钢筋等三、砌体的材料及力学性能

1.砌体的材料及种类

(1)块体材料

砖：

普通砖：240mm×115mm×53mm实心

空心砖：全国无统一规格

分级：按照极限抗压强度为5级，以“MU+极限强度”表示MU30，MU25，MU20，MU15和MU10KP1,KP2KM1

砌块

按照材料分：常用有粉煤灰、煤渣混凝土和混凝土等。

按照内部结构分：有实心的，也有空心的。

按照尺寸分：小型(<350mm)、中型(360mm～900mm)和大型(>900mm)

分级：按照极限抗压强度分5级，以“MU+极限强度”即MU20、MU15、MU10、MU7.5和MU5

石材

按照石材料加工的程度：分细料石、粗料石和毛料石。

分级：按照极限抗压强度，分7级，以“MU+极限强度”7级，以“MU+极限强度”表示，即MU100，MU80，MU60，MU50，MU40，MU30和MU20。(2)砂浆

作用：使块体连接成整体；抹平块体表面；填补块体间缝隙；

分类：

按照组成成分：无塑性掺合料的水泥砂浆、有塑性掺合料的混合砂浆、不含水泥的砂浆

按照重力密度：比重大于1.5t/m3的重砂浆，小于1.5t/m3的轻砂浆

分级：按标准试件的抗压极限强度分7级，以“M+极限强度”表示

砌体对砂浆的基本要求是：

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

砖砌体：

砖可以砌筑成实心砌体，也可以砌筑成空心砌体。

石砌体石砌体分料石砌体、毛石砌体和毛石混凝土砌体。

砌块砌体砌块排列是设计工作的一个重要环节，要有规律性，减少通缝。

配筋砌体:在砌体内配置适量的钢筋，形成配筋砌体，如在水平灰缝中配置网状钢筋，形成网状配筋砌体；在砌体外或预留槽内配置纵向筋形成组合砌体。2、砌体的力学性能(1)砌体的抗压强度

破坏过程及应力特点

受力全过程：第一阶段：自受力到单块砖内出现竖向裂缝；第二阶段：单块砖内裂缝发展，连接并穿过若干皮砖第三阶段：裂缝贯通，把砌体分成若干1/2砖的立柱，失稳破坏

应力特点：

不仅存在压应力，且有弯曲应力和剪切应力，以及横向拉压应力

原因分析：

水平灰缝厚度和密实度不均匀：砖表面力分布不均匀且上下不对应

横向变形时相互约束：砌体受压时横向产生膨胀，但砖和砂浆横向变形系数不同，相互约束

弹性地基梁作用：砂浆层受压将产生压缩变形，砖就象在弹性地基上的梁，其内部将产生弯曲应力和剪应力

竖向灰缝处的应力集中图3-36砖块应力示意图图3-37砖和砂浆交替层示意图影响砌体强度的主要因素

块体和砂浆的强度

砂浆的弹塑性性能:砂浆变形越大，弯曲剪切等越大，强度越低；

砂浆的流动性:砂浆的流动性大，对提高砌体强度有利；

砖的形状和灰缝厚度：过薄或过厚将引起弯曲剪切应力，强度降低

砌筑质量.

砌体抗压强度计算及取值

考虑因素：块体强度和砂浆强度及种类等

取值：砌体抗压强度的平均值块体抗压强度平均值砂浆抗压强度平均值系数K1、、K2和是与块体种类等有关的系数，可以在表3-1中查出。表3-1砌体轴心抗压强度平均值计算的有关系数注：k2在表列条件以外时均等于1；混凝土小型空心砌块的轴心抗压强度平均值，当f2>10Mpa时，应乘以1.1-0.01f2，MU20的砌体应乘以系数0.95。附录中附表22至26给出了砖砌体、砌块砌体和石砌体轴心抗压强度准标准值和设计值。砌体种类烧结普通砖和多孔砖蒸压粉煤灰砖和灰砂砖0.780.5当f2<1时，k2=0.6+0.4f2混凝土小型空心砌块0.460.9当f2=0时，k2=0.8毛料石0.790.5当f2<1时，k2=0.6+0.4f2毛石0.220.5当f2<2.5时，k2=0.4+0.24f2(2)砌体的抗拉、抗弯和抗剪强度

黏结分类：

法向粘结力

切向粘结力

轴心抗拉强度

通缝截面破坏：强度低且离散性大，故不能设计为轴心受拉构件

沿齿缝截面破坏：轴心抗拉强度与砂浆的强度等级有关：

沿块体截面破坏：不考虑竖向灰缝，与块体的强度等级有关：

弯曲抗拉强度

通缝截面破坏和沿齿缝截面破坏:

块体截面破坏：

抗剪强度

表3-2砌体的抗拉、抗弯和抗剪强度平均值计算系数砌体种类k3k4k5沿齿缝沿通缝烧结普通砖和多孔砖0.1410.2500.1250.125蒸压粉煤灰砖和灰砂砖---------0.083混凝土小型空心砌块0.0690.0810.0560.069毛石0.0750.1180.188

应力应变关系曲线

模量：初始弹性模量、割线模量和切线模量。回归系数，对砖砌体ξ=460；

n—常系数，可以取1或略大于1。εσ

弹性模量取值：与抗压强度成正比，比例系数与砂浆等级等有关。

剪切模量

四、本章要点一、材料的力学性能

1、强度及强度指标

2、变形及变形指标

3、应力应变关系及模量