1、第三章：材料的物理力学性能,提纲,一、钢材的物理力学性能1、简单应力下钢材的性能 应力应变曲线、简化模型、强度 及其它指标2、复杂应力下钢材的性能复杂应力、疲劳3、影响钢材性能的一般因素 化学成分、缺陷、硬化、温度、应力集中4、结构对钢材的要求及钢材的分类,一、钢材的物理力学性能,1、简单应力下钢材的性能(1)钢材的应力-应变关系 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；无明显流幅的钢材：条件屈服强度
2、， 是卸载后残余应变为0.2%所对应的应力。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：拉断后构件伸长的程度(百分率) 截面收缩率：拉断后断面面积缩小程度冷弯性能：以冷弯的角度来衡量检验冷弯性能暴露可能缺陷,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：采用能量强度理论(第四强理)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（强度破坏）。折算应力,平面应力下只有正应力和剪应力条件下纯剪条件下,多向应力条件下的变形性能主应力同号时，不易屈服， 塑性下降，越接近越明显。主应力异号时，易屈服，破坏呈塑性，
3、差别越大越明显。屈服应力越高，变形性能越差,(2)反复荷载下钢材的疲劳 疲劳破坏：在低于强度的应力反复作用下，所发生破坏。 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 应力幅应力循环特征： (应力比 ) 循环次数应力集中程度、残余应力,应力比几种典型的应力比：静荷载: ( )同号循环: ( )脉冲循环: ( )异号循环: ( ）完全对称循环: ( )全对称循环疲劳强度最低 循环次数:当应力比一定时，疲劳强度与荷载的循环次数有关,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。,疲劳曲线（Goodm
4、an曲线）(试验结果)： 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ABCD的方程 BCD(拉为主)AB(压为主),以上理论主要应用与非焊接结构焊接结构疲劳受焊缝处的残余应力影响,与应力比关系不大,而与应力幅关系密切.疲劳验算原则:验算范围:直接承受动力作用,n5104以上方法：容许应力幅法，应力按弹性计算容许应力幅：根据构件和连接类别确定应力幅计算：只计重复活载，不考虑动力系数完全压应力的循环荷载下不必计算。,提纲,3、影响钢材性能的一般因素(1)化学成分(2)钢材缺陷(3)钢材的硬化(4)温度(5)应力集中,3 影
5、响钢材性能的一般因素(1)化学成分碳：有利点：含碳量高，强度高； 不利点：塑性、可焊性、耐疲劳性、耐锈蚀能力劣化。锰：有利点：提高强度，消除硫氧热脆影响，改善冷脆； 不利点：可焊性、耐锈蚀能力不利。硅：有利点：提高强度，对塑性等无明显影响； 不利点：塑性韧性、可焊性、耐锈蚀能力不利。硫、氧：有利点：无 不利点：“热脆”，不利于焊接或热加工；还会降低塑性、韧性、抗疲劳能力和耐锈蚀能力。 磷、氮：有利点：提高强度和耐锈蚀能力； 不利点：“冷脆”；降低塑性和可焊性等。,(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：在钢材厚度方向分成多层，各层仍相互连
6、接，并不脱离夹杂物：掺杂在钢中的夹杂物，尤其是硫化物和氧化物等,(3)钢材的硬化时效硬化：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，时效硬化发展特别快。冷作硬化：冷（常温）加工产生塑性变形后，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,(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
7、、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。,(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。,总结,影响钢材性能的一般因素(1)化学成分(2)钢材缺陷(3)钢材的硬化(4)温度(5)应力集中,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,
8、(2)钢材的选择：安全可靠，经济合理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、低合金钢、热处理钢 碳素钢：强度等级：按屈服强度分五个品种，Q195Q275。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：沸腾、半镇静、镇静和特殊镇静钢，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，Q295Q460。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,钢材在
9、简单受力时的力学性能应力应变曲线/屈服应力/屈强比/条件屈服强度塑性指标:伸长率/收缩率/冷弯性能钢材在复杂受力时的力学性能复杂受力时的屈服条件多向受力时的屈服变形性能疲劳的原因和影响因素影响钢材性能的一般因素化学成分钢材缺陷钢材的硬化温度应力集中钢材的牌号和含义,钢材形式钢结构中：钢板、型钢、圆钢、钢管、薄壁型钢钢筋混凝土中：钢筋、钢丝、钢绞线,(4)钢材的规格表示钢板：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I+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：热轧H型钢：有宽、
10、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，高度宽度腹板厚翼缘厚钢管：有热轧无缝钢管和焊接钢管。以“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：热轧钢筋：分HPB235、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。“1股数公称直径”表示热处理钢筋：HT+钢筋表示,二、混凝土的物理力学性能,提纲1、简单受力下混凝土的性能应力应变曲线
11、、强度指标、变形模量2、复杂应力下混凝土的性能多向受力、长期荷载、重复荷载3、混凝土和钢筋的粘结,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,数学模型 普通混凝土：(C50以下) =0.002； 0.002(均匀压)， 0.0033(不均匀压、弯)高强混凝土(C50以上),(2)简单受力下混凝土的强度立方体抗压强度立方体抗压强度：按照标准方法制作养护的边长为
12、150mm的立方体试件在28天龄期，进行标准抗压实验得到的破坏时试件的平均压应力。立方体抗压强度标准值：是按照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。用途：混凝土力学性能的基本代表值，混凝土强度等级划分依据。强度等级：按照立方体抗压强度标准值分为14级，“C+标准值”。影响因素：与材料的成分、养护、龄期、实验方法和试件尺寸有关,轴心抗压强度立方体受压的应力特点：不是处于单轴受力状态！如何消除约束影响？采用棱柱体，中间区段基本上是处于轴心受压。与立方体强度的关系：,轴心抗拉强度试验方法：直接拉伸、弯折和劈裂实验与立方体强度的关系,(3)混凝土的变形模量 原点弹性
13、模量变形模量切线弹性模量,原点弹性模量定义：过原点作切线的斜率取值：现行规范取,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。关系：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,切线模量 ：过任一点作切线的斜率为此时的切线模量。剪切模量：根据弹性模量和泊松比 （0.2）确定：,2、复杂应力下混凝土的性能,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：,(1)复合应力下混凝土的强度和变形,利用：在柱中设置螺旋筋或箍筋等，钢管混凝土等,双向受拉:相互影响不大一拉一压：强度降低剪压或剪拉压应力较小：抗剪强度随压应力增加而增大；压应力较大：抗剪
14、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，应力重分布和内力重分布等特点：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：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
15、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
16、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)钢筋与混凝土的粘结作用 作用：保证力的相互传递，是共同工作的基本条件单元分析：假设：钢筋一端力为另一端为根据平衡条件：,分析结果：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，粘结应力等于零有关的设计问题钢筋端部的锚固,裂缝间应力的传递裂缝截面：混凝土拉应力为零离开一段距离：混凝土有拉应力两条裂缝的中间：混凝土拉应
17、力最大,(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，界面产生在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,粘结强度的影响因素钢筋表面的形状混凝土的强度钢筋的位置、保护层厚度和钢筋间距横向钢筋和侧向压力,混凝土材料性能小结,砼在简单受力状态下的应力应变曲线砼的强度指标和变形模量立方抗压强度，强度等级，轴心抗压强度，抗拉强度，弹性模量砼在复杂应力下的性能多向拉压，剪压，徐变、重复荷载、收缩砼与钢筋的粘结作用，组成，分布,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：240mm115mm53mm实心
18、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,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(900mm) 分级：按照极限抗压强度分5级，以“MU+极限强度”,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9级，以“MU+极限强度”,(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
19、度分5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)砌体的种类砌体是由不同尺寸的块体用砂浆砌筑成的整体。砖砌体砖可以砌筑成实心砌体，也可以砌筑成空心砌体。对砖砌体，我国通常采用一顺一顶或三顺一顶的砌筑法。,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)
20、单块砖的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,为什么灰缝内横向配筋可以加大砌体的强度？,(2)砌体的抗压强度受力全过程：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,影响砌体强度的主要因素块体和砂浆的强度
21、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：,(3)砌体的抗拉、抗弯和抗剪强度粘结分类：法向粘结力切向粘结力一般不考虑竖向灰缝的粘接能力,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,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：,
