第三章工程结构材料的物理力学性能

第三章：工程结构材料的物理力学性能内容提要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、本章要点第三章：材料的性能一、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。第三章：材料的性能一、钢材的物理力学性能(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：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：以冷弯的角度来衡量第三章：材料的性能一、钢材的物理力学性能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yzsfzs213232221)()()[(21zs)(3)(222222zxyzxyxzzyyxzyxzsyzsf第三章：材料的性能一、钢材的物理力学性能分析结果：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，差别越大越明显。(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，脆性破坏第三章：材料的性能一、钢材的物理力学性能影响因素：荷载的的性质：拉、压、剪等应力循环特征：(应力比)静载（=1）同号循环（0）脉冲循环(=0)异号循环(0)完全对称循环（-1）循环次数:应力比一定时，疲劳强度与荷载的循环次数有关。maxmin/第三章：材料的性能一、钢材的物理力学性能疲劳极限：当最大应力小于某一数值，反复荷载循环无穷次，材料也不会破坏。疲劳曲线(试验结果)循环N次包络线ABCD简化疲劳曲线ABCD的方程BCD(拉为主)AB(压为主)6102Nmin0maxkkp10maxkp0min第三章：材料的性能一、钢材的物理力学性能3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三章：材料的性能一、钢材的物理力学性能(3)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。第三章：材料的性能一、钢材的物理力学性能(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。第三章：材料的性能一、钢材的物理力学性能(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。第三章：材料的性能一、钢材的物理力学性能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）。第三章：材料的性能一、钢材的物理力学性能(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热处理钢第三章：材料的性能一、钢材的物理力学性能(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：热扎和焊接两种，“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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+钢筋表示第三章：材料的性能二、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主要影响因素混凝土强度：强度提高,峰值点应变高；下降段陡延性差加载速度：愈大，强度高，峰值应变低；下降段陡延性差第三章：材料的性能二、混凝土的物理力学性能数学模型普通混凝土：(C50以下)=0.002，n=20.002(均匀压),0.0033(不均匀压、弯)高强混凝土(C50以上)ncccf0110cu5,010)50(5.0002.0kcuf5,10)50(0033.0kcucuf)50(6012,kcufn第三章：材料的性能二、混凝土的物理力学性能(2)简单受力下混凝土的强度立方体抗压强度立方体抗压强度标准方法制作,边长150mm立方体,28天龄期，进行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：95%保证率的立方体抗压强度值。用途：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：按立方体抗压强度标准值分为14级，“C+标准值”轴心抗压强度立方体受压不是处于单轴受力状态！采用棱柱体，中间基本上是处于轴心受压。,*cuf,*cf第三章：材料的性能二、混凝土的物理力学性能影响因素：材料成分、养护、龄期、实验方法和试件尺寸与立方体强度的关系关系系数(比值)：小于等于C50时，取0.76；大于C50时：考虑混凝土脆性的折减系数，小于C40时，不折减取1.0；大于C40时：轴心抗拉强度试验方法：直接拉伸、弯折和劈裂与立方体强度的关系mcumcff,21,88.01)50(002.076.0,1kcuf2)40(00325.01,2kcuf55.0,2,395.088.0mcumtff第三章：材料的性能二、混凝土的物理力学性能(3)混凝土的变形模量原点弹性模量定义：过原点作切线的斜率取值：变形模量定义：原点和任意点作割线的斜率。关系：弹性特征系数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确定：kcucfE,57.342.210cccecccecccEE'''cccccEEG4.0)1(2第三章：材料的性能二、混凝土的物理力学性能2、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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，双向受拉:影响不大一拉一压：强度降低剪压或剪拉：剪拉：强度降低剪压：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。rccckff第三章：材料的性能二、混凝土的物理力学性能(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。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，永久应变第三章：材料的性能二、混凝土的物理力学性能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。第三章：材料的性能二、混凝土的物理力学性能(3)重复荷载下混凝土性能一次重复加载下加载：随应力增加应变增加卸载：不重复加载轨迹，有弹性后效和残余变形多次重复加载下峰值小于疲劳强度：每循环成环，面积逐渐减少，至直线；峰值大于疲劳强度：开始与小应力的相似；成直线后，凸凹方向改变，斜率降低，裂缝和变形严重混凝土疲劳破坏：因荷载重复作用而引起的破坏混凝土疲劳强度：疲劳破坏需要重复荷载的最小应力峰值(4)混凝土的收缩、膨胀和温度变形第三章：材料的性能二、混凝土的物理力学性能3、钢筋与混凝土的粘结(1)钢筋与混凝土粘结的作用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：一端力T，另端为T+dT根据平衡条件：分析结果应力变化大，粘结力大，变化小，粘结小当钢筋应力没有变化时，粘结应力等于零dxdAdxdTss第三章：材料的性能二、混凝土的物理力学性能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：拉力为零离开一段距离：混凝土有拉力两条裂缝中间：混凝土拉力最大(2)粘结力的组成化学吸附摩擦机械咬合附加咬合等作用第三章：材料的性能三、砌体的物理力学性能1、砌体的材料及种类(1)块体材料砖普通砖：240mm115mm53mm实心空心砖：全国无统一规格分级：按极限抗压强度为6级，以“MU+极限强度”表示砌块按材料分：粉煤灰、煤渣混凝土和混凝土等按内部结构分：有实心的，也有空心的按尺寸分：小型350、中型360～900和大型900mm分级：按照极限抗压强度分5级，以“MU+极限强度”石材按照加工的程度：分细料石、粗料石和毛料石。分级：按极限抗压强度，分9级，以“MU+极限强度”第三章：材料的性能三、砌体的物理力学性能(2)砂浆作用：使块体连成整体；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：大于1.5t/m3重砂浆，小于1.5t/m3轻砂浆分级：按抗压极限强度分5级，以“M+极限强度”表示砌体对砂浆的基本要求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；应具有足够的保水性，即在运输和砌筑时保持质量的能力。第三章：材料的性能三、砌体的物理力学性能(3)砌体的种类砌体是由块体用砂浆砌筑成的整体。