第三章--结构材料的力学性能及指标

第三章结构材料的力学性能及指标第一节结构材料基本要求第二节木材第三章结构材料的力学性能及指标结构材料是指构成建筑物受力构件所用的材料传统的材料：砖、石、木材现代：钢材、混凝土、砌块等新型材料。任何结构或构件都直接或间接地承受荷载作用，而结构或构件承载力大小直接与制作的材料相关。本章学习的目的：了解结构材料的基本要求。第一节结构材料基本要求一、结构材料力学性能的基本要求工程结构对材料力学性能的要求是通过力学性能指标来实现的，而力学性能指标又是通过实验方法测定的。结构材料主要力学性能指标有：强度、弹性、塑性、冲击韧性与冷脆性、徐变和松弛等。第一节结构材料基本要求(一)强度强度是材料抵抗破坏能力的指标。根据材料在受力时的变形状态不同有弹性极限强度、屈服强度、极限强度；根据材料的受力状态不同又有抗压强度、抗拉强度、抗剪强度和抗扭强度等；如果材料受到循环荷载作用，还要考虑疲劳强度。第一节结构材料基本要求1．弹性极限强度材料在受力初期，材料的应力和应变基本满足线性关系，即材料的应力与应变的比值为常量，如果此时卸载，构件的变形能完全恢复，因此称此阶段为弹性阶段。弹性阶段的最大应力称为弹性极限应力或弹性极限强度，弹性阶段应力与应变的比值称为弹性模量。第一节结构材料基本要求2．屈服强度fy工程材料根据其变形性能可以分为塑性材料和脆性材料。塑性材料：在应力水平超过极限弹性应力后，应力不再有明显增加，而是在小范围内波动，但应变急剧增大，这种现象称为屈服，应力一应变曲线上这个阶段称为屈服阶段，也称流动阶段。一般以屈服阶段最小应力作为屈服强度。屈服强度对于钢材有重要意义。脆性材料：而某些表现为脆性性质的钢材没有明显屈服阶段，此时取残余变形为0.2％对应的应力作为名义屈服强度。第一节结构材料基本要求第一节结构材料基本要求3．极限强度ft在对材料力学性能进行试验时，试件所能够承受的最大荷载与初始截面的比值称为最大名义应力，也称为材料的极限强度。4．疲劳强度结构构件在变幅循环荷载作用下，当达到一定的循环次数时，会发生脆性破坏，且破坏应力远小于屈服应力，这种破坏称为疲劳破坏。在规定的荷载循环次数和荷载变化幅度下，材料能够承担的最大动态应力称为材料的疲劳强度。第一节结构材料基本要求(二)弹性与塑性弹性：材料在外力作用下产生变形，当外力去除后能完全恢复到原始形状的性质称为弹性。这种外力消失后瞬间恢复的变形称为弹性变形。弹性模量：是反映材料受力时抵抗弹性变形的能力，即材料的刚度，它是钢材在静荷载作用下计算结构变形的一个重要指标。在弹性范围内，弹性模量为常数，其值等于应力与应变的比值，即：Es=σ/ε弹性模量越大，材料的刚度越大，即越不容易变形。第一节结构材料基本要求塑性：材料在外力作用下产生变形，当外力去除后，有一部分变形不能恢复，这种性质称为材料的塑性。弹性变形与塑性变形的区别：前者为可逆变形，后者为不可逆变形。材料塑性性能是决定结构或构件是否安全可靠的重要参数之一，可以通过测量材料伸长取断面收缩率或冷弯性能来确定材料的塑性性能。第一节结构材料基本要求(三)冲击韧性冲击韧性是指钢材抗冲击而不破坏的能力。冲击韧性与材料的塑性有关，但是又不等同于塑性，它是强度和塑性的综合指标。材料的冲击韧性与其内在质量、宏观缺陷和微观组成有关。此外，冲击韧性易受温度影响，温度的下降将会明显的降低材料的冲击韧性，对结构的安全不利。第一节结构材料基本要求徐变：是指在恒定温度和应力条件下，构件或材料的变形随时间增加而增大的现象。砼具有徐变特性，钢材在高温下也会出现徐变特性。应力松弛：是指在恒定温度和应变条件下，构件或材料的应力随时间的增加而减小的现象。对于预应力钢筋混凝土结构，应力松弛将会引起预应力损失，从而降低构件的承载力。第一节结构材料基本要求二、其他要求结构材料不仅要满足强度、弹性、塑性等力学性能方面的要求，还有满足其他的一些基本要求：1．协同工作性能材料的协同工作性能是指两种或两种以上的材料或杆件可以融合成一体，共同参与受力和变形，而不会轻易分开的性能。如钢材的可焊性、钢筋和混凝土之间的共同工作性能以及砌块与砂浆之间的粘结性能等。第一节结构材料基本要求2．耐久性耐久性是指材料长久在各种环境因素作用下不变质、不破坏，长期保持良好的物理力学性能的性质。耐久性是材料的一种综合性质，如抗冻性、抗风化性、耐腐蚀性等均属于耐久性范畴，它对建筑物的使用寿命起到至关重要的决定作用。所以，要根据材料所处的部位、使用环境等因素，综合考虑耐久性，合理选择结构材料或采取相应的保护措施。第一节结构材料基本要求3可加工性材料制成构件的过程中，都要进行加工，如钢材的切割、焊接，结构材料加工制作的难易程度对施工工期、建筑造价等都有重要的影响。因此，在选择结构材料时，要充分考虑材料的加工难度和施工企业的实际加工制作能力。4取材便利，价格合理，经济实用第二节木材木材是我国传统建筑材料，在古建筑中被大量使用。目前很少采用木材作为主要结构材料。一、木材的性能指标1．密度2．含水率3．湿胀干缩性4．强度二、木材的防护1．木材的腐朽与防腐2．木材的防虫3．木材的防火