材料力學性能及結構設計原理

1、一、一、鋼筋和砼材料的力學性能鋼筋和砼材料的力學性能鋼鋼 筋筋混混 凝凝 土土兩者間的粘結兩者間的粘結強強 度度變變 形形（一）鋼筋的力學性能（一）鋼筋的力學性能1.鋼筋的分類鋼筋的分類碳素鋼鋼筋碳素鋼鋼筋合金鋼鋼筋合金鋼鋼筋（1）按化學元素）按化學元素鋼筋鋼筋主要成分為主要成分為鐵鐵元素，還含有少量的碳、元素，還含有少量的碳、硅、錳、硫、磷等元素，力學性能主要與硅、錳、硫、磷等元素，力學性能主要與碳碳的含的含量有關：量有關：鋼筋含鋼筋含碳碳量越高，則鋼筋的強度越高，質地量越高，則鋼筋的強度越高，質地硬，但塑性變差。硬，但塑性變差。鋼筋鋼筋鋼絲鋼絲鋼絞線鋼絞線熱軋鋼筋熱軋鋼筋冷軋鋼筋（冷軋帶肋

2、、冷軋扭鋼筋）冷軋鋼筋（冷軋帶肋、冷軋扭鋼筋）冷拉鋼筋冷拉鋼筋冷拔鋼筋冷拔鋼筋消除應力鋼絲消除應力鋼絲熱處理鋼筋熱處理鋼筋（2）按加工方式分）按加工方式分鋼筋按外形分類鋼筋按外形分類光面鋼筋光面鋼筋變形鋼筋變形鋼筋（3）按外形分）按外形分 1 1）普通鋼筋）普通鋼筋 2) 2) 預應力鋼筋預應力鋼筋 用于鋼筋混凝土結構的熱軋鋼筋分為用于鋼筋混凝土結構的熱軋鋼筋分為HPB235、 HRB335、HRB400和和RRB400四個四個 級別。級別。（4）按用途分）按用途分常用熱軋鋼筋常用熱軋鋼筋 HPB235級鋼筋級鋼筋：光圓鋼筋，公稱直徑范：光圓鋼筋，公稱直徑范圍為圍為820mm。實際工程中只用作

3、板、基。實際工程中只用作板、基礎和荷載不大的梁、柱的受力主筋、箍筋礎和荷載不大的梁、柱的受力主筋、箍筋以及其他構造鋼筋。以及其他構造鋼筋。 nHRB335 熱軋帶肋鋼筋熱軋帶肋鋼筋HRB335級鋼筋：月牙紋鋼筋，公稱直徑范級鋼筋：月牙紋鋼筋，公稱直徑范圍為圍為650mm。實際工程中主要用作結構。實際工程中主要用作結構構件中的受力主筋。構件中的受力主筋。nHRB400 熱軋帶肋鋼筋熱軋帶肋鋼筋 HRB400級鋼筋：月牙紋鋼筋。實際工級鋼筋：月牙紋鋼筋。實際工程中主要用作結構構件中的受力主筋。程中主要用作結構構件中的受力主筋。nRRB400 余熱處理鋼筋余熱處理鋼筋RRB400級鋼筋：月牙紋鋼筋，

4、公稱直徑范級鋼筋：月牙紋鋼筋，公稱直徑范圍為圍為840mm。強度雖高，但疲勞性能、。強度雖高，但疲勞性能、冷彎性能以及可焊性均較差，其應用受到冷彎性能以及可焊性均較差，其應用受到一定限制。一定限制。 2 2）預應力鋼筋）預應力鋼筋 預應力鋼筋應預應力鋼筋應優(yōu)先采用鋼絞線和鋼絲優(yōu)先采用鋼絞線和鋼絲，也可采用熱處，也可采用熱處理鋼筋。理鋼筋。2.鋼筋的強度和變形鋼筋的強度和變形有有明顯屈服點的鋼筋明顯屈服點的鋼筋無無明顯屈服點的鋼筋明顯屈服點的鋼筋（1）有明顯屈服點鋼筋的應力應變關系）有明顯屈服點鋼筋的應力應變關系aa 比例極限比例極限 彈性極限彈性極限b 屈服上限屈服上限c 屈服下限屈服下限e

5、極限強度極限強度a反映鋼筋力學性能的基本指標：反映鋼筋力學性能的基本指標：屈服強度、延伸率、冷彎性能和屈強比屈服強度、延伸率、冷彎性能和屈強比冷彎性能是冷彎性能是反映鋼筋變形能力的另反映鋼筋變形能力的另一個指標一個指標（2）無明顯屈服點鋼筋的應力應變關系）無明顯屈服點鋼筋的應力應變關系條件屈服點為殘條件屈服點為殘余變形為余變形為0.20.2時時對應的應力對應的應力b85. 02 . 0不同鋼筋應力應變關系的比較不同鋼筋應力應變關系的比較鋼筋強度標準值：鋼筋強度標準值： 規(guī)范規(guī)范取國家標準規(guī)定的屈服強度廢取國家標準規(guī)定的屈服強度廢品限制作為鋼筋強度的標準值。品限制作為鋼筋強度的標準值。鋼筋強度設

6、計值：鋼筋強度設計值：鋼筋強度設計值鋼筋強度設計值=鋼筋強度標準值鋼筋強度標準值/材料性能材料性能 分項系數(shù)（約為分項系數(shù)（約為1.15）鋼筋的彈性模量：鋼筋的彈性模量：ES混凝土結構對鋼筋的要求混凝土結構對鋼筋的要求強度屈服強度強度屈服強度塑性延伸率和冷彎性能塑性延伸率和冷彎性能具有較好的可焊性具有較好的可焊性有較好的粘結力帶肋鋼筋有較好的粘結力帶肋鋼筋（二）混凝土的力學性能（二）混凝土的力學性能混凝土材料是由水泥、砂、石子和水按一定混凝土材料是由水泥、砂、石子和水按一定比例組成，經凝結和硬化形成的，屬于復合比例組成，經凝結和硬化形成的，屬于復合材料。材料。1. 混凝土的強度混凝土的強度混凝

7、土立方體抗壓強度混凝土立方體抗壓強度混凝土軸心抗壓強度混凝土軸心抗壓強度混凝土抗拉強度混凝土抗拉強度cufcftf混凝土的強度等級是用立方體抗壓強度來劃分的?；炷恋膹姸鹊燃壥怯昧⒎襟w抗壓強度來劃分的?；炷翉姸鹊燃墸哼呴L混凝土強度等級：邊長150mm立方體標準試件，在標準條件立方體標準試件，在標準條件 下（下（203，90%濕度）養(yǎng)護濕度）養(yǎng)護28天，用天，用 標準試驗方法測得的具有標準試驗方法測得的具有95%保證率的立保證率的立 方體抗壓強度，用符號方體抗壓強度，用符號C表示，表示，C30表示表示 fcu,k=30N/mm2 C15、C20、C25C80共劃分為共劃分為14個強度等級個強度

8、等級C50以上為高強混凝土。以上為高強混凝土。軸心抗壓強度軸心抗壓強度軸心抗壓強度采用棱柱體試件測定，用符號軸心抗壓強度采用棱柱體試件測定，用符號 fc 表示，它比表示，它比較接近實際構件中混凝土的受壓情況。較接近實際構件中混凝土的受壓情況。對于同一混凝土，對于同一混凝土，棱柱體抗壓強度小于立方體抗壓強度棱柱體抗壓強度小于立方體抗壓強度。 軸心抗拉強度軸心抗拉強度也是混凝土的基本力學性能，用符也是混凝土的基本力學性能，用符號號 f ft t 表示。表示。 500 150 15010016軸心受拉試驗混凝土強度標準值混凝土強度標準值規(guī)范規(guī)范規(guī)定材料強度的標準值規(guī)定材料強度的標準值 fk 應具有不

9、小于應具有不小于95%的保證率的保證率混凝土的收縮和徐變混凝土的收縮和徐變混凝土在空氣中硬化時體積會縮小，這種混凝土在空氣中硬化時體積會縮小，這種現(xiàn)象稱為現(xiàn)象稱為混凝土的收縮混凝土的收縮， 收縮是混凝土在收縮是混凝土在不受外力情況下體積變化產生的變形。不受外力情況下體積變化產生的變形。 混凝土在長期不變荷載的作用下，其變形混凝土在長期不變荷載的作用下，其變形隨時間而不斷增長的現(xiàn)象稱為隨時間而不斷增長的現(xiàn)象稱為徐變徐變?；炷潦湛s包括混凝土收縮包括凝縮凝縮和和干縮干縮兩部分，凝縮兩部分，凝縮是由于水泥結晶體比原材料的體積??；干是由于水泥結晶體比原材料的體積?。桓煽s是混凝土內自由水分蒸發(fā)引起的?？s

10、是混凝土內自由水分蒸發(fā)引起的。鋼筋錨固長度鋼筋錨固長度 鋼筋達到屈服強度而不發(fā)生粘結錨鋼筋達到屈服強度而不發(fā)生粘結錨固破壞的最短長度。固破壞的最短長度。鋼筋的彎鉤、錨固與連接鋼筋的彎鉤、錨固與連接二、建筑結構極限狀態(tài)設計法 （一）結構的功能要求（一）結構的功能要求1.結構的安全等級結構的安全等級 根據(jù)破壞后果的嚴重程度，建筑結構劃根據(jù)破壞后果的嚴重程度，建筑結構劃分為三個安全等級。分為三個安全等級。 建筑結構的安全等級建筑結構的安全等級安全等級安全等級破壞后果破壞后果建筑物類型建筑物類型一級一級很嚴重很嚴重重要的房屋重要的房屋二級二級嚴重嚴重一般的房屋一般的房屋三級三級不嚴重不嚴重次要的房屋次

11、要的房屋2.2.結構的設計使用年限結構的設計使用年限：類別類別 設設 計計 使使 用用 年限（年）年限（年） 示示 例例 1 15 5臨時性結構臨時性結構2 22525易于替換的結構構件易于替換的結構構件3 35050普通房屋和構筑物普通房屋和構筑物4 4100100紀念性建筑和特別重要的建筑結構紀念性建筑和特別重要的建筑結構3.3.結構的功能要求結構的功能要求 功能要求功能要求適用性適用性耐久性耐久性安全性安全性4. 4. 結構的可靠性和可靠度的概念結構的可靠性和可靠度的概念結構可靠性結構可靠性結構的安全性、適用性和耐結構的安全性、適用性和耐久性的總久性的總 稱。稱。結構可靠度結構可靠度結構

12、在規(guī)定時間內，在規(guī)定結構在規(guī)定時間內，在規(guī)定條件下，完成預定功能的概率。條件下，完成預定功能的概率。（二）結構功能的極限狀態(tài)（二）結構功能的極限狀態(tài)極限狀態(tài)極限狀態(tài)承載力極限狀態(tài)承載力極限狀態(tài)正常使用極限狀態(tài)正常使用極限狀態(tài)當結構或結構構件出現(xiàn)下列狀態(tài)之一時，當結構或結構構件出現(xiàn)下列狀態(tài)之一時，即認為即認為超過了承載能力極限狀態(tài)：超過了承載能力極限狀態(tài)：結構構件或連接因材料結構構件或連接因材料強度不夠而破壞；強度不夠而破壞；整個結構或結構的一部整個結構或結構的一部分作為剛體失去平衡（如分作為剛體失去平衡（如傾覆等）；傾覆等）；結構轉變?yōu)闄C動體系；結構轉變?yōu)闄C動體系；結構或結構構件喪失穩(wěn)結構或結

13、構構件喪失穩(wěn)定（如柱子被壓曲等）。定（如柱子被壓曲等）。 當結構或結構構件出現(xiàn)下列狀態(tài)之一當結構或結構構件出現(xiàn)下列狀態(tài)之一時，即認為時，即認為超過了正常使用極限狀態(tài)：超過了正常使用極限狀態(tài)： 影響正常使用或外觀的變形；影響正常使用或外觀的變形； 影響正常使用或耐久性能的局部損壞影響正常使用或耐久性能的局部損壞（包括裂縫）；（包括裂縫）； 影響正常使用的振動；影響正常使用的振動； 影響正常使用的其他特定狀態(tài)等。影響正常使用的其他特定狀態(tài)等。3.3.作用效應和結構抗力的概念作用效應和結構抗力的概念 作用效應作用效應 結構上的各種作用，在結結構上的各種作用，在結構內產生的構內產生的內力內力（軸力、彎

14、矩、剪力、扭矩（軸力、彎矩、剪力、扭矩等）等）和和變形變形（如撓度、轉角、裂縫等）的總（如撓度、轉角、裂縫等）的總稱稱，用，用S 表示。由直接作用產生的效應，通表示。由直接作用產生的效應，通常稱為荷載效應。常稱為荷載效應。結構抗力結構抗力 結構或構件承受作用效應的結構或構件承受作用效應的能力，如構件的承載力、剛度、抗裂度等，用能力，如構件的承載力、剛度、抗裂度等，用R表示。結構抗力是結構內部固有的，其大小表示。結構抗力是結構內部固有的，其大小主要取決于主要取決于材料性能材料性能、構件幾何參數(shù)構件幾何參數(shù)及及計算模計算模式的精確性等式的精確性等。荷載分項系數(shù)的取值表荷載分項系數(shù)的取值表荷載特性荷載特性荷載分項系數(shù)荷載分項系數(shù)永久荷載永久荷