工程結構材料的物理力學性能

工程結構材料的物理力學性能第一頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期六第三章：材料的性能

一、鋼材的物理力學性能1、簡單應力下鋼材的性能

(1)鋼材的應力-應變關系曲線形式：有明顯流幅的：彈性、屈服、強化和頸縮階段沒有明顯流幅的：沒有明顯的屈服階段

曲線簡化：屈服前：完全彈性的；屈服后：完全塑性的。第二頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期六第三章：材料的性能

一、鋼材的物理力學性能(2)鋼材的強度指標屈服強度：設計時鋼材允許達到的最大應力有明顯流幅的鋼材：取屈服點的應力；無有明顯流幅的鋼材：取條件屈服強度。條件屈服強度：殘余應變?yōu)?.2%對應的應力。極限強度：材料能承受的最大應力反映安全儲備屈強比：屈服強度/極限強度(3)鋼材的塑性指標伸長率：拉斷后構件伸長率截面收縮率：拉斷后面積縮小率冷彎性能：以冷彎的角度來衡量第三頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期六第三章：材料的性能

一、鋼材的物理力學性能2、復雜應力下鋼材的性能(1)復雜應力狀態(tài)下的屈服條件判別方法：用能量理論建立屈服條件，用折算應力判別當時，鋼材沒有屈服當時，鋼材屈服。折算應力以主應力表示：以應力分量表示第四頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期六第三章：材料的性能

一、鋼材的物理力學性能分析結果：主應力同號時，不易屈服，塑性下降，越接近越明顯。主應力異號時，易屈服，破壞呈塑性，差別越大越明顯。(2)反復荷載下鋼材的疲勞疲勞破壞：在低于強度的應力反復作用下，所發(fā)生破壞。疲勞破壞特點：包括裂紋形成，緩慢發(fā)展和迅速斷裂三個過程沒有明顯的變形，脆性破壞

第五頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期六第三章：材料的性能

一、鋼材的物理力學性能影響因素：荷載的的性質：拉、壓、剪等應力循環(huán)特征：(應力比)

靜載（=1）同號循環(huán)（>0）脈沖循環(huán)(=0)

異號循環(huán)(<0)

完全對稱循環(huán)（-1）循環(huán)次數(shù):

應力比一定時，疲勞強度與荷載的循環(huán)次數(shù)有關。

第六頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期六第三章：材料的性能

一、鋼材的物理力學性能疲勞極限：當最大應力小于某一數(shù)值，反復荷載循環(huán)無窮次，材料也不會破壞。

疲勞曲線(試驗結果)循環(huán)N次包絡線ABCD簡化疲勞曲線

ABCD的方程BCD(拉為主)AB(壓為主)第七頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期六第三章：材料的性能

一、鋼材的物理力學性能3影響鋼材性能的一般因素(1)化學成分碳：提高強度；但塑性，可焊性、耐銹蝕性等劣化。錳：提高強度，改善脆性；但對可焊性和耐銹力不利。硅：提高強度，但含量過高，對塑性可焊性耐銹力不利。硫：高溫時變脆，降低塑性韌性抗疲勞能力和耐銹能力。磷：提高強度和耐銹力，低溫變脆，降低塑性可焊性等。(2)鋼材缺陷偏析:鋼中化學成分的不一致性和不均勻性裂紋：先天的裂紋，或是微觀的或是宏觀的分層：在厚度方向分成多層，各層相互連接，并不脫離夾雜物：尤其是硫化物和氧化物等第八頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期六第三章：材料的性能

一、鋼材的物理力學性能(3)鋼材的硬化時效硬化：現(xiàn)象：時間增加，強度提高，塑性下降。特點：過程很長，反復荷載和高溫下易產生。冷作硬化：常溫下產生塑性變形后屈服點提高，塑性降低。應變時效：產生塑性變形后，特別是在高溫下，使已經產生冷作硬化的鋼材又發(fā)生時效硬化。第九頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期六第三章：材料的性能

一、鋼材的物理力學性能(4)溫度

在正常溫度下：基本不隨溫度變化在高溫度下：溫度升高，強度、彈性模量均有下降趨勢藍脆現(xiàn)象：250℃左右，抗拉強度反而提高，塑性和韌性下降。在低溫時：溫度降低，強度略提高，塑性等下降，有脆性傾向。冷脆現(xiàn)象：當溫度降低至某一溫度以下時，材料變脆。

第十頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期六第三章：材料的性能

一、鋼材的物理力學性能(5)應力集中

現(xiàn)象：當構件內部缺陷或截面形狀等改變時，應力分布不均勻，出現(xiàn)局部高峰應力，促使鋼材變脆。

影響因素：截面變化愈劇烈，應力集中現(xiàn)象愈明顯。第十一頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期六第三章：材料的性能

一、鋼材的物理力學性能4、結構對鋼材的要求及鋼材的分類(1)結構對鋼材的要求具有較高的屈服強度和極限強度；

具有良好的塑性和韌性具有良好的工藝加工性能；

良好的耐銹蝕能力與混凝土良好的粘結力(2)鋼材的選擇：結構或構件的類型及重要性；

作用的性質（靜力和動力作用）；連接方式（焊接、鉚接或螺栓連接）；

工作環(huán)境（溫度和腐蝕等）。第十二頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期六第三章：材料的性能

一、鋼材的物理力學性能(3)結構用鋼材的分類

碳素鋼：強度等級：按屈服強度分五個品種，Q195~Q275。質量等級：A、B、C、D四級，對沖擊韌性要求不同脫氧方式：鎮(zhèn)靜、半鎮(zhèn)靜、沸騰和特殊鎮(zhèn)靜，用ZbF和TZ示例：Q235Bb表示屈服強度為235，B級半鎮(zhèn)靜鋼低合金鋼：強度等級：按屈服強度分五個品種，Q295~Q460。質量等級：A、B、C、D、E五級，對沖擊韌性要求不同脫氧方式：鎮(zhèn)靜和特殊鎮(zhèn)靜鋼熱處理鋼第十三頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期六第三章：材料的性能

一、鋼材的物理力學性能(4)鋼材的規(guī)格鋼板：以“―寬度厚度長度”或“―寬度厚度”表示型鋼：角鋼：等邊“L肢寬厚度”；不等邊“L長肢寬短肢寬厚度”工字鋼：普通工字鋼以I+截面的高度；輕型工字鋼前面加Q槽鋼：有普通槽鋼和輕型槽鋼兩種，用截面的高度編號H型鋼：熱扎和焊接兩種，“高度*寬度*腹板厚度*翼緣厚度”鋼管：有熱軋無縫鋼管和焊接鋼管。以“φ外徑壁厚”表示薄壁型鋼：用薄鋼板冷軋而成，形式及尺寸可以變化。鋼筋

按照表面形狀：有光面鋼筋和變形鋼筋鋼筋種類：熱軋鋼筋：分HRB235、HRB335和HRB400或RRB400三級，符號+直徑預應力鋼絲：有光面碳素、螺旋肋和三面刻痕鋼絲三種，符號+直徑預應力鋼絞線：多根鋼絲絞合制成?！唉?股數(shù)公稱直徑”表示熱處理鋼筋：φHT+鋼筋表示

第十四頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期六第三章：材料的性能

二、混凝土的物理力學性能1、簡單受力下混凝土的性能(1)受壓的應力應變關系曲線特征應力?。航凭€性關系應力大：非線性關系近峰值:不穩(wěn)定非線性下降段：反彎點后平緩主要影響因素混凝土強度：強度提高,峰值點應變高；下降段陡延性差加載速度：愈大，強度高，峰值應變低；下降段陡延性差第十五頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期六第三章：材料的性能

二、混凝土的物理力學性能數(shù)學模型

普通混凝土：(C50以下)=0.002

，n=2

0.002(均勻壓),0.0033(不均勻壓、彎)高強混凝土(C50以上)第十六頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期六第三章：材料的性能

二、混凝土的物理力學性能(2)簡單受力下混凝土的強度立方體抗壓強度立方體抗壓強度標準方法制作,邊長150mm立方體,28天齡期，進行抗壓實驗得到的破壞時試件的平均壓應力。立方體抗壓強度標準值：95%保證率的立方體抗壓強度值。用途：力學性能的基本代表值，混凝土強度等級劃分依據。強度等級：按立方體抗壓強度標準值分為14級，“C+標準值”

軸心抗壓強度

立方體受壓不是處于單軸受力狀態(tài)！采用棱柱體，中間基本上是處于軸心受壓。第十七頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期六第三章：材料的性能

二、混凝土的物理力學性能影響因素：材料成分、養(yǎng)護、齡期、實驗方法和試件尺寸

與立方體強度的關系

關系系數(shù)(比值)：小于等于C50時，取0.76；大于C50時：考慮混凝土脆性的折減系數(shù)，小于C40時，不折減取1.0；大于C40時：

軸心抗拉強度試驗方法：直接拉伸、彎折和劈裂與立方體強度的關系第十八頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期六第三章：材料的性能

二、混凝土的物理力學性能(3)混凝土的變形模量原點彈性模量定義：過原點作切線的斜率取值：變形模量定義：原點和任意點作割線的斜率。關系：彈性特征系數(shù)切線模量：過任一點作切線的斜率為時的切線模量剪切模量：根據彈性模量和泊松比確定：第十九頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期六第三章：材料的性能

二、混凝土的物理力學性能2、復雜應力下混凝土的性能(1)復合應力下混凝土強度和變形

多向受壓雙向壓：強度提高；三向壓(約束受壓)：強度和延性明顯提高，雙向受拉:影響不大一拉一壓：強度降低剪壓或剪拉：剪拉：強度降低剪壓：壓應力較?。嚎辜魪姸入S壓應力增加而增大；壓應力較大：抗剪強度隨壓應力的增加而降低。

第二十頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期六第三章：材料的性能

二、混凝土的物理力學性能(2)長期荷載下混凝土的變形混凝土的徐變現(xiàn)象：在荷載長期作用下，變形將隨時間而增加；原因：凝膠體的粘性流動，內部微裂縫不斷產生和發(fā)展等影響：導致變形增大，應力重分布和內力分布等。

混凝土徐變曲線特點：開始增長較快，以后逐漸減慢，逐漸趨于穩(wěn)定(收斂)卸載時變形恢復:

瞬時彈性恢復、彈性后效，永久應變第二十一頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期六第三章：材料的性能

二、混凝土的物理力學性能影響徐變的主要因素應力水平：應力越大，徐變也越大應力小于0.5fc，線性徐變；大于0.5fc，非線性徐變。齡期：加載時齡期越短，徐變越大組成：水泥用量越多，水灰比越大，徐變也越大；骨料強度和彈性模量越高，徐變越小。養(yǎng)護和使用環(huán)境：養(yǎng)護溫度高，濕度大，徐變越?。皇芰蟓h(huán)境溫度越高，濕度低，徐變就越大。

第二十二頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期六第三章：材料的性能

二、混凝土的物理力學性能(3)重復荷載下混凝土性能一次重復加載下加載：隨應力增加應變增加卸載：不重復加載軌跡，有彈性后效和殘余變形

多次重復加載下峰值小于疲勞強度：每循環(huán)成環(huán)，面積逐漸減少，至直線；峰值大于疲勞強度：開始與小應力的相似；成直線后，凸凹方向改變，斜率降低，裂縫和變形嚴重混凝土疲勞破壞：因荷載重復作用而引起的破壞混凝土疲勞強度：疲勞破壞需要重復荷載的最小應力峰值

(4)混凝土的收縮、膨脹和溫度變形

第二十三頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期六第三章：材料的性能

二、混凝土的物理力學性能3、鋼筋與混凝土的粘結(1)鋼筋與混凝土粘結的作用作用：保證力的相互傳遞，是共同工作的基本條件

單元分析：假設：一端力T，另端為T+dT根據平衡條件：分析結果

應力變化大，粘結力大，變化小，粘結小當鋼筋應力沒有變化時，粘結應力等于零

第二十四頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期六第三章：材料的性能

二、混凝土的物理力學性能有關的設計問題鋼筋端部的錨固裂縫間應力的傳遞裂縫截面：拉力為零離開一段距離：混凝土有拉力兩條裂縫中間：混凝土拉力最大

(2)粘結力的組成化學吸附摩擦機械咬合附加咬合等作用第二十五頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期六第三章：材料的性能

三、砌體的物理力學性能1、砌體的材料及種類

(1)塊體材料磚

普通磚：240mm115mm53mm實心空心磚：全國無統(tǒng)一規(guī)格分級：按極限抗壓強度為6級，以“MU+極限強度”表示砌塊

按材料分：粉煤灰、煤渣混凝土和混凝土等按內部結構分：有實心的，也有空心的按尺寸分：小型<350、中型360～900和大型>900mm分級：按照極限抗壓強度分5級，以“MU+極限強度”石材

按照加工的程度：分細料石、粗料石和毛料石。分級：按極限抗壓強度，分9級，以“MU+極限強度”

第二十六頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期六第三章：材料的性能

三、砌體的物理力學性能(2)砂漿作用：使塊體連成整體；抹平塊體表面；填補塊體間縫隙；分類：按照組成成分：無塑性摻合料的水泥砂漿、有塑性摻合料的混合砂漿、不含水泥的砂漿按照重力密度：大于1.5t/m3重砂漿，小于1.5t/m3輕砂漿分級：按抗壓極限強度分5級，以“M+極限強度”表示砌體對砂漿的基本要求符合強度和耐久性要求；應具有一定的可塑性，在砌筑時容易且較均勻地鋪開；應具有足夠的保水性，即在運輸和砌筑時保持質量的能力。第二十七頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期六第三章：材料的性能

三、砌體的物理力學性能(3)砌體的種類砌體是由塊體用砂漿砌筑成的整體。磚砌體：實心砌體，或空心砌體，有一順一頂或三順一頂砌筑法。石砌體：料石、毛石和毛石混凝土砌體。砌塊砌體砌塊排列是要有規(guī)律性，減少通縫。配筋砌體:在砌體內配置適量的鋼筋，形成配筋砌體，如在水平灰縫中配置網狀鋼筋，形成網狀配筋砌體；在砌體外或預留槽內配置縱向筋形成組合砌體。第二十八頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期六第三章：材料的性能

三、砌體的物理力學性能2、砌體的力學性能(1)砌體的抗壓強度破壞過程及應力特點受力全過程：第一階段：自受力到單塊磚內出現(xiàn)豎向裂縫；第二階段：單塊磚內裂縫發(fā)展，連接并穿過若干皮磚第三階段：裂縫貫通，把砌體分成若干1/2磚立柱，失穩(wěn)應力特點：不僅存在壓應力，而且有彎曲應力和剪切應力，以及橫向拉壓應力

第二十九頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期六第三章：材料的性能

三、砌體的物理力學性能原因分析：水平灰縫厚度和密實度不均勻

磚表面力分布不均勻且上下不對應橫向變形時相互約束

受壓時橫向膨脹，磚和砂漿橫向變形系數(shù)不同，相互約束。彈性地基梁作用砂漿層受壓將產生壓縮變形，磚就象在彈性地基上的梁，其內部將產生彎曲應力和剪應力豎向灰縫處的應力集中第三十頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期六第三章：材料的性能

三、砌體的物理力學性能影響砌體強度的主要因素塊體和砂漿的強度砂漿的彈塑性性能:變形越大，彎曲剪切等越