工程結(jié)構(gòu)材料的物理力學(xué)性能

工程結(jié)構(gòu)材料的物理力學(xué)性能第一頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期六第三章：材料的性能

一、鋼材的物理力學(xué)性能1、簡(jiǎn)單應(yīng)力下鋼材的性能

(1)鋼材的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線形式：有明顯流幅的：彈性、屈服、強(qiáng)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(jiǎn)化：屈服前：完全彈性的；屈服后：完全塑性的。第二頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期六第三章：材料的性能

一、鋼材的物理力學(xué)性能(2)鋼材的強(qiáng)度指標(biāo)屈服強(qiáng)度：設(shè)計(jì)時(shí)鋼材允許達(dá)到的最大應(yīng)力有明顯流幅的鋼材：取屈服點(diǎn)的應(yīng)力；無有明顯流幅的鋼材：取條件屈服強(qiáng)度。條件屈服強(qiáng)度：殘余應(yīng)變?yōu)?.2%對(duì)應(yīng)的應(yīng)力。極限強(qiáng)度：材料能承受的最大應(yīng)力反映安全儲(chǔ)備屈強(qiáng)比：屈服強(qiáng)度/極限強(qiáng)度(3)鋼材的塑性指標(biāo)伸長(zhǎng)率：拉斷后構(gòu)件伸長(zhǎng)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(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期六第三章：材料的性能

一、鋼材的物理力學(xué)性能2、復(fù)雜應(yīng)力下鋼材的性能(1)復(fù)雜應(yīng)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(yīng)力判別當(dāng)時(shí)，鋼材沒有屈服當(dāng)時(shí)，鋼材屈服。折算應(yīng)力以主應(yīng)力表示：以應(yīng)力分量表示第四頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期六第三章：材料的性能

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

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

靜載（=1）同號(hào)循環(huán)（>0）脈沖循環(huán)(=0)

異號(hào)循環(huán)(<0)

完全對(duì)稱循環(huán)（-1）循環(huán)次數(shù):

應(yīng)力比一定時(shí)，疲勞強(qiáng)度與荷載的循環(huán)次數(shù)有關(guān)。

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一、鋼材的物理力學(xué)性能疲勞極限：當(dāng)最大應(yīng)力小于某一數(shù)值，反復(fù)荷載循環(huán)無窮次，材料也不會(huì)破壞。

疲勞曲線(試驗(yàn)結(jié)果)循環(huán)N次包絡(luò)線ABCD簡(jiǎn)化疲勞曲線

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

一、鋼材的物理力學(xué)性能3影響鋼材性能的一般因素(1)化學(xué)成分碳：提高強(qiáng)度；但塑性，可焊性、耐銹蝕性等劣化。錳：提高強(qiáng)度，改善脆性；但對(duì)可焊性和耐銹力不利。硅：提高強(qiáng)度，但含量過高，對(duì)塑性可焊性耐銹力不利。硫：高溫時(shí)變脆，降低塑性韌性抗疲勞能力和耐銹能力。磷：提高強(qiáng)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(xué)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(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期六第三章：材料的性能

一、鋼材的物理力學(xué)性能(3)鋼材的硬化時(shí)效硬化：現(xiàn)象：時(shí)間增加，強(qiáng)度提高，塑性下降。特點(diǎn)：過程很長(zhǎng)，反復(fù)荷載和高溫下易產(chǎn)生。冷作硬化：常溫下產(chǎn)生塑性變形后屈服點(diǎn)提高，塑性降低。應(yīng)變時(shí)效：產(chǎn)生塑性變形后，特別是在高溫下，使已經(jīng)產(chǎn)生冷作硬化的鋼材又發(fā)生時(shí)效硬化。第九頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期六第三章：材料的性能

一、鋼材的物理力學(xué)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(qiáng)度、彈性模量均有下降趨勢(shì)藍(lán)脆現(xiàn)象：250℃左右，抗拉強(qiáng)度反而提高，塑性和韌性下降。在低溫時(shí)：溫度降低，強(qiáng)度略提高，塑性等下降，有脆性傾向。冷脆現(xiàn)象：當(dāng)溫度降低至某一溫度以下時(shí)，材料變脆。

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一、鋼材的物理力學(xué)性能(5)應(yīng)力集中

現(xiàn)象：當(dāng)構(gòu)件內(nèi)部缺陷或截面形狀等改變時(shí)，應(yīng)力分布不均勻，出現(xiàn)局部高峰應(yīng)力，促使鋼材變脆。

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

一、鋼材的物理力學(xué)性能4、結(jié)構(gòu)對(duì)鋼材的要求及鋼材的分類(1)結(jié)構(gòu)對(duì)鋼材的要求具有較高的屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)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(jié)力(2)鋼材的選擇：結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的類型及重要性；

作用的性質(zhì)（靜力和動(dòng)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(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期六第三章：材料的性能

一、鋼材的物理力學(xué)性能(3)結(jié)構(gòu)用鋼材的分類

碳素鋼：強(qiáng)度等級(jí)：按屈服強(qiáng)度分五個(gè)品種，Q195~Q275。質(zhì)量等級(jí)：A、B、C、D四級(jí)，對(duì)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(qiáng)度為235，B級(jí)半鎮(zhèn)靜鋼低合金鋼：強(qiáng)度等級(jí)：按屈服強(qiáng)度分五個(gè)品種，Q295~Q460。質(zhì)量等級(jí)：A、B、C、D、E五級(jí)，對(duì)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(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期六第三章：材料的性能

一、鋼材的物理力學(xué)性能(4)鋼材的規(guī)格鋼板：以“―寬度厚度長(zhǎng)度”或“―寬度厚度”表示型鋼：角鋼：等邊“L肢寬厚度”；不等邊“L長(zhǎng)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(hào)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(jí)，符號(hào)+直徑預(yù)應(yīng)力鋼絲：有光面碳素、螺旋肋和三面刻痕鋼絲三種，符號(hào)+直徑預(yù)應(yīng)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(yè)，共三十四頁(yè)，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(xué)性能1、簡(jiǎn)單受力下混凝土的性能(1)受壓的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線特征應(yīng)力小：近似線性關(guān)系應(yīng)力大：非線性關(guān)系近峰值:不穩(wěn)定非線性下降段：反彎點(diǎn)后平緩主要影響因素混凝土強(qiáng)度：強(qiáng)度提高,峰值點(diǎn)應(yīng)變高；下降段陡延性差加載速度：愈大，強(qiáng)度高，峰值應(yīng)變低；下降段陡延性差第十五頁(yè)，共三十四頁(yè)，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(xué)性能數(shù)學(xué)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(qiáng)混凝土(C50以上)第十六頁(yè)，共三十四頁(yè)，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(xué)性能(2)簡(jiǎn)單受力下混凝土的強(qiáng)度立方體抗壓強(qiáng)度立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)方法制作,邊長(zhǎng)150mm立方體,28天齡期，進(jìn)行抗壓實(shí)驗(yàn)得到的破壞時(shí)試件的平均壓應(yīng)力。立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值：95%保證率的立方體抗壓強(qiáng)度值。用途：力學(xué)性能的基本代表值，混凝土強(qiáng)度等級(jí)劃分依據(jù)。強(qiáng)度等級(jí)：按立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值分為14級(jí)，“C+標(biāo)準(zhǔn)值”

軸心抗壓強(qiáng)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(yè)，共三十四頁(yè)，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(xué)性能影響因素：材料成分、養(yǎng)護(hù)、齡期、實(shí)驗(yàn)方法和試件尺寸

與立方體強(qiáng)度的關(guān)系

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

軸心抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)方法：直接拉伸、彎折和劈裂與立方體強(qiáng)度的關(guān)系第十八頁(yè)，共三十四頁(yè)，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(xué)性能(3)混凝土的變形模量原點(diǎn)彈性模量定義：過原點(diǎn)作切線的斜率取值：變形模量定義：原點(diǎn)和任意點(diǎn)作割線的斜率。關(guān)系：彈性特征系數(shù)切線模量：過任一點(diǎn)作切線的斜率為時(shí)的切線模量剪切模量：根據(jù)彈性模量和泊松比確定：第十九頁(yè)，共三十四頁(yè)，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(xué)性能2、復(fù)雜應(yīng)力下混凝土的性能(1)復(fù)合應(yīng)力下混凝土強(qiáng)度和變形

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

第二十頁(yè)，共三十四頁(yè)，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(xué)性能(2)長(zhǎng)期荷載下混凝土的變形混凝土的徐變現(xiàn)象：在荷載長(zhǎng)期作用下，變形將隨時(shí)間而增加；原因：凝膠體的粘性流動(dòng)，內(nèi)部微裂縫不斷產(chǎn)生和發(fā)展等影響：導(dǎo)致變形增大，應(yīng)力重分布和內(nèi)力分布等。

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

瞬時(shí)彈性恢復(fù)、彈性后效，永久應(yīng)變第二十一頁(yè)，共三十四頁(yè)，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(xué)性能影響徐變的主要因素應(yīng)力水平：應(yīng)力越大，徐變也越大應(yīng)力小于0.5fc，線性徐變；大于0.5fc，非線性徐變。齡期：加載時(shí)齡期越短，徐變?cè)酱蠼M成：水泥用量越多，水灰比越大，徐變也越大；骨料強(qiáng)度和彈性模量越高，徐變?cè)叫?。養(yǎng)護(hù)和使用環(huán)境：養(yǎng)護(hù)溫度高，濕度大，徐變?cè)叫。皇芰蟓h(huán)境溫度越高，濕度低，徐變就越大。

第二十二頁(yè)，共三十四頁(yè)，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(xué)性能(3)重復(fù)荷載下混凝土性能一次重復(fù)加載下加載：隨應(yīng)力增加應(yīng)變?cè)黾有遁d：不重復(fù)加載軌跡，有彈性后效和殘余變形

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

(4)混凝土的收縮、膨脹和溫度變形

第二十三頁(yè)，共三十四頁(yè)，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(xué)性能3、鋼筋與混凝土的粘結(jié)(1)鋼筋與混凝土粘結(jié)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(shè)：一端力T，另端為T+dT根據(jù)平衡條件：分析結(jié)果

應(yīng)力變化大，粘結(jié)力大，變化小，粘結(jié)小當(dāng)鋼筋應(yīng)力沒有變化時(shí)，粘結(jié)應(yīng)力等于零

第二十四頁(yè)，共三十四頁(yè)，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(xué)性能有關(guān)的設(shè)計(jì)問題鋼筋端部的錨固裂縫間應(yīng)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(jié)力的組成化學(xué)吸附摩擦機(jī)械咬合附加咬合等作用第二十五頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期六第三章：材料的性能

三、砌體的物理力學(xué)性能1、砌體的材料及種類

(1)塊體材料磚

普通磚：240mm115mm53mm實(shí)心空心磚：全國(guó)無統(tǒng)一規(guī)格分級(jí)：按極限抗壓強(qiáng)度為6級(jí)，以“MU+極限強(qiáng)度”表示砌塊

按材料分：粉煤灰、煤渣混凝土和混凝土等按內(nèi)部結(jié)構(gòu)分：有實(shí)心的，也有空心的按尺寸分：小型<350、中型360～900和大型>900mm分級(jí)：按照極限抗壓強(qiáng)度分5級(jí)，以“MU+極限強(qiáng)度”石材

按照加工的程度：分細(xì)料石、粗料石和毛料石。分級(jí)：按極限抗壓強(qiáng)度，分9級(jí)，以“MU+極限強(qiáng)度”

第二十六頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期六第三章：材料的性能

三、砌體的物理力學(xué)性能(2)砂漿作用：使塊體連成整體；抹平塊體表面；填補(bǔ)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(jí)：按抗壓極限強(qiáng)度分5級(jí)，以“M+極限強(qiáng)度”表示砌體對(duì)砂漿的基本要求符合強(qiáng)度和耐久性要求；應(yīng)具有一定的可塑性，在砌筑時(shí)容易且較均勻地鋪開；應(yīng)具有足夠的保水性，即在運(yùn)輸和砌筑時(shí)保持質(zhì)量的能力。第二十七頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期六第三章：材料的性能

三、砌體的物理力學(xué)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(shí)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(nèi)配置適量的鋼筋，形成配筋砌體，如在水平灰縫中配置網(wǎng)狀鋼筋，形成網(wǎng)狀配筋砌體；在砌體外或預(yù)留槽內(nèi)配置縱向筋形成組合砌體。第二十八頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期六第三章：材料的性能

三、砌體的物理力學(xué)性能2、砌體的力學(xué)性能(1)砌體的抗壓強(qiáng)度破壞過程及應(yīng)力特點(diǎn)受力全過程：第一階段：自受力到單塊磚內(nèi)出現(xiàn)豎向裂縫；第二階段：?jiǎn)螇K磚內(nèi)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(yīng)力特點(diǎn)：不僅存在壓應(yīng)力，而且有彎曲應(yīng)力和剪切應(yīng)力，以及橫向拉壓應(yīng)力

第二十九頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期六第三章：材料的性能

三、砌體的物理力學(xué)性能原因分析：水平灰縫厚度和密實(shí)度不均勻

磚表面力分布不均勻且上下不對(duì)應(yīng)橫向變形時(shí)相互約束

受壓時(shí)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(chǎn)生壓縮變形，磚就象在彈性地基上的梁，其內(nèi)部將產(chǎn)生彎曲應(yīng)力和剪應(yīng)力豎向灰縫處的應(yīng)力集中第三十頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期六第三章：材料的性能

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