建筑結構CD教學作者釧芳林馬丹丁材料的物理力學性能實用教案

1、第三章 材料(cilio)(cilio)的物理力學性能及選用原則 結構材料的力學性能，主要是指材料的強度和變形能力，以及(yj)(yj)材料的本構關系（即應力- -應變關系）。第1頁/共156頁第一頁，共157頁。3.1 建筑(jinzh)鋼材第2頁/共156頁第二頁，共157頁。3.1 建筑(jinzh)鋼材 鋼是含碳量低于2%2%的鐵碳合金（含碳量高于2%2%時為生鐵），鋼經軋制或加工成的鋼筋、鋼絲、鋼板及各種( zhn)( zhn)型鋼，統(tǒng)稱鋼材。 在建筑鋼材中，大量使用碳素結構鋼和普通低合金鋼。 第3頁/共156頁第三頁，共157頁。3.1 建筑(jinzh)鋼材 3.1.1 鋼材(g

2、ngci)的機械性能 3.1.2 鋼材(gngci)的破壞形式 3.1.3 影響鋼材(gngci)機械性能的因素 3.1.4 鋼材(gngci)的種類、規(guī)格及選用第4頁/共156頁第四頁，共157頁。3.1.13.1.1鋼材(gngci)(gngci)的機械性能 1.1.鋼材在單向均勻拉伸時的工作性能 在室溫(sh wn)+20C(sh wn)+20C的條件下，在 拉伸試驗機上進行一次靜力拉 伸驗，直到試件拉斷破壞，并 繪出應力- -應變曲線。 圖3-1 3-1 低碳鋼的應力應變曲線 s se eaabcdefufyf第5頁/共156頁第五頁，共157頁。 由圖中曲線可見，低碳鋼一次拉伸試驗時

3、的工作特性可分成四個階段： (1)彈性階段應力由零到比例極限,鋼材表現(xiàn)出彈性性能，應力與應變成正比，卸荷后變形完全恢復，符合虎克定律。 (2)彈塑性(sxng)階段由比例極限到屈服點,應力超過比例極限后，任一點的變形中都將包括彈性變形和塑性(sxng)變形兩部分，其中的塑性(sxng)變形在卸荷后不再恢復，稱殘余變形。 (3)塑性(sxng)階段(屈服平臺亦稱塑性(sxng)流動階段) 第6頁/共156頁第六頁，共157頁。(4)(4)強化階段鋼材內部結晶組織自行作了調整，抵抗外荷載的能力有所提高，應力與應變關系又開始上升，出現(xiàn)(chxin)(chxin)所謂“自強階段”。 應力達到抗拉強度（

4、或稱極限強度）時，在試件某一薄弱截面上出現(xiàn)(chxin)(chxin)頸縮現(xiàn)象而斷裂破壞。 第7頁/共156頁第七頁，共157頁。2.由靜力拉伸試驗(shyn)得出的鋼材的力學性能指標 通過上述拉伸試驗(shyn)，可以得到鋼材的三個主要機械性能指標：抗拉強度（極限強度）、屈服點及拉伸率。并得出結構設計很重要的幾點結論。第8頁/共156頁第八頁，共157頁。3.1.13.1.1鋼材(gngci)(gngci)的機械性能（1）鋼結構設計規(guī)范規(guī)定，應力達屈服強度fy時為鋼材的強度承載力極限, 抗拉強度作為強度儲備之用。 在抗震結構中，考慮到受拉鋼材可能進入強化階段，故要求其屈服強度與抗拉強度的比值

5、（稱為屈強(q qin)比）不大于0.8，以保證結構的變形能力，因而鋼材的抗拉強度是檢驗鋼材質量的另一強度指標。作為強度儲備之用。第9頁/共156頁第九頁，共157頁。(2)(2)理想(lxing)(lxing)的彈性- -塑性體 對于沒有缺陷和殘余應力影響的試件，比例極限和屈服點比較接近，且屈服點前的應變很?。▽Φ吞间摷s為0.15%0.15%），為簡化計算，通常假設屈服點以前的鋼材為完全彈性的，屈服點以后的為完全塑性的，這樣就可把鋼材視為理想(lxing)(lxing)的彈- -塑性體，其應力- -應變曲線表現(xiàn)為雙直線，如圖3-23-2所示。 fy ey1Es圖3-2 理想(lxing)的彈

6、塑性體的應 力應變曲線 第10頁/共156頁第十頁，共157頁。 對于無明顯屈服點的鋼材，屈服條件是根據(jù)實驗分析結果而人為規(guī)定的，故稱為(chn wi)條件屈服點（或屈服強度）。 條件屈服強度是以卸荷后試件中殘余應變?yōu)?.2%所對應的應力定義的（有時用f0.2表示），這類鋼材不具有明顯的塑性平臺，設計中不宜利用它的塑性。a0.2%s0.2 fu第11頁/共156頁第十一頁，共157頁。(3) (3) 伸長率 反映鋼材在靜力荷載作用下的塑性變形能力(nngl).(nngl). 塑性: :指鋼材破壞前產生變形的能力(nngl)(nngl)。 第12頁/共156頁第十二頁，共157頁。 伸長率是指試

7、件拉斷后原標距的伸長值與原標距的比值（以百分率表示）： （3-1）式中 l1試件原標距長度，一般(ybn)取5d，d為試件直徑； l2試件拉斷后的標距長度； 伸長率（%），當l1=5d時記為5，當l2=10d時記為10 。 伸長率大的鋼材塑性好，拉斷前有明顯預兆；伸長率小的鋼材塑性差，破壞會突然發(fā)生，呈脆性特性。有明顯屈服點的鋼材有較大的伸長率。%100112lll第13頁/共156頁第十三頁，共157頁。3. 其他力學性能指標（1）冷彎性能 冷彎性能是指鋼材在常溫下承受彎曲時產生塑性變形的能力。 由冷彎試驗來確定。 冷彎性能合格是鑒定鋼材在彎曲狀態(tài)(zhungti)下的塑性應變能力和鋼材質量

8、的綜合指標。第14頁/共156頁第十四頁，共157頁。（2）沖擊韌性 韌性是鋼材(gngci)抵抗沖擊荷載的能力，它用材料在斷裂時所吸收的總能量（包括彈性和非彈性能）來度量。 拉伸實驗所表現(xiàn)的鋼材(gngci)性能是靜力性能，而韌性試驗則可獲得鋼材(gngci)的一種動力性能。 韌性 是鋼材(gngci)強度 和塑性的綜 合指標。第15頁/共156頁第十五頁，共157頁。3.1.2鋼材(gngci)的破壞形式 鋼材有兩種性質完全不同的破壞形式，即塑性破壞和脆性破壞。鋼結構所用的材料雖然有較高的塑性和韌性(rn xn),一般為塑性破壞，但在一定條件下，仍然有脆性破壞的可能性。第16頁/共156頁

9、第十六頁，共157頁。3.1.2鋼材(gngci)的破壞形式 1.塑性破壞 塑性破壞是由于變形過大，超過了材料或構件可能的應變能力而產生的，而且僅在構件的應力達到了鋼材的抗拉強度后才發(fā)生。 破壞特征：破壞前構件產生較大的塑性變形，斷裂后的斷口呈纖維狀，色澤發(fā)暗。 破壞后果：在塑性破壞前，由于總有較大的塑性變形發(fā)生，且變形持續(xù)的時間較長，很容易及時發(fā)現(xiàn)而采取措施予以補救，不致引起嚴重后果。另外，塑性變形后出現(xiàn)內力重分布，使結構中原先受力不等的部分應力趨于均勻，因而(yn r)提高結構的承載能力。 第17頁/共156頁第十七頁，共157頁。2脆性破壞 脆性破壞前塑性變形很小，甚至沒有塑性變形，計算

10、應力可能小于鋼材的屈服點，斷裂從應力集中處開始。冶金和機械加工過程中產生的缺陷，特別是缺口和裂紋，常是斷裂的發(fā)源地。 破壞特征(tzhng)：破壞前沒有任何預兆，破壞是突然發(fā)生的，斷口平直并呈有光澤的晶粒狀。 破壞后果：措施，而且個別構件的斷裂常引起整個結構的塌毀，危及人民生命財產的安全，后果嚴重，損失較大。在設計、施工和使用鋼結構時，要特別注意防止出現(xiàn)脆性破壞。第18頁/共156頁第十八頁，共157頁。3.1.3影響(yngxing)鋼材機械性能的因素1.化學成分(chng fn) 鋼筋的力學性能主要取決于它的化學成分(chng fn)。其主要成分(chng fn)是鐵元素，此外還含有少量的

11、碳、錳、硅、硫等元素。 增加含碳量可提高鋼材的強度，但塑性和可焊性降低。錳、硅元素可提高鋼材強度，并保持一定的塑性； 磷、硫是有害元素，其含量超過一定限度時，鋼材塑性明顯降低，磷使鋼材冷脆，硫使鋼材熱脆，且焊接質量也不宜保證。氧和氮也是有害元素，氧與硫相似，氮與磷相似。第19頁/共156頁第十九頁，共157頁。2.冶煉與軋制 鋼材的化學成份與含量、金相組織(zzh)及不可避免的冶金缺陷等都是在冶煉過程中形成的，冶煉過程中因脫氧程度不同，分為鎮(zhèn)靜鋼、半鎮(zhèn)靜鋼、特種鎮(zhèn)靜鋼和沸騰鋼，脫氧程度愈高，鋼材性能愈好。鋼材的軋制是在12001300C高溫下進行的。軋制能使金屬晶粒變細，消除氣泡和裂紋等。通常

12、，厚度小的鋼材的強度較厚度大者高。第20頁/共156頁第二十頁，共157頁。 3鋼材硬化 (1)冷作硬化 鋼材在彈塑性階段或塑性階段卸荷后，如再重新加荷，其屈服強度將提高，而塑性和韌性降低( jingd)，這種現(xiàn)象叫做冷作硬化或應變硬化（圖3-6）。 冷彎、冷拉、沖孔、機械剪切等冷加工使鋼材產生很大塑性變形，從而提高了鋼的屈服點，同時降低( jingd)了鋼的塑性和韌性。 第21頁/共156頁第二十一頁，共157頁。3.1.3影響鋼材(gngci)機械性能的因素(2)時效硬化時效硬化:冶煉時熔化于鐵中的少量氮和碳，隨著時間的增長(zngzhng)逐漸從純鐵中析出，形成自由碳化物和氮化物，對純鐵

13、體的塑性變形起著遏制作用，從而使鋼材的強度提高，塑性和韌性下降。這種現(xiàn)象稱為時效硬化（圖3-6），俗稱老化。人工實效:時效硬化的過程一般較長，但如在材料塑性變形后加熱，可使時效硬化發(fā)展特別迅速。這種方法謂之人工實效。 第22頁/共156頁第二十二頁，共157頁。圖3-6 冷作硬化(ynghu)和時效硬化(ynghu) 第23頁/共156頁第二十三頁，共157頁。4.溫度影響 鋼材的內部晶體組織(zzh)對溫度很敏感，溫度升高與降低都會使鋼材性能發(fā)生變化。溫度高于100C以上時，強度降低，塑性增大；250C左右鋼材的強度略有提高，塑性降低，鋼材呈脆性（藍脆現(xiàn)象）；當溫度超過250350C時，鋼材

14、將產生徐變現(xiàn)象。 隨著溫度下降，鋼材的脆性傾向也將增加。第24頁/共156頁第二十四頁，共157頁。5.5.應力集中 在鋼結構的構件中不可避免的存在著孔洞、槽口、凹角、裂紋、厚度變化、形狀改變及內部缺陷等統(tǒng)稱為構造缺陷。由于構造缺陷，鋼材中的應力不再保持均勻分布，而是在構造缺陷區(qū)域的某些點產生局部應力高峰，而在其它一些(yxi)(yxi)點則應力降低，這種現(xiàn)象稱為應力集中。應力集中是構成構件脆性破壞的主要原因之一。圖3-7 應力集中(jzhng)現(xiàn)象 第25頁/共156頁第二十五頁，共157頁。 6. 6.反復荷載作用 鋼材在反復荷載作用下，結構的抗力及性能都會發(fā)生重要變化，甚至(shnzh)

15、(shnzh)發(fā)生疲勞破壞。在直接的連續(xù)反復的動力荷載作用下，根據(jù)實驗，鋼材的強度將降低，即低于一次靜力荷載作用下的拉伸試驗的極限強度，這中現(xiàn)象稱為鋼材的疲勞。疲勞現(xiàn)象表現(xiàn)為突然發(fā)生的脆性斷裂。 第26頁/共156頁第二十六頁，共157頁。 原因 實際上疲勞(plo)(plo)破壞乃是累計損傷的結果。材料總是有“缺陷”的，在反復荷載作用下，先在其缺陷部位發(fā)生塑性變形和硬化而生成極小的裂痕，此后這種微觀裂痕逐漸發(fā)展成宏觀裂紋，試件截面削弱，而在裂紋根部出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，使材料處于三向拉伸應力狀態(tài)，塑性變形受到限制，當反復荷載達到一定的循環(huán)次數(shù)時，材料終于破壞，并表現(xiàn)為突然的脆性斷裂。第27頁/共

16、156頁第二十七頁，共157頁。7.7.復雜應力作用(zuyng)(zuyng)下鋼材的屈服條件 在復雜應力作用下，鋼材由彈性狀態(tài)進入塑性狀態(tài)的條件(tiojin)是按能量強度理論（或第四強度理論）計算的折算應力與單項應力下的屈服點相比較來判斷： （3-2） 當 時，為彈性狀態(tài)；當 時，為塑性狀態(tài) reds)( 3)(222222zxyzxyxzzyyxzyxredssssssssssyfredsyf第28頁/共156頁第二十八頁，共157頁。幾種情況： 如三向應力有一項很小（如厚度較小，厚度方向的應力可忽略不計）或為零時，則屬于平面(pngmin)應力狀態(tài)，式（3-2）成為 （3-3） 在一

17、般梁中，只存在 正應力和剪應力，則 2223xyyxyxredsssss23ssred第29頁/共156頁第二十九頁，共157頁。 當只有剪應力時， ，則 （3-5） 由此得 （3-6） 因此，鋼結構設計規(guī)范確定(qudng)鋼材抗剪設計強度為抗拉設計強度的0.58倍。 當平面或立體應力皆為同號且差值又較小時，材料很難進入塑性狀態(tài)，甚至破壞時也沒有明顯的塑性變形，呈脆性破壞。但當有一向為異號應力，且同號的兩個應力又相差較大時，材料比較容易進入塑性狀態(tài)。 0syredfs332yyff58.03第30頁/共156頁第三十頁，共157頁。 鋼按用途可分為建筑及工程用鋼、機器結構鋼、工具鋼和特殊性能

18、鋼等，建筑及工程用鋼又分為優(yōu)質碳素結構鋼和低合金高強度結構鋼。1.鋼材的種類 (1)碳素結構鋼 鋼的牌號(piho)由代表屈服點的字母Q、屈服點數(shù)值、質量等級符號（A、B、C、D）、脫氧方法符號等四個部分按順序組成。3.1.4 鋼材(gngci)的種類、規(guī)格及選用第31頁/共156頁第三十一頁，共157頁。 按質量等級將鋼分為A、B、C、D四級，A級鋼只保證抗拉強度(kn l qin d)、屈服點、伸長率，必要時尚可附加冷彎試驗的要求，化學成分對碳、錳可以不作為交貨條件。B、C、D級鋼均保證抗拉強度(kn l qin d)、屈服點、伸長率、冷彎和沖擊韌性（分別為+20C，0C，-20C）等力學

19、性能?；瘜W成分對碳、硫、磷的極限含量比舊標準要求更加嚴格。 根據(jù)鋼材厚度（直徑）16mm時的屈服點數(shù)值，分為Q195、Q215、Q235、Q255、Q275。第32頁/共156頁第三十二頁，共157頁。 （2）低合金高強度結構鋼 采用與碳素結構鋼相同的鋼號表示方法，仍然根據(jù)鋼材厚度（直徑）16mm時的屈服點數(shù)值，分為Q295、Q345、Q390、Q420、Q460。 鋼的牌號仍有質量等級符號，除與碳素結構鋼A、B、C、D四個等級相同外增加一個等級E，主要是要求-40C的沖擊韌性。 低合金高強度結構鋼一般為鎮(zhèn)靜鋼，因此鋼的牌號中不注明脫氧方法。冶煉方法也有供方自行選擇。 A級鋼應進行(jnxng

20、)冷彎試驗，其他質量級別鋼如供方能保證彎曲試驗結果符合規(guī)定要求，可不做檢驗。Q460鋼和各牌號D、E級鋼一般不供應型鋼和鋼棒。第33頁/共156頁第三十三頁，共157頁。2.鋼材的選用 (1)選擇鋼材時考慮的因素有： 結構的重要性。 荷載情況。 連接方法。 結構所處(su ch)的溫度和環(huán)境。 鋼材厚度。 第34頁/共156頁第三十四頁，共157頁。(2)鋼材的選擇 對鋼材質量的要求，一般的 說 ， 承 重 結 構 的 鋼 材 應 保 證(bozhng)抗拉強度、屈服點、伸長率和硫、磷的極限含量，對焊接結構尚應保證(bozhng)碳的極限含量（由于Q235-A鋼的碳含量不作為交換條件，故一般不

21、用于焊接結構）。 焊接承重結構以及重要的非焊接承重結構的鋼材應具有冷彎試驗的合格保證(bozhng)。第35頁/共156頁第三十五頁，共157頁。 對于需要驗算疲勞的以及主要的受拉或受彎的焊接結構的鋼材，應具有常溫沖擊韌性的合格保證(bozhng)。當結構工作溫度等于或低于0但高于-20時，Q235鋼和Q345鋼應具有0沖擊韌性的合格保證(bozhng) ；對Q390鋼和Q420鋼應具有-20沖擊韌性的合格保證(bozhng)。當結構工作溫度等于或低于-20時，Q235鋼和Q345鋼應具有-20沖擊韌性的合格保證(bozhng)；對Q390鋼和Q420鋼應具有-40沖擊韌性的合格保證(bozh

22、ng)。第36頁/共156頁第三十六頁，共157頁。3.3.鋼材(gngci)(gngci)的規(guī)格 鋼結構采用的型材有熱軋成型的鋼板(gngbn)和型鋼以及冷彎（或冷壓）成型的薄壁型鋼。 (1)熱軋鋼板(gngbn) 熱軋鋼板(gngbn)有厚鋼板(gngbn)（厚度4.560mm）和薄鋼板(gngbn)（厚度為0.354mm），還有扁鋼（厚度為460mm，寬度為30200mm，此鋼板(gngbn)寬度?。?。鋼板(gngbn)的表示方法為，在符號“”后加“寬度厚度長度”，如600101200，單位為mm。第37頁/共156頁第三十七頁，共157頁。(2)熱軋(r zh)型鋼 1)角鋼。 分等邊

23、和不等邊兩種。不等邊角鋼的表示方法為，在符號“”后加“長邊寬短邊寬厚度”，如100808，對于等邊角鋼則以邊寬和厚度表示，如1008，單位皆為毫米。2)工字鋼。 工字鋼有普通工字鋼、輕型工字鋼和H型鋼。普通工字鋼和輕型工字鋼用號數(shù)表示，號數(shù)即為其截面高度的厘米數(shù)。20號以上的工字鋼，同一號數(shù)有三種腹板厚度分別為a，b，c三類。如I30a、I30b、I30c。第38頁/共156頁第三十八頁，共157頁。 H型鋼與普通工字鋼相比，其翼緣內外(niwi)兩側平行，便于與其他構件相連。它可分為寬翼緣H型鋼（代號HW，翼緣寬度B與截面高度H相等）、中翼緣H型鋼（代號HM，B=（1/22/3）、窄翼緣型鋼

24、（代號，=（1/31/2）。各種型鋼均可剖分為型鋼供應，代號分別為、和。型鋼和部分型鋼的規(guī)格標記均采用：高度寬度腹板厚度1翼緣厚度2表示。例如340250914，其剖分型鋼為170250914，單位均為。第39頁/共156頁第三十九頁，共157頁。3)3)槽鋼。 有普通槽鋼和輕型槽鋼兩種，也以其截面高度的厘米數(shù)編號，如 。 4)4)鋼管。 有普通鋼管和焊接鋼管兩種, ,用符號“”“”后面加“外徑(wi (wi jn)jn)厚度”表示，如4004006 6，單位為mmmm。 第40頁/共156頁第四十頁，共157頁。3.1.4 鋼材的種類、規(guī)格(gug)及選用圖3-9 熱軋(r zh)型鋼截面第

25、41頁/共156頁第四十一頁，共157頁。(3)(3)薄型鋼板 薄型鋼板（圖3-103-10）是用薄鋼板（一般采用Q235Q235或Q345Q345鋼），經模壓(my)(my)或彎曲而制成，其壁厚一般為1.51.55mm5mm。有防銹涂層的彩色壓型鋼板（圖1-81-8）；所用鋼板厚度為0.40.41.6mm1.6mm，用作輕型屋面及墻面等構件。3.1.4 鋼材的種類(zhngli)、規(guī)格及選用第42頁/共156頁第四十二頁，共157頁。圖3-10 薄壁型鋼(xnggng)截面第43頁/共156頁第四十三頁，共157頁。第44頁/共156頁第四十四頁，共157頁。第45頁/共156頁第四十五頁，

26、共157頁。第46頁/共156頁第四十六頁，共157頁。3.2 3.2 鋼 筋第47頁/共156頁第四十七頁，共157頁。3.2 3.2 鋼 筋 3.2.1 鋼筋的物理力學性能 3.2.2 鋼筋的形式和品種(pnzhng) 3.2.3 鋼筋選用及檢驗第48頁/共156頁第四十八頁，共157頁。3.2.1 鋼筋(gngjn)的物理力學性能1.鋼筋的應力-應變曲線 在鋼筋混凝土結構和預應力混凝土結構以及鋼結構中所用的鋼材可分為兩類，即有明顯屈服點的鋼材和無明顯屈服點的鋼材。 對無明顯屈服點的鋼材（混凝土中的熱處理鋼筋和鋼絲），其條件屈服強度不易(b y)測定，這類鋼材在質量檢驗時以其抗拉強度作為主

27、要強度指標，并以抗拉強度的0.8倍作為條件屈服強度。第49頁/共156頁第四十九頁，共157頁。2.鋼材物理性能指標 鋼材在彈性階段的應力和相應應變的比值為常量，該比值即鋼材的彈性模量。 （3-7） 式中： 屈服前的鋼材應力（）； 相應的鋼材應變。 鋼材的彈性模量可由拉伸試驗測定，同一品種(pnzhng)鋼材的受拉和受壓彈性模量相同。 鋼材在單項受壓（粗而短的試件）時，受力性能基本上和單項受拉時相同。受剪的情況也相似，但屈服點及抗剪強度均較受拉時為低；剪變模量G也低于彈性模量E。 sses/ssse第50頁/共156頁第五十頁，共157頁。3.2.2 鋼筋的形式(xngsh)和品種 目前我國鋼

28、筋混凝土及預應力混凝土結構中采用的鋼筋和鋼絲有熱軋鋼筋、冷拉鋼筋、鋼絲和熱處理鋼筋等種類(zhngli)，其中應用量最大的是熱軋鋼筋。圖3-11鋼筋(gngjn)和鋼絲的種類第51頁/共156頁第五十一頁，共157頁。1.1.熱軋鋼筋(gngjn)(gngjn)HPB235HPB235級、HRB335HRB335級、HRB400HRB400級、RRB400RRB400級 HPB235 HPB235級(級) )鋼筋(gngjn)(gngjn)多為光面鋼筋(gngjn)(gngjn)（Plain BarPlain Bar），多作為現(xiàn)澆樓板的受力鋼筋(gngjn)(gngjn)和箍筋 HRB335

29、HRB335級(級) )和 HRB400 HRB400級(級) )鋼筋(gngjn)(gngjn)強度較高，多作為鋼筋(gngjn)(gngjn)混凝土構件的受力鋼筋(gngjn)(gngjn)，尺寸較大的構件，也有用級鋼筋(gngjn)(gngjn)作箍筋的為增強與混凝土的粘結（BondBond），外形制作成月牙肋或等高肋的變形鋼筋(gngjn)(gngjn)（Deformed Deformed BarBar）。 RRB400 RRB400級(級) ) 強度太高，不適宜作為鋼筋(gngjn)(gngjn)混凝土構件中的配筋，一般冷拉后作預應力筋第52頁/共156頁第五十二頁，共157頁。第5

30、3頁/共156頁第五十三頁，共157頁。3.2.2 鋼筋(gngjn)的形式和品種2.冷加工鋼筋（ cold working rebar） 是由熱軋鋼筋和盤條經冷拉、冷拔、冷軋、冷扭加工后而成。冷加工的目的是為了提高鋼筋的強度，節(jié)約鋼材。但經冷加工后，塑性降低，使鋼材產生硬化(ynghu)，增加鋼結構脆性破壞的危險。近年來，冷加工鋼筋的品種很多，應根據(jù)專門規(guī)程使用。第54頁/共156頁第五十四頁，共157頁。3.鋼絲 （wire）按外形預應力鋼絲分為光面鋼絲、螺旋肋鋼絲和刻痕鋼絲三種他們的共同特點是強度高，但伸長率較低。在構件中采用預應力鋼絲可收到節(jié)省鋼材、減少構件截面和節(jié)省混凝土的效果。 1

31、)刻痕鋼絲是在光面鋼絲的表面經過機械刻痕處理而成，以增加(zngji)與混凝土的粘結能力。2)螺旋肋鋼絲是以普通低碳鋼或低合金鋼熱軋的圓盤條為母材，經冷軋減徑后在其表面冷軋成兩面或三面有月牙肋的鋼筋。3)鋼絞線則是由幾根高強鋼絲捻制在一起經過低溫回火處理清除內應力后而制成，鋼絞線強度高，與混凝土的粘結力好，多用于大跨度、重荷載的預應力混凝土結構中。 第55頁/共156頁第五十五頁，共157頁。第56頁/共156頁第五十六頁，共157頁。4.熱處理（ heat treatment ）鋼筋 熱處理是對某些特定鋼號的熱軋鋼筋進行淬火和回火處理，鋼筋經淬火后硬度大幅度提高，但塑性和韌性降低，通過回火又

32、可以(ky)在不降低強度的前提下，消除由淬火產生的內應力，改善塑性和韌性，使這些鋼筋成為較理想的預應力鋼筋。第57頁/共156頁第五十七頁，共157頁。普通鋼筋強度標準值（N/mm2）種 類符號fykHPB235(Q235)235HRB335(20MnSi)335熱軋鋼筋HRB400(20MnSiV、20MnSiNb、20MnTi)RRB400(20MnSi)400第58頁/共156頁第五十八頁，共157頁。預應力鋼筋強度標準值（N/mm2）種 類fptk消除應力鋼絲螺旋肋鋼絲491470157016701770刻痕鋼絲5、714701570二股d=10.0d=12.01720三股d=10.8

33、d=12.91720鋼絞線七股d=9.5d=11.1d=12.7d=15.21860186018601860，1820，1720熱處理鋼筋40Si2Mn(d=6)48Si2Mn(d=8.2)45Si2Cr(d=10)14701、 鋼絞線直徑 d 系指鋼絞線外接圓直徑2、 各種直徑、鋼絲、鋼絞線的截面積見附錄第59頁/共156頁第五十九頁，共157頁。3.2.3 鋼筋選用(xunyng)及檢驗1鋼筋的選用（1）鋼筋與混凝土共同工作的原因 1） 二者間的粘結力是鋼筋和混凝土共同工作的基礎。 2） 鋼筋和混凝土具有相近的溫度線膨脹系數(shù)： 3） 混凝土包裹在鋼筋的外面，提供的堿性環(huán)境可以保護鋼筋免受銹

34、蝕(xi sh)，從而保證結構構件的耐久性。第60頁/共156頁第六十頁，共157頁。3.2.3 鋼筋(gngjn)選用及檢驗（2）混凝土結構對鋼筋性能的主要要求是： 1） 強度。強度是指鋼筋的屈服強度和極限 強度。 2） 塑性。 3） 可焊性。 4） 與混凝土的粘結力。 在寒冷(hnlng)地區(qū)，對鋼筋的低溫性能尚有一定的要求。第61頁/共156頁第六十一頁，共157頁。(3)鋼筋的選用原則(yunz) 鋼筋混凝土設計規(guī)范（GB50010-2002）規(guī)定：普通鋼筋宜采用HRB400和HRB335級鋼筋，也可采用HPB235級和RRB400級鋼筋；預應力鋼筋宜采用預應力鋼絞線、鋼絲、也可采用熱

35、處理鋼筋。第62頁/共156頁第六十二頁，共157頁。 2.鋼筋的檢驗(jinyn) 在 對 有 明 顯 屈 服 點 的 鋼 筋 進 行 質 量 檢 驗(jinyn)時，主要應測定屈服強度、極限抗拉強度、伸長率和冷彎性能這四項指標。必要時，還須補充進行抗沖擊韌性和冷彎性能等項檢驗(jinyn)。 由于沒有明顯屈服點的鋼筋的條件屈服強度不容易測定，因此在這類鋼筋的質量檢驗(jinyn)中就以極限抗拉強度作為檢測的主要檢測指標。于是，在這類鋼筋的質量檢驗(jinyn)中需要測定的鋼筋一般只有三項：極限抗拉強度、伸長率和冷彎性能。 第63頁/共156頁第六十三頁，共157頁。3.3 混凝土第64頁/

36、共156頁第六十四頁，共157頁。3.3 3.3 混凝土 3.3.1 混凝土的強度(qingd) 3.3.2混凝土的變形 3.3.3混凝土的徐變和收縮 3.3.4混凝土的選用原則第65頁/共156頁第六十五頁，共157頁。3.3 3.3 混凝土 混凝土是由水、水泥和骨料（包括(boku)粗骨料和細骨料，粗骨料有碎石、卵石等；細骨料有粗砂、中砂、細砂等）等材料按一定配合比拌合、入模澆搗、養(yǎng)護硬化后形成的人工石材。 第66頁/共156頁第六十六頁，共157頁。3.3.1 混凝土的強度(qingd)1立方體抗壓強度和強度等級 混凝土結構中，主要是利用它的抗壓強度。因此抗壓強度是混凝土力學性能中最主要

37、和最基本的指標。 混凝土的立方體抗壓強度是衡量(hng ling)混凝土強度大小的基本指標，是評價混凝土強度等級的標準。 第67頁/共156頁第六十七頁，共157頁。 1 1）立方體抗壓強度的確定方法。 規(guī)范規(guī)定混凝土立方體抗壓強度的確定方法：用邊長為150mm150mm的標準立方體試件，在標準養(yǎng)護條件下（溫度(wnd)20 (wnd)20 33，相對濕度不小于90%90%）養(yǎng)護2828天后，按照標準試驗方法（試件的承壓面不涂潤滑劑，加荷速度約每秒0.150.150.3N/mm20.3N/mm2）測得的具有95%95%保證率的抗壓強度，作為混凝土的立方抗壓強度標準值，用符號fcu,kfcu,k

38、表示。 第68頁/共156頁第六十八頁，共157頁。3.3.1 混凝土的強度(qingd)2）混凝土強度等級。 規(guī)范規(guī)定的混凝土強度等級，是按立方體強度標準值（即有95%超值保證率）確定的，用“C”表示，規(guī)范中列出14個等級，即：C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75、C80。字母C后面的數(shù)字表示以 為單位(dnwi)的立方體抗壓強度標準值。2mm/N第69頁/共156頁第六十九頁，共157頁。3)影響強度試驗的因素。尺寸效應：尺寸越大，內部(nib)缺陷較多，強度較低。加載速度：加載速度越快，強度越低。 端部約束：涂潤滑油，強度

39、降低。第70頁/共156頁第七十頁，共157頁。2混凝土的軸心抗壓強度（棱柱體強度） 用標準棱柱體試件測定的混凝土抗壓強度，稱為混凝土的軸心抗壓強度或棱柱體強度，用符號 表示。 采用棱柱體試件，反映混凝土的實際工作狀態(tài)。在鋼筋混凝土結構中，進行受彎構件、受壓構件以及偏心受拉構件的承載力計算時，要采用混凝土的軸心抗壓強度作為設計指標(zhbio)。 國家標準普通混凝土力學性能試驗方法（CBJ8185）規(guī)定以150150300的試件作為試驗混凝土軸心抗壓強度的標準試件。cf第71頁/共156頁第七十一頁，共157頁。3.3.1 混凝土的強度(qingd) 混凝土的軸心抗壓強度標準值與立方體抗壓強度

40、標準值之間存在下列關系 （3-1） 式中： 棱柱體強度與立方體強度之比值，對C50混凝土取 0.76，對C80取 0.82，中間按線性規(guī)律變化； C40以上(yshng)混凝土脆性折減系數(shù)，對C40取 1.0，對C80取 0.87，中間按線性規(guī)律變化。 c1kcuccff,2188. 0c1c1c2c2c2第72頁/共156頁第七十二頁，共157頁。3.混凝土的軸心抗拉強度 混凝土的抗拉強度遠小于其抗壓強度，一般只有抗壓強度的1/181/9。因此，在鋼筋混凝土結構中，一般不采用混凝土承受拉力。但進行混凝土以及(yj)預應力混凝土構件的抗裂度和裂縫寬度計算時，需要知道混凝土的抗拉強度，以及(yj

41、)受剪、受扭、受沖切等的承載力均與抗拉強度有關。混凝土的軸心抗拉強度用 表示。 tf第73頁/共156頁第七十三頁，共157頁。 混凝土抗拉強度(kn l qin d)的測定方法分為兩類：一類為直接測試法，另一類為間接測試方法，如劈裂試驗等。 500 150 15010016軸心受拉試驗拉壓壓第74頁/共156頁第七十四頁，共157頁。3.3.1 混凝土的強度(qingd) 混凝土的軸心抗拉強度標準值ftk與立方體抗壓強度標準值fcu,k之間具有以下(yxi)對應關系： (3-2) 混凝土強度變異系數(shù)2c45. 055. 0k ,cutk)645. 11 (395. 088. 0ff第75頁/

42、共156頁第七十五頁，共157頁。3.3.2混凝土的變形(bin xng) 一類是由于荷載作用(zuyng)而產生的變形: 1)一次短期加荷時的變形。 2)荷載長期作用(zuyng)下的變形。 一類是非荷載作用(zuyng)下的變形： 1）混凝土的化學收縮。 2）混凝土的干濕變形。 3）混凝土的溫度變形等。第76頁/共156頁第七十六頁，共157頁。1混凝土在短期荷載作用下的變形（1）混凝土在短期荷載作用下的的應力-應變曲線 混凝土在單軸短期單調加載過程中的應力-應變關系（-曲線）是混凝土最基本( jbn)的力學性能之一，它是研究鋼筋混凝土構件強度、裂縫、變形、延性所必須的依據(jù)。 3.3.2混

43、凝土的變形(bin xng)第77頁/共156頁第七十七頁，共157頁。 （1）混凝土在短期荷載作用下的的應力(yngl)-應變曲線 混凝土的應力(yngl)-應變曲線通常用棱柱體試件進行測定，在試件的四個側面安裝應變儀測讀縱向壓應變的變化，如圖所示為軸心受壓混凝土典型的應力(yngl)-應變曲線，圖中幾個特征階段如下：3.3.2混凝土的變形(bin xng)第78頁/共156頁第七十八頁，共157頁。02468102030s(MPa)e 10-3AA點以前，微裂縫沒有明顯發(fā)展，混凝土的變形主要彈性變形，應力-應變關系近似直線。A點應力隨混凝土強度的提高而增加(zngji)，對普通強度混凝土s

44、A約為 (0.30.4)fc ，對高強混凝土sA可達(0.50.7)fc。BCED第79頁/共156頁第七十九頁，共157頁。02468102030s(MPa)e 10-3BAA點以后，由于微裂縫處的應力集中，裂縫開始有所延伸發(fā)展，產生部分塑性變形，應變(yngbin)增長開始加快，應力-應變(yngbin)曲線逐漸偏離直線。微裂縫的發(fā)展導致混凝土的橫向變形（expansion）增加 。但該階段微裂縫的發(fā)展是穩(wěn)定的。CED第80頁/共156頁第八十頁，共157頁。02468102030s(MPa)e 10-3BA達到B點，內部一些微裂縫相互連通，裂縫發(fā)展已不穩(wěn)定，橫向變形突然增大，體積應變開始

45、由壓縮轉為增加。在此應力的長期作用下，裂縫會持續(xù)發(fā)展最終導致破壞。取B點的應力作為(zuwi)混凝土的長期抗壓強度。普通強度混凝土sB約為0.8fc，高強強度混凝土sB可達0.95fc以上。CED第81頁/共156頁第八十一頁，共157頁。02468102030s(MPa)e 10-3BACED達到C點 fc，內部微裂縫連通形成破壞面，應變增長速度明顯(mngxin)加快，C點的縱向應變值稱為峰值應變 e 0，約為0.002?？v向應變(yngbin)發(fā)展達到D點，內部裂縫在試件表面出現(xiàn)第一條可見平行于受力方向的縱向裂縫。第82頁/共156頁第八十二頁，共157頁。02468102030s(MP

46、a)e 10-3BACED隨應變增長，試件上相繼出現(xiàn)多條不連續(xù)的縱向裂縫，橫向(hn xin)變形急劇發(fā)展，承載力明顯下降。第83頁/共156頁第八十三頁，共157頁。02468102030s(MPa)e 10-3BACED混凝土骨料與砂漿的粘結不斷遭到破，裂縫連通(lintng)形成斜向破壞面。E點的應變e = (23) e 0，應力s = (0.40.6) fc。第84頁/共156頁第八十四頁，共157頁。02468102030s(MPa)e 10-3BACEDE點以后，縱向裂縫形成一斜向破壞面，此破壞面受正應力和剪應力的作用繼續(xù)擴展(kuzhn)，形成一破壞帶。此時試件的強度由斜向破壞面

47、上的骨料間的摩阻力提供。隨應變繼續(xù)發(fā)展，摩阻力和粘結力不斷下降，但即使在很大的應變下，骨料間仍有一定摩阻力，殘余強度，約為(0.10.4) fc。第85頁/共156頁第八十五頁，共157頁。 從混凝土應力- -應變曲線可以看出：混凝土的應力- -應變關系圖形是一條曲線，這說明混凝土是一種彈塑性材料，只有當壓應力很小時，才可將其視為彈性材料。曲線分為上升段和下降段，說明混凝土在破壞過程中，承載力有一個從增加到減少的過程，當混凝土的壓應力達到(d do)(d do)最大時，并不意味著立即破壞。因此，混凝土最大應變對應的不是最大應力，最大應力對應的也不是最大應變。 影響混凝土應力- -應變曲線形狀的

48、因素很多，如混凝土強度、組成材料的性質及配合比、試驗方法及約束情況等。第86頁/共156頁第八十六頁，共157頁。 試驗表明不同強度的混凝土，對應力-應變曲線上升段的影響不大，壓應力的峰值對應的應變值大致(dzh)約為0.002。對于下降段，混凝土強度越高，應力下降越劇烈，也即延性越差。而強度較低的混凝土，曲線的下降段較平緩，也即低強度混凝土的延性要好些。 不同強度混凝土的應力-應變關系曲線第87頁/共156頁第八十七頁，共157頁。 試驗表明，加荷速度對混凝土的應力-應變曲線也有影響。隨著加荷速度的增加(zngji),最大應力值也增加(zngji)，但到達最大應力值的應變小了，也使曲線的下降

49、比較陡峭。 試驗還表明，橫向鋼筋的約束作用對混凝土的應力-應變曲線也有較明顯的影響。隨著配箍量的增加(zngji)及箍筋的加密，混凝土應力-應變曲線的峰值不僅有所提高，而且峰值應變的增大，及曲線下降段的下降減緩都比較明顯。在這里橫向鋼筋實際上起到了側向約束的作用，構件已處于多項應力狀態(tài)。承受地震作用的構件，采用加密箍筋的方法不僅可使混凝土強度有所提高，而且可以有效地提高混凝土構件的延性。 第88頁/共156頁第八十八頁，共157頁。（2）混凝土的彈性模量(tn xn m lin)和變形模量 1）彈性模量(tn xn m lin)。 彈性模量反映了材料受力后的應力-應變性質。當應力較小時，混凝土

50、具有彈性性質，混凝土在這個階段的的彈性模量可用應力-應變曲線過原點切線的正切表示(biosh)（圖3.13），稱為初始彈性模量（簡稱彈性模量）。第89頁/共156頁第八十九頁，共157頁。（2）混凝土的彈性模量(tn xn m lin)和變形模量2）變形模量。 嚴格說來，當混凝土進入塑性階段后，初始彈性模量(tn xn m lin)已不能反應這時的應力-應變性質。因此有時用切線模量和割線模量來表示這時的應力應變性質。第90頁/共156頁第九十頁，共157頁。 切線模量 ：過某一點(y din)(y din)切線的斜率。 割線模量 ：某一點(y din)(y din)與原點連線的斜率。 割線模量

51、 切線模量 割線模量表示了曲線上某點總應力與總應變之比，而總應變包括彈、塑性變形，所以割線模量也稱為混凝土的變形模量。第91頁/共156頁第九十一頁，共157頁。圖3.13 混凝土彈性模量(tn xn m lin)及變形模量 第92頁/共156頁第九十二頁，共157頁。 混凝土受拉彈性模量與受壓時基本一致，因此可取相同值。 泊 松 比 ： 橫 向 應 變 ( y n g b i n )( y n g b i n ) 與 縱 向 應 變(yngbin)(yngbin)之比稱為泊松比。 剪切彈性模量 影響混凝土剪切彈性模量的因素一般認為與彈性模量相似，可按我國規(guī)范所給的混凝土彈性模量的0.40.4

52、倍采用，相當于取=0.2=0.2。)1 (2ccEG第93頁/共156頁第九十三頁，共157頁。3.3.3混凝土的徐變和收縮(shu su)（1）混凝土的徐變1）徐變的過程。概念：混凝土在荷載長期作用下產生隨時間而增長的變形稱為徐變。影響：徐變會造成結構(jigu)的內力重分布，會使變形增大，會引起預應力損失，在高應力作用下，還會導致構件破壞。過程：隨荷載作用時間的延續(xù)，變形不斷增長，前4個月徐變增長較快，6個月可達最終徐變的（7080）%，以后增長逐漸緩慢，23年后趨于穩(wěn)定。第94頁/共156頁第九十四頁，共157頁。eleeleeleelecre第95頁/共156頁第九十五頁，共157頁。

53、（1）混凝土的徐變2）影響徐變的因素。內在因素是混凝土的組成和配比(pi b)。骨料的剛度（彈性模量）越大，體積比越大，徐變就越小。水灰比越小，徐變也越小。環(huán)境影響包括養(yǎng)護和使用條件。受荷前養(yǎng)護的溫濕度越高，水泥水化作用充分，徐變就越小。采用蒸汽養(yǎng)護可使徐變減少（2035）%。受荷后構件所處的環(huán)境溫度越高，相對濕度越小，徐變就越大。第96頁/共156頁第九十六頁，共157頁。（1）混凝土的徐變3）徐變對構件的影響。鋼筋(gngjn)混凝土軸心受壓構件在不變荷載的長期作用下，混凝土將產生徐變。由于鋼筋(gngjn)與混凝土的粘結作用，兩者共同變形，混凝土的徐變將迫使鋼筋(gngjn)的應變增大，

54、鋼筋(gngjn)應力也相應增大；但外荷載保持不變，由平衡條件可知，混凝土的應力必將減少，這樣就產生了應力重分布，使得構件中鋼筋(gngjn)和混凝土的實際應力和設計計算時所得出的數(shù)值不一樣。徐變使受彎構件和偏壓構件變形增大。在軸壓構件中，徐變使鋼筋(gngjn)應力增加，混凝土應力減小。在預應力構件中，徐變使預應力發(fā)生損失；在超靜定結構中，徐變使內力發(fā)生重分布。第97頁/共156頁第九十七頁，共157頁。3.3.3混凝土的徐變和收縮(shu su)(2)混凝土的收縮1）收縮的過程(guchng)。 混凝土在空氣中結硬時其體積會縮小，這種現(xiàn)象稱為混凝土的收縮?；炷猎谒薪Y硬時體積會膨脹。收縮

55、和膨脹是混凝土在不受力情況下因體積變化而產生的變形。第98頁/共156頁第九十八頁，共157頁。 通常認為混凝土的收縮是由凝膠體本身的體積收縮（即凝結）和混凝土因失水產生的體積收縮（即干縮）所組成?；炷恋氖湛s在早期發(fā)展較快，以后逐漸放慢(fn mn)（圖3.15），整個收縮過程可延續(xù)2年以上，最后趨于一個最終收縮值。圖3.15 混凝土的收縮(shu su)第99頁/共156頁第九十九頁，共157頁。 2）影響收縮的因素?；炷恋氖湛s受結構周圍的溫度、濕度、構件斷面形狀及尺寸、配合比、骨料性質、水泥性質、混凝土澆筑質量及養(yǎng)護條件等許多(xdu)因素有關。 水泥用量多、水灰比越大，收縮越大。 骨

56、料彈性模量高、級配好，收縮就小。 干燥失水及高溫環(huán)境，收縮大。 小尺寸構件收縮大，大尺寸構件收縮小。 高強混凝土收縮大。 影響收縮的因素多且復雜，要精確計算尚有一定的困難。 在實際工程中，要采取一定措施減小收縮應力的不利影響施工縫。第100頁/共156頁第一百頁，共157頁。3）收縮對構件的影響。當混凝土不能自由收縮時，會在混凝土內產生拉應力而引起裂縫。在鋼筋混凝土構件中，由于鋼筋限制了混凝土的部分收縮，使構件的收縮變形比混凝土的自由收縮要小一些。鋼筋與混凝土之間存在粘結作用，粘結應力使鋼筋隨混凝土縮短而受壓，其反作用力相當于將自由收縮的混凝土拉長，使混凝土受拉，當混凝土收縮較大，構件結構截面

57、配筋又較多時，會使混凝土構件產生收縮裂縫?；炷恋呐蛎?png zhng)數(shù)值一般較小，對結構的危害也不大。第101頁/共156頁第一百零一頁，共157頁。3.3.4混凝土的選用(xunyng)原則 鋼筋混凝土結構的混凝土強度等級不宜低于C15C15；當采用(ciyng)HRB335(ciyng)HRB335級鋼筋時，混凝土強度等級不應低于C20C20；當采用(ciyng)HRB400(ciyng)HRB400和RRB400RRB400級鋼筋以及對承受重復荷載的構件，混凝土強度等級不得低于C20C20。 預應力混凝土結構的混凝土強度等級不應低于C30C30；當采用(ciyng)(ciyng)碳

58、素鋼絲、鋼鉸線、熱處理鋼筋作預應力鋼筋時，混凝土強度等級不宜低于C40C40。 第102頁/共156頁第一百零二頁，共157頁。3.4 鋼筋(gngjn)與混凝土的相互作用粘結力第103頁/共156頁第一百零三頁，共157頁。3.4 鋼筋(gngjn)與混凝土的相互作用粘結力3.4.1粘結力的概念1.概念鋼筋與混凝土能夠在一起工作，除了二者的溫度(wnd)線膨脹系數(shù)相近以外，還有一個主要原因是鋼筋和混凝土之間存在著粘結力。通常把鋼筋與混凝土接觸面單位截面面積上的剪應力稱為粘結力。第104頁/共156頁第一百零四頁，共157頁。2.組成粘結力主要由三部分組成。 一是因為混凝土收縮將鋼筋緊緊握固而

59、產生的摩擦力。 二是因為混凝土顆粒的化學作用產生的膠合力。 三是由于鋼筋表面凹凸不平與混凝土之間產生的機械咬合力。 其中機械咬合力約占總粘結力的一半以上，變形鋼筋的機械咬合力要大大高于光面鋼筋的機械咬合力。此外(cwi)，鋼筋表面的輕微銹蝕也增加它與混凝土的粘結力。 當鋼筋與混凝土產生相對滑動后，膠結作用即喪失。摩擦力的大小取決于握裹力和鋼筋與混凝土表面的摩擦系數(shù)。第105頁/共156頁第一百零五頁，共157頁。 粘結(zhn ji)強度的測定通常采用拔出試驗方法，將鋼筋一端埋入混凝土中，在另一端施力將鋼筋拔出。 3.4.2粘結力的測定(cdng)第106頁/共156頁第一百零六頁，共157頁

60、。1.試驗結論：1)最大粘結應力在離開端部的某一位置出現(xiàn)，且隨拔出力的大小而變化，粘結應力沿鋼筋(gngjn)長度是曲線分布的。2)鋼筋(gngjn)埋入長度越長，拔出力越大；但埋入長度過大時，則其尾部的粘結應力很小，基本不起作用。3)粘結強度隨混凝土強度等級的提高而增大。4)變形鋼筋(gngjn)的粘結強度高于光面鋼筋(gngjn)，而在光面鋼筋(gngjn)末端做彎鉤可以大大提高拔出力。3.4.2粘結力的測定(cdng)第107頁/共156頁第一百零七頁，共157頁。5)混凝土澆筑深度過大時，由于混凝土的泌水下沉氣泡逸出，使其與“頂部”水平鋼筋之間產生空隙層，從而削弱鋼筋與混凝土的粘結力；