第三章結(jié)構(gòu)材料的力學性能

1、12第一節(jié)第一節(jié) 建筑鋼材建筑鋼材 鋼筋、鋼絲、鋼板和各種型鋼統(tǒng)稱鋼筋、鋼絲、鋼板和各種型鋼統(tǒng)稱鋼材。鋼材。一一. .鋼材的力學性能鋼材的力學性能（一）應(yīng)力（一）應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線從力學特點來看，鋼材可分為：從力學特點來看，鋼材可分為：有明顯屈服點的鋼筋有明顯屈服點的鋼筋 和和無明顯屈服點的鋼筋無明顯屈服點的鋼筋鋼筋拉伸試驗鋼筋拉伸試驗鋼筋拉伸試驗鋼筋拉伸試驗鋼筋拉伸試驗鋼筋拉伸試驗鋼筋拉伸試驗鋼筋拉伸試驗有明顯屈服點的鋼筋有明顯屈服點的鋼筋a為比例極限為比例極限 s s =Esede為強化段為強化段b為屈服上限為屈服上限c為屈服下限，為屈服下限，即屈服強度即屈服強度 fycd為屈服臺階為

2、屈服臺階e為極限抗拉強度為極限抗拉強度 fu 無明顯屈服點的鋼筋無明顯屈服點的鋼筋a0.2%s0.2 fua點：比例極限，約為點：比例極限，約為0.65fua點前：應(yīng)力點前：應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為線彈性應(yīng)變關(guān)系為線彈性a點后：應(yīng)力點后：應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為非線性，有應(yīng)變關(guān)系為非線性，有一定塑性變形，且沒有明顯的屈服點一定塑性變形，且沒有明顯的屈服點強度設(shè)計指標強度設(shè)計指標條件屈服點條件屈服點殘余應(yīng)變?yōu)闅堄鄳?yīng)變?yōu)?.2%所對應(yīng)的應(yīng)力所對應(yīng)的應(yīng)力9鋼材強度指標：鋼材強度指標：屈服強度和極限強度屈服強度和極限強度（二）強度（二）強度無明顯屈服點的鋼材無明顯屈服點的鋼材包括包括： 鋼結(jié)構(gòu)中高強螺栓；混凝土結(jié)構(gòu)中

3、預(yù)應(yīng)力鋼筋、鋼結(jié)構(gòu)中高強螺栓；混凝土結(jié)構(gòu)中預(yù)應(yīng)力鋼筋、鋼絲。除此之外均為有明顯屈服點鋼材。鋼絲。除此之外均為有明顯屈服點鋼材。質(zhì)量檢驗強度指標質(zhì)量檢驗強度指標：抗拉強度：抗拉強度設(shè)計時指標設(shè)計時指標：條件屈服強度：條件屈服強度 s s0.2 =0.85 fu有明顯屈服點的鋼材有明顯屈服點的鋼材屈服強度是關(guān)鍵性的強度指標。屈服強度是關(guān)鍵性的強度指標?？拐鹪O(shè)計屈強比：屈服強度與抗拉強度之比不大于抗震設(shè)計屈強比：屈服強度與抗拉強度之比不大于0.8抗拉強度是檢驗鋼材質(zhì)量的另一強度指標?？估瓘姸仁菣z驗鋼材質(zhì)量的另一強度指標。10塑性是指鋼材破壞前的變形能力。塑性是指鋼材破壞前的變形能力。塑性性能指標：塑

4、性性能指標：伸長率、冷彎性能伸長率、冷彎性能（三）塑性（三）塑性定義：定義：是指試件拉斷后原標距的伸長值與原標距的比值是指試件拉斷后原標距的伸長值與原標距的比值(以百分率表式）：以百分率表式）：11l2延伸率大的鋼筋，在拉斷前延伸率大的鋼筋，在拉斷前有足夠預(yù)兆，延性較好。有足夠預(yù)兆，延性較好。光圓鋼筋：光圓鋼筋： 10%帶肋鋼筋：帶肋鋼筋： 7.5%對應(yīng)最大應(yīng)力時應(yīng)變，包括了殘對應(yīng)最大應(yīng)力時應(yīng)變，包括了殘余應(yīng)變和彈性應(yīng)變，反映了鋼筋余應(yīng)變和彈性應(yīng)變，反映了鋼筋真實的變形能力真實的變形能力s se e殘余變形殘余變形e er彈性變形彈性變形e ee)(0gtsboEllls彎心直徑越小，彎過的角

5、度越大，冷彎性能越好，鋼筋的塑性性能越好。（四）（四） 彈性模量彈性模量 鋼材的屈服強度、抗拉強度、伸長率和冷彎性能鋼材的屈服強度、抗拉強度、伸長率和冷彎性能是檢驗有明顯屈服點鋼材的四項主要質(zhì)量指標。是檢驗有明顯屈服點鋼材的四項主要質(zhì)量指標。對無明顯屈服點的鋼筋則只測定后三項。對無明顯屈服點的鋼筋則只測定后三項。 鋼材受壓與受拉彈性模量相等。鋼材受壓與受拉彈性模量相等。15二、二、 鋼材的冷加工鋼材的冷加工冷加工影響冷加工影響：強度提高、塑性降低，使鋼材產(chǎn)生硬強度提高、塑性降低，使鋼材產(chǎn)生硬化，有增加鋼結(jié)構(gòu)脆性破壞的危險?；性黾愉摻Y(jié)構(gòu)脆性破壞的危險。但在鋼筋混凝土凝土結(jié)構(gòu)中，有時采用經(jīng)控制

6、的但在鋼筋混凝土凝土結(jié)構(gòu)中，有時采用經(jīng)控制的冷冷拉或冷拔拉或冷拔后的鋼筋以節(jié)約鋼筋。后的鋼筋以節(jié)約鋼筋。（一）（一） 鋼筋的冷拉鋼筋的冷拉冷拉：冷拉：在在常溫常溫下用下用機械方法機械方法將有明顯流幅的鋼筋拉到將有明顯流幅的鋼筋拉到超過超過屈服強度的某一應(yīng)力值，然后屈服強度的某一應(yīng)力值，然后卸載卸載至零。至零。冷拉時效（時效硬化）：冷拉時效（時效硬化）：冷拉后停放一段時間，屈服冷拉后停放一段時間，屈服強度提高并恢復(fù)了屈服臺階的現(xiàn)象。強度提高并恢復(fù)了屈服臺階的現(xiàn)象。16冷拉強化冷拉強化經(jīng)冷拉和冷拉時經(jīng)冷拉和冷拉時效后，強度提高，效后，強度提高，塑性降低塑性降低注意：注意：P3417（二）（二） 鋼

7、筋的冷拔鋼筋的冷拔冷拔：冷拔： 用強力將鋼筋拔過比其直徑略小的硬質(zhì)合金用強力將鋼筋拔過比其直徑略小的硬質(zhì)合金拔絲模。拔絲模。鋼筋受到縱向拉力和橫向擠壓力的作用，截面變小而鋼筋受到縱向拉力和橫向擠壓力的作用，截面變小而長度仲長，內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。長度仲長，內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。影響：影響：強度可提高強度可提高40一一90，但塑性顯著降低，且，但塑性顯著降低，且沒有明顯的屈服點。冷拔可以同時提高鋼筋的抗拉強沒有明顯的屈服點。冷拔可以同時提高鋼筋的抗拉強度和抗壓強度。度和抗壓強度。1819三、三、 建筑鋼材的品種建筑鋼材的品種我國目前常用的鋼材由碳素結(jié)構(gòu)鋼及普通低合金鋼我國目前常用的鋼材由碳素結(jié)構(gòu)鋼及普

8、通低合金鋼制造。制造。（一）（一） 鋼筋鋼筋熱軋鋼筋、冷拉鋼筋、預(yù)應(yīng)力鋼筋及鋼絲、鋼鉸線等。其中熱軋鋼筋和冷拉鋼筋屬于有明顯屈服點的鋼筋，鋼絲、鋼絞線等屆于無明顯屈服點的鋼筋。圖圖 鋼筋的外形鋼筋的外形（a)光光圓圓鋼筋；鋼筋；(b)螺旋紋鋼筋；螺旋紋鋼筋；(c)人字紋鋼筋；人字紋鋼筋；(d)月牙紋鋼筋月牙紋鋼筋帶肋的鋼筋又稱變形鋼筋帶肋的鋼筋又稱變形鋼筋按外形分光圓和帶肋兩類按外形分光圓和帶肋兩類直徑小于直徑小于5mm的的鋼筋稱為鋼筋稱為鋼絲鋼絲熱軋鋼筋22鋼筋強度等級和牌號鋼筋強度等級和牌號依照屈服強度標準值依照屈服強度標準值分四個等級分四個等級 HPB 熱軋光面鋼筋；熱軋光面鋼筋； HR

9、B 熱軋帶肋鋼筋；熱軋帶肋鋼筋；HRBF 細晶粒熱軋帶肋鋼筋；細晶粒熱軋帶肋鋼筋； RRB 余熱處理鋼。余熱處理鋼。工程上常把上述工程上常把上述4個強度等級個強度等級的鋼筋俗稱為的鋼筋俗稱為級、級、級、級、級和級和級鋼筋，但在施工級鋼筋，但在施工圖和正式文件中，都不應(yīng)采圖和正式文件中，都不應(yīng)采用此俗稱。用此俗稱。24（二）（二） 型鋼型鋼鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件一般直接選用型鋼，當構(gòu)件尺寸很大或型鋼不合適時則用鋼板制作。型鋼種類：型鋼種類：25鋼板種類：鋼板種類：厚板厚板(厚度厚度4.560mm)薄板薄板(厚度厚度0.354mm) 鋼結(jié)構(gòu)的鋼材牌號：鋼結(jié)構(gòu)的鋼材牌號：Q235（碳素結(jié)構(gòu)鋼）；（碳素結(jié)構(gòu)鋼）；

10、Q345，Q390，Q420（后三種為低合金結(jié)構(gòu)鋼中）（后三種為低合金結(jié)構(gòu)鋼中）其屈服點在鋼材其屈服點在鋼材厚度小于或等于厚度小于或等于16mm時分別為時分別為235、345、390和和420N/mm2當厚度大于當厚度大于16mm時，屈服點隨厚度的增加而降低時，屈服點隨厚度的增加而降低)。1.強度強度采用較高強度的鋼筋可以采用較高強度的鋼筋可以節(jié)省鋼材節(jié)省鋼材，獲得，獲得較好的經(jīng)濟效益。較好的經(jīng)濟效益。2.塑性塑性要求鋼筋在斷裂前有足夠的變形，能給人要求鋼筋在斷裂前有足夠的變形，能給人以以破壞的預(yù)兆破壞的預(yù)兆。因此，應(yīng)保證鋼筋的。因此，應(yīng)保證鋼筋的伸長率和伸長率和冷彎性能冷彎性能合格。合格?；?/p>

11、凝土結(jié)構(gòu)對鋼筋性能的要求混凝土結(jié)構(gòu)對鋼筋性能的要求 四、四、 鋼材的選用鋼材的選用（一）（一） 鋼筋鋼筋273.可焊性好可焊性好在很多情況下，鋼筋的接長和鋼筋之間在很多情況下，鋼筋的接長和鋼筋之間的連接需通過焊接。鋼筋焊接后不產(chǎn)生裂紋的連接需通過焊接。鋼筋焊接后不產(chǎn)生裂紋及過大的變形，保證及過大的變形，保證接頭性能良好。接頭性能良好。4.與混凝土的粘結(jié)錨固性能好與混凝土的粘結(jié)錨固性能好為了使鋼筋的強度能夠充分被利用和保為了使鋼筋的強度能夠充分被利用和保證鋼筋與混凝土共同工作，二者之間應(yīng)有證鋼筋與混凝土共同工作，二者之間應(yīng)有足足夠的粘結(jié)力夠的粘結(jié)力。在寒冷地區(qū)，對鋼筋的低溫性能也有一在寒冷地區(qū)，

12、對鋼筋的低溫性能也有一定的要求。定的要求。 混凝土結(jié)構(gòu)對鋼筋性能的要求混凝土結(jié)構(gòu)對鋼筋性能的要求 在我國經(jīng)濟困難、物資短缺的年代，冷加工鋼筋為我國的基在我國經(jīng)濟困難、物資短缺的年代，冷加工鋼筋為我國的基本建設(shè)事業(yè)做出過極大的貢獻。但是，本建設(shè)事業(yè)做出過極大的貢獻。但是，冷加工鋼筋在強度提高的冷加工鋼筋在強度提高的同時，塑性大幅度地降低，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)構(gòu)件的塑性減小，脆性加大。同時，塑性大幅度地降低，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)構(gòu)件的塑性減小，脆性加大。當前，我國的鋼產(chǎn)量已位于世界之首，質(zhì)優(yōu)、價廉的鋼材不斷出當前，我國的鋼產(chǎn)量已位于世界之首，質(zhì)優(yōu)、價廉的鋼材不斷出現(xiàn)，為了提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件的質(zhì)量，應(yīng)現(xiàn)，為了提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件的質(zhì)量，

13、應(yīng)盡量選用強度較高、塑性較好、盡量選用強度較高、塑性較好、價格較低的鋼材價格較低的鋼材。規(guī)范強調(diào)淘汰低強度鋼筋，應(yīng)用高強、高性能鋼筋，并建議選用規(guī)范強調(diào)淘汰低強度鋼筋，應(yīng)用高強、高性能鋼筋，并建議選用下列牌號的鋼筋：下列牌號的鋼筋： P36鋼筋的選用原則鋼筋的選用原則29第二節(jié)第二節(jié) 混凝土混凝土 一一. .混凝土強度混凝土強度（一）混凝土抗壓強度（一）混凝土抗壓強度1. 立方體抗壓強度與立方體抗壓強度標準值立方體抗壓強度與立方體抗壓強度標準值立方體抗壓強度立方體抗壓強度定義：定義： P37標準試塊：標準試塊： 150150150mm3非標準試塊強度換算系數(shù)：非標準試塊強度換算系數(shù)：20020

14、0200mm3: 1.05, fcu,150=1.05fcu,100100100100mm3: 0.95, fcu,150=1.05fcu,200單位為單位為“N/mm2” (Mpa)303132 1. 立方體抗壓強度與立方體抗壓強度標準值立方體抗壓強度與立方體抗壓強度標準值立方體抗壓強度標準值立方體抗壓強度標準值fcuk定義：定義：P37強度等級強度等級：C50C80屬屬高強度混凝土高強度混凝土范疇。范疇。C：Concretefcu,k =26N/mm2， fcu,k =29N/mm2分別屬于哪個強度等級？分別屬于哪個強度等級？混凝土立方體抗壓強度并不能代表混凝土在實際構(gòu)件中的受力狀態(tài)，因此

15、不能作為設(shè)計時的強度指標，只能作為衡量混凝土質(zhì)量及強度的一種標準。用來在同一標準條件下比較混凝土強度水平的高低和混凝土的品質(zhì)標準（制作、測試方便）。342. 軸心抗壓強度軸心抗壓強度標準試件：標準試件：150mm150mm300mm的棱柱體的棱柱體。是最基本的強度指標，用于設(shè)計，但工程中一般不直接測。是最基本的強度指標，用于設(shè)計，但工程中一般不直接測。12,0.88ckcccu kff 為棱柱體抗壓強度與立方體抗壓強度之比，對混凝土強度為棱柱體抗壓強度與立方體抗壓強度之比，對混凝土強度等級為等級為C50及以下的取及以下的取0.76，對，對C80取取0.82，兩者之間按，兩者之間按直線規(guī)律變化取

16、值。直線規(guī)律變化取值。1c為高強度混凝土的脆性折減系數(shù)，對為高強度混凝土的脆性折減系數(shù)，對C40及以及以下取下取1.00，對，對C80取取0.87，中間按直線規(guī)律變，中間按直線規(guī)律變化取值?；≈?。2c0.88為考慮實際構(gòu)件與試件混凝土強度之間的為考慮實際構(gòu)件與試件混凝土強度之間的差異而取用的折減系數(shù)。差異而取用的折減系數(shù)。3536（二）混凝土抗拉強度（二）混凝土抗拉強度軸心抗拉強度標準值軸心抗拉強度標準值ftk很低，很低，大體為軸心抗壓強度標準值的大體為軸心抗壓強度標準值的1/81/1645. 00.55kcu,2tk)645. 11 (395. 088. 0ffc0.55kcu,395.

17、0f45. 0)645. 11 (軸心抗拉強度與軸心抗拉強度與立方體抗壓強度立方體抗壓強度的折算系數(shù)的折算系數(shù) 試驗離散性的試驗離散性的影響系數(shù)影響系數(shù) 試驗離散試驗離散性系數(shù)性系數(shù) 100100500mm150mm150mm軸心抗拉強度標準值與立方體抗壓強度標準值的關(guān)系：軸心抗拉強度標準值與立方體抗壓強度標準值的關(guān)系：38二二. .混凝土變形混凝土變形1. 應(yīng)力應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系應(yīng)變關(guān)系（一）混凝土短期加荷下的應(yīng)力（一）混凝土短期加荷下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系應(yīng)變關(guān)系其極限拉應(yīng)受為受壓極限應(yīng)變的其極限拉應(yīng)受為受壓極限應(yīng)變的120左右左右，因而混凝土受拉時容易開裂，因而混凝土受拉時容易開裂2. 混凝土的變

18、形模量混凝土的變形模量混凝土受壓應(yīng)力混凝土受壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系是一條曲線，應(yīng)變關(guān)系是一條曲線，不符合胡克定律。不符合胡克定律。變形模量：變形模量：也稱彈性模量也稱彈性模量2. 混凝土的變形模量混凝土的變形模量混凝土受壓應(yīng)力混凝土受壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系是一條曲線，應(yīng)變關(guān)系是一條曲線，不符合胡克定律。不符合胡克定律。也稱彈性模量也稱彈性模量kcu,5c7 .342 . 210fE41（二）混凝土在荷載長期下的變形（二）混凝土在荷載長期下的變形徐變徐變什么是徐變：什么是徐變：在維持應(yīng)力（荷載）不變的情況下，應(yīng)變在維持應(yīng)力（荷載）不變的情況下，應(yīng)變 （變形）隨時間而增長的現(xiàn)象。（變形）隨時間而增長的現(xiàn)象。4

19、2（二）混凝土在荷載長期下的變形（二）混凝土在荷載長期下的變形徐變徐變特點：特點：早期發(fā)展快，可以延續(xù)數(shù)年，早期發(fā)展快，可以延續(xù)數(shù)年，s sc/fc 0.8 可收斂。可收斂。影響因素：影響因素：初始應(yīng)力大??；初始應(yīng)力大??； 加載時的砼齡期；加載時的砼齡期； 砼的組成材料及配合比；砼的組成材料及配合比； 砼的制作養(yǎng)護條件。砼的制作養(yǎng)護條件。徐變對結(jié)構(gòu)的影響：徐變對結(jié)構(gòu)的影響：使構(gòu)件變形增大；使構(gòu)件變形增大；引起截面內(nèi)力重分布（如在軸壓構(gòu)件中，使鋼筋應(yīng)力引起截面內(nèi)力重分布（如在軸壓構(gòu)件中，使鋼筋應(yīng)力增加，砼應(yīng)力減小）；增加，砼應(yīng)力減?。辉陬A(yù)應(yīng)力構(gòu)件中，使預(yù)應(yīng)力發(fā)生損失；在預(yù)應(yīng)力構(gòu)件中，使預(yù)應(yīng)力發(fā)

20、生損失；在超靜定結(jié)構(gòu)中，使構(gòu)件內(nèi)力發(fā)生重分布。在超靜定結(jié)構(gòu)中，使構(gòu)件內(nèi)力發(fā)生重分布。43（二）混凝土的收縮（二）混凝土的收縮 混凝土在空氣中硬化時體積會縮小，這種現(xiàn)象稱為混凝土在空氣中硬化時體積會縮小，這種現(xiàn)象稱為混凝土的收混凝土的收縮。縮?；炷恋氖湛s的影響混凝土的收縮的影響44混凝土的初期收縮變形發(fā)展快：混凝土的初期收縮變形發(fā)展快：2周可完成全部收縮量的周可完成全部收縮量的25，1個月約完成個月約完成50。整個收縮過程可延續(xù)兩年以上。整個收縮過程可延續(xù)兩年以上。減少收縮的措施：減少收縮的措施： 限制水泥用量；減小水灰比；加強振搗和養(yǎng)護；限制水泥用量；減小水灰比；加強振搗和養(yǎng)護；采用堅硬骨料

21、和級配好的混凝土；采用堅硬骨料和級配好的混凝土； 構(gòu)造鋼筋數(shù)量加強；設(shè)置變形縫；摻膨脹劑。構(gòu)造鋼筋數(shù)量加強；設(shè)置變形縫；摻膨脹劑。45三三 混凝土強度等級的選用原則混凝土強度等級的選用原則46第三節(jié)第三節(jié) 鋼筋與混凝土的相互作用鋼筋與混凝土的相互作用- -粘結(jié)力粘結(jié)力 一一. .粘結(jié)力的概念粘結(jié)力的概念粘結(jié)力是鋼筋與混凝土共同工作的基礎(chǔ)，是存在粘結(jié)力是鋼筋與混凝土共同工作的基礎(chǔ)，是存在于鋼筋與混凝土界面上的作用力。于鋼筋與混凝土界面上的作用力。粘結(jié)力的組成：粘結(jié)力的組成： 摩擦力；膠合力；機械咬合力；摩擦力；膠合力；機械咬合力；粘結(jié)強度：粘結(jié)強度： (1) 最大粘結(jié)應(yīng)力在離開端部的果一份置出現(xiàn)

22、，且隨拔出力最大粘結(jié)應(yīng)力在離開端部的果一份置出現(xiàn)，且隨拔出力的大小而變化，粘結(jié)庇力沿鋼筋長度是曲線分布的；的大小而變化，粘結(jié)庇力沿鋼筋長度是曲線分布的； 47第三節(jié)第三節(jié) 鋼筋與混凝土的相互作用鋼筋與混凝土的相互作用- -粘結(jié)力粘結(jié)力 一一. .粘結(jié)力的概念粘結(jié)力的概念粘結(jié)強度試驗結(jié)論：粘結(jié)強度試驗結(jié)論： (1) 最大粘結(jié)應(yīng)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(jié)應(yīng)力沿鋼筋長度是曲線分布的；(2) 鋼筋埋入長度越長，拔出力越大；但埋入長度過大時，則其尾部的粘結(jié)應(yīng)力很小，基本不起作用；(3) 粘結(jié)強度隨混凝上強度等級的提高而增大； （4）帶肋鋼筋的粘結(jié)強度高于光面鋼筋，而在光圓鋼

23、筋末端做彎鉤可以大大提高拔出力 48 二二. .保證鋼筋與混凝土粘結(jié)力的措施保證鋼筋與混凝土粘結(jié)力的措施1. 足夠的錨固長度足夠的錨固長度yabtfldf受拉鋼筋基本錨固長度受拉鋼筋基本錨固長度lab49 二二. .保證鋼筋與混凝土粘結(jié)力的措施保證鋼筋與混凝土粘結(jié)力的措施1. 足夠的錨固長度足夠的錨固長度la錨固長度錨固長度aa abll1）當帶肋鋼筋的公稱直徑大于當帶肋鋼筋的公稱直徑大于25mm時，取時，取1.10；2）環(huán)氧樹脂涂層帶肋鋼筋?。┉h(huán)氧樹脂涂層帶肋鋼筋取1.25；3）施工過程中易擾動的鋼筋?。┦┕み^程中易擾動的鋼筋取1.10；4）當縱向受力鋼筋的實際面積大于其設(shè)計計算面積時，修正系）當縱向受力鋼筋的實際面積大于其設(shè)計計算面積時，修正系數(shù)取設(shè)計計算面積與實際配筋面積的比值，但對有抗震設(shè)防要數(shù)取設(shè)計計算面積與實際配筋面積的比值，但對有抗震設(shè)防要求及直接承受動力荷載的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，不應(yīng)考慮此項修正；求及直接承受動力荷載的結(jié)構(gòu)