第二章 材料的物理力学性能.ppt

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1、第二章 建筑材料2.1 钢材第一节第一节 建筑结构用钢的基本要求建筑结构用钢的基本要求第二节第二节 钢材的主要机械性能钢材的主要机械性能第三节第三节 影响钢材性能的主要因素影响钢材性能的主要因素第四节第四节 建筑结构用钢的种类及选择建筑结构用钢的种类及选择第一节 建筑结构用钢的基本要求一基本要求一基本要求钢材种类繁多，规格、用途也不相同，对建筑结构用钢来钢材种类繁多，规格、用途也不相同，对建筑结构用钢来说，主要有三方面的要求。说，主要有三方面的要求。1 1、较高的强度：结构的承载力大，所需的截面小，结构、较高的强度：结构的承载力大，所需的截面小，结构的自重轻；的自重轻；2 2、较好的塑性及韧性

2、：塑性好，不易发生脆性破坏；韧、较好的塑性及韧性：塑性好，不易发生脆性破坏；韧性好，利于承受动力荷载；性好，利于承受动力荷载；3 3、良好的加工性能与耐久性：包括可焊性、冷弯性能以、良好的加工性能与耐久性：包括可焊性、冷弯性能以及耐腐性能；及耐腐性能；据上要求据上要求,钢结构设计规范钢结构设计规范GB50017-2003GB50017-2003推荐承重推荐承重结构用钢宜采用：炭素结构钢中的结构用钢宜采用：炭素结构钢中的Q235Q235钢及低合金高钢及低合金高强结构钢中的强结构钢中的Q345Q345、Q390Q390和和Q420Q420钢四种钢材。钢四种钢材。二、二、化学成分化学成分第二节 钢材

3、的主要机械性能一、单向拉伸试验曲线一、单向拉伸试验曲线 根据钢材单向拉伸性能曲线，工程应用中，钢材的性能根据钢材单向拉伸性能曲线，工程应用中，钢材的性能按理想弹塑性体考虑，按理想弹塑性体考虑，fy y定为钢材拉、压强度标准值。定为钢材拉、压强度标准值。二、钢材的主要机械性能1.强度：fy 强度设计标准值，设计依据；fu钢材的最大承载强度，安全储备。2.塑性5（10），钢材产生塑变时而不发生脆性断裂的能力，便于内力重分布，吸收能量，重要指标。3.冷弯性能90o、180o，在冷加工过程中产生塑性变形时，对产生裂纹的敏感性，是判别钢材塑性及冶金质量的综合指标。4.韧性冲击韧性k，钢材在一定温度下塑变

4、及断裂过程中吸收能量的能力，用于表征钢材承受动力荷载的能力（动力指标），按常温（20o）、零温（0o）、负温（-20o、-40o）区分。5.可焊性表征钢材焊接后具备良好焊接接头性能的能力不产生裂纹，焊缝影响区材性满足有关要求。第三节 影响钢材性能的主要因素1、化学成份2、冶金及轧制3、冷作硬化与时效硬化4、复杂应力与应力集中5、残余应力6、温度1、化学成份的影响 基本成份为基本成份为Fe，炭钢中含量占炭钢中含量占99，C、Si、Mn为杂质元为杂质元素，素，S、P、N、O为冶炼过程中不易除尽的有害元素。为冶炼过程中不易除尽的有害元素。C：含：含C使强度使强度塑性、韧性、可焊性塑性、韧性、可焊性，

5、应控制在，应控制在0.22%，焊接结构应控制在焊接结构应控制在0.20%。Si：含：含Si适量使强度适量使强度 其它影响不大，有益，应控制其它影响不大，有益，应控制0.10.3%Mn：含：含Si适量使强度适量使强度 降低降低S、O的热脆影响，改善热加工性能，的热脆影响，改善热加工性能，对其它性能影响不大，对其它性能影响不大，有益有益。S：含量含量使强度使强度塑性、韧性、性能冷弯、可焊性塑性、韧性、性能冷弯、可焊性；高温时使钢材变脆高温时使钢材变脆热脆现象热脆现象。P：低温时使钢材变脆低温时使钢材变脆冷脆现象冷脆现象；其它同；其它同SO、N：O同同S；N同同P，控制含量控制含量0.008%2、冶

6、金与轧制的影响冶金的影响主要为脱氧方法：沸腾钢用冶金的影响主要为脱氧方法：沸腾钢用Mn为脱氧剂，为脱氧剂，时间快，价格低，质量差；镇静钢用时间快，价格低，质量差；镇静钢用Si为脱氧剂，时为脱氧剂，时间慢，价格高，质量好。间慢，价格高，质量好。反复的轧制可以改善钢材的塑性，同时可以使钢材中反复的轧制可以改善钢材的塑性，同时可以使钢材中的气孔、裂纹、疏松等缺陷焊合，使金属晶体组织密的气孔、裂纹、疏松等缺陷焊合，使金属晶体组织密实，晶粒细化，消除纤维组织缺陷，使钢材的力学性实，晶粒细化，消除纤维组织缺陷，使钢材的力学性能提高。能提高。3、冷作硬化与时效硬化冷作硬化与时效硬化由于某种因素的影响而使钢材

7、强度提高，塑性、韧性由于某种因素的影响而使钢材强度提高，塑性、韧性下降，增加脆性的现象称之为下降，增加脆性的现象称之为硬化现象硬化现象。冷加工时（常温进行弯折、冲孔剪切等），钢材发生冷加工时（常温进行弯折、冲孔剪切等），钢材发生塑性变形从而使钢材变硬的现象称之为塑性变形从而使钢材变硬的现象称之为冷作硬化冷作硬化。钢材中的钢材中的C、N，随着时间的增长和温度的变化，而形随着时间的增长和温度的变化，而形成碳化物和氮化物，使钢材变脆的成碳化物和氮化物，使钢材变脆的“老化老化”现象称之现象称之为为时效硬化时效硬化。4、复杂应力与应力集中的影响钢材在多向同号应力场作用下，一向的变形受到另一向钢材在多向同

8、号应力场作用下，一向的变形受到另一向的限制，而使钢材强度增加，塑性、韧性下降，异号应的限制，而使钢材强度增加，塑性、韧性下降，异号应力场时则相反。力场时则相反。钢构件由于截面的改变以及孔洞、凹槽、裂纹等原因而钢构件由于截面的改变以及孔洞、凹槽、裂纹等原因而使构件内产生应力集中，应力集中实际为：局部应力增使构件内产生应力集中，应力集中实际为：局部应力增大并多为同号应力场。大并多为同号应力场。5 5、残余应力的影响、残余应力的影响钢材在轧制、焊接、切割等过程中会产生在构件内部自钢材在轧制、焊接、切割等过程中会产生在构件内部自相平衡的内力（相平衡的内力（P26,P26,图图2.102.10）,残余应

9、力虽对构件的强残余应力虽对构件的强度无影响，但对构件的变形（刚度）、疲劳以及稳定承度无影响，但对构件的变形（刚度）、疲劳以及稳定承载力产生不利影响（后续章节中将详细介绍）载力产生不利影响（后续章节中将详细介绍）。6、温度的影响 温度的影响，一般可分正温与负温影响两部分。温度的影响，一般可分正温与负温影响两部分。n正温影响（正温影响（P27P27，图，图2.112.11）总体影响规律为温度上升，钢材的强度降低，塑性、韧总体影响规律为温度上升，钢材的强度降低，塑性、韧性提高，这一现象称之为性提高，这一现象称之为热塑现象热塑现象，温度达，温度达600o左右时，左右时，钢材的强度几乎降至为零，而塑性、

10、韧性极大，易于进钢材的强度几乎降至为零，而塑性、韧性极大，易于进行热加工，此温度称之为行热加工，此温度称之为热煅温度热煅温度。需要说明：钢材在需要说明：钢材在300o左右时，强度提高，塑性、韧性左右时，强度提高，塑性、韧性下降，钢材表面呈蓝色，这一反覆现象称之为下降，钢材表面呈蓝色，这一反覆现象称之为蓝脆现象蓝脆现象。钢材在钢材在300o以上时应采取以上时应采取隔热措施隔热措施。n负温影响（负温影响（P27P27，图，图2.122.12）随着温度的降低钢材的强度提高，塑性、韧性降低，脆随着温度的降低钢材的强度提高，塑性、韧性降低，脆性增大，称之为性增大，称之为低温冷脆低温冷脆，当温度降至某一特

11、定温度时，当温度降至某一特定温度时钢材的脆性急剧增大，称此温度点为钢材的脆性急剧增大，称此温度点为转脆温度转脆温度。第四节 建筑结构用钢的种类与选择 一、钢材的牌号表示方法及结构用钢的种类钢材牌号由：钢材牌号由：“Q、屈服点值、质量等级、脱氧方法屈服点值、质量等级、脱氧方法”四部分组成。四部分组成。lQ：表示表示“屈屈”字拼音首位字母，意为字拼音首位字母，意为“屈服强度屈服强度”；l质量等级：分质量等级：分AE五级（字序越高质量越好）；五级（字序越高质量越好）；l脱氧方法：脱氧方法：F沸腾钢；沸腾钢；Z镇静钢（一般省略）；镇静钢（一般省略）；b半镇静钢；半镇静钢；TZ特殊镇静钢。特殊镇静钢。注

12、：炭素结构钢分：注：炭素结构钢分：A、B、C、D 四级，含所有脱氧方法；四级，含所有脱氧方法；低合金结构钢分：低合金结构钢分：A、B、C、D、E五级，只有镇静钢五级，只有镇静钢和特殊镇静钢。和特殊镇静钢。如前所述建筑结构用钢，宜选炭素结构钢中的如前所述建筑结构用钢，宜选炭素结构钢中的Q235及低及低合金钢中的合金钢中的Q345、Q390、Q420四种钢材。四种钢材。2.5.3 型钢规格 钢结构构件一般宜直接选用型钢，这样可减少制造工作量，降低造价。型钢尺寸不够合适或构件很大时则用钢板制作。型钢有热轧及冷成型两种。1 热轧钢板热轧钢板 热轧钢板分厚板及薄板两种，厚板的厚度为 4.560mm(广泛

13、用来组成焊接构件和连接钢板)，薄板厚度为0.354mm(冷弯薄壁型钢的原料)。在图纸中钢板用“-厚 x 宽 x 长（单位为毫米）”前面附加钢板横断面的方法表示，如：-12 x800 x 2100等。2 热轧型钢热轧型钢角角钢有等边和不等边两种。等边角钢，以边宽和厚度表示，如 L100 x10为肢宽 100 mm、厚 10mm 的等边角钢。不等边角钢，则以两边宽度和厚度表示，如 L100 x 80 x10 等。槽钢槽钢我国槽钢有两种尺寸系列，即热轧普通槽钢与热轧轻型槽钢。前者的表示法如30a，指槽钢外廓高度为30cm且腹板厚度为最薄的一种；后者的表示法例如25Q，表示外廓高度为25cm,Q是汉语

14、拼音“轻”的拼音字首。同样号数时，轻型者由于腹板薄及翼缘宽而薄，因而截面积小但回转半径大，能节约钢材减少自重。不过轻型系列的实际产品较少。工字钢工字钢与槽钢相同，也分成上述的两个尺寸系列：普通型和轻型。与槽钢一样，工字钢外轮廓高度的厘米数即为型号，普通型者当型号较大时腹板厚度分a、b及c三种。轻型的由于壁厚已薄故不再按厚度划分。两种工字钢表示法如：I32c,I32Q等。H 型钢和剖分型钢和剖分 T 型钢型钢热轧H型钢分为三类：宽翼缘H型钢（HW）、中翼缘H型钢（HM）和窄翼缘H型钢（HN）。H型钢型号的表示方法是先用符号HW、HM和HN表示H型钢的类别，后面加“高度（毫米）x宽度（毫米）”,例

15、如HW300 x300，即为截面高度为300mm，翼缘宽度为300mm的宽翼缘H型钢。剖分T型钢也分为三类，即：宽翼缘剖分T型钢（TW）、中翼缘剖分T型钢(TM）和窄翼缘剖分T型钢(TN）。剖分T型钢系由对应的H型钢沿腹板中部对等剖分而成。其表示方法与H型钢类同。3冷弯薄壁型钢是用26mm厚的薄钢板经冷弯或模压而成型的（如图示）。压型钢板是近年来开始使用的薄壁型材，所用钢板厚度为0.42mm，用做轻型屋面等构件。热轧型钢的型号及截面几何特性见书后附表1附表6。薄壁型钢的常用型号及截面几何特性见冷弯薄壁型钢结构技术规范GB50018一2002的附录。2.5.2钢材的选择选择钢材的目的是要做到结构

16、安全可靠，同时用材经济合理。为此，在选择钢材时应考虑下列各因素：1.结构或构件的重要性；2.荷载性质（静载或动载）;3.连接方法（焊接、铆接或螺栓连接）;4.工作条件（温度及腐蚀介质）。对于重要结构、直接承受动载的结构、处于低温条件下的结构及焊接结构，应选用质量较高的钢材。Q235A钢的保证项目中，碳含量、冷弯试验合格和冲击韧性值并未作为必要的保证条件，所以只宜用于不直接承受动力作用的结构中。当用于焊接结构时，其质量证明书中应注明碳含量不超过0.2%。当选用Q235A、B级钢时，还需要选定钢材的脱氧方法。连接所用钢材，如焊条、自动或半自动焊的焊丝及螺栓的钢材应与主体金属的强度相适应。第二章 钢

17、筋和混凝土的材料性能2.2 钢筋的物理力学性能2.1 钢筋的物理力学性能 2.1.1钢筋的品种和级别热轧钢筋、冷加工钢筋(冷拉和冷拔)和中高强钢丝和钢绞线、热处理钢筋第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 钢筋的物理力学性能热轧钢筋的分类热轧钢筋的分类HPB235级、HRB335级、HRB400级、RRB400级屈服强度屈服强度 fyk（标准值标准值=钢材废品限值，保证率钢材废品限值，保证率97.73%）HPB235级：fyk=235 N/mm2HRB335级：fyk=335 N/mm2HRB400级、RRB400级：fyk=400 N/mm2第二章 钢筋和混凝土的材料性能 HPB235级(级)

18、钢筋钢筋多为光面钢筋多为光面钢筋，多作为现浇楼多作为现浇楼板的受力钢筋和箍筋。板的受力钢筋和箍筋。HRB335级(级)和 HRB400级(级)钢筋钢筋强度较高，强度较高，多多作为钢筋混凝土构件的受力钢筋，尺寸较大的构件，作为钢筋混凝土构件的受力钢筋，尺寸较大的构件，也有用也有用级钢筋作箍筋以级钢筋作箍筋以增强与混凝土的粘结增强与混凝土的粘结，外形外形制作成月牙肋或等高肋的变形钢筋制作成月牙肋或等高肋的变形钢筋。RRB400级(级)钢筋钢筋强度太高强度太高，不适宜作为钢筋混不适宜作为钢筋混凝土构件中的配筋，凝土构件中的配筋，一般冷拉后作预应力筋。一般冷拉后作预应力筋。延伸率延伸率d d5 5=2

19、5、16、14、10%，直径直径840。2.2 钢筋的物理力学性能第二章 钢筋和混凝土的材料性能钢丝钢丝，中强钢丝的强度为中强钢丝的强度为8001200MPa，高强钢丝、钢绞线的高强钢丝、钢绞线的为为 1470 1860MPa；延伸率延伸率d10=6%，d100=3.54%；钢丝的直钢丝的直径径39mm；外形有光面、刻痕和螺旋肋三种，另有二股、三外形有光面、刻痕和螺旋肋三种，另有二股、三股和七股钢绞线，外接圆直径股和七股钢绞线，外接圆直径9.515.2 mm。中高强钢丝和钢中高强钢丝和钢绞线均用于预应力混凝土结构。绞线均用于预应力混凝土结构。冷加工钢筋冷加工钢筋是由热轧钢筋和盘条经冷拉、冷拔、

20、冷轧、冷扭加是由热轧钢筋和盘条经冷拉、冷拔、冷轧、冷扭加工后而成。冷加工的目的是为了提高钢筋的强度，节约钢材。工后而成。冷加工的目的是为了提高钢筋的强度，节约钢材。但经冷加工后，钢筋的延伸率降低。但经冷加工后，钢筋的延伸率降低。近年来，冷加工钢筋的品近年来，冷加工钢筋的品种很多，应根据专门规程使用。种很多，应根据专门规程使用。热处理钢筋热处理钢筋是将是将级钢筋通过加热、淬火和回火等调质工艺处级钢筋通过加热、淬火和回火等调质工艺处理，使强度得到较大幅度的提高，而延伸率降低不多。用于预理，使强度得到较大幅度的提高，而延伸率降低不多。用于预应力混凝土结构。应力混凝土结构。2.2 钢筋的物理力学性能s

21、 se e第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.1.2 2.1.2 钢筋的强度与变形钢筋的强度与变形 有明显屈服点的钢筋有明显屈服点的钢筋aabcdefua为比例极限oa为弹性阶段de为强化阶段b为屈服上限c为屈服下限，即屈服强度fycd为屈服台阶e为极限抗拉强度fufyfef为颈缩阶段2.2 钢筋的物理力学性能第二章 钢筋和混凝土的材料性能几个指标：几个指标：屈服强度屈服强度：是钢筋强度的设计依据是钢筋强度的设计依据，因为钢筋屈服后将发生很大，因为钢筋屈服后将发生很大的塑性变形，且卸载时这部分变形的塑性变形，且卸载时这部分变形不可恢复不可恢复，这会使钢筋混凝土，这会使钢筋混凝土构件产生很大的变形

22、和不可闭合的裂缝。屈服上限与加载速度有构件产生很大的变形和不可闭合的裂缝。屈服上限与加载速度有关，不太稳定，一般取屈服下限作为屈服强度。关，不太稳定，一般取屈服下限作为屈服强度。延延 伸伸 率率：钢筋拉断后的伸长值与原长的比率钢筋拉断后的伸长值与原长的比率，是反映钢筋塑性是反映钢筋塑性性能的指标。延伸率大的钢筋，在拉断前有足够预兆，延性较好。性能的指标。延伸率大的钢筋，在拉断前有足够预兆，延性较好。屈屈 强强 比：比：反映钢筋的强度储备，反映钢筋的强度储备，fy/fu=0.60.7。2.2 钢筋的物理力学性能第二章 钢筋和混凝土的材料性能有明显屈服点钢筋的应力-应变关系一般可采用双线性的理想弹

23、塑性关系1Es2.2 钢筋的物理力学性能第二章 钢筋和混凝土的材料性能无明显屈服点的钢筋无明显屈服点的钢筋a点：比例极限，约为点：比例极限，约为0.65fua点前：应力点前：应力-应变关系为线弹性应变关系为线弹性a点后：应力点后：应力-应变关系为非线性，应变关系为非线性，有一定塑性变形，且没有明显的屈有一定塑性变形，且没有明显的屈服点服点强度设计指标强度设计指标条件屈服点条件屈服点残余应变为残余应变为0.2%所对应的应力所对应的应力规范规范取取s s0.2=0.85 fu2.2 钢筋的物理力学性能第二章 钢筋和混凝土的材料性能1）强度：要求钢筋有足够的强度和适宜的强屈比(极限强度与屈服强度的比

24、值)。例如，对抗震等级为一、二级的框架结构，其纵向受力钢筋的实际强屈比不应小于1.25。2）塑性：要求钢筋应有足够的变形能力。3）可焊性：要求钢筋焊接后不产生裂缝和过大的变形，焊接接头性能良好。4）与混凝土的粘结力：要求钢筋与混凝土之间有足够的粘结力，以保证两者共同工作。2.1.3 混凝土结构对钢筋性能的要求混凝土结构对钢筋性能的要求2.2 钢筋的物理力学性能第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.1 混凝土的物理力学性能 2.2 2.2 混凝土的物理力学性能混凝土的物理力学性能2.2.1混凝土的组成结构混凝土的组成结构通常把混凝土的结构分为三种类型：通常把混凝土的结构分为三种类型：.微观结构：微观

25、结构：也即水泥石结构，包括水泥凝胶、晶体骨架、未也即水泥石结构，包括水泥凝胶、晶体骨架、未水化完的水泥颗粒和凝胶孔组成。水化完的水泥颗粒和凝胶孔组成。.亚微观结构：亚微观结构：即混凝土中的水泥砂浆结构。即混凝土中的水泥砂浆结构。.宏观结构：宏观结构：即砂浆和粗骨料两组分体系。即砂浆和粗骨料两组分体系。注意：注意：1.骨料的分布及骨料与基相之间在界面的结合强度是影响骨料的分布及骨料与基相之间在界面的结合强度是影响混凝土强度的重要因素；混凝土强度的重要因素；2.在荷载的作用下，微裂缝的扩展对混凝土的力学性能有在荷载的作用下，微裂缝的扩展对混凝土的力学性能有着极为重要的影响。着极为重要的影响。第二章

26、 钢筋和混凝土的材料性能2.1 混凝土2.2.2单轴应力状态下的混凝土强度单轴应力状态下的混凝土强度 混凝土结构中，混凝土结构中，主要是利用它的主要是利用它的抗压强度抗压强度。因此抗压强度是。因此抗压强度是混凝土力学性能中最主要和最基本的指标。混凝土力学性能中最主要和最基本的指标。混凝土的强度等级是用抗压强度来划分的混凝土的强度等级是用抗压强度来划分的2.1 混凝土的物理力学性能（1 1）单向受力状态下混凝土的强度）单向受力状态下混凝土的强度1）立方体抗压强度）立方体抗压强度：边长为150mm的混凝土立方体试件，在标准条件下（温度为203，湿度90%）养护28天，用标准试验方法（加载速度0.1

27、50.3N/mm2/s，两端不涂润滑剂）测得的具有95%保证率的抗压强度，用符号C表示。规范根据强度范围，从C15C80共划分为14个强度等级，级差为5N/mm2。2 2）轴心抗压强度）轴心抗压强度按标准方法制作的150mml50mm300mm的棱柱体试件，在温度为20土3和相对湿度为90以上的条件下养护28d，用标准试验方法测得的具有95保证率的抗压强度。对于同一混凝土，棱柱体抗压强度小于立方体抗压强度。考虑到实际结构构件制作、养护和受力情况，实际构件强度与试件强度之间存在差异，规范基于安全取偏低值，规定轴心抗压强度标准值和立方体抗压强度标准值的换算关系为：2.1 混凝土的物理力学性能式中：

28、k为棱柱体强度与立方体强度之比，对不大于C50级的混凝土取0.76，对C80取0.82，其间按线性插值。k2为高强混凝土的脆性折减系数，对C40取1.0，对C80取0.87，中间按直线规律变化取值。0.88为考虑实际构件与试件混凝土强度之间的差异而取用的折减系数。fcu,k立方体强度标准值即为混凝土强度等级fcu。2.1 混凝土的物理力学性能3 3）轴心抗拉强度）轴心抗拉强度混凝土的轴心抗拉强度可以采用直接轴心受拉的试验方法来测定，但由于试验比较困难，目前国内外主要采用圆柱体或立方体的劈裂试验来间接测试混凝土的轴心抗拉强度。2.1 混凝土的物理力学性能劈拉试验FaF拉压压第二章 钢筋和混凝土的

29、材料性能2.1 混凝土的物理力学性能混凝土结构设计规范规定轴心抗拉强度标准值与立方体抗压强度标准值的换算关系为：混凝土轴心抗拉强度与立方体抗压强度的关系在平面应力状态下，当两方向应力均为压应力时，抗压强度相互提高，最大可增加27，而当一方向为压应力，另一方向为拉应力时，强度相互降低。当压应力不太高时，其存在可提高混凝土的抗剪强度，拉应力的存在会降低混凝土的抗剪强度。剪应力的存在降低混凝土的抗压和抗拉强度。侧向压应力的存在可提高混凝土的抗压强度，关系为:式中被约束混凝土的轴心抗压强度；非约束混凝土的轴心抗压强度；侧向约束压应力。侧向压应力的存在还可提高混凝土的延性。（3 3）复合受力状态下混凝土

30、的强度）复合受力状态下混凝土的强度第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2.3复杂应力下混凝土的受力性能双轴应力状态双轴应力状态实际结构中，混凝土很少处于单向受力状态。更多的是处于实际结构中，混凝土很少处于单向受力状态。更多的是处于双双向向或或三向三向受力状态。受力状态。双向受压强度大于单向受双向受压强度大于单向受压强度，最大受压强度发压强度，最大受压强度发生在两个压应力之比为生在两个压应力之比为0.3 0.6之间，约之间，约(1.251.60)fc。双轴受压状态下混凝双轴受压状态下混凝土的应力土的应力-应变关系与单轴应变关系与单轴受压曲线相似，但峰值应受压曲线相似，但峰值应变均超过单轴受压时的峰

31、变均超过单轴受压时的峰值应变。值应变。2.1 混凝土的物理力学性能第二章 钢筋和混凝土的材料性能在一轴受压一轴受拉状态在一轴受压一轴受拉状态下，任意应力比情况下均下，任意应力比情况下均不超过其相应单轴强度。不超过其相应单轴强度。并且抗压强度或抗拉强度并且抗压强度或抗拉强度均随另一方向拉应力或压均随另一方向拉应力或压应力的增加而减小。应力的增加而减小。双轴应力状态双轴应力状态2.1 混凝土的物理力学性能实际结构中，混凝土很少处于单向受力状态。更多的是处于实际结构中，混凝土很少处于单向受力状态。更多的是处于双双向向或或三向三向受力状态。受力状态。2.2.3复杂应力下混凝土的受力性能第二章 钢筋和混

32、凝土的材料性能构件受剪或受扭时常遇到剪应力构件受剪或受扭时常遇到剪应力t t 和正应力和正应力s s 共同作用下的复共同作用下的复合受力情况。合受力情况。混凝土的抗剪强度：随混凝土的抗剪强度：随拉拉应力增大而减小应力增大而减小 随随压压应力增大而增大应力增大而增大当压应力在当压应力在0.6fc左右时，抗剪强度达到最大，左右时，抗剪强度达到最大，压应力继续增大，则由于内裂缝发展明显，抗剪强度将随压应压应力继续增大，则由于内裂缝发展明显，抗剪强度将随压应力的增大而减小。力的增大而减小。2.1 混凝土的物理力学性能第二章 钢筋和混凝土的材料性能三轴应力状态三轴应力状态三轴应力状态有多种组合，实际工程

33、遇到较多的螺旋箍筋柱和三轴应力状态有多种组合，实际工程遇到较多的螺旋箍筋柱和钢管混凝土柱中的混凝土为三向受压状态。三向受压试验一般钢管混凝土柱中的混凝土为三向受压状态。三向受压试验一般采用圆柱体在等侧压条件进行。采用圆柱体在等侧压条件进行。2.1 混凝土的物理力学性能由试验得到的经验公式为由试验得到的经验公式为:式中式中 被约束混凝土的轴心抗压强度；被约束混凝土的轴心抗压强度；非约束混凝土的轴心抗压强度；非约束混凝土的轴心抗压强度；侧向约束压应力。侧向约束压应力。侧向压应力的存在还可提高混凝土的延性。侧向压应力的存在还可提高混凝土的延性。第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.1 混凝土2.2.42

34、.2.4混凝土的变形混凝土的变形1、单轴受压应力、单轴受压应力-应变关系应变关系 混凝土单轴受力时的应力混凝土单轴受力时的应力-应变关系反映了混凝土受力全过应变关系反映了混凝土受力全过程的重要力学特征程的重要力学特征,是分析混凝土构件应力、建立承载力和变形是分析混凝土构件应力、建立承载力和变形计算理论的必要依据，也是利用计算机进行非线性分析的基础。计算理论的必要依据，也是利用计算机进行非线性分析的基础。混凝土单轴受压应力混凝土单轴受压应力-应变关系曲线，常采用棱柱体试件来应变关系曲线，常采用棱柱体试件来测定。测定。在普通试验机上采用在普通试验机上采用等应力速度等应力速度加载，达到轴心抗压加载，

35、达到轴心抗压强度强度fc时，试验机中集聚的弹性应变能大于试件所能吸收的应时，试验机中集聚的弹性应变能大于试件所能吸收的应变能，会导致试件产生突然脆性破坏，只能测得应力变能，会导致试件产生突然脆性破坏，只能测得应力-应变曲应变曲线的线的上升段上升段。采用采用等应变速度等应变速度加载，或在试件旁附设高弹性元件与试件一加载，或在试件旁附设高弹性元件与试件一同受压，以吸收试验机内集聚的应变能，可以测得应力同受压，以吸收试验机内集聚的应变能，可以测得应力-应变应变曲线的曲线的下降段下降段。2.1 混凝土的物理力学性能第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.1 混凝土2.1 混凝土的物理力学性能02468102

36、030s(MPa)e 10-3第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.2 混凝土BACEDA点以前点以前，微裂缝没有，微裂缝没有明显发展，混凝土的变明显发展，混凝土的变形主要弹性变形，应力形主要弹性变形，应力-应变关系近似直线。应变关系近似直线。A点应力随混凝土强度点应力随混凝土强度的提高而增加，对普通的提高而增加，对普通强度混凝土强度混凝土s sA约为约为 (0.30.4)fc，对高强对高强混凝土混凝土s sA可达可达(0.50.7)fc。A点以后点以后，由于微裂缝，由于微裂缝处的应力集中，裂缝开处的应力集中，裂缝开始有所延伸发展，产生始有所延伸发展，产生部分塑性变形，应变增部分塑性变形，应变增长

37、开始加快，应力长开始加快，应力-应应变曲线逐渐偏离直线。变曲线逐渐偏离直线。微裂缝的发展导致混凝微裂缝的发展导致混凝土的横向变形增加。但土的横向变形增加。但该阶段微裂缝的发展是该阶段微裂缝的发展是稳定的。稳定的。混凝土在结硬过程中，混凝土在结硬过程中，由于水泥石的收缩、骨由于水泥石的收缩、骨料下沉以及温度变化等料下沉以及温度变化等原因，在骨料和水泥石原因，在骨料和水泥石的界面上形成很多微裂的界面上形成很多微裂缝，成为混凝土中的薄缝，成为混凝土中的薄弱部位。混凝土的最终弱部位。混凝土的最终破坏就是由于这些微裂破坏就是由于这些微裂缝的发展造成的。缝的发展造成的。达到达到B点，内部一些微点，内部一些

38、微裂缝相互连通，裂缝发裂缝相互连通，裂缝发展已不稳定，横向变形展已不稳定，横向变形突然增大，体积应变开突然增大，体积应变开始由压缩转为增加。在始由压缩转为增加。在此应力的长期作用下，此应力的长期作用下，裂缝会持续发展最终导裂缝会持续发展最终导致破坏。取致破坏。取B点的应力点的应力作为混凝土的长期抗压作为混凝土的长期抗压强度。普通强度混凝土强度。普通强度混凝土s sB约为约为0.8fc，高强强度混高强强度混凝土凝土s sB可达可达0.95fc以上。以上。达到达到C点点fc，内部微裂缝内部微裂缝连通形成破坏面，应变连通形成破坏面，应变增长速度明显加快，增长速度明显加快，C点的纵向应变值称为峰点的纵

39、向应变值称为峰值应变值应变 e e 0，约为约为0.002。纵向应变发展达到纵向应变发展达到D点，点，内部裂缝在试件表面出内部裂缝在试件表面出现第一条可见平行于受现第一条可见平行于受力方向的纵向裂缝。力方向的纵向裂缝。随应变增长，试件上相随应变增长，试件上相继出现多条不连续的纵继出现多条不连续的纵向裂缝，横向变形急剧向裂缝，横向变形急剧发展，承载力明显下降，发展，承载力明显下降，混凝土骨料与砂浆的粘混凝土骨料与砂浆的粘结不断遭到破，裂缝连结不断遭到破，裂缝连通形成斜向破坏面。通形成斜向破坏面。E点的应变点的应变e e=(23)e e 0，应力应力s s=(0.40.6)fc。2.1 混凝土的物

40、理力学性能第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.1 混凝土不同强度混凝土的应力-应变关系曲线强度等级越高，线弹性段强度等级越高，线弹性段越长，峰值应变也有所增越长，峰值应变也有所增大。但高强混凝土中，砂大。但高强混凝土中，砂浆与骨料的粘结很强，密浆与骨料的粘结很强，密实性好，微裂缝很少，最实性好，微裂缝很少，最后的破坏往往是骨料破坏，后的破坏往往是骨料破坏，破坏时脆性越显著，下降破坏时脆性越显著，下降段越陡。段越陡。2.1 混凝土的物理力学性能2.1 混凝土第二章 钢筋和混凝土的材料性能Hognestad建议的应力建议的应力-应变曲线应变曲线2.1 混凝土的物理力学性能第二章 钢筋和混凝土的材料性

41、能规范规范应力应力-应变关系应变关系上升段：下降段：2.1 混凝土2.1 混凝土的物理力学性能第二章 钢筋和混凝土的材料性能2 2、混凝土的变形模量、混凝土的变形模量弹性模量弹性模量变形模量变形模量切线模量切线模量2.1 混凝土2.1 混凝土的物理力学性能第二章 钢筋和混凝土的材料性能弹性模量测定方法2.1 混凝土2.1 混凝土的物理力学性能第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.1 混凝土2.2.52.2.5混凝土的收缩和徐变混凝土的收缩和徐变1、混凝土的收缩混凝土的收缩 混凝土在空气中硬化时体积会缩小，这种现象称为混凝土混凝土在空气中硬化时体积会缩小，这种现象称为混凝土的收缩。的收缩。收缩是混凝

42、土在不受外力情况下体积变化产生的变形。收缩是混凝土在不受外力情况下体积变化产生的变形。当这种自发的变形受到外部（支座）或内部（钢筋）的约当这种自发的变形受到外部（支座）或内部（钢筋）的约束时束时，将使混凝土中产生拉应力，甚至引起混凝土的开裂。将使混凝土中产生拉应力，甚至引起混凝土的开裂。混凝土收缩会使预应力混凝土构件产生预应力损失。混凝土收缩会使预应力混凝土构件产生预应力损失。2.1 混凝土的物理力学性能第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.1 混凝土 影响因素影响因素 混混凝凝土土的的收收缩缩受受结结构构周周围围的的温温度度、湿湿度度、构构件件断断面面形形状状及及尺尺寸寸、配配合合比比、骨骨料料

43、性性质质、水水泥泥性性质质、混混凝凝土土浇浇筑筑质质量量及及养养护护条件等许多因素有关。条件等许多因素有关。（1）水水泥泥的的品品种种：水水泥泥强强度度等等级级越越高高，制制成成的的混混凝凝土土收收缩缩越越大。大。（2）水泥的用量：）水泥的用量：水泥用量多、水灰比越大，收缩越大。水泥用量多、水灰比越大，收缩越大。（3）骨料的性质：）骨料的性质：骨料弹性模量高、级配好，收缩就小。骨料弹性模量高、级配好，收缩就小。（4）养护条件：）养护条件：干燥失水及高温环境，收缩大。干燥失水及高温环境，收缩大。（5）混凝土制作方法：）混凝土制作方法：混凝土越密实，收缩越小。混凝土越密实，收缩越小。（6）使用环境

44、：）使用环境：使用环境温度、湿度越大，收缩越小。使用环境温度、湿度越大，收缩越小。（7）构件的体积与表面积比值：）构件的体积与表面积比值：比值大时，收缩小。比值大时，收缩小。2.1 混凝土的物理力学性能第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.1 混凝土2、混凝土的徐变 混凝土在荷载的长期作用下，其变形随时间而不断增长的混凝土在荷载的长期作用下，其变形随时间而不断增长的现象称为徐变。现象称为徐变。徐变对混凝土结构和构件的工作性能有很大影响。由于混徐变对混凝土结构和构件的工作性能有很大影响。由于混凝土的徐变，会使构件的变形增加，在钢筋混凝土截面中引起凝土的徐变，会使构件的变形增加，在钢筋混凝土截面中引起

45、应力重分布，在预应力混凝土结构中会造成预应力的损失。应力重分布，在预应力混凝土结构中会造成预应力的损失。混凝土的徐变特性主要与时间参数有关。混凝土的徐变特性主要与时间参数有关。2.1 混凝土的物理力学性能第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.1 混凝土 在应力（在应力（0.5fc）作用瞬间，首先产生瞬时作用瞬间，首先产生瞬时弹性应变弹性应变e eel（=s si/Ec(t0)，t0加荷时的龄期）。加荷时的龄期）。随荷载作用时间的延续，变形不断增长，前随荷载作用时间的延续，变形不断增长，前4个月徐变增个月徐变增长较快，长较快，6个月可达最终徐变的（个月可达最终徐变的（7080）%，以后增长逐渐缓，以

46、后增长逐渐缓慢，慢，23年后趋于稳定。年后趋于稳定。2.1 混凝土的物理力学性能第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.1 混凝土 记记(t-t0)时时间间后后的的总总应应变变为为e e c(t,t0)，此此时时混混凝凝土土的的收收缩缩应应变变为为e esh(t，t0)，则徐变为，则徐变为，e ecr(t,t0)=e ec(t,t0)-e e c(t0)-e esh(t,t0)=e ec(t,t0)-e eel-e esh(t,t0)2.1 混凝土的物理力学性能第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.1 混凝土如在时间如在时间t 卸载，则会产生卸载，则会产生瞬时弹性恢复应变瞬时弹性恢复应变e eel。由于

47、混凝土由于混凝土弹性模量随时间增大，故弹性恢复应变弹性模量随时间增大，故弹性恢复应变e eel小于加载时的瞬时弹小于加载时的瞬时弹性应变性应变 e eel。再经过一段时间后，还有一部分应变再经过一段时间后，还有一部分应变e eel可以恢复，可以恢复，称为称为弹性后效弹性后效或徐变恢复，但仍有不可恢复的残留永久应变或徐变恢复，但仍有不可恢复的残留永久应变e ecr2.1 混凝土的物理力学性能第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.1 混凝土影响因素影响因素内在因素内在因素是混凝土的组成和配比。骨料是混凝土的组成和配比。骨料(aggregate)的刚度（弹的刚度（弹性模量）越大，体积比越大，徐变就越小。

48、水灰比越小，徐变性模量）越大，体积比越大，徐变就越小。水灰比越小，徐变也越小。也越小。环境影响环境影响包括养护和使用条件。受荷前养护包括养护和使用条件。受荷前养护(curing)的温湿度的温湿度越高，水泥水化作用月充分，徐变就越小。采用蒸汽养护可使越高，水泥水化作用月充分，徐变就越小。采用蒸汽养护可使徐变减少（徐变减少（2035）%。受荷后构件所处的环境温度越高，相对。受荷后构件所处的环境温度越高，相对湿度越小，徐变就越大。湿度越小，徐变就越大。2.1 混凝土的物理力学性能第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.1 混凝土3、混凝土在荷载重复作用下的变形（疲劳变形）疲劳强度疲劳强度混凝土的疲劳强度由

49、疲劳试验测定。采用混凝土的疲劳强度由疲劳试验测定。采用100mm100mm300mm 或着或着150mm150mm450mm的的棱柱体，把棱柱体试件承受棱柱体，把棱柱体试件承受200万次或其以上循环荷载而发生万次或其以上循环荷载而发生破坏的压应力值称为破坏的压应力值称为混凝土的疲劳抗压强度混凝土的疲劳抗压强度。影响因素影响因素施加荷载时的应力大小是影响应力施加荷载时的应力大小是影响应力-应变曲线不同的发展和变应变曲线不同的发展和变化的关键因素，即混凝土的疲劳强度与重复作用时应力变化化的关键因素，即混凝土的疲劳强度与重复作用时应力变化的幅度有关。的幅度有关。在相同的重复次数下，疲劳强度随着疲劳应

50、力在相同的重复次数下，疲劳强度随着疲劳应力比值的增大而增大比值的增大而增大。2.1 混凝土的物理力学性能第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.1 混凝土混凝土在荷载重复作用下的应力-应变关系2.1 混凝土的物理力学性能第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.3 混凝土与钢筋的粘结2.3 2.3 混凝土与钢筋的粘结混凝土与钢筋的粘结2.3.1粘结的意义粘结的意义粘结和锚固是钢筋和混凝土形成整体、共同工粘结和锚固是钢筋和混凝土形成整体、共同工作的基础作的基础钢筋与混凝土之间粘结应力示意图（a）锚固粘结应力 （b）裂缝间的局部粘结应力第二章 钢筋和混凝土的材料性能2.3 混凝土与钢筋的粘结2.3 2.3 混凝