哈工大荷载与结构设计方法报告论文-结构构件材料性能抗力因素的基本原理与统计调查

结构构件材料性能抗力因素
的基本原理与统计调查
摘要：
结构构件的抗力是现在结构工程研究的一个很重要的方面。

影响材料抗力的因素主要有三类，其中一个很重要的因素就是材料性能的影响。

不同材料所组成的结构，其材料性能与抗力有很大的区别，主要体现在弹塑性，强度，抗冲击性等方面。

对不同材料的性能进行研究，统计其抗力系数，对不同材料间进行比较，对比，应用时选择性能最合适的进行设计，将使材料的抗力得到完美的保证。

1、引言
在现代结构中，随着我们对材料的研究的加深，我们发现，影响材料抗力的因素主要有三大类，其中，材料性能是一个很大的因素，在此，我们小组对材料性能进行了相对深入的调查，对材料性能对结构抗力的影响有了更深一步的了解。

2、结构构件抗力因素的基本原理
结构的构件性能主要是指材料的宏观性能，如弹性性能、塑性性能、硬度、抗冲击性能等。

在实际生活生产中，我们的工程材料不可能是理论中的，他们或多或少的存在各种缺陷，同时在施工过程中，由于技术以及施工技术的差距，也会产生各种各样的问题，所以在实际工程中，我们所使用的结构构件存在着很大的缺陷，真是这些缺陷，使我们的抗力也是随机性的。

它们是设计各种工程结构时选用材料的主要依据。

各种工程材料的力学性能是按照有关标准规定的方法和程序，用相应的试验设备和仪器测出的。

表征材料力学性能的各种参量同材料的化学组成、晶体点阵、晶粒大小、外力特性（静力、动力、冲击力等）、温度、加工方式等一系列内、外因素有关。

材料的各种力学性能分述如下：材料在外力作用下发生变形，如果外力不超过某个限度，在外力卸除后恢复原状。

材料的这种性能称为弹性。

外力卸除后即可消失的变形，称为弹性变形。

表示材料在静载荷、常温下弹性性能的一些主要参量可以通过拉伸试验进行测定。

对于韧性材料，有弹性和塑性两个阶段。

弹性阶段的力学性能有：①比例极限。

应力与应变保持成正比关系的应力最高限。

当应力小于或等于比例极限时，应力与应变满足胡克定律，即应力与应变成正比。

②弹性极限。

弹性阶段的应力最高限。

在弹性阶段内，载荷除去后，变形全部消失。

这一阶段内的变形称为弹性变形。

绝大多数工程材料的比例极限与弹性极限极为接近，因而可近似认为在全部弹性阶段内应力和应变均满足胡克定律。

③弹性模量。

弹性阶段内，法应力与线应变的比例常数(E)。

④剪切弹性模量。

弹性阶段内，剪应力与剪应变的比例常数(G)。

⑤泊松比。

垂直于加载方向的线应变与沿加载方向线应变之比(ν)。

上述3种弹性常数之间满足G＝E／2(1＋v)。

塑性阶段的力学性能有：①屈服强度。

材料发生屈服时的应力值。

又称屈服极限。

屈服时应力不增加但应变会继续增加。

②条件屈服强度。

某些无明显屈服阶段的材料，规定产生一定塑性应变量(例如0.2％)时的应力值，作为条件屈服强度。

应力超过屈服强度后再卸载，弹性变形将全部消失，但仍残留部分不可
消失的变形，称为永久变形或塑性变形。

③强化与强度极限。

应力超过屈服强度后，材料由于塑性变形而产生应变强化，即增加应变需继续增加应力。

这一阶段称为应变强化阶段。

强化阶段的应力最高限，即为强度极限。

应力达到强度极限后，试样会产生局部收缩变形，称为颈缩。

④延伸率(δ)与截面收缩率(ψ)。

试样拉断后长度与横截面积的改变量与加载前比值的百分数，即：δ＝(l b －l 0)/l 0×100%，ψ＝(A 0－A b )/A 0×100%。

式中l 0、A 0分别为试样的标距和标距内的面积；l b 、A b 分别为拉断后的标距长度和断口处的最小横截面积。

对于脆性材料(δ≤5%)，没有明显的屈服与塑性变形阶段，试样在变形很小时即被拉断，这时的应力值称为强度极限。

某些脆性材料的应力-应变曲线上也无明显的直线阶段，这时，胡克定律是近似的。

弹性模量由应力-应变曲线的割线的斜率确定。

压缩时，大多数工程韧性材料具有与拉伸时相同的屈服强度与弹性模量，但不存在强度极限。

大多数脆性材料，压缩时的力学性能与拉伸时有较大差异。

例如铸铁压缩时会表现出明显的韧性，试样破坏时有明显的塑性变形，断口沿约45°斜面剪断，而不是沿横截面断裂；强度极限比拉伸时高4～5倍。

3、结构构件材料性能抗力因素的概率模型：
i i
i
k g j ki
mi r l
rn r a
x a f
x f a
a f f ==1......
1,
.......1 )(,,,,,,11,,,,,,11ki gi k g mk mk k m C P C P a x a x f x f x R X R X R == c
p
g g n n c p r x r k x k x k x k x r x r xp r a m a m f m f m m m m m m 2
2
)
(11,,,,,,11,,,,,,11σ
σ
σ+===
结构构件材料性能抗力因素一般都是多个随机变量的乘机，也即：
n
n
InX InX InX InY X X X Y +++== (2121)
根据中心极限定律，可以近似的认为InY 服从正态分布，则Y 服从对数正态分布。

结构构件材料性能抗力因素的统计数据。

4、结构构件材料抗力因素的统计数据：
各种结构材料K
5、结构构件材料性能抗力因素的代表值与抗力系数：
5.1材料性能标准值
由于材料性能是一个随机变量，在分析和设计中需要使用材料的代表值。

材料标准值是材料性能的代表值，在我国《工程结构可靠性设计统一标准》和国际《结构可靠性总原则》将材料和岩土的标准值一般定义为其概率分布的某一分位值，对于材料强度，按0,05的分位确定。

当实验数据不足时，材料的标准值可以采用有关规定的规定值，也可以结合工程经验，经分析判断确定。

对于已有材料的性能分析，材料性能可以采用正态分布或者对数正态分布进行描述。

对于材料强度，当采
用正态分布进行分析时，其标准值可以按以下公式进行确定：
)645.11(645.1FM F FM
FM FM MK δμσμ-=-=
在上式中，fm μ，fm σ，fm δ分别为材料强度的平均值，标准差和变异系数，1.645为对应于95%的保证率系数。

例如，在混凝土中GB50081《普通混凝土力学性能试验方法标准》规定：试件的养护条件当采用标准养护的试件，应在温度在20±2℃，相对湿度为95%以上的标准养护室中养护，或在温度在20±2℃的不流动的Ca(OH)2饱和溶液中养护。

GB50204《混凝土结构工程施工质量验收规范》规定：混凝土立方体抗压强度标准值当试件尺寸为100mm 立方体或骨料最大粒径≤31.5mm 时，应乘以强度尺寸换算系数0.95。

当试件尺寸为200mm 立方体或骨料最大粒径≤63mm 时，应乘以强度尺寸换算系数1.05。

混凝土轴心抗压和抗拉强度标准值
5.2 材料性能相关系数
分位数为P=0.05时确定标准值的单侧容限系数nk
6、结论
结构构件的材料性能是抗力因素中极为重要的一部分，通过对材料性能的调查，我们更加深入地了解了材料性能对构件结构抗力的影响，以及在工程可靠性设计中的重要性，很多的工程正是因为没有考虑到这些因素而造成了重大的工程事故。

我们充分认识到，在今后的学习工作中，一定要加强对这方面的研究。

7.参考文献
【1】李国强等编著. 工程结构荷载与可靠度设计原理（第三版）. 北京：中国建筑工业出版社，2005 【2】中华人民共和国国家标准. 工程结构可靠性设计统一标准（GB50153—2008），北京：中国建筑工业出版社，2009.
【3】中华人民共和国国家标准. 建筑结构荷载规范（GB50009—2001），北京：中国建筑工业出版社，2002. 【4】中华人民共和国国家标准. 建筑结构可靠度设计统一标准（GB50068—2001），北京：中国建筑工业出版社，2001.
【5】蔡学飞张怡周健《建筑安全》 2010 第7期-维普资讯网
【6】贡金鑫，魏巍巍.《工程结构可靠性设计原理》北京：机械工业出版社，2007.
【7】欧进萍，段忠东编.结构可靠度-荷载抗力系数设计法. 哈尔滨工业大学校内讲义，2001.
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