【土木建筑】第三章 工程结构材料的物理力学性能

• 薄壁型钢： • 用薄钢板冷轧而成， 形式及尺寸可以变化
• 钢筋（钢丝、钢绞线） • 按照表面形状：有光 面钢筋和变形钢筋 • 钢筋种类：
钢筋种类
• 热轧钢筋：分HRB235、HRB335和 HRB400或RRB400三级，符号+直径 • 预应力钢丝：有光面碳素 φS 、螺旋肋 φM和 I 三面刻痕钢丝 φ 三种，符号 +直径 • 预应力钢绞线：多根钢丝绞合制成。“φ1 股数 公称直径”表示: φI×7×12.7 • 热处理钢筋：φHT+钢筋表示 φHT8.2
以应力分量表示
1 [( 1 2 ) 2 ( 2 3 ) 2 ( 3 1 ) 2 2
2 2 2 2 2 zs x y z2 ( x y y z z x ) 3( xy yz zx )
（a）
(2)钢材的强度指标
屈服强度：设计时钢材允许达到的最大应力 有明显流幅的钢材：取屈服点的应力； 无有明显流幅的钢材：取条件屈服强度。 条件屈服强度：卸载后残余应变为 0.2% 对应 的应力。 极限强度：材料能承受的最大应力，反映安 全储备 屈强比：屈服强度/极限强度
(3)钢材的塑性指标
低合金钢： 强度等级：按屈服强 度分五个品种， Q295~Q460。 质量等级：由低到高 分A、B、C、D、E五 级，对冲击韧性要求 不同 脱氧方式：镇静和特 热处理钢 殊镇静钢
(4)钢材的规格
• • • • • • • • •
钢板：以“―宽度厚度长度”或“―宽度厚度”表示 型钢： 角钢：等边“L肢宽 厚度”；不等边“L长肢宽 短肢宽 厚度” 工字钢：普通工字钢以工+截面的高度；轻型工字钢前面加 Q 槽钢：有普通槽钢和轻型槽钢两种，用截面的高度编号 H型钢： 热扎H型钢：有宽、中、窄翼缘H型钢和H型钢柱四类(符号 HW、HM、HN和HP)，以“高度宽度腹板厚度翼缘厚度”表 示； 焊接H型钢：钢板焊接而成，用“高度宽度腹板厚度翼缘厚度” 钢管：有热轧无缝钢管和焊接钢管。以“φ外径壁厚”表示
立方体抗压强度 f cu,k
• 不仅与材料的组成成分、养护的 • 形状有圆柱体和立方体两 条件、龄期等因素和实验方法有 种，我国采用的是立方体 关，而且与试件的尺寸有关。 试件。 • 尺寸愈小，测得的强度值愈高。 • 我国《混凝土结构设计规 范》规定：混凝土立方体 • 立方体抗压强度有时也采用边长 为200mm或100mm的立方体试件， 抗压强度系指按照标准方 但对这些采用非标准尺寸试件得 法制作养护的边长为 到的实验结果应分别乘以截面尺 150mm的立方体试件在 28天龄期，用标准实验方 寸修正系数1.05或0.95。 法进行抗压实验得到的破 坏时试件的平均压应力。
εcu
c 0
( 0 c cu )
c fc
说明
•
c —对应混凝土压应变为
凝土压应力； • 0 —对应混凝土压应力刚达到 f c 时的 混凝土压应变，当混凝土强度等级小于等 于C50时，应取0.002； • 当混凝土强度等级大于C50时，应按照下 式计算确定： 5 0 0.002 0.5( f cu,k 50) 10
简化疲劳曲线－－直线形式
• 我国现行设计标准
• ABCD的方程： • BCD(拉为主) • AB(压为主)
N 2 106
max 0 k min
max
p
p
0
1 k
0
k
min
简化曲线形式
max
1
1
1
c
时的混
• •
cu －混凝土的极限压应变，当正截面处于轴心
cu 0.0033 ( f cu,k 50) 105
受压时取为0.002；当正截面处于非均匀受压时，对于强度等级小于 C50的混凝土，应取0.0033，对于强度等级大于C50的混凝土，应 按照下式计算确定：
• n—与混凝土强度等级有关系数，当混凝土 强度等级小于等于C50时，应取2；当混凝 土强度等级大于C50时，应按照下式计算确 定：
• 我国《混凝土结构设计规范》:采用的模式 为抛物线－直线模式；（非常重要） • 美国和北美等地区:应用Hognestad模式， 这两种模式均将下降段简化为直线。
(a) 我国现行规范采用的曲线模型
σ fc
其数学表达式为：
ε0
n c c f c 1 1 0
d: 0
a : 1
c: 0
b: 0
e: 1
max
至破坏时的 循环次数
疲劳曲线(试验结果)
max
1
1
min
国际上一般采用图3-9所示修正的顾得曼（Good-man）分析图
含义
• • • • • 循环N次 包络线 当应力落在曲线上，N次时破坏； 当应力落在曲线下方，不会坏； 当应力落在曲线上方时没到N次就坏
时
zs 3
2
2
• d:纯剪状态：
zs 3
y
1 3
2
f y 0.58 f y
• 分析结果： • 主应力同号时:不易屈服，但塑性下降，越 接近越明显； • 主应力异号时:易屈服，破坏呈塑性，差别 越大越明显。
曲线a：单向拉伸；曲线b：双向拉伸； 曲线c：一向拉一向压 图3-6 不同平面应力条件下钢材的应力应变曲线
( Mpa)
Es
fu
fy
0 100 200 300 400 500 600 °C
图3-12 温度对钢材力学性能影响的示例
脆性破坏
过渡区
塑性破坏
冲击断裂功
T1
T2
实验温度
图3-13低温下钢材的脆性倾向
(5)应力集中
• 现象：当构件内部缺 陷或截面形状等改变 时， 应力分布不均匀， 出现局部高峰应力， 促使钢材变脆 • 影响因素：截面变 化愈剧烈，应力集中 现象愈明显
(3)结构用钢材的分类
• 碳素钢： • • 强度等级：按屈服强度分 • 五个品种，Q195~Q275。 • 质量等级：由低到高分A、 B、C、D四级，对冲击韧 • 性要求不同 • 脱氧方式：镇静、半镇静、 沸腾和特殊镇静钢，用Z、 b、F和TZ • 示例：Q235Bb表示屈服 • 强度为235，B级半镇静钢
•
• 前者用冲击值 AK/AN = J/mm2 • 后者直接用Ak来表示。
2、复杂应力下钢材的性能 (1)复杂应力状态下的屈服条件
判别方法：用能量理论建立屈服条件， 用折算应力判别 当 f 时，钢材没有屈服 当 f 时，钢材屈服。 折算应力 以主应力表示：
zs y
zs
y
zs
4、结构对钢材的要求及 钢材的分类
• (1)结构对钢材的要求 • 具有较高的屈服强度 和极限强度；具有良 好的塑性和韧性 • 具有良好的工艺加工 性能；良好的耐锈蚀 能力 • 与混凝土良好的粘结 力 • (2)钢材的选择： • 结构或构件的类型 及重要性； 作用的 性质（静力和动力作 用）； • 连接方式（焊接、 铆接或螺栓连接）； 工作环境（温度和腐 蚀等）
0 0.002 cu 0.0038
c 0 c f c 1 0.15 cu 0
( 0 c cu )
εcu
(2).简单受力状态下混凝土的强度
• 简单受力条件下混凝土的强度主要有: • 立方体抗压强度、轴心抗压强度和轴心抗 拉强度. • 其中立方体抗压强度是混凝土力学性能的 基本代表值，是混凝土强度等级划分的依 据。 • 因此，混凝土其它各种力学指标均通过对 比实验建立与立方体抗压强度的相关关系。
• • • • •
fc
C B
B
D E
A
ε
应变速度0.001/100天
0.001/天
0.001/时 0.001/分
ε
3-18 不同强度混凝土的应力应变关系
应变速度0.001/100天
0.001/天 0.001/分 0.001/时
图3 -19 不同应变速度下混凝土的 应力应变关系
应力应变曲线的数学模型
时效硬化
冷作硬化
应变时效
(4)温度
• 在正常温度下：基本不随温度变化 • 在高温度下：温度升高，强度、弹性模量 等均有下降趋势 • 蓝脆现象：250℃左右，抗拉强度反而提 高，塑性和韧性下降 • 在低温时：温度降低，强度略提高，塑性 等下降，有脆性倾向； • 冷脆现象：当温度降低至某一温度以下时， 材料变脆。
(2)钢材缺陷
偏析:钢中化学成分的不一致性和不均匀性 裂纹：先天的裂纹，或是微观的或是宏观的 分层：在厚度方向分成多层，各层相互连接， 并不脱离 夹杂物：尤其是硫化物和氧化物等
(3)钢材的硬化
• 冷作硬化： • 现象：冷（常温）加工产 • 时效硬化： 生塑性变形时，屈服点提 • 现象：时间增加，氮 高，塑性降低 和碳从纯铁体中析出， • 特点：在弹性阶段，基本 形成氮化物和碳化物， 上不影响钢材的力学性能； 使强度提高，塑性和 塑性阶段，卸去荷载重新 韧性下降。 加载，屈服点将会提高至 • 特点：过程很长，但 卸载时的应力 在反复、重复荷载和 • 应变时效：当产生塑性 温度变化等，容易产 变形后，特别是在高温环 生； 当经受塑性变形 境条件下，使已经产生冷 后加热，时效硬化发 作硬化的钢材又发生时效 展的特别快。 硬化。
(2)反复荷载下钢材的疲劳
• • • • • • • • • • 疲劳破坏特点： 包括裂纹形成，缓慢发展和迅速断裂三个过程 没有明显的变形，脆性破坏 影响因素： 荷载的的性质 拉、压、剪等 应力循环特征： min / max (应力比) 循环次数: 疲劳极限：当最大应力小于某一数值时，反复 荷载循环无穷次，材料也不会破坏。
0
fy
min
3 影响钢材性能的一般因素
(1)化学成分：FE:99%
碳：提高强度；但塑性，可焊性、耐锈蚀性等劣化。 锰：弱脱氧剂提高强度，改善脆性；但对可焊性和耐锈力不 利。 硅：强的脱氧剂提高强度，但含量过高，对塑性可焊性耐锈 力不利。 硫： RECUI 高温时变脆，降低塑性韧性抗疲劳能力和耐锈 能力。 磷： LENGCUI 提高强度和耐锈力，低温变脆，降低塑性可 焊性等。 氧 类似于硫 氮类似于磷
（b）
（c）Βιβλιοθήκη （d）• b:平面应力状态，主应力表示：
3 0
zs 1 2
2 1 2 2
• 应力分量表示：
z 0
zx yz 0
2 2 2 zs x y x y 3 xy
• c:当只有正应力 和剪应力 （一般的受弯构件） • 应力分量表示：
φ1
二、混凝土的物理力学性能
• • • 1.简单受力下混凝土的 性能 (1)受压的应力应变关系 曲线特征 上升段： 应力小：近似线性关系 应力大：非线性关系 近峰值：不稳定非线性 下降段：反弯点后平缓 • 影响因素 • 混凝土强度：强度提 高,峰值点应变高；下降 陡,延性差 • 加载的速度：速度愈 大，峰值应力愈大，峰 值应变降低；下降段愈 陡，延性愈差
伸长率：拉断后构件伸长率 l1 l0 100% l0 截面收缩率：拉断后面积缩 小率 冷弯性能：以冷弯 180 角度 来衡量 塑性变形能力。 “比单向拉伸更为严格，也容 易暴露钢材内部缺陷。”
(4)钢材的韧性指标
• 冲击试验，表征抵抗脆性破坏的能力 • 10X10X55mm的方棒。 • 开U形口或V形口。
1 n 2 ( f cu,k 50) 60
•
f cu,k —混凝土立方体抗压强度标准值。
(b) Hognestad建议的曲线模型
σ
fc
0.15fc
c c c f c 2 0 0
2
ε0
c 0
第三章：工程结构材料的物理 力学性能
• • • • 一、钢材的物理力学性能 二、混凝土的物理力学性能 三、砌体的材料及力学性能 四、本章要点
一、钢材的物理力学性能
1、简单应力下钢材的性能 曲线形式： 有明显流幅的： 弹性、屈服、强化和颈缩 阶段 没有明显流幅的： 没有明显的屈服阶段
曲线简化： 屈服前：完全弹性的； 屈服后：完全塑性的。