第3章 建筑结构材料

结构用钢
钢板 厚h、宽b、长l 厚钢板： 厚钢板：h=4.5~60mm，b=600~3000mm，l=4~12m ， ， 薄钢板： 薄钢板：h=0.35~4mm，b=500~1500mm，l=0.5~4m ， ， 扁钢板： 扁钢板：h=4~60mm，b=12~200mm，l=3~9m ， ， 花纹钢板： 花纹钢板：h=2.5~8mm，b=600~1800mm，l=0.6~12m ， ， 型钢
消除应力钢丝：将高碳镇静钢经冷拔后，中温 消除应力钢丝 回火消除应力并稳定化处理的光面钢筋。 刻痕钢丝：在光面钢丝的表面上进行刻痕处理， 刻痕钢丝 以增加钢丝和混凝土之间的粘结力。 螺纹肋钢丝：以普通的低碳钢或低合金钢热轧 螺纹肋钢丝 的盘圆条为母材，经冷轧减径后在其表面冷轧 二面或三面有月牙肋的钢筋。 钢铰线：由3股或7股高强钢丝绞盘在一起经过 钢铰线 低温回火处理消除应力后制成。
3.1.1钢材的力学性能 钢材的力学性能
钢材的应力-应变图形 钢材的应力 应变图形 • 比例极限 σ p 应力、 应变之间满足线性关 系的最大应力 • 屈服强度 σ s 一般用 下屈服点作为材料的 屈服强度 • 强度极限 σb 试件、 试样能承受的最大名 义应力 塑性材料 脆性材料 • 承压强度 σc 构件 之间通过接触面传递 压力称为承压，承压 面所能承担的最大压 应力 塑性材料一般受拉、受压材料性质相似 脆性材料抗压强度高于抗拉强度 塑性材料 σc > σ s 脆性材料 σc > σb
3.2.3混凝土抗拉强度
试验方法
劈裂试验：垫条的尺寸、 劈裂试验：垫条的尺寸、试件尺寸对试验结果均 有影响。劈裂抗拉强度略大于直接受拉强度。 有影响。劈裂抗拉强度略大于直接受拉强度。
试件为100mm×100mm×500mm， 直接抗拉试验 试件为 ×100mm×500mm， 两端埋有伸出长度为150mm的变形钢筋。 150mm的变形钢筋 两端埋有伸出长度为150mm的变形钢筋。
物理 性能
力学 性能
比例极限 强度指标 屈服强度 强度极限 承压强度 延伸率 塑性指标 截面收缩率 冲击韧性 冷弯性能 疲劳强度 徐变与应力松弛
可结合性
钢材的可焊性 钢筋和混凝土间的黏结 快体与砂浆间的黏结
3.2.4混凝土的变形性能 3.2.4混凝土的变形性能
1. 2. 3. 4. 5.
一次短期加载时的变形 重复荷载作用的变形及疲劳强度 混凝土的模量 荷载长期作用下的变形 混凝土的体积变形
1 一次短期加载时的变形性能
（1）上升段 1. OA（0.3~0.4fc），混凝土的变形主要 是骨料和水泥结晶体受力产生的弹性 变形，内部原有的微裂缝处于稳定状 态。 2. AB（B为临界点），裂缝稳定扩展阶 段，塑性变形逐渐增大。 3. BC段，内部微裂缝进入非稳定发 展阶段，已延伸扩展为若干连通的裂 缝。对应的应力为混凝土的棱柱体抗 压强度，相应的应变为峰值应变。
标准试块、标准养护条件、 标准试块、标准养护条件、标准试验方法
以边长为150mm×150mm×150mm的标准立方体试 块在20±3ºC的温度和相对湿度在90%以上的潮湿空 气中养护28天，依照标准试验方法 标准试验方法测得的具有 具有95% 标准试验方法 具有 保证率的抗压强度。 保证率 标准试验方法： 标准试验方法： 试件上下表面不加润滑剂 加载速度：≤C30时，0.3~0.5N/mm2/秒；≥ C30时， 0.5~0.8N/mm2/秒。 试件尺寸：边长为200mm或100mm时，分别乘换算 系数1.05和0.95。 混凝土的龄期：28天
钢筋的冷加工

冷拉
冷拔
3.1.3 建筑工程用钢
混凝土结构用钢 热轧钢筋：由低碳钢、低合金钢热轧而成，均为 热轧钢筋 软钢，按屈服强度标准值大小分为：HPB235、 HRB335、HRB400和RRB400四个级别。其中 HPB235为Q235钢，光圆形式。 HRB335、 RRB400级变形钢筋均为20MnSi钢，后者经余 热处理。 HRB400钢筋由20MnSiV钢、 20MnSiNb钢或 20MnTi制成，为变形钢筋。 热处理钢筋：由40Si2Mn、48Si2Mn、45Si2Cr 热处理钢筋 等合金钢热轧而成的钢筋进行加温、淬火和回火 等调质处理而得到的钢筋。热处理钢筋强度大幅 度提高、塑性降低不多，但为硬钢。
材料强度的取值方法
取值依据
塑性材料强度取屈服值（无明显流动的塑 f y = σs fu = σ b 性材料取名义屈服值） 脆性材料强度取强度极限
ft = σ tb
fc = σ cb
强度值分布规律 随机变量 正态分布 强度特征值
平均值 标准差
1 1 fm = x f = ( x1 + x2 + L+ xn ) = n n
1. 2.
3.
4.
2. 棱柱受压
混凝土实际状态为棱柱体受压，且端面不存在约束。 试验中选用150mm× 150mm ×450mm， 150mm × 150mm ×600mm的试样。 试验得出的强度值称为混凝 土的轴心抗压强度 fc 立方抗压强度与之间轴心抗 压强度可建立统计关系。
3. 三向受压
混凝土的三向受压强度高于单向受压强度。 随着侧压力的提高，试件的横向变形受到约束， 使竖向抗压强度得到提高。 侧压力对混凝土强度的影响
（2）下降段 ） 峰值应力以后， 峰值应力以后，裂缝迅速发 展，内部结构的整体性受到 越来越严重的破坏， 越来越严重的破坏，赖以传 递荷载的路径不断减少， 递荷载的路径不断减少，试 件的平均应力强度下降。 件的平均应力强度下降。过 拐点后， 拐点后，荷载由骨料间的咬 合力及摩擦力共同承受。 合力及摩擦力共同承受。
徐变和应力松弛
徐变或蠕变 恒定温度和应力作用下，构件的变形 随时间t增长的现象
应力松弛 在恒定的温度和应变条件下，构件应力 随时间的增加而减小的现象
3.1.2钢材的加工与焊接 钢材的加工与焊接
钢材的可焊性 焊接构件在施焊后的强度 不应低于母材的强度。 钢筋和混凝土之间的黏结 是钢筋混凝土 结构工作的基础。黏结力由摩擦力、胶结 力和机械咬合力组成，其黏结强度与钢筋 锚固长度、钢筋表面形状有关。 块体与砂浆之间的黏结 黏结强度与砂浆 质量和块体类型有关，它决定砌体的抗弯、 抗剪和抗拉强度
f cu,k C15 C20 C25 C30 C35 C40 C45 C50 C50
C60~ C80 0.10
δ
0.21 0.18 0.16 0.14 0.13 0.12 0.12 0.11
0.11
混凝土的选用
钢筋混凝土结构的混凝土强度等级不宜低于 C15；当采用HRB335级钢筋时，混凝土强度 等级不宜低于C20；当采用HRB400和RRB400 级钢筋以及承受重复荷载的构件，混凝土强度 等级不得低于C20。 预应力混凝土结构的混凝土强度等级不宜低于 C30；当采用预应力钢绞线、钢丝、热处理钢 筋作预应力钢筋时，混凝土强度等级不宜低于 C40。 当采用山砂混凝土和高炉混凝土时，尚应符合 专门规程的规定。
混凝土受压破坏机理
1.立方体受压 立方体受压
尺寸效应： 尺寸效应：立方体尺 寸越小， 寸越小，实验得出的 抗压强度越高 尺寸效应的原因：1） 尺寸效应的原因： ） 内部缺陷少； ） 内部缺陷少；2）实 验方法的影响， 验方法的影响，箍的 作用
为了便于比较，需统一试样尺寸和试验方法 标准立方试块 为了便于比较，需统一试样尺寸和试验方法。标准立方试块 150mm×150mm×150mm，不涂润滑剂。立方抗压强度值 fcu × × ，不涂润滑剂。 作为划分混凝土强度等级的依据
工字钢 字钢
槽钢
角钢
钢管
钢筋的符号
热处理 钢丝
热轧钢筋 HRB 335 HRB RRB 400 400
钢铰线
消除应力钢丝
光面 螺旋肋 刻痕
3.2 混凝土
混凝土是由水泥、骨料（砂和石） 混凝土是由水泥、骨料（砂和石）和水按一定 比例配和凝结硬化而成的人工石材。 比例配和凝结硬化而成的人工石材。
3.2.1混凝土的强度等级： 混凝土的强度等级： 混凝土的强度等级 C15、C20、C25、C30、C35、 、 、 、 、 、 C40、C45、C50、C55、C60、 、 、 、 、 、 C65、C70、C75和C80共十 、 、 和 共十 四级 C表示混凝土（concrete）， 表示混凝土（ 表示混凝土 ）， C后的数值为混凝土的立方抗 后的数值为混凝土的立方抗 压强度标准值
抗拉强度与立方抗压强度的统计关系
f tk = 0.88 × 0.395(1−1.645δ )
0.45 0.55 αc2 fcu,k
系数0.395和指数0.55是根据试验数据得出的 是根据试验数据得出的。 系数0.395和指数0.55是根据试验数据得出的。 和指数 规范对混凝土立方体强度采用的变异系数如下： 规范对混凝土立方体强度采用的变异系数如下：
冷弯是将直径为d的钢筋绕直径 冷弯是将直径为 的钢筋绕直径 为D的弯芯弯曲到规定的角度后 的弯芯弯曲到规定的角度后 无裂纹或起层现象， 无裂纹或起层现象，则表示冷 弯合格。 弯合格。 • 在循环荷载作用下，当达 在循环荷载作用下， 到一定的循环次数时， 到一定的循环次数时，构件 和发生脆性破坏， 和发生脆性破坏，且破坏应 力远小于 σ f 或τ f ，称为疲 劳破坏。 劳破坏。 • 在规定的循环次数和荷载 变化幅度下，材料所能承受 变化幅度下， 的最大动态应力， 的最大动态应力，称为疲劳 强度 σ s 或σb
钢材的规格—钢筋和钢丝 钢材的规格 钢筋和钢丝
钢筋是指用于混凝土结构或配筋砌体中的直 径在4~50mm范围内的园钢。5mm及以下 的细钢筋称为钢丝。12mm及以下的钢筋或 钢丝常以盘圆形式提供。 按外形分：光面（直径为6~50mm）和变形 （采用与光面钢筋相同重量的当量直径，直 径一般不小于10mm）