第三章 結(jié)構(gòu)材料力學(xué)性能及其選用

1、第三章第三章 結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)性能結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)性能 及其選用及其選用倫敦千年穹頂巴黎埃菲爾鐵塔吉隆坡國家石油雙塔大廈 日本明石海峽大橋 鋼 理論上，凡是把含碳量小于2%，含雜質(zhì)比較少的鐵碳合金稱為鋼。 含碳量超過2%，稱為生鐵；含碳量小于0.08%，稱為工業(yè)純鐵。 鋼的特點 具有強度高，塑性好，具有良好的韌性；工藝性能良好，易于加工；但是，鋼材易銹蝕、耐火性差。二、建筑鋼材的主要品種1.型鋼 簡單截面型鋼：圓鋼、方鋼、六角鋼、八角鋼等； 復(fù)雜截面型鋼：工字鋼、角鋼、槽鋼、鋼軌等。二、建筑鋼材的主要品種2.線材如鋼筋、鋼絲等。二、建筑鋼材的主要品種3.管材 無縫鋼管、焊接鋼管等。二、建筑鋼材的主

2、要品種4.板材光面鋼板、花紋鋼板、彩色涂層鋼板等。壓型彩鋼板第三章 預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的一般知識第一節(jié) 建筑鋼材一、鋼材的力學(xué)性能 建筑結(jié)構(gòu)中的鋼材可分為兩類：有明顯屈服點的鋼材和無明顯屈服點的鋼材。1. 應(yīng)力-應(yīng)變曲線0.2%f0.2屈服階段屈服階段彈性階段彈性階段a（比例極限）（比例極限）b ced（抗拉強度）（抗拉強度）強化階段強化階段破壞階段破壞階段屈服強度屈服強度 有明顯屈服點的鋼材應(yīng)力-應(yīng)變曲線 無明顯屈服點的鋼材應(yīng)力-應(yīng)變曲線四個階段四個階段0LLOAF彈性階段彈性階段OAOA屈服階段屈服階段ABAB強化階段強化階段BCBC頸縮階段頸縮階段CDCDABCD低碳鋼受拉的應(yīng)力應(yīng)變圖低碳

3、鋼受拉的應(yīng)力應(yīng)變圖彈性階段彈性階段OA 一條通過原點一條通過原點的直線，應(yīng)力與應(yīng)變成正比。的直線，應(yīng)力與應(yīng)變成正比。 彈性彈性彈性模量彈性模量 E E值的大小反映了鋼材抵抗值的大小反映了鋼材抵抗彈性變形的能力。彈性變形的能力。 A點對應(yīng)點對應(yīng)的應(yīng)力。的應(yīng)力。tgE:p0LLOAFA低碳鋼受拉的應(yīng)力應(yīng)變圖低碳鋼受拉的應(yīng)力應(yīng)變圖p E1 E2l圖形的特點：l 試件的特點：l計算的指標：ABCD彈性極限屈服階段屈服階段AB 一條波動的曲線，應(yīng)力增加很小，而應(yīng)變增加很大。 所能承受的拉力增加很小，而塑性變形迅速增加，似乎鋼材不能承受外力 屈服強度（也叫屈服點） 點對應(yīng)的應(yīng)力。0LLl圖形的特點：l試件

4、的特點：l計算的指標：OAFA低碳鋼受拉的應(yīng)力應(yīng)變圖低碳鋼受拉的應(yīng)力應(yīng)變圖pACDBB上上B下下:s下BsAFss屈服。強化階段強化階段BC 一段上升的曲線。抵抗塑性變形的能力又重新提高抗拉強度 l圖形的特點：l試件的特點：l計算的指標：0LLOAFA低碳鋼受拉的應(yīng)力應(yīng)變圖低碳鋼受拉的應(yīng)力應(yīng)變圖pACDBB上上B下下sAFbbbC點對應(yīng)的應(yīng)力。強化。頸縮階段頸縮階段CD 一段下降的曲線。變形迅速發(fā)展，在有雜質(zhì)或缺陷處，斷面急劇縮小 ，直到斷裂。伸長率： l圖形的特點：l試件的特點：l計算的指標：AF0LLOApACDBB上上B下下sb211100%LLLL2L1l計算的指標：頸縮三個重要的指標

5、 屈服強度s 結(jié)構(gòu)設(shè)計中鋼材強度取值的依據(jù) 抗拉強度b 鋼材所能承受的最大應(yīng)力 屈強比 屈強比，利用率 ，安全可靠程度 伸長率 衡量鋼材塑性的指標，越大說明鋼材的塑性越好 bsbsAF0LLOApACDBB上上B下下sbsbbs211100%LLL2. 強度 鋼材的強度指標包括屈服強度和抗拉強度。 有明顯屈服點的鋼材以屈服強度作為其關(guān)鍵性的強度指標； 無明顯屈服點的鋼材以抗拉強度作為其主要強度指標，并以其的0.85倍作為其條件屈服強度。3. 塑性 伸長率是指試件拉斷后原標距的伸長值與原標距的比值（以百分數(shù)表示） 冷彎性能是指鋼材在常溫下承受彎曲時產(chǎn)生塑性變形能力。 反映塑性性能的指標是“伸長率

6、”和“冷彎性能”。211100%lll 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，對于無明顯屈服點的鋼筋只測定后三項。二、鋼材的冷加工及其品種二、鋼材的冷加工及其品種1. 鋼材的冷拉 冷拉強化 冷拉時效或時效硬化2. 鋼材的冷拔3. 鋼材的品種 （1）鋼筋熱軋鋼筋、冷拉鋼筋-有明顯屈服點鋼絲、鋼絞線-無明顯屈服點熱軋鋼筋：熱軋光圓鋼筋 HPB 熱軋帶肋鋼筋 HRB按按化化學(xué)學(xué)成成分分碳素鋼碳素鋼低合金鋼低合金鋼在碳素鋼基礎(chǔ)上加入少量的硅、錳、在碳素鋼基礎(chǔ)上加入少量的硅、錳、 鈦、釩、鉻等合金元素。有效提高鋼鈦、釩、鉻等合金元素。有效提高鋼 材的強度，改

7、善鋼材的其它性能。材的強度，改善鋼材的其它性能。低碳鋼含碳量低碳鋼含碳量0.25%中碳鋼含碳量中碳鋼含碳量0.25%0.6%高碳鋼含碳量高碳鋼含碳量0.6%1.4%除鐵外，含少除鐵外，含少量碳、硅、錳、量碳、硅、錳、硫、磷硫、磷級級熱軋鋼筋、鋼絲熱軋鋼筋、鋼絲 、級級熱軋鋼筋、熱處理鋼筋熱軋鋼筋、熱處理鋼筋 鋼絲鋼絲：碳素鋼絲、刻痕鋼絲及鋼絞線：碳素鋼絲、刻痕鋼絲及鋼絞線 D公稱直徑 A 3股鋼絞線量測尺寸鋼絞線鋼絞線刻痕鋼絲刻痕鋼絲螺旋肋鋼絲螺旋肋鋼絲外形外形光面鋼筋光面鋼筋 變形鋼筋變形鋼筋: :等高肋鋼筋、月牙肋鋼筋等高肋鋼筋、月牙肋鋼筋 （2）型鋼和鋼板型鋼：角鋼（包括等邊和不等邊角鋼

8、）、槽鋼、工 字鋼等； 鋼轉(zhuǎn)爐鋼沸騰鋼電爐鋼平爐鋼按冶煉方法分按脫氧程度分鎮(zhèn)靜鋼半鎮(zhèn)靜鋼特殊鎮(zhèn)靜鋼按爐襯材料分為酸性鋼和堿性鋼FZbTZ鋼材牌號：碳素結(jié)構(gòu)鋼中的Q235鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼中Q345（16Mn）、Q390（15MnV）和Q420（15MnV）四種； Q235鋼分為A、B、C、D四個質(zhì)量等級； 三、鋼材的選用三、鋼材的選用 鋼筋和混凝土能夠共同工作的原因： 鋼筋和混凝土之間存在粘結(jié)力，這是二者共同工作的基礎(chǔ)； 鋼筋和混凝土的線膨脹系數(shù)相近； 混凝土提供的堿性工作環(huán)境可以保護鋼筋免遭銹蝕。 混凝土結(jié)構(gòu)對鋼筋性能的主要要求是：強度塑性可焊性與混凝土的粘結(jié)力。1. 混凝土結(jié)構(gòu)對鋼筋性能的要

9、求2. 鋼筋的選用第二節(jié) 混 凝 土一、混凝土的強度 1 1、立方體抗壓強度fcu 混凝土強度等級混凝土的強度等級是用立方體抗壓強度來劃分的混凝土強度等級：邊長150mm立方體為標準試件，在標準條件下（203，90%濕度）養(yǎng)護28天，用標準試驗方法測得的具有95%保證率的立方體抗壓強度，用符號C表示，C30表示fcuk=30N/mm2 。2.混凝土強度等級 按混凝土立方體抗壓強度標準值劃分的級別。以“C”和混凝土立方體抗壓強度標準值（fcu,k）表示，主要有C15，C20，C25，C30，C35，C40，C45，C50，C55，C60，等強度等級。 立方體抗壓強度標準值（fcu,k ） ，是立

10、方體抗壓強度總體分布中的一個值，強度低于該值的百分率不超過5%。 強度等級表示的含義： 強度的范圍：某混凝土，其fcu30.034.9MPa； 某混凝土，其fcu30.0MPa的保證率為95%。C30“C”代表“混凝土”?！?0”代表fcu,k30.0MPa；3.軸心抗壓強度 采用150mm150mm300mm的棱柱體試件。FF軸心抗壓強度與立方體強度的換算：120.88ckcccuff 3. 混凝土的抗拉強度 混凝土的抗拉性能非常差，抗拉強度標準值約為軸心抗壓強度的1/81/16。 500 150 15010016軸心受拉試驗二、混凝土的變形1. 短期加荷下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系 我國常采用棱柱體

11、來測定混凝土的應(yīng)變-應(yīng)變曲線關(guān)系。02468102030(MPa) 10-3A比例極限比例極限B臨界臨界點點C峰點峰點D拐點拐點E收斂收斂點點上升段上升段下降段下降段混凝土一次加荷下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線上上升升段段OA段加載至(0.30.4)fc，變形主要是骨料和水泥結(jié)晶體受力產(chǎn)生的彈性變形。AB段裂縫穩(wěn)定擴展階段，B點的應(yīng)力可以作為長期抗壓強度的依據(jù)。BC段不穩(wěn)定裂縫擴展階段， C點的應(yīng)力為棱柱體的抗壓強度fc，相應(yīng)的應(yīng)變稱為峰值應(yīng)變 ，一般在0.002附近。下降段下降段CE CE 是混凝土達到峰值應(yīng)力后裂縫繼續(xù)擴展、貫通。C點后，裂縫迅速擴展，內(nèi)部結(jié)構(gòu)的整體受到嚴重破壞，賴以傳遞荷載的傳力路線

12、不斷減少，應(yīng)力強度不斷下降，曲線先下彎，直到凹向發(fā)生改變，出現(xiàn)拐點D。D點后，只靠骨料間的咬合力和摩擦力與殘余承載面承受荷載。收斂點收斂點E E 是曲線中曲率最大的一點，E開始以后的曲線稱為收斂段。02. 混凝土的模量Ec= tan 彈性模量（原點模量）彈性模量（原點模量）0ddEcEc= tan 2切線模量切線模量ddEc cEelacEcEEc= tan 1割線模量割線模量(變形模量）變形模量）ela 混凝土的彈性模量可由下式計算：51034.72.2ccukEf -混凝土的立方體抗壓強度（MPa） cukf3. 荷載長期作用下混凝土的變形性能徐變 結(jié)構(gòu)或材料承受的荷載不變，而應(yīng)變和變形隨

13、時間增長的現(xiàn)象稱為徐變。徐變的不利之處：徐變會使結(jié)構(gòu)（構(gòu)件）的（撓度）變形增大，引起預(yù)應(yīng)力損失，在長期高應(yīng)力作用下，甚至?xí)?dǎo)致破壞。影響徐變的因素：初始應(yīng)力的大小、時間、混凝土的環(huán)境條件和混凝土的組成。4. 混凝土的收縮 混凝土在空氣中硬化時體積變小的現(xiàn)象稱為混凝土的收縮。有利之處：徐變有利于結(jié)構(gòu)構(gòu)件產(chǎn)生內(nèi)（應(yīng)）力重分布，降低結(jié)構(gòu)的受力，減小大體積混凝土的溫度應(yīng)力。三、混凝土的強度等級的選用原則 規(guī)范將混凝土結(jié)構(gòu)用混凝土強度等級分為14個等級，從C15C80，每級相差5MPa。 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的混凝土強度等級不應(yīng)小于C15； 當采用HRB335級鋼筋時，混凝土強度等級不宜小于C20； 預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土強度等級不宜小于C30； 當采用預(yù)應(yīng)力鋼絞線、鋼絲、熱處理鋼筋作為預(yù)應(yīng)力鋼筋時，混凝土強度等級不宜小于C40。第三節(jié) 鋼筋與混凝土的相互作用-粘結(jié)力一鋼筋與混