第三章 结构材料的力学性能及其选用

第三章结构材料的力学性能及其选用伦敦千年穹顶巴黎埃菲尔铁塔吉隆坡国家石油双塔大厦日本明石海峡大桥•钢–理论上，凡是把含碳量小于2%，含杂质比较少的铁碳合金称为钢。–含碳量超过2%，称为生铁；含碳量小于0.08%，称为工业纯铁。•钢的特点–具有强度高，塑性好，具有良好的韧性；工艺性能良好，易于加工；但是，钢材易锈蚀、耐火性差。二、建筑钢材的主要品种1.型钢–简单截面型钢：圆钢、方钢、六角钢、八角钢等；–复杂截面型钢：工字钢、角钢、槽钢、钢轨等。二、建筑钢材的主要品种2.线材如钢筋、钢丝等。二、建筑钢材的主要品种3.管材无缝钢管、焊接钢管等。二、建筑钢材的主要品种4.板材光面钢板、花纹钢板、彩色涂层钢板等。压型彩钢板第三章预应力混凝土结构的一般知识第一节建筑钢材一、钢材的力学性能建筑结构中的钢材可分为两类：有明显屈服点的钢材和无明显屈服点的钢材。1.应力-应变曲线0.2%f0.2屈服阶段弹性阶段a（比例极限）bced（抗拉强度）强化阶段破坏阶段屈服强度有明显屈服点的钢材应力-应变曲线无明显屈服点的钢材应力-应变曲线四个阶段0LLOAF弹性阶段OA屈服阶段AB强化阶段BC颈缩阶段CDABCD低碳钢受拉的应力－应变图弹性阶段OA一条通过原点的直线，应力与应变成正比。弹性弹性模量E值的大小反映了钢材抵抗弹性变形的能力。A点对应的应力。tgEα:p0LLOAFA低碳钢受拉的应力－应变图pE1＞E2图形的特点：试件的特点：计算的指标：ABCD弹性极限屈服阶段AB一条波动的曲线，应力增加很小，而应变增加很大。所能承受的拉力增加很小，而塑性变形迅速增加，似乎钢材不能承受外力——屈服强度（也叫屈服点）点对应的应力。0LL图形的特点：试件的特点：计算的指标：αOAFA低碳钢受拉的应力－应变图pACDBB上B下:s下BsAFss屈服。强化阶段BC一段上升的曲线。抵抗塑性变形的能力又重新提高——抗拉强度图形的特点：试件的特点：计算的指标：0LLαOAFA低碳钢受拉的应力－应变图pACDBB上B下sAFbbbC点对应的应力。强化。颈缩阶段CD一段下降的曲线。变形迅速发展，在有杂质或缺陷处，断面急剧缩小——，直到断裂。伸长率δ：图形的特点：试件的特点：计算的指标：AF0LLαOApACDBB上B下sb211100%LLLL2L1计算的指标：颈缩三个重要的指标•屈服强度σs结构设计中钢材强度取值的依据•抗拉强度σb钢材所能承受的最大应力屈强比屈强比，利用率，安全可靠程度•伸长率δ衡量钢材塑性的指标，越大说明钢材的塑性越好bsbs↑AF0LLαOApACDBB上B下sbsbbs↑↓211100%LLL2.强度钢材的强度指标包括屈服强度和抗拉强度。有明显屈服点的钢材以屈服强度作为其关键性的强度指标；无明显屈服点的钢材以抗拉强度作为其主要强度指标，并以其的0.85倍作为其条件屈服强度。3.塑性伸长率是指试件拉断后原标距的伸长值与原标距的比值（以百分数表示）冷弯性能是指钢材在常温下承受弯曲时产生塑性变形能力。反映塑性性能的指标是“伸长率”和“冷弯性能”。211100%lll钢材的屈服强度、抗拉强度、伸长率和冷弯性能是检验有明显屈服点钢材的四项主要质量指标，对于无明显屈服点的钢筋只测定后三项。二、钢材的冷加工及其品种1.钢材的冷拉冷拉强化冷拉时效或时效硬化2.钢材的冷拔3.钢材的品种（1）钢筋热轧钢筋、冷拉钢筋----有明显屈服点钢丝、钢绞线----无明显屈服点热轧钢筋：热轧光圆钢筋HPB热轧带肋钢筋HRB按化学成分碳素钢低合金钢－在碳素钢基础上加入少量的硅、锰、钛、钒、铬等合金元素。有效提高钢材的强度，改善钢材的其它性能。低碳钢－含碳量0.25%中碳钢－含碳量0.25%~0.6%高碳钢－含碳量0.6%~1.4%除铁外，含少量碳、硅、锰、硫、磷Ⅰ级热轧钢筋、钢丝Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级热轧钢筋、热处理钢筋钢丝：碳素钢丝、刻痕钢丝及钢绞线D—公称直径A—3股钢绞线量测尺寸钢绞线刻痕钢丝螺旋肋钢丝外形光面钢筋变形钢筋:等高肋钢筋、月牙肋钢筋（2）型钢和钢板型钢：角钢（包括等边和不等边角钢）、槽钢、工字钢等；钢转炉钢沸腾钢电炉钢平炉钢按冶炼方法分按脱氧程度分镇静钢半镇静钢特殊镇静钢按炉衬材料分为酸性钢和碱性钢FZbTZ钢材牌号：碳素结构钢中的Q235钢和低合金结构钢中Q345（16Mn）、Q390（15MnV）和Q420（15MnV）四种；Q235钢分为A、B、C、D四个质量等级；三、钢材的选用钢筋和混凝土能够共同工作的原因：钢筋和混凝土之间存在粘结力，这是二者共同工作的基础；钢筋和混凝土的线膨胀系数相近；混凝土提供的碱性工作环境可以保护钢筋免遭锈蚀。混凝土结构对钢筋性能的主要要求是：强度塑性可焊性与混凝土的粘结力。1.混凝土结构对钢筋性能的要求2.钢筋的选用第二节混凝土一、混凝土的强度1、立方体抗压强度fcu－混凝土强度等级混凝土的强度等级是用立方体抗压强度来划分的混凝土强度等级：边长150mm立方体为标准试件，在标准条件下（20±3℃，≥90%湿度）养护28天，用标准试验方法测得的具有95%保证率的立方体抗压强度，用符号C表示，C30表示fcuk=30N/mm2。2.混凝土强度等级•按混凝土立方体抗压强度标准值划分的级别。以“C”和混凝土立方体抗压强度标准值（fcu,k）表示，主要有C15，C20，C25，C30，C35，C40，C45，C50，C55，C60，等强度等级。•立方体抗压强度标准值（fcu,k），是立方体抗压强度总体分布中的一个值，强度低于该值的百分率不超过5%。•强度等级表示的含义：–强度的范围：某混凝土，其fcu＝30.0～34.9MPa；–某混凝土，其fcu≥30.0MPa的保证率为95%。C30“C”代表“混凝土”。“30”代表fcu,k＝30.0MPa；3.轴心抗压强度–采用150mm×150mm×300mm的棱柱体试件。FF轴心抗压强度与立方体强度的换算：120.88ckcccuff3.混凝土的抗拉强度混凝土的抗拉性能非常差，抗拉强度标准值约为轴心抗压强度的1/8—1/16。50015015010016轴心受拉试验二、混凝土的变形1.短期加荷下的应力-应变关系我国常采用棱柱体来测定混凝土的应变-应变曲线关系。02468102030(MPa)×10-3A比例极限B临界点C峰点D拐点E收敛点上升段下降段混凝土一次加荷下的应力-应变曲线上升段OA段－加载至(0.3~0.4)fc，变形主要是骨料和水泥结晶体受力产生的弹性变形。AB段－裂缝稳定扩展阶段，B点的应力可以作为长期抗压强度的依据。BC段－不稳定裂缝扩展阶段，C点的应力为棱柱体的抗压强度fc，相应的应变称为峰值应变，一般在0.002附近。下降段CE是混凝土达到峰值应力后裂缝继续扩展、贯通。C点后，裂缝迅速扩展，内部结构的整体受到严重破坏，赖以传递荷载的传力路线不断减少，应力强度不断下降，曲线先下弯，直到凹向发生改变，出现拐点D。D点后，只靠骨料间的咬合力和摩擦力与残余承载面承受荷载。收敛点E是曲线中曲率最大的一点，E开始以后的曲线称为收敛段。02.混凝土的模量Ec=tan弹性模量（原点模量）0ddEcE’’c=tan2切线模量ddEccEelacEcEE’c=tan1割线模量(变形模量）ela混凝土的弹性模量可由下式计算：51034.72.2ccukEf-----混凝土的立方体抗压强度（MPa）cukf3.荷载长期作用下混凝土的变形性能－徐变结构或材料承受的荷载不变，而应变和变形随时间增长的现象称为徐变。徐变的不利之处：徐变会使结构（构件）的（挠度）变形增大，引起预应力损失，在长期高应力作用下，甚至会导致破坏。影响徐变的因素：初始应力的大小、时间、混凝土的环境条件和混凝土的组成。4.混凝土的收缩混凝土在空气中硬化时体积变小的现象称为混凝土的收缩。有利之处：徐变有利于结构构件产生内（应）力重分布，降低结构的受力，减小大体积混凝土的温度应力。三、混凝土的强度等级的选用原则《规范》将混凝土结构用混凝土强度等级分为14个等级，从C15—C80，每级相差5MPa。钢筋混凝土结构的混凝土强度等级不应小于C15；当采用HRB335级钢筋时，混凝土强度等级不宜小于C20；预应力钢筋混凝土强度等级不宜小于C30；当采用预应力钢绞线、钢丝、热处理钢筋作为预应力钢筋时，混凝土强度等级不宜小于C40。第三节钢筋与混凝土的相互作用--粘结力一．钢筋与混凝土之间的粘结力钢筋与混凝土之间的粘结是钢筋和混凝土形成整体、共同受力的基础和基本前提。粘结力是存在于钢筋和混凝土界面上的作用力。粘结力的组成：混凝土收缩将钢筋紧紧握固而产生的摩擦力；混凝土颗粒的化学作用而产生的胶合力；钢筋表面凹凸不平与混凝土之间的机械咬合力。二．保证钢筋与混凝土之间的粘结力的措施1.足够的锚固长度2.一定的搭接长度3.混凝土有足够的厚度4.钢筋末端应做弯钩5.配置箍筋6.注意浇注混凝土时的钢筋位置。