第三章 结构材料
3.1 学习要点
本章介绍工程结构常用之钢材、混凝土、砖石、砌块等材料的力学性能和强度取值,是后续构件承载能力、变形等设计计算的基础。
1.材料的力学性能由强度指标,变形指标,冷弯、冲击韧性等构成。作为强度指标的有比例极限、弹性极限、屈服极限(屈服点)和强度极限等参数,结构设计用屈服极限作为强度指标。衡量变形能力除弹性模量(或变形模量)以外,还有延伸率、截面收缩率等塑性指标。冷弯是一个综合性指标,冲击韧性用冲击功来定义。不同质量等级的钢材除化学成分要求不同以外,对不同温度下的冲击韧性指标有要求。
2.材料强度有平均值fm,标准值fk和设计值f之分。平均值是若干标准试件按规范规定进行试验,测得的材料屈服极限的平均值;而标准值则为具有95%保证率的材料强度取值,即低于平均值1.645倍标准差;材料强度设计值由标准值除以材料的分项系数(>1)而得到。
3.了解钢材、钢筋的分类和规格,掌握钢材各种强度设计值(抗拉、抗压、抗剪、承压)的确定方法,熟悉钢材的本构模型。
4.掌握钢材焊接连接,螺栓连接的设计计算方法。
5.混凝土属于人工石材,是典型的脆性材料,抗压能力远远高于抗拉能力,其性能和配合比有关。了解混凝土受压破坏机理、变形特点,掌握抗拉、抗压、抗剪强度之间的差异,熟悉砼的应力-应变关系。
6.砌体的承载力和变形能力和块体、砂浆,砌筑质量密不可分。了解块体、砂浆的种类和强度等级,掌握砌体种类和强度取值,熟悉砌体的变形特性。
3.2 思考题
1.试绘出有明显流幅的钢材(钢筋)的拉伸图,说明各阶段的特点,指出比例极限、屈服极限和强度极限(极限强度)的含义。
2.软钢和硬钢的拉伸图有何不同,抗拉强度设计值fy各对应于图中何处的应力值?
3.钢材的冲击韧性如何定义?
4.钢材质量等级分A、B、C、D、E级的依据是什么?
5.为什么说冷弯性能是衡量钢材力学性能的一项综合指标?
6.钢材抗剪强度取抗拉强度的58%,依据何在?
7.何谓伸长率?何谓屈强比?
8.钢材强度取值与尺寸有关,Q345钢何时fy=345N/mm2?在其他情况下fy是小于还是大于345N/mm2?
9.角焊缝在弯矩、轴力、剪力、扭矩作用下的焊接强度是按哪种形式计算的?与对接焊缝有何区别?
10.高强度螺栓的预拉力起什么作用?预拉力的大小与承载能力有什么关系?高强度螺栓与普通螺栓计算有什么不同?摩擦型高强度螺栓与承压型高强度螺栓有何区别?
11.在交变受力过程中,钢材的疲劳计算是用最大应力、最小应力、平均应力、还是用应力幅?为什么不采用材料力学中的“疲劳极限”这一概念?
12.钢筋进行冷加工的目的是什么?冷加工的方法有哪几种?每种加工方法对强度有何影响?
13.何谓冷拉时效?
14.我国钢筋混凝土结构中使用的钢筋有几种?热轧钢筋的强度分哪几个等级,分别用什么符号表示?
15.混凝土立方体抗压强度能不能代表实际构件中混凝土的强度?既然用立方体抗压强度fcu作为混凝土的强度等级,为什么还要有轴心抗压强度fc?
16.混凝土的基本强度指标有哪些?各用什么符号表示,它们之间有什么关系?
17.混凝土在短期一次加载轴心压力作用下的应力应变曲线,和热轧钢筋一次加载受接时的应力应变曲线相比有什么不同?并指出前者曲线的某些特点。
18.混凝土应力等于fc时的应变ε0和极限压应变εcu有什么区别?它们各在什么受力情况下考虑,其应变值大致为多少?
19.为什么混凝土棱柱体试件在短期轴压作用下的应力应变曲线中有一个“下降段”。为什么会出现应变不断增加,而应力不断降低的现象?
20.什么叫约束混凝土?处于三向受压的混凝土,其变形特点如何?
21.混凝土的受压变形模量有几种表达方式?我国现行规范是怎样确定混凝土的受压弹性模量的?
22.混凝土在重复荷载作用下,其应力应变曲线有何特征,在实用上有何意义?
23.混凝土的收缩和徐变有什么不同?是由什么原因引起的?变形特点是什么?
24.混凝土的收缩和徐变对钢筋混凝土结构各有什么影响?减少收缩和徐变的措施有哪些?
25.为什么钢筋和混凝土能够共同工作?它们之间的粘结力是由哪几部分组成的?提高钢筋和混凝土之间的粘结力可采取哪些措施?
26.粘结力沿钢筋长度方向的分布图形如何?钢筋埋入混凝土中的长度无限增大时,粘结力图形的长度是否也随之无限增大?为什么?
27.为使钢筋在混凝土中有可靠的锚固,可采取哪些措施?
28.砖砌体的抗压强度为什么低于它所用砖所能达到的抗压强度?
29.影响砌体抗压强度的因素有哪些?
30.从影响砌体抗压强度的因素分析,如何提高砖墙的施工质量?
31.在何种情况下可按砂浆强度为零来确定砌体强度?
32.为什么工程上不允许采用沿水平通缝截面轴心受拉的构件?
33.砌体在弯曲受拉时有哪几种破坏形态?
34.垂直压应力对砌体抗剪强度有何影响
3.3 练习题
3.3.1 选择题
1.碳素结构钢中含碳量增加时,对钢材的强度、塑性、韧性和可焊性的影响是目 。
(A)强度增加,塑性、韧性降低,可焊性提高
(B)强度增加,塑性、韧性、可焊性都好了
(C)强度增加,塑性、韧性、可焊性降低了
(D)强度、塑性、韧性、可焊性都降低了
2.钢材经冷作硬化处理后屈服点 ,塑性降低了。
(A)降低 (B)不变
(C)提高 (D)降为零
3.低碳钢标准试件在一次拉伸试验中,应力由零增加到比例极限,弹性模量很大,变形很小,则此阶段为 阶段。
(A)弹性 (B)弹塑性
(C)塑性 (D)强化
4.将两块钢板用普通螺栓搭接连接,螺栓杆的直径为20mm,已知两钢板的厚度分别为12mm和10mm,且fbc=400N/mm2,钢板在轴心力作用下,则一个螺栓的承压承载力应为 kN。
(A)96 (B)176
(C)40 (D)80
5.牌号Q235-D表示此碳素结构钢的 。
(A)屈服点是235MPa,质量最好 (B)抗拉强度是235MPa,质量最好
(C)屈服点是235MPa,质量最差 (D)合金含量2.35%,镇静平炉钢
6.结构上所用钢材,主要是碳素结构钢的 和低合金结构钢。
(A)高碳钢 (B)低碳钢
(C)硅锰结构钢 (D)沸腾钢
7.在常温下使钢材产生塑性变形,从而提高 ,这个过程称为冷加工强化处理或冷作硬化。
(A)屈服强度 (B)抗拉强度
(C)塑性韧性 (D)冷弯性能
8.对于无明显流幅的钢筋,其强度标准值取值的依据是 。
(A)0.9倍极限强度 (B)0.2倍极限强度
(C)极限抗拉强度 (D)残余应变为0.2%时的应力
9.为减小混凝土徐变对结构的影响,以下措施何者正确? 。
(A)提早对结构施加荷载 (B)采用高等级水泥,增加水泥用量
(C)加大水灰比 (D)提高混凝土的密实度和养护湿度
10.同一强度等级的混凝土,各种力学指标的关系为 。
(A)fcu
(C)fcu>ft>fc (D)fcu≥fc≥ft
11.只配螺旋筋的混凝土柱体,其抗压强度高于fc是因为螺旋筋 。
(A)参与受压 (B)使混凝土密实
(C)约束了混凝土的横向变形 (D)使混凝土中不出现微裂缝
12.有关减少混凝土收缩裂缝的措施,下列何项所述正确? 。
(A)在浇注混凝土时增设钢丝网 (B)在混凝土配比中增加水泥用量
(C)采用高标号水泥 (D)采用弹性模量小的骨料
13.评定混凝土强度采用的标准试件尺寸,应为 。
(A)150mm×150mm×150mm (B)φ150mm×300mm
(C)100mm×100mm×100mm (D)200mm×200mm×200mm
14.除施工因素外,下列哪项是影响实心砖砌体抗压强度的最主要因素? 。
(A)块材的强度 (B)砂浆的强度
(C)块体的尺寸 (D)砂浆的和易性和保水性
15.砖砌体的抗压强度较砖的抗压强度 。
(A)高 (B)低
(C)相同 (D)不可定
16.砌体的抗拉强度主要取决于 。
(A)砌块抗拉强度 (B)砂浆的抗拉强度
(C)灰缝的厚度 (D)砂浆中的水泥用量
17.当用水泥砂浆砌筑时,对各类砌体的强度设计值均要乘以调整系数γa,这是由于水泥砂浆 的缘故。
(A)强度设计值较高 (B)密实性较好
(C)耐久性较差 (D)保水性、和易性较差
18.砌体弹性模量的取值为 。
(A)原点初始弹性模量 (B)σ=0.43fm时的割线模量
(C)σ=0.43fm时的切线模量 (D)σ=fm时的割线模量
19.用MU10混凝土小型空心砌块错孔砌筑的T型截面砌体,水泥砂浆采用M5,该砌体抗压强度设计值f为 MPa。
(A)2.22 (B)1.26
(C)1.60 (D)1.70
20.施工阶段砂浆尚未硬化的新砌体,砌体强度 。
(A)按砂浆强度为零确定 (B)按零计算
(C)按50%计算 (D)按75%计算
3.3.2 设计计算题
1.试计算Q235、Q275钢的抗剪强度fv。
2.工地上往往需要进行钢筋代换,其方式之一是等面积代换:钢筋级别不变,改变直径;方式之二是等强度代换;改变钢筋级别,钢筋直径可变、可不变。某钢筋混凝土结构设计钢筋为12根直径20mm的HPB235级钢筋,假设工地上仅有直径为16mm的HPB235级钢筋,问需要几根方能满足要求?如果改用HRB335级钢筋,试选择代用钢筋直径和根数。
3.如果已知边长150mm立方体抗压强度的平均值fcu=35N/mm2,试估算下列混凝土强度的平均值:(1)棱柱体试件的抗压强度;(2)构件的抗拉强度。该混凝土的弹性模量取值大致是多少?
4.经抽测某工地砖的强度为10.5MPa,混合砂浆强度为4.8MPa,试计算其砌体的抗压强度平均值。
5.毛料石砌体之石材强度等级为MU60,砂浆强度等级为M5,试计算该砌体的抗压强度平均值、标准值和设计值。
6.对10.9级M16摩擦型高强度螺栓,其预拉力P=100kN,在受拉连接中,连接所承受的静载拉力N=1200kN,且连接板件具有足够的刚度,试计算连接所需的螺栓根数。
7.图示螺栓连接采用Q235钢,精制螺栓(B级)直径d=20mm,钢板也是Q235钢,求此连接能承受的Fmax。
设计计算题7图
8.两块Q235钢板厚度和宽度相同:厚10mm,宽500mm。今用E43焊条手工焊接连接,使其承受轴向拉力1000kN,试设计焊缝。
9.验算图示桁架节点焊缝“A”是否满足要求,并确定焊缝“B”的长度。钢材为Q235,焊条E43型,手工焊,Ⅱ级检验质量标准。其中N1=150kN,N2=489.4kN,N3=230kN,N4=14.1kN,N5=250kN。
设计计算题9图