材料的力學性能與結構試驗的關系
發布時間：2010-01-14 共1頁
1.5 材料的力學性能與結構試驗的關系
1.5.1 概述
一個結構或構件的受力和變形特點，除受荷載等外界因素影響外，還要取決于組成這個結構或構件的材料內部抵抗外力的性能。充分了解材料的力學性能，對于在結構試驗前或試驗過程中正確估計結構的承載能力和實際工作狀況，以及在試驗后整理試驗數據，處理試驗結果等工作都具有非常重要的意義。
在結構試驗中按照結構或構件材料性質的不同，必須測定相應的一些最基本的數據，如混凝土的抗壓強度、鋼材的屈服強度和抗拉極限強度、磚石砌體的抗壓強度等。在科學研究性的試驗中為了了解材料的荷載變形、應力應變關系，需要測定材料的彈性模量，有時根據試驗研究的要求，尚須測定混凝土材料的抗拉強度以及各種材料的應力應變曲線等有關數據。
在測量材料各種力學性能時，應該按照國家標準或部頒標準所規定的標準試驗方法進行，對于試件的形狀、尺寸、加工工藝及試驗加載、測量方法等都要符合規定的統一標準。
在建筑結構抗震研究中，根據地震荷載作用的特點，在結構上施加周期性反復荷載，結構將進入非線性階段工作，因此相應的材料試驗也須要在周期性反復荷載下進行，這時鋼材將會出現包辛格效應，對于混凝土材料就需要進行應力應變曲線全過程的測定，特別要測定曲線的下降段部分。
1.5.2 材料力學性能的試驗方法對強度指標的影響
材料的力學性能指標是由鋼材、鋼筋和混凝土等各種材料分別制成的標準試樣或試塊進行試驗結果的平均值。由于材質的不均勻性等原因，測定的結果必然會有較大的波動，尤其當試驗方法不妥時，波動值將會更大。
長期以來人們通過生產實踐和科學實驗發現試驗方法對材料強度指標有著一定的影響，特別是試件的形狀、尺寸和試驗加載速度對試驗結果的影響尤為顯著，對于同一種材料，僅僅由于試驗方法與試驗條件的不同，就會得出不同的強度指標。下面我們就混凝土材料來作進一步的說明。
1.5.2.1 試件尺寸與形狀的影響
在國際上各國混凝土材料強度測定用的試件有立方體和圓柱體兩種。按照我國《普通混凝土力學性能試驗方法》規定，采用150mm×l50mm×l50mm的立方體試件測定的抗壓強度為標準值，采用h／a=2：1的150mm×l50mm× 300mm的棱柱體試件(h為試件的高度，a為試件的邊長)，為測定混凝土軸心抗壓強度和彈性模量的標準試件。國外采用圓柱體試件時，試件尺寸為hl／d二2：1的100mm×200mm或50mm×300mm的圓柱體(h為圓柱體高度，d為圓柱體直徑)。
隨著材料試件尺寸的縮小，在試驗中出現了混凝土強度有系統地稍有提高的現象。截面較小而高度較低的試件得出的抗壓強度偏高，這可以歸結為試驗方法和材料自身的原因等兩個方面的因素，試驗方法問題可解釋為試驗機壓板對試件承壓面的摩擦力所起的箍緊作用，由于受壓面積與周長的比值不同而影響程度不一。對小試件的作用比對大試件要大。材料自身的原因是由于內部存在缺陷(裂縫)的分布，表面和內部硬化程度的差異在大小不同的試件中起不同影響，隨試件尺寸的增大而增加。
采用立方體或棱柱體的優點是制作方便，試件受壓面是試件的模板面，平整度易于保證。但澆搗時試件的棱角處都由砂漿來填充，因而混凝土拌合物的顆粒分布不及圓柱體試件均勻，由于圓形截面邊界條件均一性好，所以圓柱體截面應力分布均勻。此外圓柱體試件外形與鉆芯法從結構上鉆取的試樣一致。但由于圓柱體試件是立式成型，試件的端面即是試驗加載的受壓面，比較粗糙，因此造成試件抗壓強度的離散性較大。
1.5.2.2 試驗加載速度的影響
在測定材料力學性能試驗時，加載速度愈快，即引起材料的應變速率愈高，則試件的強度和彈性模量也就相應提高。
鋼筋的強度隨加載速度的提高面加大。見圖18—1—8 (a)，圖中的數字ε為應變速率；和ts為達到屈服的時間，反應了加載速度。
混凝土盡管是非金屬材料，但也和鋼筋一樣，隨著加載速度的增加而提高其強度和彈性模量。特別在很高應變速率的情況下，由于混凝土內部細微裂縫來不及發展，初始彈性模量隨應變速率加快而提高。圖18—1—9表示了應變速率對混凝土應力—應變曲線的影響。
