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1、第二讲 土木工程材料与基本结构形式土木工程材料1、土木工程材料的重要性是土木工程的物质基础对功能有直接的影响对经济性影响明显对技术的发展有直接的推动作用为理论的发展提供动力,土木工程材料的重要性,第二讲：土木工程材料与基本结构形式,2、土木工程材料分类 土木工程材料种类繁多，可有多种分类方法。按来源分：天然材料、人造材料按性质分：金属材料、非金属材料、有机材料、复合材料按用途分：结构材料、功能材料、装饰材料,第二讲：土木工程材料与基本结构形式,土木工程材料的分类,3、常用材料简介3.1 自然石、砖、瓦(1).自然石：重岩自然石（表观密度大于18 kN/m3）轻岩自然石（表观密度小于18 kN/
2、m3）重岩自然石包括：花岗岩（granite）、砂岩（sandstone）、石灰石（limestone）等。轻岩自然石包括：贝壳石灰岩（coquina）、凝灰岩（tuff）。采用的石料分为料石（ashlar）及毛石（rubble）两类。,第二讲：土木工程材料与基本结构形式,常用材料简介,(2).砖 砖（brick）由粘土烧制而成，分为红砖和青砖。标准砖的规格为240mm115mm53mm。有实心砖、空心砖两类。承重空心砖的孔洞一般是竖向的,空心砖厚度较大，重量较 轻，有利于加快砌筑进度。,第二讲：土木工程材料与基本结构形式,常用材料简介,石材或砖用砂浆砌筑而成的构件称为砌体（masonry）。
3、(3).瓦 目前我国生产的瓦多为平瓦。,第二讲：土木工程材料与基本结构形式,常用材料简介,3.2、胶凝材料和砂浆 胶凝材料（cementing material）：和水成浆后能硬化成坚实整体的矿物质粉状材料，如石灰、烧石膏和水泥等。砂浆（mortar）是石灰、石膏或水泥等胶凝材料掺砂或矿渣等细骨料加水拌和而成，用以砌筑砌体。采用水泥砂浆时，往往还掺和一定量的石灰膏或粘土浆以增加砂浆的和易性，以保证砌体质量，这种砂浆称为混合砂浆。,第二讲：土木工程材料与基本结构形式,常用材料简介,3.3、混凝土和混凝土砌块(1).混凝土 混凝土：用水泥、砂（细骨料）和碎石（粗骨料），按一定重量比例配合，加水拌和
4、成型后结硬而成。水泥和砂、石的比例（按重量）称为配合比（mix ratio）,水和水泥的比例称为水灰比。轻骨料混凝土（密度小于18kN/m3）;加气混凝土，泡沫混凝土；低热混凝土，无收缩混凝土，膨胀混凝土；耐酸混凝土，耐碱混凝土，耐热混凝土；,第二讲：土木工程材料与基本结构形式,常用材料简介,(2).混凝土砌块 用混凝土可制成砌块（block），一般为空心构造。砌块也可采用煤渣等材料制作，从而改善了环境。采用砌块建筑可大大减轻劳动量，缩短工时，安装可以采用机械化，并降低墙壁材料在运输中的损耗。,第二讲：土木工程材料与基本结构形式,常用材料简介,3.4、钢筋、钢筋混凝土和预应力混凝土(1).钢筋
5、 钢筋按化学成分可分为：热轧碳素钢、热轧普通低合金钢。热轧碳素钢除含有铁元素外还含有少量的碳、硅、锰、硫、磷等元素。（低碳钢0.6%）热轧普通低合金钢除碳素钢中已有的成分外，还加入少量的合金元素，如锰、钛、钒等，有效地改善了钢筋的性能。,第二讲：土木工程材料与基本结构形式,常用材料简介,钢筋按其截面形式可分为：光面钢筋、变形钢筋。热轧钢筋直径一般为632mm。小直径钢筋（1012mm以下）做成盘圆供应，大直径钢筋长度一般为12m。钢筋接头有搭接和焊接两种。,第二讲：土木工程材料与基本结构形式,常用材料简介,(2).钢筋混凝土 钢筋混凝土的本质 钢筋混凝土是由两种力学性能大不相同的材料钢筋和混凝
6、土结合成整体，共同发挥作用的一种建筑材料。,第二讲：土木工程材料与基本结构形式,常用材料简介,钢筋混凝土的主要优缺点：主要优点：（1）就地取材（2）耐久性（3）耐火性（4）整体性（5）刚性（6）可塑性 主要缺点：（1）自重大（2）抗裂性差（3）费工大、耗用木料多,第二讲：土木工程材料与基本结构形式,常用材料简介,(3).预应力混凝土 预应力混凝土：利用预先建立的压应力以抵消在荷载下产生的拉应力而做成的。施加预应力的方法主要有：先张法、后张法。,第二讲：土木工程材料与基本结构形式,常用材料简介,3.5、钢 应用于工程结构的钢材，除钢板外，还有各种型钢：角钢、槽钢、工字钢、冷弯型钢等。利用钢板和各
7、种型钢通过连接可组成各种形状的截面。,第二讲：土木工程材料与基本结构形式,常用材料简介,钢结构的主要优缺点：主要优点：（1）结构重量轻 钢容重与屈服点的比值相对较低，钢结构构件截面较小，重量较轻。一般为钢筋混凝土结构的1/2-1/5。特别适用于大跨、超高、承载重的结构。（2）结构性能好 钢材塑性、韧性好，变形能力强，计算准确性好，可靠性高。（3）工业化程度高 工业化程度高，施工精度好，劳动生产率高。（4）符合可持续发展要求 钢材可重复利用程度高，符合可持续发展要求。,第二讲：土木工程材料与基本结构形式,常用材料简介,钢结构主要缺点：（1）耐火性差。钢结构在温度250以内性质变化很小，温度达到3
8、00 以后，强度逐渐下降，达到450650 时，强度降为零。（2）易锈蚀。（3）价格较贵。,第二讲：土木工程材料与基本结构形式,常用材料简介,3.6、木 1.圆木 直径常在120mm以上，长度一般为9m以内。2.方料（1）大料：两面锯开及四面锯开。（2）条料：四面锯平，厚度小于100mm，宽度小于厚度2倍。（3）板料：厚度不大于100mm，宽度大于厚度的2倍，其中 厚度在35mm以下的为薄板，大于35mm的为厚板。,第二讲：土木工程材料与基本结构形式,常用材料简介,4、土木工程材料发展展望4.1.墙体材料 我国粘土砖的用量很大，墙体材料产值约占建材工业总产值的1/3，但新墙体材料只占5左右。改
9、革墙体材料势在必行：利用工业废料，大力应用各种砌块。适当扩大承重空心砖类型和孔洞率。大力发展各种功能型环保复合墙体材料。如ALC、NALC、FCLC墙板等。,第二讲：土木工程材料与基本结构形式,土木工程材料的发展,4.2.混凝土 混凝土应以“轻质、高强、高性能”作为主要发展方向。（1）提高结构混凝土的强度。（2）发展轻混凝土。（3）发展改性混凝土。（4）广泛使用外加剂、合理使用掺和料。（5）逐步改造混凝土生产工艺。（6）大力提高混凝土质量。（7）加强基础理论研究。,第二讲：土木工程材料与基本结构形式,土木工程材料的发展,4.3.预应力混凝土（1）应提高我国高强钢材的产量。2000年我国预应力混
10、凝土产量达2500万吨，需高强度钢材80万吨，与现有生产水平差距较大。（2）应提高预应力基本工艺水平，发展预应力混凝土工业化生产。（3）逐步建立完整、先进的构件制作、钢丝成束、穿束、张拉、锚固和最后灌浆等工业体系。（4）提高张拉和锚固能力。,第二讲：土木工程材料与基本结构形式,土木工程材料的发展,4.4 金属材料 合金改性材料 耐候钢材 新型型材4.5 功能材料 隔热保温材料 吸声材料4.6 装饰材料 环保材料4.7 智能材料 记忆合金,第二讲：土木工程材料与基本结构形式,第二讲：土木工程材料与基本结构形式,土木工程材料的发展,土木工程的基本结构形式1 工程结构的基本元件 工程结构的类型随着建
11、筑材料与工程力学的进展和人类生产与生活的需要而不断发展，由简单到复杂。但其基本元件按其受力持点仍分成梁、板、柱、拱、壳与索(拉杆)六大类。这些基本元件可以单独作为结构使用，在多数情况下常组合成多种多样的结构类型使用。,土木工程基本结构形式,第二讲：土木工程材料与基本结构形式,2 工程结构的基本类型 工程结构中常用的基本类型有：,梁、板、柱桁架、网架结构拱、壳体结构、折板结构悬索结构、悬吊结构排架、框架、剪力墙、筒体结构、板柱结构、墙板结构充气结构等。,第二讲：土木工程材料与基本结构形式,工程结构的基本类型,其它常用结构分类概念 工程结构按其构成的形式可分为实体结构与组合结构两大类。坝、桥墩、基
12、础等通常为实体结构，房屋、桥梁、码头等通常由若干种元件组成，称为组合结构。连接节点如只能承受拉力、压力的，称为铰接，同时能承受弯矩等其他力的，称为刚接或半刚接。若组成的结构与其所受之外力，在计算中可视为皆在同一平面之内则称该结构为平面结构。若组成的结构承受不在同一平面内的外力，且计算时也按空间受力考虑，则称该结构为空间结构。,第二讲：土木工程材料与基本结构形式,工程结构的基本类型,3 基本结构简介,3.1 板、梁 板和梁两端支承在支座上以承受荷载，板和梁主要承受弯矩，称为受弯构件。板和梁在荷载下各截面内将产生弯矩M和剪力V，将产生弯曲变形（挠度）。,第二讲：土木工程材料与基本结构形式,基本结构
13、简介,3.2 柱 柱承受的荷载可能是轴心受压、偏心受压、轴心受拉、偏心受拉等。偏心受压和偏心受拉构件统称为偏心受力构件。,第二讲：土木工程材料与基本结构形式,基本结构简介,3.3 拱,拱的形成,拱的机理,第二讲：土木工程材料与基本结构形式,基本结构简介,3.4 桁架(1).铰接桁架 铰接桁架由很多三角形组成。,第二讲：土木工程材料与基本结构形式,基本结构简介,(2).刚接桁架,第二讲：土木工程材料与基本结构形式,基本结构简介,3.5 框架 由梁或屋架和柱联接而成的结构称为框架。框架节点有铰接和刚接，前者称为排架，后者称为刚架。(1).排架,第二讲：土木工程材料与基本结构形式,基本结构简介,(2
14、).刚架,第二讲：土木工程材料与基本结构形式,基本结构简介,第二讲：土木工程材料与基本结构形式,基本结构简介,第二讲：土木工程材料与基本结构形式,基本结构简介,3.6 剪力墙,剪力墙(shear wall)也称抗风墙或抗震墙，房屋或构筑物中主要承受风或地震产生的水平力的墙体，一般用钢筋混凝土做成。分类：剪力墙包括平面剪力墙和筒体剪力墙两大类。,第二讲：土木工程材料与基本结构形式,第二讲：土木工程材料与基本结构形式,第二讲：土木工程材料与基本结构形式,第二讲：土木工程材料与基本结构形式,基本结构简介,3.7 网架结构(spatial grid structure),由多根杆件按照一定的网格形式通
15、过节点连结而成的空间结构。具有空间受力、重量轻、刚度大、抗震性能好等优点；可用作体育馆、影剧院、展览厅、候车厅、体育场看台雨篷、飞机库、双向大柱距车间等建筑的屋盖。缺点是汇交于节点上的杆件数量较多，制作安装较平面结构复杂。分类 网架结构根据外形不同，可分为双层的板型网架结构、单层和双层的壳型网架结构。板型网架和双层壳型网架的杆件分为上弦秆、下弦杆和腹杆，主要承受拉力和压力。单层壳型网架杆件除承受拉力外，还承受弯矩和剪力。,第二讲：土木工程材料与基本结构形式,第二讲：土木工程材料与基本结构形式,基本结构简介,第二讲：土木工程材料与基本结构形式,基本结构简介,大跨度干煤棚网壳结构,第二讲：土木工程
16、材料与基本结构形式,第二讲：土木工程材料与基本结构形式,基本结构简介,3.8 壳体结构(shell structure),由曲面形板与边缘构件(梁、拱或桁架)组成的空间结构，具有很好的空间传力性能，能以较小的构件厚度形成承载能力高、刚度大的承重结构，能覆盖或围护大跨度的空间而不需中间支柱，能兼具承重和围护的双重作用，从而节约结构材料。壳体结构可做成各种形状，以适应工程造形的需要，广泛用于工程结构中。如大跨度建筑物顶盖、各种工业用管道、压力容器与冷却塔、反应堆安全壳、无线电塔、贮液罐等。工程结构中采用的壳体多由钢筋混凝土做成。也可用钢、木、石、砖或玻璃钢做成。分类 壳体的种类很多，多根据曲面的几
17、何特性(即两个万间主曲率k1、k2的乘积K，称为高斯曲率)进行分类。当k1、k2同号时，K为正值，称正面斯曲率壳；当k1、k2异号时，K为负值，称负高斯曲率壳；当k1和k2中有个为零时，K为零，称零高斯曲率壳；此外，尚有混合型曲率壳，即一个壳体内兼有正、负高斯曲率部分。,第二讲：土木工程材料与基本结构形式,第二讲：土木工程材料与基本结构形式,基本结构简介,新石器时代,第二讲：土木工程材料与基本结构形式,基本结构简介,3.9 悬吊结构(suspended structure),楼面荷载通过吊索或吊杆传递到固定在筒体或柱上的水平悬吊粱或桁架上，并通过筒体或柱传递到基础的结构体系。悬吊结构的水平荷载
18、也由筒体或柱承受。悬吊结构的造型新颖，建筑功能多样，能充分利用钢材或预应力混凝土的受拉工作性能；但支承受力较大，对地基基础的要求较高。分类：根据支承情况可分为中心筒体支承、框架支承、巨型结构支承等多种。,第二讲：土木工程材料与基本结构形式,第二讲：土木工程材料与基本结构形式,第二讲：土木工程材料与基本结构形式,第二讲：土木工程材料与基本结构形式,第二讲：土木工程材料与基本结构形式,基本结构简介,第二讲：土木工程材料与基本结构形式,第二讲：土木工程材料与基本结构形式,基本结构简介,3.10 充气结构(pneumatic structure),用薄膜材料制成的构件充入空气后而形成的结构。充气结构于
19、20世纪40年代开始应用，可作为体育场、展览厅、仓库、战地医院等。特别适宜于轻便流动的临时性建筑和半永久性建筑。充气结构具有重量轻、跨度大、构造简单、施工方便、建筑造型灵活等优点；其缺点是隔热性、防火性较差，且有漏气问题需要持续供气。充气结构主要有气承式和气囊式两种结构形式。气承式结构是直接用单层薄膜作为屋面和外围护，将周边锚固在圈梁或地梁上，充气后形成圆筒状、球状或其他形状的建筑物。室内气压为室外气压的1.001-1.003倍。人和物通过气锁出入口进出。为减小薄膜拉力、增大结构跨度，气承式结构薄膜上面可设置钢索网。气囊式结构是将空气充入由薄膜制成的气囊，形成柱、梁、拱、板、壳等基本构件，再将这些构件连接成结构。气囊中气压为外部气压的2-7倍，是一种高压体系。,第二讲：土木工程材料与基本结构形式,基本结构简介,英国格林威治千年穹顶,第二讲：土木工程材料与基本结构形式,
