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1、第二讲:工程材料、作用和作用效应,内容,工程材料:工程结构都是由各种各样材料建成的。作 用:使结构产生效应的各种原因的总称。作用效应:作用在结构中引起的效应。,2.1 土木工程中的各种材料,胶凝材料和砂浆 木混凝土和混凝土砌块石外加剂砖 钢材 瓦新型材料,材料特性,结构材料承受荷载的能力，称为强度。但强度并不是结构材料的唯一特性，结构材料还有弹性和塑性性能。结构材料承受荷载时，其形状会改变。当荷载小时，变形也小；荷载大时，变形也大。,若荷载与变形成正比，且一旦移去荷载，变形就恢复原状，称为处于弹性状态。若荷载与变形不成正比，变形增长率比荷载增长率大，且一旦移去荷载，变形不能全部恢复原状，称为处
2、于塑性状态。一般材料，在承受较小荷载时，都处于弹性状态；在承受较大荷载时，就会处于塑性状态。有塑性的材料，称为塑性材料，如钢材、混凝土；无塑性的材料，称为脆性材料，如玻璃。,材料特性,材料特性,2.1 传统土木工程材料,砖瓦石砂灰木材,砖,砖的分类1、按生产工艺分为烧结砖和非烧结砖；工业废料粉煤灰、煤矸石等加入一定量的粘土或水泥，烧成的砖，分别称为烧结粉煤灰砖和烧结煤矸石砖。非烧结粘土砖是利用不适合种田的山泥、废土、砂等，加入少量水泥和石灰作固结剂和适量水混合搅拌压制成型，自然养护或蒸养一定时间即成。,2、按所用材料分为粘土砖、页岩砖、煤矸石砖、粉煤灰砖、炉渣砖和灰砂砖等；3、按有无空洞分为空
3、心砖、多空砖和实心砖。,瓦,粘土瓦:是以粘土为原料，经烧焙而成。非粘土瓦:主要是指用水泥和砂子为原料，模压成型，再经 养护硬化而成。石棉水泥瓦:是以石棉纤维和水泥为原料，经制板加压而成。,主要用于坡屋顶的屋面。平屋顶屋面漏雨问题无法解决，现在城市中住宅建筑已禁止使用平屋顶，而必须使用坡屋顶，对已建平屋顶甚至还要进行平改坡。,瓦,波瓦,瓦,砂是组成混凝土和砂浆的主要组成材料之一，是土木工程的大宗材料。砂一般分为天然砂和人工砂两类。由自然条件作用而形成的，粒径在5mm以下以下的岩石颗粒，成为天然砂。按期产源不同，天然砂分为河砂、海砂和山砂。砂按粗细程度又可分为粗砂、中砂和细砂。,2.1.3 砂,石
4、,土木工程中采用的石料分为料石和毛石两类。料石又分为细料石、粗料石和毛料石。毛石分为毛平石、平板石和乱毛石料石用于拌制混凝土；毛石用于地基基础或砌筑墙体。,灰,所谓灰是指石灰和石膏。石膏、石灰和水泥属无机胶凝材料（俗称灰），无机胶凝材料可按照其硬化条件分为气硬性与水硬性两种。只能在空气中硬化的称为气硬性胶凝材料，如石膏、石灰，气硬性胶凝材料一般只适用于地上或干燥环境，不宜用于潮湿环境，更不可用于水中。拌砂后即能在空气中有能在水中硬化的称为水硬性胶凝材料，如水泥，水硬性胶凝材料即适用于地上，也适用于地下或水中。,石膏,土木工程中使用最多的是建筑石膏，建筑石膏加水拌制的浆体具有良好的可塑性、防火性
5、能、隔热性能和吸音性能、良好的装饰性和可加工性，主要用于室内抹面、粉刷外，更主要用途是制成各种石膏制品、各种浮雕和装饰品。,石灰,石灰是土木工程中使用最早的矿物胶凝材料之一，石灰的原料石灰石分布很广，生产工艺简单，成本低廉，所以一直应用广泛石灰石的主要成分是碳酸钙，将石灰石煅烧，碳酸钙将分解成为生石灰石，生石灰加水，消解成消石灰（氢氧化钙），这个过程称为石灰的消化，又称熟化。生石灰在化灰池中熟化后，通过筛网流入储灰坑，石灰浆在储灰坑中沉淀并除去上层水分后称为石灰膏。,木建筑中的木材主要取自树木的树干。常用的树种是针叶树，如松木、杉木等。工程中常用的木料有圆木、方木、条木、板材等木材自重轻，制作
6、容易，造价便宜，但易燃、易腐蚀和结构变形大等缺点。,木材,水泥 钢材 混凝土,2.2 近代土木工程材料,水泥,水泥是粉状的水硬性胶凝材料，即加水拌和成塑性浆体，能在空气中和水中凝结硬化，可将其他材料胶结成整体，并形成坚硬石体的材料。水泥按用途及性能分为三类：通用水泥、专用水泥、特性水泥。按其水硬性物质名称分为:硅酸盐水泥，铝酸盐水泥，硫铝酸盐水泥，氟氯酸盐水泥，磷氯酸水泥，以火山灰性或潜在水硬性材料以及其他活性材料为主要成分的水泥。,硅酸盐水泥,凡由硅酸盐水泥熟料、05%石灰石或粒化高炉矿渣、适量磨细制成的水硬性胶凝材料，称为硅酸盐水泥（波特兰水泥）。水泥的初凝：水泥为干粉状材料，加适量的水并
7、拌和后便形成可塑性的水泥浆体，水泥浆体在常温下会逐渐变稠至到开始失去塑性，这一现象称为水泥的初凝。水泥的终凝：随着塑性的消失，水泥浆开始产生强度，此时称为水泥的终凝。水泥的凝结：水泥浆由初凝到终凝的过程称为水泥的凝结。水泥的硬化：水泥浆终凝后，其强度会随着时间的延长不断增长，并形成坚硬的水泥石，这一过程称为水泥的硬化。,其他品种水泥,快硬硅酸盐水泥：以硅酸盐水泥熟料和适量石膏磨细制成的，以3d抗压强度表示标号的水硬性胶凝材料。适用于紧急抢修工程、低温施工工程和高标号混凝土预制件等。快凝快硬硅酸盐水泥（双快水泥）：以硅酸钙、氟氯酸钙为主的熟料，加入适量石膏、粒化高炉矿渣、无水硫酸钠，经过磨细制成
8、的一种凝结快、小时强度增长快的水硬性胶凝材料。主要用于军事工程、机场跑道、桥梁、隧道和涵洞等紧急抢修工程。,白色硅酸盐水泥（白水泥）:由白色硅酸盐水泥熟料加入适量石膏，磨细制成的水硬性胶凝材料。用于建筑物的内外装饰。高铝水泥：一种快硬、高强、耐热极耐腐蚀的胶凝材料。主要用于工程紧急的工程，冬季施工的工程。膨胀水泥：由硅酸盐水泥熟料与适量石膏和膨胀剂共同磨细制成的水硬性胶凝材料，膨胀水泥在硬化的过程中不但不收缩而且有不同程度的膨胀，具有强度发展快，早期强度高的特点。用于制作大口径输水管和各种输油、输气管，也常用于有抗渗要求的工程、要求补偿收缩的混凝土结构，要求早强的工程结构节点浇注等。,混凝土,
9、混凝土是用水泥、砂（细骨料）和碎石（粗骨料、有时用砾石）按一定重量比例配合，加水拌合成型后养护而成的。水泥和砂、石的比例（按重量）称为配合比。水和水泥的比例（按重量）称为水灰比。,混凝土种类,按胶凝材料，分为水泥混凝土（又称普通混凝土）、沥青混凝土、石膏混凝土及聚合物混凝土等；按表观密度：重混凝土、普通混凝土、轻混凝土；按使用功能：结构混凝土、道路混凝土、水工混凝土、耐热混凝土、耐酸混凝土及防辐射混凝土等；按施工工艺：喷射混凝土、泵送混凝土、振动灌浇混凝土等。,普通混凝土,由水泥、粗骨料（碎石或卵石）、细骨料（砂）和水拌和，经硬化而成的一种人造石材。砂、石在混凝土中起骨架的作用，并抑制水泥收缩
10、，水泥和水形成水泥浆，包裹在粗细骨料表面并填充骨料的空隙。水泥浆体在硬化前起润滑作用，使混凝土拌和物具有良好的工作性能，硬化后将骨料胶结在一起，形成坚强的整体。,1石子2 砂子3水泥浆4气孔,特种混凝土,轻骨料混凝土（轻质混凝土、轻骨料混凝土）：用轻质粗骨料、轻质细骨料(或普通砂）、水泥和水配制而成的，其表观密度不大于1950kg/m3的混凝土。是一种轻质、高强、多功能的新型土木工程材料。纤维增强混凝土：由不连续的短纤维均匀地分散于水泥混凝土基材的复合混凝土材料。克服混凝土抗拉强度低、抗裂性差、脆性大的缺点，在土木工程中得到广泛应用。例如飞机跑道、路面及桥面、基础预制桩、薄层结构、海洋工程构筑
11、物等结构和构件等。聚合物混凝土：用有机聚合物作为组成材料的混凝土，分为聚合物浸渍混凝土、聚合物水泥混凝土和聚合物胶结混凝土。,钢筋混凝土:是指配制钢筋的混凝土。为了克服混凝土抗拉强度低的弱点，在其中合理地配置钢筋可充分发挥混凝土抗压强度高和钢筋抗拉强度高的各自特点，共同承担荷载并满足工程结构的需要。是一种使用最多的结构材料。预应力钢筋混凝土:通过张拉钢筋，产生预应力。采用预应力钢筋混凝土可以提高制品或构件的抗拉能力，防止或推迟混凝土裂缝的出现，因而能使制成品或构件的抗裂度、刚度、耐久性都大大提高，减轻自重，节约材料。预应力的产生方法，按张拉钢筋的方法可分为机械法、电热法、和化学法；按施加预应力
12、的时间可分为先张法和后张法。,碾压混凝土（道路混凝土）碾压混凝土中水泥和水的用量较普通混凝土显著减少，同时大量掺加工业废渣。由于内部结构密实、强度高、水泥用量少且胶结能力得以充分发挥、干缩性小、耐久性好，不仅在道路和机场工程中是十分可靠的路面或路面基层材料，在水利工程中是抗渗性和抗冻性良好的筑坝材料，也是各种大体积混凝土工程的良好材料。自密实混凝土 一般混凝土的成型密实主要靠机械振捣，这不仅劳动强度大，易出质量事故，噪声影响居民的工作或生活，现在已经研制出有大流动度的混凝土，可自行密实到每一个角落，硬化后有很高的强度。,混凝土的优点,混凝土的优点是可模性、耐久性、耐火性、整体性都很好，易于就地
13、取材，价格较低，抗压强度比砖、石、木等都高，且能和钢筋粘结做成强度更高的钢筋混凝土结构；但其自重较大，施工比较复杂，工序多，工期长，抗拉强度低，易产生裂缝。,在混凝土拌和物中掺入不超过水泥重量的5%、且能使混凝土按要求改变性质的物质称为混凝土外加剂。外加剂按作用分为六类：改善混凝土、砂浆的和易性，如：减水剂，引气剂；调节混凝土、砂浆的硬化速度，如：早强剂，缓凝剂，速凝剂调节混凝土、砂浆的空气含量，如：引气剂，加气剂，泡沫剂改善混凝土，砂浆的物理力学性能，如：引气剂，膨胀剂，抗冻剂；增强混凝土中钢筋抗腐蚀性，如：阻锈剂；为混凝土提供特殊性能，如着色剂，脱模剂。,混凝土外加剂,钢材,结构工程中所用
14、的钢材的主要成分是铁（Fe,约占99%)和少量的碳(C）。当碳的含量不超过0.22%时称为低碳钢。若含有少量锰(Mn),硅(Si),钒(V)等元素,就成为低合金钢。常用钢材的类型有型钢、板材、管材和线材。钢材的优点是材质均匀，强度高，塑性好，便于加工安装；但耐火性差，易于锈蚀，维护费用较高。,钢筋,钢筋,H型钢,沥青、沥青制品与其他防水材料玻璃、陶瓷制品人造板材塑料及制品绝热材料吸声隔热材料装饰材料新型复合板材绿色建材,2.3 现代土木工程材料,.3.1沥青、沥青制品与其他防水材料,沥青材料-由一些极其复杂的高分子的碳氢化合物和这些碳氢化合物的非金属（氧、硫、氮）的衍生物所组成的混合物，沥青可
15、分为地沥青（包括天然沥青和石油沥青)和焦油沥青（包括煤沥青、木沥青、页岩沥青等），最常使用的是石油沥青和煤沥青其次是天然沥青。沥青除用于道路工程外，还作为防水材料用于房屋建筑，及用作防腐材料。,沥青砂浆-由沥青、矿质粉料和砂所组成的材料。再加入碎石或卵石，就成为沥青混凝土。沥青砂浆用于防水，沥青混凝土用于路面和车间大面积地面铺筑。,防水材料,用于屋面、地下工程及其他工程的防水材料，除沥青类防水材料外，以向高聚合物改性沥青、橡胶、合成高分子防水材料方向发展，并在工程中取得良好防水效果。我国目前研制和使用的高分子新型防水卷材品种有三大类:橡胶系防水卷材；塑料系防水卷材；橡塑共混型防水卷材；新型防水
16、材料还有橡胶类胶粘剂，如聚氨酯防水涂料。,2.3.2 玻璃、陶瓷制品,玻璃不仅有采光和防护的功能，而且是良好的吸声、隔热及装饰材料。除用于建筑业外，还应用于轻工、交通、医药、化工、电子、航天等领域。陶瓷是由适当成分的粘土经成型及烧结而成的较密实材料。根据陶瓷材料的原料和烧结密实度不同可分为陶质、炤质和瓷质三种性能不同的人造石材。陶质材料的密实度较差，瓷质材料成品密实度很大。常用的陶瓷材料品种可分为：陶瓷锦砖（马赛克）、陶瓷墙地砖、陶瓷釉面砖、卫生陶瓷。,人造板材,采用小木块、碎木屑、刨花等木质材料为基料，使用胶凝材料、胶粘剂或夹层材料加工而成的各种人造板材，模仿天然木材的纹理和走向，可达到以假
17、乱真的程度。这些板材用作建筑物的地面、内隔墙板、护壁板、顶棚板、门面板以及各种家具等，大大改善了天然木材尺寸限制、材质不均、容易变形等缺陷。,塑料及制品,塑料是以有机高分子化合物为基本材料，加入各种改性添加剂后，在一定的温度和压力下塑制而成的材料。塑料在工业与民用建筑中可生产塑料管材、板材、门窗、壁纸、地毯、器皿、绝缘材料、装饰材料、防水及保温材料等。在基础工程中可制作塑料排水板或隔离层、塑料土工布或加筋网等。在其他工程中可制作管道、容器、粘结材料或防水材料等。,绝热材料,绝热材料是保温、隔热材料的总称。绝热材料应具有较小的传导热量的能力，主要用于建筑物的墙壁、屋面保温；热力设备及管道的保温；
18、制冷工程的隔热。,绝热材料分为无机绝热和有机绝热两大类。无机绝热材料石棉及制品石棉水泥板、石棉保温板。矿渣棉及制品岩棉及制品膨胀珍珠岩及制品有机绝热材料软木板泡沫塑料多孔混凝土蜂窝板,吸声隔声材料,常用吸声材料无机材料-水泥蛭石板、石膏砂浆、水泥 膨胀珍珠岩、水泥砂浆。有机材料-软木板、木丝板、穿孔五夹板、三夹板、木质纤维板。多孔材料-泡沫玻璃、泡沫水泥、吸声蜂窝 板等。纤维材料-矿渣棉、玻璃棉、工业毛毡。,常用隔声材料隔绝空气声-砖、混凝土、钢板隔绝固体声-毛毡、软木、橡皮等材料,绿色建材,绿色建材又称生态建材、环保建材和健康建材。它是指采用建材卫生生产技术生产的无毒害、无污染、无放射、有利
19、于环保和人体健康、安全的建筑和装饰材料。,2.4 作用形式,建筑物在不同的时候、不同的地点、受到不同的作用，其作用形式如下：恒载活载风载地震温差沉降 其它,作用的定义,作用-能使结构产生效应（内力、位移、应力、应变、裂缝等）的各种原因的总称。它可归结为直接作用和间接作用两种。直接作用是指直接施加在结构上的力（集中力、分布力），如结构自重、人流、设备重量、风、雪等；间接作用是指能使结构产生外加变形或约束的原因，如地震、温度变化、地基变形、材料的收缩和徐变等。,直接作用通常又称为荷载。按荷载的分布形式分:-集中荷载、线荷载、面荷载、体荷载；按荷载随时间的变异分:-永久荷载、可变荷载、偶然荷载；按荷
20、载随位置的变异分:-固定荷载、可动荷载；按荷载对结构的反映分:-静态荷载、动态荷载。,荷载分类,集中荷载,线荷载,面荷载,体荷载,包括建筑物的自重和永久设备的重量。建筑物的自重可按结构设计尺寸与其材料的重力密度计算确定永久设备自重可采用设备的铭牌重量.,2.4.1 恒载,活载,建筑物除了恒载外，还有人群，家具，设备等可以移动的活载。活载的数量,位置都是可以变化的，只能按照它们最大可能出现的值，放在最不利的位置进行设计。活荷载的大小根据具体情况确定，也可查荷载设计规范，按等效均布荷载取用，例如，2.0Kn/m2,风载,对建筑物而言，是静载还是动载，是由建筑物本身的特性决定的：对一般的房屋，风是静
21、荷载，但对高层建筑风就是动荷载，关键是看风的动力特性对结构的影响如何。房屋所受的风荷载有三个不一样:不同的地区不一样；同一地区不同时刻不一样；同一时刻不同的高度和不同的部位不一样。具体数值可根据气象部门的实测资料确定，也可按荷载规范取用。,地震:在地质构造运动过程中，地壳表面薄弱的地方发生突然断裂和错动，并以地震波形式传到地面，引起地面运动，这就是地震。震级:是指一次地震大小的级别，它以震源释放的能量的大小来确定。烈度:是指某地区各类建筑物遭受一次地震影响的强烈程度。1980年国家地震局颁布了中国地震烈度表，将地震烈度划分为12度，并予以定性的宏观标志。建筑设计时所应考虑地震作用的大小，应根据
22、当地的抗震设防烈度确定。通常为7度、8度、9度。南京市为7度设防。,地震,2.4.5 温度,房屋因昼夜温差和季节性温差，每时每刻都在改变着形状和尺寸，当这种改变受到约束时，就会在房屋结构内产生力的效应。,房屋因地基土质不均而发生不均匀沉降时，会在梁、柱及其连续处受到内力效应。,2.4.6 沉降,2.4.7 特殊作用,如结构安装、焊接、振动、撞击、爆炸等作用力。,2.5 作用效应,-指因各种荷载使结构的构件受拉、受压、受弯和受剪、受扭（或称承受着拉力、压力、弯矩和剪力、扭矩等作用力）等，以及使结构因承受着各种作用力而产生的拉伸、压缩、弯曲和剪切变形。自然界给予结构的本能（爱因斯坦称之为“优雅举止
23、elegance”）是通过两个基本作用完成力的传递过程的：拉（pulling/tension）和压(pushing/compression)。,各种结构构件受荷载后无不有这两种作用：受到由荷载产生的拉力P或拉应力（即拉力除以受拉截面面积，压应力同此）后产生拉伸变形（变形值除以构件的原长度称为拉应变，压应变同此）；受到由荷载产生的压力P或压应力后产生压缩变形。,作用效应,一根梁受荷载后弯曲，也是上部受压后缩短、下部受拉后伸长的结果，上部的压力和下部的拉力组成了弯矩。当拉杆所受拉应力超过极限拉应力时，杆就被拉断；当压杆所受压应力超过临界压应力时，杆就被压屈；当梁所受拉应力超过极限应力时也会因弯曲而
24、折断。,作用效应,结构构件常见作用效应:轴力、剪力、弯矩、扭矩、应力、应变、位移、挠度、变形。,轴力-作用引起结构或构件某一正截面上的法向拉力或压力，与 杆件轴线相重合。剪力（Shear Force）-作用于同一物体上的两个距离很近（但不为零），大小相等，方向相反的平行力。例如剪刀去剪一物体时，物体所受到两剪刀口的作用力就是剪力。弯矩-作用引起结构或构件某一截面上的应力所构成的内力矩，其大小为该截面截取的构件部分上所有外力对该截面形心矩的代数和，扭矩-作用引起结构或构件某一截面上的应力所构成的力偶矩。,作用效应,应力-指作用引起结构或构件某一截面单位面积上的力，包括正应力、剪应力、主应力等。应变-作用引起结构或构件单位长度所产生的变形，包括拉应变、压应变、剪应变、主应变等，与应力相对应。位移-作用引起结构或构件某点位置的改变或某线段方向的改变，前者称为线应变，后者称为角应变。挠度-在弯距作用平面内，结构构件轴线或中面上某点由挠曲引起垂直于轴线或中面方向的线位移。变形-作用引起的结构或构件中各点间的相对位移。,作用效应,
