1.5 材料的力學(xué)性能與結(jié)構(gòu)試驗的關(guān)系
1.5.1 概述
一個結(jié)構(gòu)或構(gòu)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(jié)構(gòu)或構(gòu)件的材料內(nèi)部抵抗外力的性能。充分了解材料的力學(xué)性能，對于在結(jié)構(gòu)試驗前或試驗過程中正確估計結(jié)構(gòu)的承載能力和實際工作狀況，以及在試驗后整理試驗數(shù)據(jù)，處理試驗結(jié)果等工作都具有非常重要的意義。
在結(jié)構(gòu)試驗中按照結(jié)構(gòu)或構(gòu)件材料性質(zhì)的不同，必須測定相應(yīng)的一些最基本的數(shù)據(jù)，如混凝土的抗壓強(qiáng)度、鋼材的屈服強(qiáng)度和抗拉極限強(qiáng)度、磚石砌體的抗壓強(qiáng)度等。在科學(xué)研究性的試驗中為了了解材料的荷載變形、應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，需要測定材料的彈性模量，有時根據(jù)試驗研究的要求，尚須測定混凝土材料的抗拉強(qiáng)度以及各種材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線等有關(guān)數(shù)據(jù)。
在測量材料各種力學(xué)性能時，應(yīng)該按照國家標(biāo)準(zhǔn)或部頒標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)試驗方法進(jìn)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(guī)定的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。
在建筑結(jié)構(gòu)抗震研究中，根據(jù)地震荷載作用的特點，在結(jié)構(gòu)上施加周期性反復(fù)荷載，結(jié)構(gòu)將進(jìn)入非線性階段工作，因此相應(yīng)的材料試驗也須要在周期性反復(fù)荷載下進(jìn)行，這時鋼材將會出現(xiàn)包辛格效應(yīng)，對于混凝土材料就需要進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)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(xué)性能的試驗方法對強(qiáng)度指標(biāo)的影響
材料的力學(xué)性能指標(biāo)是由鋼材、鋼筋和混凝土等各種材料分別制成的標(biāo)準(zhǔn)試樣或試塊進(jìn)行試驗結(jié)果的平均值。由于材質(zhì)的不均勻性等原因，測定的結(jié)果必然會有較大的波動，尤其當(dāng)試驗方法不妥時，波動值將會更大。
長期以來人們通過生產(chǎn)實踐和科學(xué)實驗發(fā)現(xiàn)試驗方法對材料強(qiáng)度指標(biāo)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(jié)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(qiáng)度指標(biāo)。下面我們就混凝土材料來作進(jìn)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(qiáng)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(xué)性能試驗方法》規(guī)定，采用150mm×l50mm×l50mm的立方體試件測定的抗壓強(qiáng)度為標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)度和彈性模量的標(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)了混凝土強(qiáng)度有系統(tǒng)地稍有提高的現(xiàn)象。截面較小而高度較低的試件得出的抗壓強(qiáng)度偏高，這可以歸結(jié)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(jī)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(nèi)部存在缺陷(裂縫)的分布，表面和內(nèi)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(yōu)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(yīng)力分布均勻。此外圓柱體試件外形與鉆芯法從結(jié)構(gòu)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(qiáng)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(xué)性能試驗時，加載速度愈快，即引起材料的應(yīng)變速率愈高，則試件的強(qiáng)度和彈性模量也就相應(yīng)提高。
1.5.1 概述
一個結(jié)構(gòu)或構(gòu)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(jié)構(gòu)或構(gòu)件的材料內(nèi)部抵抗外力的性能。充分了解材料的力學(xué)性能，對于在結(jié)構(gòu)試驗前或試驗過程中正確估計結(jié)構(gòu)的承載能力和實際工作狀況，以及在試驗后整理試驗數(shù)據(jù)，處理試驗結(jié)果等工作都具有非常重要的意義。
在結(jié)構(gòu)試驗中按照結(jié)構(gòu)或構(gòu)件材料性質(zhì)的不同，必須測定相應(yīng)的一些最基本的數(shù)據(jù)，如混凝土的抗壓強(qiáng)度、鋼材的屈服強(qiáng)度和抗拉極限強(qiáng)度、磚石砌體的抗壓強(qiáng)度等。在科學(xué)研究性的試驗中為了了解材料的荷載變形、應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，需要測定材料的彈性模量，有時根據(jù)試驗研究的要求，尚須測定混凝土材料的抗拉強(qiáng)度以及各種材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線等有關(guān)數(shù)據(jù)。
在測量材料各種力學(xué)性能時，應(yīng)該按照國家標(biāo)準(zhǔn)或部頒標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)試驗方法進(jìn)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(guī)定的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。
在建筑結(jié)構(gòu)抗震研究中，根據(jù)地震荷載作用的特點，在結(jié)構(gòu)上施加周期性反復(fù)荷載，結(jié)構(gòu)將進(jìn)入非線性階段工作，因此相應(yīng)的材料試驗也須要在周期性反復(fù)荷載下進(jìn)行，這時鋼材將會出現(xiàn)包辛格效應(yīng)，對于混凝土材料就需要進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)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(xué)性能的試驗方法對強(qiáng)度指標(biāo)的影響
材料的力學(xué)性能指標(biāo)是由鋼材、鋼筋和混凝土等各種材料分別制成的標(biāo)準(zhǔn)試樣或試塊進(jìn)行試驗結(jié)果的平均值。由于材質(zhì)的不均勻性等原因，測定的結(jié)果必然會有較大的波動，尤其當(dāng)試驗方法不妥時，波動值將會更大。
長期以來人們通過生產(chǎn)實踐和科學(xué)實驗發(fā)現(xiàn)試驗方法對材料強(qiáng)度指標(biāo)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(jié)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(qiáng)度指標(biāo)。下面我們就混凝土材料來作進(jìn)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(qiáng)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(xué)性能試驗方法》規(guī)定，采用150mm×l50mm×l50mm的立方體試件測定的抗壓強(qiáng)度為標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)度和彈性模量的標(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)了混凝土強(qiáng)度有系統(tǒng)地稍有提高的現(xiàn)象。截面較小而高度較低的試件得出的抗壓強(qiáng)度偏高，這可以歸結(jié)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(jī)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(nèi)部存在缺陷(裂縫)的分布，表面和內(nèi)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(yōu)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(yīng)力分布均勻。此外圓柱體試件外形與鉆芯法從結(jié)構(gòu)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(qiáng)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(xué)性能試驗時，加載速度愈快，即引起材料的應(yīng)變速率愈高，則試件的強(qiáng)度和彈性模量也就相應(yīng)提高。