建筑材料第7版：材料强度

材料的强度是指材料在外力（荷载）作用下发生破坏时的应力，反映了材料抵抗破坏的能力。

1.3.2.1　材料的静力强度

在静荷载作用下，材料达到破坏前所承受的应力极限值称为材料静力强度 （简称材料强度或极限强度）。按作用荷载的不同，分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度 （或抗折强度）及抗剪强度等。

（1）材料强度试验。

材料强度的测定常用破坏性试验方法来进行，即将材料制成试件，置于试验机上，按规定速度缓慢且均匀地加荷，直到试件破坏。根据破坏时的荷载值可求得材料强度。

抗压、抗拉及抗剪强度，计算公式为

式中：f为材料抗压、抗拉或抗剪强度，MPa；F 为破坏时荷载，N；A 为试件受拉、压或剪力的断面面积，mm2。

图1.1　材料的徐变曲线

材料的抗弯强度试验：将材料制成矩形断面的小梁试件，可在梁的中间加一个或两个集中荷载，直至破坏，并按式（1.7）或式（1.8）^[1]计算抗弯强度。

当中间加一个集中荷载时，见图1.2 （a），抗弯强度按式（1.7）计算，即

当在两支点间加两个对称的集中荷载时，见图1.2 （b），抗弯强度按式 （1.8）计算，即

式中：fm为抗弯强度，MPa；F 为破坏荷载，N；L为梁的跨度，mm；b为梁截面的宽，mm；h为梁截面的高，mm；a为两集中荷载间的距离，mm。

图1.2　抗弯强度试验示意图

（a）中间加一个集中荷载；（b）中间加两个对称荷载；（c）试件截面

材料的强度与其组成和构造有关。不同种类的材料抵抗外力的能力不同，同类材料当其内部构造不同时，其强度也不同。致密度越高的材料，强度越高。同类材料抵抗不同外力作用的能力也不相同，尤其是内部构造非匀质的材料，其不同外力作用下的强度差别很大。如混凝土、砂浆、砖、石和铸铁等，其抗压强度较高，而抗拉、弯 （折）强度较低；钢材的抗拉、抗压强度都较高。

多数建筑材料是根据其强度大小，划分成若干个不同的强度等级或标号，它对掌握材料的性质、结构设计、材料选用及控制工程质量等是十分重要的。

（2）试验因素对材料强度数值的影响。

材料强度的测定结果受到诸多因素的影响，主要有：①试件的形状、尺寸、表面状况；②测试时试件的温度及湿度；③试验加荷速度及试验装置情况等。

以脆性材料单轴抗压强度试验为例。若采用棱柱体或圆柱体试件 （一般高度为边长或直径的2～3倍），其抗压强度比立方体小；形状相似时，小试件的抗压强度试验值高于大试件试验值；试件受压面上有凸凹不平或掉角等缺损时，将引起局部应力集中而降低强度试验值。

出现这种现象是因为，试件受压时，试验机压板和试件承压面紧紧相压，接触面上产生的横向摩擦阻力制约着试件横向膨胀变形，抑制了试件的破坏。越接近承压面，横向摩擦阻力的影响越大。所以高度小的试件所得强度试验值较高，试件破坏形状呈两顶角相接的截锥体，如图1.3（a）所示；高度较大的试件，强度试验值较低，试件破坏时中间为纵向裂缝，两端呈截锥状体。试件高度越高，中间部位所占比例越大，其强度试验值越低。若在承压面上涂以润滑剂，则由于摩擦阻力几近于0，试件横向能够自由膨胀，在垂直于加荷方向上发生拉伸应变，当其超过极限变形值时，试件呈纵向裂缝破坏，如图1.3 （b）所示，其强度值将大为降低。

当试件尺寸较小时，材料内部各种构造缺陷出现的几率随试件体积的减少而减少，小试件强度试验值较高。

试件形状、尺寸因素对抗拉、拉弯及抗剪强度的测定值也有类似的影响。试件尺寸较小者强度试验值较高；断面相同时，短试件比长试件的强度值高；截面形状、大小相同的梁，跨度相等时，中间加一个集中荷载所测得的强度值 [按式 （1.7）计算]大于两支点间加两个对称集中荷载所得的强度值[按式（1.8）计算]。(www.xing528.com)

试验时的加荷速度较快时，材料变形的增长速度落后于应力增长速度，破坏时的强度值偏高；反之，强度试验值偏低。采用刚度大的试验机进行强度测试，所得的强度值也较高。

材料强度的试验值与试验时的温度及材料含水状况有关。一般来说，温度升高强度将降低。例如钢材及沥青材料，温度对其强度都有明显影响。材料中含有水分时，其强度比干燥时低，例如砖、木材及混凝土等材料吸水潮湿后，其强度显著降低。

上述各种因素对强度试验结果影响的程度与材料的种类有关。例如：脆性材料受试件形状、尺寸的影响大于塑性材料；沥青材料受温度的影响特别显著；砖及木材等则应特别注意含水状况对强度试验结果的影响。

（3）材料的强度等级。

材料强度的试验结果，与其试验条件密切相关。为了获得可以进行对比的强度值，在进行材料强度测定时，必须严格遵照国家标准所规定的试验方法进行。按标准试验方法测定的几种常用材料强度值见表1.3。

图1.3　脆性材料立方体试件受压破坏特征

（a）有摩擦阻力影响；（b）无摩擦阻力影响

表1.3　几种常用材料的强度

每一种材料由于品质的不同，其强度值有很大差别。为了生产和使用的方便，国家标准规定，材料按静力强度的高低划分为若干等级。砖、混凝土等脆性材料，其抗压强度最高，抗拉强度最低，抗弯及抗剪强度也较低，主要用于承受压力的构件，故按静力抗压强度的高低划分为若干强度等级，如普通混凝土有C20、C30、…、C60等。建筑钢材抗拉、抗压及抗弯强度大致相等，抗剪强度最低，它们既可承受压力也可承受弯曲或拉力，故按静力拉伸屈服强度划分强度等级，如Q215、Q235、Q345等。

1.3.2.2　材料的持久强度及疲劳极限

在“静力强度”中所讨论的材料强度，是材料在承受短期荷载条件下具有的强度，也称为暂时强度。材料在承受持久荷载下的强度称为持久强度。结构物中材料所承受的荷载，大多为持久荷载，如结构自重、固定设备的荷载等，故在工程中必须考虑持久强度。由于材料在持久荷载下会发生徐变，使塑性变形增大，所以持久强度都低于暂时强度，如木材的持久强度仅为其暂时强度的60%左右。

当材料所承受的荷载随时间而交替变化时，其应力也随时间而交替变化。这种交变应力超过某一极限且多次反复作用后，即会导致材料破坏，该应力极限值称为疲劳极限。疲劳破坏与静力破坏不同，它常在没有显著变形的情况下突然断裂 （即使是塑性很好的材料也是如此）。疲劳极限远低于静力强度，甚至低于屈服强度。疲劳极限是通过试验测定的。在规定的应力循环次数下，所对应的极限应力即为疲劳极限。对于混凝土及一般钢材，通常规定应力循环次数为106～108次。混凝土的抗压疲劳极限约为静力抗压强度的50%～60%，Q235钢的抗拉疲劳极限约为抗拉极限强度的28%左右。

1.3.2.3　材料的理论强度

结构完整的理想固体材料所具有的强度称为该材料的理论强度，它仅取决于构成该材料的各质点（离子、原子或分子）间的相互作用力。

现以分子结构材料为例，讨论其理论强度。两分子质点间相互作用力与两质点间距离的关系如图1.4所示。

材料未受荷载时，两质点间距为d0，其间吸引力为P1，排斥力为P2，合力P=P1+P2=0。此时两质点间距称为稳定平衡距离。

当材料受到拉伸荷载时，在拉伸变形的方向上，d＞d0，合力P 为引力，阻止两质点远离。当质点间距离达到dm时，其合力为最大值Pm。在单位面积内，所有各质点间的Pm之和，即为材料的理论抗拉强度fm。d0处的曲线斜率，即为材料的理论弹性模量，E=tanα。

图1.4　两质点间结合力示意图

当材料受到压缩荷载时，在与压缩变形相同的方向上，两质点靠近 （d＜d0），并引起材料内部斥力P2大于引力P1，合力P 为排斥力，阻止两质点靠近。由图1.4可以看出，当两质点不断靠近时，P （排斥力）将不断增大，排斥力P 与压缩荷载相平衡，材料不会破坏。因此，材料在单轴压力作用下的破坏，是由于在压缩力垂直方向上产生横向膨胀而引起拉应力或斜面上的剪切应力造成的。

材料断裂时，外力既要克服质点间的结合力，又需提供形成新界面的表面能，由此可以得出材料的理论抗拉强度近似表达式为

式中：fm为材料理论抗拉强度；E 为材料的弹性模量；γ为材料的表面能；d0为组成材料质点间的距离。

由式 （1.9）可以看出，欲提高材料的抗拉强度，则应设法提高弹性模量E 及表面能γ，并使材料更密实以减小质点间距离d0。通常认为γ =d0E/100，故fm ≈E/10。

在自然界中，各种材料都有结构及构造缺陷，如晶格缺陷、杂质的混入、存在孔穴及微裂缝等。因此，在比理论强度小得多的应力下就可引起晶格滑移或断裂，由于裂缝尖端处存在应力集中，故在较小应力下可使裂缝不断扩大、延伸。这些因素都使实际破坏应力极大地降低，材料的实际强度远低于上述理论强度值。例如，抗压强度为30MPa的混凝土，弹性模量约为3×104 MPa，理论抗拉强度为3×103 MPa，而实际抗拉强度仅有3.0MPa左右。