2.2.10　材料的强度

1.材料强度的种类

材料在外力作用下抵抗破坏的能力称为材料的强度：当材料受外力作用时，其内部就产生应力，外力增加，应力相应增大，直至材料内部质点间结合力不足以抵抗作用的外力时，材料即发生破坏。材料破坏时应力达到极限值，这个极限应力值就是材料的强度，也称极限强度，常用“f”表示。材料强度的单位为兆帕（MPa）。

根据材料所受外力的不同，材料的常用强度有抗压强度、抗拉强度、抗剪强度和抗弯（或抗折）强度等，如图2-2所示。

材料的强度是通过静力试验来测定的，因此称为静力强度。材料的静力强度是通过标准试件的破坏试验而测得。材料的抗压、抗拉和抗剪强度均按下式计算：

式中：f——材料抗压、抗拉、抗剪强度（MPa）；

Pmax——材料受压、受拉、受剪破坏时的极限荷载值（N）；

A——材料受力的截面面积（mm2）。

材料的抗弯强度与试件的几何外形及荷载施加情况有关，对于矩形截面的条形试件，当其两支点间的跨中作用一集中荷载时，其抗弯（抗折）强度可按下式计算：

式中：ft——材料的抗弯（抗折）强度（MPa）；

Pmax——试件破坏时的极限荷载值（N）；

L——试件两支点的间距（mm）；

b、h——试件矩形截面的宽和高（mm）。

常见建筑材料的各种强度见表2-3。由表可见，不同材料的各种强度间相差是不同的。花岗岩、普通混凝土等的抗拉强度比抗压强度小几十至几百倍，因此，这类材料只适于做受压构件（基础、墙体、桩等）。钢材的抗压强度和抗拉强度相等，因此作为结构材料性能最为优良。

2.材料的比强度

比强度是按单位体积质量计算的材料强度指标，其值等于材料强度与其表观密度之比。比强度是衡量材料轻质高强性能的重要指标，优质结构材料的比强度应高。几种主要材料的比强度见表2-4。

由表2-4可知，玻璃钢和木材是轻质高强的高效能材料，而普通混凝土为质量大而强度较低的材料。所以努力促进结构材料向轻质、高强方向发展，是一项十分重要的工作。

强度等级是材料按强度的分级，建筑材料常按其强度值的大小划分为若干个等级或牌号，如烧结普通砖按抗压强度分为5个强度等级；硅酸盐水泥按抗压和抗折强度分为6个强度等级；普通混凝土按其抗压强度分为12个强度等级；碳素结构钢按其抗拉强度分为5个牌号等。根据强度划分强度等级时，规定的各项指标都合格才能定为某强度等级，否则就要降低级别。

建筑材料按强度划分等级或牌号，对生产者和使用者均有重要的意义，它可使生产者在生产中控制质量时有据可依，从而达到保证产品质量的目的。对使用者则有利于掌握材料的性能指标，以便于合理选用材料、正确进行设计和控制工程施工质量。

材料在外力作用下会产生变形，但当外力除去后，仍能完全恢复原来的形状，这种性质称为材料的弹性，这种可以完全恢复的变形称为弹性变形（瞬时变形成）。

当外力除去后，不能完全恢复原来的形状而仍保持变形后的形状和尺寸，但并不产生裂缝的性质称为材料的塑性，这种不能恢复的变形称为塑性变形（永久变形）。

实际上，单纯的弹性变形是没有的。有的材料在受力不大的情况下表现为弹性变形，但受力超过一定限度后则表现为塑性变形，如建筑钢材。有的材料在受力后，弹性变形及塑性变形同时产生，如图2-3所示如果取消外力，则弹性变形ba段可以恢复，而其他塑性变形ob段则不能恢复，如混凝土受力后的变形就属于这种性质。