第一章钢筋的物理力学性能

《第一章钢筋的物理力学性能》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第一章钢筋的物理力学性能（57页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、高等钢筋混凝土结构,周志祥 主编 徐 岳 主审 王有志 主讲,第一章 钢筋的物理力学性能,钢筋的分类和应力应变曲线 钢筋的锈蚀 钢筋的疲劳 钢筋的其他性能,第一节 钢筋的分类和应力应变曲线,一、钢筋的分类 钢筋混凝土及预应力混凝土构件中所用的钢筋 分为两类：普通钢筋和预应力钢筋。 普通钢筋系指钢筋混凝土构件中的钢筋和预应 力混凝土构件中的非预应力钢筋。它分为R235、 HRB335、HRB400和KL400四种。前者为光圆钢 筋，后三者为带肋钢筋。预应力混凝土构件中的箍 筋应选用其中的带肋钢筋。,普通钢筋的抗拉强度标准值，抗拉强度设计值 和抗压强度设计值见表1-1。,预应力钢筋的公称直径、抗拉

2、强度标准值、抗 拉强度设计值和抗压强度设计值等见表1-2。,二、钢筋的基本力学性能及微观分析 习惯上根据钢筋抗拉强度标准值的大小或应 力应变曲线上有无明显的屈服台阶，将钢材分成 两大类，分别称为软钢和硬钢。属软钢的有R235、 HRB335、HRB400和KL400四种钢筋，属于硬钢有 钢丝、钢绞线及高强度精轧螺纹钢筋。 1、软钢的基本力学性能 见图1-1，钢筋开始受力后，应力与应变成比例 增长，至比例极限（P点）为止。之后，应变比应力 增长稍快，应力应变关系线微曲。但在弹性极限 （E点）前，试件卸载后，应变仍沿加载线返回原,点，无残余变形，故PE段为非线性弹性变形区。 超过弹性极限后应变增长

3、加快，曲线斜率稍 减。到 达上屈服点后，应力迅速跌落，出现一个小 尖峰；继续增大应变，应力经过下屈服点后有少量 回升。此后，曲线进入屈服段，应力虽有上下波 动，但渐趋稳定，形成明显的台阶。 上屈服点取决 于试件的形状和加载 速度而在一定范围内变动，下 屈服点则相对稳定。 钢筋在屈服段经历了较大的塑性变形后，进入 强化段（H），应力再次稳步增大，直至极限强度 点B。此后，应变继续增大，而拉力明显减小，试,件的一处截面逐渐减小，出现颈缩现象。最终，试 件在颈缩段的中间拉断（F）。颈缩段应力应变曲 线（BF）下降是按钢筋原截面积计算的结果，若将 拉力除以当时颈缩段的最小截面积，则得持续上升 段。拉断

4、后试件的伸长变形除以试件原长称为极限 延伸率。 从工程应用的观点，将上、下屈服点合并为一 个屈服点，一般取为数值较稳定、且偏低的下屈服 点b（见图1-2的典型热轧钢筋拉伸曲线），相应的 应力值称为屈服强度。相应于破坏阶段d点的强度， 称为钢筋的抗拉强度，亦称钢筋的极限强度。,图1-2 典型热轧钢筋拉伸曲线 图1-3 晶粒变形弹塑性情况示意,钢筋的应力应变现象可以用位错滑移理论得 到解释。 钢是一种微细晶体的结合，并按一定规律排 列。在比例极限以内时，弹性变形主要取决于晶体 阵上原子间的相互作用力。在弹性变形阶段，主要 是金属内部原子间距离改变，如图1-3a为弹性拉伸 金属原子间距离改变示意图。

5、 塑性变形就是金属晶体顺某些结晶面发生滑移 的结果，也就是说顺晶体的某个结晶面所施加的剪 应力超过了晶体临界切应力而产生滑移，如图1-3b 所示。,钢筋外形与尺寸 变形钢筋的作用增加与混凝土的摩擦力。 要求： 表面变形距离不得超过名义直径0.7倍；高度不得小于名义直径0.04-0.05倍；变形部分至少要环绕名义周长的75%、与钢筋轴线不小于45。 名义尺寸： 每延米相同重量的光面钢筋尺寸。,2、硬钢的基本力学性能 硬钢通常没有明显的屈服台阶，为了便于应用 通常取残余变形的0.1%处应力作为弹性极限强度， 取残余变形的0.2%处的应力作为钢筋的条件屈服强 度（图1-4）。硬钢的抗拉 强度比软钢大

6、得多，但延 伸率（伸长率）却小得多， 一般呈脆性破坏。,三、钢筋应力应变曲线的数学描述 1、钢筋应力应变曲线的绘制 是由该材料制成的标准拉伸试件经拉伸试验得 出的。 事实上，钢筋试件在拉伸过程中其截面是不断 变化的，在出现塑性变形以后，这种变化带来的影 响更为显著。为反映这一现象，应力的计算不能再 笼统地用力与钢筋初始截面积之比来获得，而必须 采用真实应力这一概念，如下式所示： （1-1）,在试件出现塑性变形以后，真实应变的计算可 按如下公式进行。 用试件的瞬时长度 来表示应变，则每一瞬时 的应变增量为： （1-2） 从 开始变形所累积的应变该是： （1-3） 利用体积不变的原理有： （1-4

7、）,式中下标“0”表示试件的原始状态，公式（1-3） 可写成： （1-5） 目前常用的修正公式是由伯瑞吉曼提出的，他 假设颈缩处试件外形轮廓在最小截面处是一个圆， 如图1-5所示，修正公式为： （1-6）,另一个修正公式（双曲线）为： （1-7） 2、钢筋应力应变曲线的数学描述 对于软钢，其应力应变曲线有明显的屈服台 阶，通常其计算模型有以下几种： （1）理想弹塑性模型认为钢筋材料在屈服以前 为线弹性，一旦屈服则为理想塑性状态，应力不再 增加（图1-6），因此，其应力应变关系为两个在 屈服点处相连的直线方程。一般结构破坏时钢筋的 应变尚未进入强化段，此模型适用。 （2）弹性强化模型为二折线，屈

8、服后的应力,应变关系简化为很平缓的斜直线，可取 （图1-7），其优点是应力应变关系在屈服后仍保 持唯一性。,（3）三折线（图1-8）或曲线的弹塑性强化模 型（图1-9）较为复杂些，但可以较准确地描述钢筋 的大变形性能。,简化曲线,钢筋应力应变曲线的数学模型 （1）双直线模型（完全弹塑性模型） （2）三折线模型（完全弹塑性加硬化模型）,钢筋应力应变曲线的数学模型 （1）双直线模型（完全弹塑性模型） （2）三折线模型（完全弹塑性加硬化模型）,（3）双斜线模型,3. 重复加载本构关系 4. 交变受力本构关系,交 变 受 力,在交变荷载作用下，应力应变曲线在应力远低于初始屈服强度时就变成非线性的。这个

9、特性称为Bauschinger效应。 骨架线段的连线与单调加载时相同。,对于硬钢，拉伸曲线上没有明显的屈服台阶。 其比例极限约为抗拉极限强度的0.75。当曲线呈水 平时达到抗拉极限强度，随后，曲线稍有下降，出 现少量颈缩后立刻被拉断。极限延伸率较小，约为 5%-7%。结构设计时，需对这类钢材定义一个名义 的屈服强度作为设计值。我国和其他许多国家一样 将对应于残余应变为0.002时的应力作为屈服点，根 据试验结果得： （1-8）,硬钢的应力应变关系的力学计算模型为直线 曲线模型（如图1-10，式1-10）。,第二节 钢筋的锈蚀,一、钢筋锈蚀及其机理 钢筋的锈蚀使受力截面积减小，锈蚀层膨胀使 混凝

10、土保护层沿钢筋方向开裂，而后脱落，不仅影 响了钢筋混凝土结构的正常工作，而且大大影响了 它们的耐久性。 钢筋的锈蚀过程是一个电化学反应过程。 锈蚀过程的全反应是阳极反应和阴极反应的结 合，在钢筋表面析出氢氧化铁（图1-11）。,二、混凝土中钢筋锈蚀的主要因素 1、普通钢筋混凝土中的钢筋 主要因素有以下几个方面： （1）碱度和氯化物浓度 （2）氧 （3）透水性 （4）碳化 （5）电池效应 （6）漏泄电流引起的电锈蚀,2、预应力混凝土中的钢筋 （1）锈坑腐蚀 （2）应力腐蚀 （3）氢脆腐蚀 混凝土中的钢筋锈蚀是多种因素综合作用的结 果，因此防止钢筋锈蚀也必须从多方面入手综合采 取措施，如合理选材、

11、提高混凝土的密实度、增加 保护层厚度、采用耐腐蚀钢筋、对钢筋混凝土结构 喷刷防腐涂层、采用特种混凝土以及采用钢筋阻锈 剂等。,第三节 钢筋的疲劳,钢筋在低于其屈服强度的应力循环作用下发生 断裂的现象称为疲劳。疲劳断裂，尤其是高强度钢 筋的疲劳断裂，一般没有明显的预兆，属于脆性破 坏。 钢筋的疲劳试验有三种不同的试件： （1）原状的光圆或变形钢筋 （2）将钢筋制成光滑的标准试件 （3）梁式试验,一、钢筋的疲劳及其机理 1、循环加载的特征参数 循环应力是指应力随时间呈周期性的变化，变 化波形通常是正弦波，如图1-12所示。,应力的循环特征可用下列参数表示： （1）应力幅 或应力范围 。 （2）平均

12、应力 或应力比 。 （3）加载频率 ，单位为Hz。 上式中的 和 分别为循环最大应力和循环 最小应力。 钢筋在弹性范围循环加载，应力与应变呈线性 关系。当循环加载超出弹性范围，材料的应力应 变行为不再保持简单的线性关系，可以用循环滞后,环来表示，如图1-13，从原点0加载到A点的1/4循环 中，除产生弹性应变外，还产生塑性应变。则总应 变 为： （1-14） 式中： 塑性应变。 如果从A点卸载到C点，然后反向加载到B点， 之后卸载到D点，重新加拉伸载荷到A点，则形成 一个完整的滞后环。在一个循环中，应力变化为 ，应变变化为 。 （1-15）,2、疲劳寿命曲线及疲劳强度 疲劳寿命 定义为循环加载

13、开始到试件疲劳断 裂所经历的应力循环数。当应力比R为一定值时，在 不同的应力幅 下试验一组试件，每个试件的实验 结果对应于 平面上的一个点，这样就可以得 到一组点，连接这些点所得的曲线称为疲劳寿命曲 线。当应力比R=-1时的疲劳寿命曲线如图1-14所示。,疲劳寿命曲线可以分为三个区： （1）低周疲劳区。 （2）高周疲劳区。 （3）无限寿命区或安全区。 3、疲劳寿命的通用表达式 （1-16） 其中： （1-17） 式中： 当量应力幅； 用当量应力幅表示的理论疲劳极 限。,4、疲劳极限及其试验测定 疲劳极限即试件经受无限次的应力循环而不发 生断裂所能承受的上限循环应力幅值。在工程实践 中，将疲劳极

14、限定义为：在指定的疲劳寿命下，试 件所能承受的上限应力幅值。 测定疲劳极限最简单的方法是所谓的单点试验 法。 5、疲劳失效过程和机理 疲劳失效过程可以分为三个主要阶段：疲劳 裂纹形成；疲劳裂纹扩展；当裂纹扩展达到临 届尺寸时，发生最终的断裂。对于疲劳裂缝形成和,疲劳裂纹扩展的过程及主要机理见课本12至13页。 二、影响钢筋疲劳的因素 试验表明，钢筋疲劳强度试验结果很分散，如 图1-20。其原因是钢筋疲劳强度的影响因素很多。 其主要因素有：应力幅、最小应力值、外形和直 径、强度等级、钢筋的加工和环境以及加载的频率 等。 三、钢筋疲劳强度的计算方法 为了建立疲劳强度或疲劳应力幅限值的计算方 法，需

15、开展大量钢筋疲劳试验。通过回归拟合并对 SN曲线进行适当简化，得出钢筋疲劳强度或疲劳,应力幅限值的简化计算公式如下： 当在无限寿命区时： （1-22） 当在长寿命区时： （1-23） 式中： 钢筋的极限强度； 钢筋的截面积； 钢筋直径； 和 变形钢筋横肋底部的半径和肋高。,第四节 钢筋的其他性能,一、钢筋的徐变 钢筋的徐变，又称蠕变，是指钢筋受力后，在 应力不变的情况下，钢筋的变形随着时间的增加而 增加的现象。 钢材的徐变是金属晶粒在高应力作用下随时间 发生的塑性变形和滑移的结果。在工程中，钢材的 徐变使结构的变形增大，降低结构的延性及抗裂性 能。徐变和温度的关系很大，当温度较低时，徐变 现象

16、不是很明显；随着温度的增加，徐变也会越来,越大。因此，在某些特殊环境下，特别是预应力混 凝土结构，结构中由钢筋徐变造成的影响就不可小 视。 1、钢筋徐变的概念 徐变试验可在专用的蠕变试验机上进行，其原 理如图1-22所示。试验期间，试样的温度和所受的 应力保持恒定。随着试验时间的延长，试样逐渐伸 长。试样标距内的伸长量通过引伸计测出后，输入 到纪录仪中，自动记录试样的伸长和时间的关系曲 线，如图1-23所示，此即为徐变曲线。图中 表示 试样受载后立即产生的瞬时应变，不算作徐变。,徐变大致可划分为三个阶段。 第阶段是指瞬时应变 以后的形变阶段，这 个阶段的徐变速率 随时间的增长不断下降， 该阶段通常被称为减速徐变阶段。 第阶段的徐