第一章钢筋的物理力学性能教材课件

,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,高等钢筋混凝土结构,周志祥 主编,徐 岳 主审,王有志 主讲,高等钢筋混凝土结构周志祥 主编,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,第一章 钢筋的物理力学性能钢筋的分类和应力应变曲线,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。,第一节 钢筋的分类和应力应变曲线 一、,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,。,普通钢筋的抗拉强度标准值，抗拉强度设计值,预应力钢筋的公称直径、抗拉强度标准值、抗,拉强度设计值和抗压强度设计值等见表,1-2,。,预应力钢筋的公称直径、抗拉强度标准值、抗,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,二、钢筋的基本力学性能及微观分析,第一章钢筋的物理力学性能教材课件,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,点，无残余变形，故PE段为非线性弹性变形区。,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,。,件的一处截面逐渐减小，出现颈缩现象。最终，试,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,图1-2 典型热轧钢筋拉伸曲线,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。,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。,钢筋的应力应变现象可以用位错滑移理论得,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。,钢筋外形与尺寸 变形钢筋的作用增加与混凝,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,强度比软钢大得多，但延,伸率（伸长率）却小得多，,一般呈脆性破坏。,2、硬钢的基本力学性能,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,）,三、钢筋应力应变曲线的数学描述,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,）,在试件出现塑性变形以后，真实应变的计算可,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,）,式中下标“0”表示试件的原始状态，公式（1,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，屈服后的应力,另一个修正公式（双曲线）为：,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。,应变关系简化为很平缓的斜直线，可取,（,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。,（3）三折线（图1-8）或曲线的弹塑性强化模,简化曲线,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）,s,s,s,=E,s,s,y,s,h,f,y,s,s,s,=E,s,s,y,s,h,f,y,f,s,u,s,u,钢筋应力应变曲线的数学模型sss=Essys,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）,s,s,s,=E,s,s,y,s,h,f,y,s,s,s,=E,s,s,y,s,h,f,y,f,s,u,s,u,钢筋应力应变曲线的数学模型sss=Essys,s,s,s,=E,s,s,y,s,u,f,y,f,s,u,（,3,）双斜线模型,sss=Essys,ufyfs,u（3）双,重复加载,交变受力,3. 重复加载本构关系,4. 交变受力本构关系,重复加载交变受力 3. 重复加载本构关系,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。这个特性称为,Bauschinger,效应。,骨架线段的连线与单调加载时相同。,交变受力 在交变荷载作用,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,）,对于硬钢，拉伸曲线上没有明显的屈服台阶。,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,）。,硬钢的应力应变关系的力学计算模型为直线,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,）。,第二节 钢筋的锈蚀 一、钢筋锈蚀及其机理,第一章钢筋的物理力学性能教材课件,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,二、混凝土中钢筋锈蚀的主要因素,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、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。,2、预应力混凝土中的钢筋,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,第三节 钢筋的疲劳 钢筋在低于其屈服强度,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。,一、钢筋的疲劳及其机理,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,应力的循环特征可用下列参数表示：,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,）,环来表示，如图1-13，从原点0加载到A点的1/4循环,2,、疲劳寿命曲线及疲劳强度,疲劳寿命 定义为循环加载开始到试件疲劳断,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。,2、疲劳寿命曲线及疲劳强度,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。,疲劳寿命曲线可以分为三个区：,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,4、疲劳极限及其试验测定,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，需开展大量钢筋疲劳试验。通过回归拟合并对,S,N,曲线进行适当简化，得出钢筋疲劳强度或疲劳,疲劳裂纹扩展的过程及主要机理见课本12至13页。,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。,应力幅限值的简化计算公式如下：,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,现象不是很明显；随着温度的增加，徐变也会越来,第四节 钢筋的其他性能 一、钢筋的徐,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。,越大。因此，在某些特殊环境下，特别是预应力混,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,阶段的徐变速率 保持不变，说明形变硬化,与软化过程相平衡。这一阶段的徐变速率最小，通常,称之为稳态徐变或恒速徐变阶段。,第,阶段徐变速率随时间增长又开始增加，最后,导致断裂。这一阶段称之为加速徐变阶段。,在钢筋混凝土中，钢筋受力变形相对较小，几乎,没有第,阶段,徐变大致可划分为三个阶段。,对于整个徐变曲线，可用如下公式描述：,（,1-24,）,式中第二项反映减速徐变应变；第三项反映恒速,徐变应变。,对上式求导，得：,（,1-25,）,当 很小时，也就是开始徐变试验时，第一项起,主导作用，它表示应变速率随时间增加而逐渐减小，,即表示第,阶段的徐变。当 增大时，第二项逐渐起,主导作用，应变速率接近恒定值，即第,阶段徐变。,、 、 等常数随温度、应力和材料而改变。 的,对于整个徐变曲线，可用如下公式描述：,物理意义是代表,第,阶段的徐变速率。,有些文献为了反映温度和应力对徐变应变的影,响，也采用下面的经验关系式：,（,1-26,）,式中： 、 、,常数；,徐变激活能；,波尔兹曼常数。,由式（,1-26,）可知，徐变应变与应力和温度均呈,指数关系。温度 为常量时，式（,1-26,）对 求导后,得：,（,1-27,）,物理意义是代表第阶段的徐变速率。,2,、钢筋徐变的影响因素,（,1,）徐变量与钢筋的张拉应力有关,张拉应力大、徐变量大，反之则小。,（,2,）徐变量与时间有关,在最初的几个小时内，徐变量增加特别快，,100,小时以后逐渐缓慢，一般在,1000h,后增长很少如图,1-,24,。,（,3,）徐变与超张拉有关,所谓超张拉，是指张拉钢筋的应力超过张拉控,制应力，维持,2min,5min,，再降到张拉控制应力。,这时徐变量与正常张拉的不一样,，随着超张拉应力,2、钢筋徐变的影响因素,的增加、维持时间的延长，徐变量变小。,的增加、维持时间的延长，徐变量变小。,二、钢筋的松弛,1,、应力松弛的概念,钢筋的松弛，是指钢筋在应变不变的情况下，,其内部应力随着时间的增加而降低的现象。,松弛和徐变可以说是同一物理变化的不同表现,形式，也可以把松弛现象看作是应力不断降低时的,“,多极,”,徐变。徐变抗力高的材料，其应力松弛抗,力一般也高。,在数值上，松弛和徐变可以进行互换，如图,1-,25,所示。徐变和松弛的关系可以近似地表示为：,（,1-28,）,二、钢筋的松弛,式中：,E,应力,应变曲线在应力处的斜率。,发生应力松弛时总应变不变，则有,:,（,1-29,）,钢筋中弹性变形的减小与塑性变形的增加是同,时等量产生的。,应力松弛曲线是在给定温度和总应变条件下，,测定的应力随时间变化曲线，如图,1-26,所示。一般,认为在应力松弛第,阶段中，由于应力在各晶粒间,分布不均匀，促使晶界扩散产生塑性，而应力松弛,第,阶段主要发生在晶内，由亚晶的转动和移动引,起应力松弛。,式中： E 应力应变曲线在应力处的斜率。,第一章钢筋的物理力学性能教材课件,材料抵抗应力松弛的性能称为松弛稳定性。,经,t,时间,后，残余应力 愈高，说明材料的松弛性愈好。此,外还可通过应力松弛曲线来评定。将式（,1-29,）对,T,求导，得：,（,1-30,）,式中， 是弹性应变转化为徐变应变的速率。,由式（,1-27,）知：,（,1-31,）,松弛开始时,t=0,，应力为 ；时间为,t,时，应力,为 。由式（,1-31,）可得：,（,1-32,）,材料抵抗应力松弛的性能称为松弛稳定性。经t时间,2,、钢筋松弛的影响因素,松弛随时间而增长，并且与初始应力（张拉应,力）大小、温度和钢材种类等因素有关。对于这些,影响因素的分析见课本,18,、,19,页。,3,、减小松弛损失的措施,基本可以归结为两类：一类是采用超张拉的办,法，另一是采用低松弛高强钢筋、钢丝和钢绞线。,（,1,）超张拉,既然松弛是徐变的另一种表现形式，超张拉当,然也就可以减小松弛。超张拉越大，松弛应力损失,越小。,2、钢筋松弛的影响因素,（,2,）采用低松弛高强钢筋、钢丝和钢绞线,这种低松弛高强钢材有两类，一类是应力消除,的高强钢丝和钢绞线，一类是经过专门,“,稳定,”,处理,而得到的低松弛高强钢丝、钢绞线和某些粗钢筋。,这两类钢材在不同的控制应力下,1000h,的松弛,情况可见表,1-7,。,（2）采用低松弛高强钢筋、钢丝和钢绞线,三、钢筋的包兴格效应,在某些情况下，钢筋混凝土结构或构件会受到,反复荷载的作用，其所配钢筋也相应地产生应力的,反复加载和卸载，此时，反复荷载作用下的力学性,能有着和单向受拉或受压时不同的特征。,1,、包兴格效应,钢筋在一个方向上受力超过弹性极限而产生塑,性变形后，其反方向受力的弹性极限将显著降低，,荷载超过弹性极限越多，则反向受力时的弹性极限,降低也越多。这就是,“,包兴格效应,”,。,图,1-27,为拉压反复加载的钢筋应力应变曲线。,三、钢筋的包兴格效应,拉压反复荷载下的钢材,应力,应变关系可分为三部,分描述：骨架线、卸载线和,加载曲线。其中骨架线可采,用一次加载的应力,应变曲,线，卸载线是斜率为,E,的直,线，加载和软化段曲线则需,另外给定。,2,、包兴格效应的数学描述,课本介绍了加滕模型方法，见书中,21,页。,拉压反复荷载下的钢材,3,、包兴格效应产生的机理,金相学认为由于金属各晶体取向不同，因此各,晶粒受力不同，变形情况和变形程度也不同。,当承受反向荷载作用时，一方面有助于原拉伸,晶粒恢复原状，或进一步反向变形，但另一方面，,对有残余应力的晶粒，由于有初始应力，因此在作,用小于初始弹性极限的压应力下，即从弹性变形过,渡到塑性变形，发生包兴格效应的应力软化现象。,因此包兴格效应实质上是由于晶粒内残余应力,的存在而引起的，当采取措施使残余内应力消失,后，包兴格效应即消除。,3、包兴格效应产生的机理,