高等钢筋混凝土结构-01.钢筋的物理力学性能

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,*,本课程特点,土木工程科学研究的一般规律：,从工程实践中提出要求和问题，精心调查和统计、实验研究、理论分析、计算比照、找出解决问题的方法；,研究一般的变化规律，揭示作用机理，建立物理模型和数学表达，确定计算方法和构造措施，回到工程实践中验证，改进和补充。,混凝土结构作为土木工程的一个分支，亦服从上述规律。,高等钢筋混凝土结构,参考教材,1 高等钢筋混凝土结构 周志祥 主编 人民交通出版社 2002,2 钢筋混凝土原理和分析 过镇海 时旭东 主编 清华大学出版社 2003,3 钢筋混凝土结构 R.帕克 T.波利 著 秦文钺等译 重庆大学出版社 1985,4 钢筋混凝土结构理论 王传志、藤智明 主编 中国建筑工业出版社 1985,5 钢筋混凝土非线性分析 朱伯龙、董振祥 同济大学出版社 1985,1,.简单应力状态下强度条件可由实验确定,2,.一般应力状态下，材料的失效方式不仅与材料性质有关，且与其应力状态有关，即与各主应力大小及比值有关；,3.复杂应力状态下的强度准那么不能由实验确定(不可能针对每一种应力状态做无数次实验)；,4.强度理论：,假说实践理论,在有限的实验根底上，采用判断推理的方法，提出一些对材料破坏起决定作用的假说，推测材料在复杂应力状态下引起破坏的主要原因，从而建立强度条件，以此作为衡量材料破坏的依据。这些假说统称为强度理论。,补充1：强度理论,两类强度理论：,1. 第一类强度理论以脆性断裂破坏为标志,2. 第二类强度理论以塑性屈服破坏为标志,四个强度理论,准那么：无论材料处于什么应力状态，发生脆性断裂的主要原因是单元体中的最大拉应力s1到达某个极限值sf。,1.断裂原因：最大拉应力s1 与应力状态无关,3.,强度条件,：,2.,破坏条件,：,一、第一强度理论最大拉应力理论,二、最大伸长线应变理论 第二强度理论,准那么：无论材料处于什么应力状态，发生脆性断裂的主要原因是单元体中的最大伸长线应变e1到达某个共同极限值ef。,1.断裂原因：最大伸长线应变e1与应力状态无关；,3.,强度准则,：,2.,破坏条件,：,三、最大切应力理论第三强度理论,准那么：无论在什么样的应力状态下，材料发生屈服的主要原因是单元体内的最大切应力tmax 到达某一极限值ty。,1.屈服原因：最大切应力tmax与应力状态无关；,2.,屈服条件,：,3.,强度准则,：,四、第四强度理论形状改变比能理论,准那么：不管应力状态如何，材料发生屈服的主要原因是单元体中的形状改变比能ud到达某个共同的极限值udy。,1,.屈服原因,：最大形状改变比能u,d,；,2.,屈服条件,：,3.,强度准则,：,摩尔强度理论修正的最大切应力理论,准那么：剪应力是使材料到达危险状态的主要因素，但滑移面上所产生的阻碍滑移的内摩擦力却取决于剪切面上的正应力s的大小。,1.摩尔理论适用于脆性剪断：,脆性剪断,：在某些应力状态下，拉压强度不等的一些材料也可能发生剪断，例如铸铁的压缩。,2.莫尔强度准那么：,公式推导：,强度准那么：,sl拉伸许可应力；sy压缩许可应力。如材料拉压许用应力相同，那么莫尔准那么与最大剪应力准那么相同。,O,1,拉伸,拉伸,纯剪切,压缩,s,t,压缩,O,2,s,t,O,D,2,D,1,用单向拉伸和压缩极限应力圆作包络线,t,jx,=F(,s,n,),用单向拉伸、压缩和纯剪切极限应力圆作包络线,t,jx,=F(,s,n,),1、不管是脆性或塑性材料，在三轴拉伸应力状态下，均会发生脆性断裂，宜采用最大拉应力理论第一强度理论。,2、脆性材料：在二轴拉伸应力状态下，应采用最大拉应力理论；在复杂应力状态的最大、最小拉应力分别为拉、压时，由于材料的许用拉、压应力不等，宜采用,摩尔强度理论,。,3、塑性材料除三轴拉伸外，宜采用形状改变比能理论第四强度理论和最大剪应力理论第三强度理论。,4、三轴压缩状态下，无论是塑性和脆性材料，均采用,形状改变比能理论。,各种强度理论的适用范围,由强度理论可从,推知,如纯剪时，由第四强度理论得：,补充2：金属的塑性变形与位错滑移理论,金属在承受塑性加工时， 产生塑性变形，宏观上改变了材料的形状和尺寸；,微观上改变了金属的组织结构；,金属的塑性变形对材料的性能也会产生重要的影响，是金属材料重要的强化手段。,当外力作用在金属上时，如受拉，金属内的原子间距变大，如果这种变化是弹性范围内的，当外力去除后，原子还能恢复到原来的状态；如果外力较大，这种变化就到达了塑性阶段了，当外力去除之后，有一局部变化就不能恢复了，金属就发生了塑性变形。作为一种极限，当外力大到一定程度，原子间的结合力被打破，那么金属就断了。,从原子的角度看，金属的塑性变形是如何发生的？,滑移,滑移是晶体在切应力的作用下，, 晶体的一局部沿一定的晶面(滑移面)上的一定方向(滑移方向)相对于另一局部发生滑动。,滑移只能在切应力作用下才会发生, 不同金属产生滑移的最小切应力(称滑移临界切应力)大小不同。钨、钼、铁的滑移临界切应力比铜、铝的要大。,缺陷,1、点缺陷-空位、间隙原子,2、线缺陷-刃型位错，使金属晶体成为非完全弹性体，亦使杂质易于扩散；,3、面缺陷-晶界面上原子排列紊乱。,位错滑移机制,滑移是晶体内部位错在切应力作用下运动的结果。滑移并非是晶体两局部沿滑移面作整体的相对滑动, 而是通过位错的运动来实现的。 在切应力作用下,一个多余半原子面从晶体一侧到另一侧运动, 即位错自左向右移动时, 晶体产生滑移。,通过位错的移动实现滑移时：,1、只有位错线附近的少数原子移动；,2、原子移动的距离小于一个原子间距；,所以通过位错实现滑移时，需要的力较小；,金属的塑性变形是由滑移这种方式进行的，而滑移又是通过位错的移动实现的。所以，只要阻碍位错的移动就可以阻碍滑移的进行，从而提高了塑性变形的抗力，使强度提高。金属材料常用的五种强化手段固溶强化、加工硬化、晶粒细化、弥散强化、淬火强化都是通过这种机理实现的。,间隙,固溶体,置换固溶体,按溶质原子在溶剂晶格中的位置,固溶体可分为置换固溶体与间隙固溶体两种。,固溶体,固溶体的性能,无论置换固溶体，还是间隙固溶体，由于溶质原子的存在都会使晶格发生畸变，使其性能不同于原纯金属。,当溶质元素的含量极少时，固溶体的性能与溶剂金属根本相同。随溶质含量的升高，固溶体的性能将发生明显改变，其一般情况下，强度、硬度逐渐升高，而塑性、韧性有所下降，电阻率升高，导电性逐渐下降等。这种通过形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象称为固溶强化。,固溶强化是金属强化的一种重要形式。在溶质含量适当时，可显著提高材料的强度和硬度，而塑性和韧性没有明显降低。,1.普通钢筋和预应力钢筋,2.碳纤维布,3.玻璃纤维,4.环氧涂层钢筋,5.混合加劲筋钢筋+碳纤维+环氧,钢筋混凝土,reinforced concrete,根据钢筋受拉应力应变曲线的特点，分为有明显屈服点，无明显屈服点。,热轧钢筋 有明显流幅，称为软钢,以屈服强度作为设计依据,消除应力钢丝,钢绞线,精轧螺纹钢 无明显流幅，称为硬钢,热处理钢筋,冷轧带肋钢筋,冷轧扭钢筋,钢筋的分类,HRB400 (20MnSiV 20MnSiNb 20MnTi) 级 带肋,KL400 (K20MnSi) 新III级 变形,R235 (Q235) I,级 光圆,HRB335 (20MnSi),级,II,III,热轧钢筋直径大于6mm,注：钢筋名称前面的数字表示平均含碳量万分之数,按钢材含碳量多少分为,低碳钢 含碳量25,中碳钢 2660,高碳钢 60,土建结构用钢：低、中碳钢,热轧钢筋的,符号说明,HPB235,生产工艺： hot rolled,表面形状：plain,钢筋：bar,屈服强度,hot rolled,ribbed,bar,HRB335,桥梁工程中热轧钢筋的屈服强度材料分项系数1.2,330,330,R,RRB 400(K20MnSi),330,330,HRB 400(20MnSiV、,20MnSiNb、20MnTi),280,280,HRB 335(20MnSi),195,195,R235(Q235),热轧钢筋,f,sd,f,sd,符号,种类,建筑工程中热轧钢筋的屈服强度材料分项系数1.1,360,360,R,RRB 400(K20MnSi),360,360,HRB 400(20MnSiV、,20MnSiNb、20MnTi),300,300,HRB 335(20MnSi),210,210,HPB 235(Q235),热轧钢筋,f,y,f,y,符号,种类,钢筋的,曲线,l,0,P,P,A,0,钢筋的力学性能,P点所对应的应力为比例极限，而E点所对应的应力为弹性极限。Q235钢的比例极限， ,对应的应变 。,软钢的根本力学性能,钢材的强度指标主要有屈服强度屈服点和抗拉强度，可通过钢材的静力单向拉伸试验获得。,标准试件GB22863l0/d=5或10，常温20下缓慢加载，一次完成。标准拉伸曲线可以分为四个阶段：,(1)弹性阶段OE段：材料处于纯弹性，卸载后无剩余应变；,(4) 颈缩阶段BF段,极限强度后，试件出现局部截面横向收缩，塑性变形迅速增大，即颈缩现象。此时，只要荷载不断降低，变形能继续开展，直至F点试件断裂。,(2) 屈服阶段EH段,应力波动的最低值称为屈服点或屈服强度，屈服阶段从开始E点到曲线再度上升(H点)的变形范围较大，相应的应变幅度称为流幅。Q235钢的屈服点 ，对应的应变 ，流幅0.152.5。,(3) 强化阶段HB段,应变的增加快于应力的增加，塑性特性明显。B点的应力为抗拉强度或极限强度。,钢筋应力-应变现象的位错滑移理论解释,屈服上下限的科氏气团解释,无明显屈服点的钢筋,a点：比例极限，剩余应变为0.2%所对应的应力，约为0.65fu,a点前：应力-应变关系为线弹性,a点后：应力-应变关系为非线性，有一定塑性变形，且没有明显的屈服点,强度设计指标条件屈服点,剩余应变为0.2%所对应的应力,?标准?取s0.2 =0.85 fu,钢筋应力-应变曲线的数学描述,真实应力：,瞬时应变增量：,累积应变：,利用体积不变性：,第二章 钢结构材料 2.2钢结构对钢材性能的要求,应力-应变关系的数学描述,可根据不同要求选用计算模型。,理想弹塑性型最为简单，一般结构破坏时钢材的应变,(1,),尚未进入强化段。,适用于流幅较长的低强度钢材。,弹性强化模型为二折线，屈服后的应力一应变关系简化为很平缓的斜直线，可取,E=0.01Es,，,优点是应力和应变关系的惟一性。,三折线或曲线的弹,-,塑性强化模型较为复杂些，但可较准确地描述钢筋的大变形性能。,第二章 钢结构材料 2.2钢结构对钢材性能的要求,对高强度钢材，如碳素钢丝、钢绞线和热处理钢材拉伸曲线上没有明显的屈服台阶。取对应于剩余应变为0.2时的应力f0.2作为屈服点fy，根据试验结果得,f0.2 =0.80.9fb,第二章 钢结构材料 2.2钢结构对钢材性能的要求,硬钢的应力应变关系一般采用RambergOsgood模型。,参数n=730，取决于钢材的种类。,1.2 钢筋的锈蚀,Deterioration of Reinforced Concrete Bridge due to Poor Durability,(a) 混凝土开裂,(b) 水、CO,2,侵入,(c) 开始锈蚀,(d) 钢筋体积膨胀,电化学腐蚀是钢材外表与电解质溶液中产生电流，形成腐蚀电池，使钢材产生腐蚀 。最常见的为析氧腐蚀。,阳极：铁原子失去电子，被氧化成,阴极：氧原子获得电子，并与水分子结合成,腐蚀电池的总反响为：,即为赤锈,赤锈,化合物体积,钢筋锈蚀的影响因素,pH值,温度,Cl,-,浓度,氧,混凝土电阻抗,孔隙水饱和度和相对湿度,水灰比和养护龄期,钢筋锈蚀量的预测模型,同济大学张伟平模型,部分碳化区修正系数,钢筋半径,O,2,在碳化混凝土中的扩散系数,环境中O,2,的摩尔浓度,距混凝土表面为x处的O,2,的摩尔浓度,部分碳化区长度,碳化速度系数,钢筋锈蚀对混凝土结构,损伤过程,：坑蚀 环蚀 暴 筋 结构失效。,防止钢筋锈蚀措施有：增加混凝土的密实性和混凝土的保护层厚度，采用涂面层、钢筋阻锈剂、涂层钢筋、对钢筋采用阴极防护法等,。,第三节 钢筋的疲劳,疲劳及疲劳破坏：由于固体,内部,微观组织中位错的存在，在,外部,交变载荷作用下，裂纹萌生、裂纹扩展直至固体发生破坏的,过程,。,疲劳现象的根本认识,内因：金属中的晶体的位错,外因：交变载荷,过程：损伤累积的过程，有明显的裂纹萌生和扩展过程,疲劳寿命,疲劳设计的目标量化,疲劳寿命：设备在正常使用过程中，所承受交变载荷的,循环次数,。,裂纹萌生寿命,裂纹扩展寿命,总寿命,疲劳破坏研究的根本内容,内因：材料的根本特性、几何尺寸、外表处理等抗疲劳性质,外因：载荷特征的提取及其对疲劳过程的影响,疲劳模型：综合内因和外因的疲劳过程，内因和外因作用于疲劳过程的数学表达,循环Sa，Smi,损伤累积,疲劳设计的目标量化,疲劳寿命：设备在正常使用过程中，所承受交变载荷的,循环次数,。,裂纹扩展寿命,断裂力学方法LEFM,损伤容限法,裂纹萌生寿命,局部应变e-N法,总寿命,名义应力S-N法,几个重要概念,疲劳：,钢筋在低于其静载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，一般没有明显的预告，属于,脆性破坏,。,疲劳试件及规律：,原状光圆或变形钢筋、光滑标准试件、梁式试验,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。,应力的循环加载特征参数,应力的循环加载特征参数,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,疲劳寿命：定义为从循环加载开始到试件疲劳断裂所经历的应力循环数。,疲劳寿命曲线：当应力比为一定值时，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。应力比R=-1时的疲劳寿命曲线S-N曲线如以下图所示 。,二、疲劳寿命曲线及疲劳强度,低周疲劳区 短寿命疲劳,高周疲劳区 长寿命疲劳,无限寿命区或平安区 ,材料的理论疲劳极限或耐久限,钢筋的疲劳强度 钢筋能无限期地抵抗循环荷载作用的最大应力值,钢筋的疲劳寿命与应力幅、平均应力或应力比等有关。,通用的疲劳寿命表达式可为：,三疲劳寿命的通用表达式,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。,直接用实验测定理论疲劳极限是不可能的。,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。,这里的指定,寿命,对于公路桥梁结构来说，通常取,Nf,200,万次，而对铁路桥梁结构，通常取,300,万次。,四疲劳极限及其实验测定,三个阶段：疲劳裂纹形成；疲劳裂纹扩展；当裂纹扩展到达临界尺寸时，发生最终的断裂。,宏观尺度的疲劳裂纹形成一般包括这样三个阶段：微裂纹的形成、微裂纹的长大和微裂纹的联接。,疲劳微裂纹的形成可能有三种方式：即外表滑移带开裂、夹杂物与基体相界面别离或夹杂物本身断裂，以及晶界或亚晶界开裂。,五疲劳失效过程和机理,图1-16裂纹扩展的塑性钝化模型,累积疲劳损伤：很多构件在工作过程中所受的应力是随时间而改变其最大(或最小)值的，即钢筋受到变幅载荷的作用。图1-18示意地表示钢筋所受的变幅应力。这种按某种规律随时间而变化的载荷简称疲劳载荷谱 。估算变幅载荷下钢筋的疲劳寿命，常采用Miner线性累积损伤定那么 。即在变幅载荷下，疲劳总损伤度到达1.0时，发生疲劳失效，此即Miner线性累积损伤定那么。,五疲劳失效过程和机理,图1-20 钢筋疲劳强度实验值,图1-19 疲劳寿命曲线与累计,图1-18 疲劳载荷谱示意图,作用：在设计的较早阶段就对零部件以及整机进行疲劳分析并做初步的评估，减少疲劳寿命设计对试验的依赖，提高设计效率，降低开发本钱，缩短设计周期,有限元疲劳分析,根本流程：,载荷,几何尺寸、加工,材料属性,有限元,疲劳寿命,疲劳模型,每一个疲劳问题都有其明显的特殊性，在应用时应注意在根本疲劳模型的根底上进行合理的修正；,疲劳理论的工程应用,大多数的疲劳寿命计算，尤其是有限元虚拟寿命计算，所得到的结果都是一个概念性的值，其计算只能提供方向性的指导作用，最终的疲劳寿命应该与试验相关联。,要获得一个合理的疲劳寿命设计，一定要调查设计目标的用途，也即必须得到载荷谱；,计算分析：,模拟试验：,关联,疲劳理论，究竟是算命先生还是科学家？应用成败的关键在于,细节,材料试验,载荷谱,参数修正,第四节 钢筋的其他性能,概念：,应力不变、变形增加。,一钢筋徐变,图1-23 说明蠕变断裂全过程三个阶段的示意图,减速徐变阶段,恒速徐变阶段,徐变影响因素,时间、应力,1、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“多级徐变。徐变抗力高的材料，其应力松弛抗力一般也高。,二钢筋松弛,松弛影响因素,时间、张拉应力、钢材本身性质 、温度,表1-4 常温下松弛随时间关系,时间（h）,1,5,20,100,200,500,1000,与1000h松弛之比,5%,25%,35%,55%,65%,85%,100%,表1-5 Guyon实验值,时间,1小时,100小时,1000小时,10000小时（14个月）,1000000小时（10年）,占总松弛（%）,21%,51%,72%,90%,98%,表1-6 松弛与温度关系,温度,时间,20,40,60,100,初始1000小时,1,1.9,3.3,7.8,30年后1000小时,1,1.9,2.7,6.2,减小松弛措施,超张拉,采用低松弛的钢材,表1-7 两类钢材的松弛情况比较,0.6,0.7,0.8,应力消除,4.5%,8%,12%,专门处理,1%,2%,4.5%,冷拉：,在常温下用机械方法将有明显流幅的钢筋拉到超过屈服强度的某一应力值，然后卸载至零。,钢筋在冷拉后，未经时效前，一般没有明显的屈服台阶；,经过停放或加热后进一步提高了屈服强度并恢复了屈服台阶，这种现象称为冷拉,时效硬化,。,三钢筋的冷加工强化性能,冷拉中的双控：控制冷拉钢筋的强度,冷拉率,冷拔：,将HPB235级热轧钢筋强行拔过小于其直径的硬质合金拔丝模具。,经过几次冷拔的钢丝，抗拉、抗压强度均大大提高，但塑性降低。,强度提高原因：,1、截面压缩率20%30%时，位错密度增加,2、截面压缩率较大时，位错密度增加，同时滑移面转向，导致各向异性,有时，钢筋混凝土结构或构件会受到反复荷载的作用正向和反向荷载交替作用，如地震区的桥梁结构等，钢筋在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。,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，那么反向受力时的弹性极限降低也越多。这就是“包兴格效应。,产生机理：剩余应力。,四钢筋的包兴格效应,图1-27 拉压反复加载的钢筋应力-应变曲线,展开曲线,骨架曲线,