混凝土結構材料的物理力學性能.

1、第二章 混凝土結構材料的物理力學性能教學重點：掌握各種材料性能的特性， 鋼筋及混凝土各自的應力應變關系， 影響材料強度及變形大小的因素，從而為以后學習本課程或使用材料時打下基礎。教學內容 ：1. 鋼筋：鋼筋的成份、種類和級別，鋼筋的應力應變曲線，鋼筋的塑性性能，鋼筋的冷加工。2. 混凝土：立方體抗壓強度，影響混凝土強度的因素，軸心抗壓強度，軸心抗拉強度。混凝土的變形： 混凝土在一次短期加載時的應力應變性能， 混凝土的變形模量。 混凝土的徐變?；炷恋氖湛s。3. 鋼筋與混凝土之間的粘結力。2.1 混凝土的物理力學性能2.1.1 混凝土的組成結構普通混凝土是由水泥、砂、石材料用水拌合硬化后形成的人

2、工石材，是多相復合材料。混凝土組成結構是一個廣泛的綜合概念，包括從組成混凝土組分的原子、分子結構到混凝土宏觀結構在內的不同層次的材料結構。通常把混凝土的結構分為三種基本結構類型：微觀結構即水泥石結構；亞微觀結構即混凝土中的水泥砂漿結構；宏觀結構即砂漿和粗骨料兩組分體系。微觀結構 (水泥石結構 )由水泥凝膠、晶體骨架，未水化完的水泥顆粒和凝膠孔組成，其物理力學性能取決于水泥的化學礦物成分、粉磨細度、 水灰比和凝結硬化條件等?；炷系暮暧^結構與亞微觀結構有許多共同點，可以把水泥砂漿看作基相粗骨料分布在砂漿中，砂漿與粗骨料的界面是結臺的薄弱面。骨料的分布以及骨料與基相之間在界面的結合強度也是重要的影

3、響因素。澆注混凝上時的泌水作用會引起沉縮，硬化過程中由于水泥漿水化造成的化學收縮和干縮受到骨料的限制，會在不同層次的界面引起結合破壞，形成隨機分布的界面裂縫?；炷林械纳啊?石、水泥膠體中的晶體、未水化的水泥顆粒組成了錯綜復雜的彈性骨架，主要承受外力，并使混凝土具有彈性變形的特點。而水泥膠體中的凝膠、?L 隙和界面初始微裂縫等，在外力作用下使混凝土產生塑性變形。另一方面，混凝土中的孔隙、界面微裂縫等缺陷又往往是混凝土受力破壞的起源。在荷載作用下， 微裂縫的擴展對混凝土的力學性能有著極為重要的影響。由于水泥膠體的硬化過程需要多年才能完成，所以混凝土的強度和變形也隨時間逐漸增長。2.1.2單軸向應

4、力狀態(tài)下的混凝土強度雖然實際工程中的混凝土構件和結構一般處于復合應力狀態(tài)， 但是單向受力狀態(tài)下混凝土的強度是復合應力狀態(tài)下強度的基礎和重要參數。1. 混凝土的強度等級混凝土的強度與水泥強度等級、水灰比有很大關系，骨料的性質、混凝土的級配、混凝土成型方法、 硬化時的環(huán)境條件及混凝上的齡期等也不同程度地影響混凝土的強度。試件的大小和形狀、 試驗方法和加載速率也影響混凝土的強度， 因此各國對各種單向受力下的混凝土強度都規(guī)定了統(tǒng)一的標準試驗方法?；炷猎O計規(guī)范規(guī)定的混凝土強度等級有C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、 C70、 C75和 C80，共1

5、4 個等級。例如，C30 表示立方體抗壓強度標準值為30N lnnl2 。其中， C50 C80 屬高強度混凝土范疇。鋼筋混凝土結構的混凝土強度等級不應低于C15；當采用 HRB335 級鋼筋時，混凝土強度等級不宜低于C20；當采用 HRB400 和 RRB400 級鋼筋以及承受重復荷載的構件，混凝土強度等級不得低于C20。預應力混凝土結構的混凝土強度等級不應低于C30；當采用鋼絞線、鋼絲、熱處理鋼筋作預應力鋼筋時，混凝土強度等級不宜低于C40。2. 混凝上的立方體抗壓強度立方體試件的強度比較穩(wěn)定所以我國把立方體強度值作為混凝土強度的基本指標，并把立方體抗壓強度作為評定混凝土強度等級的標準。我

6、國國家標準 普通混凝土力學性能試驗方法 (GBJ81 85)規(guī)定以邊長為 150mm 的立方體為標準試件標準立方體試件在(20±3)的溫度和相對濕度 90以上的潮濕空氣中養(yǎng)護28d，按照標準試驗方法測得的抗壓強度作為混凝土的立方體抗壓強度單位為N mm2。試驗方法對混凝土的立方體抗壓強度有較大影響。試件在試驗機上單向受壓時， 豎向縮短，橫向擴張， 由于混凝土與壓力機墊板彈性模量與橫向變形系數不同，壓力機墊板的橫向變形明顯小于混凝土的橫向變形，所以墊板通過接觸面上的摩擦力約束混凝土試塊的橫向變形，就像在試件上下端各加了一個套箍，致使混凝土破壞時形成兩個對頂的角錐形破壞面， 杭壓強度比沒

7、有約束的情況要高。如果在試件上下表面涂一些潤滑劑，這時試件與壓力機墊板間的摩擦力大大減小，其橫向變形幾乎不受約束，受壓時沒有 “套箍” 作用的影響，試件將沿著平行于力的作用方向產生幾條裂縫而破壞，測得的抗壓強度就低。圖2 1（a， b）是兩種混凝土立方體試塊的破壞情況，我國規(guī)定的標準試驗方法是不涂潤滑劑的。加載速度對立方體強度也有影響，加載速度越快，測得的強度越高。通常規(guī)定加載速度為：混凝土強度等級低于 C30時，取每秒鐘 0.3 0.5N mm2；強度等級高于或等于 C30 時，取每秒鐘 (0.5 0.8)Nmm 2。混凝土立方體強度還與成型后的齡期有關，抗壓強度隨成型后混凝土的齡期逐漸增長

8、，增長速度開始較快，后來逐漸緩慢。3. 混凝上的軸心抗壓強度混凝土的抗壓強度與試件的形狀有關，采用棱柱體比立方體能更好地反映混凝土結構的實際抗壓能力。用混凝土棱柱體試件測得的抗壓強度稱軸心抗壓強度。我國普通混凝土力學性能試驗方法規(guī)定以150mm× 150mm × 300mm 的棱柱體作為混凝土軸心抗壓強度試驗的標準試件。棱柱體試件與立方體試件的制作條件相同，試件下表面不涂潤滑劑。對于同一混凝土，棱柱體抗壓強度小于立方體抗壓強度。棱柱體抗壓強度和立方體抗壓強度的換算關系為f c k0 . 88 12f cu , k（ 2-1）1 為棱柱體強度與立方體強度之比，對小于C50級的

9、混凝土取1=0.76 ，對 C80 取=0.82 ，其間按線性插值。12 為高強度混凝土的脆性折減系數，C40 以下取 2=1.00 ， C80 取 2=0.87, 其間按線性插值。3、軸心抗拉強度抗拉強度是混凝土的基本力學性能指標之一，用符號f tk 表示?；炷翗嫾_裂、裂縫、變形，以及受剪、受扭、受沖切等的承載力均與抗拉強度有關?；炷恋目估瓘姸热Q于水泥石的強度和水泥石與骨料間的粘接強度。增加水泥用量、 減少水灰比及采用表面粗糙的骨料可提高混凝土的抗拉強度。圖 22 是混凝土軸心抗拉強度試驗的結果。試驗結果表明，軸心抗拉強度只有立方抗壓強度的 1/17 1/8 ，混凝土強度等級愈高，這

10、個比值愈小?？紤]到構件與試件的差別，尺寸效應、加載速度等因素的影響， 混凝土結構設計規(guī)范考慮了從普通強度混凝土到高強度混凝土的變化規(guī)律，取軸心抗拉強度標準值f tk 與立方體抗壓強度標準值f cu,k 的關系為：f tk0.880.395f cu0.55,k ( 11.645) 0.452（ 2-4 ）圖 2-2混凝土軸心抗拉強度和立方體抗壓強度的關系2.1.3復合應力狀態(tài)下混凝土的強度實際混凝土結構構件大多是處于復合應力狀態(tài)，例如框架粱、柱既受到柱軸向為作用，又受到彎矩和剪力的作用。節(jié)點區(qū)混凝土受力狀態(tài)一般更為復雜。同時，研究復合應力狀態(tài)下混凝土的強度，對于認識混凝土的強度理論也有重要的意義

11、。圖 2-3 為方形薄板混凝土上試件的雙向受力試驗結果。試件處于平面應力狀態(tài)，在板的平而內作用有法向應力1及2；沿板圖 2-3雙向應力狀態(tài)下混凝土的破壞包絡圖厚方向的應力3 。圖中第三象限為雙向受壓情況，混凝土強度與法向應力的比值12有關。最大強度發(fā)生在1 2 約等于 2 或 0.5 時，而不是在1 = 2 的情況下。雙向受壓強度比單向受壓強度雖有提高，但提高的程度有限，約為27。第二、四象限為一向受壓，另一向受拉的情況，在這種情況下，混凝土的強度均低于單向受力（壓或拉）的強度，這一現象與混凝土的破壞機理是符合的。第一象限為雙向受拉情況，無論應力比值1 2 如何，實測破壞強度基本不變，雙向受拉

12、強度均接近于單向抗拉強度f t 。當構件的截面上同時作用有剪力或扭矩引起的剪應力，軸力引起的法向應力時， 形成所謂的剪壓或剪拉符合應力狀態(tài)。理論上這類問題可通過換算為主應力，按雙向拉壓應力來處理。 但由于混凝土材料本身組成結構的特點，實際上仍然采用在截面上同時施加法向應力和剪應力的直接試驗方法測定其破壞強度。圖2-4 為混凝土在及 作用下的復合增大而減小，隨壓應力的增大而增大，但當壓應力大于(0.5 0.7) f c 時，抗剪強度隨壓應力的增大而減小。應該指出的是， 混凝土在復合受力狀態(tài)下的強度是一個比較復雜而至今尚未完善解決的問題，但又是鋼筋混凝土結構的一個基本的理論問題。2.1.3混凝土的

13、變形混凝土在一次短期加載、荷載長期作用和多次重復荷載作用下會產生變形。這類變形稱為受力變形。 另外，混凝土由于硬化過程中的收縮以及溫度和濕度變化也會產生變形，這類變形稱為體積變形。變形是混凝土的一個重要力學性能。1.一次短期加載下混凝土的變形性能(1) 混凝土受壓時的應力應變關系混凝土受壓時的應力應變關系是混凝土最基本的力學性能之載是指荷載從零開始單調增加至試件破壞，也稱單調加載。在普通試驗機上獲得有下降段的應力應變曲線是比較困難的。若采用有伺服裝置能控制下降段應變速度的特殊試驗機，或者在試件旁附加各種彈性元件協(xié)同受壓，以吸收試驗機內所積蓄的應變能，防止試驗機頭回彈的沖擊引起試件突然破壞，并以

14、等應變加載，就可以測量出具有真實下降段的應力應變全曲線。 混凝土達到極限強度后， 在應力下降幅度相同的情況下，變形能力大的混凝土延性好。我國采用棱柱體試件測定一次短期加載下混凝土受壓應力應變全曲線。圖 2-5 為混凝土棱柱體受壓應力應變全曲線?？梢钥吹?， 這條曲線包括I 兩個部分。 上升段 (OC)又可分為三段，從加載至應力約為(0.3 0.4)f c 的A 點為第1 階段，由于這時應力較小，混凝圖 2-5混凝土棱柱體受壓應力- 應變曲線土的變形主要是骨料和水泥結晶體受力產生的彈性變形， 而水泥膠體的粘性流動以及初始微裂縫變化的影響一般很小， 所以應力應變關系接近直線， 稱 A 點為比例極限點

15、 超過 A 點，進入裂縫穩(wěn)定擴展的第 2 階段，至臨界點 B，臨界點的應力可以作為長期抗壓強度的依據 此后，試件中所積蓄的彈性應變能保持大于裂縫發(fā)展所需要的能量， 從而形成裂縫快速發(fā)展的不穩(wěn)定狀態(tài)直至峰點C，這一階段為第3 階段，這時的峰值應力max通常作為混凝土棱柱體的抗壓強度，相應的應變稱為峰值應變0 ，其值在0.00150.0025之間波動，通常取為 0.002。下降段 CE是混凝土到達峰值應力后裂縫繼續(xù)擴展、貫通，從而使應力應變關系發(fā)生變化在峰值應力以后，裂縫迅速發(fā)展，內部結構的整體受到愈來愈嚴重的破壞，賴以傳遞荷載的傳力路線不斷減少， 試件的平均應力強度下降， 所以應力應變曲線向下彎

16、曲， 直到凹向發(fā)生改變，曲線出現“拐點” 超過“拐點” ，曲線開始凸向應變軸，這時，只靠骨料間的咬合力及摩擦力與殘余承壓面來承受荷載隨著變形的增加，應力應變曲線逐漸凸向水平軸方向發(fā)展，此段曲線中曲率最大的一點 E 稱為“收斂點” 。從收斂點 E 開始以后的曲線稱為收斂段，這時貫通的主裂縫已很寬，內聚力幾乎耗盡，對無側向約束的混凝土，收斂段 EF 已失去結構意義?；炷翍兦€的形狀和特征是混凝土內部結構發(fā)生變化的力學標志。（ 2）混凝土的變形模量與彈性材料不同， 混凝土受壓應力應變關系是一條曲線， 在不同的應力階段 應力與應變之比的變形模量是一個變數?；炷恋淖冃文Ａ坑腥缦氯N表示方法：1

17、) 混凝土的彈性模量即原點模量）如圖 2-15 所示，混凝土棱柱體受壓時，在應力應變曲線的原點（圖中的O點）作一切線其斜率為混凝土的原點模量, 稱為彈性模量 , 以 Ec 表示Ec=tg0 (2-10)式中 為混凝土應力一應變曲線在原點處的切線0與橫坐標的夾角目前，各國對彈性模量的試驗方法尚無統(tǒng)一的標準。由于要在混凝土一次加載應力應變曲線上做原點的切線， 找出 角是不容易做準確的， 所以通用的做法是對標準尺寸150mm× 150mm× 300mm的棱柱體試件，先加載至=0.5fc 然后卸載至零，再重復加載卸載 510 次，由于混凝土不是彈性材料，每次卸載至應力為零時，存在殘

18、余變形，隨，加載次數增加， 應力應變曲線漸趨穩(wěn)定并基本上趨于直線，該直線的斜率即定為混凝土的彈性模量。當混凝土進人塑性階段后，初始的彈性模量已不能反映這時的應力應變性質，因此，有時用變形模量或切線模量來表示這時的應力應變關系。2)混凝土變形模量連接圖 2-15 中 O點至曲線任一點應力為形模量。的表達式為處割線的斜率， 稱為任意點割線模量或稱變cE c =tg1 (2-11 ）這時，由于總變形c 包含彈性變形 ela 和塑性變形 pla 兩部分，由此所確定的模f 也可稱為彌塑性模量或割線模量. 混凝土變形模量是個變值，它隨應力大小而不同3) 混凝土的切線模量在混凝土應力 - 應變曲線上某一應力

19、 c 處作一切線， 其應力增量與應變增量之比值稱為相應于應力 c 時視凝土的切線模量E" ctga (2-12)可以看出，混凝土的切線模量是一個變值，它隨著混凝土的應力增大而減小。2、荷載長期作用下砼的變形性能徐變徐變混凝土在荷載的長期作用下，其變形隨時間而不斷增長的現象。（ 1）曲線 在應力（ 0.5fc）作用瞬間，首先產生瞬時彈性應變。隨荷載作用時間的延續(xù)，變形不斷增長，前 4 個月徐變增長較快，6 個月可達最終徐變的（ 7080）% ，以后增長逐漸緩慢，23 年后趨于穩(wěn)定。徐變約為瞬時彈性應變的 1-4 倍。（ 2）產生徐變的原因：A 、水泥膠凝體粘性流動；B、微裂縫擴展、增加

20、（ 3）影響徐變的因素：1) 應力條件：應力越大，徐變越大徐變系數 ( t ， t 0) (t ,t 0 )cr (t, t0 )el應力較小時（ 0.5fc），徐變與應力成正比，為線性徐變，常數 ，徐變在 2年以后可趨于穩(wěn)定，最終的 =24 。應力較大時（ 0.5fc），為非線性徐變，非穩(wěn)定徐變，0.8 fc 為界限強度，成為砼長期抗壓強度，為荷載長期作用時設計的依據。2) 內在因素：是混凝土的組成和配比。骨料 ( aggregate) 的剛度（彈性模量）越大，體積比越大，徐變就越小。水灰比越小，徐變也越小。3) 環(huán)境影響：包括養(yǎng)護和使用條件。受荷前養(yǎng)護 ( curing ) 的溫濕度越高，

21、水泥水化作用越充分，徐變就越小。采用蒸汽養(yǎng)護可使徐變減少（ 2035） %。受荷后構件所處的環(huán)境溫度越高，相對濕度越小，徐變就越大。（ 4）徐變對結構的影響不利： 徐變會使結構 （構件） 的（撓度） 變形增大， 引起預應力損失， 在長期高應力作用下，甚至會導致破壞。有利：使結構構件產生內（應）力重分布，降低結構的受力（如支座不均勻沉降），減小大體積混凝土內的溫度應力，受拉徐變可延緩收縮裂縫的出現。3 混凝土在荷載重復作用下的變形( 疲勞變形 )混凝土的疲勞是在荷載重復作用下產生的混凝土在荷載重復作用下引起的破壞稱為疲勞破壞。 疲勞現象大量存在于工程結構中，鋼筋混凝土吊車梁受到重復荷載的作用，鋼

22、筋混凝土遭橋受到車輛振動的影響以及港口海岸的混凝土結構受到波浪沖擊而損傷等都屬于疲勞破壞現象。 疲勞破壞的特征是裂縫小而變形大，在重復荷載作用下，混凝土的強度和變形有著重要的變化。圖 221 是混凝土棱柱體在多次重復荷載作用下的應力應變曲線。從圖中可以看出，對混凝土棱柱體試件，一次加載應力小于混凝土疲勞強度f f 時，其加載卸載應力應變1c曲線 OAB 形成了一個環(huán)狀。而在多次加載、卸載作用下，應力-應變環(huán)會越來越密合，經過多次重復，這個曲線就密合成一條直線。如果再選擇一個較高的加載應力，但 仍小于22混凝土疲勞強度 fcf 時，其加卸載的規(guī)律同前，多次重復后形成密合直線如果選擇一個高于混凝土

23、疲勞強度 f f 的加載應力 ，開始，混凝土應力應變曲線凸向應力軸，在重復荷c3載過程中逐漸變成直線，再經過多次重復加卸載后，其應力應變曲線由凸向應力軸而逐漸凸向應變軸， 以致加卸載不能形成封閉環(huán)，這標志著混凝土內部徽裂縫的發(fā)展加劇趨近破壞。隨著重復荷載次數的增加，應力應變曲線傾不斷減小，至荷載重復到某一定次數時，混凝土試件會因嚴重開裂或變形過大而導致破壞?；炷恋钠趶姸扔闷谠囼灉y疲勞試驗采用100mm× l00mm × 300mm 或 150mm ×150mm × 450mm 的棱柱體，把能使棱柱體試件承受200 萬次或其以上循環(huán)荷載而發(fā)生破壞的壓

24、應力值稱為混凝土的疲勞抗強度。施加荷載時的應力大小是影響應力應變曲線不同的發(fā)展和變化的關鍵因素，即混凝土的疲勞強度與重復作用時應力變化的幅度有關。 在相同的重復次數下， 疲勞強度隨著疲勞應力比值的增大而增大。疲勞應力比值成按下式計算：ffc,min（ 2-14）cfc,max式中ffc,min 、c ,max 表示截面同一纖維上的混凝土最小應力及最大應力。4混凝土的收縮與膨脹混凝土凝結硬化時，在空氣中體積收縮，在水中體積膨脹。通常收縮比膨脹值大很多。混凝土的試驗結果相當分散。混凝土自由收縮的試驗結果表明，混凝土值隨著時間而增長，蒸汽養(yǎng)護混凝土值要小于常溫養(yǎng)護下的收縮值。這是因為混凝土在蒸汽養(yǎng)護

25、過程中，高溫離濕的條件加速了水泥的水化和凝結硬化，一部分游離水由于水泥水化作用被快速吸收，使脫離試件表面蒸發(fā)的游離水減小，因此其收縮變形減小。養(yǎng)護不好以及混凝土構件的四周曼約束從而阻止混凝土收縮時，構件表面或水泥地面上出現收縮裂縫。影響混凝土收縮的因素有：（ 1）水泥的品種：水泥強度等級越高制成的混凝土收縮越大。（ 2）水泥的用量：水泥越多，收縮越大；水灰比越大，收縮越大。（ 3）骨料的性質，骨料的彈性模量大，收縮小。（ 4）養(yǎng)護條件：在結硬過程中周圍沮、濕度越大，收縮越小。（ 5）混凝土制作方法；混凝土越密實，收縮越小。（ 6）使用環(huán)境：使用環(huán)境溫度、濕度大時，收縮小。（ 7）構件的體積與表

26、面積比值：比值大時，收縮小。§ 2.2 鋼筋的物理力學性能2.2.1鋼筋的品種和級別混凝土結構中使用的鋼材按化學成分，可分為碳素鋼及普通低合金鋼兩大類。混凝土結構設計規(guī)范 中規(guī)定， 用于鋼筋混凝土結構的國產普通鋼筋可使用熱扎鋼筋。 用于預應力混凝土結構的國產預應力鋼筋可使用消除應力鋼絲、螺旋肋鋼絲、刻痕鋼絲、鋼絞線，也可使用熱處理鋼筋。熱軋鋼筋是低碳鋼、 普通低合金鋼在高溫狀態(tài)下軋制而成。 熱軋鋼筋為軟鋼， 其應力應變曲線有明顯的屈服點和流幅，斷裂時有“頸縮”現象，伸長率比較大。熱軋鋼筋根據其力學指標的高低，分為HPB235級 ( 級，符號) ， HRB335級( 級、符號 ) ，

27、HRB400級 ( 級，符號 ) 和 RRB400級 ( 余熱處理級，符號) 四個種類。 I 級鋼筋的強度最低，組鋼筋的次之，級鋼筋的最高。鋼筋混凝土結構中的縱向受力鋼筋宜優(yōu)先采用HRB400級鋼筋。中強鋼絲的強度為8001200MPa，高強鋼絲、 鋼絞線的為 1470 1860Mpa，延伸率 d10=6%，d100=3.5 4%；鋼絲的直徑 3 9mm；外形有光面、刻痕和螺旋肋三種，另有二股、三股和七股鋼絞線，外接圓直徑9.5 15.2 mm。中高強鋼絲和鋼絞線均用于預應力混凝土結構。冷加工鋼筋是由熱軋鋼筋和盤條經冷拉、冷拔、冷軋、冷扭加工后而成。冷加工的目的是為了提高鋼筋的強度，節(jié)約鋼材。

28、但經冷加工后，鋼筋的延伸率降低。近年來，冷加工鋼筋的品種很多，應根據專門規(guī)程使用。熱處理鋼筋是將級鋼筋通過加熱、淬火和回火等調質工藝處理，使強度得到較大幅度的提高，而延伸率降低不多。用于預應力混凝土結構。2.2.2鋼筋的強度與變形鋼筋的強度和變形性能可以用拉伸試驗得到的應力應變曲線來說明 鋼筋的應力應變曲線， 有的有明顯的流幅， 例如熱軋低碳鋼和昔通熱軋低合金鋼所制成的鋼筋； 有的則沒有明顯的流幅例如高碳鋼制成的鋼筋圖 2-24 是有明顯流幅鋼筋的應力 - 應變曲線 從圖中可以看到， 應力值在 A點以前， 應力與應變成比例變化，與 A點對應的應力稱為比例極限。過 A點后，應變較應力增長為快，到

29、達B點后鋼筋開始塑流，B點稱為屈服上限，它與加載速度截面形式、試件表面光潔度等因素有關，通常 B點是不穩(wěn)定的。待B點降至屈服下限 B點，這時應力基本不增加而應變急劇增長，曲線接近水平線曲線延伸C點， B點到 C點的水平距離的大小稱為流幅或屈服臺階。有明顯流幅的熱軋鋼筋屈服強度是按屈服下限確定的。過C點以后，應力又繼續(xù)上升，說明鋼筋的抗拉能力又有所提高隨著曲線上升到最高點D，相應的應力稱為鋼筋的極限強度， CD段稱為鋼筋的強化階段。試驗表明，過了D點，試件薄弱處的截面將會突然顯著縮小，發(fā)生局部頸縮，變形迅速增加，應力隨之下降，達到E點時試件被拉斷。由于構件中鋼筋的應力到達屈服點后，會產生很大的塑

30、性變形，使鋼筋混凝土構件出現很大的變形和過寬的裂縫，以致不能使用， 所以對有明顯流幅的鋼筋，在計算承載力時以屈服點作為鋼筋強度限值。對沒有明顯流幅或屈服點的預應力鋼絲、鋼絞線和熱處理鋼筋，為了與鋼筋國家標準相一致，混凝土結構設計規(guī)范中也規(guī)定在構件承載力設計時，取極限抗拉強度九的 85%作為條件屈服點，如圖2-25 所示。另外，鋼筋除了要有足夠的強度外，還應具有一定的塑性變形能力通常用伸長率和冷彎性能兩個指標衡量鋼筋的塑性。鋼筋拉伸后( 例如，圖 2-24 中的 E點) 的伸長值與原長的比率稱為伸長率 伸長率越大塑性越好。冷彎是將直徑為 d的鋼筋繞直徑為 D的彎芯彎曲到規(guī)定的角度后無裂紋斷裂及起

31、層現象，則表示合格。彎芯的直徑D越小，彎轉角越大，說明鋼筋的塑性越好。國家標準規(guī)定了各種鋼筋所必須達到的伸長率的最小值以及冷彎時相應的彎芯直徑及彎轉角的要求，有關參數可參照相應的國家標準2.2.3 鋼筋的應力 -應變曲線的數學模型表示有明顯屈服點鋼筋的幾個指標：屈服強度是鋼筋強度的設計依據，因為鋼筋屈服后將很大的塑性變形，且卸載時這部分變形不可恢復，這會使鋼筋混凝土構件產生很大的變形和不可閉合的裂縫。屈服上限與加載速度有關，不太穩(wěn)定，一般取屈服下限作為屈服強度。延伸率鋼筋拉斷時的應變，是反映鋼筋塑性性能的指標。延伸率大的鋼筋，在拉斷前有足夠預兆，延性較好。有明顯屈服點鋼筋的應力- 應變關系，一

32、般可采用雙線性的理想彈塑性關系。無明顯屈服點的鋼筋 a點：比例極限，約為0.65 f a點前：應力 - 應變關系為線彈性a點后：應力 - 應變關系為非線性， 有一定塑性變形， 且沒有明顯的屈服點強度設計指標條件屈服點殘余應變?yōu)?0.2%所對應的應力規(guī)范取=0.85 f 。0.2u2.2.4鋼筋的疲勞鋼筋的疲勞是指鋼筋在承受重復、周期性的動荷載作用下，經過一定次數后突然脆性斷裂的現象。 吊車梁、 橋面板、 軌枕等承受重復荷載的鋼筋混凝土構件在正常使用期間會由于疲勞發(fā)生破壞。鋼筋的疲勞強度與一次循環(huán)應力中最大和最小應力的差值(應力幅度 )有關，鋼筋的疲勞強度是指在某規(guī)定應力幅度內，經受一定次數循環(huán)

33、荷載后發(fā)生疲勞破壞的最大應力值。鋼筋疲勞斷裂的原因，一般認為是由于鋼筋內部和外部的缺陷，在這些薄弱處容易引起應力集中。應力過高，鋼材晶?；?，產生疲勞裂紋，應力重復作用次數增加，裂紋擴展，從而造成斷裂。鋼筋的疲勞試驗有兩種方法：一種是直接進行單根原狀鋼筋軸拉試驗；另一種是將鋼筋埋入混凝土中使其重復受拉或受彎的試驗。由于影響鋼筋疲勞強度因素很多，鋼筋疲勞強度試驗結果是很分散的。我國采用直接做單根鋼筋軸拉試驗的方法。混凝土結構設計規(guī)范規(guī)定了不同等級鋼筋的疲勞應力幅度限值，并規(guī)定該值與截面同一纖維上鋼筋最小應力與最大應力比值有關，對預應力鋼筋，當f 0.9 時可不進行疲勞強度驗算。在確定鋼筋混凝土構

34、件在正常使用期間的疲勞應力幅度限值時，需要確定循環(huán)荷載的次數，我國要求滿足循環(huán)次數為200 萬次，即對不同的疲勞應力比值滿足循環(huán)次數為200 萬次條件下的鋼筋量大應力值為鋼筋的疲勞強度。鋼筋的疲勞強度與應力變化的幅值有關， 其他影響因素還有： 最小應力值的大小、 鋼筋外表面幾何尺寸和形狀、 鋼筋的直徑、 鋼筋的強度、 鋼筋的加工和使用環(huán)境以及加載的頻率等。由于承受重復性荷載的作用，鋼筋的疲勞強度低于其在靜荷載作用下的極限強度。原狀鋼筋的疲勞強度最低。埋置在混凝土中的鋼筋的疲勞斷裂通常發(fā)生在純彎段內裂縫截面附近，疲勞強度稍高。2.2.5混凝土結構對鋼筋性能的要求1鋼筋的強度所謂鋼筋強度是指鋼筋的

35、屈服強度及極限強度。鋼筋的屈服強度是設計計算時的主要依據 (對無明顯流幅的鋼筋，取它的條件屈服點 )。采用高強度鋼筋可以節(jié)約鋼材，取得較好的經濟效果。改變鋼材的化學成分，生產新的鋼種可以提高鋼筋的強度。另外，對鋼筋進行冷加工也可以提高鋼筋的屈服強度。使用冷拔和冷拉鋼筋時應符合專門規(guī)程的規(guī)定。2鋼筋的塑性要求鋼材有一定的塑性是為了使鋼筋在斷裂前有足夠的變形，在鋼筋混凝土結構中，能給出構件將要破壞的預告信號同時要保證鋼筋冷彎的要求，通過試驗檢驗鋼材承受彎曲變形的能力以間接反映鋼筋彎性能是施工單位驗收鋼筋是否合格的主要指標。3鋼筋的可焊性可焊性是評定鋼筋焊接后的接頭性能的指標藝條件下鋼筋焊接后不產生

36、裂紋及過大的變形。4鋼筋的耐火性熱軋鋼筋的耐火性能最好，冷軋鋼筋其次， 預應力鋼筋最差。結構設計時應注意混凝土保護層厚度滿足對構件耐火極限的要求。5鋼筋與混凝土的粘結力為了保證鋼筋與混凝土共同工作，要求鋼筋與混凝土之間必須有足夠的粘結力。鋼筋表面的形狀是影響粘結力的重要因素。§ 2.3混凝土與鋼筋的粘結2.3.1粘結的意義鋼筋和混凝上這兩種材料能夠結合在一起共同工作，除了二者具有相近的線膨脹系數外，更主要的是由于混凝上硬化后， 鋼筋與混凝土之間產生了良好的粘結力。 為了保證鋼筋不被從混凝土中拔出或壓出， 與混凝土更好地共同工作， 還要求鋼筋有良好的錨固。 粘結和錨固是鋼筋和混凝土形成

37、整體、共同工作的基礎。鋼筋混凝土受力后會沿鋼筋和混凝土接觸面上產生剪應力， 通常把這種剪應力稱為粘結應力。若構件中的鋼筋和混凝土之間既不粘結，鋼筋端部也不加錨具，在荷載作用下鋼筋與混凝土就不能共同受力。鋼筋端部加彎鉤、彎折，或在錨固區(qū)貼焊短鋼筋、貼焊角鋼等，可以提高錨固能力。光圓鋼筋末端均需設置彎鉤。粘結作用可以用圖2 27 所示的鋼筋和其周圍混凝土之間產生的粘結應力來說明。鋼筋和混凝土界面上的粘結應力與相同荷載作用下鋼筋應變的分布有關。根據作用性質的不同，鋼筋與混凝土之間的粘結應力分為裂縫間的局部粘結應力和錨固粘結應力。裂縫間的局部粘結應力是在相鄰兩個開裂截面之間產生的，鋼筋應力的變化受到粘

38、結應力的影響，粘結應力使相鄰兩個裂縫之間混凝土參與受拉。局部粘結應力的喪失會影響構件的剛度的降低和裂縫的開展。 鋼筋伸進支座或在連續(xù)梁中承擔負彎矩的上部鋼筋在跨中截斷時，需要延伸一段長度，即錨固長度。 要使鋼筋承受所需的拉力，就要求受拉鋼筋有足夠的錨固長度以積累足夠的粘結力，否則，將發(fā)生錨固破壞。2.3.2粘結力的組成光圓鋼筋與變形鋼筋具有不同的粘結機理。光圓鋼筋與混凝土的粘結作用主要由三部分所組成：(1) 鋼筋與混凝土接觸面上的化學吸附作用力( 膠結力 ) 。這種吸附作用力來自澆注時水泥漿體對鋼筋表面氧化層的滲透以及水化過程中水泥晶體的生長和硬化。這種吸附作用力一般很小，僅在受力階段的局部無

39、滑移區(qū)域起作用。當接觸面發(fā)生相對滑移時，該力即消失。(2) 混凝上收縮握裹鋼筋而產生摩阻力。摩阻力是由于混凝土凝固時收縮鋼筋產生垂直于摩擦面的壓應力。這種壓應力越大，接觸面的粗糙程度越大，阻力就越大。(3) 鋼筋表面凹凸不平與混凝上之間產生的機械咬合作用力( 咬臺力 ) 。對于光圓鋼筋這種咬合力來自表面的粗糙不平。變形鋼筋與混凝土之間有機械咬合作用，改變了鋼筋與混凝土間相互作用的方式，顯著提高了粘結強度。對于變形鋼筋， 咬合力是由于變形鋼筋肋間嵌入混凝土而產生的。雖然也存在膠結力和摩擦力，但變形鋼筋的粘結主要來自鋼筋表面凸出的肋與混凝土的機械咬合作用。變形鋼筋的橫助對混凝土的擠壓如同一個楔，會

40、產生很大的機械咬合力，從而提高了變形鋼筋的粘結能力。光圓鋼筋和變形鋼筋的粘結機理的主要差別是，光面鋼筋粘結力主要來自膠結力和摩阻力， 而變形鋼筋的粘結力主要來自機械咬合作用。二者的差別， 可以用釘入木料中的普通釘和螺絲釘的差別來理解。2.3.3粘結強度鋼筋的粘結強度通常采用直接拔出試驗來測定反映彎矩的作用，也用梁式試件進行彎曲拔出試驗。由直接拔出試驗，鋼筋和混凝土之間的平均粘結應力，可表示為Nt。 式中 N 為鋼筋的拉力；ddl為鋼筋的直徑； l 為粘結長度。 有拔出試驗，粘接應力和相對滑移的關系，隨著混凝土強度的提高，粘接錨固性能有較大的改善，粘接剛度增加，相對滑移減少。2.3.4影響粘結強

41、度的因素影響鋼筋與混凝土粘結強度的因素很多，主要影響因素有混凝土強度、保護層厚度及鋼筋凈間距、橫向配筋及側向壓應力，以及澆筑混凝土時鋼筋的位置等。（ 1）光圓鋼筋及變形鋼筋的粘結強度隨混凝土強度等級的提高而提高， 但不與立方體強度成正比。 試驗表明，當其他條件基本相同時， 粘結強度與混凝土的抗拉強度大致成正比關系。(2) 與光圓鋼筋相比，變形鋼筋具有較高的粘結強度。但是，使用變形鋼筋，在粘結破壞時容易使周圍混凝土產生劈裂裂縫。裂縫對結構的耐久性是非常不利的。鋼筋外圍的混凝土保護層太薄， 可能使外圍混凝土國產生徑向劈裂而使粘結強度降低。 增大保護層厚度， 保持一定的鋼筋間距， 可以提高外圍混凝土的抗劈裂能力， 有利于粘結強度的充分發(fā)揮。 國內外的直接拔出試驗或半梁式拔出試驗的結果表明， 在一定相對埋置長度L d 的情況下， 相對粘結強度與相對保護層厚度cd 的平方根成正比。(3) 混凝土構件截面上有多根鋼筋并列在一排時，鋼筋間的凈距對粘結強度有重要影響，鋼筋凈間距過小， 外圍混凝土將發(fā)生水平劈裂， 形成貫穿整個梁寬的劈裂裂縫， 造成整個混凝土保護層剝落，粘結強度顯著降