鋼筋和混凝土材料的物理力學(xué)(鋼筋)

1、 2.2 鋼筋的物理力學(xué)性能 鋼筋的種類和級別碳素鋼高碳鋼：含碳量(0.61.4)%中碳鋼：含碳量(0.250.6)%低碳鋼：含碳量0.25%低合金鋼1、按化學(xué)成份分：錳系20MnSi、25MnSi 硅釩系40Si2MnV、45SiMnV 硅鈦系45Si2MnTi 硅錳系40Si2Mn、48Si2Mn 硅鉻系45Si2Cr 20MnSi含碳量萬分之二十 含錳量1% 含硅量1% 含碳量越高鋼材的強(qiáng)度越高，塑性和可焊性降低。 參加這些元素后可以有效的提高鋼材的強(qiáng)度和改善鋼材的其它性能。 我國鋼筋產(chǎn)品主要分為： 1、熱軋鋼筋 2、熱處理和冷加工鋼筋 3、中高強(qiáng)鋼絲和鋼絞線2、按生產(chǎn)工藝分鋼筋混凝土結(jié)

2、構(gòu)：熱軋鋼筋預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)：預(yù)應(yīng)力鋼絞線、消除應(yīng)力鋼絲、熱處理鋼筋1熱軋鋼筋：低碳鋼、普通低合金鋼在高溫狀態(tài)下軋制而成。熱軋鋼筋HPB235（級，符號） HRB335（級，符號 ） HRB400（級，符號 ） RRB400（余熱處理級，級，符號 R） 強(qiáng)度高低塑性差好HPB235級 Hot rolled熱軋Plain光面Bar 鋼筋HRB335級、HRB400級Hot rolled 熱軋Ribbed帶肋Bar鋼筋RRB400級Remained heat treatment余熱處理Ribbed 帶肋Bar鋼筋熱軋鋼筋：軟鋼，其強(qiáng)度較低、塑性較好。按照外形特征可分為光圓鋼筋和變形鋼筋。 HPB2

3、35級(級)鋼筋多為光面鋼筋，作為現(xiàn)澆樓板的受力鋼筋和構(gòu)造鋼筋、箍筋； HRB335級(級)和 HRB400級(級)鋼筋強(qiáng)度較高，多作為鋼筋混凝土構(gòu)件的受力鋼筋；尺寸較大的構(gòu)件，為增強(qiáng)與混凝土的粘結(jié)也用外形制作成月牙肋或等高肋的變形鋼筋HRB335級鋼筋作箍筋的。 RRB400級(級)強(qiáng)度太高，不適宜作為鋼筋混凝土構(gòu)件中的配筋，一般冷拉后作預(yù)應(yīng)力筋。 2熱處理鋼筋硬鋼 將級鋼筋再通過加熱、淬火和回火等調(diào)制工藝處理的鋼筋。熱處理后鋼筋強(qiáng)度得到大幅度的提高，而塑性延伸率降低并不多。用于預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。 3冷加工鋼筋 常溫下采用某種工藝對熱軋鋼筋進(jìn)行加工得到的鋼筋。分為冷拉、冷拔、冷軋、冷軋扭四種

4、工藝。目的是為了提高鋼筋的強(qiáng)度以節(jié)約鋼材。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，根據(jù)專門規(guī)程使用。 冷拉只能提高抗拉強(qiáng)度；冷拔可同時提高抗拉和抗壓強(qiáng)度。 4鋼絲和鋼絞線 鋼絲分為碳素鋼絲、消除應(yīng)力鋼絲和刻痕鋼絲三種。鋼絲直徑49mm，外形有光面、刻痕和螺旋肋三種。鋼絞線外接圓直徑8.615.2mm。中強(qiáng)鋼絲的強(qiáng)度為8001200MPa，高強(qiáng)鋼絲、鋼絞線的強(qiáng)度為 14701860MPa。冷拉低碳鋼絲消除應(yīng)力鋼絲b 碳素鋼絲 s 刻痕鋼絲 k 鋼絞線 j 消除應(yīng)力鋼絲：鋼筋拉拔后，較直，經(jīng)中溫回火消除應(yīng)力并穩(wěn)定化處理的鋼絲。螺旋肋鋼絲是以普通低碳鋼或低合金鋼熱軋的圓盤條為母材，

5、經(jīng)冷軋減徑后在其外表冷軋成兩面或三面有月牙紋的鋼筋。光面鋼絲和螺旋肋鋼絲按直徑可分為4、5、6、7、8、9六個級別。 刻痕鋼絲：光面鋼絲的外表上進(jìn)行刻痕處理，以增加和混凝土的粘結(jié)能力，分5和7兩種。鋼絞線：多根高強(qiáng)鋼絲捻制在一起經(jīng)過低溫回火處理去除內(nèi)應(yīng)力后而制成，分為3股和7股。中高強(qiáng)鋼絲和鋼絞線以及熱處理鋼筋都可用在預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中。鋼筋的直徑： 6，8，10，12，14，16，18，20，22，25，28，32，36，40 鋼筋的強(qiáng)度和變形有明顯屈服點鋼筋的強(qiáng)度和變形如：熱軋低碳鋼和普通熱軋低合金鋼所制成的鋼筋 無明顯屈服點鋼筋的強(qiáng)度和變形如：熱處理鋼筋和鋼絲、鋼絞線 有明顯屈服點鋼筋的

6、應(yīng)力-應(yīng)變-關(guān)系曲線 a點以前，與成比例，即 =Es， Es 為彈性模量，a點應(yīng)力稱為比例極限proportional limit a點過后，與不再成比例，但仍為彈性變形； a點以后為非彈性， a點稱為彈性極限elastic limit 到達(dá)b點時，出現(xiàn)塑性流動現(xiàn)象，b點位置與加載速度、斷面形式、外表光潔度等因素有關(guān)，稱為屈服上限upper yield strength 降至c點后，不增加而急劇增加，-關(guān)系接近水平，直至d點，c點稱為屈服下限lower yield strength ，cd段稱為屈服臺階yield plateau d點以后，隨的增加而繼續(xù)增加，至e點達(dá)最大值，e點對應(yīng)的稱為鋼筋

7、的極限強(qiáng)度 ultimate tensile strength，de段稱為強(qiáng)化階段 strain hardening stagee點以后，試件的薄弱位置將產(chǎn)生頸縮現(xiàn)象，變形迅速增加，斷面縮小，應(yīng)力降低，ef段稱為頸縮階段strain weakening stage ，直至f點拉斷 se一、鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系 有明顯屈服點的鋼筋aabcdefufyfa為比例極限 s =Esea為彈性極限de為強(qiáng)化段b為屈服上限c為屈服下限，即屈服強(qiáng)度 fycd為屈服臺階e為極限抗拉強(qiáng)度 fu 無明顯屈服點鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變-關(guān)系曲線整個應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系沒有明顯的屈服點，達(dá)極限抗拉強(qiáng)度后很快拉斷，延伸率很小，破壞呈

8、脆性。圖中a點為比例極限，0.65b 。條件屈服強(qiáng)度設(shè)計中取剩余應(yīng)變?yōu)?.2%所對應(yīng)的應(yīng)力 ，作為無明顯屈服點鋼筋的強(qiáng)度設(shè)計指標(biāo)，稱為“條件屈服強(qiáng)度。取0.2 = 0.85b 無明顯屈服點的鋼筋鋼筋的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值( Characteristic or Standard Strength) 按冶金鋼材質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)，鋼筋的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值是取其出廠時的廢品限值，其數(shù)值相當(dāng)于fy,m-3s，具有97.73%的保證率，滿足?建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)?材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值保證率95%的要求。二、鋼筋的冷加工 冷加工的方法：冷拉、冷拔、冷軋。冷加工的目的：改變鋼材內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高 鋼材強(qiáng)度，節(jié)約鋼筋。冷加工對鋼材性能的影響。

9、冷拉冷拉強(qiáng)化或冷作硬化時效硬化冷拉的目的提高抗拉強(qiáng)度，節(jié)約鋼材用量，同時可以除銹。 采用控制應(yīng)力和控制冷拉率兩種方法。冷拉后可提高鋼材的抗拉強(qiáng)度，屈服臺階變短。冷拉時應(yīng)力值必須超過鋼筋的屈服強(qiáng)度。冷拉o冷拉控制應(yīng)力(N/mm2)冷拉率殘余變形oabccdd冷拉無時效冷拉經(jīng)時效冷拔d1d2Pd2d1 將低碳熱軋鋼筋或低合金鋼通過直徑較小孔洞的硬質(zhì)合金模，在常溫下用強(qiáng)力拔制而成。 冷拔后的鋼筋抗拉和抗壓強(qiáng)度提高，但塑性降低很多。 c.冷扎 冷軋后，鋼筋外表軋成帶肋，強(qiáng)度與冷拔低碳絲接近，塑性好一些。實際計算分析中，一般采用雙線性的理想彈塑性關(guān)系鋼筋的理想彈塑性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系 式中 Es鋼筋的彈性模

10、量； 鋼筋的屈服應(yīng)變； = / Es 。1、?標(biāo)準(zhǔn)?理想彈塑性應(yīng)力-應(yīng)變-模型鋼筋應(yīng)力-應(yīng)變-曲線的數(shù)學(xué)模型 鋼筋的彈性模量1Es0.01 B C D y s，h s，u fy fs，u o b、三折線 2、三折線完全彈塑性加硬化模型 對于流幅后立即發(fā)生硬化的鋼材,可采用三直線模型，以正確的估計高出屈服應(yīng)變后的應(yīng)力。此模型適用于流幅較短的軟鋼，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下： 當(dāng)s y 時，s= Ess （Es= fy /y ） 當(dāng)y s s，h 時， s= fy 當(dāng)s，h s s，u 時， s= fy+（s -s，h ）tg c、雙斜線彈塑性模型 對于沒有明顯流幅的高強(qiáng)鋼筋或鋼絲，應(yīng)力應(yīng)變曲線可采用雙斜線

11、。數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：當(dāng)s y 時, s= Ess （Es= fy /y ）當(dāng)y s s，u 時， s= fy+（s y）tg B o C s，u fy fs，u c、雙斜線 反映鋼筋變形的根本指標(biāo)延伸率：是反映鋼筋塑性性能的指標(biāo)，指鋼筋拉斷時f點對應(yīng)的應(yīng)變，按下式確定: 式中： L0 試件拉伸前量測標(biāo)距的長度，一般取5d或10d L 拉斷時量測標(biāo)距的長度，量測標(biāo)距包括頸縮區(qū)冷彎性能 為了使鋼筋在彎折加工時不致斷裂和在使用過程中不致脆斷，進(jìn)行冷彎試驗，保證滿足規(guī)定的指標(biāo)。冷彎是將直徑為d的鋼筋繞直徑為D的剛錕，彎成一定的角度而無裂紋、鱗落且不發(fā)生斷裂現(xiàn)象。圖中叫冷彎角度。彎心直徑冷彎角度 1、鋼筋

12、的蠕變徐變：鋼筋在高應(yīng)力作用下，應(yīng)變隨時間增長而增加的現(xiàn)象。 2、鋼筋的松弛：指鋼筋受力后，在保持長度不變的情況下，其應(yīng)變隨時間增長而降低的現(xiàn)象。 3、影響蠕變和松弛因素： 蠕變和松弛隨時間增長而增大，初始應(yīng)力大，蠕變和松弛也大，溫度增加時蠕變和松弛增大。2.2.4 鋼筋的蠕變、松弛和疲勞 4、鋼筋的疲勞 鋼筋在承受重復(fù)、周期性的動荷載作用下，經(jīng)過一定次數(shù)后，突然脆性斷裂的現(xiàn)象。鋼筋的疲勞強(qiáng)度：是指在某一規(guī)定應(yīng)力幅度內(nèi)，經(jīng)受一定次數(shù)我國：2106循環(huán)荷載后發(fā)生疲勞破壞的最大應(yīng)力值。鋼筋疲勞斷裂的原因：在鋼筋內(nèi)部和外部的缺陷處，容易引起應(yīng)力集中。應(yīng)力過高，產(chǎn)生疲勞裂縫，應(yīng)力重復(fù)次數(shù)增加，裂紋擴(kuò)展，造成斷裂。鋼筋在重復(fù)性荷載作用下的疲勞強(qiáng)度低于其在靜載作用下的極限強(qiáng)度原狀鋼筋的疲勞強(qiáng)度低于埋置在混凝土中的鋼筋的疲勞強(qiáng)度 影響鋼筋疲勞強(qiáng)度的因素：應(yīng)力幅度、最小大應(yīng)力值、鋼筋外外表及幾何尺寸和形狀、鋼筋的直徑、鋼筋的強(qiáng)度、鋼筋使用環(huán)境以及加載頻率等。2.2.5 混凝土結(jié)構(gòu)對鋼筋性能的要求強(qiáng)度高：構(gòu)件的承載力越高，鋼材的用量越少 塑性好：結(jié)構(gòu)在破壞前有明顯的預(yù)兆 鋼筋加工成型也越容易具有良好的可焊性：在一定的工藝條件下鋼筋焊接后不產(chǎn)生裂紋及過大的變形，保證焊接后的接頭性能良好 和混凝土之間具有良好的粘結(jié)性能：保證鋼筋和混凝土共同工作 反映鋼筋性能的