高等鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋的物理力學性能

1、高等鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)本課程特點土木工程科學研究的一般規(guī)律：從工程實踐中提出要求和問題，精心調(diào)查和統(tǒng)計、實驗研究、理論分析、計算比照、找出解決問題的方法；研究一般的變化規(guī)律，揭示作用機理，建立物理模型和數(shù)學表達，確定計算方法和構(gòu)造措施，回到工程實踐中驗證，改進和補充?；炷两Y(jié)構(gòu)作為土木工程的一個分支，亦服從上述規(guī)律。參考教材1 高等鋼筋混凝土結(jié)構(gòu) 周志祥 主編 人民交通出版社 20022 鋼筋混凝土原理和分析 過鎮(zhèn)海 時旭東 主編 清華大學出版社 2003 3 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu) R.帕克 T.波利 著 秦文鉞等譯 重慶大學出版社 1985 4 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)理論 王傳志、藤智明 主編 中國建筑工業(yè)出

2、版社 1985 5 鋼筋混凝土非線性分析 朱伯龍、董振祥 同濟大學出版社 1985 1.簡單應力狀態(tài)下強度條件可由實驗確定 2.一般應力狀態(tài)下，材料的失效方式不僅與材料性質(zhì)有關(guān)，且與其應力狀態(tài)有關(guān)，即與各主應力大小及比值有關(guān)； 3.復雜應力狀態(tài)下的強度準那么不能由實驗確定(不可能針對每一種應力狀態(tài)做無數(shù)次實驗)；4.強度理論： 假說實踐理論 在有限的實驗根底上，采用判斷推理的方法，提出一些對材料破壞起決定作用的假說，推測材料在復雜應力狀態(tài)下引起破壞的主要原因，從而建立強度條件，以此作為衡量材料破壞的依據(jù)。這些假說統(tǒng)稱為強度理論。補充1：強度理論兩類強度理論： 1. 第一類強度理論以脆性斷裂破壞

3、為標志 2. 第二類強度理論以塑性屈服破壞為標志四個強度理論 準那么：無論材料處于什么應力狀態(tài)，發(fā)生脆性斷裂的主要原因是單元體中的最大拉應力s1到達某個極限值sf。1.斷裂原因：最大拉應力s1 與應力狀態(tài)無關(guān)3.強度條件： 2.破壞條件：一、第一強度理論最大拉應力理論二、最大伸長線應變理論 第二強度理論 準那么：無論材料處于什么應力狀態(tài)，發(fā)生脆性斷裂的主要原因是單元體中的最大伸長線應變e1到達某個極限值ef。1.斷裂原因：最大伸長線應變e1與應力狀態(tài)無關(guān)； 3.強度準則： 2.破壞條件：三、最大切應力理論第三強度理論 準那么：無論在什么樣的應力狀態(tài)下，材料發(fā)生屈服的主要原因是單元體內(nèi)的最大切應

4、力tmax到達某一極限值ty。 1.屈服原因：最大切應力tmax與應力狀態(tài)無關(guān)； 2.屈服條件： 3.強度準則： 四、第四強度理論形狀改變比能理論 準那么：不管應力狀態(tài)如何，材料發(fā)生屈服的主要原因是單元體中的形狀改變比能ud到達某個共同的極限值udy。1.屈服原因：最大形狀改變比能ud； 2.屈服條件： 3.強度準則： 綜合以上各式，可將四個強度理論的強度條件寫成統(tǒng)一的形式：相當應力。 四個強度理論的相當應力： equivalent stress摩爾強度理論修正的最大切應力理論 準那么：剪應力是使材料到達危險狀態(tài)的主要因素，但滑移面上所產(chǎn)生的阻礙滑移的內(nèi)摩擦力卻取決于剪切面上的正應力s的大小。

5、1.摩爾理論適用于脆性剪斷：脆性剪斷：在某些應力狀態(tài)下，拉壓強度不等的一些材料也可能發(fā)生剪斷，例如鑄鐵的壓縮。2.莫爾強度準那么： 公式推導： 強度準那么： sl拉伸許可應力；sy壓縮許可應力。如材料拉壓許用應力相同，那么莫爾準那么與最大剪應力準那么相同。 1、不管是脆性或塑性材料，在三軸拉伸應力狀態(tài)下，均會發(fā)生脆性斷裂，宜采用最大拉應力理論第一強度理論。 2、脆性材料：在二軸拉伸應力狀態(tài)下，應采用最大拉應力理論；在復雜應力狀態(tài)的最大、最小拉應力分別為拉、壓時，由于材料的許用拉、壓應力不等，宜采用摩爾強度理論。 3、塑性材料除三軸拉伸外，宜采用形狀改變比能理論第四強度理論和最大剪應力理論第三強

6、度理論。 4、三軸壓縮狀態(tài)下，無論是塑性和脆性材料，均采用形狀改變比能理論。各種強度理論的適用范圍由強度理論可從推知如純剪時，由第四強度理論得：補充2：金屬的塑性變形與位錯滑移理論金屬在承受塑性加工時， 產(chǎn)生塑性變形，宏觀上改變了材料的形狀和尺寸；微觀上改變了金屬的組織結(jié)構(gòu)；金屬的塑性變形對材料的性能也會產(chǎn)生重要的影響，是金屬材料重要的強化手段。 當外力作用在金屬上時，如受拉，金屬內(nèi)的原子間距變大，如果這種變化是彈性范圍內(nèi)的，當外力去除后，原子還能恢復到原來的狀態(tài)；如果外力較大，這種變化就到達了塑性階段了，當外力去除之后，有一局部變化就不能恢復了，金屬就發(fā)生了塑性變形。作為一種極限，當外力大到

7、一定程度，原子間的結(jié)合力被打破，那么金屬就斷了。 從原子的角度看，金屬的塑性變形是如何發(fā)生的？滑移滑移是晶體在切應力的作用下，, 晶體的一局部沿一定的晶面(滑移面)上的一定方向(滑移方向)相對于另一局部發(fā)生滑動?；浦荒茉谇袘ψ饔孟虏艜l(fā)生, 不同金屬產(chǎn)生滑移的最小切應力(稱滑移臨界切應力)大小不同。鎢、鉬、鐵的滑移臨界切應力比銅、鋁的要大。缺陷 1、點缺陷-空位、間隙原子2、線缺陷-刃型位錯，使金屬晶體成為非完全彈性體，亦使雜質(zhì)易于擴散；3、面缺陷-晶界面上原子排列紊亂。 位錯滑移機制 滑移是晶體內(nèi)部位錯在切應力作用下運動的結(jié)果?；撇⒎鞘蔷w兩局部沿滑移面作整體的相對滑動, 而是通過位錯

8、的運動來實現(xiàn)的。 在切應力作用下,一個多余半原子面從晶體一側(cè)到另一側(cè)運動, 即位錯自左向右移動時, 晶體產(chǎn)生滑移。通過位錯的移動實現(xiàn)滑移時： 1、只有位錯線附近的少數(shù)原子移動； 2、原子移動的距離小于一個原子間距； 所以通過位錯實現(xiàn)滑移時，需要的力較??； 金屬的塑性變形是由滑移這種方式進行的，而滑移又是通過位錯的移動實現(xiàn)的。所以，只要阻礙位錯的移動就可以阻礙滑移的進行，從而提高了塑性變形的抗力，使強度提高。金屬材料常用的五種強化手段固溶強化、加工硬化、晶粒細化、彌散強化、淬火強化都是通過這種機理實現(xiàn)的。 間隙固溶體置換固溶體按溶質(zhì)原子在溶劑晶格中的位置, 固溶體可分為置換固溶體與間隙固溶體兩種

9、。固溶體 固溶體的性能無論置換固溶體，還是間隙固溶體，由于溶質(zhì)原子的存在都會使晶格發(fā)生畸變，使其性能不同于原純金屬。當溶質(zhì)元素的含量極少時，固溶體的性能與溶劑金屬根本相同。隨溶質(zhì)含量的升高，固溶體的性能將發(fā)生明顯改變，其一般情況下，強度、硬度逐漸升高，而塑性、韌性有所下降，電阻率升高，導電性逐漸下降等。 這種通過形成固溶體使金屬強度和硬度提高的現(xiàn)象稱為固溶強化。 固溶強化是金屬強化的一種重要形式。在溶質(zhì)含量適當時，可顯著提高材料的強度和硬度，而塑性和韌性沒有明顯降低。1.普通鋼筋和預應力鋼筋2.碳纖維布3.玻璃纖維4.環(huán)氧涂層鋼筋5.混合加勁筋鋼筋+碳纖維+環(huán)氧鋼筋混凝土reinforced

10、concrete根據(jù)鋼筋受拉應力應變曲線的特點，分為有明顯屈服點，無明顯屈服點。熱軋鋼筋 有明顯流幅，稱為軟鋼 以屈服強度作為設(shè)計依據(jù) 消除應力鋼絲 鋼絞線精軋螺紋鋼 無明顯流幅，稱為硬鋼熱處理鋼筋冷軋帶肋鋼筋冷軋扭鋼筋鋼筋的分類 HRB400 (20MnSiV 20MnSiNb 20MnTi) 級 帶肋KL400 (K20MnSi) 新III級 變形 R235 (Q235) I級 光圓 HRB335 (20MnSi) 級IIIII 熱軋鋼筋直徑大于6mm 注：鋼筋名稱前面的數(shù)字表示平均含碳量萬分之數(shù)按鋼材含碳量多少分為低碳鋼 含碳量25中碳鋼 2660高碳鋼 60土建結(jié)構(gòu)用鋼：低、中碳鋼 H

11、PB300、 HRBF335、 HRBF400、 HRB500、HRBF500熱軋鋼筋的符號說明HPB300 生產(chǎn)工藝： hot rolled 表面形狀：plain 鋼筋：bar 屈服強度hot rolledribbed bar HRB335 橋梁工程中熱軋鋼筋的屈服強度材料分項系數(shù)1.2種類符號fsdf sd熱軋鋼筋R235(Q235)195195HRB 335(20MnSi)280280HRB 400(20MnSiV、20MnSiNb、20MnTi)330330RRB 400(K20MnSi) R330330建筑工程中熱軋鋼筋的屈服強度材料分項系數(shù)1.1種類符號fyf y熱軋鋼筋HPB 3

12、00(Q300)270270HRB 335(20MnSi)300300HRB 400(20MnSiV、20MnSiNb、20MnTi)360360RRB 400(K20MnSi) R360360 鋼筋的 曲線l0PPA0鋼筋的力學性能 P點所對應的應力為比例極限，而E點所對應的應力為彈性極限。Q235鋼的比例極限， ,對應的應變 。軟鋼的根本力學性能 鋼材的強度指標主要有屈服強度屈服點和抗拉強度，可通過鋼材的靜力單向拉伸試驗獲得。 標準試件GB22863l0/d=5或10，常溫20下緩慢加載，一次完成。標準拉伸曲線可以分為四個階段：(1)彈性階段OE段：材料處于純彈性，卸載后無剩余應變；(4)

13、 頸縮階段BF段 極限強度后，試件出現(xiàn)局部截面橫向收縮，塑性變形迅速增大，即頸縮現(xiàn)象。此時，只要荷載不斷降低，變形能繼續(xù)開展，直至F點試件斷裂。(2) 屈服階段EH段應力波動的最低值稱為屈服點或屈服強度，屈服階段從開始E點到曲線再度上升(H點)的變形范圍較大，相應的應變幅度稱為流幅。Q235鋼的屈服點 ，對應的應變 ，流幅0.152.5。(3) 強化階段HB段應變的增加快于應力的增加，塑性特性明顯。B點的應力為抗拉強度或極限強度。 鋼筋應力-應變現(xiàn)象的位錯滑移理論解釋屈服上下限的科氏氣團解釋無明顯屈服點的鋼筋a點：比例極限，剩余應變?yōu)?.2%所對應的應力，約為0.65fua點前：應力-應變關(guān)系

14、為線彈性a點后：應力-應變關(guān)系為非線性，有一定塑性變形，且沒有明顯的屈服點強度設(shè)計指標條件屈服點剩余應變?yōu)?.2%所對應的應力?標準?取s0.2 =0.85 fu 鋼筋應力-應變曲線的數(shù)學描述 真實應力： 瞬時應變增量： 累積應變： 利用體積不變性：第二章 鋼結(jié)構(gòu)材料 2.2鋼結(jié)構(gòu)對鋼材性能的要求應力-應變關(guān)系的數(shù)學描述可根據(jù)不同要求選用計算模型。理想彈塑性型最為簡單，一般結(jié)構(gòu)破壞時鋼材的應變(1)尚未進入強化段。適用于流幅較長的低強度鋼材。彈性強化模型為二折線，屈服后的應力一應變關(guān)系簡化為很平緩的斜直線，可取E=0.01Es，優(yōu)點是應力和應變關(guān)系的惟一性。三折線或曲線的彈-塑性強化模型較為復

15、雜些，但可較準確地描述鋼筋的大變形性能。第二章 鋼結(jié)構(gòu)材料 2.2鋼結(jié)構(gòu)對鋼材性能的要求對高強度鋼材，如碳素鋼絲、鋼絞線和熱處理鋼材拉伸曲線上沒有明顯的屈服臺階。取對應于剩余應變?yōu)?.2時的應力f0.2作為屈服點fy，根據(jù)試驗結(jié)果得 f0.2 =0.80.9fb 第二章 鋼結(jié)構(gòu)材料 2.2鋼結(jié)構(gòu)對鋼材性能的要求硬鋼的應力應變關(guān)系一般采用RambergOsgood模型。參數(shù)n=730，取決于鋼材的種類。1.2 鋼筋的銹蝕 Deterioration of Reinforced Concrete Bridge due to Poor Durability(a) 混凝土開裂(b) 水、CO2侵入(c

16、) 開始銹蝕(d) 鋼筋體積膨脹 電化學腐蝕是鋼材外表與電解質(zhì)溶液中產(chǎn)生電流，形成腐蝕電池，使鋼材產(chǎn)生腐蝕 。最常見的為析氧腐蝕。 陽極：鐵原子失去電子，被氧化成陰極：氧原子獲得電子，并與水分子結(jié)合成腐蝕電池的總反響為：即為赤銹赤銹化合物體積鋼筋銹蝕的影響因素pH值溫度Cl-濃度氧混凝土電阻抗孔隙水飽和度和相對濕度水灰比和養(yǎng)護齡期鋼筋銹蝕量的預測模型同濟大學張偉平模型局部碳化區(qū)修正系數(shù)鋼筋半徑O2在碳化混凝土中的擴散系數(shù)環(huán)境中O2的摩爾濃度距混凝土外表為x處的O2的摩爾濃度局部碳化區(qū)長度碳化速度系數(shù) 防止鋼筋銹蝕措施有：增加混凝土的密實性和混凝土的保護層厚度，采用涂面層、鋼筋阻銹劑、涂層鋼筋、

17、對鋼筋采用陰極防護法等。鋼筋銹蝕對混凝土結(jié)構(gòu)損傷過程：坑蝕 環(huán)蝕 暴 筋 結(jié)構(gòu)失效。第三節(jié) 鋼筋的疲勞 疲勞及疲勞破壞：由于固體內(nèi)部微觀組織中位錯的存在，在外部交變載荷作用下，裂紋萌生、裂紋擴展直至固體發(fā)生破壞的過程。疲勞現(xiàn)象的根本認識內(nèi)因：金屬中的晶體的位錯外因：交變載荷過程：損傷累積的過程，有明顯的裂紋萌生和擴展過程疲勞壽命疲勞設(shè)計的目標量化疲勞壽命：設(shè)備在正常使用過程中，所承受交變載荷的循環(huán)次數(shù)。裂紋萌生壽命裂紋擴展壽命總壽命疲勞破壞研究的根本內(nèi)容內(nèi)因：材料的根本特性、幾何尺寸、外表處理等抗疲勞性質(zhì)外因：載荷特征的提取及其對疲勞過程的影響疲勞模型：綜合內(nèi)因和外因的疲勞過程，內(nèi)因和外因作用

18、于疲勞過程的數(shù)學表達循環(huán)Sa，Smi損傷累積疲勞設(shè)計的目標量化疲勞壽命：設(shè)備在正常使用過程中，所承受交變載荷的循環(huán)次數(shù)。裂紋擴展壽命斷裂力學方法LEFM損傷容限法裂紋萌生壽命局部應變e-N法總壽命名義應力S-N法幾個重要概念 疲勞： 鋼筋在低于其靜載強度的應力循環(huán)作用下發(fā)生斷裂的現(xiàn)象稱為疲勞。疲勞斷裂、尤其是高強度鋼筋的疲勞斷裂，一般沒有明顯的預告，屬于脆性破壞。 疲勞試件及規(guī)律：原狀光圓或變形鋼筋、光滑標準試件、梁式試驗 循環(huán)應力：是指應力隨時間呈周期性的變化，變化波形通常是正弦波。 應力的循環(huán)加載特征參數(shù) 應力的循環(huán)加載特征參數(shù) 當循環(huán)加載超出彈性范圍，材料的應力-應變行為不再保持簡單的線

19、性關(guān)系，可以用循環(huán)滯后環(huán)來表示 疲勞壽命：定義為從循環(huán)加載開始到試件疲勞斷裂所經(jīng)歷的應力循環(huán)數(shù)。 疲勞壽命曲線：當應力比為一定值時，在不同的應力幅下試驗一組試件，每個試件的實驗結(jié)果對應于平面上的一個點，這樣就可以得到一組點，連接這些點所得的曲線稱為疲勞壽命曲線。應力比R=-1時的疲勞壽命曲線S-N曲線如以下圖所示 。二、疲勞壽命曲線及疲勞強度 低周疲勞區(qū) 短壽命疲勞 高周疲勞區(qū) 長壽命疲勞 無限壽命區(qū)或平安區(qū) 材料的理論疲勞極限或耐久限 鋼筋的疲勞強度 鋼筋能無限期地抵抗循環(huán)荷載作用的最大應力值 鋼筋的疲勞壽命與應力幅、平均應力或應力比等有關(guān)。通用的疲勞壽命表達式可為：三疲勞壽命的通用表達式

20、疲勞極限即試件經(jīng)受無限次的應力循環(huán)而不發(fā)生斷裂所能承受的上限循環(huán)應力幅值。直接用實驗測定理論疲勞極限是不可能的。在工程實踐中，將疲勞極限定義為：在指定的疲勞壽命下，試件所能承受的上限應力幅值。這里的指定壽命對于公路橋梁結(jié)構(gòu)來說，通常取Nf200萬次，而對鐵路橋梁結(jié)構(gòu)，通常取300萬次。四疲勞極限及其實驗測定 三個階段：疲勞裂紋形成；疲勞裂紋擴展；當裂紋擴展到達臨界尺寸時，發(fā)生最終的斷裂。 宏觀尺度的疲勞裂紋形成一般包括這樣三個階段：微裂紋的形成、微裂紋的長大和微裂紋的聯(lián)接。疲勞微裂紋的形成可能有三種方式：即外表滑移帶開裂、夾雜物與基體相界面別離或夾雜物本身斷裂，以及晶界或亞晶界開裂。五疲勞失效

21、過程和機理 圖1-16裂紋擴展的塑性鈍化模型 累積疲勞損傷：很多構(gòu)件在工作過程中所受的應力是隨時間而改變其最大(或最小)值的，即鋼筋受到變幅載荷的作用。圖1-18示意地表示鋼筋所受的變幅應力。這種按某種規(guī)律隨時間而變化的載荷簡稱疲勞載荷譜 。估算變幅載荷下鋼筋的疲勞壽命，常采用Miner線性累積損傷定那么 。即在變幅載荷下，疲勞總損傷度到達1.0時，發(fā)生疲勞失效，此即Miner線性累積損傷定那么。 五疲勞失效過程和機理 圖1-20 鋼筋疲勞強度實驗值 圖1-19 疲勞壽命曲線與累計 圖1-18 疲勞載荷譜示意圖 作用：在設(shè)計的較早階段就對零部件以及整機進行疲勞分析并做初步的評估，減少疲勞壽命設(shè)

22、計對試驗的依賴，提高設(shè)計效率，降低開發(fā)本錢，縮短設(shè)計周期有限元疲勞分析根本流程：載荷幾何尺寸、加工材料屬性有限元疲勞壽命疲勞模型每一個疲勞問題都有其明顯的特殊性，在應用時應注意在根本疲勞模型的根底上進行合理的修正；疲勞理論的工程應用大多數(shù)的疲勞壽命計算，尤其是有限元虛擬壽命計算，所得到的結(jié)果都是一個概念性的值，其計算只能提供方向性的指導作用，最終的疲勞壽命應該與試驗相關(guān)聯(lián)。計算分析：模擬試驗：要獲得一個合理的疲勞壽命設(shè)計，一定要調(diào)查設(shè)計目標的用途，也即必須得到載荷譜；關(guān)聯(lián)疲勞理論，究竟是算命先生還是科學家？應用成敗的關(guān)鍵在于細節(jié)材料試驗載荷譜參數(shù)修正第四節(jié) 鋼筋的其他性能 概念：應力不變、變形增加。一鋼筋徐變圖1-23 說明蠕變斷裂全過程三個階段的示意圖 減速徐變階段 恒速徐變階段 徐變影響因素一鋼筋徐變時間、應力 1、松弛：是指鋼筋在應變不變的情況下，其內(nèi)部應力隨著時間的增加而降低的現(xiàn)象。松弛和徐變可以說是同一物理變化的不同表現(xiàn)形式，也可以把松弛現(xiàn)象看作是應力不斷降低時的“多級徐變。徐變抗力高的材料，其應力松弛抗力一般也高。 二鋼筋松弛松弛影響因素時間、張拉應力、鋼材本身性質(zhì) 、溫度 表1-4 常溫下松弛隨時間關(guān)系時間（h） 1 5 20 100 200 500 1000