鋼筋和混凝土的力學(xué)性能

鋼筋和混凝土的力學(xué)性能鋼筋和混凝土的力學(xué)性能問答題參考答案1.軟鋼和硬鋼的區(qū)別是什么？應(yīng)力一應(yīng)變曲線有什么不同？設(shè)計時分別采用什么值作為依據(jù)？答：有物理屈服點(diǎn)的鋼筋，稱為軟鋼，如熱軋鋼筋和冷拉鋼筋；無物理屈服點(diǎn)的鋼筋，稱為硬鋼，如鋼絲、鋼絞線及熱處理鋼筋。軟鋼的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖2-1所示，曲線可分為四個階段：彈性階段、屈服階段、強(qiáng)化階段和破壞階段。有明顯流幅的鋼筋有兩個強(qiáng)度指標(biāo)：一是屈服強(qiáng)度，這是鋼筋混凝土構(gòu)件設(shè)計時鋼筋強(qiáng)度取值的依據(jù)，因為鋼筋屈服后產(chǎn)生了較大的塑性變形，這將使構(gòu)件變形和裂縫寬度大大增加以致無法使用，所以在設(shè)計中采用屈服強(qiáng)度f作為鋼筋y的強(qiáng)度極限。另一個強(qiáng)度指標(biāo)是鋼筋極限強(qiáng)度f，一般用作鋼筋的實際破壞強(qiáng)度。u圖2-1軟鋼應(yīng)力應(yīng)變曲線硬鋼拉伸時的典型應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖2-2。鋼筋應(yīng)力達(dá)到比例極限點(diǎn)之前，應(yīng)力應(yīng)變按直線變化，鋼筋具有明顯的彈性性質(zhì)，超過比例極限點(diǎn)以后，鋼筋表現(xiàn)出越來越明顯的塑性性質(zhì)，但應(yīng)力應(yīng)變均持續(xù)增長，應(yīng)力應(yīng)變曲線上沒有明顯的屈服點(diǎn)。到達(dá)極限抗拉強(qiáng)度b點(diǎn)后，同樣由于鋼筋的頸縮現(xiàn)象出現(xiàn)下降段，至鋼筋被拉斷。設(shè)計中極限抗拉強(qiáng)度不能作為鋼筋強(qiáng)度取值的依據(jù)，一般取殘余應(yīng)變?yōu)?.2%所對應(yīng)的應(yīng)力。作為無明顯流幅鋼筋的強(qiáng)度限值，通常稱0.2為條件屈服強(qiáng)度。對于高強(qiáng)鋼絲，條件屈服強(qiáng)度相當(dāng)于極限抗拉強(qiáng)度0.85倍。對于熱處理鋼筋，則為0.9倍。為了簡化運(yùn)算，《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》統(tǒng)一?。?=0.85%，其中％為無明顯流幅鋼筋的極限抗簽強(qiáng)度。"bo7]]0.2%圖2-2硬鋼拉伸試驗的應(yīng)力應(yīng)變曲線2?我國用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的鋼筋有幾種？我國熱軋鋼筋的強(qiáng)度分為幾個等級?答：目前我國用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的鋼筋主要品種有鋼筋、鋼絲和鋼絞線。根據(jù)軋制和加工工藝，鋼筋可分為熱軋鋼筋、熱處理鋼筋和冷加工鋼筋。熱軋鋼筋分為熱軋光面鋼筋HPB235（Q235,符號①，I級）、熱軋帶肋鋼筋HRB335（20MnSi,符號，II級）、熱軋帶肋鋼筋HRB400（20MnSiV、20MnSiNb、20MnTi，符號女，皿級）、余熱處理鋼筋RRB400（K20MnSi，符號業(yè)，M級）。熱軋鋼筋主要用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中的非預(yù)應(yīng)力普通鋼筋。鋼筋冷加工的目的是什么？冷加工方法

有哪幾種？簡述冷拉方法？答：鋼筋冷加工目的是為了提高鋼筋的強(qiáng)度，以節(jié)約鋼材。除冷拉鋼筋仍具有明顯的屈服點(diǎn)外，其余冷加工鋼筋無屈服點(diǎn)或屈服臺階，冷加工鋼筋的設(shè)計強(qiáng)度提高，而延性大幅度下降。冷加工方法有冷撥、冷拉、冷軋、冷扭。=1冷拉鋼筋由熱軋鋼筋在常溫下經(jīng)機(jī)械拉伸而成，冷拉應(yīng)力值應(yīng)超過鋼筋的屈服強(qiáng)度。鋼筋經(jīng)冷拉后，屈服強(qiáng)度提高，但塑性降低，這種現(xiàn)象稱為冷拉強(qiáng)化。冷拉后，經(jīng)過一段時間鋼筋的屈服點(diǎn)比原來的屈服點(diǎn)有所提高，這種現(xiàn)象稱為時效硬化。時效硬化和溫度有很大關(guān)系，溫度過高（450°C以上）強(qiáng)度反而有所降低而塑性性能卻有所增加，溫度超過700C，鋼材會恢復(fù)到冷拉前的力學(xué)性能，不會發(fā)生時效硬化。為了避免冷拉鋼筋在焊接時高溫軟化，要先焊好后再進(jìn)行冷拉。鋼筋經(jīng)過冷拉和時效硬化以后，能提高屈服強(qiáng)度、節(jié)約鋼材，但冷拉后鋼筋的塑性（伸長率）有所降低。為了保證鋼筋在強(qiáng)度提高的同時又具有一定的塑性，冷拉時應(yīng)同時控制應(yīng)力和控制應(yīng)變。=1什么是鋼筋的均勻伸長率？均勻伸長率反映了鋼筋的什么性質(zhì)？答:均勻伸長率S為非頸縮斷口區(qū)域標(biāo)距的殘gt余應(yīng)變與恢復(fù)的彈性應(yīng)變組成。Igl'_lb0gt_l0~El——不包含頸縮區(qū)拉伸前的測量標(biāo)距；廠0一拉伸斷裂后不包含頸縮區(qū)的測量標(biāo)距；實測鋼筋拉斷強(qiáng)度；/——鋼筋彈性模量」ES均勻伸長率S比延伸率更真實反映了鋼筋在gt拉斷前的平均（非局部區(qū)域）伸長率，客觀反映鋼筋的變形能力，是比較科學(xué)的指標(biāo)。什么是鋼筋的包興格效應(yīng)？答：鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在反復(fù)荷載作用下，鋼筋的力學(xué)性能與單向受拉或受壓時的力學(xué)性能不同。1887年德國人包興格對鋼材進(jìn)行拉壓試驗時發(fā)現(xiàn)的，所以將這種當(dāng)受拉（或受壓）超過彈性極限而產(chǎn)生塑性變形后，其反向受壓（或受拉）的彈性極限將顯著降低的軟化現(xiàn)象，稱為包興格效應(yīng)。在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，宜采用哪些鋼筋？答：鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的鋼筋，應(yīng)按下列規(guī)定采用：（1）普通鋼筋宜采用HRB400級和HRB335級鋼筋,也可采用HPB235級和RRB400級鋼筋；(2)預(yù)應(yīng)力鋼筋宜采用預(yù)應(yīng)力鋼絞線、鋼絲，也可采用熱處理鋼筋。試述鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)對鋼筋的性能有哪些要求。答：(1)對鋼筋強(qiáng)度方面的要求普通鋼筋是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中的非預(yù)應(yīng)力鋼筋，主要是HPB235、HRB335、HRB400、RRB400等熱軋鋼筋。強(qiáng)屈比的要求所以設(shè)計中應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)那鼜?qiáng)比，對于抗震結(jié)構(gòu)，鋼筋應(yīng)力在地震作用下可考慮進(jìn)入強(qiáng)化段，為了保證結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震下“裂而不倒”，對鋼筋的極限抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度的比值有一定的要求，一般不應(yīng)小于1.25。延性在工程設(shè)計中，要求鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)承載能力極限狀態(tài)為具有明顯預(yù)兆，避免脆性破壞，抗震結(jié)構(gòu)則要求具有足夠的延性，鋼筋的應(yīng)力應(yīng)變曲線上屈服點(diǎn)至極限應(yīng)變點(diǎn)之間的應(yīng)變值反映了鋼筋延性的大小。（4）粘結(jié)性粘結(jié)性是指鋼筋與混凝土的粘結(jié)性能。粘結(jié)力是鋼筋與混凝土得以共同工作的基礎(chǔ)，其中鋼筋凹凸不平的表面與混凝土間的機(jī)械咬合力是粘結(jié)力的主要部分，所以變形鋼筋與混凝土的粘結(jié)性能最好，設(shè)計中宜優(yōu)先選用變形鋼筋。（5）耐久性混凝土結(jié)構(gòu)耐久性是指，在外部環(huán)境下材料性、構(gòu)件、結(jié)構(gòu)隨時間的退化，主要包括鋼筋銹蝕、凍融循環(huán)、堿一骨料反應(yīng)、化學(xué)作用等的機(jī)理及物理、化學(xué)和生化過程?；炷两Y(jié)構(gòu)耐久性的降低可引起承載力的降低，影響結(jié)構(gòu)安全。（6）適宜施工性在施工時鋼筋要彎轉(zhuǎn)成型，因而應(yīng)具有一定的冷彎性能。鋼筋彎鉤、彎折加工時應(yīng)避免裂縫和折斷。熱軋鋼筋的冷彎性能很好，而性脆的冷加工鋼筋較差。預(yù)應(yīng)力鋼絲、鋼絞線不能彎折，只能以直條形式應(yīng)用。同時，要求鋼筋具備良好的焊接性能，在焊接后不應(yīng)產(chǎn)生裂紋及過大的變形，以保證焊接接頭性能良好。（7）經(jīng)濟(jì)性I=j

w衡量鋼筋經(jīng)濟(jì)性的指標(biāo)是強(qiáng)度價格比，即每元錢可購得的單位鋼筋的強(qiáng)度，強(qiáng)度價格比高的鋼筋比較經(jīng)濟(jì)。不僅可以減少配筋率，方便了施工，還減少了加工、運(yùn)輸、施工等一系列附加費(fèi)用。I=j

w簡述混凝土的組成結(jié)構(gòu)。并敘述混凝土的結(jié)構(gòu)組成對混凝土破壞強(qiáng)度的影響。答：混凝土材料結(jié)構(gòu)分為三種基本類型：①微觀結(jié)構(gòu)，即水泥石結(jié)構(gòu)，水泥石結(jié)構(gòu)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(xué)性能取決于水泥的礦物成份、粉磨細(xì)度、水灰比和硬化條件；②亞微觀結(jié)構(gòu)，即混凝土的水泥砂漿結(jié)構(gòu)，水泥砂漿結(jié)構(gòu)可看作以水泥石為基相、砂子為分散相的二組混凝土體系，砂子和水泥石的結(jié)合面是薄弱面。對于水泥砂漿結(jié)構(gòu)，除上述決定水泥石結(jié)構(gòu)的因素外，砂漿配合比、砂的顆粒級配與礦物組成、砂粒形狀、顆粒表面特性及砂中的雜質(zhì)含量是重要控制因素；③宏觀結(jié)構(gòu)，即砂漿和粗骨料兩組分體系。混凝土的宏觀結(jié)構(gòu)中，水泥作為基相，粗骨料隨機(jī)分布在連續(xù)的水泥砂漿中。粗骨料的強(qiáng)度遠(yuǎn)比混凝土高，硬化水泥砂漿的強(qiáng)度也比混凝土

l=j高，由砂漿和粗骨料組成的混凝土復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度低于砂漿和粗骨料單一材料的抗壓強(qiáng)度?；炷羶?nèi)砂漿與骨料界面的粘結(jié)強(qiáng)度只有砂漿抗拉強(qiáng)度的35%—65%,這說明砂漿與骨料界面是混凝土內(nèi)的最薄弱環(huán)節(jié)?；炷疗茐暮?，其中的粗骨料一般無破損的跡象，裂縫和破碎都發(fā)生在粗骨料表面和水泥砂漿內(nèi)部，所以混凝土的強(qiáng)度和變形性能在很大程度上取決于水泥砂漿的質(zhì)量和密實性。l=j簡述混凝土立方體抗壓強(qiáng)度。答:混凝土標(biāo)準(zhǔn)立方體的抗壓強(qiáng)度，我國《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50081-2002）規(guī)定：邊長為150mm的標(biāo)準(zhǔn)立方體試件在標(biāo)準(zhǔn)條件（溫度20±3°C，相對溫度N90%）下養(yǎng)護(hù)28天后，以標(biāo)準(zhǔn)試驗方法（中心加載，加載速度為0.3?1?0N/mm2/s）,試件上、下表面不涂潤滑劑，連續(xù)加載直至試件破壞，測得混凝土抗壓強(qiáng)度為混凝土標(biāo)準(zhǔn)立方體的抗壓強(qiáng)度履單位5，ckAfck—混凝土立方體試件抗壓強(qiáng)度;試件破壞荷載;A——試件承壓面積。簡述混凝土軸心抗壓強(qiáng)度。答：我國《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50081-2002)采用150mmx150mmx300mm棱柱體作為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度試驗的標(biāo)準(zhǔn)試件，混凝土試件軸心抗壓強(qiáng)度fcpA(2-8)f——混凝土軸心抗壓強(qiáng)度;cpF——試件破壞荷載；A——試件承壓面積?；炷恋膹?qiáng)度等級是如何確定的。答：混凝土強(qiáng)度等級應(yīng)按立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值確定，混凝土立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值Lk,我國《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值系指按上述標(biāo)準(zhǔn)方法測得的具有95%保證率的立方體抗壓強(qiáng)度，根據(jù)立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值劃分為C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75、C80十四個等級。

簡述混凝土三軸受壓強(qiáng)度的概念。答:三軸受壓試驗是側(cè)向等壓％=%=?的三23r=1軸受壓，即所謂常規(guī)三軸。試驗時先通過液體靜壓力對混凝土圓柱體施加徑向等壓應(yīng)力，然后對試件施加縱向壓應(yīng)力直到破壞。在這種受力狀態(tài)下，試件由于側(cè)壓限制，其內(nèi)部裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展受到阻礙，因此當(dāng)側(cè)向壓力增大時，破壞時的軸向抗壓強(qiáng)度相應(yīng)地增大。根據(jù)試驗結(jié)果分析，三軸受力時混凝土縱向抗壓強(qiáng)度為fC=U+ar=1(2-18)式中:/'——混凝土三軸受壓時沿圓柱體縱軸cc的軸心抗壓強(qiáng)度；fc——混凝土的單軸圓柱體軸心抗壓強(qiáng)度；CB——系數(shù)，一般普通混凝土取4；G側(cè)向壓應(yīng)力。r13.簡述混凝土在單軸短期加載下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。答：一般用標(biāo)準(zhǔn)棱柱體或圓柱體試件測定混凝土受壓時的應(yīng)力應(yīng)變曲線。軸心受壓混凝土典型的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖2-3，各個特征階段的特點(diǎn)如下。圖2-3混凝土軸心受壓時的應(yīng)力應(yīng)變曲線1）應(yīng)力^W0.3fcsh當(dāng)荷載較小時，即。<0?3九曲，曲線近似是直線（圖2-3中OA段），A點(diǎn)相當(dāng)于混凝土的彈性極限。此階段中混凝土的變形主要取決于骨料和水泥石的彈性變形。2）應(yīng)力0.3/^sh<oW0?8￡sh=1隨著荷載的增加，當(dāng)應(yīng)力約為（0.3?0.8）fcsh,曲線明顯偏離直線，應(yīng)變增長比應(yīng)力快，混凝土表現(xiàn)出越來越明顯的彈塑性。=13）應(yīng)力0.8fCsh<oW1?0fCsh隨著荷載進(jìn)一步增加，當(dāng)應(yīng)力約為（0?8?1.0）fc曲，曲線進(jìn)一步彎曲，應(yīng)變增長速度進(jìn)一步加快，表明混凝土的應(yīng)力增量不大，而塑性變形卻相當(dāng)大。此階段中混凝土內(nèi)部微裂縫雖有所發(fā)展，但處于穩(wěn)定狀態(tài)，故b點(diǎn)稱為臨界應(yīng)力點(diǎn)，相應(yīng)的應(yīng)力相當(dāng)于混凝土的條件屈服強(qiáng)度。曲線上的峰值應(yīng)力C點(diǎn)，極限強(qiáng)度］嘰相應(yīng)的峰值應(yīng)變?yōu)閑0。4）超過峰值應(yīng)力后超過C點(diǎn)以后，曲線進(jìn)入下降段，試件的承載力隨應(yīng)變增長逐漸減小，這種現(xiàn)象為應(yīng)變軟化。14.什么是混凝土的彈性模量、割線模量和切線模量？答：取混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲線在原點(diǎn)O切線的斜率，作為混凝土的初始彈性模量，簡稱彈性模量Ec，即：l=J

wl=J=1=1I=jl=Jl=JEc=tgaE——初始彈性模量；ca0——原點(diǎn)切線的斜率夾角。當(dāng)應(yīng)力較大時，混凝土已進(jìn)入彈塑性階段，彈性模量已不能正確反映此時的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。比較精確的方法采用切線模量Ec，，即在應(yīng)力應(yīng)變曲線任一點(diǎn)處作一切線。此切線的斜率即為l=J

wI=j

w該點(diǎn)的切線模量，其表達(dá)式為Ec'=tga=da/deI=j

wl=j

w切線模量是原點(diǎn)與某點(diǎn)連線即割線的斜率作為混凝土的割線模量，稱為變形模量Ec",它的表達(dá)式為Ec"=tga1=o/￡l=j

w什么叫混凝土徐變？混凝土徐變對結(jié)構(gòu)有什么影響？答：在不變的應(yīng)力長期持續(xù)作用下，混凝土的變形隨時間而緩慢增長的現(xiàn)象稱為混凝土的徐變。=1徐變對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的影響既有有利方面又有不利方面。有利影響，在某種情況下，徐變有利于防止結(jié)構(gòu)物裂縫形成；有利于結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的內(nèi)力重分布，減少應(yīng)力集中現(xiàn)象及減少溫度應(yīng)力等。不利影響，由于混凝土的徐變使構(gòu)件變形增大；在預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件中，徐變會導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力損失；徐變使受彎和偏心受壓構(gòu)件的受壓區(qū)變形加大，故而使受彎構(gòu)件撓度增加，使偏壓構(gòu)件的附加偏心距增大而導(dǎo)致構(gòu)件承載力的降低。=1鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)力是如何組成的？答：試驗表明，鋼筋和混凝土之間的粘結(jié)力或者抗滑移力，由四部分組成：（1）化學(xué)膠結(jié)力：混凝土中的水泥凝膠體在鋼筋表面產(chǎn)生的化學(xué)粘著力或吸附力，來源于澆注時水泥漿體向鋼筋表面氧化層的滲透和養(yǎng)護(hù)過程中水泥晶體的生長和硬化，取決于水泥的性質(zhì)和鋼筋表面的粗糙程度。當(dāng)鋼筋受力后變形，發(fā)生局部滑移后，粘著力就喪失了。（2）摩擦力：混凝土收縮后，將鋼筋緊緊地握裹住而產(chǎn)生的力，當(dāng)鋼筋和混凝土產(chǎn)生相對滑移時，在鋼筋和混凝土界面上將產(chǎn)生摩擦力。它取決于混凝土發(fā)生收縮、荷載和反力等對鋼筋的徑向壓應(yīng)力、鋼筋和混凝土之間的粗糙程度等。鋼筋和混凝土之間的擠壓力越大、接觸面越粗糙，則摩擦力越大。（3）機(jī)械咬合力：鋼筋表面凹凸不平與混凝土產(chǎn)生的機(jī)械咬合作用而產(chǎn)生的力，即混凝土對鋼筋表面斜向壓力的縱向分力，取決于混凝土的抗剪強(qiáng)度。變形鋼筋的橫肋會產(chǎn)生這種咬合力，它的咬合作用往往很大，是變形鋼筋粘結(jié)力的主要來源，是錨固作用的主要成份。（4）鋼筋端部的錨固力：一般是用在鋼筋端

部彎鉤、彎折，在錨固區(qū)焊接鋼筋、短角鋼等機(jī)械作用來