第一章钢筋混凝土结构的基本概念及材料的物理力学性能心 应变关系变成直线。但若继续循环下去将重复出现塑性变形,且应力一应变曲线向相反方向 弯曲,直至循环到一定次数,由于塑性变形的不断扩展,导致构件破坏。这种情况称为疲劳破 坏。试验证明重复荷载引起的应力愈大,试验达到疲劳所需的循环次数则愈少。 05f 图1-5混凝土在重复荷载下的应力一应变曲线 次加荷卸荷;b)多次加荷卸荷 对于由混凝土组成的桥涵结构,通常要求能承受两百万次的反复荷载作用。经受两百万 次反复变形而破坏的应力即称为混凝土的疲劳强度(F)。混凝土的疲劳强度约为其棱柱体强 度的50%,即fp≈0.5/cu 混凝土在长期荷载作用下的变形 在混凝土棱柱体试件上加荷,试件产生压应变,如果维持荷载不变,若干时间后,混凝土的 应变还在继续增加。混凝土在荷载长期作用下(即压力不变的情况下),应变随时间继续增长 的现象称为混凝土的徐变。 混凝土的徐变具有如下规律 (1)混凝土的徐变与混凝土的应力大小有着密切的关系,应力愈大,徐变也愈大。当应力 较小(σ<0.5∫)时,徐变与应力成正比,这种情况称为线性徐变。 (2)混凝土的徐变与时间参数有关。图1-6为混凝土试件的应变一时间关系曲线,图中纵标 A为加荷过程中完成的变形,称为瞬变;纵标B为荷载不变情况下产生的徐变纵标C为试件产 生的总变形。试件在受荷后的前3~4个月,徐变发展最快,可达徐变总值的45%~50%。当长 王 1-6混凝土在长期不变荷载作用下应变随时间的增长图
结构设计原理 期荷载引起的应力σ<(0.5~0.55)f,时,徐变的发展符合渐进线规律。徐变全部完成则需4~5 年:当长期荷载卸去后.变形…部分恢复,如图t.6中的D,另一部分如图1-6中的E,则在相当 长的时间內逐渐恢复,这乂称弹性后效.图16中的F为最后的残余变形。 (3)加荷龄期对徐变也有重要影响ε混凝土加荷0 龄期愈短.即混凝士愈“年轻”,徐变愈大(图1-7) 7d后加荷 (4)水泥用量愈多,水灰比愈大,徐变愈大 28后加荷 (5)混凝上集料愈坚硬、养护时相对湿度愈髙,徐 变愈小 混凝土的徐变对混巍土和钢筋混凝土结构有很大 后 的影阚东某些情况下,徐变有利于防止结构物的裂 混凝⊥龄期(d) 缝形成,同时还有利于结构或构件的内力重分布。但 在预应力混凝士结构中,徐变则引起预应力损失。徐图17加荷时混凝十龄期与相对徐变的关系 变变形还可能超过弹性变形,甚至达到弹性变形的2~4倍,这就要改变超静定结构的应力状 态。所以,混凝卡的徐变已被大家所重视 4.混凝卜的弹性模量E 在计算超静定结构的内力、钢筋混凝土结构的变形和预应力混凝上构件截面的预压应丿 时,将要用到混凝土的弹性模量 作为弹朔性材料的混凝土,其应力与应变的关系是一条曲线、其应力增量与应变增量的比 值,即为混凝」的孪形模輦亡不是常数,随混凝土的应力变化而变化。显然,混凝土的变形 模量在使「t:很不使为了在程上较实用,人们近似地取用应力一应变曲线在原点O的 切线斜率作为混凝上的弹性模量,并用E表示。而混凝士应力一应变曲线原点O的切线斜 率的准确值不易从次加荷的应力·变曲线上求得,我国工程上所取用的混凝土受压弹性 模证E数伯車复加苘的应力—应变曲线上求得的:试验釆用棱柱体试件,加荷产生的最 大压应力迮取σ=(0.405)∫。反复肌荷卸荷5~10次后,混凝土受压应力一应变关系曲线 本上接迈直线,并大致平行相应的原点切线,则取该直线的斜率作为混凝土受压弹性模量 E的数值 根据试验资料,混凝卜受压弹性模钍的经验公式为 E=105 2.2+34.74 (1-1) 式中:f,、汛惭十方休抗强度标准值 式结果表明、混凝的受拉掸性模量与受压弹性模量十分相近,其比值平均为0.995 实用时取受拉弹性模等于受压弹性模混凝土弹性模量E按表1-2取用 混凝土的弹性模量Ee(MFs) 表1-2 汛藻言(152(:25·(.(35((A5i(50 33 4.OX,;s3253.3.45;553.603.65:3.70、753.80 It y Itr'x irri x ior. 10F ,剩数时,中的上值以折系数奶
钢筋混溉土结构的基本概念及材料的物理力学性能 混凝土剪变模量G叮由弹性理论求得 E 2(1+ (1-2) 式中:v混凝士的横向变形系数(即泊松比),《桥规》(JrGD62-2004)规定取n=0.2,则 G=0.4F (二)混凝土的体积变形 混擬土的收缩与膨胀属于混凝土的体积变形 混凝土在空气中结硬时体积减小的现象称为混凝土的收缩。产生收缩的原因主要是混凝 土在凝结硬化过程中的化学反应所产生的“凝缩”和混凝士自由水分的蒸发所产生的“于缩”两 部分所引起的混凝土体积变化 混凝土的收缩与许多因素有关。混凝土中的水泥用量愈多水泥强度等级愈高、水灰比愈 大,混凝土的收缩就愈大;混凝土屮的集料质量愈好、浇捣混凝⊥愈密实、在养生结硬过程中周 围泥度愈高,混凝上收缩就愈小 实践证明,混凝土从开始凝结起就产生收缩,有时它可延续一二十年,一般在最初半年内 收缩量最大,可完成全部收缩量的80%-90%。 混凝土的收缩对钢筋混凝土结构会产生有害影响,常造成收缩裂缝。特别是一些长度大 但截面尺寸小的构件或薄壁结构,如果在制作和养护时不采取预防措施,严重的会在交付使用 前就因收缩裂缝而破坏。为此、在施T吋应控制混凝土材料的水灰比和水泥用量等各项指标 并加强养扩、必要时应设置变形缝和防收缩钢筋,以防止和限制因混凝土收缩而引起的裂缝 开展 混凝土在水中结硬时,体积则膨胀。膨胀值一般比收缩值小得多,且常起有利作用,因此 在计算中不予考虑 第三节钢筋 钢筋的种类 工程中所用钢筋按其外形可分为光而圆钢筋、带肋钢筋(定义见后文)(见图1-8)、钢丝及 钢绞线 按其所用钢料品种不同可分为普通碳素钢、普通低合金钢。 1.碳素钢 此种钢为铁碳合金,以铁为基体。在一定程度上,钢筋强度随含碳量的增加而提高。当含 碳量提高后娳钢筋的可焊性下降,脆性也增加。根据含碳量的多少,可分为低碳钢(含碳< Q.25%),中碳钢(含碳<0.25%~0.60%),高碳钢(含碳>0.60%)。低碳钢俗称软钢,中碳 钢、高碳钢俗称硬钢 2.普通低合金钢 此种钢是在普邂碳东锵中加入少娃的合金兀素如Si(硃)、Mn(锰)、V(钒)、T(钛)、B(硼) 等,由J加入∫合金元素,普通低合金钢虽含碳高,强度高,但是其拉伸应力一应变曲线仍
结构设计康理 具有明显的流幅。 N + 图18钢筋的形状 a)光面圆钢筋;b)月牙肋钢筋 d钢筋内径;α横肋斜角;h横肋高度;機肋与轴线夹角;h1-纵肋高度;6-纵肋斜角;a纵助顶宽;横肋间距;b横助顶宽 钢筋按其生产工艺、机械性能和加工条件,可分为热轧带肋钢筋热轧光圆钢筋余热处理 钢筋、冷轧带肋钢筋及钢丝。 热轧带肋钢筋 横截面通常为圆形,且表面通常带有两条纵肋和沿长度方向均匀分布的横肋的钢筋。 热轧带肋钢筋按牌号分为HRB5、HRB400、HRB50O三种。热轧带肋钢筋的牌号由HRB 和钢筋的屈服点最小值构成。H、R、B分别为热轧( Hot rolled)带肋( Ribbed)、钢筋(Bar)三个 词的英文首位字母。 2热轧光圆钢筋 横截而通常为圆形且表面光滑的钢筋。 热轧光园钢筋的牌号为Q235,强度等级代号为R35。 3.冷轧带肋钢筋 热轧圆盘条经冷轧后,在其表面带有沿长度方向均匀分布的三面或二面横肋的钢筋。 冷轧带肋钢筋按牌号分为CRB55、CRB50、CRB800、CRB0、CRB170五种。其中, CRB50为普通钢筋混凝土用钢筋,其他牌号为预应力混凝土用钢筋。C、R、B分别为冷轧 ( Cold rolled)带肋(Rbed)钢筋(Ba)三个词的英文首位字母。冷轧带肋钢筋的牌号由CRB 和钢筋的抗拉强度最小值构成。 4.余热处理钢筋
第一章钢筋混凝土结构的基本概念及材料的物理力学性能 热轧后立即穿水,进行表面控制冷却,然后利用芯部余热自身完成回火处理所得的成品钢 筋。此种钢筋为带肋钢筋。 余热处理钢筋(带肋)的牌号为KI400(K为“控制”的汉语拼音字头) 5.钢丝 钢丝按外形分为光圆螺旋肋、刻痕三种,其代号分别为P、H、I 钢丝按加工状态分为冷拉钢丝和消除应力钢丝两类。消除应力钢丝按松弛性能又分为低松弛 级钢丝和普通松弛级钢丝,其代号分别为WCD冷拉钢丝)WR(低松弛钢丝》和WNR(普通松弛钢 丝)。它们属于硬钢类钢丝的直径愈细极限强度愈髙、它们都作为预应力钢新使用。 冷拉钢丝:用盘条通过拔丝模或轧辊经冷加工而成产品,以盘卷供货的钢丝。 消除应力钢丝:按下述一次性连续处理方法之一生产的钢丝。 (1)钢丝在塑性变形下(轴应变)进行的短时热处理,得到的应是低松弛钢丝。 (2)钢丝通过矫直工序后在适当温度下进行的短时热处理,得到的应是通松弛钢丝 螺旋肋钢丝:钢丝表面沿着长度方问上具有规则间隔的肋条。 刻痕钢丝:钢丝表面沿着长度方向上具有规则间隔的压痕 另外,《桥规》(JrG162-2004,推荐,用于预应力混凝士桥梁结构的钢筋主要选取热轧钢 筋、碳素钢丝和精轧螺纹钢筋。 精轧螺纹钢筋是按企业标准(QYB3125-%6)和(Q/ASB16-1997)生产的高强钢筋,直 径规格有d=18m、25mm、32m和40m四种。其强度较高,主要用于中小跨径的预应力混 凝土桥梁构件。 二、钢筋的主要力学性能 (一)钢筋的应力一应变曲线 软钢与硬钢的力学性能是大不相同的,可从其拉伸应力一应变曲线的分析得知。 软钢(低碳钢)的应力一应变曲线如图1-9所 示。加荷开始曲线在A点以前,应力与应变按比 例增加,彼此呈线性关系。A点对应的应力,称之 为比例极限。曲线上从O至A这一阶段称为钢筋 的弹性阶段,应力与应变的比值为常数,即为钢筋 的弹性模量E,;曲线通过A点以后,由曲线形状的 变化看出,应变较应力增长为快,至B点应力不再 增加而应变继续增加钢筋产生了塑性变形。图形 中水平段BP称为流幅或屈服台阶,相应于B点的b 应力(ab),称之为钢筋的屈服强度。曲线上从A至 图19软钢(低碳钢)拉伸应力一应变图 B这一阶段称为钢筋的屈服阶段。曲线通过B'点 后,应力与应变值又开始上升钢筋开始强化,至曲线最高点C,C点对应的应力(a)称之为钢 筋的抗拉极限强度。曲线上从B至C这一阶段称为钢筋的强化阶段。曲线通过C点后,钢 筋应变急剧增加,产生颈缩现象,至D点钢筋断裂,拉伸试验至此结束。曲线上从C至D这 阶段称为破坏阶段