钢筋的力学性能

钢筋的力学性能 内容简介 钢筋的低温性能钢筋的疲劳断裂钢筋的应力腐蚀钢筋的徐变与松弛参考文献 1 1引言 地球上可以利用的土地和资源是有限的 人类为了争取更大的生存空间 土木工程在将来必将向深海拓宽 向极地进军 向太空迈进 极地和太空的一个共同特点就是环境温度低 我国东北地区的最低温度纪录为 53 4 南极地区的最低温度记录为 68 2 而月球最低温度为 183 在这种情况下 研究适用于低温环境下的钢筋混凝土结构具有重要的意义 一 钢筋的低温性能 1 1引言 为了解混凝土结构在低温下的工作性能 对其进行耐久性评估 寿命预测以及相应的计算机仿真分析 钢筋在低温下的力学性能是其中基础而关键的问题之一 碳素钢或普通低合金钢筋都是以体心立方晶格的铁素体为基本结构 这种金属中的原子 随着温度降低 热运动减少 反映在力学性能方面 为强度增高 塑性或韧性降低 脆性性能增加 这种称为金属的冷脆性或冷脆倾向 具有冷脆倾向的材料 如材料具有初始缺陷或裂纹时 容易发生低温脆断 一 钢筋的低温性能 1 1 1钢筋的化学成分 影响钢筋性能的最主要的元素是碳 除碳外 还有少量的铁 硅 锰 磷 硫 氧 氮 钛 钒等元素 虽其含量少 但对钢筋的性能影响很大 碳 钢筋的抗拉强度随含碳量的增大而提高 碳还可以降低钢筋的塑形 增加钢筋的冷脆性和时效敏感性 当含碳量高于0 3 时 将显著降低钢筋的可焊性 硅 当钢筋中硅的含量低于1 0 时 能显著提高钢筋的强度 而对塑形和韧性没有明显的影响 一 钢筋的低温性能 磷 使钢筋的冷脆性显著增加 低温下的冲击韧性下降 可焊性降低 氧 降低韧性 促进时效倾向 降低可焊性 氮 使钢筋的强度提高 塑形和韧性显著下降 加剧钢筋的时效敏感性和冷脆性 降低可焊性 钛 提高强度和改善韧性 减少时效倾向 改善可焊性 钒 提高强度 减小时效敏感性 一 钢筋的低温性能 1 2钢筋的冲击韧性 钢筋的冲击韧性与哪些因素有关 何谓冷脆临界温度和时效敏感性 钢筋的冲击韧性与钢筋的化学成分 内部组织状态 以及冶炼 轧制质量 加工有关 冲击韧性随温度的降低而下降 其规律是开始时下降平缓 当达到某一温度范围时 突然下降很多而呈脆性 这种现象称为钢筋的冷脆性 这时的温度为脆性临界温度 随时间延长而表现出强度提高 塑形和冲击韧性降低 这种现象称为时效 因时效而导致性能改变的程度称为时效敏感性 时效敏感性愈大的钢筋 经过时效后其冲击韧性和塑形的降低显著 一 钢筋的低温性能 1 3钢筋的冷加工 钢筋冷加工对力学性能有何影响 冷加工对力学性能有这样的影响 提高屈服强度 抗压强度也稍有增长 塑形和韧性降低 经冷加工处理的钢材 不仅力学性能上有所改变 而且可调直和清除锈皮 同时可取得明显的经济效益 当提高钢筋屈服强度20 50 时 可节约钢筋20 30 一 钢筋的低温性能 一 钢筋的低温性能 1 4抗震钢筋的低温脆性 目前钢材的低温性能研究主要针对结构钢材 如Q235钢 16MnV钢 15MnV钢 16Mnq钢和14MnNbq钢等 且主要集中在 60 以上 研究表明 钢材的强度随温度的降低而升高 塑性和韧性则随着温度的降低而降低 对于国内工程中常用的钢筋 尚缺乏这一方面的研究 且温度范围需进一步扩大 为此 对三种钢筋 热轧带肋钢筋HRB335 HRB400和热轧细晶粒钢筋HRBF500 在 180 80 环境下进行了低温拉伸试验 旨在通过试验初步研究超低温下建筑钢筋的力学性能 为进一步分析钢筋混凝土结构构件的低温受力性能做准备 一 钢筋的低温性能 一般情况下 发生地震时有纵波和横波 纵波的破坏性不大 造成建筑物倒塌的是横波 地震波是交变的 且振幅较大时的频率为1Hz 3Hz 持续时间多在一分钟以内 地震波使钢筋混凝土开裂处的钢筋承受极大的交变载荷 在水平方向产生很高的循环应变 其断裂过程与高应变低周疲劳行为极为相似 因此用于抗震结构的钢筋应具有良好的高应变低周疲劳性能 避免在地震过程中发生断裂 根据建筑结构钢在交变地震载荷下的失效模式及其特定的服役条件 一般公认的以高应变低周疲劳为主的结构材料的相关抗震性能指标有 一 钢筋的低温性能 1 高应变低周疲劳 2 强度与塑性的配合 3 应变时效敏感性 4 低温脆性 5 可焊性 由于钢筋在地震时主要承受高应变低周载荷的冲击 因此要求抗震钢筋首先应具有抗高应变低周疲劳的性能 而良好的韧性以及强韧性的配合是抗高应变低周疲劳的基础 应变时效敏感性是衡量钢筋抗震性能的一个重要指标 热轧钢筋应变后经过一段时间的放置 因时效作用导致钢筋性能发生变化 强度升高 韧性降低 随着韧性的降低其对地震能的吸收减少 抗震能力减弱 因此希望钢筋具有较低的应变时效敏感性 一 钢筋的低温性能 PS 高循环疲劳 HCF 高周疲劳 作用于零件 构件的应力水平较低 破坏循环次数一般高于10 4的疲劳 弹簧 传动轴等的疲劳属此类 低循环疲劳 LCF 低周疲劳 作用于零件 构件的应力水平较高 破坏循环次数一般低于10 3 10 4的疲劳 如压力容器 燃气轮机零件等的疲劳 一 钢筋的低温性能 由于我国地震区分布广 南北温差大 北方温度可在零下40摄氏度以下 因此北方地震区应使用具有良好抗低温脆性的钢筋 目前 我国不分温度差别对钢筋的影响 一律使用同样牌号的钢筋 忽略了钢筋低温脆断的隐患 钢筋的焊接处是抗震的薄弱环节 应保证钢筋焊接接头也具有良好的抗震性能 PS 钢筋冷加工处理后可以提高屈服强度 但是这是以牺牲塑形 增加脆性为代价的 会使其焊接性能变差 对结构不安全 所以要焊接后再冷拉 一 钢筋的低温性能 1 5总结 影响钢筋低温力学性能的因素 1 化学成分的影响 降低碳 硅 增加锰 钒 钛 改善韧性2 冷拉的影响 冷拉或冷拉经时效 增加冷脆倾向 3 焊接影响 热影响区发生脆断 4 工艺缺陷的影响 表面缺陷有应力集中 增加冷脆倾向 许多钢筋混凝土结构 除了承受静载作用外 还经常承受动载作用 结构材料在重复荷载作用下 将会发生低于静载强度的脆性破坏 即疲劳破坏 因此对于此类结构设计 必须考虑结构构件的疲劳强度问题 混凝土结构的疲劳性能与其构成材料 混凝土 普通钢筋和预应力钢筋 以及他们之间粘结性能密切相关 因此对混凝土结构的疲劳问题研究 必须首先了解其构成材料的疲劳性能 2 1 1研究背景 二 钢筋的疲劳断裂 由于钢筋混凝土结构采用了极限强度设计方法和高强钢筋材料 钢筋混凝土的疲劳日益受到人们的重视 对于承受重复荷载的吊车梁 桥面板 轨枕 路面和海洋结构 要求在承载重复荷载下以及在高应力条件下能良好地工作 随着结构分析方法越来越精确 要求对混凝土的力学性能 包括疲劳性能 的了解也越来越多 这些都使得钢筋混凝土结构的疲劳日益成为不可忽视的关键问题 2 1 2研究意义 二 钢筋的疲劳断裂 二 钢筋的疲劳断裂 钢筋的疲劳断裂是在外力作用下 由于钢筋内部的缺陷造成的 如 夹有杂质使本身不均匀或钢筋外表面的变形突变或缺陷 又如 刀痕 锈蚀或脱碳层等 2 2 1疲劳断裂的定义 2 2 2疲劳断裂的过程 1 疲劳裂纹形成 钢铁在冶炼 轧制和加工过程中可能在内部和表面出现一些缺陷 如杂质 缝隙 刻痕和锈蚀斑等 荷载作用下 这些缺陷附近和表面横肋的凹角处产生应力集中 当应力过高 使钢筋晶粒滑移 就形成了初始裂纹 2 2钢筋疲劳断裂的作用机理 二 钢筋的疲劳断裂 2 疲劳裂纹扩展 应力重复次数的增加 裂纹逐渐扩展 损伤积累 减小了有效截面面积 钢筋截面上的裂纹面因为重复加卸载产生的变形增大和恢复 使之摩擦光滑而色暗 3 当钢筋的剩余有效面积不再能承受既定的荷载 拉力 时 试件突然脆性断裂 断裂面上部分面积色泽新亮 呈粗糙的晶粒状 二 钢筋的疲劳断裂 1 直接进行单根原状钢筋轴拉试验 2 将钢筋埋入混凝土中使其重复受拉或受弯的试验 我国采用直接做单根钢筋轴拉试验的方法 混凝土结构设计规范 规定了不同等级钢筋的疲劳应力幅度限值 并规定该值与截面同一纤维上钢筋最小应力与最大应力比值有关 2 2 3钢筋的疲劳试验方法 二 钢筋的疲劳断裂 2 2 4钢筋疲劳断裂的影响因素 1 应力幅值 反比 应力幅值为一次循环应力中最大应力与最小应力之差 钢筋压应力的循环一般不会发生疲劳破坏 而在拉应力循环或拉压应力循环才会发生疲劳破坏 其他影响因素均不变 在有限疲劳寿命区域应力值幅度与循环次数成斜线关系 在长寿命区域应力值幅度的影响很小 形成logN的平等线 2 最小应力值大小 增加了最小应力值 在有限疲劳寿命区域和长寿命区都降低了钢筋的疲劳强度 但当最小应力值为压应力时 可增加疲劳强度 二 钢筋的疲劳断裂 3 钢筋外表面几何尺寸 变形钢筋能增强钢筋与混凝土之间的粘结力 但在循环荷载作用下 在鼓出的肋与钢筋表面交接处产生应力集中现象 这是产生钢筋疲劳裂缝的一个很重要原因 4 钢筋直径 随着钢筋直径的增大 降低了钢筋的疲劳强度 5 钢筋强度 在有限疲劳寿命区 随着钢筋强度等级的增加 增加了钢筋的疲劳强度 二 钢筋的疲劳断裂 钢筋的疲劳S N曲线方程式在双对数坐标中的表达式如下 logN A mlog C式中 N 疲劳失效时的循环次数 外加应力幅 Mpa A S N曲线的截距 m 曲线的斜率 C 循环次数的统计偏差 C K mN 1 r2 mN 循环次数的对数均方差 r 相关系数 应为负数 K 均值线下标准差数目 钢筋的疲劳S N曲线示意图 钢筋的疲劳S N曲线 二 钢筋的疲劳断裂 铁科院铁建所做了18根直径为20mm 屈服强度为257Mpa的Q235光圆钢筋的疲劳试验 长沙铁道学院从东北拆卸下来的混凝土梁上凿取出直径为20mm的锈蚀程度各不相同的光圆钢筋 结果如下表所示 2 3 1光圆钢筋的疲劳S N曲线 光圆钢筋的疲劳S N曲线 二 钢筋的疲劳断裂 光圆钢筋疲劳S N曲线比较 从上表可以看出 的试验结果值最大 次之 最小 如果将107次时的疲劳强度进行比较 可以发现 光圆钢筋在混凝土中的疲劳强度比在空气中减小约14 5 锈蚀对钢筋的疲劳强度的影响则更大 锈蚀钢筋在107次时的疲劳强度比没有锈蚀的减少约39 7 二 钢筋的疲劳断裂 变形钢筋在空气中的轴力疲劳试验 断裂常发生于钢筋的最大缺陷处 而在混凝土中的弯曲疲劳试验 断裂则常发生在混凝土区钢筋横肋与其相交的根部 通过实验结果比较可知变形钢筋在空气中和埋在混凝土中的疲劳强度是一样的 变形钢筋疲劳裂纹起始于钢筋表面变形的根部 而如果钢筋表面腐蚀或锈蚀坑处的应力集中大于凸肋根部的应力集中 那么疲劳裂纹就起始于该腐蚀或锈蚀坑处 因此可知 腐蚀或锈蚀对钢筋的疲劳强度有影响 2 3 2变形钢筋的疲劳S N曲线 二 钢筋的疲劳断裂 防护疲劳断裂设计应注意以下几点 1 正确选用钢材 使之具有足够的韧性 2 尽量减少初始裂纹的尺寸 3 缓和应力集中 减小应力值 2 4钢筋疲劳断裂防护措施 三 钢筋的应力腐蚀 3 1钢筋的应力腐蚀性能分析 预应力钢筋随着钢筋强度的提高 塑性 韧性有所下降 在腐蚀介质的作用下 对腐蚀的敏感性会大大加强 3 1 1应力腐蚀的原因 1 钢筋在潮湿的空气中或在有侵蚀的介质中 由于电化学引起钢材腐蚀 使钢筋表面形成大小不等弥散分布的腐蚀坑 2 氢脆断 应力腐蚀可以看成是电化学腐蚀和力学的复合作用下导致断裂的过程 2020 2 21 三 钢筋的应力腐蚀 3 1 2应力腐蚀发生的条件 1 要有一定的腐蚀介质 2 要有一定的荷载 3 在一定的材质条件下首先是拉应力造成的应变破坏了材料表面的纯化膜 新鲜表面与介质接触发生电化学腐蚀 形成腐蚀坑 产生了裂纹源 在源处出现三向拉应力集中地区 介质中电化学反应形成的有害元素 如氢 可吸附在材料表面 扩散到三向应力区 造成裂纹尖端部位材料性能的脆化 形成裂纹扩展 最后导致断裂 2020 2 21 三 钢筋的应力腐蚀 3 1 3预应力钢筋腐蚀的特殊性 与普通钢筋相比 预应力钢筋的腐蚀具有明显的特殊性 在正常工作状态下 普通钢筋处于低应力状态 其对腐蚀的影响很小 而预应力钢筋则处于高应力状态 高应力状态往往又能提高钢筋的腐蚀活性 提高腐蚀速率 并可能与腐蚀耦合形成 应力腐蚀 或 腐蚀疲劳 这样的脆性腐蚀破坏问题 三 钢筋的应力腐蚀 3 2断裂力学对应力腐蚀的分析 断裂力学是采用应力和介质共同作用下发生断裂的延迟时间 来判断材料应力腐蚀敏感性影响的一门学科 用表面近于无缺陷的光滑试样 来测定应力腐蚀断裂时间 试验表明 裂纹扩展速率主要取决于裂纹顶端的应力强度因子K 在应力腐蚀试验中 裂纹扩展特性同样也存在一限制 即达到应力腐蚀临界应力强度因子K 即临界的裂纹扩展力 时 裂纹即停止扩展 三 钢筋的应力腐蚀 3 3钢筋应力取值对应力腐蚀性能的影响 钢筋强度和预应力值对应力腐蚀性能有一定的影响 如图所示 三 钢筋的应力腐蚀 从图中表明应力腐蚀的敏感性随钢筋强度和应力张拉值的提高而增加 所以即使强度高的钢筋 使用应力亦不能控制得太高 相反 抗拉强度适当降低 对抗应力腐蚀性能有显著改善 三 钢筋的应力腐蚀 3 4预应力钢筋的腐蚀问题 3 4 1预应力钢筋腐蚀问题的研究现状 预应力混凝土结构的应用日益广泛 但预应力钢筋的腐蚀问题也日益严重 从而影响重大土木工程结构的安全使用 腐蚀会对钢筋的性能产生影响 主要是以下3个 腐蚀造成钢筋平均截面积的减小 不均匀腐蚀形成的腐蚀坑处容易产生应力集中 由于钢筋内应力的存在 腐蚀将会改变其内部的晶格结构 从而使钢筋性能发生变化 一般腐蚀过程可能是这3个因素中的某一个或某两个因素起作用 也可能是这3个因素共同作用的结果 三 钢筋的应力腐蚀 3 4 2预应力钢筋腐蚀问题的防护措施 1 防止钢筋腐蚀的措施是不可忽视的 尤其是张拉与灌浆之间的时间相隔很长 并受到恶劣气候的影响的时候 因此 规范要求采用耐应力腐蚀性能好的预应力钢筋 当钢筋周围侵蚀性很严重时 一般可采取加覆盖层 有机物或金属 或者采用阴极保护措施进行保护 电镀层 镀锌 就具有这两种类型的保护作用 2 预应力钢筋在使用期间产生破坏的主要原因是设计误差 3 如果施加预应力的混凝土有足够的强度 则其质量本身就足以保护钢筋 强度不够的混凝土必定是不均匀或者有孔隙的混凝土 不利于钢筋保护 三 钢筋的应力腐蚀 此外 在施加预应力时 往往会出现一些施工差错 这对钢筋的保护是有害的 尤其是钢筋端部完全或者部分没有灌注混凝上 或者存在封闭缺隙等 因此 无论是在设计 施工还是在完工后的使用中 都必须对上述措施加以重视 并采取相应的对策 四 钢筋的徐变和松弛 4 1徐变和松弛的定义钢筋徐变 在高应力作用下 钢筋受力后 随时间增长应变继续增加 钢筋松弛 钢筋受力后 长度保持固定不变 钢筋中应力随时间增长而降低的现象称之为松弛 在金属的徐变和松弛的情况下 存在着明显的塑性变形过程的现象的局限性 这是由于金属内部结构的不够完善 就是说金属内部存在断缝结构 它的移动的运动引起着塑性变形 应力松弛现象基本是由于剪切断缝和扩散断缝的过程的结果 2020 2 21 四 钢筋的徐变和松弛 图中曲线 瞬时钢筋应力应变曲线 曲线 为钢筋假定经过无限长的时间后的应力应变曲线 t 为经过任意 t 时间后的应力应变曲线 即为钢筋最终的徐变值 为钢筋初始应力为T的最终松弛值 徐变和松弛的关系近似按式 4 2徐变与松弛的关系 2020 2 21 四 钢筋的徐变和松弛 4 2徐变与松弛的关系 四 钢筋的徐变和松弛 4 3影响钢筋松弛的因素由于钢筋的预应力混凝土结构中预应力钢筋张拉后的长度基本保持不变 钢筋中的应力处于松弛状态 影响钢筋松弛的主要因素 1 钢筋的松弛随时间而增长 松弛率逐渐下降 2 钢筋松弛且与初始应力大小有关 张拉控制应力值低时应力损失值越小 相反就越大 3 松弛值与钢筋的种类有关 一般的冷拉热轧钢筋松弛损失较冷拔低碳钢丝 碳素钢丝和钢绞线的低 钢绞线的应力松弛较用同样材料钢丝的松弛都大 4 钢筋松弛随着温度的增加而增加 5 钢筋松弛和钢材种类 张拉方法 一次张拉以及超荷张拉 控制应力值 时效与不时效有关 四 钢筋的徐变和松弛 4 4应力控制 张拉方法以及时效性对松弛的影响 四 钢筋的徐变和松弛 四 钢筋的徐变和松弛 四 钢筋的徐变和松弛 由上述可见 1 不同控制应力值对应力松弛损失是有影响的 控制应力高则应力松弛损失大 2 超荷张拉 一般可减少应力松弛损失 3 钢筋直径对应力松弛损失的影响不明显 4 冷拉钢筋采取同一张拉方法 经时效与不时效的应力松弛损失相差不明显 5 钢筋的松弛在开始阶段发展很快 一次张拉试验第一小时完成50 左右 24小时内完成80 96 左右 超荷张拉试验第一小时完成40 左右 24小时内完成60 左右 从持续1000小时的试验结果来看 90 以上的应力松弛损失发生在15天以内 15天后松弛发展很少 四 钢筋的徐变和松弛 4 5减少松弛损失的措施1 超荷张拉法2 预应力筋张拉完毕立即灌浆法3 补拉法 再次张拉法 4 综合法5 电热 机械张拉法6 钢筋热处理 参考文献 1 翟盘茂 任福民 中国近四十年最高最低温度变化 J 气象学报 1997 55 4 418 429 2 陈锦年 褚健婷 许兰英 南极气候和海冰的时空变化特征及其与太平洋海温场的关系 J 海洋学报 2003 25 6 39 47 3 李雄耀 王世杰 程安云 月球表面温度物理模型研究现状 J 地球科学进展 2007 22 5 480 485 4 王元清 武延民 石永久 低温对结构钢材主要力学性能影响的试验研究 J 铁道科学与工程学报 2005 2 1 1 4 5 WhiteleyJD ArmstrongBM WelburnRW Reinforcingandprestressingsteelsforcryogenicapplications C CryogenicConcret