第二章 钢筋和混凝土材料的物理力学(钢筋)

2.2.1 钢筋的种类和级别,碳素钢,高碳钢：含碳量(0.61.4)%,中碳钢：含碳量(0.250.6)%,低碳钢：含碳量0.25%,低合金钢,1、按化学成份分：,锰系（20MnSi、25MnSi）,硅钒系（40Si2MnV、45SiMnV）,硅钛系（45Si2MnTi）,硅锰系（40Si2Mn、48Si2Mn）,硅铬系（45Si2Cr）,20MnSi,含碳量万分之二十,含锰量1%,含硅量1%,含碳量越高钢材的强度越高，塑性和可焊性降低。,加入这些元素后可以有效的提高钢材的强度和改善钢材的其它性能。,我国钢筋产品主要分为： 1、热轧钢筋 2、热处理和冷加工钢筋 3、中高强钢丝和钢绞线,2、按生产工艺分,钢筋混凝土结构：热轧钢筋预应力混凝土结构：预应力钢绞线、消除应力钢丝、热处理钢筋,（1）热轧钢筋：低碳钢、普通低合金钢在高温状态下轧制而成。,HPB235级 Hot rolled（热轧）Plain（光面）Bar （钢筋）,HRB335级、HRB400级Hot rolled （热轧）Ribbed（带肋）Bar（钢筋）,RRB400级Remained heat treatment（余热处理）Ribbed （带肋）Bar（钢筋）,热轧钢筋：软钢，其强度较低、塑性较好。,按照外形特征可分为光圆钢筋和变形钢筋。,HPB235级(级)钢筋多为光面钢筋，作为现浇楼板的受力钢筋和构造钢筋、箍筋； HRB335级(级)和 HRB400级(级)钢筋强度较高，多作为钢筋混凝土构件的受力钢筋；尺寸较大的构件，为增强与混凝土的粘结也用外形制作成月牙肋或等高肋的变形钢筋HRB335级钢筋作箍筋的。,RRB400级(级)强度太高，不适宜作为钢筋混凝土构件中的配筋，一般冷拉后作预应力筋。,（2）热处理钢筋（硬钢） 将级钢筋再通过加热、淬火和回火等调制工艺处理的钢筋。热处理后钢筋强度得到大幅度的提高，而塑性（延伸率）降低并不多。用于预应力混凝土结构。,（3）冷加工钢筋 常温下采用某种工艺对热轧钢筋进行加工得到的钢筋。分为冷拉、冷拔、冷轧、冷轧扭四种工艺。目的是为了提高钢筋的强度以节约钢材。冷加工后，钢筋的延伸率降低。近年来，冷加工钢筋的品种很多，根据专门规程使用。 冷拉只能提高抗拉强度；冷拔可同时提高抗拉和抗压强度。,（4）钢丝和钢绞线 钢丝分为碳素钢丝、消除应力钢丝和刻痕钢丝三种。钢丝直径49mm，外形有光面、刻痕和螺旋肋三种。钢绞线外接圆直径8.615.2mm。中强钢丝的强度为8001200MPa，高强钢丝、钢绞线的强度为 14701860MPa。,冷拉低碳钢丝（消除应力钢丝）b,碳素钢丝 s,刻痕钢丝 k,钢绞线 j,消除应力钢丝：钢筋拉拔后，较直，经中温回火消除应力并稳定化处理的钢丝。螺旋肋钢丝是以普通低碳钢或低合金钢热轧的圆盘条为母材，经冷轧减径后在其表面冷轧成两面或三面有月牙纹的钢筋。光面钢丝和螺旋肋钢丝按直径可分为4、5、6、7、8、9六个级别。 刻痕钢丝：光面钢丝的表面上进行刻痕处理，以增加和混凝土的粘结能力，分5和7两种。钢绞线：多根高强钢丝捻制在一起经过低温回火处理清除内应力后而制成，分为3股和7股。中高强钢丝和钢绞线以及热处理钢筋都可用在预应力混凝土结构中。,钢筋的直径： 6，8，10，12，14，16，18，20，22，25，28，32，36，40,2.2.2 钢筋的强度和变形,有明显屈服点钢筋的强度和变形如：热轧低碳钢和普通热轧低合金钢所制成的钢筋 无明显屈服点钢筋的强度和变形如：热处理钢筋和钢丝、钢绞线,有明显屈服点钢筋的应力-应变（-）关系曲线,a点以前，与成比例，即 =Es， Es 为弹性模量，a点应力称为比例极限（proportional limit）,a点过后，与不再成比例，但仍为弹性变形； a点以后为非弹性， a点称为弹性极限（elastic limit）,达到b点时，出现塑性流动现象，b点位置与加载速度、断面形式、表面光洁度等因素有关，称为屈服上限（upper yield strength）,降至c点后，不增加而急剧增加，-关系接近水平，直至d点，c点称为屈服下限（lower yield strength） ，cd段称为屈服台阶（yield plateau）,d点以后，随的增加而继续增加，至e点达最大值，e点对应的称为钢筋的极限强度（ ultimate tensile strength），de段称为强化阶段 （strain hardening stage）,e点以后，试件的薄弱位置将产生颈缩现象，变形迅速增加，断面缩小，应力降低，ef段称为颈缩阶段（strain weakening stage） ，直至f点拉断,一、钢筋的应力-应变关系 有明显屈服点的钢筋,a为比例极限 s =Ese,a为弹性极限,de为强化段,b为屈服上限,c为屈服下限，即屈服强度 fy,cd为屈服台阶,e为极限抗拉强度 fu,无明显屈服点钢筋的应力-应变（-）关系曲线,整个应力-应变关系没有明显的屈服点，达极限抗拉强度后很快拉断，延伸率很小，破坏呈脆性。图中a点为比例极限，0.65b 。,条件屈服强度设计中取残余应变为0.2%所对应的应力 ，作为无明显屈服点钢筋的强度设计指标，称为“条件屈服强度”。取0.2 = 0.85b,无明显屈服点的钢筋,钢筋的强度标准值( Characteristic or Standard Strength) 按冶金钢材质量控制标准，钢筋的强度标准值是取其出厂时的废品限值，其数值相当于fy,m-3s，具有97.73%的保证率，满足建筑结构设计统一标准材料强度标准值保证率95%的要求。,冷加工的方法：冷拉、冷拔、冷轧。,冷加工的目的：改变钢材内部结构，提高 钢材强度，节约钢筋。,冷加工对钢材性能的影响。,冷拉冷拉强化（或冷作硬化）时效硬化,冷拉的目的提高抗拉强度，节约钢材用量，同时可以除锈。,采用控制应力和控制冷拉率两种方法。,冷拉后可提高钢材的抗拉强度，屈服台阶变短。,冷拉时应力值必须超过钢筋的屈服强度。,o,冷拉控制应力,(N/mm2),冷拉率,o,a,b,c,c,d,d,冷拉无时效,冷拉经时效,将低碳热轧钢筋或低合金钢通过直径较小孔洞的硬质合金模，在常温下用强力拔制而成。,冷拔后的钢筋抗拉和抗压强度提高，但塑性降低很多。,冷轧后，钢筋表面轧成带肋，强度与冷拔低碳丝接近，塑性好一些。,实际计算分析中，一般采用双线性的理想弹塑性关系,钢筋的理想弹塑性应力-应变关系,式中 Es钢筋的弹性模量； 钢筋的屈服应变； = / Es 。,1、规范理想弹塑性应力-应变（-）模型,2.2.3钢筋应力-应变（-）曲线的数学模型, 钢筋的弹性模量,2、三折线（完全弹塑性加硬化模型）,对于流幅后立即发生硬化的钢材,可采用三直线模型，以正确的估计高出屈服应变后的应力。此模型适用于流幅较短的软钢，其数学表达式如下：,c、双斜线（弹塑性模型）,对于没有明显流幅的高强钢筋或钢丝，应力应变曲线可采用双斜线。数学表达式如下：,反映钢筋变形的基本指标,延伸率：是反映钢筋塑性性能的指标，指钢筋拉断时（f点）对应的应变，按下式确定:,式中： L0 试件拉伸前量测标距的长度，一般取5d或10d L 拉断时量测标距的长度，量测标距包括颈缩区,冷弯性能 为了使钢筋在弯折加工时不致断裂和在使用过程中不致脆断，进行冷弯试验，保证满足规定的指标。冷弯是将直径为d的钢筋绕直径为D的刚锟，弯成一定的角度而无裂纹、鳞落且不发生断裂现象。图中叫冷弯角度。,1、钢筋的蠕变（徐变）：钢筋在高应力作用下，应变随时间增长而增加的现象。,2、钢筋的松弛：指钢筋受力后，在保持长度不变的情况下，其应变随时间增长而降低的现象。,3、影响蠕变和松弛因素： 蠕变和松弛随时间增长而增大，初始应力大，蠕变和松弛也大，温度增加时蠕变和松弛增大。,4、钢筋的疲劳 钢筋在承受重复、周期性的动荷载作用下，经过一定次数后，突然脆性断裂的现象。,钢筋的疲劳强度：是指在某一规定应力幅度内，经受一定次数（我国：2106）循环荷载后发生疲劳破坏的最大应力值。,钢筋疲劳断裂的原因：在钢筋内部和外部的缺陷处，容易引起应力集中。应力过高，产生疲劳裂缝，应力重复次数增加，裂纹扩展，造成断裂。,钢筋在重复性荷载作用下的疲劳强度低于其在静载作用下的极限强度原状钢筋的疲劳强度低于埋置在混凝土中的钢筋的疲劳强度, 影响钢筋疲劳强度的因素：应力幅度、最小（大）应力值、钢筋外表面及几何尺寸和形状、钢筋的直径、钢筋的强度、钢筋使用环境以及加载频率等。,2.2.5 混凝土结构对钢筋性能的要求,强度高：构件的承载力越高，钢材的用量越少 塑性好：结构在破坏前有明显的预兆 钢筋加工成型也越容易具有良好的可焊性：在一定的工艺条件下钢筋焊接后不产生裂纹及过大的变形，保证焊接后的接头性能良好 和混凝土之间具有良好的粘结性能：保证钢筋和混凝土共同工作,反映钢筋性能的基本指标,屈服强度fy（yi