一鋼筋的物理力學(xué)性能

1、一 鋼筋的物理力學(xué)性能 鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中，所用鋼筋的物理力學(xué)性能主要是在靜力、反復(fù)和重復(fù)荷載下的強(qiáng)度和彈塑性變形性能，彈塑性性能一般用延伸率和冷彎性能來表示。目前的發(fā)展趨向是盡量采用高強(qiáng)度的鋼筋，以減輕結(jié)構(gòu)的重量。如：美國(guó)鋼筋混凝土規(guī)范允許采用屈服強(qiáng)度()為56kgmm2作為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的設(shè)計(jì)強(qiáng)度。預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中，采用熱處理鋼筋以及碳素鋼絲，鋼絞線的強(qiáng)度分別達(dá)到160kgmm2和180kgmrn2。提高鋼筋強(qiáng)度的同時(shí)，要注意鋼筋的塑性性能，避免鋼筋脆斷。預(yù)應(yīng)力混凝土中的應(yīng)力松弛、應(yīng)力腐蝕等問題受廣泛重視。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)鋼筋的延性、承受反復(fù)作用力和重復(fù)荷載下的疲勞性能也進(jìn)

2、行了研究。此外，溫度，特別是低溫對(duì)鋼筋的物理力學(xué)性能的影響，我國(guó)也進(jìn)行了一定的研究。1.1 鋼筋的類型和應(yīng)力應(yīng)變曲線1 鋼筋的類型 混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中采用的鋼筋有碳素鋼和低合金鋼。碳素鋼分為低碳鋼(含碳量少于0.25%)和高碳鋼(含碳量在0.61.4)。含有錳、硅、釩、鈦等合金元素的低合金鋼(含有少量合金元素)。加入少量合金元素能顯著地提高鋼筋的綜合性能和強(qiáng)度。錳系的合金元素如16Mn，25MnSi等，硅釩系的低合金鋼如15SiV，35Si2V等，硅鈦系的低合金鋼如16SiTi，35Si2Ti等，另外還有錳硅釩系的如45MnSiV，65MnSiV等。 國(guó)外多采用硅-錳系低合金鋼，歐洲、

3、美國(guó)、日本常加鉻、釩，蘇聯(lián)則加入鈮、鈦、鋯。 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50010-2002)選用的鋼筋，是按照現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)鋼筋混凝土用熱軋帶肋鋼筋GB1499、鋼筋混凝土用熱軋光圓鋼筋GB13013、鋼筋混凝土用余熱處理鋼筋GB13014和預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絲GB/T5223選用。熱軋鋼筋根據(jù)強(qiáng)度等級(jí)分為I至級(jí)如表1-1所示。除I級(jí)鋼筋(3號(hào)鋼)為光面外。其余均為螺紋鋼筋。采用月牙形變形鋼筋。 鋼絲除碳素鋼絲、刻痕鋼絲外，還有用低碳鋼(0號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)不等)的鋼筋經(jīng)數(shù)道冷拔成的冷拔低碳鋼絲。此外，有將7股鋼絲用絞盤擰成的鋼絞線。 為了提高鋼筋強(qiáng)度，進(jìn)行冷加工的冷拉鋼筋，和經(jīng)過熱處理的熱處理

4、調(diào)質(zhì)V級(jí)鋼筋。熱處理調(diào)質(zhì)鋼筋斷面有圓形及橢圓形兩種。為了改善鋼筋的物理力學(xué)性能，國(guó)外鋼筋軋制外形有各種型式，圖1-1為其中的一些型式。c為冷扭鋼筋的一種型式。聯(lián)邦德國(guó)和我國(guó)都研制成整根鋼筋都扎出螺紋狀的肋條，可直接用螺紋套筒連接，避免焊接。國(guó)外鋼絞線有由2，3，7或19根鋼絲扭結(jié)組成。一種新型的經(jīng)過“模拔成型”的鋼絞線叫模拔鋼絞線（Dyform-Strand）如圖1-2所示。由于模拔過程中鋼絞線的每根鋼絲相互接觸被壓扁而使鋼絲截面接近六角形，大大減少了鋼絲之間孔隙和外徑，如圖1-2所示。2 鋼筋的應(yīng)力應(yīng)變曲線圖3為熱軋鋼筋3號(hào)鋼的應(yīng)力-應(yīng)變（）曲線。點(diǎn)比例極限，比例極限后，應(yīng)力與應(yīng)變不再成比例

5、增加，到達(dá)點(diǎn)后，接近水平線，此時(shí)應(yīng)變急劇增加應(yīng)力基本不動(dòng)，為屈服階段，一般熱軋鋼筋有兩個(gè)屈服點(diǎn)，為屈服上限，和為屈服下限。屈服上限為開始進(jìn)入屈服階段時(shí)，不穩(wěn)定，與許多因素有關(guān)，例如加載速度、斷面形式、試件表面光潔度和試件形式等，到達(dá)屈服下限時(shí)，應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)，應(yīng)力基本不變，比較穩(wěn)定。因而熱軋鋼筋屈服強(qiáng)度是以鋼材屈服下限為依據(jù)的。鋼筋屈服到達(dá)一定程度后，即到達(dá)點(diǎn)后，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系又形成上升曲線，即圖1-3中稱為強(qiáng)化階段。對(duì)于屈服臺(tái)階應(yīng)變較短的鋼筋，或抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中要求結(jié)構(gòu)“裂而不倒”時(shí)，可考慮利用鋼筋應(yīng)力的強(qiáng)化階段。點(diǎn)為鋼筋的極限強(qiáng)度，鋼筋到達(dá)極限強(qiáng)度后，薄弱斷面將顯著縮小，產(chǎn)生頸縮現(xiàn)象，塑性變形迅速增

6、加，名義拉應(yīng)力隨之下降，式中為鋼筋斷面積，最后發(fā)生斷裂如圖中段，如果此階段拉力除以實(shí)際頸縮的斷面積，式中為鋼筋頸縮后的斷面積，其應(yīng)力應(yīng)變曲線將為，實(shí)際應(yīng)力值是上升的。頸縮的大小，反映鋼筋的塑性性能。美國(guó)鋼筋混凝土規(guī)范規(guī)定鋼筋斷口縮小率要20以保證不致脆斷。金相學(xué)分析鋼筋的應(yīng)力應(yīng)變曲線，比例極限內(nèi)時(shí)，彈性變形主要取決于晶體陣上原子間的相互作用力。彈性變形階段主要是金屬內(nèi)部原子間距離改變，如圖1-5為彈性拉伸金屬原子間距離改變示意圖。 塑性變形是金屬晶體順某些結(jié)晶面發(fā)生滑移的結(jié)果，即順晶體的某個(gè)結(jié)晶面施加的剪應(yīng)力超過了晶體臨界切應(yīng)力產(chǎn)生滑移，如圖1-5所示。金屬內(nèi)部無數(shù)晶粒的滑移量總和構(gòu)成了宏觀的

7、塑性變形。理論上計(jì)算完整單晶體中某個(gè)晶面的臨界切應(yīng)力比實(shí)測(cè)值大23個(gè)數(shù)量級(jí)；其原因一般認(rèn)為實(shí)際晶體的缺陷位錯(cuò)，位錯(cuò)理論認(rèn)為金屬晶體中原子排列不是想象的那樣整齊，發(fā)生塑性變形時(shí)，滑移面不是整排原子一起移動(dòng)，而是通過缺陷的移動(dòng)去完成晶面間的相對(duì)滑移。電子顯微鏡觀察證實(shí)了晶體的不完整性。金屬晶體塑性變形實(shí)質(zhì)上就是位錯(cuò)的移動(dòng)形成晶面滑移所造成的。 軟鋼或一些金屬的屈服上下限也可用位錯(cuò)理論說明。Cottrel（卡特拉）首先提出鋼中溶解原子或離子態(tài)的氧、氮、炭等，這些雜質(zhì)原子處于位錯(cuò)中心，起了釘扎作用。這些溶解雜質(zhì)原子稱為Cottrel氣團(tuán)，Cottrel氣團(tuán)增加了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，宏觀反應(yīng)提高屈服限值形成

8、單軸拉伸時(shí)屈服上限。但當(dāng)位錯(cuò)在應(yīng)力作用下，一旦發(fā)生運(yùn)動(dòng)，雜質(zhì)原子的運(yùn)動(dòng)跟不上位錯(cuò)，位錯(cuò)就脫錨，于是發(fā)生低應(yīng)力下的滑移，即屈服下限。 晶體中位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)發(fā)生滑移時(shí)，一方面是晶粒變形，同時(shí)位錯(cuò)會(huì)發(fā)生繁殖，使晶體內(nèi)位錯(cuò)數(shù)量增多。當(dāng)位錯(cuò)密度大量增加后，由于位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)時(shí)發(fā)生交割等，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力又要增加，導(dǎo)致發(fā)生塑性變形后的變化，鋼筋拉伸超過屈服后的強(qiáng)化現(xiàn)象即為此。圖1-6為、級(jí)熱軋鋼筋應(yīng)力應(yīng)變曲線示意圖。有屈服臺(tái)階的熱軋鋼筋以鋼筋的屈服強(qiáng)度作為極限設(shè)計(jì)鋼筋強(qiáng)度的取值。圖1-7為碳素鋼絲的應(yīng)力應(yīng)變曲線。含碳量較高的鋼筋，沒有明顯的屈服臺(tái)階。我國(guó)用殘余應(yīng)變?yōu)?.2%時(shí)的應(yīng)力（即），（稱為假定屈服點(diǎn)或稱為條件流限）

9、作為鋼筋強(qiáng)度的指標(biāo)。國(guó)外也有用規(guī)定的應(yīng)變值作為假定的屈服點(diǎn)的。例如美國(guó)ASTM75級(jí)螺紋鋼筋用相當(dāng)于應(yīng)變0.0035時(shí)的強(qiáng)度作為假定屈服強(qiáng)度。3 鋼筋的塑性性能延伸率是衡量鋼筋塑性性能的一個(gè)指標(biāo)。鋼筋延伸率用和 (即標(biāo)距為10和標(biāo)距=5)的延伸率來表示。延伸率大小，影響到結(jié)構(gòu)的破壞是塑性還是脆性。屈服點(diǎn)的應(yīng)變值到極限應(yīng)變值的大小，反映了鋼筋的延性。為了使鋼筋使用時(shí)不會(huì)脆斷，加工時(shí)不會(huì)斷裂，要求鋼筋具有一定的冷彎性能。冷彎是將直徑為的鋼筋圍繞直徑為的彎心(規(guī)定1、2、3等)彎曲成一定的角度（90°或180°），彎曲后的鋼筋無裂紋，鱗落或斷裂現(xiàn)象。我國(guó)規(guī)定的熱軋鋼筋強(qiáng)度、延伸率

10、、冷彎要求的機(jī)械性能如表1-1。冷彎和延伸率都能反映鋼筋的塑性性能，而冷彎更能反映鋼筋的韌性。4 高強(qiáng)鋼筋或鋼絲的應(yīng)力應(yīng)變曲線的數(shù)學(xué)模型高強(qiáng)鋼筋或鋼絲的應(yīng)力應(yīng)變曲線的數(shù)學(xué)模型，采用Rambe-rg-Osgood（羅姆貝-奧斯古）多項(xiàng)式的形式，表達(dá)式為： （1-1） ，鋼筋的應(yīng)力和相應(yīng)的應(yīng)變值； ，參數(shù)，根據(jù)鋼筋類型來確定。當(dāng)鋼筋的應(yīng)力應(yīng)變曲線通過原點(diǎn)，其在原點(diǎn)處應(yīng)力應(yīng)變曲線斜率為，通過應(yīng)力，應(yīng)變的條件應(yīng)力點(diǎn)如圖1-8所示。（1-2）值約在730之間，值愈大非彈性部分應(yīng)力應(yīng)變曲線愈平緩。鋼筋應(yīng)力應(yīng)變曲線完整的方程式為： （1-3） （1-3） 鋼筋彈性比例極限。還有如Goldberg、Richa

11、rd采用Ramberg-Osgood多項(xiàng)式的倒數(shù)形式，Prager用帶有三角函數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式的數(shù)學(xué)模型等5 加載速度對(duì)應(yīng)力應(yīng)變的影響鋼筋的屈服強(qiáng)度隨著加載速度提高而提高。但隨著鋼筋強(qiáng)度的提高，提高值則逐漸減少。清華大學(xué)對(duì)3號(hào)、45MnSiv等16個(gè)鋼種700多個(gè)試件進(jìn)行快速加載試驗(yàn)，加載速度為0.050.25cmcm秒，3號(hào)鋼屈服強(qiáng)度提高30，16Mn鋼筋提高12，25MnSi鋼筋提高8。強(qiáng)度相近的鋼種加載速度的影響相近，鋼種的強(qiáng)度愈高，強(qiáng)度提高的比值愈低，沒有屈服臺(tái)階的鋼種值在快速變形下的提高比值與同等強(qiáng)度但具有屈服臺(tái)階的鋼種相近。圖1-9為鋼筋強(qiáng)度提高與加載速度的關(guān)系。美國(guó)ACl439委員會(huì)

12、也得到相似結(jié)果。表1-2為其中一部分結(jié)果，由表可知鋼筋強(qiáng)度的提高不但與加載速度和鋼筋強(qiáng)度有關(guān)，而且與屈服上限和下限提高值也有關(guān)。但鋼筋屈服上限值離散程度較大，不易確定。12鋼筋的冷加工1鋼筋的冷拉和時(shí)效1)鋼筋的冷拉冷拉是常溫下把鋼筋拉到超過屈服強(qiáng)度。是提高鋼筋屈服強(qiáng)度的一種冷加工強(qiáng)化方法，如圖當(dāng)鋼筋拉到超過屈服強(qiáng)度某一應(yīng)力時(shí)，已經(jīng)產(chǎn)生較大的塑性變形，放松后重新施加拉力時(shí)，應(yīng)力軌跡將沿行進(jìn)，經(jīng)過時(shí)效后沿行進(jìn)，屈服強(qiáng)度有了明顯提高，提高的程度與鋼筋強(qiáng)度有關(guān)，強(qiáng)度高的鋼筋提高不多。但塑性卻降低了。選擇合理的冷拉強(qiáng)度，點(diǎn)太高，強(qiáng)度雖然提高，但塑性差了。因此，既要考慮冷拉強(qiáng)度的提高，也要保證有一定的塑

13、性性能。例如我國(guó)鋼筋混凝土工程施工及驗(yàn)收規(guī)范對(duì)冷拉級(jí)鋼筋，要求冷拉后延伸率仍需有6以上。金相學(xué)分析冷拉鋼筋應(yīng)力狀態(tài)認(rèn)為，當(dāng)熱軋鋼筋接近正火狀態(tài)，所有晶粒的方向從宏觀力學(xué)角度看，認(rèn)為是各向同性的。鋼筋經(jīng)冷拉后，產(chǎn)生形變強(qiáng)化，提高了屈服強(qiáng)度是由于位錯(cuò)密度增加，互相阻凝，阻塞了滑移，提高了屈服強(qiáng)度，但延伸率下降。圖1-10所示為鋼筋母材，冷拉未經(jīng)時(shí)效和冷拉時(shí)效后的應(yīng)力應(yīng)變曲線。如何控制冷拉鋼筋的質(zhì)量，實(shí)際上各種強(qiáng)度等級(jí)的鋼筋的抗拉強(qiáng)度是在一定范圍內(nèi)變動(dòng)的，如圖1-11所示為級(jí)鋼筋(45MnSiV，44Mn2Si)實(shí)際應(yīng)力應(yīng)變曲線變化的一些例子，當(dāng)冷拉控制應(yīng)力一定時(shí)，例如圖中應(yīng)力為75kgmm2時(shí)，冷

14、拉率(即冷拉時(shí)伸長(zhǎng)率)的變化約在14左右，圖1-12所示為四川建筑科學(xué)研究所等單位根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查級(jí)鋼筋不同抗拉強(qiáng)度與冷拉率在冷拉控制應(yīng)力為75kgmm2時(shí)的相關(guān)曲線。從圖中曲線可知鋼筋強(qiáng)度高時(shí)，達(dá)到控制冷拉應(yīng)力時(shí)所需冷拉率較小，而鋼筋強(qiáng)度低時(shí)，達(dá)到控制冷拉應(yīng)力時(shí)，所需冷拉率大，會(huì)影響冷拉后鋼筋的延伸率。通過同時(shí)控制冷拉鋼筋的強(qiáng)度和冷拉率，來保證鋼筋冷拉后的質(zhì)量。但如果將冷拉率控制得過小，則容易將抗拉強(qiáng)度合格的鋼筋從檢驗(yàn)上和判斷上認(rèn)為不合格(即所謂錯(cuò)判)。如果將冷拉率控制值訂得過大，又會(huì)將鋼筋強(qiáng)度不合格的判認(rèn)為合格？。因此冷拉率控制值訂在發(fā)生這兩種錯(cuò)誤可能性都較小時(shí)最為理想。我國(guó)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

15、規(guī)范規(guī)定級(jí)至級(jí)冷拉鋼筋控制應(yīng)力和冷拉率如表1-3所示。 2）鋼筋的冷拉時(shí)效 鋼筋冷拉后未經(jīng)時(shí)效，沒有明顯的屈服臺(tái)階(如圖1-10)，經(jīng)過自然條件或人工加熱后恢復(fù)了屈服臺(tái)階，并提高了屈服強(qiáng)度稱之為時(shí)效。普通碳素鋼筋冷拉后自然條件下即能發(fā)生時(shí)效，且屈服點(diǎn)隨自然時(shí)效的時(shí)間而增加。但普通低合金鋼筋在自然條件下時(shí)效，其機(jī)械性能變化十分緩慢，且鋼種級(jí)別愈高，變化愈小。為了使普通低合金鋼筋冷拉后發(fā)生時(shí)效，進(jìn)行加熱處理，時(shí)效制度一般為加熱250°C半小時(shí)。但對(duì)某些低合金高強(qiáng)度鋼筋，當(dāng)含氫量在0.005以下，可以有效地防止機(jī)械時(shí)效。低碳鋼中摻入0.25的鈦可以使時(shí)效不起作用。冷拉鋼筋人工時(shí)效對(duì)彈性模量

16、有影響，一般低合金鋼經(jīng)冷拉后彈性模量由2.0×106kgcm2下降到1.8×106kgcm2，而經(jīng)人工時(shí)效后，值又幾乎恢復(fù)到原材數(shù)值。低合金鋼筋冷拉后彈性模量的變化，是由于用靜力法測(cè)得值，冷拉后由于內(nèi)部有內(nèi)應(yīng)力，用靜力法測(cè)得的值不是真正的彈性模量值。當(dāng)加熱人工時(shí)效后，消除了內(nèi)應(yīng)力，因此測(cè)得的值又有所恢復(fù)，如用高頻疲勞機(jī)測(cè)鋼筋的值，可以避免內(nèi)應(yīng)力的影響，所測(cè)得的結(jié)果不隨冷拉和冷拉時(shí)效而改變，如表1-4所示。2 鋼筋的冷拔冷拔就是把鋼筋拉過比它本身直徑小的硬質(zhì)合金模，如圖1-13所示。冷拔使鋼筋受到很大側(cè)向擠壓力，從而使鋼筋截面積減小，長(zhǎng)度增加。隨著引拔拉力和橫向擠壓力的增加，

17、鋼筋的強(qiáng)度也逐漸提高，而延伸率則隨之急劇降低。 冷拔的截面壓縮率小于2030時(shí)，鋼筋強(qiáng)度的提高，主要是由于位錯(cuò)密度增加，如壓縮率超過50后，逐漸發(fā)出“擇優(yōu)取向”，即各種晶粒中不但發(fā)生滑移，而且滑移面轉(zhuǎn)動(dòng)，拉伸時(shí)滑移面轉(zhuǎn)向拉力軸方向，因此產(chǎn)生各向異性，此時(shí)強(qiáng)度提高除主要由于位錯(cuò)密度增加外，同時(shí)也考慮各向異性的影響。冷拔低碳鋼絲力學(xué)性能如表1-5，其應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖1-14。 冷拔低碳鋼絲比例極限與抗拉強(qiáng)度平均比值為0.710.84，條件流限()與抗拉強(qiáng)度的平均比值為0.91.0，其彈性模量為(1.762.37)×106kgcm2，平均延伸率為(2.353.52)。 冷拔低碳鋼絲存在的問

18、題是強(qiáng)度波動(dòng)較大。強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差為(3.27-10)kgmm2，其變異系數(shù)為(4.113.6)。冷拔低碳鋼絲延伸率較小，有可能使結(jié)構(gòu)出現(xiàn)脆性破壞。 影響冷拔低碳鋼絲強(qiáng)度除原材料的強(qiáng)度外，主要是引拔后截面總壓縮率。截面壓縮率與鋼絲強(qiáng)度影響關(guān)系如圖115。截面壓縮率大時(shí)，鋼絲強(qiáng)度亦高；反之則低。在總壓縮率相同時(shí)，引拔次數(shù)對(duì)鋼絲強(qiáng)度影響不大。冷拔低碳鋼絲的延伸率，直接影響構(gòu)件的破壞特征。冷拔低碳鋼絲延伸率隨著截面總壓縮率的增大而降低。圖1-16為直徑7mm盤條引拔至各種直徑鋼絲時(shí)延伸率變化示意圖。在相同截面總壓縮率情況下，引拔次數(shù)愈多，延伸率愈小。強(qiáng)度與伸長(zhǎng)率有一定關(guān)系，一般強(qiáng)度高的延伸率小。我國(guó)應(yīng)用于

19、預(yù)應(yīng)力混凝土的碳素鋼絲常用直徑和抗拉強(qiáng)度如表1-6。國(guó)外采用預(yù)應(yīng)力鋼絲直徑3.0mm8.0mm，最大到12mm。為了改善冷拔碳素鋼絲的性能，用冷拔后進(jìn)行低溫回火處理，以消除冷強(qiáng)化的應(yīng)力。這種鋼絲稱為應(yīng)力消除鋼絲，其比例極限，條件流限、彈性模量均有所提高，塑性也有所改善，國(guó)際上通常采用的應(yīng)力消除的碳素鋼絲直徑為312，特征強(qiáng)度為150190kgmm2。3 鋼筋的熱處理熱處理鋼筋根據(jù)生產(chǎn)工藝的不同分為調(diào)質(zhì)熱處理、高頻感應(yīng)熱處理和余熱處理三種，我國(guó)為調(diào)質(zhì)熱處理鋼筋，有44Mn2Si，45MnSiV，45Si 2Mn等。調(diào)強(qiáng)度在140160kgmm2之間，規(guī)定熱處理V級(jí)鋼筋抗拉強(qiáng)度為150kgmm2。

20、熱處理鋼筋存在的一個(gè)問題，容易發(fā)生脆斷的情況，例如，44Mn2Si熱處理鋼筋在成盤存放時(shí)，由于盤徑較小，外表面受拉，鋼筋受到應(yīng)力腐蝕而發(fā)生脆斷。有的在使用中，在低應(yīng)力下發(fā)生脆斷，例如45Si2Mn調(diào)質(zhì)熱處理鋼筋用于軌枕時(shí)，在150kgmm2應(yīng)力下，即發(fā)生脆斷情況。斷裂力學(xué)概念來看，材料斷裂與否并不完全依賴強(qiáng)度儲(chǔ)備大小，而取決于材料斷裂韌度的大小。45Si2Mn熱處理鋼筋強(qiáng)度和斷裂韌度的關(guān)系曲線如圖1-17所示，曲線表明強(qiáng)度在(160180)kgmm2范圍內(nèi)，斷裂韌度下降了l00kgmm3/2。因此熱處理鋼筋除考慮強(qiáng)度外，還應(yīng)考慮斷裂韌度。此外熱處理鋼筋的淬火溫度，回火溫度，以及含碳量均對(duì)斷裂韌

21、度有影響。日本曾采用高頻感應(yīng)爐熱處理鋼筋，其直徑在932mm，強(qiáng)度可達(dá)到8095135145kgmm2。蘇聯(lián)曾用余熱處理熱軋鋼筋，強(qiáng)度可提高一倍以上，成本也較低，但鋼筋淬火和回火溫度不易控制，因此鋼筋性能不夠穩(wěn)定。13 鋼筋的徐變和松弛在高應(yīng)力下，鋼筋受力后，隨時(shí)間增長(zhǎng)應(yīng)變繼續(xù)增加稱之為徐變。而鋼筋受力后，長(zhǎng)度保持固定不變，鋼筋中應(yīng)力隨時(shí)間增長(zhǎng)而降低的現(xiàn)象稱為松弛。圖1-18中曲線() 為瞬時(shí)鋼筋的應(yīng)力應(yīng)變曲線，曲線()為鋼筋假定經(jīng)過無限長(zhǎng)的時(shí)間后的應(yīng)力應(yīng)變曲線，()為經(jīng)過任意()時(shí)間后的應(yīng)力應(yīng)變曲線。即為鋼筋最終的徐變值，為鋼筋經(jīng)過時(shí)間的徐變值。即為鋼筋初始應(yīng)力為的最終松弛值，為經(jīng)過()時(shí)間

22、后的松弛值。徐變和松弛的關(guān)系可以近似按，式中為應(yīng)力應(yīng)變曲線中在應(yīng)力處的斜率。預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋張拉后長(zhǎng)度基本保持不變，鋼筋中的應(yīng)力處于松弛狀態(tài)，因此著重研究鋼筋的松弛性能。松弛隨時(shí)間而增長(zhǎng)，且與初始應(yīng)力大小、溫度和鋼材種類等因素有關(guān)。影響因素如下1）松弛與時(shí)間的關(guān)系中國(guó)建筑科學(xué)研究院等單位對(duì)冷拉熱軋鋼筋、冷拔低碳鋼絲，鋼絞線進(jìn)行了試驗(yàn)研究。圖1-191-22所示為冷拉40Si2V，碳素鋼絲，3冷拔低碳鋼絲的應(yīng)力松弛關(guān)系采用半對(duì)數(shù)坐標(biāo)表示的曲線和鋼絞線的應(yīng)力松弛曲線。圖中曲線表明，鋼筋的松弛發(fā)展較混凝土快得多。但也和混凝土一樣，隨時(shí)間增長(zhǎng)松弛率逐漸減小，如用時(shí)間為對(duì)數(shù)坐標(biāo)時(shí)，基本為一直線關(guān)系

23、。 松弛設(shè)計(jì)時(shí)常假定1000小時(shí)的松弛為100，國(guó)際預(yù)應(yīng)力混凝土協(xié)會(huì)(FIP)給出100小時(shí)的松弛約占1000小時(shí)值的55左右。但我國(guó)的試驗(yàn)結(jié)果表明，第一小時(shí)和24小時(shí)完成的松弛已超過上述值，數(shù)值結(jié)果的不同，可能由于鋼筋初始應(yīng)力值、鋼筋的機(jī)械性能、制造方法，鋼筋的化學(xué)成份以及試驗(yàn)程序等，特別是初始應(yīng)力值，恒溫設(shè)備的精確性，以及加載結(jié)速度與第一次讀數(shù)時(shí)間間隔等影響因素，對(duì)松弛是很重要的。 實(shí)際上鋼筋松弛超過1000小時(shí)后仍繼續(xù)增加。法國(guó)Guyon（谷雍）給出表1-7的數(shù)值，數(shù)值為總松弛損失的百分?jǐn)?shù)。1000小時(shí)的松弛約占總的可能損失值的72左右。FIP的松弛隨時(shí)間關(guān)系公式為： (1-4) 初始應(yīng)

24、力；，在時(shí)間和時(shí)的應(yīng)力損失； 系數(shù)，與預(yù)應(yīng)鋼材類型有關(guān)，表示在時(shí)間以后直線的斜率。無試驗(yàn)資料時(shí)，可用經(jīng)驗(yàn)公式表示鋼筋小時(shí)后松弛損失值： （1-5） 鋼筋的總松弛損失值； 若干小時(shí)后。 2）松弛與張拉應(yīng)力和鋼種的關(guān)系松弛損失與鋼筋初始張拉應(yīng)力大小有關(guān)。鐵道科學(xué)研究院對(duì)兩種不同的初始應(yīng)力鋼絞線的松弛試驗(yàn)結(jié)果如表1-8，鋼絞線所處氣溫為2035，且未經(jīng)預(yù)拉。 即：張拉控制應(yīng)力值低時(shí)，應(yīng)力松弛損失值小，張拉應(yīng)力控制值高時(shí)，應(yīng)力松弛損失值大（為什么？）。 松弛損失值與鋼筋類型有關(guān)，冷拉熱軋鋼筋控制應(yīng)力在(0.850.90)時(shí)1000小時(shí)松弛損失平均在3.44.5左右。而冷拔低碳鋼絲控制應(yīng)力為0.70時(shí)，

25、1000小時(shí)約5.46，碳素鋼絲控制應(yīng)力為0.7時(shí)1000小時(shí)為(5.07.85)，鋼絞線在控制應(yīng)力(0.650.7) 僅336小時(shí)，松弛損失已達(dá)(67)。所以，冷拉熱軋鋼筋松弛損失較冷拔低碳鋼絲、碳素鋼絲和鋼絞線的低，鋼絞線的應(yīng)力松弛較用同樣材料鋼絲的松弛都大（分析原因）。 3）減小松弛損失的措施 減少松弛損失的措施有超張拉來減少松弛損失值，用低松弛高強(qiáng)鋼筋、鋼絲和鋼絞線。國(guó)外的低松弛高強(qiáng)鋼材有兩類。一類是應(yīng)力消除的高強(qiáng)鋼絲和鋼絞線，一類是經(jīng)過專門“穩(wěn)定”處理而得到低松弛的高強(qiáng)鋼絲、鋼絞線和某些粗鋼筋。在一定溫度(如350)和拉應(yīng)力下預(yù)先張拉鋼絲，這種形變熱處理工藝可大大減少鋼絲的松弛。后一

26、類松弛損失只有前一種的1314。表1-9為二類鋼材在不同控制應(yīng)力下1000小時(shí)松弛情況。采用應(yīng)力消除的鋼絲、鋼絞線的松弛損失規(guī)律國(guó)外采用經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式： （1-6） 在張拉小時(shí)后的松弛損失； 初始應(yīng)力值； 當(dāng)殘余變形為0.1時(shí)鋼筋的應(yīng)力。僅適用于0.55時(shí)。 4）溫度影響下的鋼筋松弛松弛隨著溫度增加而增加的。TCahill（卡赫拉），GDBranch（布瑞赤）給出了在初始應(yīng)力低于0.75極限抗拉強(qiáng)度時(shí)、在1000小時(shí)、在20、40、60和100時(shí)鋼筋徐變和松弛損失值，如表1-10和圖1-23。他還給出了從20到100隨時(shí)間增長(zhǎng)應(yīng)變值的規(guī)律： （1-7）、按表1-11取值。14 鋼筋的應(yīng)力腐蝕1

27、鋼筋的應(yīng)力腐蝕 預(yù)應(yīng)力鋼筋隨著鋼筋強(qiáng)度提高，塑性、韌性有所下降，在腐蝕介質(zhì)的作用下，對(duì)于腐蝕的敏感性會(huì)大大加強(qiáng)。國(guó)內(nèi)外都發(fā)生過熱處理鋼筋和高強(qiáng)鋼絲發(fā)生突然斷裂的事故。如熱軋65MnSiV鋼筋貯存過程中受到工業(yè)大氣腐蝕使鋼材脆斷，日本和南斯拉夫發(fā)生過高強(qiáng)鋼絲的斷裂。 鋼筋在潮濕空氣中或在有侵蝕的介質(zhì)中，由于電化學(xué)引起鋼材腐蝕，使鋼筋表面形成大小不等彌散分布的腐蝕坑。腐蝕坑即相當(dāng)于一個(gè)“缺口”。在受拉過程中，引起應(yīng)力不均勻分布，且造成在“缺口”邊緣的應(yīng)力集中，在平均應(yīng)力尚低時(shí)，“缺口”邊緣應(yīng)力已達(dá)到斷裂應(yīng)力，引起早期斷裂。 腐蝕所造成的“缺口”敏感效應(yīng)與鋼筋的組織狀態(tài)有關(guān)。有較高的含碳量及較高的殘

28、余應(yīng)力時(shí)， “缺口”對(duì)應(yīng)力更為敏感。 不同的鋼筋外形和鋼種的應(yīng)力腐蝕的鋼筋斷口也不一樣，腐蝕點(diǎn)位置也不同，腐蝕后鋼筋拉斷口，呈放射狀波紋，且自腐蝕坑處開始。斷口宏觀如圖1-24， I區(qū)為斷裂源，區(qū)為裂紋快速發(fā)展區(qū)域，有大量塑性變形，區(qū)為近45°切唇是最后斷裂部位，、區(qū)間沒有明顯的過渡區(qū)域。從微觀結(jié)構(gòu)看，有腐蝕介質(zhì)作用時(shí)，在正常情況下，應(yīng)力造成晶格的滑移使晶粒結(jié)合在一起的某些物質(zhì)達(dá)到破壞，從而拉應(yīng)力把晶格拉開造成沿晶界的斷裂，如圖1-25。圖1-25中的裂縫為沿晶界斷裂的情況。另一種情況，陽(yáng)極腐蝕沿著穿過晶粒的平面得到發(fā)展，此時(shí)應(yīng)力決定著裂紋發(fā)展的方向，腐蝕決定它的速度，因此應(yīng)力腐蝕導(dǎo)

29、致穿晶斷裂。 造成應(yīng)力腐蝕的另一個(gè)原因是氫脆斷，氫脆的微觀過程：氫向鋼中空穴或夾渣和機(jī)體界面，或位錯(cuò)聚集區(qū)擴(kuò)散，因?yàn)闅錃鈮毫υ黾?，使裂紋產(chǎn)生；有的認(rèn)為氫在破壞面的吸附，降低表面能，使鋼筋變脆；有的認(rèn)為氫向最大三軸應(yīng)力場(chǎng)擴(kuò)散，達(dá)到臨界濃度使鐵晶格原子間結(jié)合力下降而脆化。 因此，應(yīng)力腐蝕可以看成是電化學(xué)腐蝕和力學(xué)的復(fù)合作用下導(dǎo)致斷裂的過程。應(yīng)力腐蝕的發(fā)生要滿足三個(gè)條件，要有一定的腐蝕介質(zhì)，要有一定的荷載和在一定的材質(zhì)條件下才發(fā)生應(yīng)力腐蝕。首先是拉應(yīng)力造成的應(yīng)變破壞了材料表面的純化膜，新鮮表面與介質(zhì)接觸發(fā)生電化學(xué)腐蝕，形成腐蝕坑，產(chǎn)生了裂紋源。在源處出現(xiàn)三向拉應(yīng)力集中地區(qū)，介質(zhì)中電化學(xué)反應(yīng)形成的有害

30、元素(如氫)可吸附在材料表面，擴(kuò)散到三向應(yīng)力區(qū)，造成裂紋尖端部位材料性能的脆化，引起裂紋擴(kuò)展，最后導(dǎo)致斷裂。2 斷裂力學(xué)對(duì)應(yīng)力腐蝕的分析斷裂力學(xué)是采用應(yīng)力和介質(zhì)共同作用下發(fā)生斷裂的延遲時(shí)間，來判斷材料應(yīng)力腐蝕敏感性影響的一門科學(xué)。用表面近于無缺陷的光滑試樣，來測(cè)定應(yīng)力腐蝕斷裂時(shí)間，包括兩個(gè)部分：即集中侵蝕引起裂紋源的生核孕育階段，和由裂紋源(蝕坑)至斷裂的裂紋擴(kuò)展階段，前者約占斷裂總時(shí)間的90，而后者約占10。（說明什么問題）用表面近于無缺陷的光滑試樣，說明這種材料在應(yīng)力腐蝕中，不產(chǎn)生裂紋源，而實(shí)際構(gòu)件中，鋼筋一般不同程度的存在著裂紋，或類似裂紋的缺陷。所以利用預(yù)制裂紋試樣的方法來研究材料應(yīng)力

31、腐蝕的性能。這種試樣可得出與實(shí)際相符的結(jié)果，或者是構(gòu)件在工作中可能遇到的最壞的情況，并可取得應(yīng)力腐蝕臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子和裂紋在介質(zhì)中的擴(kuò)展速率等（為裂紋長(zhǎng)度）。試驗(yàn)表明，裂紋擴(kuò)展速率主要取決于裂紋頂端的應(yīng)力強(qiáng)度因子，如圖1-26所示。 (18) 裂紋長(zhǎng)度； 與裂紋形狀有關(guān)系數(shù)； 各義拉應(yīng)力；圖1-27為楔力加載條件下裂紋擴(kuò)展速率（為裂紋長(zhǎng)度，為時(shí)間）與應(yīng)力強(qiáng)度因子和凈斷面應(yīng)力的關(guān)系。從圖中可知，當(dāng)值降到某一水平時(shí)，近于0，即在應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)中，裂紋擴(kuò)展特性同樣也存在一界限值，即達(dá)到應(yīng)力腐蝕臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子 (即臨界的裂紋擴(kuò)展力)時(shí)，裂紋即停止擴(kuò)展。臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子一般總是等于材料在空氣中的斷裂韌度

32、。靜載作用下，不同介質(zhì)條件下對(duì)裂紋擴(kuò)展和延遲斷裂是有影響的。水是腐蝕性很強(qiáng)的介質(zhì)，空氣是惰性介質(zhì)，但空氣的相對(duì)濕度超過60時(shí)，即與水中裂紋擴(kuò)展特性相同。介質(zhì)中如含有氫則顯著加速裂紋擴(kuò)展速率，但介質(zhì)中的氧能明顯的降低或停止裂紋的擴(kuò)展。3 鋼筋應(yīng)力取值對(duì)應(yīng)力腐蝕性能的影響鋼筋強(qiáng)度和預(yù)應(yīng)力值對(duì)應(yīng)力腐蝕性能有一定影響。圖1-28為不同張拉應(yīng)力與抗腐蝕性能的關(guān)系曲線。圖中表明應(yīng)力腐蝕的敏感性隨鋼筋強(qiáng)度和應(yīng)力張拉值的提高而增加。所以即使強(qiáng)度高的鋼筋，使用應(yīng)力亦不能控制得太高。相反，抗拉強(qiáng)度適當(dāng)降低，對(duì)抗應(yīng)力腐蝕性能有顯著改善，例如強(qiáng)度144.2kgmm2和154.6kgmm2的45Si2Mn的鋼筋，當(dāng)張拉

33、控制應(yīng)力為0.65時(shí)，則強(qiáng)度低的抗應(yīng)力腐蝕為強(qiáng)度高的兩倍。國(guó)外的資料給出預(yù)應(yīng)力鋼材的使用應(yīng)力與經(jīng)濟(jì)性和安全性的關(guān)系如圖1-29。曲線表明當(dāng)抗拉強(qiáng)度為160kgmm2，使用應(yīng)力為0.55，抗應(yīng)力腐蝕既安全又經(jīng)濟(jì)。使用應(yīng)力大于0.55，從經(jīng)濟(jì)性來看雖好，但對(duì)抗應(yīng)力腐蝕來講是不大安全的。如果使用應(yīng)力小于0.55時(shí)，抗應(yīng)力腐蝕性能好，但使用應(yīng)力較低。說明從抗腐蝕性能來看，不能單純提高張拉應(yīng)力強(qiáng)度。15 鋼筋的低溫性能 在寒冷地區(qū)的建筑，需要注意鋼筋的低溫性能情況。我國(guó)在1959年到1963年間發(fā)生過幾起鋼筋混凝土薄腹梁低溫脆斷事故。黑龍江省低溫建筑科學(xué)研究所對(duì)碳素鋼和低合金鋼鋼筋的低溫性能進(jìn)行了研究。

34、碳素鋼或普通低合金鋼筋都是以體心立方晶格的鐵素體為基本結(jié)構(gòu)。這種金屬中的原子，隨著溫度降低，熱運(yùn)動(dòng)減弱，反映在力學(xué)性能方面，為強(qiáng)度增高、塑性或韌性降低，脆性性能增加，稱為金屬的冷脆性或冷脆傾向。具有冷脆傾向的材料，如材料具有初始缺陷或裂紋時(shí)，容易發(fā)生低溫脆斷，因此要求建筑鋼材在低溫下要具有一定的塑性和韌性，以增強(qiáng)其抗脆斷能力。1 鋼筋的低溫力學(xué)性能 圖1-30為幾種低合金鋼在不同溫度下強(qiáng)度和韌性的情況。隨著溫度的降低，鋼筋的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度都有提高，但延伸率則有所降低。在低溫下，鋼筋的屈服強(qiáng)度通常比抗拉強(qiáng)度提高的幅度要大，如在-40時(shí)，15MnSiV屈服強(qiáng)度提高1014，而抗拉強(qiáng)度約提高39

35、。但隨著鋼筋等級(jí)的提高，其屈服強(qiáng)度提高的幅度也下降了，例如，65MnSiV鋼筋，屈服強(qiáng)度提高僅27。延伸率的降低也隨著鋼筋級(jí)別的提高而減少。鋼筋的沖擊韌性值用來判斷材料在一定條件下對(duì)缺口的敏感性和韌性，一定程度上表示了材料在低溫下的抗脆斷能力。一般說值高，抗脆斷能力強(qiáng)。圖1-31為鋼筋在不同溫度下的沖擊韌性。隨著溫度的降低，鋼筋的沖擊韌性值逐漸下降。沖擊韌性值與含碳量和合金元素有關(guān)，含碳量愈高，沖擊韌性愈低，合金元素對(duì)鋼材強(qiáng)化作用越大，低溫沖擊韌性值就越低。2 影響鋼筋低溫力學(xué)性能的其他幾種因素 1）化學(xué)成分的影響：隨著含碳量的增加鋼的強(qiáng)度增高，塑性或韌性降低，增加了低溫下冷脆傾向，為了改善鋼

36、材韌性，可降低含碳量，同時(shí)增加錳的含量，這對(duì)鋼的冷脆傾向有較好的效果，摻入釩鈦等也可改善鋼的韌性。增加硅的含量，雖可提高鋼的強(qiáng)度，但使塑性韌性降低。 2）冷拉的影響：鋼筋冷拉后的伸長(zhǎng)率和沖擊韌性一般是隨冷拉程度增大而下降的。冷拉增加了鋼筋的冷脆傾向。冷拉鋼筋經(jīng)時(shí)效后延伸率和沖擊韌性下降，也增加冷脆傾向。3）焊接影響：焊接接頭的低溫力學(xué)性能與焊接質(zhì)量有關(guān)，特別是鋼筋級(jí)別較高時(shí)，由于含碳量及合金元素較高，對(duì)淬火過熱和氧化都比較敏感，常在熱影響區(qū)發(fā)生脆斷。 4）工藝缺陷的影響：鋼筋在加工過程中，由于表面造成缺陷，如刻痕、撞擊缺陷、焊接燒傷和咬肉等會(huì)損壞其力學(xué)性能、增加冷脆傾向。16 鋼筋的包興格(B

37、auschinger)效應(yīng)1 在反復(fù)應(yīng)力下鋼筋的包興格效應(yīng) 如果鋼筋只承受單向重復(fù)荷載，即受拉或受壓時(shí)，其加載、卸載在破壞前的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖1-32。卸載時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線為直線，與加載時(shí)彈性變形時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變直線相平行，再加載時(shí)，將沿著卸載時(shí)的直線上升。承受反復(fù)拉壓荷載時(shí)，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到塑性階段，其反復(fù)荷載下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖1-33。當(dāng)應(yīng)力超過彈性變形到達(dá)時(shí)開始卸載，卸載時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線與彈性變形時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線平行，但反面受壓時(shí)，其彈性極限到達(dá)點(diǎn)后，即開始塑性變形，此時(shí)的彈性極限較未受反復(fù)荷載的受壓彈性極限為低，反映了明顯的包興格效應(yīng)。 1887年德國(guó)的包興格通過對(duì)鋼材拉壓試驗(yàn)認(rèn)為經(jīng)過拉

38、伸(或受壓)超過彈性變形產(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，荷載超過彈性極限愈高，則反向受力時(shí)的彈性極限降低愈多，此即稱為“包興格效應(yīng)”。 加滕、（帕科）等人，分析了在應(yīng)力逐次增加的情況下，反復(fù)荷載下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖1-34。這種應(yīng)力應(yīng)變曲線有三部分組成，骨架部分，卸載部分，包興格效應(yīng)的軟化部分。重黑線部分為骨架部分，將每次反復(fù)荷載的骨架部分拉壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線相互連接如圖1-35，虛線部分為同類型和同斷面尺寸的鋼材試件在單調(diào)加載下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。，可以看出兩條曲線除反向壓第一次屈服部分有差異外，其他部分基本符合。所以，可以認(rèn)為骨架部分的應(yīng)力-應(yīng)變曲線為單調(diào)加載應(yīng)力

39、-應(yīng)變曲線的一部分，骨架部分累積的最大應(yīng)變值與單調(diào)荷載最大應(yīng)變值相同。 圖1-34中卸載的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系近似為直線與初始加載彈性階段時(shí)的斜率相同。虛線部分為包興格效應(yīng)的軟化部分。影響包興格效應(yīng)的因素很多，如鋼材的原始性能的影響，不同類型鋼材晶粒大小不同，以及退火、回火的不同都會(huì)影響包興格效應(yīng)，另外加載速度也會(huì)有影響。主要分析荷載循環(huán)次數(shù)對(duì)包興格應(yīng)力軟化的關(guān)系。Singh（森格）等人認(rèn)為，初始加載時(shí)的塑性應(yīng)力愈大，反向應(yīng)力軟化降低值愈大。圖l-36為軟化變形模量與初始彈性模量E的比值，以及反向應(yīng)力在應(yīng)變?yōu)?.002和0.008時(shí)與塑性應(yīng)變值的關(guān)系。循環(huán)次數(shù)與反向應(yīng)力軟化情況關(guān)系如圖1-37，為循

40、環(huán)次數(shù)與反向應(yīng)變?yōu)?.008時(shí)所給出一個(gè)區(qū)域范圍關(guān)系，總的傾向是循環(huán)次數(shù)愈多，變形剛度愈高，軟化影響愈小。 產(chǎn)生包興格效應(yīng)的原因，金相學(xué)認(rèn)為由于金屬中各晶體取向不同，因此各晶粒受力不同，變形情況和變形程度也不同，例如在拉伸時(shí)晶粒在拉伸荷載下各晶粒的受力和變形不同。有的處于彈塑性變形狀態(tài)，當(dāng)卸載后，那些彈性變形晶粒已基本恢復(fù)原狀，但那些發(fā)生過彈塑性變形晶粒不能恢復(fù)原狀，仍然處于拉伸狀態(tài)，這些晶粒力圖要恢復(fù)原狀，要壓縮周圍的晶粒，因此，雖然外加荷載已經(jīng)除去，但仍有殘余應(yīng)力存在，一些晶體仍存有殘余拉應(yīng)力。 當(dāng)承受反向荷載作用時(shí)，一方面有助于原拉伸晶?；謴?fù)原狀，或進(jìn)一步反向變形，但另一部有殘余壓應(yīng)力的

41、晶粒，由于有初始?jí)簯?yīng)力，因此在作用小于初始彈性極限的壓應(yīng)力下，即從彈性變形過渡到塑性變形，發(fā)生包興格效應(yīng)的應(yīng)力軟化現(xiàn)象。 因此包興格效應(yīng)實(shí)質(zhì)上是由于晶粒內(nèi)殘余應(yīng)力的存在而引起的，當(dāng)采取措施，使殘余內(nèi)應(yīng)力消失后，包興格效應(yīng)即消除。2 包興格效應(yīng)的數(shù)學(xué)模型 如何用數(shù)學(xué)模型來反映包興格效應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，ASingh等人給出一指數(shù)方程式，但公式與不同加載歷史的符合情況不好。由于反復(fù)荷載下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，可能是定荷載的，也可能是逐次加載的反復(fù)荷載，或逐次減載的以及隨機(jī)性反復(fù)荷載。兩種考慮加載歷史的途徑，一種是數(shù)學(xué)模型建立在以前歷史基礎(chǔ)上，例如加滕，Popov(珀普)，Sozen（蘇振）等人，一種是

42、以Ramberg-Osgood公式為基礎(chǔ)加以修正和通用化。也考慮加載歷史，但不直接，Bertero（波特瑞），Popov，Aktan（阿肯坦），Karlson（卡洛蓀），Kent，Park，橫尾，中村等人所建立的公式屬于此種。Singh、加滕以及Kent、Park方法如下。 ASingh的指數(shù)公式為： （1-9）或 （1-9）加滕分析了某次循環(huán)荷載的骨架部分卸載后，再反向加載，如圖1-39所示。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)(如圖1-40)，可得圖1-39所示的段軟化部分曲線，點(diǎn)坐標(biāo)為前次同號(hào)循環(huán)荷載的最大骨架應(yīng)力及其相應(yīng)的應(yīng)變?yōu)?。曲線類型為雙曲線型，公式可寫成： （1-10）或 (1-10)從圖1-40可得原

43、點(diǎn)處的斜率為：已知，為點(diǎn)處的變形模量，因此（1-11）另從1-10，可求得，因此 （1-12）根據(jù)試驗(yàn)可求得與的對(duì)數(shù)關(guān)系方程為 （1-13）累積反向加載歷史的骨架應(yīng)變其關(guān)系曲線如圖1-41。根據(jù)公式1-10，1-12，1-13可求出軟化部分曲線的方程式。Kent，Park給出以Ramberg-Osgood公式為基礎(chǔ)的數(shù)學(xué)模型公式 （1-14） ，鋼筋的應(yīng)力和應(yīng)度； ，與鋼筋屈服強(qiáng)度及上次加載下鋼筋塑性應(yīng)變有關(guān)的應(yīng)力和應(yīng)變值； 與加載次數(shù)有關(guān)的參數(shù)。要確定的參數(shù)為，和。從圖1-42可知，和坐標(biāo)關(guān)系中，不同值給出不同曲線形狀，但均通過=1.0和為2.0的點(diǎn)。初始斜率為，因?yàn)?，所以，因此公式可寫成?/p>

44、 （1-15） （1-15） 為開始加荷在應(yīng)力時(shí)的鋼筋應(yīng)變。這樣就只有和兩個(gè)未知數(shù)。和可根據(jù)試驗(yàn)結(jié)構(gòu)用經(jīng)驗(yàn)公式表達(dá)。Kent和Park根據(jù)11個(gè)試驗(yàn)結(jié)果得出與前次加載塑性變形有關(guān)曲線型式（為鋼筋屈服強(qiáng)度），并給出經(jīng)驗(yàn)公式： （1-16）圖1-43中曲線表明：當(dāng)在0.00150.022之間時(shí)，從1減少到0.45。經(jīng)驗(yàn)公式適用于在0.0040.022之間。的參數(shù)僅與反復(fù)加載次數(shù)有關(guān)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，可得出奇數(shù)加載反復(fù)次數(shù)和偶數(shù)加載反復(fù)次數(shù)與的經(jīng)驗(yàn)公式（1-17）、（1-17）和如圖1-44的曲線。為奇數(shù)時(shí)： （1-17）為偶數(shù)時(shí)： （1-17）圖1-45所示為Park用Ramberg-Osgood關(guān)

45、系式和試驗(yàn)值比較的情況，關(guān)系式中和采用了經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。關(guān)于冷處理鋼筋的包興格效應(yīng)，如圖1-46所示。從圖可知，在冷拉未回火不時(shí)效的條件下，預(yù)先冷拉后殘余變形為0.2%時(shí)，抗壓條件流限較原材料降低6.3%，若殘余變形為0.5%時(shí)，則降低37%，殘余變形為5.5%時(shí)，則降低43%，冷拉率超過3%比例極限時(shí)，條件流限降低程度的增加太明顯。 鋼筋冷拉經(jīng)時(shí)效后，則抗壓條件流限有明顯的提高，例如預(yù)先冷拉率為5.5，經(jīng)時(shí)效后則抗壓條件流限有明顯的提高，例如，預(yù)先冷拉率為5.5，經(jīng)時(shí)效后，其抗壓條件流限為27.2kgmm2 而未經(jīng)時(shí)效的抗壓條件流限為18.4kgmm2。試驗(yàn)了冷軋、冷扭鋼筋的包興格效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)效應(yīng)不

46、明顯。冷扎冷扭鋼筋，由于晶粒的滑移面或與橫向成45°，或晶粒扭長(zhǎng)方向與鋼筋軸相交成一定角度，因此包興格效應(yīng)不顯著。17 鋼筋的疲勞由于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)采用了極限強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法和高強(qiáng)鋼筋材料，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的疲勞日益受到人們的重視。對(duì)于承受重復(fù)荷載的吊車梁、橋面板、軌枕、路面和海洋結(jié)構(gòu)，要求在承受重復(fù)荷載下以及在高應(yīng)力條件下能良好地工作。但是有時(shí)在較低的重復(fù)荷載下的預(yù)應(yīng)力混凝土梁發(fā)生了斜裂縫和組合材料構(gòu)件發(fā)生裂縫等，引起疲勞破壞的現(xiàn)象。 由于多采用較高強(qiáng)度的鋼筋，鋼筋的疲勞性能更引起人們的注意。所謂鋼筋的疲勞破壞是指鋼筋在承受重復(fù)并有周期動(dòng)荷載下，經(jīng)過一定次數(shù)后，鋼材從塑性破壞變成脆性突然

47、斷裂破壞，此時(shí)鋼筋的最大應(yīng)力低于在靜荷載下鋼筋的極限強(qiáng)度，有時(shí)也低于屈服強(qiáng)度。在某一規(guī)定應(yīng)力幅度內(nèi)經(jīng)受一定次數(shù)循環(huán)荷載要求后才發(fā)生疲勞破壞的最大應(yīng)力稱為疲勞強(qiáng)度。關(guān)于疲勞荷載的定義，認(rèn)為疲勞荷載是動(dòng)力荷載的一種特殊情況，地震荷載和其他一些原因而引起的低周疲勞不屬于此種疲勞荷載范圍。疲勞荷載的壽命分為有限疲勞壽命區(qū)域和長(zhǎng)疲勞壽命區(qū)域。1976年美國(guó)聯(lián)邦和州立公路研究機(jī)構(gòu)對(duì)高屈服鋼筋的疲勞進(jìn)行了系統(tǒng)的研究和總結(jié)。認(rèn)為循環(huán)荷載在110，000次范圍內(nèi)為低周疲勞區(qū)，10，000100萬次為有限疲勞壽命區(qū)，100萬次以上為長(zhǎng)疲勞壽命區(qū)，如圖1-47。1 鋼筋疲勞試驗(yàn)和疲勞的機(jī)理鋼筋疲勞試驗(yàn)有兩種方法，一

48、是直接做單根鋼筋軸拉的疲勞試驗(yàn)，一是將鋼筋埋入混凝土構(gòu)件中使其受拉或受彎。RILEM-FIP-CEB提出一個(gè)直接做單根鋼筋疲勞試驗(yàn)的準(zhǔn)則。試驗(yàn)規(guī)定為鋼筋或鋼絲試件長(zhǎng)度必須不少于30倍或100倍直徑再加兩個(gè)錨具長(zhǎng)，鋼絞線試件在夾具之間的長(zhǎng)度至少是8倍捻距，在每種情況下，試件在錨夾具間的自由長(zhǎng)度都必須大于1000mm。加載不能使試件發(fā)熱。建議的頻率為200600次分。值得注意的是當(dāng)頻率保持在5000次分以下時(shí)，頻率高低對(duì)疲勞強(qiáng)度沒有顯著影響，當(dāng)頻率增加時(shí)，影響是較為有利的。但不少人傾向于采用將鋼筋埋入混凝土構(gòu)件中進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，鋼筋受力情況與工程實(shí)際相接近。關(guān)于直接做單根鋼筋疲勞試驗(yàn)結(jié)果和埋入混凝土

49、的構(gòu)件疲勞試驗(yàn)結(jié)果的比較，是很分散的，目前的試驗(yàn)數(shù)據(jù)尚不能得出結(jié)論來。美國(guó)聯(lián)邦和州立公路研究機(jī)構(gòu)1976年的試驗(yàn)方法采用鋼筋埋入混凝土的構(gòu)件方法，梁構(gòu)件截面形式為形或矩形，采用三分點(diǎn)加載，保持3倍有效高度的等彎矩段，如圖1-48所示。在等彎矩段內(nèi)只有試驗(yàn)的疲勞鋼筋，在梁的中央部分預(yù)埋金屬片使發(fā)生的裂縫能對(duì)稱分布。為使試驗(yàn)最小應(yīng)力值為壓力值，在試驗(yàn)鋼筋的水平位置處加一套后張預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)，如圖1-49所示。鋼筋埋入混凝土的受彎構(gòu)件的疲勞斷裂，多發(fā)生在等彎矩區(qū)段內(nèi)，在構(gòu)件的彎曲裂縫處附近。鋼筋疲勞斷裂的原因，在外力作用下，由于鋼筋內(nèi)部的缺陷（如：夾有雜質(zhì)使本身不均勻或鋼筋外表面的變形突變或缺陷，刀痕、

50、銹蝕或脫碳層等），容易引起應(yīng)力集中，長(zhǎng)期下去則產(chǎn)生裂紋。疲勞紋是由于鋼筋中超過負(fù)荷的弱晶粒內(nèi)發(fā)生滑移的結(jié)果，裂紋繼續(xù)發(fā)展，最后造成斷裂。因此，鋼筋斷裂從宏觀來看有兩個(gè)區(qū)域，一個(gè)是引起疲勞斷裂的核心點(diǎn)區(qū)，對(duì)于變形鋼筋這個(gè)核心點(diǎn)區(qū)多位于鋼筋橫肋的底部，通常稱為疲勞核心，從核心沿徑向向外擴(kuò)展，核心和擴(kuò)展的表面相互磨擦而常呈暗光滑面。另外區(qū)域，由于裂紋形成和擴(kuò)展后，剩余斷面不足以承受所加的荷載，突然脆斷破壞，表面較粗糙，形成粗粒狀區(qū)域。如圖1-50。2 影響鋼筋疲勞的因素 鋼筋疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果是很分散的，如圖1-51。原因是由于許多因素影響了鋼筋疲勞強(qiáng)度。如應(yīng)力值的幅度；最小應(yīng)力值大小，鋼筋外表面幾何

51、形狀；鋼筋直徑，鋼筋等級(jí)以及軋制工藝、焊接和鋼筋彎曲和試驗(yàn)方法等的影響。 1）應(yīng)力值幅度的影響： 應(yīng)力值幅度(或)為一次循環(huán)應(yīng)力中最大應(yīng)力值與最小應(yīng)力值之差，是表達(dá)鋼筋疲勞強(qiáng)度的主要的影響參數(shù)。鋼筋的疲勞強(qiáng)度和疲勞壽命常用應(yīng)力值幅度和應(yīng)力循環(huán)次數(shù)(或用)的曲線表示。 鋼筋壓應(yīng)力的循環(huán)一般不會(huì)發(fā)生疲勞破壞，而在拉應(yīng)力循環(huán)或拉壓應(yīng)力循環(huán)才會(huì)發(fā)生疲勞破壞。曲線的關(guān)系如圖1-52。如用對(duì)數(shù)坐標(biāo)表達(dá)整個(gè)疲勞壽命，可用指數(shù)曲線來表示。圖1-52為其他影響因素均不變，在有限疲勞壽命區(qū)域?yàn)樾本€關(guān)系，在長(zhǎng)壽命應(yīng)力值幅度的影響很小，形成的平行線。2)最小應(yīng)力值大小的影響最小應(yīng)力值大小對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響是除了應(yīng)力值幅

52、度外最有影響因素之一。影響趨向是增加了最小應(yīng)力值，在有限壽命疲勞區(qū)域和長(zhǎng)壽命區(qū)都降低了鋼筋的疲勞強(qiáng)度。圖1-53為試驗(yàn)結(jié)果中的一個(gè)典型例子。表明：在有限疲勞壽命區(qū)域，增加最小拉應(yīng)力值，減少了疲勞強(qiáng)度，但當(dāng)最小應(yīng)力值為壓應(yīng)力時(shí)，可增加疲勞強(qiáng)度。長(zhǎng)壽命區(qū)域與有限壽命區(qū)域影響的大小相似。3)鋼筋外面幾何尺寸的影響變形鋼筋能增強(qiáng)鋼筋與混凝土之間的粘著力，但在循環(huán)荷載作用下在鼓出的肋與鋼筋表面接交處產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，這是產(chǎn)生鋼筋疲勞裂縫的一個(gè)很重要原因。 應(yīng)力集中系數(shù)與肋底部半徑，肋高，肋寬與肋與肋之間等因素有關(guān)。如果肋高值愈小，肋寬愈狹，肋底半徑值愈大則應(yīng)力集中系數(shù)愈小。其中與肋高，肋底半徑值因素影響

53、最大，常用來反映鋼筋外表面幾何尺寸的影響。圖1-56所示為1.0及0.1時(shí)曲線的比較關(guān)系。增加值時(shí)增加鋼筋的疲勞強(qiáng)度。在有限疲勞壽命區(qū)和長(zhǎng)壽命區(qū)都有影響。4)鋼筋直徑的影響試驗(yàn)結(jié)果分析表明，鋼筋的疲勞強(qiáng)度與鋼筋直徑有關(guān)。但鋼筋直徑與鋼筋表面幾何形狀相互影響：如在相同的條件下，不同鋼筋直徑的曲線在有限疲勞壽命區(qū)如圖1-57所示。圖中表明5#(即直徑15.8mm)鋼筋和11#(即直徑35mm)鋼筋曲線的關(guān)系。隨著鋼筋直徑增大，降低了鋼筋的疲勞強(qiáng)度。原因可能是由子隨著鋼筋直徑增大，在高應(yīng)力區(qū)域中的局部缺陷的存在可能性加大，另外，在采用鋼筋埋入混凝土的構(gòu)件中的鋼筋直徑增大，應(yīng)變梯度加大，也影響了鋼筋疲

54、勞強(qiáng)度。5)鋼筋強(qiáng)度的影響在有限疲勞壽命區(qū)，隨著鋼筋強(qiáng)度等級(jí)的增加，增加了鋼筋的疲勞強(qiáng)度。如圖1-58為75級(jí)鋼筋和40級(jí)鋼筋在相同值和同一最小應(yīng)力值下的曲線關(guān)系。 6)其他一些影響因素 鋼筋的焊接，影響著鋼筋的疲勞強(qiáng)度。焊接的質(zhì)量如焊縫表面粗糙度，氣泡，焊接燒傷等都會(huì)形成應(yīng)力集中，因而降低了鋼筋的疲勞強(qiáng)度。同時(shí)，含碳量愈高的鋼筋，由于降低了延性，焊接對(duì)鋼筋的敏感性也愈高。 如果鋼筋混凝土構(gòu)件在高應(yīng)力區(qū)域中將鋼筋彎起，彎起處將發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，因此彎起的鋼筋較直線鋼筋的疲勞強(qiáng)度為低。3 鋼筋疲勞強(qiáng)度的設(shè)計(jì)計(jì)算 鋼筋的疲勞強(qiáng)度的試驗(yàn)和分析的目的，是要建立鋼筋疲勞強(qiáng)度或疲勞應(yīng)力幅度限值。使承受疲勞

55、荷載的鋼筋混凝土構(gòu)件，在使用期間不發(fā)生疲勞破壞。 在低應(yīng)力值幅度內(nèi)，對(duì)鋼筋疲勞無甚影響。我國(guó)一般要求滿足循環(huán)次數(shù)200萬次。美國(guó)聯(lián)邦和州立公路研究機(jī)構(gòu)認(rèn)為從設(shè)計(jì)角度來看采用500萬次循環(huán)的平均疲勞極限。500萬次循環(huán)的平均疲勞極限相當(dāng)于最低疲勞壽命為100萬次循環(huán)次數(shù)。他們建立疲勞應(yīng)力幅度限值計(jì)算方法如下： 1)鋼筋疲勞應(yīng)力幅度影響因素的試驗(yàn)數(shù)據(jù)需按數(shù)理統(tǒng)計(jì)進(jìn)行，用概率方法加以分析。用相關(guān)分析找出各因素與曲線關(guān)系的規(guī)律。 2)在鋼筋長(zhǎng)壽命疲勞區(qū)域，只考慮影響的主要因素，而忽略其次要因素的影響，因此只考慮最小應(yīng)力值大小和鋼筋幾何外型(即 ()因素對(duì)應(yīng)力值幅度的影響。3)在根據(jù)211個(gè)有限疲勞壽命試驗(yàn)結(jié)果的數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析所建立與有關(guān)影響因素關(guān)系規(guī)律公式的基礎(chǔ)上，為考慮長(zhǎng)壽命區(qū)域時(shí)，忽