鋼筋混凝土材料的力學性能

PAGE4鋼筋混凝土材料的力學性能1．《規(guī)范》規(guī)定鋼筋混凝土結構（包括預應力鋼筋混凝土結構）中的鋼筋有哪幾種，其等級如何？ 答：《規(guī)范》規(guī)定鋼筋混凝土結構（包括預應力鋼筋混凝土結構）中的鋼筋有以下幾種：（1）熱軋鋼筋：是低碳鋼、普通低合金鋼在高溫狀態(tài)下軋制而成，包括光圓鋼筋和帶肋鋼筋。等級分為HPB235級，HRB335級，HRB400級，HRB500級。（2）余熱處理鋼筋：熱軋后立即穿水，進行表面控制冷卻，然后利用芯部自身余熱完成回火處理所得成品鋼筋。鋼筋混凝土中常用RRB400級。（3）熱處理鋼筋：是將熱軋鋼筋在通過加熱、淬火和回火等調(diào)質(zhì)工藝處理的鋼筋。熱處理后鋼筋強度能得到較大幅度的提高，而塑性降低并不多。常用的有三種，分別是40Si2Mn，48Si2Mn，45Si2Cr。（4）冷軋帶肋鋼筋：采用強度較低、塑性較好的普通低碳鋼或低合金鋼熱軋圓盤條作為母材，經(jīng)冷軋減徑后其表面形成二面或三面有月牙肋的鋼筋，根據(jù)其力學指標的高低，分為LL550，LL650，LL800三種?！兑?guī)范》規(guī)定預應力混凝土結構中用的鋼絲按外形有下列幾類：（1）光面鋼絲（消除應力鋼絲）：用高碳鎮(zhèn)定鋼軋制成圓盤后經(jīng)過多道冷拔，并進行應力消除矯直回火處理而成。（2）刻痕鋼絲：在光面鋼絲的表面上進行機械刻痕處理，以增加與混凝土的粘結能力。（3）螺旋肋鋼絲：是用普通低碳鋼或低合金鋼熱軋的圓盤條作為母材，經(jīng)冷軋減徑在其表面形成二面或三面有月牙肋的鋼絲。（4）鋼絞線：是由多根高強鋼絲捻制在一起，并經(jīng)低溫回火處理清除內(nèi)應力后制成。可分為2股、3股、7股3種。2．上述種類鋼筋的受力和變形有何特點？答：在上述鋼筋種類中，熱軋鋼筋為軟鋼，其應力-應變曲線有明顯的屈服點和流幅，斷裂時有“頸縮”現(xiàn)象，伸長率比較大；冷軋帶肋鋼筋、熱處理鋼筋、光面鋼絲、刻痕鋼絲、螺旋形鋼絲及鋼絞線均為硬鋼，它們的應力-應變曲線沒有明顯的屈服點，伸長率小，質(zhì)地硬脆。從各級熱軋鋼筋和光面鋼絲的應力-應變曲線中可以看出：隨著鋼材強度的提高其塑性性能降低，HPB235級鋼筋有較好的塑性，但強度較低，碳素鋼絲雖強度很高，但塑性較差。3．鋼筋混凝土結構及預應力混凝土結構的鋼筋按《規(guī)范》規(guī)定如何選用？答：《規(guī)范》規(guī)定，鋼筋混凝土結構及預應力混凝土結構的鋼筋，應按下列規(guī)定選用：普通鋼筋，即鋼筋混凝土結構中的鋼筋和預應力混凝土結構中的非預應力鋼筋，宜采用HRB400級和HRB335級鋼筋，也可采HPB235級鋼筋和RRB400級鋼筋，以HRB400級鋼筋作為主導鋼筋。預應力鋼筋宜采用預應力鋼鉸線、高強鋼絲，也可采用熱處理鋼筋。HRB400和HRB335級鋼筋是指國家標準《鋼筋混凝土用熱軋帶肋鋼筋》GB1499-1998中的HRB400和HRB335級鋼筋；HPB235級鋼筋是指《鋼筋混凝土用熱軋光面鋼筋》GB13013中的Q235級鋼筋；RRB400級鋼筋是指國家標準《鋼筋混凝土用余熱處理鋼筋》GB13014中的KL400級鋼筋；預應力鋼絲系指國家標準《預應力混凝土用鋼絲》GB/T5223中的三面刻痕鋼絲、螺旋肋鋼絲以及光面并經(jīng)消除應力的高強度圓形鋼絲。4．鋼筋強度標準值是如何取值的？為什么？答：鋼筋強度標準值應具有不小于95%的保證率。對于熱軋鋼筋的強度標準值是根據(jù)屈服強度確定，用fyk表示。因為構件中的鋼筋應力達到屈服點后，將產(chǎn)生很大的塑性變形，使鋼筋混凝土構件出現(xiàn)很大變形和不可閉合的裂縫，以至不能使用。對預應力鋼絞線、鋼絲和熱處理鋼筋等沒有明顯屈服點的鋼筋強度標準值是根據(jù)國家標準極限抗拉強度sb確定的，采用鋼筋應力為0.85sb的點作為條件屈服點。5．鋼筋的塑性通常用哪兩個指標來衡量？它們對鋼筋的塑性有和影響？答：鋼筋的塑性通常用伸長率和冷彎性能兩個指標來衡量。鋼筋拉斷后的伸長值與原長的比值稱為伸長率，伸長率越大塑性越好；冷彎是將直徑為d的鋼筋繞直徑為D的彎芯彎曲到規(guī)定的角度而無裂紋及起層現(xiàn)象，則表示合格。彎芯的直徑D越小，彎轉(zhuǎn)角越大，說明鋼筋的塑性越好。 6．鋼筋應力-應變曲線數(shù)學模型常用的有哪幾種？各有何特點和適用？ 其數(shù)學表達式如何？ 答：．鋼筋應力-應變曲線數(shù)學模型常用的有：雙直線、三折線和雙斜線三種。（1）雙直線（完全彈塑性模型）將鋼筋的應力-應變曲線簡化為兩根直線，該模型不計屈服強度的上限和由于應變硬化階段增加的應力，如圖題-6。圖中OB段為完全彈性階段，B點為用于設計的屈服下限，相應的應力及應變?yōu)閒y和ey，彈性模量為Es，即為OB段的斜率；BC為完全塑性階段，C點為應力強化的起點，對應的應變?yōu)閑y，h。過C點后，認為鋼筋變形過大不能正常使用。此模型適用于流幅較長的低強度鋼筋。其數(shù)學表達式為：當sy時，s=Ess，(Es=fy/y)當yss,h時，s=fyEs—為鋼筋彈性模量，見教材附表10。題-6題-6鋼筋應力-應變曲線的數(shù)學模型通常規(guī)定加載速度為：混凝土強度等級低于C30時，取每秒鐘0.3N/mm2~0.5N/mm2；當混凝土強度等級等于或高于C30時，取每秒鐘0.5N/mm2~0.8N/mm2。 （4）混凝土的齡期：隨著混凝土的齡期逐漸增長，抗壓強度增長速度開始較快，后來逐漸趨緩，這種強度增長的過程往往延續(xù)若干年，在潮濕環(huán)境中延續(xù)時間會更長。11．混凝土的受壓破壞機理如何？答：混凝土的抗壓強度遠低于其宏觀結構層次中基相和分散相（砂漿和粗骨料）任一成分的強度，其原因必須從混凝土受壓破壞的機理來分析?；炷潦芎汕坝捎谑湛s、溫度變化等原因就已經(jīng)存在了初始微裂縫。在外力作用下，混凝土的破壞過程是裂縫不斷發(fā)生、擴展和失穩(wěn)的過程。研究結果表明，混凝土從受荷到破壞的全過程可分為三個階段：第一階段為在30%~40%極限抗壓強度以內(nèi)。此時只在試件內(nèi)骨料和漿體結合面的某些孤立點上產(chǎn)生拉應力集中，當拉應力超過結合面粘結強度時，這些點開裂，從而緩解了應力集中并恢復平靜。微裂縫的出現(xiàn)會產(chǎn)生不可恢復的變形，但其數(shù)值極小，因此縱、橫向應力-應變（s-e1、s-e2）曲線接近直線變化，橫向變形系數(shù)=2/1維持常量，平均體積應變=（1+2+3）/3為壓縮。隨著應力的增加，微裂縫不斷產(chǎn)生、擴展，截面裂縫向砂漿中延伸，從而進入了第二階段。此時，裂縫緩慢穩(wěn)定地發(fā)展著，如果停止加載，裂縫擴展也停止，所以稱之為裂縫穩(wěn)定擴展階段。由于不可恢復的變形明顯增加，應力-應變曲線變彎，橫向變形系數(shù)增大，相應的體積應變（壓縮）增長速度逐漸降低，當體積應變速率降至零（平均體積應變開始由壓縮轉(zhuǎn)為膨脹）時，其應力水平約為70%~90%的極限強度，通常稱為臨界應力。此后進入裂縫不穩(wěn)定擴展階段，即第三階段。這時，裂縫數(shù)量、寬度急劇增加，有的砂漿裂縫與粘結裂縫已連在一起，成為連續(xù)裂縫，應力再增加，混凝土內(nèi)裂縫大量傳播發(fā)展，骨料與水泥石之間的粘結作用基本喪失，大體連成與受荷作用方向宏觀平行的通縫，使混凝土斷裂成若干分離的小柱而導致整體的最后破壞，應力達到極限抗壓強度。這一階段應力-應變曲線更加彎向水平軸，體積應變不斷膨脹?；炷梁暧^破壞是裂縫累積的過程，從內(nèi)部結構局部損傷到遭受連續(xù)性破壞，導致整個體系解體而喪失承載力的過程，而非其組成成分中的基相和分散相自身強度的耗盡。12．簡述棱柱體試件在短期一次加載時受壓應力—應變曲線變化的全過程。答：混凝土在一次短期荷載作用下的應力-應變關系反映了受荷各個階段內(nèi)部的變化及其破壞的機理，它是研究鋼筋混凝土結構極限強度理論（截面應力分析、內(nèi)力重分配、剛度和撓度、抗裂性和裂縫寬度控制、結構抗震性能等）的重要依據(jù)。題-12典型的混凝土棱柱體受壓應力題-12典型的混凝土棱柱體受壓應力-應變曲線試驗表明，完整的應力-應變曲線包括上升段和下降段兩部分：1）上升段（OC）：分為三個階段，從加荷至A點（應力約為0.3fc~0.4fc）由于試件中應力較小，混凝土的變形主要是骨料和水泥結晶體受力產(chǎn)生的彈性變形，水泥膠體的粘性流動以及初始微裂變化的影響很小，故應力與應變關系接近直線，一般稱A點為比例極限點，OA為第一階段。超過A點，進入第二階段—穩(wěn)定裂縫擴展階段，至臨界點B，臨界點應力可作為長期抗壓強度的依據(jù)。此后試件中所積蓄的彈性應變能始終保持大于裂縫發(fā)展所需要的能量，形成裂縫不穩(wěn)定的快速發(fā)展狀態(tài)直至峰點C，即第三階段（如前所述的受壓破壞機理）。這時，達到的峰值應力smax稱為混凝土棱柱體抗壓強度fc，相應的應變稱為峰值應變e0，其值在0.0015~0.0025之間波動，平均值為e0=0.002。2）下降段（CE）：混凝土達到峰值應力后裂縫繼續(xù)擴展、傳播，從而引起應力-應變關系變化的反映。在峰值應力以后，裂縫迅速發(fā)展，內(nèi)部結構的整體性受到越來越嚴重的破壞，賴以傳遞荷載的傳力路線不斷減少，試件的平均應力強度下降，所以應力-應變向下彎曲，直到曲線的凹向發(fā)生改變（即曲率為零的一點D），我們稱該點為“拐點”。超過“拐點”，結構受力性能開始發(fā)生本質(zhì)的變化，骨料間的咬合力及摩擦力開始與殘余承壓面共同承受荷載。隨著變形的增加，應力-應變曲線逐漸凸向水平軸方向，此段曲線中曲率最大的一點E稱為“收斂點”。從收斂點開始以后的曲線稱為收斂段，此時貫通的主裂縫已經(jīng)很寬，結構內(nèi)聚力已幾乎耗盡，收斂段（EF）對于無側向約束的混凝土已失去結構意義。13．影響混凝土應力-應變曲線形狀的主要因素有哪些？答：試驗結果表明，不同強度混凝土的應力-應變曲線隨著混凝土強度的提高，上升段和峰值應變的變化不顯著，而下降段的形狀有較大的差異，混凝土強度越高，下降段的坡度越陡，即應力下降相同幅度時，變形越小，因此延性越差。混凝土受壓應力-應變曲線的形狀還與加載速度有著密切的關系，同一強度混凝土試件在不同應變速度下的應力-應變曲線，可以看出，隨著應變速度的降低，峰值應力也逐漸減小，但是達到最大應力值時的應變卻增加了，下降段也比較平緩。 14．國內(nèi)外最廣泛采用的混凝土受壓應力-應變曲線的數(shù)學模型有哪兩種？我國《規(guī)范》采用的表達形式如何？答：國內(nèi)外最廣泛采用的混凝土受壓應力-應變曲線的數(shù)學模型：美國E.Hognestad建議的模型題-14-1E.Hognestad建議的模型曲線題-14-2Rüsch建議的模型曲線該模型的上升段為二次拋物線，下降段為斜直線，如圖題-14-1所示。其數(shù)學模型為： 當e￡e0時（上升段）：當e0￡e￡eu時（下降段）：式中fc—峰值應力（棱柱體極限抗壓強度）； e0—相應于峰值應力時的應變，取e0=0.002；eu—極限壓應變，取eu=0.0038。2）德國Rüsch建議的模型圖題-14-2的模型的上升段與E.Hognestad建議的模型相同，下降段采用水平直線，形式更簡單。即當e￡e0時（上升段）：當e0￡e￡eu時（下降段）：=fce0—相應于峰值應力時的應變，取e0=0.002；eu—極限壓應變，取eu=0.0035。15．混凝土處于三向受壓狀態(tài)時的變形有何特點？對工程實際有和意義？答：三向復合受壓狀態(tài)下的混凝土比單向受壓混凝土不但提高了強度并且有效地提高了延性。隨著側向壓力的增加，試件的強度和延性都有顯著提高。在工程中可以通過設置密排螺旋筋、箍筋或采用鋼管混凝土來側向約束混凝土，這是一種被動的約束方式。在混凝土軸向壓力很小時，鋼材約束幾乎不受力，此時混凝土基本上不受約束，當軸向壓力使混凝土應力達到臨界應力時，由于混凝土內(nèi)部裂縫發(fā)展引起體積膨脹變形而擠壓螺旋筋、箍筋或鋼管，這就使得螺旋筋、箍筋或鋼管反過來約束混凝土，混凝土如同在三向應力下工作，因此能有效地提高混凝土強度，對延性的提高更加明顯，螺旋筋或箍筋越密提高越多。螺旋筋與箍筋的不同之處是，密排箍筋對提高延性較好，但對提高抗壓強度的效果不大，這是因為方形箍筋僅能使箍筋的角上和核心的混凝土受到約束，總的來看，方形箍筋約束混凝土的效果就不如螺旋筋好。16．混凝土的變形模量有哪三種表示方法？它們之間的關系如何？答：混凝土的變形模量有如下三種表示方法：（1）混凝土的原點彈性模量通過一次加載的混凝土棱柱體受壓應力-應變關系曲線原點的切線斜率，稱為原點彈性模量，以符號Ec表示。 Ec=tg0 或Ec=c/ela式中Ec—原點彈性模量，簡稱彈性模量；0—混凝土曲線在原點處的切線與橫坐標軸的夾角。（2）混凝土的變形模量Ec'當應力較大，超過比例極限時，彈性模量Ec已不能反映這時的應力和應變之間的關系，為此采用變形模量的概念。由原點O與曲線上任一點連線的斜率，稱為混凝土的變形模量Ec'（又稱割線模量），它的表達式為：Ec'=tg1或Ec'=c/c因總應變ec中包含彈性和塑性變形兩部分，由此所確定的模量又可稱為彈塑性模量。（3）混凝土的切線模量Ec''在混凝土應力-應變曲線上某一應力sc點處作一切線，其應力增量與應變增量之比值稱為相應于應力為sc時的切線模量Ec''。即Ec''=tg或式中—為某點應力sc處的切線與橫坐標的夾角。由于混凝土塑性變形的發(fā)展，混凝土的切線模量是一個變值，它隨著混凝土的應力增大而減小?；炷恋淖冃危ǜ罹€）模量也是一個變量，隨著應力大小而有區(qū)別。它與原點切線模量的關系如下：Ecela=Ec'cEc'=Ecela/c=Ecn—混凝土受壓時彈性系數(shù)。當應力較小時，處于彈性階段，可以認為n=1；當應力增大，處于彈塑性階段時，n小于1，隨著應力的不斷增加，n值逐漸減小。17．什么是混凝土的徐變？混凝土徐變產(chǎn)生的原因有哪些？混凝土徐變與哪些因素有關？混凝土的徐變對結構構件有何影響？答：混凝土在荷載長期作用下（即壓力不變的情況下），它的應變隨時間繼續(xù)增長的現(xiàn)象稱為混凝土徐變?；炷列熳儺a(chǎn)生的原因，可以理解為：一方面是混凝土硬結以后，骨料之間的水泥漿，一部分變?yōu)榻Y晶體，另一部分是充填在晶體間帶有凝膠孔的凝膠體，具有粘性流動的性質(zhì)。當向水泥石施加外荷載時，在加荷的瞬時，結晶體與凝膠體共同承受外荷載。其后，隨著時間的推移，凝膠體由于其粘性流動而逐漸卸荷，此時晶體承受了更多的外力，并產(chǎn)生彈性變形，從而使水泥石變形（混凝土徐變）增加，即水泥凝膠體與水泥結晶體重新分布應力所造成的結果。另一方面的原因是混凝土內(nèi)部微裂縫在荷載長期作用下不斷發(fā)展和增加，從而導致應變的增加。當應力不大時，徐變的發(fā)展以第一種原因為主；當應力較大時，以第二種原因為主。試驗表明，徐變與下列一些因素有關：（1）混凝土的組成成分對徐變有很大影響，水泥用量愈多，水灰比愈大，徐變愈大，當水灰比在范圍變化時，因為應力作用下的徐變與水灰比成正比；增加混凝土的骨料的含量，其骨料越堅硬，彈性模量越高、對徐變的約束作用越大，混凝土徐變就減小。（2）混凝土的制作方法、養(yǎng)護條件，特別是養(yǎng)護時的溫濕度對徐變有重要影響。養(yǎng)護條件好，養(yǎng)護時溫度高、濕度大，水泥水化作用充分，徐變越小。（3）加荷時混凝土的齡期越小，徐變越大，受荷后所處環(huán)境的溫度越高、濕度越低，則徐變越大，構件加載前混凝土強度愈高，徐變就愈小。（4）構件截面的形狀、尺寸也會對徐變產(chǎn)生很大的影響，大尺寸混凝土構件內(nèi)部失水受到限制，徐變減小。另外，（5）鋼筋的存在以及應力的性質(zhì)（拉、壓應力等對徐變也有影響）。（6）混凝土在長期荷載作用下的應力大小。應力越大，則徐變越大。當壓應力>0.8時，混凝土的非線性徐變往往是不收斂的。因此，如果構件的混凝土在使用期間經(jīng)常處于不變的高應力狀態(tài)是不安全的，需要特別注意。 混凝土的徐變對結構構件將產(chǎn)生十分不利的影響，如增大混凝土結構的變形等。收縮產(chǎn)生的主要原因有哪些？混凝土收縮與哪些因素有關？混凝土的收縮對結構構件有何影響？答：混凝土在空氣中結硬過程中體積減小的現(xiàn)象稱為收縮。一般認為，產(chǎn)生收縮的主要原因是混凝土硬化過程中化學反應產(chǎn)生的凝結引縮和混凝土內(nèi)的自由水蒸發(fā)產(chǎn)生的收縮。試驗表明，混凝土的收縮與下列因素有關： （1）水泥用量和水灰比：水泥愈多和水灰比愈大，收縮也愈大，減水劑的使用可減小收縮；（2）水泥標號和品種：高標號水泥制成的混凝土構件收縮大；不同品種的水泥制成的混凝土收縮水平不同。如礦渣水泥具有干縮性大的缺點；（3）骨料的物理性能：骨料的彈性模量大，收縮??；（4）養(yǎng)護和環(huán)境條件：在結硬過程中，養(yǎng)護和環(huán)境條件好（溫、濕度大），收縮小；（5）混凝土制作質(zhì)量：混凝土振搗越密實，收縮越??；（6）構件的體積與表面積比：比值大時，收縮小?；炷恋氖湛s對鋼筋混凝土和預應力混凝土結構構件會產(chǎn)生十分有害的影響。如，混凝土構件受到約束時，混凝土的收縮就要使構件中產(chǎn)生收縮應力，收縮應力過大，就會使構件產(chǎn)生裂縫，以致影響結構的正常使用；在預應力混凝土構件中混凝土的收縮將引起鋼筋預應力的損失等等。因此，應當設法減小混凝土的收縮，避免對結構產(chǎn)生有害的影響。19．《規(guī)范》對混凝土等級的選用有何規(guī)定？答：《規(guī)范》規(guī)定：鋼筋混凝土結構的混凝土強度等級不宜低于C15；當采用HRB335級鋼筋時，混凝土強度等級不宜低于C20；當采用HRB400和RRB400級鋼筋以及對承受重復荷載的構件，混凝土強度等級不得低于C20。預應力混凝土結構的混凝土強度等級不宜低于C30；當采用鋼絞線、鋼絲、熱處理鋼筋作預應力鋼筋時，混凝土強度等級不宜低于C40。當采用山砂混凝土及高爐渣混凝土時，尚應符合專門標準的規(guī)定。在荷載、溫度、收縮等外界因素作用下，鋼筋和混凝土這兩種材料為什么能夠結合在一起共同工作？在荷載、溫度、收縮等外界因素作用下，鋼筋和混凝土這兩種材料結合在一起能夠共同工作：（1）因為二者之間相近的溫度線膨脹系數(shù)；（2）因為混凝土硬化后，鋼筋與混凝土之間產(chǎn)生了的粘結能力來抵抗粘結應力。粘結應力通常是指鋼筋與混凝土接觸面上的剪應力。21．鋼筋與混凝土的粘結能力通過哪些途徑得到？答：試驗表明，粘結能力可以通過以下三種途徑得到：（1）鋼筋與混凝土接觸面上的化學吸附作用力，也稱膠結力。這種力一般很小，當接觸面發(fā)生相對滑移時，該力即行消失。僅在受力階段的局部無滑移區(qū)域起作用。（2）混凝土收縮，將鋼筋緊緊裹住而產(chǎn)生摩擦力?；炷梁弯摻钪g的擠壓力越大，接觸面的粗糙程度越大，摩擦系數(shù)越大，則兩者之間的摩擦力就越大。試驗表明，光圓鋼筋壓入混凝土的試驗所得的粘結強度比拉拔試驗所得的粘結強度大，主要是因為鋼筋受壓時縮短，直徑增大，擠壓混凝土使摩擦力增加所致。（3）鋼筋表面凹凸不平產(chǎn)生與混凝土之間的機械咬合作用力，又稱咬合力。變形