钢筋混凝土材料的力学性能

PAGE4钢筋混凝土材料的力学性能1．《规范》规定钢筋混凝土结构（包括预应力钢筋混凝土结构）中的钢筋有哪几种，其等级如何？ 答：《规范》规定钢筋混凝土结构（包括预应力钢筋混凝土结构）中的钢筋有以下几种：（1）热轧钢筋：是低碳钢、普通低合金钢在高温状态下轧制而成，包括光圆钢筋和带肋钢筋。等级分为HPB235级，HRB335级，HRB400级，HRB500级。（2）余热处理钢筋：热轧后立即穿水，进行表面控制冷却，然后利用芯部自身余热完成回火处理所得成品钢筋。钢筋混凝土中常用RRB400级。（3）热处理钢筋：是将热轧钢筋在通过加热、淬火和回火等调质工艺处理的钢筋。热处理后钢筋强度能得到较大幅度的提高，而塑性降低并不多。常用的有三种，分别是40Si2Mn，48Si2Mn，45Si2Cr。（4）冷轧带肋钢筋：采用强度较低、塑性较好的普通低碳钢或低合金钢热轧圆盘条作为母材，经冷轧减径后其表面形成二面或三面有月牙肋的钢筋，根据其力学指标的高低，分为LL550，LL650，LL800三种。《规范》规定预应力混凝土结构中用的钢丝按外形有下列几类：（1）光面钢丝（消除应力钢丝）：用高碳镇定钢轧制成圆盘后经过多道冷拔，并进行应力消除矫直回火处理而成。（2）刻痕钢丝：在光面钢丝的表面上进行机械刻痕处理，以增加与混凝土的粘结能力。（3）螺旋肋钢丝：是用普通低碳钢或低合金钢热轧的圆盘条作为母材，经冷轧减径在其表面形成二面或三面有月牙肋的钢丝。（4）钢绞线：是由多根高强钢丝捻制在一起，并经低温回火处理清除内应力后制成。可分为2股、3股、7股3种。2．上述种类钢筋的受力和变形有何特点？答：在上述钢筋种类中，热轧钢筋为软钢，其应力-应变曲线有明显的屈服点和流幅，断裂时有“颈缩”现象，伸长率比较大；冷轧带肋钢筋、热处理钢筋、光面钢丝、刻痕钢丝、螺旋形钢丝及钢绞线均为硬钢，它们的应力-应变曲线没有明显的屈服点，伸长率小，质地硬脆。从各级热轧钢筋和光面钢丝的应力-应变曲线中可以看出：随着钢材强度的提高其塑性性能降低，HPB235级钢筋有较好的塑性，但强度较低，碳素钢丝虽强度很高，但塑性较差。3．钢筋混凝土结构及预应力混凝土结构的钢筋按《规范》规定如何选用？答：《规范》规定，钢筋混凝土结构及预应力混凝土结构的钢筋，应按下列规定选用：普通钢筋，即钢筋混凝土结构中的钢筋和预应力混凝土结构中的非预应力钢筋，宜采用HRB400级和HRB335级钢筋，也可采HPB235级钢筋和RRB400级钢筋，以HRB400级钢筋作为主导钢筋。预应力钢筋宜采用预应力钢铰线、高强钢丝，也可采用热处理钢筋。HRB400和HRB335级钢筋是指国家标准《钢筋混凝土用热轧带肋钢筋》GB1499-1998中的HRB400和HRB335级钢筋；HPB235级钢筋是指《钢筋混凝土用热轧光面钢筋》GB13013中的Q235级钢筋；RRB400级钢筋是指国家标准《钢筋混凝土用余热处理钢筋》GB13014中的KL400级钢筋；预应力钢丝系指国家标准《预应力混凝土用钢丝》GB/T5223中的三面刻痕钢丝、螺旋肋钢丝以及光面并经消除应力的高强度圆形钢丝。4．钢筋强度标准值是如何取值的？为什么？答：钢筋强度标准值应具有不小于95%的保证率。对于热轧钢筋的强度标准值是根据屈服强度确定，用fyk表示。因为构件中的钢筋应力达到屈服点后，将产生很大的塑性变形，使钢筋混凝土构件出现很大变形和不可闭合的裂缝，以至不能使用。对预应力钢绞线、钢丝和热处理钢筋等没有明显屈服点的钢筋强度标准值是根据国家标准极限抗拉强度sb确定的，采用钢筋应力为0.85sb的点作为条件屈服点。5．钢筋的塑性通常用哪两个指标来衡量？它们对钢筋的塑性有和影响？答：钢筋的塑性通常用伸长率和冷弯性能两个指标来衡量。钢筋拉断后的伸长值与原长的比值称为伸长率，伸长率越大塑性越好；冷弯是将直径为d的钢筋绕直径为D的弯芯弯曲到规定的角度而无裂纹及起层现象，则表示合格。弯芯的直径D越小，弯转角越大，说明钢筋的塑性越好。 6．钢筋应力-应变曲线数学模型常用的有哪几种？各有何特点和适用？ 其数学表达式如何？ 答：．钢筋应力-应变曲线数学模型常用的有：双直线、三折线和双斜线三种。（1）双直线（完全弹塑性模型）将钢筋的应力-应变曲线简化为两根直线，该模型不计屈服强度的上限和由于应变硬化阶段增加的应力，如图题-6。图中OB段为完全弹性阶段，B点为用于设计的屈服下限，相应的应力及应变为fy和ey，弹性模量为Es，即为OB段的斜率；BC为完全塑性阶段，C点为应力强化的起点，对应的应变为ey，h。过C点后，认为钢筋变形过大不能正常使用。此模型适用于流幅较长的低强度钢筋。其数学表达式为：当sy时，s=Ess，(Es=fy/y)当yss,h时，s=fyEs—为钢筋弹性模量，见教材附表10。题-6题-6钢筋应力-应变曲线的数学模型通常规定加载速度为：混凝土强度等级低于C30时，取每秒钟0.3N/mm2~0.5N/mm2；当混凝土强度等级等于或高于C30时，取每秒钟0.5N/mm2~0.8N/mm2。 （4）混凝土的龄期：随着混凝土的龄期逐渐增长，抗压强度增长速度开始较快，后来逐渐趋缓，这种强度增长的过程往往延续若干年，在潮湿环境中延续时间会更长。11．混凝土的受压破坏机理如何？答：混凝土的抗压强度远低于其宏观结构层次中基相和分散相（砂浆和粗骨料）任一成分的强度，其原因必须从混凝土受压破坏的机理来分析。混凝土受荷前由于收缩、温度变化等原因就已经存在了初始微裂缝。在外力作用下，混凝土的破坏过程是裂缝不断发生、扩展和失稳的过程。研究结果表明，混凝土从受荷到破坏的全过程可分为三个阶段：第一阶段为在30%~40%极限抗压强度以内。此时只在试件内骨料和浆体结合面的某些孤立点上产生拉应力集中，当拉应力超过结合面粘结强度时，这些点开裂，从而缓解了应力集中并恢复平静。微裂缝的出现会产生不可恢复的变形，但其数值极小，因此纵、横向应力-应变（s-e1、s-e2）曲线接近直线变化，横向变形系数=2/1维持常量，平均体积应变=（1+2+3）/3为压缩。随着应力的增加，微裂缝不断产生、扩展，截面裂缝向砂浆中延伸，从而进入了第二阶段。此时，裂缝缓慢稳定地发展着，如果停止加载，裂缝扩展也停止，所以称之为裂缝稳定扩展阶段。由于不可恢复的变形明显增加，应力-应变曲线变弯，横向变形系数增大，相应的体积应变（压缩）增长速度逐渐降低，当体积应变速率降至零（平均体积应变开始由压缩转为膨胀）时，其应力水平约为70%~90%的极限强度，通常称为临界应力。此后进入裂缝不稳定扩展阶段，即第三阶段。这时，裂缝数量、宽度急剧增加，有的砂浆裂缝与粘结裂缝已连在一起，成为连续裂缝，应力再增加，混凝土内裂缝大量传播发展，骨料与水泥石之间的粘结作用基本丧失，大体连成与受荷作用方向宏观平行的通缝，使混凝土断裂成若干分离的小柱而导致整体的最后破坏，应力达到极限抗压强度。这一阶段应力-应变曲线更加弯向水平轴，体积应变不断膨胀。混凝土宏观破坏是裂缝累积的过程，从内部结构局部损伤到遭受连续性破坏，导致整个体系解体而丧失承载力的过程，而非其组成成分中的基相和分散相自身强度的耗尽。12．简述棱柱体试件在短期一次加载时受压应力—应变曲线变化的全过程。答：混凝土在一次短期荷载作用下的应力-应变关系反映了受荷各个阶段内部的变化及其破坏的机理，它是研究钢筋混凝土结构极限强度理论（截面应力分析、内力重分配、刚度和挠度、抗裂性和裂缝宽度控制、结构抗震性能等）的重要依据。题-12典型的混凝土棱柱体受压应力题-12典型的混凝土棱柱体受压应力-应变曲线试验表明，完整的应力-应变曲线包括上升段和下降段两部分：1）上升段（OC）：分为三个阶段，从加荷至A点（应力约为0.3fc~0.4fc）由于试件中应力较小，混凝土的变形主要是骨料和水泥结晶体受力产生的弹性变形，水泥胶体的粘性流动以及初始微裂变化的影响很小，故应力与应变关系接近直线，一般称A点为比例极限点，OA为第一阶段。超过A点，进入第二阶段—稳定裂缝扩展阶段，至临界点B，临界点应力可作为长期抗压强度的依据。此后试件中所积蓄的弹性应变能始终保持大于裂缝发展所需要的能量，形成裂缝不稳定的快速发展状态直至峰点C，即第三阶段（如前所述的受压破坏机理）。这时，达到的峰值应力smax称为混凝土棱柱体抗压强度fc，相应的应变称为峰值应变e0，其值在0.0015~0.0025之间波动，平均值为e0=0.002。2）下降段（CE）：混凝土达到峰值应力后裂缝继续扩展、传播，从而引起应力-应变关系变化的反映。在峰值应力以后，裂缝迅速发展，内部结构的整体性受到越来越严重的破坏，赖以传递荷载的传力路线不断减少，试件的平均应力强度下降，所以应力-应变向下弯曲，直到曲线的凹向发生改变（即曲率为零的一点D），我们称该点为“拐点”。超过“拐点”，结构受力性能开始发生本质的变化，骨料间的咬合力及摩擦力开始与残余承压面共同承受荷载。随着变形的增加，应力-应变曲线逐渐凸向水平轴方向，此段曲线中曲率最大的一点E称为“收敛点”。从收敛点开始以后的曲线称为收敛段，此时贯通的主裂缝已经很宽，结构内聚力已几乎耗尽，收敛段（EF）对于无侧向约束的混凝土已失去结构意义。13．影响混凝土应力-应变曲线形状的主要因素有哪些？答：试验结果表明，不同强度混凝土的应力-应变曲线随着混凝土强度的提高，上升段和峰值应变的变化不显著，而下降段的形状有较大的差异，混凝土强度越高，下降段的坡度越陡，即应力下降相同幅度时，变形越小，因此延性越差。混凝土受压应力-应变曲线的形状还与加载速度有着密切的关系，同一强度混凝土试件在不同应变速度下的应力-应变曲线，可以看出，随着应变速度的降低，峰值应力也逐渐减小，但是达到最大应力值时的应变却增加了，下降段也比较平缓。 14．国内外最广泛采用的混凝土受压应力-应变曲线的数学模型有哪两种？我国《规范》采用的表达形式如何？答：国内外最广泛采用的混凝土受压应力-应变曲线的数学模型：美国E.Hognestad建议的模型题-14-1E.Hognestad建议的模型曲线题-14-2Rüsch建议的模型曲线该模型的上升段为二次抛物线，下降段为斜直线，如图题-14-1所示。其数学模型为： 当e£e0时（上升段）：当e0£e£eu时（下降段）：式中fc—峰值应力（棱柱体极限抗压强度）； e0—相应于峰值应力时的应变，取e0=0.002；eu—极限压应变，取eu=0.0038。2）德国Rüsch建议的模型图题-14-2的模型的上升段与E.Hognestad建议的模型相同，下降段采用水平直线，形式更简单。即当e£e0时（上升段）：当e0£e£eu时（下降段）：=fce0—相应于峰值应力时的应变，取e0=0.002；eu—极限压应变，取eu=0.0035。15．混凝土处于三向受压状态时的变形有何特点？对工程实际有和意义？答：三向复合受压状态下的混凝土比单向受压混凝土不但提高了强度并且有效地提高了延性。随着侧向压力的增加，试件的强度和延性都有显著提高。在工程中可以通过设置密排螺旋筋、箍筋或采用钢管混凝土来侧向约束混凝土，这是一种被动的约束方式。在混凝土轴向压力很小时，钢材约束几乎不受力，此时混凝土基本上不受约束，当轴向压力使混凝土应力达到临界应力时，由于混凝土内部裂缝发展引起体积膨胀变形而挤压螺旋筋、箍筋或钢管，这就使得螺旋筋、箍筋或钢管反过来约束混凝土，混凝土如同在三向应力下工作，因此能有效地提高混凝土强度，对延性的提高更加明显，螺旋筋或箍筋越密提高越多。螺旋筋与箍筋的不同之处是，密排箍筋对提高延性较好，但对提高抗压强度的效果不大，这是因为方形箍筋仅能使箍筋的角上和核心的混凝土受到约束，总的来看，方形箍筋约束混凝土的效果就不如螺旋筋好。16．混凝土的变形模量有哪三种表示方法？它们之间的关系如何？答：混凝土的变形模量有如下三种表示方法：（1）混凝土的原点弹性模量通过一次加载的混凝土棱柱体受压应力-应变关系曲线原点的切线斜率，称为原点弹性模量，以符号Ec表示。 Ec=tg0 或Ec=c/ela式中Ec—原点弹性模量，简称弹性模量；0—混凝土曲线在原点处的切线与横坐标轴的夹角。（2）混凝土的变形模量Ec'当应力较大，超过比例极限时，弹性模量Ec已不能反映这时的应力和应变之间的关系，为此采用变形模量的概念。由原点O与曲线上任一点连线的斜率，称为混凝土的变形模量Ec'（又称割线模量），它的表达式为：Ec'=tg1或Ec'=c/c因总应变ec中包含弹性和塑性变形两部分，由此所确定的模量又可称为弹塑性模量。（3）混凝土的切线模量Ec''在混凝土应力-应变曲线上某一应力sc点处作一切线，其应力增量与应变增量之比值称为相应于应力为sc时的切线模量Ec''。即Ec''=tg或式中—为某点应力sc处的切线与横坐标的夹角。由于混凝土塑性变形的发展，混凝土的切线模量是一个变值，它随着混凝土的应力增大而减小。混凝土的变形（割线）模量也是一个变量，随着应力大小而有区别。它与原点切线模量的关系如下：Ecela=Ec'cEc'=Ecela/c=Ecn—混凝土受压时弹性系数。当应力较小时，处于弹性阶段，可以认为n=1；当应力增大，处于弹塑性阶段时，n小于1，随着应力的不断增加，n值逐渐减小。17．什么是混凝土的徐变？混凝土徐变产生的原因有哪些？混凝土徐变与哪些因素有关？混凝土的徐变对结构构件有何影响？答：混凝土在荷载长期作用下（即压力不变的情况下），它的应变随时间继续增长的现象称为混凝土徐变。混凝土徐变产生的原因，可以理解为：一方面是混凝土硬结以后，骨料之间的水泥浆，一部分变为结晶体，另一部分是充填在晶体间带有凝胶孔的凝胶体，具有粘性流动的性质。当向水泥石施加外荷载时，在加荷的瞬时，结晶体与凝胶体共同承受外荷载。其后，随着时间的推移，凝胶体由于其粘性流动而逐渐卸荷，此时晶体承受了更多的外力，并产生弹性变形，从而使水泥石变形（混凝土徐变）增加，即水泥凝胶体与水泥结晶体重新分布应力所造成的结果。另一方面的原因是混凝土内部微裂缝在荷载长期作用下不断发展和增加，从而导致应变的增加。当应力不大时，徐变的发展以第一种原因为主；当应力较大时，以第二种原因为主。试验表明，徐变与下列一些因素有关：（1）混凝土的组成成分对徐变有很大影响，水泥用量愈多，水灰比愈大，徐变愈大，当水灰比在范围变化时，因为应力作用下的徐变与水灰比成正比；增加混凝土的骨料的含量，其骨料越坚硬，弹性模量越高、对徐变的约束作用越大，混凝土徐变就减小。（2）混凝土的制作方法、养护条件，特别是养护时的温湿度对徐变有重要影响。养护条件好，养护时温度高、湿度大，水泥水化作用充分，徐变越小。（3）加荷时混凝土的龄期越小，徐变越大，受荷后所处环境的温度越高、湿度越低，则徐变越大，构件加载前混凝土强度愈高，徐变就愈小。（4）构件截面的形状、尺寸也会对徐变产生很大的影响，大尺寸混凝土构件内部失水受到限制，徐变减小。另外，（5）钢筋的存在以及应力的性质（拉、压应力等对徐变也有影响）。（6）混凝土在长期荷载作用下的应力大小。应力越大，则徐变越大。当压应力>0.8时，混凝土的非线性徐变往往是不收敛的。因此，如果构件的混凝土在使用期间经常处于不变的高应力状态是不安全的，需要特别注意。 混凝土的徐变对结构构件将产生十分不利的影响，如增大混凝土结构的变形等。收缩产生的主要原因有哪些？混凝土收缩与哪些因素有关？混凝土的收缩对结构构件有何影响？答：混凝土在空气中结硬过程中体积减小的现象称为收缩。一般认为，产生收缩的主要原因是混凝土硬化过程中化学反应产生的凝结引缩和混凝土内的自由水蒸发产生的收缩。试验表明，混凝土的收缩与下列因素有关： （1）水泥用量和水灰比：水泥愈多和水灰比愈大，收缩也愈大，减水剂的使用可减小收缩；（2）水泥标号和品种：高标号水泥制成的混凝土构件收缩大；不同品种的水泥制成的混凝土收缩水平不同。如矿渣水泥具有干缩性大的缺点；（3）骨料的物理性能：骨料的弹性模量大，收缩小；（4）养护和环境条件：在结硬过程中，养护和环境条件好（温、湿度大），收缩小；（5）混凝土制作质量：混凝土振捣越密实，收缩越小；（6）构件的体积与表面积比：比值大时，收缩小。混凝土的收缩对钢筋混凝土和预应力混凝土结构构件会产生十分有害的影响。如，混凝土构件受到约束时，混凝土的收缩就要使构件中产生收缩应力，收缩应力过大，就会使构件产生裂缝，以致影响结构的正常使用；在预应力混凝土构件中混凝土的收缩将引起钢筋预应力的损失等等。因此，应当设法减小混凝土的收缩，避免对结构产生有害的影响。19．《规范》对混凝土等级的选用有何规定？答：《规范》规定：钢筋混凝土结构的混凝土强度等级不宜低于C15；当采用HRB335级钢筋时，混凝土强度等级不宜低于C20；当采用HRB400和RRB400级钢筋以及对承受重复荷载的构件，混凝土强度等级不得低于C20。预应力混凝土结构的混凝土强度等级不宜低于C30；当采用钢绞线、钢丝、热处理钢筋作预应力钢筋时，混凝土强度等级不宜低于C40。当采用山砂混凝土及高炉渣混凝土时，尚应符合专门标准的规定。在荷载、温度、收缩等外界因素作用下，钢筋和混凝土这两种材料为什么能够结合在一起共同工作？在荷载、温度、收缩等外界因素作用下，钢筋和混凝土这两种材料结合在一起能够共同工作：（1）因为二者之间相近的温度线膨胀系数；（2）因为混凝土硬化后，钢筋与混凝土之间产生了的粘结能力来抵抗粘结应力。粘结应力通常是指钢筋与混凝土接触面上的剪应力。21．钢筋与混凝土的粘结能力通过哪些途径得到？答：试验表明，粘结能力可以通过以下三种途径得到：（1）钢筋与混凝土接触面上的化学吸附作用力，也称胶结力。这种力一般很小，当接触面发生相对滑移时，该力即行消失。仅在受力阶段的局部无滑移区域起作用。（2）混凝土收缩，将钢筋紧紧裹住而产生摩擦力。混凝土和钢筋之间的挤压力越大，接触面的粗糙程度越大，摩擦系数越大，则两者之间的摩擦力就越大。试验表明，光圆钢筋压入混凝土的试验所得的粘结强度比拉拔试验所得的粘结强度大，主要是因为钢筋受压时缩短，直径增大，挤压混凝土使摩擦力增加所致。（3）钢筋表面凹凸不平产生与混凝土之间的机械咬合作用力，又称咬合力。变形