【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 （212）混凝土的切線模量也是一個(gè)變值，它隨著混凝土的應(yīng)力增大而減小。注意：混凝土不是彈性材料，所以不能用已知的混凝土應(yīng)變乘以規(guī)范中所給的彈性模量值去求混凝土的應(yīng)力。只有當(dāng)混凝土應(yīng)力很低時(shí)，它的彈性模量與變形模量值才近似相等?；炷恋膹椥阅Ａ靠砂聪率接?jì)算 (kN/mm2) （213）(5) 混凝土軸向受拉時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系 曲線形狀與受壓時(shí)相似，具有上升段和下降段。試驗(yàn)測(cè)試表明，在試件加載的初期，變形與應(yīng)力呈線性增長(zhǎng)，至峰值應(yīng)力的40％～50％達(dá)比例極限，加載至峰值應(yīng)力的76％～83％時(shí)，曲線出現(xiàn)臨界點(diǎn)（即裂縫不穩(wěn)定擴(kuò)展的起點(diǎn)），到達(dá)峰值應(yīng)力時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變只有75106 ～115106。曲線下降段的坡度隨混凝土強(qiáng)度的提高而更陡峭。受拉彈性模量與受壓彈性模量值基本相同。圖216 不同強(qiáng)度的混凝土拉伸應(yīng)力應(yīng)變?nèi)€2. 荷載長(zhǎng)期作用下混凝土的變形性能(徐變) （1）徐變的概念結(jié)構(gòu)或材料承受的荷載或應(yīng)力不變，而應(yīng)變或變形隨時(shí)間增長(zhǎng)的現(xiàn)象稱為徐變。混凝土的徐變特性主要與時(shí)間參數(shù)有關(guān)。1) 加荷瞬時(shí)變形εela當(dāng)對(duì)棱柱體試件加載，應(yīng)力達(dá)到（～）fc某一值時(shí)，其加載瞬間產(chǎn)生的應(yīng)變?yōu)樗矔r(shí)應(yīng)變?chǔ)舉la。2) 混凝土的徐變?chǔ)與r若保持荷載不變，隨著加載作用時(shí)間的增加，應(yīng)變也將繼續(xù)增長(zhǎng)，這就是混凝土的徐變?chǔ)與r。一般，徐變開(kāi)始增長(zhǎng)較快，以后逐漸減慢，經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間后就逐漸趨于穩(wěn)定。徐變應(yīng)變值約為瞬時(shí)應(yīng)變的14倍。圖217 混凝土的徐變（應(yīng)變與時(shí)間的關(guān)系曲線）(2) 線性徐變和非線性徐變混凝土的徐變與混凝土的應(yīng)力大小有著密切的關(guān)系。應(yīng)力越大徐變也越大，隨著混凝土應(yīng)力的增加，混凝土徐變將發(fā)生不同的情況:圖218 壓應(yīng)力與徐變的關(guān)系1) 線性徐變當(dāng)混凝土應(yīng)力σc≤，徐變與應(yīng)力成正比，曲線接近等間距分布，這種情況稱為線性徐變。2) 非線性徐變當(dāng)混凝土應(yīng)力σc＞，徐變變形與應(yīng)力不成正比，徐變變形比應(yīng)力增長(zhǎng)要快，稱為非線性徐變。在非線性徐變范圍內(nèi)，當(dāng)加載應(yīng)力過(guò)高時(shí)，徐變變形急劇增加不再收斂，呈非穩(wěn)定徐變的現(xiàn)象，可能造成混凝土的破壞?；炷翗?gòu)件在使用期間，應(yīng)當(dāng)避免經(jīng)常處于不變的高應(yīng)力狀態(tài)。一般地, 混凝土長(zhǎng)期抗壓強(qiáng)度取(～)fc。(3) 產(chǎn)生徐變的主要原因1) 水泥膠體的塑性變形。加載時(shí)混凝土的齡期越早，徐變?cè)酱蟆?) 混凝土內(nèi)部微裂縫的持續(xù)發(fā)展。 (4) 影響徐變的因素1) 內(nèi)在因素──混凝土組成成分水泥用量越多，徐變?cè)酱螅凰冶仍酱?，徐變也越大。骨料彈性性質(zhì)也明顯地影響徐變值，一般，骨料越堅(jiān)硬，彈性模量越高，對(duì)水泥石徐變的約束作用越大，混凝土的徐變?cè)叫?。圖220 骨料對(duì)徐變的影響2) 環(huán)境因素──養(yǎng)護(hù)及使用時(shí)的溫度、濕度養(yǎng)護(hù)時(shí)溫度高、濕度大，水泥水化作用充分，徐變?cè)叫。欢褂檬艿胶奢d作用后所處的環(huán)境溫度越高、濕度越低，則徐變?cè)酱蟆?) 應(yīng)力條件──混凝土的應(yīng)力大小混凝土的應(yīng)力越大徐變也越大。(5) 徐變對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的工作性能的影響由于混凝土的徐變，會(huì)使構(gòu)件的變形增加，在鋼筋混凝土截面中引起應(yīng)力重分布。在預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中會(huì)造成預(yù)應(yīng)力損失。3. 混凝土在荷載重復(fù)作用下的變形（疲勞變形）混凝土的疲勞是在荷載重復(fù)作用下產(chǎn)生的?；炷猎诤奢d重復(fù)作用下引起的破壞稱為疲勞破壞。疲勞現(xiàn)象大量存在于工程結(jié)構(gòu)中，鋼筋混凝土吊車(chē)梁受到重復(fù)荷載的作用，鋼筋混凝土道橋受到車(chē)輛振動(dòng)的影響以及港口海岸的混凝土結(jié)構(gòu)受到波浪沖擊而損傷等都屬于疲勞破壞現(xiàn)象。疲勞破壞的特征是裂縫小而變形大。(1) 混凝土在荷載重復(fù)作用下的應(yīng)力應(yīng)變曲線1）σ1或σ2＜fcf時(shí): 對(duì)混凝土棱柱體試件，一次加載應(yīng)力σ1或σ2小于混凝土疲勞強(qiáng)度f(wàn)cf時(shí)，其加載卸載應(yīng)力應(yīng)變曲線OAB形成了一個(gè)環(huán)狀。而在多次加載、卸載作用下，應(yīng)力應(yīng)變環(huán)會(huì)越來(lái)越密合，經(jīng)過(guò)多次重復(fù)，這個(gè)曲線就密合成一條直線。2）σ3＞fcf時(shí): 開(kāi)始，混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲線凸向應(yīng)力軸，在重復(fù)荷載過(guò)程中逐漸變成直線，再經(jīng)過(guò)多次重復(fù)加卸載后，其應(yīng)力應(yīng)變曲線由凸向應(yīng)力軸而逐漸凸向應(yīng)變軸，以致加卸載不能形成封閉環(huán)，這標(biāo)志著混凝土內(nèi)部微裂縫的發(fā)展加劇趨近破壞。隨著重復(fù)荷載次數(shù)的增加，應(yīng)力應(yīng)變曲線傾角不斷減小，至荷載重復(fù)到某一定次數(shù)時(shí)，混凝土試件會(huì)因嚴(yán)重開(kāi)裂或變形過(guò)大而導(dǎo)致破壞。圖221 混凝土在重復(fù)荷載作用下的應(yīng)力應(yīng)變曲線(2) 混凝土的疲勞強(qiáng)度f(wàn)cf 1) 測(cè)定方法混凝土的疲勞強(qiáng)度用疲勞試驗(yàn)測(cè)定。疲勞試驗(yàn)采用100mml00mm300mm或150mm150mm450mm的棱柱體，把能使棱柱體試件承受200萬(wàn)次或其以上循環(huán)荷載而發(fā)生破壞的壓應(yīng)力值稱為混凝土的疲勞抗壓強(qiáng)度。2) 疲勞應(yīng)力比值ρcf混凝土的疲勞強(qiáng)度與重復(fù)作用時(shí)應(yīng)力變化的幅度有關(guān)。在相同的重復(fù)次數(shù)下，疲勞強(qiáng)度隨著疲勞應(yīng)力比值的減小而增大。疲勞應(yīng)力比值ρcf按下式計(jì)算：ρcf =σcf,min/ σcf,max （214）式中 σcf,min、σcf,max表示截面同一纖維上的混凝土最小應(yīng)力及最大應(yīng)力。4. 混凝土的收縮與膨脹混凝土凝結(jié)硬化時(shí)，在空氣中體積收縮，在水中體積膨脹。通常，收縮值比膨脹值大很多?；炷恋氖湛s值隨著時(shí)間而增長(zhǎng)，蒸汽養(yǎng)護(hù)混凝土的收縮值要小于常溫養(yǎng)護(hù)下的收縮值。圖222 混凝土的收縮養(yǎng)護(hù)不好以及混凝土構(gòu)件的四周受約束從而阻止混凝土收縮時(shí)，會(huì)使混凝土構(gòu)件表面或水泥地面上出現(xiàn)收縮裂縫。影響混凝土收縮的因素有：(1) 水泥的品種：水泥強(qiáng)度等級(jí)越高制成的混凝土收縮越大。(2) 水泥的用量：水泥越多，收縮越大；水灰比越大，收縮也越大。(3) 骨料的性質(zhì)：骨料的彈性模量大，收縮小。(4) 養(yǎng)護(hù)條件：在結(jié)硬過(guò)程中周?chē)鷾?、濕度越大，收縮越小。(5) 混凝土制作方法：混凝土越密實(shí)，收縮越小。(6) 使用環(huán)境：使用環(huán)境溫度、濕度大時(shí)，收縮小。(7) 構(gòu)件的體積與表面積比值：比值大時(shí)，收縮小。 鋼筋的物理力學(xué)性能 鋼筋的品種和級(jí)別1. 鋼材按化學(xué)成分分類混凝土結(jié)構(gòu)中使用的鋼材按化學(xué)成分，可分為碳素鋼及普通低合金鋼兩大類。(1) 碳素鋼 除含有鐵元素外還含有少量的碳、硅、錳、硫、磷等元素。根據(jù)含碳量的多少，碳素鋼又可分為低碳鋼（含碳量＜％＝、中碳鋼（含碳量0. 25％～％）和高碳鋼（％～％），含碳量越高強(qiáng)度越高，但是塑性和可焊性會(huì)降低。(2) 普通低合金鋼除碳素鋼中已有的成分外，再加入少量的硅、錳、鈦、釩、鉻等合金元素，可有效地提高鋼材的強(qiáng)度和改善鋼材的其他性能。目前我國(guó)普通低合金鋼按加入元素種類有以下幾種體系：錳系（20MnSi,25MnSi）、硅釩系(40Si2MnV、45SiMnV )、硅鈦系(45Si2MnTi)、硅錳系(40Si2Mn,48Si2Mn)、硅鉻系(45Si2Cr)。2. 鋼筋的品種和級(jí)別《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的國(guó)產(chǎn)普通鋼筋可使用熱軋鋼筋。用于預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的國(guó)產(chǎn)預(yù)應(yīng)力鋼筋可使用消除應(yīng)力鋼絲、螺旋肋鋼絲、刻痕鋼絲、鋼絞線，也可使用熱處理鋼筋。(1) 熱軋鋼筋熱軋鋼筋是低碳鋼、普通低合金鋼在高溫狀態(tài)下軋制而成。熱軋鋼筋為軟鋼，其應(yīng)力應(yīng)變曲線有明顯的屈服點(diǎn)和流幅，斷裂時(shí)有“頸縮”現(xiàn)象，伸長(zhǎng)率比較大。熱軋鋼筋根據(jù)其力學(xué)指標(biāo)的高低，分為以下四個(gè)種類：HPB235級(jí) （Ⅰ級(jí)，符號(hào)φ）HRB335級(jí) （Ⅱ級(jí)，符號(hào)φ）HRB400級(jí) （Ⅲ級(jí)，符號(hào)φ）RRB400級(jí) （余熱處理Ⅲ級(jí)，符號(hào)φ） Ⅰ級(jí)鋼筋的強(qiáng)度最低，Ⅱ級(jí)鋼筋的次之，Ⅲ級(jí)鋼筋的最高。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的縱向受力鋼筋宜優(yōu)先采用HRB400級(jí)鋼筋。(2) 預(yù)應(yīng)力鋼筋1) 消除應(yīng)力鋼絲消除應(yīng)力鋼絲是將鋼筋拉拔后，校直，經(jīng)中溫回火消除應(yīng)力并穩(wěn)定化處理的光面鋼絲。2) 螺旋肋鋼絲螺旋肋鋼絲是以普通低碳鋼或低合金鋼熱軋的圓盤(pán)條為母材，經(jīng)冷軋減徑后在其表面冷軋成二面或三面有月牙肋的鋼筋。光面鋼絲和螺旋肋鋼絲按直徑可分為φφφφφφ9六個(gè)級(jí)別。 3) 刻痕鋼絲刻痕鋼絲是在光面鋼絲的表面上進(jìn)行機(jī)械刻痕處理，以增加與混凝土的粘結(jié)能力，分φⅠφⅠ7兩種。4) 鋼絞線鋼絞線是由多根高強(qiáng)鋼絲捻制在一起經(jīng)過(guò)低溫回火處理清除內(nèi)應(yīng)力后而制成，分為2股、3股和7股三種。5) 熱處理鋼筋熱處理鋼筋是將特定強(qiáng)度的熱軋鋼筋再通過(guò)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(qiáng)度能得到較大幅度的提高，而塑性降低并不多。熱處理鋼筋是硬鋼。其應(yīng)力應(yīng)變曲線沒(méi)有明顯的屈服點(diǎn)，伸長(zhǎng)率小，質(zhì)地硬脆。熱處理鋼筋有40Si2Mn、48Si2Mn和45Si2Cr三種。3. 鋼筋的冷加工方法冷拉或冷拔的冷加工方法可以提高熱軋鋼筋的強(qiáng)度。1) 冷拉: 鋼筋的冷拉應(yīng)力值必須超過(guò)鋼筋的屈服強(qiáng)度。冷拉后，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間鋼筋的屈服點(diǎn)比原來(lái)的屈服點(diǎn)有所提高，這種現(xiàn)象稱為時(shí)效硬化。鋼筋經(jīng)過(guò)冷拉和時(shí)效硬化以后，能提高屈服強(qiáng)度、節(jié)約鋼材，但冷拉后鋼筋的塑性（伸長(zhǎng)率）有所降低。為了保證鋼筋在強(qiáng)度提高的同時(shí)又具有一定的塑性，冷拉時(shí)應(yīng)同時(shí)控制應(yīng)力和控制應(yīng)變。2) 冷拔: 冷拔鋼筋是將鋼筋用強(qiáng)力拔過(guò)比它本身直徑還小的硬質(zhì)合金拔絲模，這時(shí)鋼筋同時(shí)受到縱向拉力和橫向壓力的作用，截面變小而長(zhǎng)度拔長(zhǎng)。經(jīng)過(guò)幾次冷拔，鋼絲的強(qiáng)度比原來(lái)有很大提高，但塑性降低很多。冷拉只能提高鋼筋的抗拉強(qiáng)度，冷拔則可同時(shí)提高抗拉及抗壓強(qiáng)度。冷加工鋼筋應(yīng)用時(shí)可參照相應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。4. 鋼筋的形式鋼筋的形式有光圓和帶肋兩類，帶肋鋼筋又分等高肋和月牙肋兩種。Ⅰ級(jí)鋼筋是光圓鋼筋，Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)鋼筋是帶肋的，統(tǒng)稱為變形鋼筋。鋼絲的外形通常為光圓，也有在表面刻痕的。圖223 鋼筋的形式 鋼筋的強(qiáng)度和變形鋼筋的強(qiáng)度和變形性能可以用拉伸試驗(yàn)得到的應(yīng)力應(yīng)變曲線來(lái)說(shuō)明。鋼筋的應(yīng)力應(yīng)變曲線，有的有明顯的流幅（例如熱軋低碳鋼筋HPB235級(jí)和熱軋低合金鋼筋HRB335級(jí)、HRB400級(jí)、RRB400級(jí)）；有的則沒(méi)有明顯的流幅（例如預(yù)應(yīng)力鋼絲、鋼絞線和熱處理鋼筋）。1. 有明顯流幅的鋼筋的強(qiáng)度和變形(1) 應(yīng)力應(yīng)變曲線(σε曲線)1) OA段 —— 彈性階段：應(yīng)力與應(yīng)變成比例變化，與A點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力稱為比例極限或彈性極限。2) AC段 —— 屈服階段：過(guò)A點(diǎn)后，應(yīng)力基本不增加而應(yīng)變急劇增長(zhǎng)，曲線接近水平線。B點(diǎn)到C點(diǎn)的水平距離的大小稱為流幅或屈服臺(tái)階。B′點(diǎn)稱為屈服上限，B點(diǎn)稱為屈服下限，有明顯流幅的熱軋鋼筋屈服強(qiáng)度是按屈服下限確定的。3) CD段 —— 強(qiáng)化階段：過(guò)C點(diǎn)以后，應(yīng)力又繼續(xù)上升，說(shuō)明鋼筋的抗拉能力又有所提高。隨著曲線上升到最高點(diǎn)D,相應(yīng)的應(yīng)力稱為鋼筋的極限強(qiáng)度。4) DE段 —— 頸縮階段：過(guò)了D點(diǎn)，試件薄弱處的截面將會(huì)突然顯著縮小，發(fā)生局部頸縮，變形迅速增加，應(yīng)力隨之下降，達(dá)到E點(diǎn)時(shí)試件被拉斷。圖224 有明顯流幅鋼筋的應(yīng)力一應(yīng)變曲線(2) 強(qiáng)度指標(biāo)1) 屈服強(qiáng)度f(wàn)y: 有明顯流幅的鋼筋的應(yīng)力到達(dá)屈服點(diǎn)后，會(huì)產(chǎn)生很大的塑性變形，使鋼筋混凝土構(gòu)件出現(xiàn)很大的變形和過(guò)寬的裂縫，以致不能使用，所以對(duì)有明顯流幅的鋼筋，在計(jì)算承載力時(shí)以屈服強(qiáng)度作為鋼筋強(qiáng)度限值。2) 極限強(qiáng)度f(wàn)t: 在抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，要求結(jié)構(gòu)在罕遇地震下“裂而不倒”, 鋼筋應(yīng)力可考慮進(jìn)入強(qiáng)化段, 要求極限強(qiáng)度f(wàn)t≥。(3) 塑性指標(biāo)鋼筋除了要有足夠的強(qiáng)度外，還應(yīng)具有一定的塑性變形能力。通常用伸長(zhǎng)率和冷彎性能兩個(gè)指標(biāo)衡量鋼筋的塑性。1）伸長(zhǎng)率：鋼筋拉斷后（例如，圖224中的E點(diǎn)）的伸長(zhǎng)值與原長(zhǎng)的比率稱為伸長(zhǎng)率。伸長(zhǎng)率越大塑性越好。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了各種鋼筋所必須達(dá)到的伸長(zhǎng)率的最小值（比如，δ100、δ10和δ5分別表示標(biāo)距 L=100d，L=l0d和L=5d時(shí)伸長(zhǎng)率的最小值），有關(guān)參數(shù)可參照相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。2) 冷彎性能: 冷彎是將直徑為d的鋼筋繞直徑為D的彎芯彎曲到規(guī)定的角度后無(wú)裂紋斷裂及起層現(xiàn)象，則表示合格。彎芯的直徑D越小，彎轉(zhuǎn)角越大，說(shuō)明鋼筋的塑性越好。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了各種鋼筋冷彎時(shí)相應(yīng)的彎芯直徑及彎轉(zhuǎn)角，有關(guān)參數(shù)可參照相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。2．無(wú)明顯流幅的鋼筋的強(qiáng)度和變形(1) 應(yīng)力應(yīng)變曲線(σε曲線)對(duì)沒(méi)有明顯流幅或屈服點(diǎn)的預(yù)應(yīng)力鋼絲、鋼絞線和熱處理鋼筋，為了與鋼筋國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)相一致，《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中也規(guī)定在構(gòu)件承載力設(shè)計(jì)時(shí)，取極限抗拉強(qiáng)度σb的85％作為條件屈服點(diǎn)，如圖225所示。圖225 無(wú)明顯流幅鋼筋的應(yīng)力一應(yīng)變曲線(2) 強(qiáng)度指標(biāo): 極限抗拉強(qiáng)度σb(3) 塑性指標(biāo): 伸長(zhǎng)率和冷彎性能。 鋼筋應(yīng)力應(yīng)變曲線的數(shù)學(xué)模型常用的鋼筋應(yīng)力變曲線模型有以下幾種。1. 描述完全彈塑性的雙直線模型 圖226(a)雙直線模型適用于流幅較長(zhǎng)的低強(qiáng)度鋼材。模型將鋼筋的應(yīng)力一應(yīng)變曲線簡(jiǎn)化為圖226(a)所示的兩段直線。OB段為完全彈性階段，B點(diǎn)為屈服下限，相應(yīng)的應(yīng)力及應(yīng)變?yōu)閒y和εy，OB段的斜率即為彈性模量ES。BC為完全塑性階段，C點(diǎn)為應(yīng)力強(qiáng)化的起點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的應(yīng)變?yōu)棣舠,h，過(guò)C點(diǎn)后，即認(rèn)為鋼筋變形過(guò)大不能正常使用。雙直線模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：當(dāng)εs≤εy時(shí)， σs = Esεs ( Es = fy/εy ) （215）當(dāng)εy≤εs≤εs,h時(shí)， σs = fy （216）2. 描述完全彈塑性加硬化的三折線模型 圖226(b)三折線模型適用于流幅較短的軟鋼。如圖226 (b)所示，圖中OB及BC直線段分別為完全彈性和塑性階段。C點(diǎn)為硬化的起點(diǎn)，CD為硬化階段。到達(dá)D點(diǎn)時(shí)即認(rèn)為鋼筋破壞，受拉應(yīng)力達(dá)到極限值