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-1-高等钢筋混凝土理论第一章钢筋的物理力学性能1.钢筋单向拉伸应力—应变曲线的金相学解释。OA弹性变形：金属内部原子间距改变。取决于晶体阵上原子间的相互作用力。塑性变形：沿某些结晶面，施加的剪应力超过晶体临界切应力，金属晶体沿结晶面发生滑移。实际，晶体临界切应力远小于理论值，原因：晶体中缺陷——位错：金属晶体中原子排列并非十分整齐，塑性变形时，滑移面不是整排原子一起移动，而是位错移动造成晶面间相对滑动。B屈服上限：钢中杂质原子或离子处于位错中心，起“钉扎”作用，增加位错运动阻力，宏观形成“上限”。B’屈服下限：位错运动后，杂质原子滞后，位错脱锚，发生低应力下滑动。CD强化阶段：晶面滑移时，晶粒变形、位错繁殖。位错密度大量增加，发生交割，加大运动阻力，出现强化现象。D点为钢筋的极限强度。2.钢筋经冷拉和冷拔后物理力学性能有何改变？（1）冷拉：在常温下将钢筋拉过屈服强度、至强化阶段的某一应力水平。（下图左）冷拉后，钢材产生形变强化，抗拉屈服强度提高，延伸率下降，冷拉后的性能与以下因素有关：1）屈服强度提高程度与钢筋强度有关；2）屈服点随时效时间增加，钢种级别越高，变化越小；3）钢筋强度高时，达控制冷拉应力，所需冷拉率小，冷拉率大将影响冷拉后的延伸率；4）冷拉后由静力法测得的弹性模量下降，经人工时效几乎恢复原值。（2）冷拔：将钢筋拉过比其直径小的硬质合金模，使受侧压力，截面积减小，长度增加。（上图右）1、随冷拔拉力和横向挤压力的增加，钢筋强度提高，延伸率急剧下降。2、截面压缩率小于20-30%，主要是位错密度增加提高钢筋强度；大于50%，不仅晶粒滑移，而且滑移面转动，产生各向异性，二者使抗拉、压强度提高。3、除原材料强度外，冷拔后截面总压缩率大，强度高，延伸率降低；总压缩率相同时，冷拔次数对钢丝强度影响不大，但延伸率随冷拔次数增加而减小。3.钢筋的徐变与松弛及其影响因素。徐变：在高应力下，钢筋应变随时间增长。属于塑性变形。松弛：钢筋受力后，长度保持不变，应力随时间增长而降低。应力解除后，松弛可恢复。影响因素：1、钢筋的松弛发展较混凝土快得多，而且随时间增长松弛率逐渐减小，如用时间为对数坐标时，基本为一直线关系。2、松弛损失与钢筋初张拉应力大小有关，张拉控制应力值低时，应力松弛损失值小。3、松弛是随温度增加而增加的。4、钢种有关：一般冷拉热轧钢筋冷拔钢丝钢绞线。为了减少钢材的松弛损失，可采用的措施有：超张拉或选用低松弛高强钢筋、钢丝和钢绞线（经过应力消除或专门“稳定”处理得到低松弛的高强钢丝和钢绞线）。-2-4.钢筋的应力腐蚀。应力腐蚀：钢筋在电化学腐蚀和应力复合作用下导致断裂。首先是拉应力造成的应变破坏了材料表面的纯化膜，新鲜表面与介质接触发生电化学腐蚀，形成腐蚀坑，产生了裂纹源。在裂纹源处出现三向拉应力集中地区，介质中电化学反应形成的有害元素（如氢）可吸附在材料表面，扩散到三向应力区，造成裂纹尖端部位材料性能的脆化，引起裂纹扩展，最后导致断裂条件：有一定腐蚀介质，荷载，一定的材质条件。影响因素：1、钢筋强度：强度越高，应力腐蚀的敏感性越强。2、预应力值越大，应力腐蚀的敏感性越强。3、钢筋外形和钢种4、钢筋的组织状态。5.钢筋的疲劳断裂。1）定义：钢筋在外力循环作用下，由于内部缺陷导致疲劳断裂。2）如何发生：1、疲劳断裂过程：反复荷载作用下，钢筋内部质量薄弱处产生应力集中——个别点首先出现塑性变形，久之形成微裂纹——2、裂纹增加、连接、发展，形成裂缝——3、截面削弱，应力集中急速加剧，超过晶体结合力，发生断裂。3）影响因素：影响钢筋疲劳的原因——应力幅度、最小应力值大小、钢筋外表面几何尺寸、钢筋直径、钢筋强度、其他一些因素。（分数多要展开如下）1）应力幅值：应力幅值为一次循环应力中最大应力与最小应力之差。钢筋压应力的循环一般不会发生疲劳破坏，而在拉应力循环或拉压应力循环才会发生疲劳破坏；其他影响因素均不变，在有限疲劳寿命区域应力值幅度与循环次数成斜线关系，在长寿命区域应力值幅度的影响很小，形成logN的平等线。2）最小应力值大小：增加了最小应力值，在有限寿命疲劳区域和长寿命区都降低了钢筋的疲劳强度。但当最小应力值为压应力时，可增加疲劳强度。3）钢筋外表面几何尺寸：变形钢筋能增强钢筋与混凝土之间的粘结力，但在循环荷载作用下，在鼓出的肋与钢筋表面接交处产生应力集中现象，这是产生钢筋疲劳裂缝的一个很重要原因。4）钢筋直径：随着钢筋直径的增大，降低了钢筋的疲劳强度。5）钢筋强度：在有限疲劳寿命区，随着钢筋强度等级的增加，增加了钢筋的疲劳强度。6）其他一些影响因素：焊接质量如焊缝表面粗糙度，气泡，焊接烧伤等都会形成应力集中，因而降低了钢筋的疲劳强度；含炭量愈高的钢筋，由于降低了延性，焊接对钢筋的敏感性也愈高；钢筋弯起处将发生应力集中现象。6.包兴格效应及其工程意义。钢筋经拉伸（或压缩）超过弹性变形后，其反向加载下的弹性极限显著下降，荷载超过弹性极限越多，反向受力时的弹性极限降低越多。此现象即“包兴格效应”。工程意义：1、钢材的抗压条件流限随冷拉率的增加而降低，当冷拉率超过3%比例极限时，条件流限降低程度的增加不太明显。2、钢材冷拉经时效后，则抗压条件流限有明显的提高，而冷轧、冷扭钢筋的包兴格效应不明显。影响因素：1、钢材的原始的性能的影响。2、不同类型钢材晶粒的大小。3、退火、回火4、加载速度5、加载历史：初始加载时塑性应力愈大，反向应力降低愈大，循环次数愈多，软化影响愈小。产生原因：晶粒内残余应力的存在，施加反向荷载时，晶体大部分提早进入塑性状态，发生包兴格效应的应力软化现象。-3-2-1混凝土中裂缝的形成和发展(可以分为几个阶段)。原始微裂缝阶段：加载前，由于水泥浆硬化干缩、水分蒸发等原因，在混凝土内部形成主要分布于较大粗骨料与砂浆界面上的原始微裂缝（粘结裂缝）。（图1）稳定裂缝产生阶段：单轴压应力不超过30%-50%极限抗压强度，原始裂缝扩展并产生新的粘结裂缝，但裂缝处于相对独立的发展阶段，应力—应变关系基本为弹性。（图2）稳定裂缝扩展阶段：继续加载，但不超过临界应力（70%-90%极限抗压强度），粘结裂缝向砂浆内延伸，并在砂浆内产生新裂缝，应力—应变关系明显非线性；若停止加载，裂缝扩展停止。（图3）非稳定裂缝扩展阶段：荷载超过临界应力，出现大量砂浆裂缝、并急剧发展，与向砂浆内延伸的粘结裂缝连接贯通，出现不稳定裂缝，荷载不变，裂缝自行扩展。（图4）2-2.混凝土单轴受压应力—应变关系及主要影响因素。（包括混凝土强度的影响因素）（A:比例极限：0.3~05σp；B：临界点σB=0.8σp;C：峰值；D：收敛点（1）混凝土在荷载作用下的应力-应变关系，开始为直线变化，然后逐渐偏离直线，转变成为曲线形变化，至应力达到最大值的极限强度而破坏。应力-应变关系曲线有上升段和下降段。上升段(如图OABC段曲线)：除有明显收缩史的混凝土试件外，在荷载开始作用下，应力—应变曲线会呈现上凹段外，尽管荷载前混凝土内存在局部微裂缝，只要混凝土处于“稳定断裂传播的开始(OSFP)”值以下时，混凝土仍基本处于弹性工作阶段，应力-应变关系为直线，如上图内OA线所示。A点约为峰值应力的30~50%。当混凝土应力进入“稳定裂缝传播”阶段后，由于裂缝不断传播发展，应力-应变关系逐渐偏离直线，如图AB曲线所示。当混凝土应力进入“非稳定裂缝传播”阶段以后，由于砂浆裂缝大量出现，粘结裂缝向砂浆内传播延伸，成为可自行传播开裂的不稳定状态，有些砂浆裂缝和粘结裂缝彼此连通，至最大应力C点时，混凝土内会形成若干通缝如图所示，能量消失增大。下降段（如图CDE段曲线）：下降段是混凝士在到达峰值压力后，裂缝继续开展、传播、发展引起应力—应变关系变化曲反映。在到达峰值应力以后，裂缝继续迅速传播发展，而且由于坚硬骨料颗粒的存在，沿裂缝面上产生剪摩滑移，同时并出现新裂缝、试件仍能支撑一定的荷载。（2）应力-应变关系影响因素：混凝土材料的品种、配合比和龄期等是重要的影响因素；有试验表明，水泥标号、用量和水灰比以及粗骨料的性质、含量配合比和粒径大小等对应力-应变曲线，特别是下降段的变化，都有不同的影响。（3）影响混凝土抗压强度的因素：①组成材料品种性质的影响；②组成材料配合比的影响（包括水灰比、空气含量、水泥用量、骨料最大尺寸）；③混凝土龄期的影响；④试验方法的影响（包括试件形状和大小尺寸、加载速度）；⑤施工养护条件的影响2-3.混凝土复杂受力下强度的变化规律（1）双轴受压：破坏强度与二轴主应力比值有关，混凝土强度虽可提高，但提高的程度有限，一般只能比单轴受压强度提高10%~20%，最多也只有30%左右。一轴受拉、一轴受压：破坏时强度的变化与混凝土标号或混凝土单轴抗拉强度的相对比值有关RL/σ0，混凝土抗压强度增加或RL/σ0值减少时，相对的破坏强度即随之减少。-4-双轴同时受拉：无论二轴主应力比值如何，都大致和单轴抗拉强度相等。（2）三轴受压：试件破坏时的实际最大主压应力轴强度，要比双轴受压的相应强度要高，均随值σ3的增加而增大。三轴不等号受力：试件破坏时，受压轴能承受的主压力值，随受拉主拉应力的增加而降低。三轴同时受拉：混凝土的破坏强度均小于或等于其单轴抗拉强度。（3）同时受剪压或剪拉：见下图①截面同时受扭和受压或受拉：0：单轴抗压强度受压破坏时正应力与剪应力的关系是：2000///nba受拉：1//220LLTRT0:纯扭转引起的剪应力②截面同时受剪和受压，相应也有经验关系公式在复杂受力条件下混凝土的强度与变形规律，尚须进行更多的试验研究和理论讨论。2-4.混凝土局部承压强度及其工作机理。局部承压的混凝土，因为受周围混凝土的约束作用，从而提高了局部承压面积的混凝土强度，该强度为混凝土局部承压强度。在靠近局部承压荷载下的一段块体长度内（一般在块体高度范围内）产生横向拉应力。这种拉应力可使混凝土产生裂缝。当Ad/Ac36时，试件整体破坏前，承压板下混凝土已局部下陷，沿承压板周边混凝土明显地被剪切，外围混凝土尚未劈裂，承载力还可增长。当9Ad/Ac36时，裂缝从顶面向下发展，承压板外围的混凝土被劈成数块，这种破坏很突然，属于脆性破坏。当Ad/Ac9时，在试件某一侧面首先由于横向拉应力形成裂缝，楔锥体劈裂尚未形成，当裂缝逐渐开展后形成通缝而最后劈裂破坏。影响因素：（1）局部加载面积与承载试件受力面积比值。即Ad/Ac它是最主要的因素；（2）试件尺寸的影响，宽度与高度，即h/2b;(3)加载垫板几何形状和性质，包括承压板的尺寸和形状、类型；（4）配筋率；（5）混凝土配合比和强度2-5.反复循环荷载和重复荷载下混凝土的变形性能。（1）反复循环荷载作用下，混凝土的残余变形将逐渐累积，当荷载经过多次反复以后，-5-混凝土强度不再降低，残余变形不再增加，应力-应变形成一稳定的滞回环。（2）重复荷载：在压应力低于混凝土疲劳强度值情况下，卸载和随后加载的应力-应变曲线都形成一封闭的滞回环。当重复荷载增加至某一定值Rap后，内部组织结构渐趋稳定，卸载和加载应力-应变曲线会重复成直线。在压应力较大，高于疲劳破坏强度Rap时，循环重复加载-卸载的应力-应变曲线，开始变化情况同低应力一样，但这是暂时现象，每次加载都会引起混凝土内微裂缝不断出现新的开裂和发展，加载应力-应变曲线就会由凸向应力轴转变为凹向应力轴变化，以致加载、卸载不能再形成封闭的滞回环。随重复荷载次数增加，混凝土内微裂缝会继续开裂发展，应力-应变曲线倾角不断降低，至荷载重复到某一定次数时，混凝土试件会因严重开裂或变形过大而破坏即疲劳破坏。2-6.综述混凝土的徐变和收缩。(1)徐变：与外荷载及时间都有关系的一种非弹性性质变形组成：徐变由两个部分组成，一是基本徐变或真实徐变，即在湿度平衡条件下产生的徐变值，主要和常值应力大小及时间长短有关；一是干缩徐变，这是受力试件与周围环境中湿度交换的结果，随时间而引起的变形。它区别于收缩，主要是收缩是在混凝土不受力情况下引起的体积变形。徐变+加荷时瞬