钢筋的力学性能PPT课件.ppt

钢筋的力学性能筋的力学性能1.内容内容简介介l 钢筋的低温性能筋的低温性能l 钢筋的疲筋的疲劳断裂断裂l 钢筋的筋的应力腐力腐蚀l 钢筋的徐筋的徐变与松弛与松弛l 参考文献参考文献2.1.1 引言：引言：地球上可以利用的土地和地球上可以利用的土地和资源是有限的。人源是有限的。人类为了了争取更争取更大的生存空大的生存空间,土木工程在将来必将向深海拓土木工程在将来必将向深海拓宽、向极地、向极地进军、向太空、向太空迈进。极地和太空的一个共同特点就是。极地和太空的一个共同特点就是环境境温度低。我国温度低。我国东北地区的最低温度北地区的最低温度纪录为-53.4,-53.4,南南 极极 地地 区区 的的 最最 低低 温温 度度 记 录 为-68.2,-68.2,而月球最低温而月球最低温度度为-183 -183。在。在这种情况下种情况下,研究适用于低温研究适用于低温环境下的境下的钢筋混凝土筋混凝土结构具有重要的意构具有重要的意义。一、一、钢筋的低温性能筋的低温性能3.1.1 引言：引言：为了解混凝土了解混凝土结构在低温下的工作性能构在低温下的工作性能,对其其进行耐久性行耐久性评估、寿命估、寿命预测以及相以及相应的的计算机仿真分析算机仿真分析,钢筋在低温筋在低温下的力学性能是其中基下的力学性能是其中基础而关而关键的的问题之一。之一。碳素碳素钢或普通低合金或普通低合金钢筋都是以体心立方晶格的筋都是以体心立方晶格的铁素体素体为基本基本结构。构。这种金属中的原子，随着温度降低，种金属中的原子，随着温度降低，热运运动减减少，反映在力学性能方面，少，反映在力学性能方面，为强度增高、塑性或度增高、塑性或韧性降低，性降低，脆性性能增加，脆性性能增加，这种称种称为金属的冷脆性或冷脆金属的冷脆性或冷脆倾向。具有向。具有冷脆冷脆倾向的材料，如材料具有初始缺陷或裂向的材料，如材料具有初始缺陷或裂纹时，容易，容易发生低温脆断。生低温脆断。一、一、钢筋的低温性能筋的低温性能4.1.1.1 钢筋的化学成分：筋的化学成分：影响影响钢筋性能的最主要的元素是碳，除碳外，筋性能的最主要的元素是碳，除碳外，还有少量的有少量的铁、硅、硅、锰、磷、硫、氧、氮、磷、硫、氧、氮、钛、钒等元素，等元素，虽其含量其含量少，但少，但对钢筋的性能影响很大。筋的性能影响很大。碳：碳：钢筋的抗拉筋的抗拉强度随含碳量的增大而提高，碳度随含碳量的增大而提高，碳还可以降可以降低低钢筋的塑形，增加筋的塑形，增加钢筋的冷脆性和筋的冷脆性和时效敏感性；当含碳效敏感性；当含碳量高于量高于0.3%0.3%时，将，将显著降低著降低钢筋的可筋的可焊性。性。硅：当硅：当钢筋中硅的含量低于筋中硅的含量低于1.0%1.0%时，能，能显著提高著提高钢筋的筋的强度，而度，而对塑形和塑形和韧性没有明性没有明显的影响。的影响。一、一、钢筋的低温性能筋的低温性能5.磷：使磷：使钢筋的冷脆性筋的冷脆性显著增加，低温下的冲著增加，低温下的冲击韧性下降，性下降，可可焊性降低。性降低。氧：降低氧：降低韧性，促性，促进时效效倾向，降低可向，降低可焊性。性。氮：使氮：使钢筋的筋的强度提高，塑形和度提高，塑形和韧性性显著下降，加著下降，加剧钢筋筋的的时效敏感性和冷脆性，降低可效敏感性和冷脆性，降低可焊性。性。钛：提高：提高强度和改善度和改善韧性，减少性，减少时效效倾向，改善可向，改善可焊性。性。钒：提高：提高强度，减小度，减小时效敏感性。效敏感性。一、一、钢筋的低温性能筋的低温性能6.1.2 钢筋的冲筋的冲击韧性性:钢筋的冲筋的冲击韧性与哪些因素有关？何性与哪些因素有关？何谓冷脆冷脆临界温度和界温度和时效敏感效敏感性？性？钢筋的冲筋的冲击韧性与性与钢筋的化学成分，内部筋的化学成分，内部组织状状态，以及冶，以及冶炼、轧制制质量、加工有关。量、加工有关。冲冲击韧性随温度的降低而下降，其性随温度的降低而下降，其规律是开始律是开始时下降平下降平缓，当达，当达到某一温度范到某一温度范围时，突然下降很多而呈脆性，突然下降很多而呈脆性，这种种现象称象称为钢筋筋的冷脆性，的冷脆性，这时的温度的温度为脆性脆性临界温度。界温度。随随时间延延长而表而表现出出强度提高、塑形和冲度提高、塑形和冲击韧性降低，性降低，这种种现象象称称为时效。因效。因时效而效而导致性能改致性能改变的程度称的程度称为时效敏感性。效敏感性。时效效敏感性愈大的敏感性愈大的钢筋，筋，经过时效后其冲效后其冲击韧性和塑形的降低性和塑形的降低显著。著。一、一、钢筋的低温性能筋的低温性能7.1.3 钢筋的冷加工：筋的冷加工：钢筋冷加工筋冷加工对力学性能有何影响？力学性能有何影响？冷加工冷加工对力学性能有力学性能有这样的影响：提高屈服的影响：提高屈服强度，抗度，抗压强度也稍有增度也稍有增长，塑形和，塑形和韧性降低。性降低。经冷加工冷加工处理的理的钢材，材，不不仅力学性能上有所改力学性能上有所改变，而且可，而且可调直和清除直和清除锈皮，同皮，同时可取得明可取得明显的的经济效益，当提高效益，当提高钢筋屈服筋屈服强度度20%-50%20%-50%时，可可节约钢筋筋20%-30%20%-30%。一、一、钢筋的低温性能筋的低温性能8.一、一、钢筋的低温性能筋的低温性能1.4抗震抗震钢筋的低温脆性：筋的低温脆性：目前目前钢材的低温性能研究主要材的低温性能研究主要针对结构构钢材材,如如Q235钢，16MnV 钢,15MnV 钢,16Mnq 钢和和 14MnNbq钢等等,且主且主要集中在要集中在-60 以上。研究表明以上。研究表明,钢材的材的强度随温度的降低度随温度的降低而升高而升高,塑性和塑性和韧性性则随着温度的降低而降低随着温度的降低而降低。对于国内于国内工程中常用的工程中常用的钢筋筋,尚缺乏尚缺乏这一方面的研究一方面的研究,且温度范且温度范围需需进一步一步扩大。大。为此此,对三种三种钢筋筋(热轧带肋肋钢筋筋 HRB335、HRB400和和热轧细晶粒晶粒钢筋筋 HRBF500)在在-180-80 环境下境下进行了低温拉伸行了低温拉伸试验。旨在通。旨在通过试验初步研初步研究超低温下建筑究超低温下建筑钢筋的力学性能筋的力学性能,为进一步分析一步分析钢筋混凝土筋混凝土结构构件的低温受力性构构件的低温受力性能做准能做准备。9.一、一、钢筋的低温性能筋的低温性能一般一般情况下情况下,发生地震生地震时有有纵波波和横波和横波,纵波的破坏性不大波的破坏性不大,造成建筑物倒塌的是横波。地震波是交造成建筑物倒塌的是横波。地震波是交变的的,且振幅且振幅较大大时的的频率率为 1 Hz 3Hz,持持续时间多在一分多在一分钟以内。地震波使以内。地震波使钢筋混凝土开裂筋混凝土开裂处的的钢筋承受极大的交筋承受极大的交变载荷荷,在水平方向在水平方向产生很高的循生很高的循环应变,其断裂其断裂过程与高程与高应变低周疲低周疲劳行行为极极为相似。因此用于抗震相似。因此用于抗震结构的构的钢筋筋应具有良好的高具有良好的高应变低周疲低周疲劳性能性能,避免在地震避免在地震过程中程中发生断裂。生断裂。根据建筑根据建筑结构构钢在交在交变地震地震载荷下的失效模式及其特定荷下的失效模式及其特定的服役条件的服役条件,一般公一般公认的以高的以高应变低周疲低周疲劳为主的主的结构材料构材料的相关抗震性能指的相关抗震性能指标有有:10.一、一、钢筋的低温性能筋的低温性能(1)高高应变低周疲低周疲劳(2)强度与塑性的配合度与塑性的配合;(3)应变时效敏感性效敏感性;(4)低温脆性低温脆性;(5)可可焊性。性。由于由于钢筋在地震筋在地震时主要承受高主要承受高应变低周低周载荷的冲荷的冲击,因此要因此要求抗震求抗震钢筋首先筋首先应具有抗高具有抗高应变低周疲低周疲劳的性能的性能,而良好的而良好的韧性以及性以及强韧性的配合是抗高性的配合是抗高应变低周疲低周疲劳的基的基础。应变时效敏感性是衡量效敏感性是衡量钢筋抗震性能的一个重要指筋抗震性能的一个重要指标,热轧钢筋筋应变后后经过一段一段时间的放置的放置,因因时效作用效作用导致致钢筋性能筋性能发生生变化化,强度升高度升高,韧性降低性降低,随着随着韧性的降低其性的降低其对地震能的吸地震能的吸收减少收减少,抗震能力减弱抗震能力减弱,因此希望因此希望钢筋具有筋具有较低的低的应变时效效敏感性。敏感性。11.一、一、钢筋的低温性能筋的低温性能PS:高循高循环疲疲劳（HCF，高周疲，高周疲劳）。作用于零件、构件的）。作用于零件、构件的应力力水平水平较低低，破坏循，破坏循环次数一般高于次数一般高于104的疲的疲劳，弹簧、簧、传动轴等的疲等的疲劳属此属此类。低循低循环疲疲劳（LCF，低周疲，低周疲劳）。作用于零件、构件的）。作用于零件、构件的应力水力水平平较高高，破坏循，破坏循环次数一般低于次数一般低于103104的疲的疲劳，如，如压力容器、燃气力容器、燃气轮机零件等的疲机零件等的疲劳。12.一、一、钢筋的低温性能筋的低温性能 由于我国地震区分布广、由于我国地震区分布广、南北温差大南北温差大,北方温度可在零下北方温度可在零下 40摄氏度以下氏度以下,因此北方地震区因此北方地震区应使用具有良好抗低温脆性的使用具有良好抗低温脆性的钢筋。目前筋。目前,我国不分温度差我国不分温度差别对钢筋的影响筋的影响,一律使用同一律使用同样牌号的牌号的钢筋筋,忽略了忽略了钢筋低温脆断的筋低温脆断的隐患。患。钢筋的筋的焊接接处是抗震的薄弱是抗震的薄弱环节,应保保证钢筋筋焊接接接接头也具有良好的抗震也具有良好的抗震性能。性能。PS:钢筋冷加工筋冷加工处理后可以提高屈服理后可以提高屈服强度，但是度，但是这是以是以牺牲塑形，增加脆性牲塑形，增加脆性为代价的，会使其代价的，会使其焊接性能接性能变差，差，对结构构不安全，所以要不安全，所以要焊接后再冷拉。接后再冷拉。13.一、一、钢筋的低温性能筋的低温性能1.5总结（影响（影响钢筋低温力学性能的因素）筋低温力学性能的因素）1、化学成分的影响：降低碳、硅，增加、化学成分的影响：降低碳、硅，增加锰、钒、钛，改善，改善韧性性2、冷拉的影响：冷拉或冷拉、冷拉的影响：冷拉或冷拉经时效，增加冷脆效，增加冷脆倾向。向。3、焊接影响：接影响：热影响区影响区发生脆断。生脆断。4、工、工艺缺陷的影响：表面缺陷有缺陷的影响：表面缺陷有应力集中，增加冷脆力集中，增加冷脆倾向。向。14.许多多钢筋混凝土筋混凝土结构，除了承受静构，除了承受静载作用外，作用外，还经常常承受承受动载作用。作用。结构材料在重复荷构材料在重复荷载作用下，将会作用下，将会发生低生低于静于静载强度的脆性破坏，即疲度的脆性破坏，即疲劳破坏。因此破坏。因此对于此于此类结构构设计，必，必须考考虑结构构件的疲构构件的疲劳强度度问题。混凝土。混凝土结构的构的疲疲劳性能与其构成材料（混凝土、普通性能与其构成材料（混凝土、普通钢筋和筋和预应力力钢筋）筋）以及他以及他们之之间粘粘结性能密切相关。因此性能密切相关。因此对混凝土混凝土结构的疲构的疲劳问题研究，必研究，必须首先了解其构成材料的疲首先了解其构成材料的疲劳性能。性能。2.1.1研究背景研究背景 二、二、钢筋的疲筋的疲劳断裂断裂15.由于由于钢筋混凝土筋混凝土结构采用了极限构采用了极限强度度设计方法和高方法和高强钢筋材料，筋材料，钢筋混凝土的疲筋混凝土的疲劳日益受到人日益受到人们的重的重视。对于承受于承受重复荷重复荷载的吊的吊车梁、梁、桥面板、面板、轨枕、路面和海洋枕、路面和海洋结构，要求构，要求在承在承载重复荷重复荷载下以及在高下以及在高应力条件下能良好地工作。随着力条件下能良好地工作。随着结构分析方法越来越精确，要求构分析方法越来越精确，要求对混凝土的力学性能（包括混凝土的力学性能（包括疲疲劳性能）的了解也越来越多。性能）的了解也越来越多。这些都使得些都使得钢筋混凝土筋混凝土结构构的疲的疲劳日益成日益成为不可忽不可忽视的关的关键问题。2.1.2 研究意研究意义 二、二、钢筋的疲筋的疲劳断裂断裂16.二、二、钢筋的疲筋的疲劳断裂断裂 钢筋的疲筋的疲劳断裂是在外力作用下，由于断裂是在外力作用下，由于钢筋内部的缺陷筋内部的缺陷造成的，如：造成的，如：夹有有杂质使本身不均匀或使本身不均匀或钢筋外表面的筋外表面的变形突形突变或缺陷；又如：刀痕、或缺陷；又如：刀痕、锈蚀或脱碳或脱碳层等。等。2.2.1疲疲劳断裂的定断裂的定义2.2.2 2.2.2 疲疲劳断裂的断裂的过程程 （1 1）疲）疲劳裂裂纹形成。形成。钢铁在冶在冶炼、轧制和加工制和加工过程中可能程中可能在内部和表面出在内部和表面出现一些缺陷，如一些缺陷，如杂质、缝隙、刻痕和隙、刻痕和锈蚀斑斑等。荷等。荷载作用下，作用下，这些缺陷附近和表面横肋的凹角些缺陷附近和表面横肋的凹角处产生生应力集中。当力集中。当应力力过高，使高，使钢筋晶粒滑移，就形成了初始裂筋晶粒滑移，就形成了初始裂纹。2.2钢筋疲筋疲劳断裂的作用机理断裂的作用机理17.二、二、钢筋的疲筋的疲劳断裂断裂（2 2）疲）疲劳裂裂纹扩展。展。应力重复次数的增加，裂力重复次数的增加，裂纹逐逐渐扩展，展，损伤积累，减小了有效截面面累，减小了有效截面面积，钢筋截面上的裂筋截面上的裂纹面因面因为重复加卸重复加卸载产生的生的变形增大和恢复，使之摩擦光滑而色暗。形增大和恢复，使之摩擦光滑而色暗。（3 3）当）当钢筋的剩余有效面筋的剩余有效面积不再能承受既定的荷不再能承受既定的荷载（拉力）（拉力）时，试件突然脆性断裂。断裂面上部分面件突然脆性断裂。断裂面上部分面积色色泽新亮，呈粗新亮，呈粗糙的晶粒状。糙的晶粒状。18.二、二、钢筋的疲筋的疲劳断裂断裂 1 1、直接、直接进行行单根原状根原状钢筋筋轴拉拉试验；2 2、将、将钢筋埋入混凝土中使其重复受拉或受弯的筋埋入混凝土中使其重复受拉或受弯的试验。我国采用直接做我国采用直接做单根根钢筋筋轴拉拉试验的方法。混凝土的方法。混凝土结构构设计规范范规定了不同等定了不同等级钢筋的疲筋的疲劳应力幅度限力幅度限值，并，并规定定该值与截面同一与截面同一纤维上上钢筋最小筋最小应力与最大力与最大应力比力比值有关。有关。2.2.3 钢筋的疲筋的疲劳试验方法方法 19.二、二、钢筋的疲筋的疲劳断裂断裂2.2.4 钢筋疲筋疲劳断裂的影响因素断裂的影响因素 1 1）应力幅力幅值(反比）：反比）：应力幅力幅值为一次循一次循环应力中最大力中最大应力与最小力与最小应力之差。力之差。钢筋筋压应力的循力的循环一般不会一般不会发生疲生疲劳破破坏，而在拉坏，而在拉应力循力循环或拉或拉压应力循力循环才会才会发生疲生疲劳破坏；其破坏；其他影响因素均不他影响因素均不变，在有限疲，在有限疲劳寿命区域寿命区域应力力值幅度与循幅度与循环次数成斜次数成斜线关系，在关系，在长寿命区域寿命区域应力力值幅度的影响很小，形幅度的影响很小，形成成logNlogN的平等的平等线。2 2）最小）最小应力力值大小：增加了最小大小：增加了最小应力力值，在有限疲，在有限疲劳寿寿命区域和命区域和长寿命区都降低了寿命区都降低了钢筋的疲筋的疲劳强度。但当最小度。但当最小应力力值为压应力力时，可增加疲，可增加疲劳强度。度。20.二、二、钢筋的疲筋的疲劳断裂断裂3 3）钢筋外表面几何尺寸：筋外表面几何尺寸：变形形钢筋能增筋能增强钢筋与混凝土之筋与混凝土之间的粘的粘结力，但在循力，但在循环荷荷载作用下，在鼓出的肋与作用下，在鼓出的肋与钢筋表面交接筋表面交接处产生生应力集中力集中现象，象，这是是产生生钢筋疲筋疲劳裂裂缝的一个很重要原的一个很重要原因。因。4 4）钢筋直径：随着筋直径：随着钢筋直径的增大，降低了筋直径的增大，降低了钢筋的疲筋的疲劳强度。度。5 5）钢筋筋强度：在有限疲度：在有限疲劳寿命区，随着寿命区，随着钢筋筋强度等度等级的增加，的增加，增加了增加了钢筋的疲筋的疲劳强度。度。21.二、二、钢筋的疲筋的疲劳断裂断裂 钢筋的疲筋的疲劳S-NS-N曲曲线方程式在双方程式在双对数坐数坐标中的表达式如下：中的表达式如下：logN=A+mlog logN=A+mlogCC式中：式中：N-N-疲疲劳失效失效时的循的循环次数；次数；-外加外加应力幅（力幅（MpaMpa）；）；A-S-NA-S-N曲曲线的截距；的截距；m-m-曲曲线的斜率；的斜率；C-C-循循环次数的次数的统计偏差；偏差；C=KmC=KmN N1-r1-r2 2；m mN N-循循环次数的次数的对数均方差；数均方差；r-r-相关系数，相关系数，应为负数；数；K-K-均均值线下下标准差数目。准差数目。钢筋的疲筋的疲劳S-NS-N曲曲线示意示意图 钢筋的疲筋的疲劳S-N曲曲线22.二、二、钢筋的疲筋的疲劳断裂断裂 铁科院科院铁建所做了建所做了1818根直径根直径为20mm20mm、屈服、屈服强度度为257Mpa257Mpa的的Q235Q235光光圆钢筋的疲筋的疲劳试验；长沙沙铁道学院从道学院从东北拆卸下来的北拆卸下来的混凝土梁上混凝土梁上凿取出直径取出直径为20mm20mm的的锈蚀程度各不相同的光程度各不相同的光圆钢筋，筋，结果如下表所示：果如下表所示：2.3.1 光光圆钢筋的疲筋的疲劳S-N曲曲线 光光圆钢筋的疲筋的疲劳S-NS-N曲曲线23.二、二、钢筋的疲筋的疲劳断裂断裂 光光圆钢筋疲筋疲劳S-NS-N曲曲线比比较 从上表可以看出，从上表可以看出，的的试验结果果值最大，最大，次之，次之，最小。最小。如果将如果将10107 7次次时的疲的疲劳强度度进行比行比较，可以，可以发现，光，光圆钢筋在筋在混凝土中的疲混凝土中的疲劳强度比在空气中减小度比在空气中减小约14.5%14.5%。锈蚀对钢筋筋的疲的疲劳强度的影响度的影响则更大，更大，锈蚀钢筋在筋在10107 7次次时的疲的疲劳强度比度比没有没有锈蚀的减少的减少约39.7%39.7%。24.二、二、钢筋的疲筋的疲劳断裂断裂 变形形钢筋在空气中的筋在空气中的轴力疲力疲劳试验，断裂常，断裂常发生于生于钢筋筋的最大缺陷的最大缺陷处，而在混凝土中的弯曲疲，而在混凝土中的弯曲疲劳试验，断裂，断裂则常常发生在混凝土区生在混凝土区钢筋横肋与其相交的根部。通筋横肋与其相交的根部。通过实验结果比果比较可知可知变形形钢筋在空气中和埋在混凝土中的疲筋在空气中和埋在混凝土中的疲劳强度是一度是一样的。的。变形形钢筋疲筋疲劳裂裂纹起始于起始于钢筋表面筋表面变形的根部，而如果形的根部，而如果钢筋表面腐筋表面腐蚀或或锈蚀坑坑处的的应力集中大于凸肋根部的力集中大于凸肋根部的应力集力集中，那么疲中，那么疲劳裂裂纹就起始于就起始于该腐腐蚀或或锈蚀坑坑处，因此可知，因此可知，腐腐蚀或或锈蚀对钢筋的疲筋的疲劳强度有影响。度有影响。2.3.2变形形钢筋的疲筋的疲劳S-N曲曲线 25.二、二、钢筋的疲筋的疲劳断裂断裂 防防护疲疲劳断裂断裂设计应注意以下几点：注意以下几点：1 1、正确、正确选用用钢材，使之具有足材，使之具有足够的的韧性；性；2 2、尽量减少初始裂、尽量减少初始裂纹的尺寸；的尺寸；3 3、缓和和应力集中，减小力集中，减小应力力值。2.4 钢筋疲筋疲劳断裂防断裂防护措施措施 26.三、三、钢筋的筋的应力腐力腐蚀3.1 钢筋的筋的应力腐力腐蚀性能分析：性能分析：预应力力钢筋随着筋随着钢筋筋强度的提高，塑性、度的提高，塑性、韧性有所下降，性有所下降，在腐在腐蚀介介质的作用下，的作用下，对腐腐蚀的敏感性会大大加的敏感性会大大加强。3.1.1应力腐力腐蚀的原因：的原因：(1)钢筋在潮湿的空气中或在有侵筋在潮湿的空气中或在有侵蚀的介的介质中，由于中，由于电化化学引起学引起钢材腐材腐蚀，使，使钢筋表面形成大小不等弥散分布的筋表面形成大小不等弥散分布的腐腐蚀坑。坑。(2)氢脆断。脆断。应力腐力腐蚀可以看成是可以看成是电化学腐化学腐蚀和力学的复合作用下和力学的复合作用下导致断裂的致断裂的过程。程。27.2024/3/9 周六 三、三、钢筋的筋的应力腐力腐蚀3.1.2应力腐力腐蚀发生的条件：生的条件：(1)要有一定的腐要有一定的腐蚀介介质(2)要有一定的荷要有一定的荷载(3)在一定的材在一定的材质条件下条件下首先是拉首先是拉应力造成的力造成的应变破坏了材料表面的破坏了材料表面的纯化膜，新化膜，新鲜表面与介表面与介质接触接触发生生电化学腐化学腐蚀，形成腐，形成腐蚀坑，坑，产生生了裂了裂纹源。在源源。在源处出出现三向拉三向拉应力集中地区，介力集中地区，介质中中电化学反化学反应形成的有害元素（如形成的有害元素（如氢）可吸附在材料表面，）可吸附在材料表面，扩散到三向散到三向应力区，造成裂力区，造成裂纹尖端部位材料性能的脆化，尖端部位材料性能的脆化，形成裂形成裂纹扩展，最后展，最后导致断裂。致断裂。28.2024/3/9 周六 三、三、钢筋的筋的应力腐力腐蚀3.1.3预应力力钢筋腐筋腐蚀的特殊性：的特殊性：与普通与普通钢筋相比，筋相比，预应力力钢筋的腐筋的腐蚀具有明具有明显的特殊性：的特殊性：在正常工作状在正常工作状态下，普通下，普通钢筋筋处于低于低应力状力状态，其，其对腐腐蚀的影响很小；而的影响很小；而预应力力钢筋筋则处于高于高应力状力状态，高，高应力状力状态往往又能提高往往又能提高钢筋的腐筋的腐蚀活性，提高腐活性，提高腐蚀速率，速率，并可能与腐并可能与腐蚀耦合形成耦合形成“应力腐力腐蚀”或或“腐腐蚀疲疲劳”这样的脆性腐的脆性腐蚀破坏破坏问题。29.三、三、钢筋的筋的应力腐力腐蚀3.2 断裂力学断裂力学对应力腐力腐蚀的分析：的分析：断裂力学是采用断裂力学是采用应力和介力和介质共同作用下共同作用下发生断裂的延生断裂的延迟时间，来判断材料来判断材料应力腐力腐蚀敏感性影响的一敏感性影响的一门学科。用表面近于无缺学科。用表面近于无缺陷的光滑陷的光滑试样，来，来测定定应力腐力腐蚀断裂断裂时间。试验表明，裂表明，裂纹扩展速率主要取决于裂展速率主要取决于裂纹顶端的端的应力力强度因子度因子K，在，在应力腐力腐蚀试验中中,裂裂纹扩展特性同展特性同样也存在一限制，即达也存在一限制，即达到到应力腐力腐蚀临界界应力力强度因子度因子K（即（即临界的裂界的裂纹扩展力）展力）时，裂裂纹即停止即停止扩展。展。30.三、三、钢筋的筋的应力腐力腐蚀3.3 钢筋筋应力取力取值对应力腐力腐蚀性能的影响：性能的影响：钢筋筋强度和度和预应力力值对应力腐力腐蚀性能有一定的影响。如性能有一定的影响。如图所示：所示：31.三、三、钢筋的筋的应力腐力腐蚀从从图中表明中表明应力腐力腐蚀的敏感性随的敏感性随钢筋筋强度和度和应力力张拉拉值的提高的提高而增加。所以即使而增加。所以即使强度高的度高的钢筋，使用筋，使用应力亦不能控制得太高。力亦不能控制得太高。相反，抗拉相反，抗拉强度适当降低，度适当降低，对抗抗应力腐力腐蚀性能有性能有显著改善。著改善。32.三、三、钢筋的筋的应力腐力腐蚀3.4预应力力钢筋的腐筋的腐蚀问题：3.4.1预应力力钢筋腐筋腐蚀问题的研究的研究现状：状：预应力混凝土力混凝土结构的构的应用日益广泛，但用日益广泛，但预应力力钢筋的腐筋的腐蚀问题也日益也日益严重，从而影响重大土木工程重，从而影响重大土木工程结构的安全使用。构的安全使用。腐腐蚀会会对钢筋的性能筋的性能产生影响，主要是以下生影响，主要是以下3个：个：腐腐蚀造成造成钢筋平均截面筋平均截面积的减小；的减小；不均匀腐不均匀腐蚀形成的腐形成的腐蚀坑坑处容易容易产生生应力集中；力集中；由于由于钢筋内筋内应力的存在，腐力的存在，腐蚀将会改将会改变其内部的晶格其内部的晶格结构，构，从而使从而使钢筋性能筋性能发生生变化化一般腐一般腐蚀过程可能是程可能是这3个因素中的某一个或某两个因素起作用，个因素中的某一个或某两个因素起作用，也可能是也可能是这3个因素共同作用的个因素共同作用的结果。果。33.三、三、钢筋的筋的应力腐力腐蚀3.4.2预应力力钢筋腐筋腐蚀问题的防的防护措施措施：(1)防止防止钢筋腐筋腐蚀的措施是不可忽的措施是不可忽视的，尤其是的，尤其是张拉与灌拉与灌浆之之间的的时间相隔很相隔很长，并受到，并受到恶劣气候的影响的劣气候的影响的时候。因此，候。因此，规范范要求采用耐要求采用耐应力腐力腐蚀性能好的性能好的预应力力钢筋。当筋。当钢筋周筋周围侵侵蚀性性很很严重重时，一般可采取加覆盖，一般可采取加覆盖层(有机物或金属有机物或金属)，或者采用阴，或者采用阴极保极保护措施措施进行保行保护。电镀层(镀锌)就具有就具有这两种两种类型的保型的保护作用。作用。(2)预应力力钢筋在使用期筋在使用期间产生破坏的主要原因是生破坏的主要原因是设计误差。差。(3)如果施加如果施加预应力的混凝土有足力的混凝土有足够的的强度，度，则其其质量本身就足量本身就足以保以保护钢筋。筋。强度不度不够的混凝土必定是不均匀或者有孔隙的混的混凝土必定是不均匀或者有孔隙的混凝土，不利于凝土，不利于钢筋保筋保护。34.三、三、钢筋的筋的应力腐力腐蚀此外，在施加此外，在施加预应力力时，往往会出，往往会出现一些施工差一些施工差错，这对钢筋的保筋的保护是有害的，尤其是是有害的，尤其是钢筋端部完全或者部分没有灌注混筋端部完全或者部分没有灌注混凝上，或者存在封凝上，或者存在封闭缺隙等。缺隙等。因此，无因此，无论是在是在设计、施工、施工还是在完工后的使用中，都必是在完工后的使用中，都必须对上述措施加以重上述措施加以重视，并采取相，并采取相应的的对策。策。35.四、四、钢筋的徐筋的徐变和松弛和松弛4.1徐徐变和松弛的定和松弛的定义钢筋徐筋徐变：在高在高应力作用下，力作用下，钢筋受力后，随筋受力后，随时间增增长应变继续增增加。加。钢筋松弛：筋松弛：钢筋受力后，筋受力后，长度保持固定不度保持固定不变，钢筋中筋中应力随力随时间增增长而降低的而降低的现象称之象称之为松弛。松弛。在金属的徐在金属的徐变和松弛的情况下，存在着明和松弛的情况下，存在着明显的塑性的塑性变形形过程的程的现象的局限性。象的局限性。这是由于金属内部是由于金属内部结构的不构的不够完善。就完善。就是是说金属内部存在断金属内部存在断缝结构，它的移构，它的移动的运的运动引起着塑性引起着塑性变形。形。应力松弛力松弛现象基本是由于剪切断象基本是由于剪切断缝和和扩散断散断缝的的过程的程的结果。果。36.2024/3/9 周六四、四、钢筋的徐筋的徐变和松弛和松弛 图中曲中曲线（）瞬）瞬时钢筋筋应力力应变曲曲线，曲，曲线（）为钢筋假定筋假定经过无限无限长的的时间后的后的应力力应变曲曲线，（t）为经过任意任意(t)时间后的后的应力力应变曲曲线。即即为钢筋最筋最终的徐的徐变值。为钢筋初始筋初始应力力为T的最的最终松弛松弛值，徐徐变和松弛的关系近似按式和松弛的关系近似按式，4.2徐徐变与松弛的关系与松弛的关系37.2024/3/9 周六四、四、钢筋的徐筋的徐变和松弛和松弛4.2徐徐变与松弛的关系与松弛的关系38.四、四、钢筋的徐筋的徐变和松弛和松弛 4.3影响影响钢筋松弛的因素筋松弛的因素由于由于钢筋的筋的预应力混凝土力混凝土结构中构中预应力力钢筋筋张拉后的拉后的长度基本保持不度基本保持不变，钢筋中的筋中的应力力处于松弛状于松弛状态，影响，影响钢筋松弛的筋松弛的 主要因素：主要因素：1、钢筋的松弛随筋的松弛随时间而增而增长，松弛率逐，松弛率逐渐下降；下降；2、钢筋松弛且与初始筋松弛且与初始应力大小有关，力大小有关，张拉控制拉控制应力力值低低时 应力力损失失值越小，相反就越大；越小，相反就越大；3、松弛、松弛值与与钢筋的种筋的种类有关，一般的冷拉有关，一般的冷拉热轧钢筋松弛筋松弛损失失较冷冷拔低碳拔低碳钢丝，碳素，碳素钢丝和和钢绞线的低，的低，钢绞线的的应力松弛力松弛较用同用同样材材料料钢丝的松弛都大；的松弛都大；4、钢筋松弛随着温度的增加而增加；筋松弛随着温度的增加而增加；5、钢筋松弛和筋松弛和钢材种材种类、张拉方法（一次拉方法（一次张拉以及超荷拉以及超荷张拉）、拉）、控制控制应力力值、时效与不效与不时效有关。效有关。39.四、四、钢筋的徐筋的徐变和松弛和松弛4.4应力控制、力控制、张拉方法以及拉方法以及时效性效性对松弛的影响松弛的影响40.四、四、钢筋的徐筋的徐变和松弛和松弛41.四、四、钢筋的徐筋的徐变和松弛和松弛42.四、四、钢筋的徐筋的徐变和松弛和松弛 由上述可由上述可见：1、不同控制、不同控制应力力值对应力松弛力松弛损失是有影响的，控制失是有影响的，控制应力高力高则应力力松弛松弛损失大。失大。2、超荷、超荷张拉，一般可减少拉，一般可减少应力松弛力松弛损失。失。3、钢筋直径筋直径对应力松弛力松弛损失的影响不明失的影响不明显。4、冷拉、冷拉钢筋采取同一筋采取同一张拉方法，拉方法，经时效与不效与不时效的效的应力松弛力松弛损失相失相差不明差不明显。5、钢筋的松弛在开始筋的松弛在开始阶段段发展很快。一次展很快。一次张拉拉试验第一小第一小时完成完成50左右，左右，24小小时内完成内完成80.96%左右，超荷左右，超荷张拉拉试验第一小第一小时完成完成40左右，左右，24小小时内完成内完成60左右。从持左右。从持续1000小小时的的试验结果来果来看，看，90以上的以上的应力松弛力松弛损失失发生在生在15天以内，天以内，15天后松弛天后松弛发展很少。展很少。43.四、四、钢筋的徐筋的徐变和松弛和松弛4.5减少松弛减少松弛损失的措施失的措施 1、超荷、超荷张拉法拉法 2、预应力筋力筋张拉完拉完毕立即灌立即灌浆法法 3、补拉法（再次拉法（再次张拉法）拉法）4、综合法合法 5、电热机械机械张拉法拉法 6、钢筋筋热处理理44.参考文献参考文献1 翟盘茂,任福民.中国近四十年最高最低温度变化 J.气象学报,1997,55(4):418-429.2 陈锦年,褚健婷,许兰英.南极气候和海冰的时空变化特征及其与太平洋海温场的关系 J.海洋学报,2003,25(6):39-47.3李雄耀,王世杰,程安云.月球表面温度物理模型研究现状 J.地球科学进展，2007,22(5):480-485.4 王元清,武延民,石永久.低温对结构钢材主要力学性能影响的试验研究 J.铁道科学与工程学报,2005,2(1):1-4.5Whiteley J D,Armstrong B M,Welburn R W.Reinforcing and prestressing steels for cryogenic applicationsC Cryogenic Concrete Proceedings of the let International Conference.London:Concrete Society/Construction 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