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第二章第二章 鋼筋和混凝土的力學(xué)性能鋼筋和混凝土的力學(xué)性能 問答題參考答案問答題參考答案 1 軟鋼和硬鋼的區(qū)別是什么 應(yīng)力一應(yīng)變曲線有什么不同 設(shè)計時分別采用什么值作 為依據(jù) 答 有物理屈服點的鋼筋 稱為軟鋼 如熱軋鋼筋和冷拉鋼筋 無物理屈服點的鋼筋 稱為硬鋼 如鋼絲 鋼絞線及熱處理鋼筋 軟鋼的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖 2 1 所示 曲線可分為四個階段 彈性階段 屈服階段 強化 階段和破壞階段 有明顯流幅的鋼筋有兩個強度指標(biāo) 一是屈服強度 這是鋼筋混凝土構(gòu)件設(shè)計時鋼筋強 度取值的依據(jù) 因為鋼筋屈服后產(chǎn)生了較大的塑性變形 這將使構(gòu)件變形和裂縫寬度大大增 加以致無法使用 所以在設(shè)計中采用屈服強度作為鋼筋的強度極限 另一個強度指標(biāo)是 鋼筋極限強度 一般用作鋼筋的實際破壞強度 y f u f 圖 2 1 軟鋼應(yīng)力應(yīng)變曲線 硬鋼拉伸時的典型應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖 2 2 鋼筋應(yīng)力達到比例極限點之前 應(yīng)力應(yīng)變按 直線變化 鋼筋具有明顯的彈性性質(zhì) 超過比例極限點以后 鋼筋表現(xiàn)出越來越明顯的塑性 性質(zhì) 但應(yīng)力應(yīng)變均持續(xù)增長 應(yīng)力應(yīng)變曲線上沒有明顯的屈服點 到達極限抗拉強度 b 點后 同樣由于鋼筋的頸縮現(xiàn)象出現(xiàn)下降段 至鋼筋被拉斷 設(shè)計中極限抗拉強度不能作為鋼筋強度取值的依據(jù) 一般取殘余應(yīng)變?yōu)?0 2 所對應(yīng)的 應(yīng)力 0 2作為無明顯流幅鋼筋的強度限值 通常稱為條件屈服強度 對于高強鋼絲 條件屈 服強度相當(dāng)于極限抗拉強度 0 85 倍 對于熱處理鋼筋 則為 0 9 倍 為了簡化運算 混凝 土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范 統(tǒng)一取 0 2 0 85 b 其中 b為無明顯流幅鋼筋的極限抗拉強度 圖 2 2 硬鋼拉伸試驗的應(yīng)力應(yīng)變曲線 2 我國用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的鋼筋有幾種 我國熱軋鋼筋的強度分為幾個等級 答 目前我國用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的鋼筋主要品種有鋼筋 鋼絲和 鋼絞線 根據(jù)軋制和加工工藝 鋼筋可分為熱軋鋼筋 熱處理鋼筋和冷加工鋼筋 熱軋鋼筋分為熱軋光面鋼筋 HPB235 Q235 符號 級 熱軋帶肋鋼筋 HRB335 20MnSi 符號 級 熱軋帶肋鋼筋 HRB400 20MnSiV 20MnSiNb 20MnTi 符號 級 余熱處理鋼筋 RRB400 K 20MnSi 符號 級 熱軋鋼筋主要用于鋼筋 混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中的非預(yù)應(yīng)力普通鋼筋 3 鋼筋冷加工的目的是什么 冷加工方法有哪幾種 簡述冷拉方法 答 鋼筋冷加工目的是為了提高鋼筋的強度 以節(jié)約鋼材 除冷拉鋼筋仍具有明顯的屈 服點外 其余冷加工鋼筋無屈服點或屈服臺階 冷加工鋼筋的設(shè)計強度提高 而延性大幅度 下降 冷加工方法有冷撥 冷拉 冷軋 冷扭 冷拉鋼筋由熱軋鋼筋在常溫下經(jīng)機械拉伸而成 冷拉應(yīng)力值應(yīng)超過鋼筋的屈服強度 鋼 筋經(jīng)冷拉后 屈服強度提高 但塑性降低 這種現(xiàn)象稱為冷拉強化 冷拉后 經(jīng)過一段時間 鋼筋的屈服點比原來的屈服點有所提高 這種現(xiàn)象稱為時效硬化 時效硬化和溫度有很大關(guān) 系 溫度過高 450 以上 強度反而有所降低而塑性性能卻有所增加 溫度超過 700 鋼材會恢復(fù)到冷拉前的力學(xué)性能 不會發(fā)生時效硬化 為了避免冷拉鋼筋在焊接時高溫軟化 要先焊好后再進行冷拉 鋼筋經(jīng)過冷拉和時效硬化以后 能提高屈服強度 節(jié)約鋼材 但冷 拉后鋼筋的塑性 伸長率 有所降低 為了保證鋼筋在強度提高的同時又具有一定的塑性 冷拉時應(yīng)同時控制應(yīng)力和控制應(yīng)變 4 什么是鋼筋的均勻伸長率 均勻伸長率反映了鋼筋的什么性質(zhì) 答 均勻伸長率 gt為非頸縮斷口區(qū)域標(biāo)距的殘余應(yīng)變與恢復(fù)的彈性應(yīng)變組成 s b gt El ll 0 0 0 0 l 不包含頸縮區(qū)拉伸前的測量標(biāo)距 拉伸斷裂后不包含頸縮區(qū)的測量標(biāo)距 實測鋼筋拉斷強度 鋼筋彈性模量 l 0 b s E 均勻伸長率 gt比延伸率更真實反映了鋼筋在拉斷前的平均 非局部區(qū)域 伸長率 客觀 反映鋼筋的變形能力 是比較科學(xué)的指標(biāo) 5 什么是鋼筋的包興格效應(yīng) 答 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在反復(fù)荷載作用下 鋼筋的力學(xué)性能與單向受拉或受壓時的 力學(xué)性能不同 1887 年德國人包興格對鋼材進行拉壓試驗時發(fā)現(xiàn)的 所以將這種當(dāng)受拉 或 受壓 超過彈性極限而產(chǎn)生塑性變形后 其反向受壓 或受拉 的彈性極限將顯著降低的軟 化現(xiàn)象 稱為包興格效應(yīng) 6 在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中 宜采用哪些鋼筋 答 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的鋼筋 應(yīng)按下列規(guī)定采用 1 普 通鋼筋宜采用 HRB400 級和 HRB335 級鋼筋 也可采用 HPB235 級和 RRB400 級鋼筋 2 預(yù)應(yīng)力鋼筋宜采用預(yù)應(yīng)力鋼絞線 鋼絲 也可采用熱處理鋼筋 7 試述鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)對鋼筋的性能有哪些要求 答 1 對鋼筋強度方面的要求 普通鋼筋是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中的非預(yù)應(yīng)力鋼筋 主要是 HPB235 HRB335 HRB400 RRB400 等熱軋鋼筋 2 強屈比的要求 所以設(shè)計中應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)那鼜姳?對于抗震結(jié)構(gòu) 鋼筋應(yīng)力在地震作用下可考慮進入強 化段 為了保證結(jié)構(gòu)在強震下 裂而不倒 對鋼筋的極限抗拉強度與屈服強度的比值有一 定的要求 一般不應(yīng)小于1 25 3 延性 在工程設(shè)計中 要求鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)承載能力極限狀態(tài)為具有明顯預(yù)兆 避免脆性破壞 抗震結(jié)構(gòu)則要求具有足夠的延性 鋼筋的應(yīng)力應(yīng)變曲線上屈服點至極限應(yīng)變點之間的應(yīng)變值 反映了鋼筋延性的大小 4 粘結(jié)性 粘結(jié)性是指鋼筋與混凝土的粘結(jié)性能 粘結(jié)力是鋼筋與混凝土得以共同工作的基礎(chǔ) 其 中鋼筋凹凸不平的表面與混凝土間的機械咬合力是粘結(jié)力的主要部分 所以變形鋼筋與混凝 土的粘結(jié)性能最好 設(shè)計中宜優(yōu)先選用變形鋼筋 5 耐久性 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性是指 在外部環(huán)境下材料性 構(gòu)件 結(jié)構(gòu)隨時間的退化 主要包括鋼 筋銹蝕 凍融循環(huán) 堿 骨料反應(yīng) 化學(xué)作用等的機理及物理 化學(xué)和生化過程 混凝土結(jié) 構(gòu)耐久性的降低可引起承載力的降低 影響結(jié)構(gòu)安全 6 適宜施工性 在施工時鋼筋要彎轉(zhuǎn)成型 因而應(yīng)具有一定的冷彎性能 鋼筋彎鉤 彎折加工時應(yīng)避免 裂縫和折斷 熱軋鋼筋的冷彎性能很好 而性脆的冷加工鋼筋較差 預(yù)應(yīng)力鋼絲 鋼絞線不 能彎折 只能以直條形式應(yīng)用 同時 要求鋼筋具備良好的焊接性能 在焊接后不應(yīng)產(chǎn)生裂紋及過大的變形 以保證焊 接接頭性能良好 7 經(jīng)濟性 衡量鋼筋經(jīng)濟性的指標(biāo)是強度價格比 即每元錢可購得的單位鋼筋的強度 強度價格比 高的鋼筋比較經(jīng)濟 不僅可以減少配筋率 方便了施工 還減少了加工 運輸 施工等一系 列附加費用 8 簡述混凝土的組成結(jié)構(gòu) 并敘述混凝土的結(jié)構(gòu)組成對混凝土破壞強度的影響 答 混凝土材料結(jié)構(gòu)分為三種基本類型 微觀結(jié)構(gòu) 即水泥石結(jié)構(gòu) 水泥石結(jié)構(gòu)由水 泥凝膠 晶體骨架 未水化完的水泥顆粒和凝膠孔組成 其物理力學(xué)性能取決于水泥的礦物 成份 粉磨細度 水灰比和硬化條件 亞微觀結(jié)構(gòu) 即混凝土的水泥砂漿結(jié)構(gòu) 水泥砂漿 結(jié)構(gòu)可看作以水泥石為基相 砂子為分散相的二組混凝土體系 砂子和水泥石的結(jié)合面是薄 弱面 對于水泥砂漿結(jié)構(gòu) 除上述決定水泥石結(jié)構(gòu)的因素外 砂漿配合比 砂的顆粒級配與 礦物組成 砂粒形狀 顆粒表面特性及砂中的雜質(zhì)含量是重要控制因素 宏觀結(jié)構(gòu) 即砂 漿和粗骨料兩組分體系 混凝土的宏觀結(jié)構(gòu)中 水泥作為基相 粗骨料隨機分布在連續(xù)的水泥砂漿中 粗骨料的 強度遠比混凝土高 硬化水泥砂漿的強度也比混凝土高 由砂漿和粗骨料組成的混凝土復(fù)合 材料的抗壓強度低于砂漿和粗骨料單一材料的抗壓強度 混凝土內(nèi)砂漿與骨料界面的粘結(jié)強 度只有砂漿抗拉強度的 35 65 這說明砂漿與骨料界面是混凝土內(nèi)的最薄弱環(huán)節(jié) 混 凝土破壞后 其中的粗骨料一般無破損的跡象 裂縫和破碎都發(fā)生在粗骨料表面和水泥砂漿 內(nèi)部 所以混凝土的強度和變形性能在很大程度上取決于水泥砂漿的質(zhì)量和密實性 9 簡述混凝土立方體抗壓強度 答 混凝土標(biāo)準(zhǔn)立方體的抗壓強度 我國 普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn) GB T50081 2002 規(guī)定 邊長為 150mm 的標(biāo)準(zhǔn)立方體試件在標(biāo)準(zhǔn)條件 溫度 20 3 相對溫度 90 下養(yǎng)護 28 天后 以標(biāo)準(zhǔn)試驗方法 中心加載 加載速度為 0 3 1 0N mm2 s 試件上 下表面不涂潤滑劑 連續(xù)加載直至試件破壞 測得混凝土抗壓強度為混凝土標(biāo)準(zhǔn)立 方體的抗壓強度 fck 單位 N mm2 A F fck fck 混凝土立方體試件抗壓強度 F 試件破壞荷載 A 試件承壓面積 10 簡述混凝土軸心抗壓強度 答 我 國 普 通 混 凝 土 力 學(xué) 性 能 試 驗 方 法 標(biāo) 準(zhǔn) GB T50081 2002 采 用 150mm 150mm 300mm 棱柱體作為混凝土軸心抗壓強度試驗的標(biāo)準(zhǔn)試件 混凝土試件軸心 抗壓強度 A F fcp 2 8 fcp 混凝土軸心抗壓強度 F 試件破壞荷載 A 試件承壓面積 11 混凝土的強度等級是如何確定的 答 混凝土強度等級應(yīng)按立方體抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值確定 混凝土立方體抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值 fcu k 我國 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范 規(guī)定 立方體抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值系指按上述標(biāo)準(zhǔn)方法測得 的具有 95 保證率的立方體抗壓強度 根據(jù)立方體抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值劃分為 C15 C20 C25 C30 C35 C40 C45 C50 C55 C60 C65 C70 C75 C80 十四個等級 12 簡述混凝土三軸受壓強度的概念 答 三軸受壓試驗是側(cè)向等壓 2 3 r的三軸受壓 即所謂常規(guī)三軸 試驗時先通過液 體靜壓力對混凝土圓柱體施加徑向等壓應(yīng)力 然后對試件施加縱向壓應(yīng)力直到破壞 在這種 受力狀態(tài)下 試件由于側(cè)壓限制 其內(nèi)部裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展受到阻礙 因此當(dāng)側(cè)向壓力增大 時 破壞時的軸向抗壓強度相應(yīng)地增大 根據(jù)試驗結(jié)果分析 三軸受力時混凝土縱向抗壓強 度為 fcc fc r 2 18 式中 fcc 混凝土三軸受壓時沿圓柱體縱軸的軸心抗壓強度 fc 混凝土的單軸圓柱體軸心抗壓強度 系數(shù) 一般普通混凝土取 4 r 側(cè)向壓應(yīng)力 13 簡述混凝土在單軸短期加載下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系 答 一般用標(biāo)準(zhǔn)棱柱體或圓柱體試件測定混凝土受壓時的應(yīng)力應(yīng)變曲線 軸心受壓混凝 土典型的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖 2 3 各個特征階段的特點如下 圖 2 3 混凝土軸心受壓時的應(yīng)力應(yīng)變曲線 1 應(yīng)力 0 3 fc sh 當(dāng)荷載較小時 即 0 3 fc sh 曲線近似是直線 圖 2 3 中 OA 段 A 點相當(dāng)于混凝土 的彈性極限 此階段中混凝土的變形主要取決于骨料和水泥石的彈性變形 2 應(yīng)力 0 3 fc sh 0 8 fc sh 隨著荷載的增加 當(dāng)應(yīng)力約為 0 3 0 8 fc sh 曲線明顯偏離直線 應(yīng)變增長比應(yīng)力快 混凝土表現(xiàn)出越來越明顯的彈塑性 3 應(yīng)力 0 8 fc sh 1 0 fc sh 隨著荷載進一步增加 當(dāng)應(yīng)力約為 0 8 1 0 fc sh 曲線進一步彎曲 應(yīng)變增長速度進 一步加快 表明混凝土的應(yīng)力增量不大 而塑性變形卻相當(dāng)大 此階段中混凝土內(nèi)部微裂縫 雖有所發(fā)展 但處于穩(wěn)定狀態(tài) 故 b 點稱為臨界應(yīng)力點 相應(yīng)的應(yīng)力相當(dāng)于混凝土的條件屈 服強度 曲線上的峰值應(yīng)力 C 點 極限強度 fc sh 相應(yīng)的峰值應(yīng)變?yōu)?0 4 超過峰值應(yīng)力后 超過 C 點以后 曲線進入下降段 試件的承載力隨應(yīng)變增長逐漸減小 這種現(xiàn)象為應(yīng) 變軟化 14 什么是混凝土的彈性模量 割線模量和切線模量 答 取混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲線在原點 O 切線的斜率 作為混凝土的初始彈性模量 簡稱 彈性模量 Ec 即 Ec tg 0 Ec 初始彈性模量 a0 原點切線的斜率夾角 當(dāng)應(yīng)力較大時 混凝土已進入彈塑性階段 彈性模量已不能正確反映此時的應(yīng)力應(yīng)變關(guān) 系 比較精確的方法采用切線模量 Ec 即在應(yīng)力應(yīng)變曲線任一點處作一切線 此切線的 斜率即為該點的切線模量 其表達式為 Ec tg d d 切線模量是原點與某點連線即割線的斜率作為混凝土的割線模量 稱為變形模量 Ec 它的表達式為 Ec tg 1 c c 15 什么叫混凝土徐變 混凝土徐變對結(jié)構(gòu)有什么影響 答 在不變的應(yīng)力長期持續(xù)作用下 混凝土的變形隨時間而緩慢增長的現(xiàn)象稱為混凝土 的徐變 徐變對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的影響既有有利方面又有不利方面 有利影響 在某種情況下 徐變有利于防止結(jié)構(gòu)物裂縫形成 有利于結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的內(nèi)力重分布 減少應(yīng)力集中現(xiàn)象及減 少溫度應(yīng)力等 不利影響 由于混凝土的徐變使構(gòu)件變形增大 在預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件中 徐 變會導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力損失 徐變使受彎和偏心受壓構(gòu)件的受壓區(qū)變形加大 故而使受彎構(gòu)件撓度 增加 使偏壓構(gòu)件的附加偏心距增大而導(dǎo)致構(gòu)件承載力的降低 16 鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)力是如何組成的 答 試驗表明 鋼筋和混凝土之間的粘結(jié)力或者抗滑移力 由四部分組成 1 化學(xué)膠結(jié)力 混凝土中的水泥凝膠體在鋼筋表面產(chǎn)生的化學(xué)粘著力或吸附力 來 源于澆注時水泥漿體向鋼筋表面氧化層的滲透和養(yǎng)護過程中水泥晶體的生長和硬化 取決于 水泥的性質(zhì)和鋼筋表面的粗糙程度 當(dāng)鋼筋受力后變形 發(fā)生局部滑移后 粘著力就喪失了 2 摩擦力 混凝土收縮后 將鋼筋緊緊地握裹住而產(chǎn)生的力 當(dāng)鋼筋和混凝土產(chǎn)生 相對滑移時 在鋼筋和混凝土界面上將產(chǎn)生摩擦力 它取決于混凝土發(fā)生收縮 荷載和反力 等對鋼筋的徑向壓應(yīng)力 鋼筋和混凝土之間的粗糙程度等 鋼筋和混凝土之間的擠壓力越大 接觸面越粗糙 則摩擦力越大 3 機械咬合力 鋼筋表面凹凸不平與混凝土產(chǎn)生的機械咬合作用而產(chǎn)生的力 即混 凝土對鋼筋表面斜向壓力的縱向分力 取決于混凝土的抗剪強度 變形鋼筋的橫肋會產(chǎn)生這 種咬合力 它的咬合作用往往很大