混凝土課程設(shè)計(jì)河北聯(lián)合大學(xué)
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1、2.1.2 復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)下混凝土的強(qiáng)度 混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件實(shí)際上大多處于負(fù)荷應(yīng)力狀態(tài),例如框架梁要承受彎矩和剪力的作用;框架柱除了承受彎矩和剪力外還要承受軸向力;框架節(jié)點(diǎn)區(qū)混凝土的受力狀態(tài)就更復(fù)雜。同時(shí),研究復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)下混凝土的強(qiáng)度,對(duì)于認(rèn)識(shí)混凝土的強(qiáng)度理論也有重要的意義。 在兩個(gè)平面作用著法向應(yīng)力和,第三個(gè)平面上應(yīng)力為零的雙向應(yīng)力狀態(tài)下,混凝土的破壞包絡(luò)土如圖2-6所示,圖中是單軸向受力狀態(tài)下的混凝土強(qiáng)度。一旦超出包絡(luò)線就意味著材料發(fā)生破壞。圖中第一象限為雙向手拉區(qū),、相互影響不大,不 圖2-6雙向應(yīng)力狀態(tài)下混凝土的破壞包絡(luò)圖 同應(yīng)力比值/下的雙向受拉強(qiáng)度均接近于單向受拉強(qiáng)度。第三象限
2、為雙向受壓區(qū),大體上一向的強(qiáng)度隨另一向壓力的增加而增加,混凝土雙向受壓強(qiáng)度比單向受壓強(qiáng)度最多可提高27%。第二、四象限為拉-壓應(yīng)力狀態(tài),此時(shí)混凝土的強(qiáng)度均低于單向抗拉伸或單向抗壓時(shí)的強(qiáng)度。 取一個(gè)單元體,法向應(yīng)力與剪應(yīng)力組合的強(qiáng)度曲線如圖2-7所示。壓應(yīng)力低時(shí),抗剪強(qiáng)度隨壓應(yīng)力的增大而增大,當(dāng)壓應(yīng)力約超過(guò)0.6即c點(diǎn)時(shí),抗剪強(qiáng)度隨壓應(yīng)力的增大而減小。另一方面,此曲線也說(shuō)明由于存在剪應(yīng)力,混凝土的抗壓強(qiáng)度要低于單向抗壓強(qiáng)度。因此,梁受彎矩和剪力共同作用以及柱在受到軸向壓力的同時(shí)也受到水平剪力作用時(shí),剪應(yīng)力會(huì)影響梁與柱中受壓區(qū)混凝土的抗壓強(qiáng)度。此外,由圖2-7還可以看出,抗剪強(qiáng)度隨著拉應(yīng)力的增大
3、而減小,也就是說(shuō)剪應(yīng)力的存在會(huì)使抗拉強(qiáng)度降低。 圖2-7法向應(yīng)力和剪應(yīng)力組合的破壞曲線 A-軸心受拉;B純剪;C-剪壓;D-軸心受壓 混凝土在三向受壓的情況下,由于受到側(cè)向壓力的約束作用,最大主壓力軸的抗壓強(qiáng)度()有較大程度的增長(zhǎng),其變化規(guī)律隨兩側(cè)向壓應(yīng)力(,)的比值和大小而不同。常規(guī)的三軸受壓時(shí)在圓柱體周圍加液壓,再來(lái)那個(gè)側(cè)向等壓(==>0)的情況下進(jìn)行的。實(shí)驗(yàn)表明,當(dāng)側(cè)向液壓值不很大時(shí),最大主壓應(yīng)力軸的抗壓強(qiáng)度隨側(cè)向應(yīng)力的增大而提高,由實(shí)驗(yàn)得到的經(jīng)驗(yàn)公式為: =+(4.5~7.0) (2-5) 式中 —有側(cè)向壓力約束試件的軸心抗壓強(qiáng)度; —無(wú)側(cè)向壓力約束
4、的圓柱體試件的軸心抗壓強(qiáng)度; —側(cè)向約束壓應(yīng)力。 公式中,前的數(shù)字為側(cè)向應(yīng)力系數(shù),平均值為5.6,當(dāng)側(cè)向應(yīng)力較低時(shí)得到的系數(shù)值較高。 2.1.3 混凝土的變形 混凝土在一次短期加載、長(zhǎng)期加載和多次加載作用下都會(huì)產(chǎn)生變形,這類變形稱為受力變形。另外,混凝土的收縮以及溫度變化也會(huì)產(chǎn)生變形,這類稱為體積變形?;炷恋淖冃问瞧渲匾锢韺W(xué)性能之一。 1. 一次短期加載下混凝土的變形性能 (1) 混凝土受壓時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系 混凝土受壓時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系是混凝土最基本的力學(xué)性能之一。一次短期加載是指荷載從零開始單調(diào)增加至試件破壞,也稱單調(diào)加載。 我國(guó)采用棱柱體試件來(lái)測(cè)定一次短期加
5、載下混凝土受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線。圖2-8為實(shí)測(cè)的典型混凝土棱柱受壓應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€??梢钥吹?,這些曲線包括上升和下降兩個(gè)部分。上升段OC 又分為三段,從加載至應(yīng)力為(0.3~0.4) 的A 點(diǎn)為第1階段,由于這時(shí)應(yīng)力較小,混凝土的變形主要是骨料和水泥結(jié)晶體受力產(chǎn)生的彈性變形,而水泥膠體的黏性流動(dòng)以及初始微裂縫變化的影響一般很小,所以應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系接近直線,稱A點(diǎn)為比例極限點(diǎn)。超過(guò)A點(diǎn),進(jìn)入裂縫穩(wěn)定擴(kuò)展的低2階段,至臨界點(diǎn)B,臨界點(diǎn)的應(yīng)力可以作為長(zhǎng)期抗壓強(qiáng)度的依據(jù)。此后,試件中所積蓄低餓彈性應(yīng)變保持大于裂縫發(fā)展所需要的能量,從而形成裂縫快速發(fā)展的不穩(wěn)定狀態(tài)直至峰點(diǎn)C,這一階段為第3階段,這時(shí)的
6、峰值應(yīng)力通常作為混凝土棱柱體抗壓強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)值 (上標(biāo)0表示實(shí)驗(yàn)值),相應(yīng)的應(yīng)變?yōu)榉逯祽?yīng)變,其值在0.0015~0.0025之間波動(dòng),通常取0.002 。 圖2-8 混凝土棱柱體受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線 到達(dá)風(fēng)之影里以后就進(jìn)入下降段CE,這時(shí)烈風(fēng)繼續(xù)擴(kuò)展、貫通,從而使應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系發(fā)生變化。在峰值應(yīng)力以后,裂縫迅速發(fā)展,內(nèi)部結(jié)構(gòu)的整體受到越來(lái)越嚴(yán)重的破壞,賴以傳遞荷載的傳力路線減少,時(shí)間的平均應(yīng)力強(qiáng)度下降,所以應(yīng)力-應(yīng)變曲線向下彎曲,直到凹向發(fā)生改變,曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)D。超過(guò)拐點(diǎn),曲線開始凸向應(yīng)變軸,這是,只靠骨料間的咬合力及摩擦力與殘余承壓面來(lái)承受荷載。隨著變形的增加,應(yīng)力-應(yīng)變曲線逐漸凸
7、向水平方向發(fā)展,此段曲線中曲率最大的一點(diǎn)E稱為收斂點(diǎn)。收斂點(diǎn)E以后的曲線稱為收斂段,這時(shí)貫通的主裂縫已很寬,內(nèi)聚力幾乎耗盡,對(duì)無(wú)側(cè)向約束的混凝土,收斂段EF已失去結(jié)構(gòu)意義。 圖2-9不同強(qiáng)度的混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線 混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線的形狀和特征是混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的力學(xué)標(biāo)志。不同強(qiáng)度的混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線有著相似的形狀,但也有實(shí)質(zhì)性的區(qū)別。圖2-9的試驗(yàn)曲線表明,隨著混凝土強(qiáng)度的提高,盡管上升段和峰值應(yīng)變的變化不很顯著,但是下降段的形狀有較大的差異,混凝土強(qiáng)度越高,下降段的坡度越陡,即應(yīng)力下降相同幅度時(shí)變形越小,延性越差。另外,混凝土受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線的形狀與加載速度也有著密切的
8、關(guān)系。注意,由于壓應(yīng)力達(dá)到時(shí),實(shí)驗(yàn)機(jī)內(nèi)積蓄的應(yīng)變能會(huì)使實(shí)驗(yàn)機(jī)頭沖擊試件,使試件破壞,因此在普通試驗(yàn)機(jī)上獲得有下降段的應(yīng)力-應(yīng)變曲線是比較困難的。若采用有伺服裝置能控制下降段應(yīng)變速度的特殊試驗(yàn)機(jī),或者在試件旁附加各種彈性元件協(xié)同受壓,防止實(shí)驗(yàn)機(jī)頭回彈的沖擊引起試件突然破壞,并以等應(yīng)變加載,就可以測(cè)量出具有真實(shí)下降段的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€。 (2) 混凝土單軸向受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線的數(shù)學(xué)模型 常見的描述混凝土單軸向受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線的數(shù)學(xué)模型有下面兩種: 1) 美國(guó)E.Hognestad建議的模型 如圖2-10所示,模型的上升段為二次拋物線,下降段為斜直線。 上升段:≤,
9、 =[2-] (2-6) 下降段:≤≤, =[1-0.15] (2-7) 圖2-10Hognestad建議的應(yīng)力-應(yīng)變曲線 圖2-11Rusch建議的應(yīng)力-應(yīng)變 曲線 式中 -峰值應(yīng)力(棱柱體極限抗壓強(qiáng)度); -相應(yīng)于峰值應(yīng)力的應(yīng)變,取=0.002; -極限壓應(yīng)變,取=0.0038 2)德國(guó)Rusch建議的模型 如圖2-11所示,該模型形式較簡(jiǎn)單,上升段也是采用二次拋物線,下降段則采用水平直線。 當(dāng)≤, =[2-] (2-8) 當(dāng)≤≤, =
10、 (2-9) 式中 ,取=0.002; =0.0035。 (3) 三向受壓狀態(tài)下混凝土的受力特點(diǎn) 如前所述,混凝土試件橫向受到約束時(shí),可以提高其抗壓強(qiáng)度,也可以提高其延性。三向受壓下混凝土圓柱體的軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以由周圍用液體壓力加以約束的圓柱體進(jìn)行加壓實(shí)驗(yàn)得到,在加壓過(guò)程中保持液壓為常值,逐漸增加軸向壓力直至破壞,并量測(cè)其軸向應(yīng)變變化。從圖2-12中可以看出,隨著側(cè)向壓力的增加,時(shí)間的強(qiáng)度和應(yīng)變都顯著提高。 圖2-12 混凝土圓柱體三向受壓實(shí)驗(yàn)時(shí)軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線 工程上可以通過(guò)設(shè)置密排螺旋筋或箍筋來(lái)約束混凝土,改善鋼筋混凝土構(gòu)件的受力性能。在混凝土軸向壓力很小時(shí),螺
11、旋筋或箍筋幾乎不受力,此時(shí)混凝土基本上不受約束,當(dāng)混凝土應(yīng)力達(dá)到臨界應(yīng)力時(shí),混凝土內(nèi)部裂縫引起體積膨脹使螺旋筋或箍筋受拉,反過(guò)來(lái),螺旋筋或箍筋約束了混凝土,形成于液壓約束相似的條件,從而使混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變性能得到改善,鋼管混凝土也是同理。 (4) 混凝土的變形模量 與彈性材料不同,混凝土受壓壓力-應(yīng)變關(guān)系是一條直線,在不同的應(yīng)力階段,應(yīng)力與應(yīng)變之比是變數(shù),因此不能稱它為彈性模量,而成其為變形模量?;炷恋淖冃文A坑腥缦氯N表示方法: 1) 混凝土的彈性模量(即原點(diǎn)模量) 如圖2-13所示,混凝土棱柱體受壓時(shí),在應(yīng)力-應(yīng)變曲線原點(diǎn)(圖中O點(diǎn))做一切線,其斜率為混凝土的原點(diǎn)模量,稱為彈性
12、模量,用表示。 =tan (2-10) 式中 -混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線在原點(diǎn)處的切線與橫坐標(biāo)的夾角。 圖2-13混凝土變形模量的表示方法 目前,各國(guó)對(duì)對(duì)彈性模量的試驗(yàn)方法尚無(wú)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。由于要在混凝土一次加載應(yīng)力-應(yīng)變曲線上作原點(diǎn)的切線,找出角是不容易做準(zhǔn)確的,所以通常的做法是:對(duì)標(biāo)準(zhǔn)尺寸150mm×150mm×300mm的棱柱體試件,先加載至=0.5,然后卸載至零,再重復(fù)加載、卸載5~10次。由于混凝土不是彈性材料,每次卸載至零時(shí),存在殘余變形,隨著價(jià)再次數(shù)的增加,應(yīng)力-應(yīng)變曲線逐漸穩(wěn)定并基本上趨于直線。該直線的斜率即定位混凝土的彈性
13、模量。 當(dāng)混凝土進(jìn)入塑性階段后,初始的彈性模量已不能反映這時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變性質(zhì),因此,有時(shí)用變形模量或切線模量來(lái)表示這時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。 2) 混凝土的變形模量 連接圖2-13中O 點(diǎn)至曲線上任一點(diǎn)應(yīng)力為的割線的斜率,稱為割線模量或塑性模量,它的表達(dá)式為: =tan=== (2-11) 即彈塑性階段的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系可表示為: = (2-11a) 這里,為總應(yīng)變;為中的彈性應(yīng)變;為彈性系數(shù), =/,隨應(yīng)力增大而減小,其值在0.5~1之間變化。
14、 3) 混凝土的切線模量 在混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線上任一點(diǎn)應(yīng)力為處做一切線,切線與橫坐標(biāo)軸的交角為則該處應(yīng)力的增量與應(yīng)變?cè)隽恐戎捣Q為應(yīng)力時(shí)混凝土的切線模量,即 =tan (1-12) 可以看出,混凝土的切線模量是一個(gè)變值,它隨著混凝土應(yīng)力的增大而減小。 需要注意的是,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只去求混凝土的應(yīng)力。只有當(dāng)混凝土應(yīng)力很低時(shí),它的彈性模量值才近似相等?;炷翉椥阅A靠砂聪率接?jì)算: = (kN/
15、m) (2-13) 《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》給出的混凝土彈性模量見本書附錄2的附表2-3. (5) 混凝土軸向受拉時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系 由于測(cè)試混凝土受拉時(shí)的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線比較困難,所以實(shí)驗(yàn)資料比較少。圖2-14是采用電液伺服試驗(yàn)機(jī)控制應(yīng)變速度,測(cè)出的混凝土軸心受拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線。曲線形狀與受壓時(shí)相似,具有上升段和下降段。實(shí)驗(yàn)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)),達(dá)到強(qiáng)度的提高而更陡峭。受拉彈性模量值基本相同。 圖2-14不同強(qiáng)度的混凝土拉伸應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€
16、2. 荷載長(zhǎng)期作用下混凝土的變形性能 圖2-25混凝土的徐變(應(yīng)變與時(shí)間的關(guān)系) 結(jié)構(gòu)或材料承受的應(yīng)力不變,而應(yīng)變隨時(shí)間增長(zhǎng)的現(xiàn)象稱為徐變?;炷恋男熳兲匦灾饕c時(shí)間參數(shù)有關(guān)?;炷恋牡湫托熳兦€如圖2-15所示??梢钥闯觯?dāng)對(duì)棱柱體試件加載,應(yīng)力達(dá)到0.5時(shí),其加載瞬間產(chǎn)生的應(yīng)變?yōu)樗查g應(yīng)變。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。一般徐變開始增長(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。徐變值約為瞬變時(shí)的1~4倍。如圖2-15所示,兩年后卸載,試件瞬時(shí)要恢復(fù)的一部分應(yīng)變稱為瞬時(shí)應(yīng)變,其值比加載使得瞬時(shí)變形略小。當(dāng)長(zhǎng)期荷載完全卸載后,混凝土并不
17、處于靜止?fàn)顟B(tài),而經(jīng)過(guò)一個(gè)徐變的恢復(fù)過(guò)程(約20d),卸載后的徐變恢復(fù)變形稱為彈性后效,其絕對(duì)值僅為徐變值的1/12左右。在試件中還有絕大部分應(yīng)變是不可恢復(fù)的,稱為殘余應(yīng)變。 試驗(yàn)表明,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。如圖2-16所示,當(dāng)混凝土應(yīng)力較小時(shí)(例如小于0.5),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。在線性徐變的情況下,加載初期徐變?cè)鲩L(zhǎng)較快,6個(gè)月時(shí),一般完成徐變的大部分,后期徐變?cè)鲩L(zhǎng)逐漸減小,一年以后趨于穩(wěn)定,一般認(rèn)為3年左右徐變基本終止。
18、 當(dāng)混凝土應(yīng)力較大時(shí)(例如大于0.5),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在收斂,呈非穩(wěn)定徐變現(xiàn)象,見圖2-17.由此說(shuō)明,在高應(yīng)力的作用下可能造成混凝土的破壞。所以,一般取混凝土應(yīng)力約等于0.75~0.8作為混凝土的長(zhǎng)期極限強(qiáng)度。混 圖2-16 壓應(yīng)力與徐變的關(guān)系 凝土構(gòu)件在試用期間,應(yīng)當(dāng)避免經(jīng)常處于不變的高應(yīng)力狀態(tài)。 實(shí)驗(yàn)還表明,加載時(shí)混凝土的期齡越早,徐變?cè)酱蟆4送?,混凝土的組成成分對(duì)徐變也有很大影響,水泥用量越多,
19、徐變?cè)酱?;水灰比越大,徐變也越大。骨料彈性性質(zhì)也明顯的影響徐變值,通常,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 4送?,混凝土的制作方法、養(yǎng)護(hù)條件,特別是養(yǎng)護(hù)時(shí)的溫度和濕度對(duì)徐變也有重 圖2-17 不同應(yīng)力/強(qiáng)度比值的徐變時(shí)間曲線 要影響,養(yǎng)護(hù)時(shí)溫度越高、濕度大,水泥水化作用充分,徐變?cè)叫 6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)叫?。?gòu)建的形狀、尺寸也會(huì)影響徐變值,大尺寸時(shí)間內(nèi)部失水受到限制,徐變減小。鋼筋的存在等對(duì)徐變也有影響。 影響混凝土徐變的因素很多,通常認(rèn)為在應(yīng)力不大的情況下,混凝土凝結(jié)硬化后,骨料之間的水泥漿,一部分變?yōu)橥耆珡椥越Y(jié)晶體
20、,另一部分是充填在結(jié)晶體間的凝膠體,它具有粘性流動(dòng)的性質(zhì)。當(dāng)施工加載時(shí),在加載的瞬間結(jié)晶體與凝膠體共同承受荷載。其后,隨時(shí)間的推移,凝膠體由于粘性流動(dòng)而逐漸卸載,此時(shí)結(jié)晶體承受了更多的里并產(chǎn)生彈性變形。在內(nèi)力從水泥凝膠體向水泥結(jié)晶體轉(zhuǎn)移的應(yīng)力重新分布過(guò)程中,就使混凝土產(chǎn)生徐變并不斷增加,也將導(dǎo)致混凝土變性增加。 徐變對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的工作性能有很大的影響。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,收縮值比膨脹值大得多?;炷潦湛s值的實(shí)驗(yàn)
21、結(jié)果相當(dāng)分散。圖2-18時(shí)鐵道部科學(xué)研究院所做的混凝土自由收縮的實(shí)驗(yàn)結(jié)果??梢钥吹?,混凝土的收縮值隨著時(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。這是因?yàn)榛炷猎谡羝B(yǎng)護(hù)過(guò)程中,高溫、高濕的條件加速了水泥的水化合凝結(jié)硬化,一部分游離水由于水泥水化作用被快速吸收,是脫離試件表面蒸發(fā)的游離水減小,因此其收縮變形減小。 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: 圖2-18 混凝土的收縮 (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
22、比越大,收縮也越大。 (3) 骨料性質(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)程中周圍溫、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)建的體積與表面積比值:比值大時(shí),收縮小。 2.1.4 混凝土的疲勞 混凝土的疲勞是在荷載重復(fù)作用下產(chǎn)生的。疲勞現(xiàn)象大量存在與工程結(jié)構(gòu)中,鋼筋混凝土吊車梁、鋼筋混凝土橋以及港口海岸的混凝土結(jié)構(gòu)等都要受到吊車荷載、車輛荷載以及破浪沖擊等幾百萬(wàn)次的作用?;炷猎谥貜?fù)荷載作用下的破壞稱為疲勞破壞。 圖2-19是混凝土棱柱體在多次重復(fù)作用下的受壓應(yīng)
23、力-應(yīng)變曲線。從圖中可以看出,一次加載應(yīng)力小于混凝土疲勞抗壓強(qiáng)度時(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、卸作用下,應(yīng)力-應(yīng)變環(huán)會(huì)越來(lái)越密和,經(jīng)過(guò)多次重復(fù),這個(gè)曲線就密和成一條直線。如果在選擇一個(gè)較高的應(yīng)力,但仍小于混凝土疲勞強(qiáng)度時(shí),其加載、卸載的規(guī)律相同,多次重復(fù)后密和成直線。如果選擇一個(gè)高于混凝土疲勞強(qiáng)度的加載壓應(yīng)力,開始, 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,在經(jīng)過(guò)多次重復(fù)加載、卸載后,其應(yīng)力-應(yīng)變曲線由凸向應(yīng)力軸而逐漸凹向應(yīng)力軸,以致加載、卸載不能形成封閉環(huán),這標(biāo)志這混凝土內(nèi)部微裂縫的發(fā)展加劇,趨于破壞。隨著重復(fù)荷次數(shù)的增加,應(yīng)力-應(yīng)變曲線傾
24、角不斷減小,至荷載重復(fù)道某一定次數(shù)時(shí),混凝土試件因嚴(yán)重開裂或變形過(guò)大而導(dǎo)致破壞。 混凝土的疲勞強(qiáng)度用疲勞實(shí)驗(yàn)測(cè)定。疲勞實(shí)驗(yàn)采用100mm×100mm×300mm或150mm×150mm×450mm的棱柱體,把能使棱柱體承受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。 (a) (b) 圖1-19混凝土在重復(fù)荷載作用下的受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線 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)力的比值的減小而增大。疲勞應(yīng)力比值按下式計(jì)算: = (2-14)
25、式中、-截面同一纖維上的混凝土最小應(yīng)力及最大應(yīng)力。 《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定,混凝土軸心受壓、軸心受拉疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)值、應(yīng)按其混凝土軸心受壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值、軸心受拉強(qiáng)度分別乘以相應(yīng)的疲勞強(qiáng)度修正值系數(shù)確定。修正系數(shù)應(yīng)根據(jù)不同的疲勞比值按本書附錄2中的附表2-4確定。 2.2鋼筋的物理力學(xué)性能 《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)普通鋼筋可采用熱軋鋼筋。用于預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的國(guó)產(chǎn)預(yù)應(yīng)力鋼筋宜采用預(yù)應(yīng)力鋼絞線、消除應(yīng)力鋼絲,也可采用熱處理鋼筋。 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,斷裂是有徑縮現(xiàn)象,伸長(zhǎng)率比較大
26、。熱軋鋼筋根據(jù)其力學(xué)指標(biāo)的高低,分為四個(gè)種類:HPB235級(jí)(符號(hào))、HRB335(符號(hào) )、HRB400級(jí)(符號(hào) )和RRB400級(jí)(符號(hào) )。HRB235級(jí)鋼筋是熱軋光圓鋼筋(Hot Rolled Plain Steel Bars),強(qiáng)度最低;HRB335級(jí)鋼筋和HRB400級(jí)鋼筋都是熱軋帶肋鋼筋(Hot Rolled Ribbed Steel Bars),HRB400級(jí)鋼筋的強(qiáng)度比HRB335級(jí)鋼筋的高;RRB400級(jí)鋼筋是余熱處理的帶肋鋼筋,強(qiáng)度高。目前,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的縱向受力鋼筋大多優(yōu)先采用HRB400級(jí)鋼筋。 預(yù)應(yīng)力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3股和7股兩種。 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)力并經(jīng)穩(wěn)定化處理的鋼絲,有三種:光面鋼絲、螺旋鋼絲和刻痕鋼絲。螺旋肋鋼絲是以普通低碳鋼貨低合金鋼熱軋的圓盤條為母材,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4、5、6、7、8和9六個(gè)級(jí)別。
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