鋼筋的力學性能第一頁，共四十七頁。內容簡介鋼筋的低溫性能鋼筋的疲勞斷裂鋼筋的應力腐蝕鋼筋的徐變與松弛參考文獻第二頁，共四十七頁。1.1引言：地球上可以利用的土地和資源是有限的。人類為了爭取更大的生存空間,土木工程在將來必將向深海拓寬、向極地進軍、向太空邁進。極地和太空的一個共同特點就是環境溫度低。我國東北地區的最低溫度紀錄為-53.4℃,南極地區的最低溫度記錄為-68.2℃,而月球最低溫度為-183℃。在這種情況下,研究適用于低溫環境下的鋼筋混凝土結構具有重要的意義。一、鋼筋的低溫性能第三頁，共四十七頁。1.1引言：為了解混凝土結構在低溫下的工作性能,對其進行耐久性評估、壽命預測以及相應的計算機仿真分析,鋼筋在低溫下的力學性能是其中基礎而關鍵的問題之一。碳素鋼或普通低合金鋼筋都是以體心立方晶格的鐵素體為基本結構。這種金屬中的原子，隨著溫度降低，熱運動減少，反映在力學性能方面，為強度增高、塑性或韌性降低，脆性性能增加，這種稱為金屬的冷脆性或冷脆傾向。具有冷脆傾向的材料，如材料具有初始缺陷或裂紋時，容易發生低溫脆斷。一、鋼筋的低溫性能第四頁，共四十七頁。1.1.1鋼筋的化學成分：影響鋼筋性能的最主要的元素是碳，除碳外，還有少量的鐵、硅、錳、磷、硫、氧、氮、鈦、釩等元素，雖其含量少，但對鋼筋的性能影響很大。碳：鋼筋的抗拉強度隨含碳量的增大而提高，碳還可以降低鋼筋的塑形，增加鋼筋的冷脆性和時效敏感性；當含碳量高于0.3%時，將顯著降低鋼筋的可焊性。硅：當鋼筋中硅的含量低于1.0%時，能顯著提高鋼筋的強度，而對塑形和韌性沒有明顯的影響。一、鋼筋的低溫性能第五頁，共四十七頁。磷：使鋼筋的冷脆性顯著增加，低溫下的沖擊韌性下降，可焊性降低。氧：降低韌性，促進時效傾向，降低可焊性。氮：使鋼筋的強度提高，塑形和韌性顯著下降，加劇鋼筋的時效敏感性和冷脆性，降低可焊性。鈦：提高強度和改善韌性，減少時效傾向，改善可焊性。釩：提高強度，減小時效敏感性。一、鋼筋的低溫性能第六頁，共四十七頁。1.2鋼筋的沖擊韌性:鋼筋的沖擊韌性與哪些因素有關？何謂冷脆臨界溫度和時效敏感性？鋼筋的沖擊韌性與鋼筋的化學成分，內部組織狀態，以及冶煉、軋制質量、加工有關。沖擊韌性隨溫度的降低而下降，其規律是開始時下降平緩，當達到某一溫度范圍時，突然下降很多而呈脆性，這種現象稱為鋼筋的冷脆性，這時的溫度為脆性臨界溫度。隨時間延長而表現出強度提高、塑形和沖擊韌性降低，這種現象稱為時效。因時效而導致性能改變的程度稱為時效敏感性。時效敏感性愈大的鋼筋，經過時效后其沖擊韌性和塑形的降低顯著。一、鋼筋的低溫性能第七頁，共四十七頁。1.3鋼筋的冷加工：鋼筋冷加工對力學性能有何影響？冷加工對力學性能有這樣的影響：提高屈服強度，抗壓強度也稍有增長，塑形和韌性降低。經冷加工處理的鋼材，不僅力學性能上有所改變，而且可調直和清除銹皮，同時可取得明顯的經濟效益，當提高鋼筋屈服強度20%-50%時，可節約鋼筋20%-30%。一、鋼筋的低溫性能第八頁，共四十七頁。一、鋼筋的低溫性能1.4抗震鋼筋的低溫脆性：目前鋼材的低溫性能研究主要針對結構鋼材,如Q235鋼，16MnV鋼,15MnV鋼,16Mnq鋼和14MnNbq鋼等,且主要集中在-60℃以上。研究表明,鋼材的強度隨溫度的降低而升高,塑性和韌性則隨著溫度的降低而降低。對于國內工程中常用的鋼筋,尚缺乏這一方面的研究,且溫度范圍需進一步擴大。為此,對三種鋼筋(熱軋帶肋鋼筋HRB335、HRB400和熱軋細晶粒鋼筋HRBF500)在-180～-80℃環境下進行了低溫拉伸試驗。旨在通過試驗初步研究超低溫下建筑鋼筋的力學性能,為進一步分析鋼筋混凝土結構構件的低溫受力性能做準備。第九頁，共四十七頁。一、鋼筋的低溫性能一般情況下,發生地震時有縱波和橫波,縱波的破壞性不大,造成建筑物倒塌的是橫波。地震波是交變的,且振幅較大時的頻率為1Hz~3Hz,持續時間多在一分鐘以內。地震波使鋼筋混凝土開裂處的鋼筋承受極大的交變載荷,在水平方向產生很高的循環應變,其斷裂過程與高應變低周疲勞行為極為相似。因此用于抗震結構的鋼筋應具有良好的高應變低周疲勞性能,避免在地震過程中發生斷裂。根據建筑結構鋼在交變地震載荷下的失效模式及其特定的服役條件,一般公認的以高應變低周疲勞為主的結構材料的相關抗震性能指標有:第十頁，共四十七頁。一、鋼筋的低溫性能(1)高應變低周疲勞(2)強度與塑性的配合;(3)應變時效敏感性;(4)低溫脆性;(5)可焊性。由于鋼筋在地震時主要承受高應變低周載荷的沖擊,因此要求抗震鋼筋首先應具有抗高應變低周疲勞的性能,而良好的韌性以及強韌性的配合是抗高應變低周疲勞的基礎。應變時效敏感性是衡量鋼筋抗震性能的一個重要指標,熱軋鋼筋應變后經過一段時間的放置,因時效作用導致鋼筋性能發生變化,強度升高,韌性降低,隨著韌性的降低其對地震能的吸收減少,抗震能力減弱,因此希望鋼筋具有較低的應變時效敏感性。第十一頁，共四十七頁。一、鋼筋的低溫性能PS:高循環疲勞（HCF，高周疲勞）。作用于零件、構件的應力水平較低，破壞循環次數一般高于10^4的疲勞，彈簧、傳動軸等的疲勞屬此類。低循環疲勞（LCF，低周疲勞）。作用于零件、構件的應力水平較高，破壞循環次數一般低于10^3～10^4的疲勞，如壓力容器、燃氣輪機零件等的疲勞。第十二頁，共四十七頁。一、鋼筋的低溫性能

由于我國地震區分布廣、南北溫差大,北方溫度可在零下40攝氏度以下,因此北方地震區應使用具有良好抗低溫脆性的鋼筋。目前,我國不分溫度差別對鋼筋的影響,一律使用同樣牌號的鋼筋,忽略了鋼筋低溫脆斷的隱患。鋼筋的焊接處是抗震的薄弱環節,應保證鋼筋焊接接頭也具有良好的抗震性能。

PS:鋼筋冷加工處理后可以提高屈服強度，但是這是以犧牲塑形，增加脆性為代價的，會使其焊接性能變差，對結構不安全，所以要焊接后再冷拉。第十三頁，共四十七頁。一、鋼筋的低溫性能1.5總結（影響鋼筋低溫力學性能的因素）1、化學成分的影響：降低碳、硅，增加錳、釩、鈦，改善韌性2、冷拉的影響：冷拉或冷拉經時效，增加冷脆傾向。3、焊接影響：熱影響區發生脆斷。4、工藝缺陷的影響：表面缺陷有應力集中，增加冷脆傾向。第十四頁，共四十七頁。許多鋼筋混凝土結構，除了承受靜載作用外，還經常承受動載作用。結構材料在重復荷載作用下，將會發生低于靜載強度的脆性破壞，即疲勞破壞。因此對于此類結構設計，必須考慮結構構件的疲勞強度問題。混凝土結構的疲勞性能與其構成材料（混凝土、普通鋼筋和預應力鋼筋）以及他們之間粘結性能密切相關。因此對混凝土結構的疲勞問題研究，必須首先了解其構成材料的疲勞性能。2.1.1研究背景二、鋼筋的疲勞斷裂第十五頁，共四十七頁。

由于鋼筋混凝土結構采用了極限強度設計方法和高強鋼筋材料，鋼筋混凝土的疲勞日益受到人們的重視。對于承受重復荷載的吊車梁、橋面板、軌枕、路面和海洋結構，要求在承載重復荷載下以及在高應力條件下能良好地工作。隨著結構分析方法越來越精確，要求對混凝土的力學性能（包括疲勞性能）的了解也越來越多。這些都使得鋼筋混凝土結構的疲勞日益成為不可忽視的關鍵問題。2.1.2研究意義二、鋼筋的疲勞斷裂第十六頁，共四十七頁。二、鋼筋的疲勞斷裂

鋼筋的疲勞斷裂是在外力作用下，由于鋼筋內部的缺陷造成的，如：夾有雜質使本身不均勻或鋼筋外表面的變形突變或缺陷；又如：刀痕、銹蝕或脫碳層等。2.2.1疲勞斷裂的定義2.2.2疲勞斷裂的過程

（1）疲勞裂紋形成。鋼鐵在冶煉、軋制和加工過程中可能在內部和表面出現一些缺陷，如雜質、縫隙、刻痕和銹蝕斑等。荷載作用下，這些缺陷附近和表面橫肋的凹角處產生應力集中。當應力過高，使鋼筋晶粒滑移，就形成了初始裂紋。2.2鋼筋疲勞斷裂的作用機理第十七頁，共四十七頁。二、鋼筋的疲勞斷裂（2）疲勞裂紋擴展。應力重復次數的增加，裂紋逐漸擴展，損傷積累，減小了有效截面面積，鋼筋截面上的裂紋面因為重復加卸載產生的變形增大和恢復，使之摩擦光滑而色暗。（3）當鋼筋的剩余有效面積不再能承受既定的荷載（拉力）時，試件突然脆性斷裂。斷裂面上部分面積色澤新亮，呈粗糙的晶粒狀。第十八頁，共四十七頁。二、鋼筋的疲勞斷裂

1、直接進行單根原狀鋼筋軸拉試驗；2、將鋼筋埋入混凝土中使其重復受拉或受彎的試驗。我國采用直接做單根鋼筋軸拉試驗的方法。《混凝土結構設計規范》規定了不同等級鋼筋的疲勞應力幅度限值，并規定該值與截面同一纖維上鋼筋最小應力與最大應力比值有關。2.2.3鋼筋的疲勞試驗方法

第十九頁，共四十七頁。二、鋼筋的疲勞斷裂2.2.4鋼筋疲勞斷裂的影響因素

1）應力幅值(反比）：應力幅值為一次循環應力中最大應力與最小應力之差。鋼筋壓應力的循環一般不會發生疲勞破壞，而在拉應力循環或拉壓應力循環才會發生疲勞破壞；其他影響因素均不變，在有限疲勞壽命區域應力值幅度與循環次數成斜線關系，在長壽命區域應力值幅度的影響很小，形成logN的平等線。2）最小應力值大小：增加了最小應力值，在有限疲勞壽命區域和長壽命區都降低了鋼筋的疲勞強度。但當最小應力值為壓應力時，可增加疲勞強度。第二十頁，共四十七頁。二、鋼筋的疲勞斷裂3）鋼筋外表面幾何尺寸：變形鋼筋能增強鋼筋與混凝土之間的粘結力，但在循環荷載作用下，在鼓出的肋與鋼筋表面交接處產生應力集中現象，這是產生鋼筋疲勞裂縫的一個很重要原因。4）鋼筋直徑：隨著鋼筋直徑的增大，降低了鋼筋的疲勞強度。5）鋼筋強度：在有限疲勞壽命區，隨著鋼筋強度等級的增加，增加了鋼筋的疲勞強度。第二十一頁，共四十七頁。二、鋼筋的疲勞斷裂

鋼筋的疲勞S-N曲線方程式在雙對數坐標中的表達式如下：logN=A+mlog△σ±C式中：N-疲勞失效時的循環次數；△σ-外加應力幅（Mpa）；A-S-N曲線的截距；m-曲線的斜率；C-循環次數的統計偏差；C=K·mN√1-r2；mN-循環次數的對數均方差；r-相關系數，應為負數；K-均值線下標準差數目。

鋼筋的疲勞S-N曲線示意圖

鋼筋的疲勞S-N曲線第二十二頁，共四十七頁。二、鋼筋的疲勞斷裂

鐵科院鐵建所做了18根直徑為20mm、屈服強度為257Mpa的Q235光圓鋼筋的疲勞試驗；長沙鐵道學院從東北拆卸下來的混凝土梁上鑿取出直徑為20mm的銹蝕程度各不相同的光圓鋼筋，結果如下表所示：2.3.1光圓鋼筋的疲勞S-N曲線

光圓鋼筋的疲勞S-N曲線第二十三頁，共四十七頁。二、鋼筋的疲勞斷裂

光圓鋼筋疲勞S-N曲線比較

從上表可以看出，①的試驗結果值最大，③次之，②最小。如果將107次時的疲勞強度進行比較，可以發現，光圓鋼筋在混凝土中的疲勞強度比在空氣中減小約14.5%。銹蝕對鋼筋的疲勞強度的影響則更大，銹蝕鋼筋在107次時的疲勞強度比沒有銹蝕的減少約39.7%。第二十四頁，共四十七頁。二、鋼筋的疲勞斷裂

變形鋼筋在空氣中的軸力疲勞試驗，斷裂常發生于鋼筋的最大缺陷處，而在混凝土中的彎曲疲勞試驗，斷裂則常發生在混凝土區鋼筋橫肋與其相交的根部。通過實驗結果比較可知變形鋼筋在空氣中和埋在混凝土中的疲勞強度是一樣的。變形鋼筋疲勞裂紋起始于鋼筋表面變形的根部，而如果鋼筋表面腐蝕或銹蝕坑處的應力集中大于凸肋根部的應力集中，那么疲勞裂紋就起始于該腐蝕或銹蝕坑處，因此可知，腐蝕或銹蝕對鋼筋的疲勞強度有影響。2.3.2變形鋼筋的疲勞S-N曲線

第二十五頁，共四十七頁。二、鋼筋的疲勞斷裂

防護疲勞斷裂設計應注意以下幾點：1、正確選用鋼材，使之具有足夠的韌性；2、盡量減少初始裂紋的尺寸；3、緩和應力集中，減小應力值。2.4鋼筋疲勞斷裂防護措施

第二十六頁，共四十七頁。三、鋼筋的應力腐蝕3.1鋼筋的應力腐蝕性能分析：預應力鋼筋隨著鋼筋強度的提高，塑性、韌性有所下降，在腐蝕介質的作用下，對腐蝕的敏感性會大大加強。3.1.1應力腐蝕的原因：(1)鋼筋在潮濕的空氣中或在有侵蝕的介質中，由于電化學引起鋼材腐蝕，使鋼筋表面形成大小不等彌散分布的腐蝕坑。(2)氫脆斷。應力腐蝕可以看成是電化學腐蝕和力學的復合作用下導致斷裂的過程。第二十七頁，共四十七頁。2023/2/3三、鋼筋的應力腐蝕3.1.2應力腐蝕發生的條件：(1)要有一定的腐蝕介質(2)要有一定的荷載(3)在一定的材質條件下首先是拉應力造成的應變破壞了材料表面的純化膜，新鮮表面與介質接觸發生電化學腐蝕，形成腐蝕坑，產生了裂紋源。在源處出現三向拉應力集中地區，介質中電化學反應形成的有害元素（如氫）可吸附在材料表面，擴散到三向應力區，造成裂紋尖端部位材料性能的脆化，形成裂紋擴展，最后導致斷裂。第二十八頁，共四十七頁。2023/2/3三、鋼筋的應力腐蝕3.1.3預應力鋼筋腐蝕的特殊性：與普通鋼筋相比，預應力鋼筋的腐蝕具有明顯的特殊性：在正常工作狀態下，普通鋼筋處于低應力狀態，其對腐蝕的影響很小；而預應力鋼筋則處于高應力狀態，高應力狀態往往又能提高鋼筋的腐蝕活性，提高腐蝕速率，并可能與腐蝕耦合形成“應力腐蝕”或“腐蝕疲勞”這樣的脆性腐蝕破壞問題。第二十九頁，共四十七頁。三、鋼筋的應力腐蝕3.2斷裂力學對應力腐蝕的分析：斷裂力學是采用應力和介質共同作用下發生斷裂的延遲時間，來判斷材料應力腐蝕敏感性影響的一門學科。用表面近于無缺陷的光滑試樣，來測定應力腐蝕斷裂時間。試驗表明，裂紋擴展速率主要取決于裂紋頂端的應力強度因子K，在應力腐蝕試驗中,裂紋擴展特性同樣也存在一限制，即達到應力腐蝕臨界應力強度因子K（即臨界的裂紋擴展力）時，裂紋即停止擴展。第三十頁，共四十七頁。三、鋼筋的應力腐蝕3.3鋼筋應力取值對應力腐蝕性能的影響：鋼筋強度和預應力值對應力腐蝕性能有一定的影響。如圖所示：第三十一頁，共四十七頁。三、鋼筋的應力腐蝕從圖中表明應力腐蝕的敏感性隨鋼筋強度和應力張拉值的提高而增加。所以即使強度高的鋼筋，使用應力亦不能控制得太高。相反，抗拉強度適當降低，對抗應力腐蝕性能有顯著改善。第三十二頁，共四十七頁。三、鋼筋的應力腐蝕3.4預應力鋼筋的腐蝕問題：3.4.1預應力鋼筋腐蝕問題的研究現狀：預應力混凝土結構的應用日益廣泛，但預應力鋼筋的腐蝕問題也日益嚴重，從而影響重大土木工程結構的安全使用。腐蝕會對鋼筋的性能產生影響，主要是以下3個：①腐蝕造成鋼筋平均截面積的減小；②不均勻腐蝕形成的腐蝕坑處容易產生應力集中；③由于鋼筋內應力的存在，腐蝕將會改變其內部的晶格結構，從而使鋼筋性能發生變化．一般腐蝕過程可能是這3個因素中的某一個或某兩個因素起作用，也可能是這3個因素共同作用的結果。第三十三頁，共四十七頁。三、鋼筋的應力腐蝕3.4.2預應力鋼筋腐蝕問題的防護措施：(1)防止鋼筋腐蝕的措施是不可忽視的，尤其是張拉與灌漿之間的時間相隔很長，并受到惡劣氣候的影響的時候。因此，規范要求采用耐應力腐蝕性能好的預應力鋼筋。當鋼筋周圍侵蝕性很嚴重時，一般可采取加覆蓋層(有機物或金屬)，或者采用陰極保護措施進行保護。電鍍層(鍍鋅)就具有這兩種類型的保護作用。(2)預應力鋼筋在使用期間產生破壞的主要原因是設計誤差。(3)如果施加預應力的混凝土有足夠的強度，則其質量本身就足以保護鋼筋。強度不夠的混凝土必定是不均勻或者有孔隙的混凝土，不利于鋼筋保護。第三十四頁，共四十七頁。三、鋼筋的應力腐蝕此外，在施加預應力時，往往會出現一些施工差錯，這對鋼筋的保護是有害的，尤其是鋼筋端部完全或者部分沒有灌注混凝上，或者存在封閉缺隙等。因此，無論是在設計、施工還是在完工后的使用中，都必須對上述措施加以重視，并采取相應的對策。第三十五頁，共四十七頁。四、鋼筋的徐變和松弛4.1徐變和松弛的定義鋼筋徐變：

在高應力作用下，鋼筋受力后，隨時間增長應變繼續增加。鋼筋松弛：鋼筋受力后，長度保持固定不變，鋼筋中應力隨時間增長而降低的現象稱之為松弛。

在金屬的徐變和松弛的情況下，存在著明顯的塑性變形過程的現象的局限性。這是由于金屬內部結構的不夠完善。就是說金屬內部存在斷縫結構，它的移動的運動引起著塑性變形。應力松弛現象基本是由于剪切斷縫和擴散斷縫的過程的結果。第三十六頁，共四十七頁。2023/2/3四、鋼筋的徐變和松弛圖中曲線（Ⅰ）瞬時鋼筋應力應變曲線，曲線（Ⅱ）為鋼筋假定經過無限長的時間后的應力應變曲線，（t）為經過任意(t)時間后的應力應變曲線。即為鋼筋最終的徐變值。為鋼筋初始應力為T的最終松弛值，徐變和松弛的關系近似按式，4.2徐變與松弛的關系第三十七頁，共四十七頁。2023/2/3四、鋼筋的徐變和松弛4.2徐變與松弛的關系第三十八頁，共四十七頁。四、鋼筋的徐變和松弛

4.3影響鋼筋松弛的因素由于鋼筋的預應力混凝土結構中預應力鋼筋張拉后的長度基本保持不變，鋼筋中的應力處于松弛狀態，影響鋼筋松弛的

主要因素：1、鋼筋的松弛隨時間而增長，松弛率逐漸下降；

2、鋼筋松弛且與初始應力大小有關，張拉控制應力值低時應力損失值越小，相反就越大；

3、松弛值與鋼筋的種類有關，一般的冷拉熱軋鋼筋松弛損失較冷拔低碳鋼絲，碳素鋼絲和鋼絞線的低，鋼絞線的應力松弛較用同樣材料鋼絲的松弛都大；

4、鋼筋松弛隨著溫度的增加而增加；

5、鋼筋松弛和鋼材種類、張拉方法（一次張拉以及超荷張拉）、控制應力值、時效與不時效有關。

第三十九頁，共四十七頁。四、鋼筋的徐變和松弛4.4應力控制、張拉方法以及時效性對松弛的影響第四十頁，共四十七頁。四、鋼筋的徐變和松弛第四十一頁，共四十七頁。四、鋼筋的徐變和松弛第四十二頁，共四十七頁。四、鋼筋的徐變和松弛

由上述可見：

1、不同控制應力值對應力松弛損失是有影響的，控制應力高則應力松弛損失大。

2、超荷張拉，一般可減少應力松弛損失。

3、鋼筋直徑對應力松弛損失的影響不明顯。

4、冷拉鋼筋采取同一張拉方法，經時效與不時效的應力松弛損失相差不明顯。

5、鋼筋的松弛在開始階段發展很快。一次張拉試驗第一小時完成50％左右，24小時內完成80.96%左右，超荷張拉試驗第一小時完成40％左右，24小時內完成60％左右。從持續1000小時的試驗結果來看，90％以上的應力松弛損失發生在15天以內，15天后松弛發展很少。第四十三頁，共四十七頁。四、鋼筋的徐變和松弛4.5減少松弛損失的措施

1、超荷張拉法

2、預應力筋張拉完畢立即灌漿法

3、補拉法（再次張拉法）

4、綜合法

5、電熱—機械張拉法

6、鋼筋熱處理第四十四頁，共四十七頁。參考文獻[1]翟盤茂,任福民.中國近四十年最高最低溫度變化[J].氣象學報,1997,55(4):418-429.[2]陳錦年,褚健婷,許蘭英.南極氣候和海冰的時空變化特征及其與太平洋海溫場的關系[J].海洋學報,2003,25(6):39-47.[3]李雄耀,王世杰,程安云.月球表面溫度物理模型研究現狀[J].地球科學進展，2007,22(5):480-485.[4]王元清,武延民,石永久.低溫對結構鋼材主要力學性能影響的試驗研究[J].鐵道科學與工程學報,2005,2(1):1-4.[5]WhiteleyJD,ArmstrongBM,WelburnRW.Reinforcingandprestressingsteelsforcryogenicapplications[C]∥CryogenicConcre