混凝土结构无损检测与故障处理及修复加固技术手册.pdf

第一编 混凝土结构设计
第一章 钢筋混凝土的一般概念和材料的主要性能
第一节钢筋混凝土的一般概念及特点

钢筋混凝土是由钢筋和混凝土两种力学性能完全不同的材料组成的结构材料 钢筋是一种抗拉和抗压能力都很强的材料 混凝土是一种抗压能力强而抗拉能力却相对较弱的脆性材料 如果单纯地由混凝土去受拉是很容易开裂的 因此 单纯的混凝土(也称素混凝土)结构其应用范围将受到很大的限制 例如 有两根简支梁 作用于集中荷载 它们的截面尺寸跨度 混凝土强度都相同 但一根是素混凝图 1-1-1 素混凝土梁与钢筋混凝土破坏情况对比土梁 而另一根在混凝土中配有钢筋 即钢筋混凝土梁 如图 1-1-1所示 在荷载作用下 梁的中和轴以下产生拉应力 其中 素混凝土梁因混凝土抗拉强度较低而很快断裂 其破坏荷载很低 而在钢筋混凝土梁中当受拉区混凝土开裂以后 其拉力传递给钢筋 梁还可以继续承担荷载 直至受拉钢筋其拉力达到钢筋的屈服强度以后梁才破坏破坏时梁承受的荷载大约是素混凝土梁的几倍 由此可见 在混凝土构件中配置一定量的钢筋可大大提高构件的承载力 一般来说 在钢筋混凝土结构中 混凝土主要承受压力 钢筋主要承受拉力(必要时也可承受压力)
钢筋和混凝土这两种性质不同的材料之所以能有效地结合在一起而共同工作的原因是其一 混凝土硬化后紧紧抱裹住钢筋而产生很强的粘结力 在外力的作用下两者能协调变形共同工作 其二 钢筋与混凝土两种材料的线膨胀系数颇为接近 钢筋为 12 10-5 混凝土为(1 0 1 5) 10-5 当温度变化时 两者材料之间不会因为相对变形过大而使粘结力破坏 其三 钢筋表面的混凝土保护层起到了防止钢筋锈蚀的作用 提高结构的耐久性
钢筋混凝土结构除了合理利用钢筋和混凝土材料的性能外 还具有许多优点强度较高 与砖 木结构相比 其强度较高  钢材用量少 在钢筋混凝土结构中 钢筋的用量只占百分之几耐久性好 在一般环境中 钢筋在混凝土保护下不易锈蚀 几乎不需要经常维修和保养
耐火性好 混凝土是不良导热体 遇火灾时 钢筋有混凝土的保护而不至于很快升温而失去承载力
第一编 混凝土结构设计
可模性好 混凝土可根据设计需要浇筑成各种形状和尺寸的结构构件 适用于形状复杂的结构整体性好 整体浇筑的钢筋混凝土结构整体性好 有利于结构抵抗各种变形与地基沉降 也有利于结构抗震
材料来源广泛 便于就地取材 在混凝土所用的原材料中 砂 石占有绝大部分 而这些材料易于就地取得由于钢筋混凝土结构具有上述一系列优点 所以在国内外的工程建设中均得到广泛应用但是 钢筋混凝土结构也存在着一些缺点 如自重大 抗裂性差等 这对于建造大跨结构和高层抗震结构不利 可以通过发展轻质高强混凝土 采用预应力混凝土结构等措施 在一定程度上得到了改进 又如钢筋混凝土施工复杂 工序多 施工周期长 受气候影响大等问题 也可通过推广预制装配式钢筋混凝土结构加以克服
第二节钢筋的主要力学性能
一 钢筋的强度和变形
建筑结构用的钢筋 一般可分为两类 有明显流幅的钢筋(也称为软钢)和没有明显流幅的钢筋(也称为硬钢) 这两类钢筋拉伸试验的典型应力-应变曲线如图1-1-2及图1-1-3所示图 1-1-2 有明显流幅钢筋
的应力-应变曲线 图 1-1-3 没有明显流幅
钢筋的应力-应变曲线
在有明显流幅钢筋的典型拉伸应力-应变曲线中可以看出 应力值在 a 点以前 应力与应变按比例增加 其关系符合虎克定律 a 点对应的应力称为比例极限 过 a 点以后 应变增长速度比应力快 到达 b 点后钢筋开始塑流 进入屈服阶段 b 点称屈服上限点 它与加载速度 断面形式 试件表面光洁度等因素有关 故显不稳定状态 过了 b 点后 应力与应变曲线出现上下波动 即应力不再增加 而应变迅速发展 形成一个明显的屈服台阶 整个屈服台阶的下限 c 点所对应的应力称为 屈服强度 当钢筋屈服塑流到一定程度 即到达 c点以后 应力-应变曲线又开始上升 说明经过流幅后 其内部结构重新排列 抗拉能力有所提高 随着曲线上升到最高点 d 相应的应力称为钢筋的极限强度 cd 段称为钢筋的强化阶段 过了 d 点以后 钢筋在薄弱处的断面将显著缩小 发生局部颈缩现象 变形迅速增加应力随之下降 直到过 e 点时试件被拉断对这类钢筋有两个强度指标 一是屈服台阶的下限点所对应的应力称为钢筋屈服强度它被作为钢筋混凝土构件计算时钢筋的强度限值 即钢筋强度设计指标 这是因为钢筋屈服后所出现的屈服台阶(流幅)是一个不可恢复的塑性变形 会使构件变形和裂缝大大增加以致无法使用 另一个强度指标是 d 点的钢筋极限强度 这是钢筋所能达到的最大强度 而极限强度与屈服强度之比作为钢筋强度的安全储备除强度指标外 钢筋还应具有一定的塑性变形能力 反映钢筋塑性性能的基本指标是伸长率和冷弯性能
钢筋拉断后的伸长值与原长的比率称为伸长率l1-l l 100%(1-1)
式中 伸长率( )
l 试件受力前的标距长度(一般有 l 10d 或 l 5d 两种标距的试件 d 为试件直径)l1 试件拉断后的标距长度
延伸率越大的钢筋塑性越好 即拉伸前有足够的伸长 使构件的破坏有预兆 反之构件的破坏具有突发性而呈现脆性
为了使钢筋在加工成型时不发生断裂 要求钢筋具有一定的冷弯性能 冷弯是将直径为 d的钢筋绕某一规定直径为 D 的钢辊进行弯曲 在达到规定的冷弯角度(180 )时钢筋不发生裂纹 鳞落或断裂 就表示合格
混凝土结构规范设计 (GB 50010 2002)(以下简称规范)要求各种钢筋所必须达到的伸长率的最小值以及相应的冷弯试验 见表 1-1-1
表 1-1-1 各种钢筋伸长率及冷弯试验要求
钢筋种类 HPB 235 级 HRB 335 级 HRB 400 级伸长率(%) 5 25 16 14 冷弯要求 冷弯角度 180 180 180图1-1-3 为高强度碳素钢丝的应力-应变曲线 由图可见这类钢筋没有明显的屈服台阶(流幅) 其强度很高 但伸长率小 塑性较差 破坏时呈脆性 对该类钢筋通常取相应于残余应变为 0.2%的应力 0.85 b 作为假想屈服点(或称条件屈服点) 0.85 b 表示 其值约为 0.85倍抗拉强度值
二 钢筋的成分 级别 品种
钢筋的化学成分 生产工艺和加工方法不同 其基本力学性能就不相同钢筋的化学成分主要是铁元素 还有少量的碳 锰 硅 钒 钛等合金元素以及一些有害元素如磷 硫等 含碳量的多少对钢材的强度影响很大 含碳量高 钢材强度就高 但塑性性图 1-1-4 各级钢筋的应力-应变曲线能及可焊性将降低 锰 硅 钒 钛等少量合金元素可使钢材的强度 塑性等综合性能提高 有害元素磷 硫等超过一定量后会使钢材变脆 塑性显著降低 不利于焊接
目前 用于建筑上的钢筋可分为两大类 碳素钢和普通低合金钢 图 1-1-4 为各级钢筋和碳素钢丝的应力-应变曲线 很明显 钢筋强度高 则其塑性性能就低
另一种钢筋叫热处理钢筋 它是普通低合金钢筋通过加热 淬火 回火等调质热处理工艺 以改变其力学性能 从而获得在塑性降低不多的情况下 强度却大大提高 热处理钢筋其强度高 变形性能好 很适宜做预应力钢筋 其缺点是局部损伤或应力过大之处易发生应力脆断
普通钢筋强度标准值见表 1-1-2 预应力钢筋强度标准值见表 1-1-3 普通钢筋强度设计值见表 1-1-4 预应力钢筋强度设计值见表 1-1-5 各种钢筋的弹性模量见表 1-1-6
表 1-1-2 普通钢筋强度标准值 MPa
钢筋种类 符号 d/mm fyk 热轧钢筋 HPB235(Q235) 8 20 235HRB335(20MnSi) 6 50
335HRB400(20MnSiV 20MnSiNb 20MnTi) 6 50 400RRB400(K20MnSi) R 8 40 400 注 1
热轧钢筋直径 d 系指公称直径
2 当采用直径大于 40mm 的钢筋时 应有可靠的工程经验 表 1-1-3 预应力钢筋强度标
准值 MPa
种类 符号 d/mm fptk 钢绞线 1 31 7 S 8.6 10.8 1860 1720 157012.9 1720
15709.5 11.1 12.7 186015.2 1860 1720 消除应力钢丝 光面螺旋肋 P
H 4 5 1770 1670 15706 1670 15707 8 9 1570 刻痕 I 5 7 1570 热处理钢
筋 40Si2Mn48Si2Mn45Si2Cr HT 68.210 1470 注 1 钢绞线直径 d 系指钢绞线外接圆直径
即现行国家标准 预应力混凝土用钢绞线 GB/T 5224 中的公称直径 Dg 钢丝和热处理钢筋
的直径 d 均指公称直径
2 消除应力光面钢丝直径 d 为 4 9mm 消除应力螺旋肋钢丝直径 d 为 4 8mm
表 1-1-4 普通钢筋强度设计值 MPa
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种类 符号 fy f y 热轧钢筋 HPB235 (Q235) 210 210HRB335 (20MnSi) 300
300HRB400 (20MnSiV 20MnSiNb 20MnTi) 360 360RRB400 (K20MnSi) R 360 360 注 在钢
筋混凝土结构中 轴心受拉和小偏心受拉构件的钢筋抗拉强度设计值大于 300MPa 时 仍应按
300MPa 取用
表 1-1-5 预应力钢筋强度设计值 MPa
种类 符号 fptk fpy f py 钢绞线 1 31 7 S 1860 13201720 12201570 1110 3901860
13201720 1220 390 消除应力钢丝 光面螺旋肋 P
H 1770 12501670 11801570 1110 410 刻痕 T 1570 1110 410 热处理钢筋
40Si2Mn48Si2Mn45Si2Cr HT 1470 1040 400 注 当预应力钢绞线 钢丝的强度标准值不符
合表 1-1-3 的规定时 其强度设计值应进行换算
表 1-1-6 钢筋弹性模量 MPa
项次 钢筋种类 Es1 HPB235 级钢筋 2.1 1052 HRB335 级钢筋 HRB400 级钢筋 RRB400
级钢筋 热处理钢筋 2.0 1053 消除应力钢丝(光面钢丝 螺旋肋钢丝 刻痕钢丝) 2.05
1054 钢绞线 1.95 105 注 必要时钢绞线可采用实测的弹性模量
三 钢筋的冷拉和冷拔
钢筋的冷拉和冷拔是在常温下用机械的方法进行加工 其效果是钢筋强度提高而塑性有
所下降
1 冷拉
冷拉是将钢筋拉至超过屈服强度 即强化阶段中的某一应力值 如图 1-1-5 所示的 k 点
后卸荷 由于 k 点的应力已超过屈服阶段 所以卸荷应力为零时的应变并不等于零 其残余
应变为 Ol 此时若立即加荷 应力应变曲线将沿 lkde 变图 1-1-5 钢筋冷拉后的
应力-应变曲线化 屈服点已由 a 提高到 k 表明钢筋经冷拉后 屈服强度提高了 如
果卸荷后 在常温下放置一段时间 再重新拉伸 则应力应变曲线将沿 lk d e 变化 屈服
点又由 k 点提高到 k 点 重新出现屈服阶段 d 点的应力也比 d 点的应力值要高 但 e
点的伸长率比 e 点减小 这表明经过一段时间后钢筋的屈服强度还会提高 但塑性性能却降
低 钢筋的这种现象称冷拉时效 为了增加强度又保证有一定的塑性 应选择合适的 k 点
即选择合适的冷拉控制应力 k 和冷拉伸长率 k 能同时控制 k 和 k 的称为双控 仅控
制 k 的称为单控 冷拉后钢筋的质量需满足施工规程的要求 冷拉能提高钢筋屈服强度
使钢筋伸长 起到节省钢材 调直钢筋 自动除锈 检查焊接质量的作用
冷拉只能提高钢筋的抗拉强度 不宜用做受压钢筋
2 冷拔
冷拔是将直径为 6 8mm 的 HPB235 级热轧钢筋用强力拔过比其直径要小的硬质合金拔丝
模具 在模具中钢筋除了受拉外还受到很大的侧向挤压力 从而使钢筋在长度和直径两个方
向都产生塑性变形 截面积减小 长度增加 如图 1-1-6(a)所示 冷拔可以采用分级拔丝
将钢筋分级拔细 通过分级拔细的钢丝强度更高 但塑性更低 如图 1-1-6(b)所示 冷拔
钢筋预应力混凝土构件设计与施工规程 (JG 519)把冷拔低碳钢丝分为甲乙两级 甲级质量
要求较严 可做预应力筋 但需逐盘进行抗拉强度 伸长率及弯曲试验 乙级只做分批检验
一般用做架立筋 焊接网片和骨架等构造钢筋用
冷拔钢筋可同时提高抗拉及抗压强度
图 1-1-6 钢筋的冷拔
四 钢筋的形式

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