一 钢筋的物理力学性能(3)

我国应用于预应力混凝土的碳素钢丝常用直径和抗拉强度如表1-6。国外采用预应力钢

丝直径?3.0mm～8.0mm，最大到

?12mm。为了改善冷拔碳素钢丝的

性能，用冷拔后进行低温回火处理，以消除冷强化的应力。这种钢丝称为应力消除钢丝，其比例极限，条件流限、弹性模量均有所提高，塑性也有所改善，国际上通常采用的应力消除的碳素钢丝直径为?3～?12，特征

强度为150～190kg／mm。

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3 钢筋的热处理

热处理钢筋根据生产工艺的不同分为调质热处理、高频感应热处理和余热处理三种，我国为调质热处理钢筋，有44Mn2Si，45MnSiV，45Si 2Mn等。调强度在140～160kg／mm2

之间，规定热处理V级钢筋抗拉强度为150kg／mm2。热处理钢筋存在的一个问题，容易发生脆断的情况，例如，44Mn2Si热处理钢筋在成盘存放时，由于盘径较小，外表面受拉，钢筋受到应力腐蚀而发生脆断。有的在使用中，在低应力下发生脆断，例如45Si2Mn调质热处理钢筋用于轨枕时，在150kg／mm2应力下，即发生脆断情况。断裂力学概念来看，材料断裂与否并不完全依赖强度储备大小，而取决于材料断裂韧度的大小。45Si2Mn热处理钢筋强度和断裂韧度的关系曲线如图1-17所示，曲线表明强度在

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(160～180)kg／mm范围内，断裂韧度下降了l00kg／mm。因此热处理钢筋除考虑强度外，还应考虑断裂韧度。此外热处理钢筋的淬火温度，回火温度，以及含碳量均对断裂韧度有影响。

日本曾采用高频感应炉热处理钢筋，其直径在?9～32mm，强度可达到80／95～135／145kg／mm。苏联曾用余热处理热轧钢筋，强度可提高一倍以上，成本也较低，但钢筋淬火和回火温度不易控制，因此钢筋性能不够稳定。

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1．3 钢筋的徐变和松弛

在高应力下，钢筋受力后，随时间增长应变继续增加称之为徐变。而钢筋受力后，长度保持固定不变，钢筋中应力随时间增长而降低的现象称为松弛。图1-18中曲线(Ⅰ) 为瞬时钢筋的应力应变曲线，曲线(Ⅱ)为钢筋假定经过无限长的时间后的应力应变曲线，(t)为经

过任意(t)时间后的应力应变曲线。?f(?)即为钢筋最终的徐变值，?f(t)为钢筋经过t时间的徐变值。

?T?即为钢筋初始应力为T的最终松弛值，?T(t)为经过(t)时间后的松弛值。徐变和松弛的关系可以近似按?f(?)＝?T?／ET，式中ET为应力—应变曲线中在T应力处的斜率。

预应力混凝土结构中钢筋张拉后长度基本保持不变，钢筋中的应力处于松弛状态，因此着重研究钢筋的松弛性能。

松弛随时间而增长，且与初始应力大小、温度

和钢材种类等因素有关。影响因素如下

1）．松弛与时间的关系

中国建筑科学研究院等单位对冷拉热轧钢筋、冷拔低碳钢丝，钢绞线进行了试验研究。 图1-19～1-22所示为冷拉40Si2V，碳素钢丝，?3冷拔低碳钢丝的应力松弛关系采用半对数坐标表示的曲线和钢绞线的应力松弛曲线。图中曲线表明，钢筋的松弛发展较混凝土快得多。但也和混凝土一样，随时间增长松弛率逐渐减小，如用时间为对数坐标时，基本为一直线关系。

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松弛设计时常假定1000小时的松弛为100％，国际预应力混凝土协会(FIP)给出100小时的松弛约占1000小时值的55％左右。但我国的试验结果表明，第一小时和24小时完成的松弛已超过上述值，数值结果的不同，可能由于钢筋初始应力值、钢筋的机械性能、制造方法，钢筋的化学成份以及试验程序等，特别是初始应力值，恒温设备的精确性，以及加载结速度与第一次读数时间间隔等影响因素，对松弛是很重要的。

实际上钢筋松弛超过1000小时后仍继续增加。法国Guyon（谷雍）给出表1-7的数值，数值为总松弛损失的百分数。1000小时的松弛约占总的可能损失值的72％左右。

FIP的松弛随时间关系公式为：

log

??pt?pt?log??pT?pi?K?logt?logT? (1-4)

?pi—初始应力；

??pt，??pT—在时间t和T时的应力损失；

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K—系数，与预应钢材类型有关，表示在T时间以后直线的斜率。

无试验资料时，可用经验公式表示钢筋h小时后松弛损失值?T?h?：

?T?h???T?1? ?T?—钢筋的总松弛损失值； h—若干小时后。 2）．松弛与张拉应力和钢种的关系

??4h/10000? （1-5）

松弛损失与钢筋初始张拉应力大小有关。铁道科学研究院对两种不同的初始应力钢绞线的松弛试验结果如表1-8，钢绞线所处气温为20～35℃，且未经预拉。

即：张拉控制应力值低时，应力松弛损失值小，张拉应力控制值高时，应力松弛损失值大（为什么？）。 松弛损失值与钢筋类型有关，冷拉热轧钢筋控制应力在(0.85～0.90)?s时

1000小时松弛损失平均在3.4～4.5％左右。而冷拔低碳钢丝控制应力为0.70?b时，1000小时约5.46％，碳素钢丝控制应力为0.7?b时1000小时为(5.0～7.85)％，钢绞线在控制应力(0.65～0.7)

?b仅336小时，松弛损失已达(6～7)％。所以，冷拉热轧钢筋松弛损失较冷拔

低碳钢丝、碳素钢丝和钢绞线的低，钢绞线的应力松弛较用同样材料钢丝的松弛都大（分析原因）。 3）．减小松弛损失的措施

减少松弛损失的措施有超张拉来减少松弛损失值，用低松弛高强钢筋、钢丝和钢绞线。国外的低松弛高强钢材有两类。一类是应力消除的高强钢丝和钢绞线，一类是经过专门“稳定”处理而得到低松弛的高强钢丝、钢绞线和某些粗钢筋。在一定温度(如350℃)和拉应力下预先张拉钢丝，这种形变热处理工艺可大大减少钢丝的松弛。后一类松弛损失只有前一种的1／3～1／4。表1-9为二类钢材在不同控制应力下1000小时松弛情况。

采用应力消除的钢丝、钢绞线的松弛损失规律国外采用经验计算公式：

?fsr'logt'?fsi10?fsi???0.55? （1-6） ?f??y? ?fsr—在张拉t小时后的松弛损失； fsi—初始应力值；

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fy—当残余变形为0.1％时钢筋的应力。 仅适用于fsi／fy≥0.55时。 4）．温度影响下的钢筋松弛

松弛随着温度增加而增加的。T．Cahill（卡赫拉），G．D．Branch（布瑞赤）给出了在初始应力低于0.75极限抗拉强度时、在1000小时、在20℃、40℃、60℃和100℃时钢筋徐变和松弛损失值，如表1-10和图1-23。

他还给出了从20℃到100℃随时间增长应变值的规律：

C1?tm?1???C2 （1-7）

m?1C1、m、C2按表1-11取值。

1．4 钢筋的应力腐蚀

1 钢筋的应力腐蚀

预应力钢筋随着钢筋强度提高，塑性、韧性有所下降，在腐蚀介质的作用下，对于腐蚀的敏感性会大大加强。国内外都发生过热处理钢筋和高强钢丝发生突然断裂的事故。如热轧65MnSiV钢筋贮存过程中受到工业大气腐蚀使钢材脆断，日本和南斯拉夫发生过高强钢丝的断裂。

钢筋在潮湿空气中或在有侵蚀的介质中，由于电化学引起钢材腐蚀，使钢筋表面形成大小不等弥散分布的腐蚀坑。腐蚀坑即相当于一个“缺口”。在受拉过程中，引起应力不均匀分布，且造成在“缺口”边缘的应力集中，在平均应力尚低时，“缺口”边缘应力已达到断

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