一 钢筋的物理力学性能(6)

n为偶数时： r?2.200.469?n?0.304 （1-17b）

loge?1?n?e?1

图1-45所示为Park用Ramberg-Osgood关系式和试验值比较的情况，关系式中fch和r采用了经验系数。

关于冷处理钢筋的包兴格效应，如图1-46所示。从图可知，在冷拉未回火不时效的条件下，预先冷拉后残余变形为0.2%时，抗压条件流限较原材料降低6.3%，若残余变形为0.5%时，则降低37%，残余变形为5.5%时，则降低43%，冷拉率超过3%比例极限时，条件流限降低程度的增加太明显。

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钢筋冷拉经时效后，则抗压条件流限有明显的提高，例如预先冷拉率为5.5％，经时效后则抗压条件流限有明显的提高，例如，预先冷拉率为5.5％，经时效后，其抗压条件流限为27.2kg／mm流限为18.4kg／mm2。

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而未经时效的抗压条件

试验了冷轧、冷扭钢筋的包兴格效应，发现效应不明显。冷扎冷扭钢筋，由于晶粒的滑移面或与横向成45°，或晶粒扭长方向与钢筋轴相交成一定角度，因此包兴格效应不显著。

1．7 钢筋的疲劳

由于钢筋混凝土结构采用了极限强度设计方法和高强钢筋材料，钢筋混凝土结构的疲劳日益受到人们的重视。对于承受重复荷载的吊车梁、桥面板、轨枕、路面和海洋结构，要求

在承受重复荷载下以及在高

应力条件下能良好地工作。但是有时在较低的重复荷载下的预应力混凝土梁发生了斜裂缝和组合材料构件发生裂缝等，引起疲劳破坏的现象。 由于多采用较高强度的钢筋，钢筋的疲劳性能更引起人们的注意。所谓钢筋的疲劳破坏是指钢筋在承受重复并有周期动荷载下，经过一定次数后，钢材从塑性破坏变成脆性突然断裂破坏，此时钢筋的

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最大应力低于在静荷载下钢筋的极限强度，有时也低于屈服强度。在某一规定应力幅度内经受一定次数循环荷载要求后才发生疲劳破坏的最大应力称为疲劳强度。

关于疲劳荷载的定义，认为疲劳荷载是动力荷载的一种特殊情况，地震荷载和其他一些原因而引起的低周疲劳不属于此种疲劳荷载范围。

疲劳荷载的寿命分为有限疲劳寿命区域和长疲劳寿命区域。1976年美国联邦和州立公路研究机构对高屈服钢筋的疲劳进行了系统的研究和总结。认为循环荷载在1～10，000次范围内为低周疲劳区，10，000～100万次为有限疲劳寿命区，100万次以上为长疲劳寿命区，如图1-47。

1 钢筋疲劳试验和疲劳的机理

钢筋疲劳试验有两种方法，一是直接做单根钢筋轴拉的疲劳试验，一是将钢筋埋入混凝土构件中使其受拉或受弯。RILEM-FIP-CEB提出一个直接做单根钢筋疲劳试验的准则。试验规定为钢筋或钢丝试件长度必须不少于30倍或100倍直径再加两个锚具长，钢绞线试件在夹具之间的长度至少是8倍捻距，在每种情况下，试件在锚夹具间的自由长度都必须大于1000mm。加载不能使试件发热。建议的频率为200～600次／分。值得注意的是当频率保持在5000次／分以下时，频率高低对疲劳强度没有显著影响，当频率增加时，影响是较为有利的。

但不少人倾向于采用将钢筋埋入混凝土构件中进行疲劳试验，钢筋受力情况与工程实际相接近。关于直接做单根钢筋疲劳试验结果和埋入混凝土的构件疲劳试验结果的比较，是很分散的，目前的试验数据尚不能得出结论来。美国联邦和州立公路研究机构1976年的试验方法采用钢筋埋入混凝土的构件方法，梁构件截面形式为T形或矩形，采用三分点加载，保持3倍有效高度的等弯矩段，如图1-48所示。在等弯矩段内只有试验的疲劳钢筋，在梁的中央部分预埋金属片使发生的裂缝能对称分布。

为使试验最小应力值为压力值，在试验钢筋的水平位置处加一套后张预应力系统，如图1-49所示。

钢筋埋入混凝土的受弯构件的疲劳断裂，多发生在等弯矩区段内，在构件的弯曲裂缝处附近。钢筋疲劳断裂的原因，在外力作用下，由于钢筋内部的缺陷（如：夹有杂质使本身不均匀或钢筋外表面的变形突变或缺陷，刀痕、锈蚀或脱碳层等），容易引起应力集中，长期下去则产生裂纹。疲劳纹是由于钢筋中超过负荷的弱晶粒内发生滑移的结果，裂纹继续发展，最后造成断裂。因此，钢筋断裂从宏观来看有两个区域，一个是引起疲劳断裂的核心点区，对于变形钢筋这个核心点区多位于钢筋横肋的底部，通常称为疲劳核心，从核心沿径向向外

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扩展，核心和扩展的表面相互磨擦而常呈暗光滑面。另外区域，由于裂纹形成和扩展后，剩余断面不足以承受所加的荷载，突然脆断破坏，表面较粗糙，形成粗粒状区域。如图1-50。

2 影响钢筋疲劳的因素

钢筋疲劳强度试验结果是很分散的，如图1-51。原因是由于许多因素影响了钢筋疲劳强度。如应力值的幅度；最小应力值大小，钢筋外表面几何形状；钢筋直径，钢筋等级以及轧制工艺、焊接和钢筋弯曲和试验方法等的影响。 1）应力值幅度的影响：

应力值幅度fr(或S)为一次循环应力中最大应力值fmax与最小应力值fmin之差，是表

达钢筋疲劳强度的主要的影响参数。钢筋的疲劳强度和疲劳寿命常用应力值幅度S和应力循环次数

N(或用logN)的S?N曲线表

示。

钢筋压应力的循环一般不会发生疲劳破坏，而在拉应力循环或拉压应力循环才会发生疲劳破坏。

S?N曲线的关系如图1-52。如用N对数坐标表达整个疲劳寿

命，可用指数曲线来表示。图1-52为其他影响因素均不变，在有限疲

劳寿命区域为斜线关系，在长寿命应力值幅度的影响很小，形成logN的平行线。

2)最小应力值大小的影响

最小应力值大小对疲劳强度fr的影响是除了应力值幅度外最有影响因素之一。影响趋向是增加了最小应力值，在有限寿命疲劳区域和长寿命区都降低了钢筋的疲劳强度。图1-53为试验结果中的一个典型例子。

表明：在有限疲劳寿命区域，增加最小拉应力值，减少了疲劳强度，但当最小应力值为

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压应力时，可增加疲劳强度。

长寿命区域与有限寿命区域影响的大小相似。 3)钢筋外面几何尺寸的影响

变形钢筋能增强钢筋与混凝土之间的粘着力，但在循环荷载作用下在鼓出的肋与钢筋

表面接交处产生应力集中现象，这是产生钢筋疲劳裂缝的一个很重要原因。

应力集中系数与肋底部半径r，肋高h，肋宽w与肋与肋之间等因素有关。如果肋高h值愈小，肋宽w愈狭，肋底半径值愈大则应力集中系数愈小。其中与肋高h，肋底半径r值因素影响最大，常用r／h来反映钢筋外表面几何尺寸的影响。

图1-56所示r／h为1.0及0.1时S?N曲线的比较关系。增加r／h值时增加钢筋的疲劳强度。在有限疲劳寿命区和长寿命区都有影响。

4)钢筋直径的影响

试验结果分析表明，钢筋的疲劳强度与钢筋直径有关。但钢筋直径与钢筋表面几何形状相互影响：如在相同的r／h条件下，不同钢筋直径的S?N曲线在有限疲劳寿命区如图1-57所示。图中表明5#(即直径15.8mm)钢筋和11#(即直径35mm)钢筋S?N曲线的关系。随着钢筋直径增大，降低了钢筋的疲劳强度。原因可能是由子随着钢筋直径增大，在高应力区域中的局部缺陷的存在可能性加大，另外，在采用钢筋埋入混凝土的构件中的钢筋直径增大，应变梯度加大，也影响了钢筋疲劳强度。

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