第一篇4章结构材料和耐久性设计

第一篇总论401.4结构材料和耐久性设计章次与名称第四章结构材料和耐久性设计学时数2本章主要内容通过课前复习再一次熟悉钢材、混凝土这两种材料的基本特性、变形性能，熟悉各自的应力应变曲线。本章着重了解抗拉材料及混凝土技术的新发展，以及钢筋锈蚀的机理和混凝土耐久性设计的基本知识。本章重点内容抗拉材料与混凝土技术的新发展；钢材与混凝土材料耐久性影响因素及其相应防护措施。本章难点内容材料耐久性影响因素，可以结合大量工程实例阐述耐久性设计的重要性教学方法1．采用多媒体课件辅助教学，通过大量图片介绍锈蚀的影响2．结合结构设计原理中已学内容，引入新的知识点，培养学生学习兴趣与积极性，将工程实践和理论分析相结合。3、课前讲述本次课主要内容，课后进行小结，布置相应的思考题和课后复习内容与预习内容课堂互动题的设置1、混凝土的碳化2、裂缝的种类3、保护层厚度在公桥规中对于裂缝的影响课后思考题的布置1、钢板和钢筋的特性及力学表现2、钢筋锈蚀的产物3、桥梁一般采用哪些加固方法备注本章要求学生课后翻阅大量的专业文献，了解我国目前桥梁耐久性及加固情况。第一篇总论411.4.1钢材1.4.1.1概述A基本概念修建桥梁的钢材包括用于钢结构的钢材、用于钢筋混凝土及预应力混凝土结构的钢筋以及斜拉桥拉索和悬索桥缆索。钢结构是以钢板和型钢作为基本构件。B连接方式在制造和组装过程中，根据工艺的不同需要铆钉、焊条或螺栓等方法，组成一个完整的结构，来承担荷载。因此，用于钢结构的钢材又可分为结构钢材和连接材料。C应用结构钢材用量最多的是钢板，中小跨径的钢桥则较多地采用型材；（1）钢筋混凝土和预应力混凝土结构中主要用到普通钢筋和预应力钢筋等线材。（2）对于斜拉桥拉索和悬索桥的缆索则需用高强钢丝或钢绞线等线材。1.4.1.2结构钢材A结构钢材的性能要求既要经过许多机械加工工艺和焊接工艺要能适应制造工艺要求：又要在承受很大的静、动力荷载与冲击荷载时满足使用要求。（1）强度①强度指标钢的强度表示钢的塑性变形和对破坏的抵抗能力。钢的强度有三个指标，第一个指标是弹性极限（或比例极限），第二个指标是屈服强度（或屈服点），第三个指标是极限强度。②试验手段钢材强度等力学性能主要通过单向拉伸试验来确定。③试验结果（图1-4-1）有明显流幅的应力应变曲线。如低碳钢。屈服强度与抗拉极限强度的比值（称为屈强比）代表材料的强度储备，一般屈强比要求不大于0.8左右（图1-4-1a）。没有明显流幅的应力应变曲线。如高碳钢。其比例极限大约相当于极限强度的65％，在实际工程中都协定地取残余应变为0.2％时的相应应力作为假定的屈服强度σ0.2（又称条件屈服强度）。（图1-4-1b）第一篇总论42图1-4-1钢材拉伸应力应变曲线（2）塑性①伸长率又称延伸率，用表示（标注为10倍或5倍钢筋直径）：（1-4-1）伸长率：②冷弯性能钢材在冷加工过程中产生塑性变形时，对产生裂缝的抵抗能力。通过冷弯试验（弯心直径和冷弯角度），检查试件表面是否有裂纹或分层断裂来反映塑性。（3）韧性①基本概念韧性钢材的韧性表征钢材破坏前所能吸收的能量大小。疲劳寿命在结构上出现可以看得见的裂纹前能承受荷载循环作用的次数，称为结构或材料的疲劳寿命。脆性破坏②钢材的韧性要求在选用造桥钢材时还要特别重视它的韧性，韧性会影响钢桥的抗疲劳性能和抗脆断性能。钢材的脆性断裂也与其韧性有关。常用低温冲击韧性来判断钢材的脆性断裂倾向。0b（屈服上限）a（比例极限）c（屈服下限）（a）0.2％00.2d（极限强度）（b）dldl10511015%100001lll105或第一篇总论43（4）可焊性钢桥所用的钢材，必须具有良好的可焊性。可焊性是材料通过一定的工艺条件进行焊接而能形成优质连接接头的性能。优质接头的评定标准是其各项力学性能指标不低于母材。①焊接方法焊接方法有埋弧自动焊、手工焊和半自动焊，大跨度钢桥部件都很大，焊后一般不再进行热处理。②焊接接头组成焊接接头分为两部分：一是焊缝金属；二是在焊缝周围钢材受热影响的区域。③焊接接头的要求焊接接头要求受力平顺、刚度大、又能节约钢材和缩短工期。④影响焊缝金属性能的因素主要包括钢材、焊丝、焊条、焊条涂料和焊剂的化学成分以及施焊有关的工艺参数。影响焊缝周边金属热影响区力学性能的因素，主要是钢材的成分和力学性能以及焊后温度冷却的快慢等。B结构钢材的发展目前，我国已开展高性能钢材的研究和开发，国际上现已开发并已实际采用的高性能钢材有高强度钢、高效焊接用钢、耐大气腐蚀钢、耐震用钢等几种。（1）高强度钢造桥中使用更高强度的钢材，可减薄钢板厚度以减轻结构重量，从而获得大跨度并改善作业性能。我国1993年建成的九江长江大桥（跨径180m+216m+180m桁拱组合体系公铁两用桥）也用到了600MPa级的高强钢。（2）高效焊接用钢高效焊接用钢可以提高焊接效率。减少预热型钢板可以降低预热温度或省略预热工序。大热输入焊接用钢板焊接时缓和对输入热量的限制，可进行大热量焊接，使钢板即便在大热输入焊接时，也能确保焊接部位的高品质。（3）耐大气腐蚀钢近年来，为减少钢桥的维护工作量，促进了不涂漆的耐大气腐蚀钢的应用。我国研制的内含铜、铬、铌等合金成分的NH35q钢，就是一种耐大气腐蚀钢，其屈服强度可第一篇总论44达343MPa。（4）耐震用钢在桥梁领域，提高桥脚的耐震性受到高度重视，用超低碳钢（超低碳钢中碳当量仅为0.04％，甚至更低，达到0.002％）作成用于桥脚部件的减震器，其塑性变形吸收了地震输入能量，可提高桥脚的耐震性和安全性。1.4.2钢筋1.4.2.1钢筋的分类和性能要求A钢筋的分类（1）按照混凝土结构中所用的材料划分。用于混凝土结构中的钢筋包括普通钢筋和预应力筋，钢筋就其钢材的化学成分而言也是由普通碳素钢、低合金钢制成的。①.普通钢筋②.预应力钢筋应选用钢绞线和钢丝，中小型构件或竖、横向钢筋也可选用精轧螺纹钢筋（2）按化学成分分类低碳钢（含碳量在0.25%以下）碳素钢中碳钢（含碳量在0.25%~0.6%）高碳钢（含碳量大于0.6%)普通低合金钢——加入少量低合金元素,强度、塑性均提高（比如：20MnSi,20MnSiV）20MnSi2V（3）按加工方法分类①热轧钢筋②热处理钢筋冷拉钢筋③冷加工钢筋冷轧带肋钢筋含含碳碳万万分分数数含含锰锰、、硅硅、、钒钒等等的的百百分分数数第一篇总论45冷轧扭钢筋由于冷拉钢筋延性较差，目前较少使用，若在工程中．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．采用时，应遵守专门规程的．．．．．．．．．．．．规定．．（4）按力学性能不同分类①软钢：有明显屈服台阶的钢筋(热轧钢筋、冷拉钢筋)②硬钢：无明显屈服台阶的钢筋(高强碳素钢丝、钢绞线)B钢筋的性能要求在工程中，一般以钢筋的机械性能作为钢筋质量检验的主要标准。钢筋混凝土和预应力混凝土结构对钢筋性能的要求主要在强度、塑性、韧性、可焊性和钢筋与混凝土的握裹力等几个方面，前四项与结构钢材类同，钢筋与混凝土的粘结性能可以通过钢筋的表面形状和一定的构造措施来改进。1.4.2.2普通钢筋可选取R235、HRB335、HRB400、KL400热轧钢筋1.4.2.3预应力筋目前桥梁上常用的预应力材料为高强钢丝、钢绞线和高强钢筋三大类。（1）高强钢丝常用的消除应力光圆钢丝的重要技术指标见表1-4-1。设计时，高强钢丝的张拉控制应力一般取标准强度的0.75倍，弹性模量取2.05×105MPa。消除应力光面钢丝的力学性能表1-4-1标准抗拉强度σb（MPa）公称直径（mm）公称面积（mm2）屈服强度σ0.2（MPa）1％伸长时弯曲次数伸长率％L0≥100mm松弛率％20℃、0.7Pn持荷1000h≥弯曲半径（mm）15705.019.631330415≥4普通松弛级≤8.0低松弛级≤2.57.038.48133016705.019.6314104157.038.481410注：本表摘自国家标准《预应力混凝土用钢丝》GB/T5223－1995。（2）钢绞线第一篇总论46钢绞线是由多根高强钢丝以一根稍粗的钢丝为轴心，沿同一方向扭绕制作，并经低温回火处理而成。钢绞线材料的主导产品是符合美国ASTM标准的1860MPa级的高强低松弛钢绞线，直径一般为15.24mm，少量为12.70mm。目前，2000MPa级超高强度低松弛钢绞线已应用桥梁工程中。最为常用的2000MPa级与1860MPa级钢绞线的重要技术指标见表1-4-2。2000MPa级与1860MPa级钢绞线的力学性能表1-4-2标准抗拉强度σb（MPa）公称直径（mm）公称面积（mm2）最小破断力（kN）屈服力（kN）1％伸长时伸长率％L0≥610mm松弛率％20℃、0.7Pn持荷1000h200015.24140.0280.0252.0≥3.5≤2.512.7098.70197.4177.7186015.24140.0260.7234.612.7098.70183.7165.3设计时，钢绞线的张拉控制应力一般取标准强度的0.75倍，弹性模量取值为1.95×105MPa。（3）高强钢筋高强钢筋又可分为冷拉热轧钢筋、热处理钢筋和精轧螺纹钢筋三类。①冷拉钢筋是经过冷拉后提高了抗拉强度的热轧低合金钢筋。②热处理钢筋是由Ⅳ级低合金钢经过调质热处理提高钢筋抗拉强度，然后经过中低温回火处理，改善其塑性性能。③精轧螺纹钢筋采用热轧方法生产，无纵肋、在端部可用螺纹套管接长。精轧螺纹钢筋的机械性能见表1-4-3。精轧螺纹钢筋的机械性能表1-4-3钢筋强度级别屈服点σs或σ0.2（MPa）抗拉强度σb（MPa）伸长率（％）δ5冷弯半径90°（d）松弛率％1000h75/100≥750≥1000≥77≤395/100≥950≥1200≥88≤3注：1.表中d为钢筋直径。2.本表摘自《预应力高强精轧螺纹钢筋设计施工暂行规定》第一篇总论471.4.3混凝土1.4.3.1混凝土的强度A混凝土的品质要求桥梁工程中对混凝土的品质要求主要在于四个方面：工作性能、强度、耐久性和经济性。在通常情况下，强度和耐久性是作为评定混凝土品质的主要指标。混凝土的强度主要有立方体抗压强度R、轴心抗压强度（棱柱体抗压强度）Ra和轴心抗拉强度Rl三项。B混凝土的强度指标（1）立方体的抗压强度（fcu）——基本强度指标①定义——按照标准方法制作养护（温度20±3℃、相对湿度不小于90%的潮湿空气中养护28d）的边长150mm的立方体试件，在28d龄期用标准试验方法（试件表面不涂润滑剂，全截面受压，加载速度0.15~0.25MPa/sec）测得的具有95%保证率的抗压强度（以MPa为单位）作为混凝土的立方体抗压强度，用符号fcu表示②影响立方体强度的因素——试件尺寸、试验方法等。③尺寸效应fcu(150)=0.95fcu(100)fcu(150)=1.05fcu(200)④对混凝土强度等级的要求混凝土强度从C20~C80共分为14个等级，中间以5MPa进级。C50以下为普通强度混凝土，C50及以上为高强度混凝土；《混凝土结构设计规范》规定：钢筋混凝土构件不应低于C15，当采用HRB335级钢筋配筋时，混凝土强度等级不宜低于C20；当采用HRB400、RRB级钢筋以及重复荷载的构件，混凝土强度等级不得低于C20预应力混凝土构件，混凝土强度等级不应低于C30；当采用钢绞线、钢丝、热处理钢筋作预应力钢筋时，混凝土强度等级不宜低于C40《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》规定：钢筋混凝土构件不应低于C20，当采用HRB400、KL400级钢筋配筋时，不应低于C25第一篇总论48（2）轴心抗压强度fc①定义——真实反映以受压为主的混凝土结构构件的抗压强度，用150mm×150mm×300mm棱柱体为标准试件测得的抗压强度。注：试件制作、养护和加载试验方法同立方体试件。②轴心抗压强度标准值（ckf）与立方体抗压强度标准值（kcuf,）的换算：kcuckff,88.0（1-4-2）其中：C50以下混凝土：=0.76；C55~C