钢筋应力在工程力学中的应用

摘要：对于建筑工程中的主要材料钢筋，研究它的性能是极其重要的。对于出产的不同品种的钢筋进行合格的验收是保证工程质量的关键基础。钢筋应力的实验和检验，以及钢筋应力的数学模型应用计算在实际建筑工程设计中都是很关键的。

关键词：钢筋、应力、应变曲线

一、钢筋的性能 1．抗拉性能 抗拉性能是钢筋的最主要性能，因为钢筋在大多数情况下是作为抗拉材料来使用的。表征抗拉性能的技术指标主要是屈服点（也叫屈服强度）、抗拉强度（全称抗拉极限强度）和伸长率。低碳钢（软钢）受拉的应力一应变图能够较好地解释这些重要的技术指标，见图1

图1 应力――应变图（1）屈服点。在弹性阶段OA段，此时如卸去拉力，试件能恢复原状，此阶段的变形为弹性变形，应力与应变成正比，具比值即为钢材的弹性模量。与A点对应的应力称为弹性极限（σp）当对试件的拉伸进入塑性变形的屈服阶段AB时，应力的增长滞后于应变的增加，屈服下限B下所对应的应力称为屈服强度或屈服点，记做σs.设计时一般以σs作为强度取值的依据。对屈服现象不明显的钢，规定以0．2％残余变形时的应力σ0．2作为屈服强度。

（2）抗拉强度。从图1中BC曲线逐步上升可以看出：试件在屈服阶段以后，其抵抗塑性变形的能力又重新提高，称为强化阶段。对应于最高点C的应力称为抗拉强度，用σb表示。

设计中抗拉强度虽然不能利用，但屈强比σs/σb能反映钢材的利用率和结构安全可靠程度。屈强比愈小，反映钢材受力超过屈服点工作时的可靠性愈大，因而结构的安全性愈高。但屈服强比太小，则反映钢材不能有效地被利用。

二、钢筋的应力，应变曲线和力学性能指标

钢筋混凝土及预应力混凝土结构中所用的钢筋可分为两类：有明显屈服点的钢筋(一般称为软钢)和无明显屈服点的钢筋(一般称为硬钢)。钢筋的力学性能指标有4个，即屈服强度、极限抗拉强度、伸长率和冷弯性能。(1)屈服强度对于软钢，取下屈服点的应力作为屈服强度。对无明显屈服点的硬钢，设计上通常取残余应变为0.2％时所对应的应力作为假想的屈服点，称为条件屈服强度，用σ0．2来表示。对钢丝和热处理钢筋的σ0．2，规范统一取0.8倍极限抗拉强度。

(2)极限抗拉强度对于软钢，取应力-应变曲线中的最高点为极限抗拉强度；对于硬钢，规范规定，将应力-应变曲线的最高点作为强度标准值的依据。

(3)冷弯试验

冷弯试验是检验钢筋塑性的另一种方法。伸长率一般不能反映钢筋的脆化倾向，而冷弯性能可间接地反映钢筋的塑性性能和内在质量。冷弯试验的两个主要参数是弯心直径D和冷弯角度a。将要试验的钢筋(直径为d)绕某一规定直径的钢辊轴(直径为D)进行弯曲。冷弯试验合格的标准为在规定的D和a下冷弯后的钢筋无裂纹、鳞落或断裂现象。

三、钢筋的应力-应变曲线的数学模型

在钢筋混凝土结构的设计和理论分析中，需要将钢筋的应力-应变曲线理想化，对不同性能的钢筋建立不同的应力-应变曲线数学模型。常用的有以下几种：双直线（完全弹塑性模型）、三折线（完全弹塑性加硬化模型）、双斜线（弹塑性模型）。

钢筋的应力-应变关系采用（图2）

图2 钢筋应力――应变关系

四、钢筋应力计

（一）智能弦式数码钢筋计

智能弦式数码钢筋计是一种测量钢筋应力的传感器。适用于钢筋混凝土结构中受力钢筋的应力测量或锚杆应力的测量，适应长期监测和自动化测量。钢筋计安装分绑扎、对焊、螺纹连接三种方式：小直径型号的钢筋计（如：JMZX-416）可绑扎在受力钢筋底侧；其它型号钢筋计可与受力钢筋对接；锚杆应力测量时，尽量采用螺纹连接。钢筋应力的测量应在混凝土凝固后进行。钢筋应力计两端配有约700mm的螺纹钢筋，适用于混凝土结构体内部钢筋的应力测量，与结构钢筋绑扎、对焊或直螺纹套筒连接测量钢筋应力。

（二）振弦式钢筋应力计

TFL-S-GJxx系列振弦式钢筋应力计用来监测混凝土或其它结构中钢筋及锚杆的应力。内置温度传感器同时监测安装位置的温度，自动进行实时温度补偿，提高传感器在不同气候条件下的适应性及监测数据的准确性。钢筋应力计安装分绑扎、对焊、螺纹连接三种方式。加装配套附件可组成锚杆测力计、基岩应力计等测量应力的仪器。

（三）钢弦式钢筋应力

QSY8902系列钢弦式钢筋应力计主要用于测量钢筋混凝土结构中的钢筋应力,也可以串起来用来测量遂道以及地下结构锚杆的应力分布

参考文献：

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[2] 朱琴芬. 水平力作用下由实测钢筋应力推算桩截面弯矩[J]. 工业建筑, 1985, (10)

[3] 贾昌文. 钢筋混凝土受拉在垂直方向产生的压应力[J]. 合肥工业大学学报(自然科学版), 1999, (S1) .

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