2019一級結構工程師《鋼筋混凝土結構》講義：第二章第二節

2.2 鋼筋的物理力學性能

2.2.1 鋼筋的品種和級別

1. 鋼材按化學成分分類

混凝土結構中使用的鋼材按化學成分，可分為碳素鋼及普通低合金鋼兩大類。

(1) 碳素鋼

除含有鐵元素外還含有少量的碳、硅、錳、硫、磷等元素。根據含碳量的多少，碳素鋼又可分為低碳鋼(含碳量<0.25%=、中碳鋼(含碳量0. 25%～0.6%)和高碳鋼(含碳量0.6%～1.4%)，含碳量越高強度越高，但是塑性和可焊性會降低。

(2) 普通低合金鋼

除碳素鋼中已有的成分外，再加入少量的硅、錳、鈦、釩、鉻等合金元素，可有效地提高鋼材的強度和改善鋼材的其他性能。目前我國普通低合金鋼按加入元素種類有以下幾種體系：錳系(20MnSi,25MnSi)、硅釩系(40Si2MnV、45SiMnV )、硅鈦系(45Si2MnTi)、硅錳系(40Si2Mn,48Si2Mn)、硅鉻系(45Si2Cr)。

2. 鋼筋的品種和級別

《混凝土結構設計規范》規定，用于鋼筋混凝土結構的國產普通鋼筋可使用熱軋鋼筋。用于預應力混凝土結構的國產預應力鋼筋可使用消除應力鋼絲、螺旋肋鋼絲、刻痕鋼絲、鋼絞線，也可使用熱處理鋼筋。

(1) 熱軋鋼筋

熱軋鋼筋是低碳鋼、普通低合金鋼在高溫狀態下軋制而成。熱軋鋼筋為軟鋼，其應力應變曲線有明顯的屈服點和流幅，斷裂時有“頸縮”現象，伸長率比較大。

熱軋鋼筋根據其力學指標的高低，分為以下四個種類：

HPB235級 (Ⅰ級，符號φ)

HRB335級 (Ⅱ級，符號φ)

HRB400級 (Ⅲ級，符號φ)

RRB400級 (余熱處理Ⅲ級，符號φ)

Ⅰ級鋼筋的強度最低，Ⅱ級鋼筋的次之，Ⅲ級鋼筋的最高。鋼筋混凝土結構中的縱向受力鋼筋宜優先采用HRB400級鋼筋。

(2) 預應力鋼筋

1) 消除應力鋼絲

消除應力鋼絲是將鋼筋拉拔后，校直，經中溫回火消除應力并穩定化處理的光面鋼絲。

2) 螺旋肋鋼絲

螺旋肋鋼絲是以普通低碳鋼或低合金鋼熱軋的圓盤條為母材，經冷軋減徑后在其表面冷軋成二面或三面有月牙肋的鋼筋。

光面鋼絲和螺旋肋鋼絲按直徑可分為φ4、φ5、φ6、φ7、φ8、φ9六個級別。

3) 刻痕鋼絲

刻痕鋼絲是在光面鋼絲的表面上進行機械刻痕處理，以增加與混凝土的粘結能力，分φⅠ5、φⅠ7兩種。

4) 鋼絞線

鋼絞線是由多根高強鋼絲捻制在一起經過低溫回火處理清除內應力后而制成，分為2股、3股和7股三種。

5) 熱處理鋼筋

熱處理鋼筋是將特定強度的熱軋鋼筋再通過加熱、淬火和回火等調質工藝處理的鋼筋。熱處理后鋼筋強度能得到較大幅度的提高，而塑性降低并不多。熱處理鋼筋是硬鋼。其應力應變曲線沒有明顯的屈服點，伸長率小，質地硬脆。熱處理鋼筋有40Si2Mn、48Si2Mn和45Si2Cr三種。

3. 鋼筋的冷加工方法

冷拉或冷拔的冷加工方法可以提高熱軋鋼筋的強度。

1) 冷拉: 鋼筋的冷拉應力值必須超過鋼筋的屈服強度。冷拉后，經過一段時間鋼筋的屈服點比原來的屈服點有所提高，這種現象稱為時效硬化。鋼筋經過冷拉和時效硬化以后，能提高屈服強度、節約鋼材，但冷拉后鋼筋的塑性(伸長率)有所降低。為了保證鋼筋在強度提高的同時又具有一定的塑性，冷拉時應同時控制應力和控制應變。

2) 冷拔: 冷拔鋼筋是將鋼筋用強力拔過比它本身直徑還小的硬質合金拔絲模，這時鋼筋同時受到縱向拉力和橫向壓力的作用，截面變小而長度拔長。經過幾次冷拔，鋼絲的強度比原來有很大提高，但塑性降低很多。

冷拉只能提高鋼筋的抗拉強度，冷拔則可同時提高抗拉及抗壓強度。冷加工鋼筋應用時可參照相應的行業標準。

4. 鋼筋的形式

鋼筋的形式有光圓和帶肋兩類，帶肋鋼筋又分等高肋和月牙肋兩種。Ⅰ級鋼筋是光圓鋼筋，Ⅱ級、Ⅲ級鋼筋是帶肋的，統稱為變形鋼筋。鋼絲的外形通常為光圓，也有在表面刻痕的。

2.2.2 鋼筋的強度和變形

鋼筋的強度和變形性能可以用拉伸試驗得到的應力--應變曲線來說明。

鋼筋的應力--應變曲線，有的有明顯的流幅(例如熱軋低碳鋼筋HPB235級和熱軋低合金鋼筋HRB335級、HRB400級、RRB400級);有的則沒有明顯的流幅(例如預應力鋼絲、鋼絞線和熱處理鋼筋)。

1. 有明顯流幅的鋼筋的強度和變形

(1) 應力--應變曲線(σ-ε曲線)

1) OA段 —— 彈性階段：應力與應變成比例變化，與A點對應的應力稱為比例極限或彈性極限。

2) AC段 —— 屈服階段：過A點后，應力基本不增加而應變急劇增長，曲線接近水平線。B點到C點的水平距離的大小稱為流幅或屈服臺階。B′點稱為屈服上限，B點稱為屈服下限，有明顯流幅的熱軋鋼筋屈服強度是按屈服下限確定的。

3) CD段 —— 強化階段：過C點以后，應力又繼續上升，說明鋼筋的抗拉能力又有所提高。隨著曲線上升到最高點D,相應的應力稱為鋼筋的極限強度。

4) DE段 —— 頸縮階段：過了D點，試件薄弱處的截面將會突然顯著縮小，發生局部頸縮，變形迅速增加，應力隨之下降，達到E點時試件被拉斷。

(2) 強度指標

1) 屈服強度fy: 有明顯流幅的鋼筋的應力到達屈服點后，會產生很大的塑性變形，使鋼筋混凝土構件出現很大的變形和過寬的裂縫，以致不能使用，所以對有明顯流幅的鋼筋，在計算承載力時以屈服強度作為鋼筋強度限值。

2) 極限強度ft: 在抗震結構設計中，要求結構在罕遇地震下“裂而不倒”, 鋼筋應力可考慮進入強化段, 要求極限強度ft≥1.25屈服強度fy。

(3) 塑性指標

鋼筋除了要有足夠的強度外，還應具有一定的塑性變形能力。通常用伸長率和冷彎性能兩個指標衡量鋼筋的塑性。

1)伸長率：鋼筋拉斷后(例如，圖2-24中的E點)的伸長值與原長的比率稱為伸長率。伸長率越大塑性越好。國家標準規定了各種鋼筋所必須達到的伸長率的最小值(比如，δ100、δ10和δ5分別表示標距 L=100d，L=l0d和L=5d時伸長率的最小值)，有關參數可參照相應的國家標準。

2) 冷彎性能: 冷彎是將直徑為d的鋼筋繞直徑為D的彎芯彎曲到規定的角度后無裂紋斷裂及起層現象，則表示合格。彎芯的直徑D越小，彎轉角越大，說明鋼筋的塑性越好。國家標準規定了各種鋼筋冷彎時相應的彎芯直徑及彎轉角，有關參數可參照相應的國家標準。

2.無明顯流幅的鋼筋的強度和變形

(1) 應力--應變曲線(σ-ε曲線)

對沒有明顯流幅或屈服點的預應力鋼絲、鋼絞線和熱處理鋼筋，為了與鋼筋國家標準相一致，《混凝土結構設計規范》中也規定在構件承載力設計時，取極限抗拉強度σb的85%作為條件屈服點，如圖2-25所示。

(2) 強度指標: 極限抗拉強度σb

(3) 塑性指標: 伸長率和冷彎性能。

2.2.3 鋼筋應力--應變曲線的數學模型

常用的鋼筋應力--變曲線模型有以下幾種。

1. 描述完全彈塑性的雙直線模型 圖2-26(a)

雙直線模型適用于流幅較長的低強度鋼材。模型將鋼筋的應力一應變曲線簡化為圖2-26(a)所示的兩段直線。OB段為完全彈性階段，B點為屈服下限，相應的應力及應變為fy和εy，OB段的斜率即為彈性模量ES。BC為完全塑性階段，C點為應力強化的起點，對應的應變為εs,h，過C點后，即認為鋼筋變形過大不能正常使用。雙直線模型的數學表達式如下：

當εs≤εy時， σs = Esεs ( Es = fy/εy ) (2-15)

當εy≤εs≤εs,h時， σs = fy (2-16)

2. 描述完全彈塑性加硬化的三折線模型 圖2-26(b)

三折線模型適用于流幅較短的軟鋼。如圖2-26 (b)所示，圖中OB及BC直線段分別為完全彈性和塑性階段。C點為硬化的起點，CD為硬化階段。到達D點時即認為鋼筋破壞，受拉應力達到極限值fs,u，相應的應變為εs,u。三折線模型的數學表達形式如下：

當εs≤εy，εy≤εs≤εs,h時，表達式同式(2-15)和(2-16);

當εs,h≤εs≤εs,u時， fs = fy + (εs - εs,h)tgθ′ (2-17)

tgθ′= 0.01 Es (2-18)

3. 描述彈塑性的雙斜線模型 圖2-26(c)

雙斜線模型可以描述沒有明顯流幅的高強鋼筋或鋼絲的應力--應變曲線。如圖2-26(c)所示，B點為條件屈服點，C點的應力達到極限值fs,u,相應的應變為εs,u, 雙斜線模型數學表達式如下：

當εs≤εy時， σs = Esεs ( Es = fy/εy ) (2-19)

當εy≤εs≤εs,u時， σs = fy + (εs - εy) tgθ′′ (2-20)

式中 tgθ′′= Es′′= (fs,u- fy)/( εs,u-εy) (2-21)

圖2-26 鋼筋應力--應變曲線的數學模型

(a) 雙直線 (b) 三折線 (c) 雙斜線

2.2.4 鋼 筋 的 疲 勞

1. 鋼筋的疲勞定義

鋼筋的疲勞是指鋼筋在承受重復、周期性的荷載作用下，經過一定次數后，突然脆性斷裂的現象。

2. 鋼筋疲勞斷裂的原因

一般認為是由于鋼筋內部和外部的缺陷，在這些薄弱處容易引起應力集中。應力過高，鋼材晶?；��?，產生疲勞裂紋，應力重復作用次數增加，裂紋擴展，從而造成斷裂。

3. 鋼筋的疲勞強度

鋼筋的疲勞強度是指在某一規定應力幅度內，經受一定次數循環荷載后發生疲勞破壞的最大應力值。由于承受重復性荷載的作用，鋼筋的疲勞強度低于其在靜荷載作用下的極限強度。

(1) 測定方法

鋼筋的疲勞強度用疲勞試驗測定。有兩種方法：一種是直接進行單根原狀鋼筋軸拉試驗;另一種是將鋼筋埋人混凝土中使其重復受拉或受彎的試驗。我國采用直接做單根鋼筋軸拉試驗的方法。

(2) 疲勞應力比值ρf

ρf =σfmin/ σfmax

式中 σfmin、σfmax表示截面同一纖維上鋼筋最小應力及最大應力。

對預應力鋼筋，當ρf≥0.9時可不進行疲勞強度驗算。

(3) 循環荷載的次數

我國要求滿足循環次數為200萬次，即對不同的疲勞應力比值滿足循環次數為200萬次條件下的鋼筋最大應力值為鋼筋的疲勞強度。

2.2.5 混凝土結構對鋼筋性能的要求

1. 強度

指鋼筋的屈服強度及極限強度。屈服強度是設計的主要依據(對無明顯流幅的鋼筋，取它的條件屈服點)。采用高強度鋼筋可以節約鋼材，取得較好的經濟效果。

2. 塑性

指鋼筋的伸長率和冷彎性能。保證鋼筋在斷裂前有足夠的變形，能給出構件將要破壞的預告信號，同時要保證鋼筋冷彎的要求。鋼筋的伸長率和冷彎性能是施工單位驗收鋼筋是否合格的主要指標。

3. 可焊性

可焊性是評定鋼筋焊接后的接頭性能的指標。要求鋼筋焊接后不產生裂紋及過大的變形。

4. 耐火性

熱軋鋼筋的耐火性能最好，冷軋鋼筋其次，預應力鋼筋最差。結構設計時應注意混凝土保護層厚度滿足對構件耐火極限的要求。

5. 鋼筋與混凝土的粘結力

為了保證鋼筋與混凝土共同工作。鋼筋表面的形狀是影響粘結力的重要因素。