2019一級結(jié)構(gòu)工程師《鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)》講義：第二章第二節(jié)

2.2 鋼筋的物理力學(xué)性能

2.2.1 鋼筋的品種和級別

1. 鋼材按化學(xué)成分分類

混凝土結(jié)構(gòu)中使用的鋼材按化學(xué)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(jù)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(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的國產(chǎn)普通鋼筋可使用熱軋鋼筋。用于預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的國產(chǎn)預(yù)應(yīng)力鋼筋可使用消除應(yīng)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(tài)下軋制而成。熱軋鋼筋為軟鋼，其應(yīng)力應(yīng)變曲線有明顯的屈服點和流幅，斷裂時有“頸縮”現(xiàn)象，伸長率比較大。

熱軋鋼筋根據(jù)其力學(xué)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(jié)構(gòu)中的縱向受力鋼筋宜優(yōu)先采用HRB400級鋼筋。

(2) 預(yù)應(yīng)力鋼筋

1) 消除應(yīng)力鋼絲

消除應(yīng)力鋼絲是將鋼筋拉拔后，校直，經(jīng)中溫回火消除應(yīng)力并穩(wěn)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(jīng)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(jié)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(jīng)過低溫回火處理清除內(nèi)應(yīng)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(diào)質(zhì)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(yīng)力應(yīng)變曲線沒有明顯的屈服點，伸長率小，質(zhì)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(yīng)力值必須超過鋼筋的屈服強度。冷拉后，經(jīng)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(xiàn)象稱為時效硬化。鋼筋經(jīng)過冷拉和時效硬化以后，能提高屈服強度、節(jié)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(yīng)同時控制應(yīng)力和控制應(yīng)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(zhì)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(jīng)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(yīng)用時可參照相應(yīng)的行業(yè)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(tǒng)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(yīng)力--應(yīng)變曲線來說明。

鋼筋的應(yīng)力--應(yīng)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(yù)應(yīng)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(yīng)力--應(yīng)變曲線(σ-ε曲線)

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

2) AC段 —— 屈服階段：過A點后，應(yīng)力基本不增加而應(yīng)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(yīng)力又繼續(xù)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(yīng)的應(yīng)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(fā)生局部頸縮，變形迅速增加，應(yīng)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(yīng)力到達屈服點后，會產(chǎn)生很大的塑性變形，使鋼筋混凝土構(gòu)件出現(xiàn)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(jié)構(gòu)設(shè)計中，要求結(jié)構(gòu)在罕遇地震下“裂而不倒”, 鋼筋應(yīng)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(yīng)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(guī)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(guān)參數(shù)可參照相應(yīng)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(guī)定的角度后無裂紋斷裂及起層現(xiàn)象，則表示合格。彎芯的直徑D越小，彎轉(zhuǎn)角越大，說明鋼筋的塑性越好。國家標準規(guī)定了各種鋼筋冷彎時相應(yīng)的彎芯直徑及彎轉(zhuǎn)角，有關(guān)參數(shù)可參照相應(yīng)的國家標準。

2.無明顯流幅的鋼筋的強度和變形

(1) 應(yīng)力--應(yīng)變曲線(σ-ε曲線)

對沒有明顯流幅或屈服點的預(yù)應(yīng)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(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中也規(guī)定在構(gòu)件承載力設(shè)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(yīng)力--應(yīng)變曲線的數(shù)學(xué)模型

常用的鋼筋應(yīng)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(yīng)力一應(yīng)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(yīng)的應(yīng)力及應(yīng)變?yōu)閒y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(yīng)力強化的起點，對應(yīng)的應(yīng)變?yōu)?epsilon;s,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(shù)學(xué)表達式如下：

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

當(dāng)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(yīng)力達到極限值fs,u，相應(yīng)的應(yīng)變?yōu)?epsilon;s,u。三折線模型的數(shù)學(xué)表達形式如下：

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

當(dāng)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(yīng)力--應(yīng)變曲線。如圖2-26(c)所示，B點為條件屈服點，C點的應(yīng)力達到極限值fs,u,相應(yīng)的應(yīng)變?yōu)?epsilon;s,u, 雙斜線模型數(shù)學(xué)表達式如下：

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

當(dāng)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(yīng)力--應(yīng)變曲線的數(shù)學(xué)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(fù)、周期性的荷載作用下，經(jīng)過一定次數(shù)后，突然脆性斷裂的現(xiàn)象。

2. 鋼筋疲勞斷裂的原因

一般認為是由于鋼筋內(nèi)部和外部的缺陷，在這些薄弱處容易引起應(yīng)力集中。應(yīng)力過高，鋼材晶?；?，產(chǎn)生疲勞裂紋，應(yīng)力重復(fù)作用次數(shù)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(guī)定應(yīng)力幅度內(nèi)，經(jīng)受一定次數(shù)循環(huán)荷載后發(fā)生疲勞破壞的最大應(yīng)力值。由于承受重復(fù)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(fù)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(yīng)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(yīng)力及最大應(yīng)力。

對預(yù)應(yīng)力鋼筋，當(dāng)ρf≥0.9時可不進行疲勞強度驗算。

(3) 循環(huán)荷載的次數(shù)

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

2.2.5 混凝土結(jié)構(gòu)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(shè)計的主要依據(jù)(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(jié)約鋼材，取得較好的經(jīng)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(gòu)件將要破壞的預(yù)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(chǎn)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(yù)應(yīng)力鋼筋最差。結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)注意混凝土保護層厚度滿足對構(gòu)件耐火極限的要求。

5. 鋼筋與混凝土的粘結(jié)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(jié)力的重要因素。