2019一级结构工程师《钢筋混凝土结构》讲义：第二章第二节

2.2 钢筋的物理力学性能

2.2.1 钢筋的品种和级别

1. 钢材按化学成分分类

混凝土结构中使用的钢材按化学成分，可分为碳素钢及普通低合金钢两大类。

(1) 碳素钢

除含有铁元素外还含有少量的碳、硅、锰、硫、磷等元素。根据含碳量的多少，碳素钢又可分为低碳钢(含碳量<0.25%=、中碳钢(含碳量0. 25%～0.6%)和高碳钢(含碳量0.6%～1.4%)，含碳量越高强度越高，但是塑性和可焊性会降低。

(2) 普通低合金钢

除碳素钢中已有的成分外，再加入少量的硅、锰、钛、钒、铬等合金元素，可有效地提高钢材的强度和改善钢材的其他性能。目前我国普通低合金钢按加入元素种类有以下几种体系：锰系(20MnSi,25MnSi)、硅钒系(40Si2MnV、45SiMnV )、硅钛系(45Si2MnTi)、硅锰系(40Si2Mn,48Si2Mn)、硅铬系(45Si2Cr)。

2. 钢筋的品种和级别

《混凝土结构设计规范》规定，用于钢筋混凝土结构的国产普通钢筋可使用热轧钢筋。用于预应力混凝土结构的国产预应力钢筋可使用消除应力钢丝、螺旋肋钢丝、刻痕钢丝、钢绞线，也可使用热处理钢筋。

(1) 热轧钢筋

热轧钢筋是低碳钢、普通低合金钢在高温状态下轧制而成。热轧钢筋为软钢，其应力应变曲线有明显的屈服点和流幅，断裂时有“颈缩”现象，伸长率比较大。

热轧钢筋根据其力学指标的高低，分为以下四个种类：

HPB235级 (Ⅰ级，符号φ)

HRB335级 (Ⅱ级，符号φ)

HRB400级 (Ⅲ级，符号φ)

RRB400级 (余热处理Ⅲ级，符号φ)

Ⅰ级钢筋的强度最低，Ⅱ级钢筋的次之，Ⅲ级钢筋的最高。钢筋混凝土结构中的纵向受力钢筋宜优先采用HRB400级钢筋。

(2) 预应力钢筋

1) 消除应力钢丝

消除应力钢丝是将钢筋拉拔后，校直，经中温回火消除应力并稳定化处理的光面钢丝。

2) 螺旋肋钢丝

螺旋肋钢丝是以普通低碳钢或低合金钢热轧的圆盘条为母材，经冷轧减径后在其表面冷轧成二面或三面有月牙肋的钢筋。

光面钢丝和螺旋肋钢丝按直径可分为φ4、φ5、φ6、φ7、φ8、φ9六个级别。

3) 刻痕钢丝

刻痕钢丝是在光面钢丝的表面上进行机械刻痕处理，以增加与混凝土的粘结能力，分φⅠ5、φⅠ7两种。

4) 钢绞线

钢绞线是由多根高强钢丝捻制在一起经过低温回火处理清除内应力后而制成，分为2股、3股和7股三种。

5) 热处理钢筋

热处理钢筋是将特定强度的热轧钢筋再通过加热、淬火和回火等调质工艺处理的钢筋。热处理后钢筋强度能得到较大幅度的提高，而塑性降低并不多。热处理钢筋是硬钢。其应力应变曲线没有明显的屈服点，伸长率小，质地硬脆。热处理钢筋有40Si2Mn、48Si2Mn和45Si2Cr三种。

3. 钢筋的冷加工方法

冷拉或冷拔的冷加工方法可以提高热轧钢筋的强度。

1) 冷拉: 钢筋的冷拉应力值必须超过钢筋的屈服强度。冷拉后，经过一段时间钢筋的屈服点比原来的屈服点有所提高，这种现象称为时效硬化。钢筋经过冷拉和时效硬化以后，能提高屈服强度、节约钢材，但冷拉后钢筋的塑性(伸长率)有所降低。为了保证钢筋在强度提高的同时又具有一定的塑性，冷拉时应同时控制应力和控制应变。

2) 冷拔: 冷拔钢筋是将钢筋用强力拔过比它本身直径还小的硬质合金拔丝模，这时钢筋同时受到纵向拉力和横向压力的作用，截面变小而长度拔长。经过几次冷拔，钢丝的强度比原来有很大提高，但塑性降低很多。

冷拉只能提高钢筋的抗拉强度，冷拔则可同时提高抗拉及抗压强度。冷加工钢筋应用时可参照相应的行业标准。

4. 钢筋的形式

钢筋的形式有光圆和带肋两类，带肋钢筋又分等高肋和月牙肋两种。Ⅰ级钢筋是光圆钢筋，Ⅱ级、Ⅲ级钢筋是带肋的，统称为变形钢筋。钢丝的外形通常为光圆，也有在表面刻痕的。

2.2.2 钢筋的强度和变形

钢筋的强度和变形性能可以用拉伸试验得到的应力--应变曲线来说明。

钢筋的应力--应变曲线，有的有明显的流幅(例如热轧低碳钢筋HPB235级和热轧低合金钢筋HRB335级、HRB400级、RRB400级);有的则没有明显的流幅(例如预应力钢丝、钢绞线和热处理钢筋)。

1. 有明显流幅的钢筋的强度和变形

(1) 应力--应变曲线(σ-ε曲线)

1) OA段 —— 弹性阶段：应力与应变成比例变化，与A点对应的应力称为比例极限或弹性极限。

2) AC段 —— 屈服阶段：过A点后，应力基本不增加而应变急剧增长，曲线接近水平线。B点到C点的水平距离的大小称为流幅或屈服台阶。B′点称为屈服上限，B点称为屈服下限，有明显流幅的热轧钢筋屈服强度是按屈服下限确定的。

3) CD段 —— 强化阶段：过C点以后，应力又继续上升，说明钢筋的抗拉能力又有所提高。随着曲线上升到最高点D,相应的应力称为钢筋的极限强度。

4) DE段 —— 颈缩阶段：过了D点，试件薄弱处的截面将会突然显著缩小，发生局部颈缩，变形迅速增加，应力随之下降，达到E点时试件被拉断。

(2) 强度指标

1) 屈服强度fy: 有明显流幅的钢筋的应力到达屈服点后，会产生很大的塑性变形，使钢筋混凝土构件出现很大的变形和过宽的裂缝，以致不能使用，所以对有明显流幅的钢筋，在计算承载力时以屈服强度作为钢筋强度限值。

2) 极限强度ft: 在抗震结构设计中，要求结构在罕遇地震下“裂而不倒”, 钢筋应力可考虑进入强化段, 要求极限强度ft≥1.25屈服强度fy。

(3) 塑性指标

钢筋除了要有足够的强度外，还应具有一定的塑性变形能力。通常用伸长率和冷弯性能两个指标衡量钢筋的塑性。

1)伸长率：钢筋拉断后(例如，图2-24中的E点)的伸长值与原长的比率称为伸长率。伸长率越大塑性越好。国家标准规定了各种钢筋所必须达到的伸长率的最小值(比如，δ100、δ10和δ5分别表示标距 L=100d，L=l0d和L=5d时伸长率的最小值)，有关参数可参照相应的国家标准。

2) 冷弯性能: 冷弯是将直径为d的钢筋绕直径为D的弯芯弯曲到规定的角度后无裂纹断裂及起层现象，则表示合格。弯芯的直径D越小，弯转角越大，说明钢筋的塑性越好。国家标准规定了各种钢筋冷弯时相应的弯芯直径及弯转角，有关参数可参照相应的国家标准。

2.无明显流幅的钢筋的强度和变形

(1) 应力--应变曲线(σ-ε曲线)

对没有明显流幅或屈服点的预应力钢丝、钢绞线和热处理钢筋，为了与钢筋国家标准相一致，《混凝土结构设计规范》中也规定在构件承载力设计时，取极限抗拉强度σb的85%作为条件屈服点，如图2-25所示。

(2) 强度指标: 极限抗拉强度σb

(3) 塑性指标: 伸长率和冷弯性能。

2.2.3 钢筋应力--应变曲线的数学模型

常用的钢筋应力--变曲线模型有以下几种。

1. 描述完全弹塑性的双直线模型 图2-26(a)

双直线模型适用于流幅较长的低强度钢材。模型将钢筋的应力一应变曲线简化为图2-26(a)所示的两段直线。OB段为完全弹性阶段，B点为屈服下限，相应的应力及应变为fy和εy，OB段的斜率即为弹性模量ES。BC为完全塑性阶段，C点为应力强化的起点，对应的应变为εs,h，过C点后，即认为钢筋变形过大不能正常使用。双直线模型的数学表达式如下：

当εs≤εy时， σs = Esεs ( Es = fy/εy ) (2-15)

当εy≤εs≤εs,h时， σs = fy (2-16)

2. 描述完全弹塑性加硬化的三折线模型 图2-26(b)

三折线模型适用于流幅较短的软钢。如图2-26 (b)所示，图中OB及BC直线段分别为完全弹性和塑性阶段。C点为硬化的起点，CD为硬化阶段。到达D点时即认为钢筋破坏，受拉应力达到极限值fs,u，相应的应变为εs,u。三折线模型的数学表达形式如下：

当εs≤εy，εy≤εs≤εs,h时，表达式同式(2-15)和(2-16);

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

tgθ′= 0.01 Es (2-18)

3. 描述弹塑性的双斜线模型 图2-26(c)

双斜线模型可以描述没有明显流幅的高强钢筋或钢丝的应力--应变曲线。如图2-26(c)所示，B点为条件屈服点，C点的应力达到极限值fs,u,相应的应变为εs,u, 双斜线模型数学表达式如下：

当εs≤εy时， σs = Esεs ( Es = fy/εy ) (2-19)

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

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

图2-26 钢筋应力--应变曲线的数学模型

(a) 双直线 (b) 三折线 (c) 双斜线

2.2.4 钢 筋 的 疲 劳

1. 钢筋的疲劳定义

钢筋的疲劳是指钢筋在承受重复、周期性的荷载作用下，经过一定次数后，突然脆性断裂的现象。

2. 钢筋疲劳断裂的原因

一般认为是由于钢筋内部和外部的缺陷，在这些薄弱处容易引起应力集中。应力过高，钢材晶粒滑移，产生疲劳裂纹，应力重复作用次数增加，裂纹扩展，从而造成断裂。

3. 钢筋的疲劳强度

钢筋的疲劳强度是指在某一规定应力幅度内，经受一定次数循环荷载后发生疲劳破坏的最大应力值。由于承受重复性荷载的作用，钢筋的疲劳强度低于其在静荷载作用下的极限强度。

(1) 测定方法

钢筋的疲劳强度用疲劳试验测定。有两种方法：一种是直接进行单根原状钢筋轴拉试验;另一种是将钢筋埋人混凝土中使其重复受拉或受弯的试验。我国采用直接做单根钢筋轴拉试验的方法。

(2) 疲劳应力比值ρf

ρf =σfmin/ σfmax

式中 σfmin、σfmax表示截面同一纤维上钢筋最小应力及最大应力。

对预应力钢筋，当ρf≥0.9时可不进行疲劳强度验算。

(3) 循环荷载的次数

我国要求满足循环次数为200万次，即对不同的疲劳应力比值满足循环次数为200万次条件下的钢筋最大应力值为钢筋的疲劳强度。

2.2.5 混凝土结构对钢筋性能的要求

1. 强度

指钢筋的屈服强度及极限强度。屈服强度是设计的主要依据(对无明显流幅的钢筋，取它的条件屈服点)。采用高强度钢筋可以节约钢材，取得较好的经济效果。

2. 塑性

指钢筋的伸长率和冷弯性能。保证钢筋在断裂前有足够的变形，能给出构件将要破坏的预告信号，同时要保证钢筋冷弯的要求。钢筋的伸长率和冷弯性能是施工单位验收钢筋是否合格的主要指标。

3. 可焊性

可焊性是评定钢筋焊接后的接头性能的指标。要求钢筋焊接后不产生裂纹及过大的变形。

4. 耐火性

热轧钢筋的耐火性能最好，冷轧钢筋其次，预应力钢筋最差。结构设计时应注意混凝土保护层厚度满足对构件耐火极限的要求。

5. 钢筋与混凝土的粘结力

为了保证钢筋与混凝土共同工作。钢筋表面的形状是影响粘结力的重要因素。