学习项目二　钢筋的力学性能

一、引文

钢筋的物理力学性能也将直接影响混凝土结构和构件的性能，也是混凝土结构计算理论和设计方法的基础。

二、相关理论知识

（一）钢筋的分类

1.按外形分类

（1）光圆钢筋

钢筋的表面是光圆的，与混凝土的黏结强度较低，如图2-10（a）所示。

（2）变形钢筋

钢筋的外形有螺旋纹、人字纹、月牙纹等。在现行的钢筋标准中，螺旋纹和人字纹钢筋统称带肋钢筋，如图2-10（b）、（c）所示；月牙纹钢筋称为月牙肋钢筋，如图2-10（d）所示。

钢筋在混凝土中主要承受拉应力。钢筋用公称直径的毫米数表示。变形钢筋的公称直径相当于横截面相等的光圆钢筋的公称直径。推荐采用的直径为8mm、12mm、16mm、20mm、25mm、32mm、40mm。变形钢筋由于肋的作用，和混凝土有较大的黏结能力，因而能更好地承受外力的作用。我国目前广泛使用的是横肋与纵肋不相交的月牙纹钢筋。

2.按化学成分分类

（1）碳素钢

碳素钢为铁碳合金，化学成分以铁为主，还含少量的碳、硅、锰、硫、磷等元素。钢筋强度随含碳量的增加而提高，但是塑性、韧性降低，脆性增加，可焊接性下降。

碳素钢按其含碳量的多少可分为低碳钢（含碳量小于0.25％）、中碳钢（含碳量0.25％～0.6％）和高碳钢（含碳量0.6％～1.4％）。低碳钢俗称软钢，中碳钢、高碳钢俗称硬钢。

（2）普通低合金钢

普通低合金钢除碳素钢中已有成分外，再加入少量合金元素，如锰、硅、钒、钛、铬等，可有效提高钢材的强度、塑性等综合性能。磷、硫是有害杂质，其量超过一定限度时会使钢材变脆，塑性显著降低，不利于焊接。普通低合金钢具有强度高、塑性及可焊性好的特点，因而应用广泛。

3.按生产加工工艺分类

（1）热轧钢筋

热轧钢筋是由低碳钢、普通低合金钢在高温状况下轧制而成的。钢筋混凝土结构中的钢筋和预应力混凝土结构中的非预应力钢筋主要是热轧钢筋。

热轧钢筋的牌号有HPB300（Q300）、HRB335、HRB400和RRB400。

热轧钢筋的主要成分为铁元素，还含有少量的碳、硅、锰、硫、磷等元素，力学性能主要与碳的含量有关：含碳量越高，则钢筋的强度越高，质地硬，但塑性变差。钢筋混凝土结构中多应用的是低碳钢。

热轧钢筋的性能随着屈服强度的不同是有所差异的：HPB300质量稳定，塑性好易成型，但屈服强度较低，不宜用于结构中的受力钢筋。HRB335属带肋钢筋，有利于与混凝土之间的黏结，强度和塑性均较好，是目前主要应用的钢筋品种之一。HRB400也属带肋钢筋，有利于与混凝土之间的黏结，强度和塑性均较好，是今后主要应用的钢筋品种之一。RRB400钢筋是指强度级别为400MPa的余热处理带肋钢筋。RRB系列余热处理钢筋由轧制钢筋经高温淬水、余热处理后得到，可提高强度，但延性、可焊性、机械连接性能及施工适应性均稍差，一般可在对延性及加工性能要求不高的构件中使用，如墙体、基础以及次要的中小结构构件中应用。

（2）冷加工钢筋

冷加工钢筋是指在常温下采用某种工艺对热轧钢筋进行加工得到的钢筋。常用的加工工艺有冷拉、冷拔、冷轧和冷轧扭四种。其目的均为提高钢筋的强度，以节约钢材。但是，经冷加工后的钢筋在强度提高的同时，延伸率显著降低，用于预应力构件时易造成脆性断裂。除冷拉钢筋仍具有明显的屈服点外，其余冷加工钢筋均无明显屈服点和屈服台阶。

（3）热处理钢筋

热处理钢筋是利用热轧钢筋的余热进行淬火，然后利用芯部余热自身完成回火处理所得的成品钢筋。此种钢筋为带肋钢筋。热处理后，钢筋强度得到较大幅度的提高，而塑性降低不多。热处理钢筋因其强度已很高，不必再进行冷拉，可直接用作预应力钢筋。

（4）钢丝

钢丝包括光面钢丝、刻痕钢丝、钢绞线和冷拔低碳钢丝等，它们属于硬钢类。钢丝的直径越细，其强度越高，可作为预应力钢筋使用。钢丝的外形有光圆、螺旋肋、刻痕三种，如图2-11和图2-12所示。

钢丝按加工情况有冷拉钢丝和消除应力钢丝两类：冷拉钢丝指用盘条通过拔丝模或轧辊经冷加工而制成产品，以盘卷供货的钢丝；消除应力钢丝指按下述一次性连续处理方法之一生产的钢丝：

①钢丝在塑性变形下（轴应变）进行短时热处理，即得到低松弛钢丝；

②钢丝通过矫直工序后在适当温度下进行短时热处理，即得到普通松弛钢丝。

钢绞线则为绳状，由2股、3股或7股钢丝捻制而成，均可盘成卷状，如图2-13所示。

（二）钢筋的主要力学性能

1.钢筋的应力—应变曲线

钢筋的强度和变形性能可以通过拉伸试验的应力—应变曲线来讨论：一类具有明显流幅（或有明显屈服点），如热轧钢筋和冷拉钢筋，其力学性质相对较软，常称之为软钢，如图2-14（a）所示；另一类无明显流幅（或无明显屈服点），如热处理钢筋、预应力钢丝和钢绞线，其力学性质相对较硬，常称为硬钢，如图2-14（b）所示。

1）有明显流幅的钢筋

在低碳钢（软钢）的一次拉伸试验过程中，大致分为四个阶段：

（1）弹性阶段，如图2-14（a）中Oa′段所示

试样应力不超过a点所对应的应力时，钢筋的变形全是弹性变形，即卸除荷载时，钢筋的变形将全部消失。弹性阶段最高点a′相对应的应力值称为钢筋的弹性极限。在弹性阶段内，直线段Oa表明应力与应变成正比，材料服从胡克定律。过a点后，应力应变图开始微弯，应力与应变不再成正比。a点对应的应力值称为材料的比例极限。

弹性极限和比例极限两者意义虽然不同，但数值非常接近，工程上对它们不加严格区分，近似认为在弹性范围内材料服从胡克定律。

（2）屈服阶段，如图2-14（a）中a′c段所示

当应力超过a′点，逐渐到达c点时，图线将出现一段锯齿形线段b′c，其最高点b′称屈服上限，最低点b称屈服下限。此时应力基本保持不变，应变显著增加，材料暂时失去抵抗变形的能力，产生明显塑性变形的现象，称为屈服（或流动）。b点到c点水平距离的大小称为屈服台阶（流幅），屈服阶段中的最低应力（最低点b）称为屈服极限。

（3）强化阶段，如图2-14（a）中cd段所示

屈服阶段以后，钢筋重新产生了抵抗变形的能力。若要试件继续变形，必须增加应力，这一阶段称强化阶段。曲线最高点d所对应的应力称为强度极限。

（4）破坏（颈缩）阶段，如图2-14（a）中de段所示

应力达到强度极限后，在试件薄弱处横截面显著缩小，出现“颈缩”现象。由于颈缩部分横截面面积急剧减小，试件继续伸长所需的拉力也随之迅速下降，直至到达e点而断裂。

对于有明显流幅的钢筋，取它的屈服强度作为设计强度的依据。这是因为构件中钢筋的应力达到屈服强度后，将产生很大的塑性变形，配有这种钢筋的钢筋混凝土构件，破坏前会出现很大的变形，有明显的预兆。

钢筋除需有足够的强度外，还应具有一定的塑性变形能力。钢筋的塑性变形通常以钢筋试件的伸长率（延伸率）和冷弯性能两个指标来衡量。钢筋拉断后的伸长值与原长的比率称为伸长率。

伸长率越大，塑性越好。冷弯是把钢筋围绕直径为D的钢辊弯转α角而要求不发生裂纹。钢筋塑性越好，冷弯角α就可越大，钢辊直径D越小（图2-15）。为了使钢筋在弯折加工时不致断裂和在使用过程中不致脆断，应进行冷弯试验，并保证满足规定的指标。

在对有明显屈服点的钢筋进行质量检验时，主要应测定屈服强度、极限抗拉强度、伸长率和冷弯性能这四项指标，必要时还必须补充进行抗冲击韧性和反弯性能等项检验。

2）无明显流幅的钢筋

硬钢的应力—应变曲线[图2-14（b）]本身无明显的屈服台阶，没有明确的屈服极限，伸长率小，塑性较差。在实用上取对应于加载后卸载时材料的残余变形为0.2％时的应力作为条件屈服点，即名义屈服强度。由于其条件屈服点不容易测定，因此这类钢筋的质量检验以极限抗拉强度作为主要强度指标。《混凝土结构设计规范》（GB 50100—2010）规定取条件屈服强度σ0.2为极限抗拉强度σb的0.85倍，即σ0.2=0.85σb。

用硬钢配筋的钢筋混凝土构件受拉破坏时往往突然断裂，在破坏前没有明显的预兆。

对于没有明显屈服点的钢筋进行质量检验需要测定的指标一般只有三项：极限抗拉强度、伸长率和冷弯性能。

2.钢筋的弹性模量

钢筋的弹性模量是一项很稳定的材料常数。即使强度级别相差很大的钢筋，其弹性模量也很接近。各种类型钢筋的弹性模量如表2-6所示。

3.钢筋的强度标准值和设计值

在实际工作中，按同一标准生产的钢筋各批之间的强度是不可能完全相同的，按照同一方法在同一台试验机上试验，所测得的强度也不完全相同，因此在确定钢筋的设计强度时必须充分考虑这种变异性。为了保证钢筋质量，钢筋的强度标准值应具有不小于95％的保证率。

钢筋的强度设计值由钢筋强度标准值除以钢筋的材料分项系数得到。《混凝土结构设计规范》）对各种热轧钢筋的材料分项系数统一取1.10，公路桥涵工程的可靠度要求比建筑工程高一些，所以材料分项系数取1.20。

钢筋的强度标准值用于正常使用极限状态的验算，设计值用于承载能力极限状态的计算。普通钢筋与预应力钢筋的抗拉强度、屈服强度标准值应按表2-7、表2-8采用，普通钢筋与预应力钢筋的抗拉强度、屈服强度设计值按表2-9、表2-10采用。

续上表

（三）钢筋的冷作硬化

经过机械冷加工使钢筋产生塑性变形以后，钢筋的屈服极限和抗拉极限强度会提高，但塑性和弹性模量会降低，这种现象称为钢筋的冷作硬化（变形硬化或冷加工硬化）。

冷加工后的钢材随时间的延长而逐渐硬化的倾向，称为时效。一般情况下，时效是个缓慢的过程。但在人工加热的条件下，时效可以在很短的时间内完成。在常温下产生的时效称为自然时效，人工加热后出现的时效称为人工时效。

冷加工钢筋经人工时效后，不但强度可得到进一步提高，而且弹性模量也可以恢复到冷加工以前的数值。

掌握了钢筋冷作硬化和时效的规律以后，便可利用这些规律来提高钢材的强度，以达到节约钢材的目的。工程上常用的冷加工钢筋的方法主要有冷拉和冷拔两种：

（1）冷拉是将热轧钢筋张拉到强化阶段中的点f，然后卸荷回到O′，经过时效后，再加荷。此时由拉伸应力—应变曲线O′f′中可明显看出钢筋的屈服点f′比原来的屈服点b有所提高，反映了钢筋新的硬化特征（图2-16）。

（2）冷拔是使热轧钢筋强行通过小于原钢材直径的硬质合金拔丝模具（图2-17），钢筋在长度和直径两个方向都会产生塑性变形，被拔成长度增加直径变细的钢丝。因硬化的时效更加显著，故冷拔比冷拉提高的强度要大，但冷拔钢丝的塑性变形能力很差，作为纵向主筋时，往往具有脆性破坏的特征。

（四）钢筋的蠕变和松弛

钢筋在高应力作用下，随时间增长其应变继续增加的现象称为蠕变。钢筋受力后，若保持长度不变，则其应力随时间增长而降低的现象称为松弛。

预应力混凝土结构中，预应力钢筋在张拉后长度基本保持不变，会产生松弛现象，从而引起预应力损失。为减少钢材由松弛引起的应力损失，可对预应力钢筋进行超载张拉。

蠕变和松弛随时间增长而增大，它与钢筋初始应力的大小、钢材品种和温度等因素有关。通常初始应力大，蠕变和松弛也大。冷拉热轧钢筋的松弛损失较冷拔低碳钢丝、碳素钢丝和钢绞线低。温度增加时，蠕变和松弛则增大。

（五）混凝土结构对钢筋性能的要求

1.强度

钢筋应具有可靠的屈服强度和极限强度。钢筋的强屈比（为极限强度与屈服强度的比值，热轧钢筋通常在1.4～1.6之间）代表了钢筋的强度储备，也在一定程度上代表了结构的强度储备。应考虑钢筋要有适当的强屈比。采用较高强度的钢筋可以节省钢材，获得较好的经济效益。

2.塑性

钢筋塑性好，在断裂前有足够的变形，能给人以破坏的预兆。钢筋塑性愈好，破坏前的预兆也就愈明显。此外，钢筋的塑性性能愈好，钢筋加工成型也愈容易。因此应保证钢筋的伸长率和冷弯性能合格。

3.可焊性

钢材的可焊性，是指在一定的工艺和结构条件下，钢材经过焊接后能够获得良好焊接接头的性能。可焊性分为施工上的可焊性和使用性能上的可焊性。施工上的可焊性是要求在一定的焊接工艺条件下，焊缝金属和近缝区的钢材不产生裂纹；使用性能上的可焊性要求焊接构件在施焊后的力学性能不低于母材的力学性能。

4.与混凝土的黏结力

钢筋和混凝土这两种物理性能不同的材料之所以能结合在一起共同工作，主要是由于混凝土在结硬时，牢固地与钢筋黏结在一起，相互传递内力的缘故。

钢筋表面的形状对黏结力有重要影响，其中钢筋凹凸不平的表面与混凝土的机械咬合力是最主要因素。试验表明，变形钢筋与混凝土之间的黏结力比光圆钢筋提高1.5～2倍以上。

在寒冷地区，对钢筋的冷脆性能也有一定的要求。

5.钢筋的耐火性

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要满足对构件耐火极限的要求。

三、相关案例——安民河特大桥钢筋施工图

东北东部铁路前阳至庄河DT2标段前阳至丹东段安民河特大桥现场钢筋施工如图2-18、图2-19所示。