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1、 1 第二章第二章 混凝土结构材料的物理力学性能混凝土结构材料的物理力学性能 2.12.1 钢钢 筋筋 2.1.12.1.1 钢筋的品种和级别钢筋的品种和级别 混凝土结构中使用的钢筋混凝土结构中使用的钢筋，按按其其化学成分可分为化学成分可分为碳素钢碳素钢和和普通低合金钢普通低合金钢两大类。两大类。碳素钢又可分为碳素钢又可分为低碳钢低碳钢（含碳量小于含碳量小于 0 0.25%25%）、中碳钢中碳钢（含碳量为含碳量为 0 0.25%25%0 0.6%6%）和和高碳高碳钢钢（含碳量含碳量为为 0.0.6%6%1.41.4%）。按照钢筋的生产加工工艺和力学性能的不同，混凝土结构设计规范按照钢筋的生产加
2、工工艺和力学性能的不同，混凝土结构设计规范（G GB B5001050010-20102010）（以（以下简称下简称规范规范）规定规定，用于钢筋混凝土结构和预应力混凝土结构中的钢筋或钢丝可分为用于钢筋混凝土结构和预应力混凝土结构中的钢筋或钢丝可分为：热热轧钢筋、中强度预应力钢丝、轧钢筋、中强度预应力钢丝、预应力螺纹钢筋、预应力螺纹钢筋、消除应消除应力钢丝力钢丝和和钢绞线钢绞线等等。热轧钢筋热轧钢筋是由低碳钢、普通低合金钢或细晶粒钢在高温状态下轧制而成是由低碳钢、普通低合金钢或细晶粒钢在高温状态下轧制而成，热轧钢筋牌号热轧钢筋牌号的构成及其含义见表的构成及其含义见表 2.12.1。表表 2.1
3、热轧钢筋牌号的构成及其含义热轧钢筋牌号的构成及其含义 类别类别 牌号牌号 牌号构成牌号构成 英文字母含义英文字母含义 热轧光面钢筋热轧光面钢筋 HPB300HPB300 由由HPB+HPB+屈服强度特屈服强度特征值构成征值构成 HPBHPB-热轧光面钢筋的英文（热轧光面钢筋的英文（Hot Hot rolled Plain Barsrolled Plain Bars）缩写）缩写 普通热轧钢筋普通热轧钢筋 HRB335HRB335、HRB400HRB400 HRB500HRB500 由由HRB+HRB+屈服强度特屈服强度特征值构成征值构成 HRBHRB-热轧带肋钢筋的英文（热轧带肋钢筋的英文（Ho
4、t Hot rolled Ribbed Barsrolled Ribbed Bars）缩写）缩写 细晶细晶粒热轧钢筋粒热轧钢筋 HRBF400HRBF400 HRBF500HRBF500 由由 HRBF+HRBF+屈服强度屈服强度特征值构成特征值构成 HRBFHRBF-热轧带肋钢筋的英文缩写后热轧带肋钢筋的英文缩写后加“细”的英文（加“细”的英文（FineFine）首位字母）首位字母 中强度预应力钢丝、预应力螺纹钢筋、消除应力钢丝和钢绞线是用于预应力混凝土结构中强度预应力钢丝、预应力螺纹钢筋、消除应力钢丝和钢绞线是用于预应力混凝土结构的预应力筋。的预应力筋。常用钢筋、钢丝和钢绞线的外形如图常用
5、钢筋、钢丝和钢绞线的外形如图 2.12.1 所示。所示。图图 2.1 2.1 常用钢筋常用钢筋、钢丝和钢绞线的外形钢丝和钢绞线的外形 光面钢筋 螺纹钢筋 人字纹钢筋 月牙纹钢筋 七股 三股 A A C C C-C 螺旋肋钢丝 B B-B 钢绞线 刻痕钢丝 B A-A 2 ufyfaab0cdef图 2.2 有明显屈服点钢筋的 应力-应变关系曲线 yyf0图 2.3 钢筋的理想弹塑性 应力-应变关系曲线 2.1.22.1.2 钢筋钢筋的的强度和变形强度和变形 1.钢筋的应力-应变关系（1 1）有明显屈服点）有明显屈服点的的钢筋。钢筋。有明显屈服点有明显屈服点的的钢筋拉伸时的典型应力钢筋拉伸时的典
6、型应力-应变应变关系关系曲线如图曲线如图 2.22.2 所示。所示。图中图中：a点称为点称为比例极限比例极限，a点称为点称为弹性极限弹性极限，b点称为点称为屈服上限屈服上限；c点点称为称为屈服下限屈服下限，通常以屈服下限，通常以屈服下限c点的应力作为点的应力作为屈服强度屈服强度，用用yf表示表示。直线段直线段cd称为称为屈服台阶屈服台阶。e点的应力称为钢筋的极限抗拉强度点的应力称为钢筋的极限抗拉强度，用用uf表示，表示，de段称为强化段称为强化阶段阶段。e点以后，在试点以后，在试件的薄弱位置出现颈缩现象，变形增加迅速，钢筋断面缩小，应力降低，直至件的薄弱位置出现颈缩现象，变形增加迅速，钢筋断面
7、缩小，应力降低，直至f点被拉断。点被拉断。有明显屈服点钢筋强度的两个重要指标是屈服强度和极限抗拉强度。有明显屈服点钢筋强度的两个重要指标是屈服强度和极限抗拉强度。钢筋的钢筋的极限强度和极限强度和屈服强度屈服强度之比称为钢筋的之比称为钢筋的强强屈比屈比。屈强屈强比反应了钢筋的强度储备，我比反应了钢筋的强度储备，我国规定钢筋的屈强比不能小于国规定钢筋的屈强比不能小于 1.251.25。在实际在实际应用应用中，钢筋的应力中，钢筋的应力-应变关系一般采用双线性的理想弹塑性关系（见图应变关系一般采用双线性的理想弹塑性关系（见图 2.32.3）。即：）。即：当当y时，时，sE （2 2-1 1）当当y时，
8、时，yf （2 2-2 2）式中：式中：sE钢筋的弹性模量；钢筋的弹性模量；3 y钢筋的屈服应变，钢筋的屈服应变，yysfE。钢筋受压的应力钢筋受压的应力-应变规律应变规律与受拉时基本与受拉时基本相同相同。（2 2）无明显屈服点无明显屈服点的的钢筋钢筋。对无明显屈服点的钢筋，在工程设计中一般取残余应变为对无明显屈服点的钢筋，在工程设计中一般取残余应变为 0.2%0.2%时所对应的应力时所对应的应力.20作为作为强度设计指标，称为强度设计指标，称为条件屈服强度条件屈服强度。（见图（见图 2.42.4）2.2.钢筋的伸长率钢筋的伸长率 钢筋伸长率是反映钢钢筋伸长率是反映钢筋塑性性能的一个指标。筋塑
9、性性能的一个指标。钢筋的伸长率采用钢筋最大力下的总伸长钢筋的伸长率采用钢筋最大力下的总伸长率（均匀伸长率）率（均匀伸长率）gt来表示，见图来表示，见图 2.52.5（a a），可按下式计算：可按下式计算：(a)(b)(a)(b)图图 2.5 2.5 钢筋的总伸长率钢筋的总伸长率 （a a）最大力下的总伸长率；（）最大力下的总伸长率；（b b）测量标距）测量标距 0b0()100%gtsLLLE （2 2-3 3）式中：式中：0L不包含颈缩区拉伸前的测量标距长度；不包含颈缩区拉伸前的测量标距长度；L拉伸断裂后不包含颈缩区的测量标距长度；拉伸断裂后不包含颈缩区的测量标距长度；b钢筋的最大拉应力（极
10、限抗拉强度）钢筋的最大拉应力（极限抗拉强度）。Y夹持区 测量区 夹持区 颈缩区 V50mm 或2d 20mm 或d 残余变形r 弹性变形e 均匀伸长率（%）b 4 Dd冷弯角度 规范除了规定钢筋的强度指标外，还规定了钢筋的伸长率指标应不小于表规范除了规定钢筋的强度指标外，还规定了钢筋的伸长率指标应不小于表 2.22.2 中中规规定的数值。定的数值。表表 2.2 普通钢筋及预应力筋在最大力下的总伸长率值普通钢筋及预应力筋在最大力下的总伸长率值 钢筋品种钢筋品种 普普 通通 钢钢 筋筋 预应力筋预应力筋 HPB300HPB300 HRB335HRB335、HRB400HRB400 HRBF400H
11、RBF400、HRB500HRB500、HRBF500HRBF500 RRB400RRB400 gt（%）10.010.0 7.57.5 5.05.0 3.53.5 3.3.钢筋的冷弯性能钢筋的冷弯性能 钢筋的冷弯性能钢筋的冷弯性能试验试验是检验钢筋韧性、内部质是检验钢筋韧性、内部质量和加工可适性的有效方法量和加工可适性的有效方法。将直径为将直径为d的钢筋绕的钢筋绕直径为直径为D的的辊轴辊轴进行弯折进行弯折（图图 2.2.6 6 所示所示），在达到规，在达到规定冷弯角度定冷弯角度时，钢筋不发生裂纹、断裂或起层现时，钢筋不发生裂纹、断裂或起层现象。冷弯性能也是评价钢筋塑性的指标，弯芯的直象。冷弯
12、性能也是评价钢筋塑性的指标，弯芯的直径径D越小，弯越小，弯折角折角越大，说明钢筋的塑性越好。越大，说明钢筋的塑性越好。图图 2.62.6 钢筋的冷弯试验钢筋的冷弯试验 2.1.32.1.3 钢筋的弹性模量钢筋的弹性模量 钢筋的弹性模量钢筋的弹性模量sE是钢筋产生单位应变所需要的力，反应出了弹性阶段钢筋应力和应变是钢筋产生单位应变所需要的力，反应出了弹性阶段钢筋应力和应变之间的关系。之间的关系。sssE或或=sssE （2 2-4 4）钢筋的弹性模量基本相同钢筋的弹性模量基本相同，一般在，一般在 2.02.05210/N mm左右，具体见左右，具体见附表附表 A A5 5。2.1.42.1.4
13、钢筋的疲劳钢筋的疲劳 钢筋的疲劳钢筋的疲劳破坏破坏是指钢筋在承受重复、周期性的动荷载作用下，经过一定次数后，是指钢筋在承受重复、周期性的动荷载作用下，经过一定次数后，发生发生突然突然脆性破坏的现象。脆性破坏的现象。钢筋的疲劳强度是指在某一规定的应力幅内，经受一定次数（我国规定为钢筋的疲劳强度是指在某一规定的应力幅内，经受一定次数（我国规定为 200200 万次）循万次）循环荷载后发生疲劳破坏的最大应力值。环荷载后发生疲劳破坏的最大应力值。普通钢筋疲劳应力比值普通钢筋疲劳应力比值为：为：,min,maxfsfsfs （2 2-5 5）式中：式中：,minfs、,maxfs构件疲劳验算时，同层钢筋
14、的最小应力、最大应力。构件疲劳验算时，同层钢筋的最小应力、最大应力。预应力钢筋疲劳应力比值预应力钢筋疲劳应力比值为：为：,min,maxfpfpfp （2 2-6 6）式中：式中：,minfp、,maxfp构件疲劳验算时，同层预应力钢筋的最小应力、最大应力。构件疲劳验算时，同层预应力钢筋的最小应力、最大应力。2.1.2.1.5 5 混凝土结构对钢筋性能的要求混凝土结构对钢筋性能的要求和和钢筋的钢筋的选用选用 5 1.对钢筋性能的要求（1 1）强度强度。钢筋的屈服强度、极限强度和屈强比等要符合规范要求钢筋的屈服强度、极限强度和屈强比等要符合规范要求。（2 2）钢筋的塑性钢筋的塑性。钢筋钢筋要要有
15、一定的塑性，可使其在断裂前有足够的变形，能给出构件将有一定的塑性，可使其在断裂前有足够的变形，能给出构件将要破坏的预兆，因此钢筋的伸长率和冷弯性要破坏的预兆，因此钢筋的伸长率和冷弯性要要合格。合格。（3 3）钢筋的可焊性钢筋的可焊性。可焊性是评定钢筋焊接后的接头性能的可焊性是评定钢筋焊接后的接头性能的主要主要指标。要求在一定的工指标。要求在一定的工艺条件下，钢筋焊接后不产生裂纹及过大的变形，艺条件下，钢筋焊接后不产生裂纹及过大的变形，并有良好的并有良好的接头性能。接头性能。（4 4）钢筋与混凝土的粘结力钢筋与混凝土的粘结力。为了保证钢筋与混凝土为了保证钢筋与混凝土能够能够共同工作，要求钢筋与混
16、凝土共同工作，要求钢筋与混凝土之间必须有足够的粘结力。之间必须有足够的粘结力。2.钢筋的选用 规范对钢筋的选用有以下要求：规范对钢筋的选用有以下要求：纵向受力纵向受力普通普通钢筋钢筋宜采用宜采用 HRB400HRB400、HRB500HRB500、HRBF400HRBF400、HRBF500HRBF500 钢筋钢筋，也可采用也可采用 H HP PB B300300、H HRB335RB335 和和 RRBRRB40400 0 钢筋钢筋；梁、柱纵向受力普通钢筋梁、柱纵向受力普通钢筋宜采用宜采用 HRB400HRB400、HRB500HRB500、HRBF400HRBF400、HRBF500HRBF500 钢筋；钢筋；箍筋箍筋宜采用宜采用 HRB400HRB400、HRBF400HRBF400、H HP PB B300300、HRB500HRB500、HRBF500HRBF500 钢筋，也可采用钢筋，也可采用 HRB335HRB335 钢筋；钢筋；预应力筋预应力筋宜采用钢丝、钢绞线和精轧螺纹钢筋宜采用钢丝、钢绞线和精轧螺纹钢筋。