一 钢筋的物理力学性能

一 钢筋的物理力学性能

钢筋混凝土及预应力混凝土结构中，所用钢筋的物理力学性能主要是在静力、反复和重复荷载下的强度和弹塑性变形性能，弹塑性性能一般用延伸率和冷弯性能来表示。目前的发展趋向是尽量采用高强度的钢筋，以减轻结构的重量。如：美国钢筋混凝土规范允许采用屈服强度(fy)为56kg／mm2作为钢筋混凝土结构中钢筋的设计强度。预应力混凝土结构中，采用热处理钢筋以及碳素钢丝，钢绞线的强度分别达到160kg／mm和180kg／mrn。提高钢筋强度的同时，要注意钢筋的塑性性能，避免钢筋脆断。预应力混凝土中的应力松弛、应力腐蚀等问题受广泛重视。国内外学者对钢筋的延性、承受反复作用力和重复荷载下的疲劳性能也进行了研究。此外，温度，特别是低温对钢筋的物理力学性能的影响，我国也进行了一定的研究。

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1.1 钢筋的类型和应力应变曲线

1 钢筋的类型

混凝土及预应力混凝土结构中采用的钢筋有碳素钢和低合金钢。碳素钢分为低碳钢(含碳量少于0.25%)和高碳钢(含碳量在0.6％～1.4％)。含有锰、硅、钒、钛等合金元素的低合金钢(含有少量合金元素)。加入少量合金元素能显著地提高钢筋的综合性能和强度。锰系的合金元素如16Mn，25MnSi等，硅钒系的低合金钢如15SiV，35Si2V等，硅钛系的低合金钢如16SiTi，35Si2Ti等，另外还有锰硅钒系的如45MnSiV，65MnSiV等。

国外多采用硅-锰系低合金钢，欧洲、美国、日本常加铬、钒，苏联则加入铌、钛、锆。 混凝土结构设计规范(GB50010-2002)选用的钢筋，是按照现行国家标准《钢筋混凝土用热轧带肋钢筋》GB1499、《钢筋混凝土用热轧光圆钢筋》GB13013、《钢筋混凝土用余热处理钢筋》GB13014和《预应力混凝土用钢丝》GB/T5223选用。热轧钢筋根据强度等级分为I至Ⅳ级如表1-1所示。除I级钢筋(3号钢)为光面外。其余均为螺纹钢筋。采用月牙形变形钢筋。

钢丝除碳素钢丝、刻痕钢丝外，还有用低碳钢(0号、2号、3号、4号不等)的钢筋经数道冷拔成的冷拔低碳钢丝。此外，有将7股钢丝用绞盘拧成的钢绞线。

为了提高钢筋强度，进行冷加工的冷拉钢筋，和经过热处理的热处理调质V级钢筋。热处理调质钢筋断面有圆形及椭圆形两种。

为了改善钢筋的物理力学性能，国外钢筋轧制外形有各种型式，图1-1为其中的一些型式。c为冷扭钢筋的一种型式。联邦德国和我国都研制成整根钢筋都扎出螺纹状的肋条，可直接用螺纹套筒连接，避免焊接。

国外钢绞线有由2，3，7或19根钢丝扭结组成。一种新型的经过“模拔成型”的钢绞线叫模拔钢绞线（Dyform-Strand）如图1-2所示。由于模拔过程中钢绞线的每根钢丝相互接触被压扁而使钢丝截面接近六角形，大大减少了钢丝之间孔隙和外径，如图1-2所示。

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2 钢筋的应力—应变曲线

图3为热轧钢筋3号钢的应力-应变（???）曲线。

A点比例极限，比例极限后，应力与应变不再成比例增加，到达B上点后，接近水平线，

此时应变急剧增加应力基本不动，为屈服阶段，一般热轧钢筋有两个屈服点，B上为屈服上限，和B下为屈服下限。屈服上限为开始进入屈服阶段时，不稳定，与许多因素有关，例如加载速度、断面形式、试件表面光洁度和试件形式等，到达屈服下限时，应变增长，应力基本不变，比较稳定。因而热轧钢筋屈服强度是以钢材屈服下限为依据的。

钢筋屈服到达一定程度后，即到达B点后，应力应变关系又形成上升曲线，即图1-3中BC称为强化阶段。对于屈服台阶应变较短的钢筋，或抗震结构设计中要求结构“裂而不倒”时，可考虑利用钢筋应力的强化阶段。

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C点为钢筋的极限强度，钢筋到达极限强度后，薄弱断面将显著缩小，产生颈缩现象，塑性变形迅速增加，名义拉应力??P/A随之下降，式中A为钢筋断面积，最后发生断裂

如图中CD段，如果此阶段拉力除以实际颈缩的断面积?'?P/A0，式中A0为钢筋颈缩后的断面积，其应力应变曲线将为CD'，实际应力值是上升的。

颈缩的大小，反映钢筋的塑性性能。美国钢筋混凝土规范规定钢筋断口缩小率要≥20％以保证不致脆断。

金相学分析钢筋的应力应变曲线，比例极限内时，弹性变形主要取决于晶体阵上原子间的相互作用力。弹性变形阶段主要是金属内部原子间距离改变，如图1-5a为弹性拉伸金属原子间距离改变示意图。

塑性变形是金属晶体顺某些结晶面发生滑移的结果，即顺晶体的某个结晶面施加的剪应力超过了晶体临界切应力产生滑移，如图1-5b所示。金属内部无数晶粒的滑移量总和构成了宏观的塑性变形。理论上计算完整单晶体中某个晶面的临界切应力比实测值大2～3个数量级；其原因一般认为实际晶体的缺陷——位错，位错理论认为金属晶体中原子排列不是想象的那样整齐，发生塑性变形时，滑移面不是整排原子一起移动，而是通过缺陷的移动去完成晶面间的相对滑移。电子显微镜观察证实了晶体的不完整性。金属晶体塑性变形实质上就是位错的移动形成晶面滑移所造成的。

软钢或一些金属的屈服上下限也可用位错理论说明。

Cottrel（卡特拉）首先提出钢中溶解原子或离子态的氧、氮、炭等，这些杂质原子处于位错中心，起了钉扎作用。这些溶解杂质原子称为Cottrel气团，Cottrel气团增加了位错运动的阻力，宏观反应提高屈服限值形成单轴拉伸时屈服上限。但当位错在应力作用下，一旦发生运动，杂质原子的运动跟不上位错，位错就脱锚，于是发生低应力下的滑移，即屈服下限。

晶体中位错运动发生滑移时，一方面是晶粒变形，同时位错会发生繁殖，使晶体内位错数量增多。当位错密度大量增加后，由于位错运动时发生交割等，位错运动阻力又要增加，导致发生塑性变形后的变化，钢筋拉伸超过屈服后的强化现象即为此。

图1-6为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级热轧钢筋应力应变曲线示意图。有屈服台阶的热轧钢筋以钢筋的屈服强度作为极限设计钢筋强度的取值。

图1-7为碳素钢丝的应力应变曲线。含碳量较高的钢筋，没有明显的屈服台阶。我国用残余应变为0.2%时的应力（即?02），（称为假定屈服点或称为条件流限）作为钢筋强度的

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指标。国外也有用规定的应变值作为假定的屈服点的。例如美国ASTM75级螺纹钢筋用相当于应变0.0035时的强度作为假定屈服强度。

3 钢筋的塑性性能

延伸率是衡量钢筋塑性性能的一个指标。钢筋延伸率用?10和?5 (即标距为L＝10d和标距l=5d)的延伸率来表示。延伸率大小，影响到结构的破坏是塑性还是脆性。屈服点的应变值到极限应变值的大小，反映了钢筋的延性。

为了使钢筋使用时不会脆断，加工时不会断裂，要求钢筋具有一定的冷弯性能。冷弯是将直径为d的钢筋围绕直径为D的弯心(D规定1d、2d、3d等)弯曲成一定的角度（90°

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或180°），弯曲后的钢筋无裂纹，鳞落或断裂现象。

我国规定的热轧钢筋强度、延伸率、冷弯要求的机械性能如表1-1。

冷弯和延伸率都能反映钢筋的塑性性能，而冷弯更能反映钢筋的韧性。

4 高强钢筋或钢丝的应力应变曲线的数学模型

高强钢筋或钢丝的应力应变曲线的数学模型，采用Rambe-rg-Osgood（罗姆贝-奥斯古）多项式的形式，表达式为：

?S??S/ES?K(?S/ES)n （1-1）

?S，ES—钢筋的应力和相应的应变值；

K，n—参数，根据钢筋类型来确定。

当钢筋的应力应变曲线通过原点，其在原点处应力应变曲线斜率为ES，通过应力?P，应变?P的条件应力点P如图1-8所示。

?P?eP??P/ES??P/ES?K(?P/ES)n

K?eP(ES/?P)n

?S??S/ES?eP(?S/?P)n（1-2）

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