第1章 混凝土結(jié)構(gòu)材料的物理力學(xué)性能

1.1 鋼筋的品種和力學(xué)性能

1.1.1 鋼筋的品種

在我國(guó)，混凝土結(jié)構(gòu)中所采用的鋼筋有熱軋鋼筋、鋼絲、鋼絞線、預(yù)應(yīng)力螺紋鋼筋及鋼棒等。

按其在結(jié)構(gòu)中所起作用的不同，鋼筋可分為普通鋼筋和預(yù)應(yīng)力筋兩大類(lèi)。普通鋼筋是指用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋以及用于預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中的非預(yù)應(yīng)力筋；預(yù)應(yīng)力筋是指用于預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中預(yù)先施加預(yù)應(yīng)力的鋼筋。熱軋鋼筋主要用作普通鋼筋，而鋼絲、鋼絞線、預(yù)應(yīng)力螺紋鋼筋及鋼棒主要用作預(yù)應(yīng)力筋。

按化學(xué)成分的不同，鋼筋可分為碳素鋼和普通低合金鋼兩大類(lèi)。碳素鋼的機(jī)械性能與含碳量的多少有關(guān)。含碳量增加，能使鋼材強(qiáng)度提高，性質(zhì)變硬，但也將使鋼材的塑性和韌性降低，焊接性能也會(huì)變差。碳素鋼按其碳的含量分為低碳鋼（含碳量<0.25%）、中碳鋼（含碳量0.25%～0.60%）和高碳鋼（含碳量0.60%～1.4%）。用作鋼筋的碳素鋼主要是低碳鋼和中碳鋼。如果煉鋼時(shí)在碳素鋼的基礎(chǔ)上加入少量（一般不超過(guò)3.5%）合金元素，就成為普通低合金鋼。合金元素錳、硅、釩、鈦等可使鋼材的強(qiáng)度、塑性等綜合性能提高。磷、硫則是有害雜質(zhì)，其含量超過(guò)約0.045%后會(huì)使鋼材變脆，塑性顯著降低，且不利于焊接。普通低合金鋼鋼筋具有強(qiáng)度高、塑性及可焊性好的特點(diǎn)，因而應(yīng)用廣泛。

熱軋鋼筋按其外形分為熱軋光圓鋼筋和熱軋帶肋鋼筋兩類(lèi)，光圓鋼筋的表面是光面的；帶肋鋼筋亦稱(chēng)變形鋼筋，有螺旋紋、人字紋和月牙肋三種，見(jiàn)圖1-1。螺旋紋和人字紋鋼筋以往稱(chēng)為等高肋鋼筋，等高肋鋼筋由于基圓面積率小，錨固延性差，疲勞性能差，已被逐漸淘汰。目前常用的是月牙肋鋼筋，它與同樣公稱(chēng)直徑的等高肋鋼筋相比，強(qiáng)度稍有提高，凸緣處應(yīng)力集中也得到改善；它與混凝土之間的粘結(jié)強(qiáng)度雖略低于等高肋鋼筋，但仍具有良好的粘結(jié)性能。

下面分別把各種鋼筋作一簡(jiǎn)介。

1.1.1.1 熱軋鋼筋

熱軋鋼筋是低碳鋼或普通低合金鋼在高溫狀態(tài)下軋制而成。按照其強(qiáng)度的高低，分為HPB235、HPB300、HRB335、HRB400、HRB500等幾種。符號(hào)中的H表示熱軋（hot rolled），P表示光面的（plain），R表示帶肋的（ribbed），B表示鋼筋（bar），數(shù)字300、400等則表示該級(jí)別鋼筋的屈服強(qiáng)度值（N/mm²）。可以看出HPB235和HPB300鋼筋為光圓鋼筋，HRB335、HRB400和HRB500為帶肋鋼筋。

圖1-1 鋼筋表面及截面形狀

（a）光圓鋼筋；（b）螺旋紋鋼筋；（c）人字紋鋼筋；（d）月牙肋鋼筋

1.熱軋光圓鋼筋

熱軋光圓鋼筋（HPB235、HPB300）鋼筋的公稱(chēng)直徑范圍為6～22mm，冶標(biāo)^[1]推薦采用的直徑有：6mm、8mm、10mm、12mm、16mm、20mm等幾種。熱軋光圓鋼筋屬于低碳鋼，質(zhì)量穩(wěn)定，塑性及焊接性能良好，但強(qiáng)度稍低，而且由于其表面為光面的，與混凝土的粘結(jié)錨固性能較差，控制裂縫開(kāi)展的能力很弱，用作為受拉鋼筋時(shí)末端需要加彎鉤，給施工帶來(lái)不便，一般只用于受力不大的薄板或用作為箍筋、架立筋、分布筋及吊環(huán)等。HPB235鋼筋應(yīng)用歷史很長(zhǎng)，以往在薄板和梁的箍筋中應(yīng)用較多，由于其強(qiáng)度低，即將被淘汰。HPB300鋼筋是近年來(lái)新推出的鋼筋品種，在《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010—2010）中已用HPB300鋼筋代替HPB235鋼筋。在圖紙與計(jì)算書(shū)中，HPB300用符號(hào)表示。2.熱軋帶肋鋼筋

水工結(jié)構(gòu)采用的熱軋帶肋鋼筋包括HRB335、HRB400、HRB500，公稱(chēng)直徑范圍為6～50mm，冶標(biāo)^[2]推薦采用的直徑有6mm、8mm、10mm、12mm、16mm、20mm、25mm、32mm、40mm、50mm等幾種。熱軋帶肋鋼筋的強(qiáng)度、塑性及可焊性都較好。由于強(qiáng)度比較高，為增加鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)力，保證兩者能共同工作，鋼筋表面軋制成月牙肋。

在過(guò)去，HRB335鋼筋在水利工程中應(yīng)用最為廣泛，目前由于其強(qiáng)度較低，將漸趨淘汰，而HRB400將成為主導(dǎo)的鋼筋品種。HRB500鋼筋是我國(guó)新生產(chǎn)的熱軋鋼筋品種，其特點(diǎn)是強(qiáng)度高，強(qiáng)度價(jià)格比好。電力系統(tǒng)的《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（DL/T 5057—2009）已將其列入規(guī)范，但在水利系統(tǒng)的《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 191—2008）中則暫未列入，其原因是尚缺乏大量使用的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，特別是在水利水電工程中，使用這類(lèi)強(qiáng)度較高的鋼筋時(shí)，有無(wú)限制性條件，如何在充分發(fā)揮其強(qiáng)度時(shí)又能控制混凝土裂縫開(kāi)展，如何采取適當(dāng)?shù)臉?gòu)造措施以保證其錨固及連接等方面尚需積累必要的工程經(jīng)驗(yàn)。

在圖紙與計(jì)算書(shū)中，HRB335、HRB400、HRB500這三種鋼筋分別用符號(hào)表示。

1.1.1.2 余熱處理鋼筋

余熱處理鋼筋的牌號(hào)為RRB400，用符號(hào)表示，它是在鋼筋熱軋后淬火以提高其強(qiáng)度，再利用芯部余熱回火處理而保留一定延性的鋼筋。在一般情況下，它可以作為強(qiáng)度400N/mm²級(jí)的鋼筋使用，但在焊接時(shí)焊接處因受熱可能會(huì)降低其強(qiáng)度，且其高強(qiáng)部分集中在鋼筋表面，抗疲勞的性能會(huì)受到影響，鋼筋機(jī)械連接表面切削加工時(shí)也會(huì)削弱其強(qiáng)度，因此應(yīng)用受到一定的限制。一般可用于對(duì)鋼筋變形性能及加工性能要求不高的構(gòu)件中，如基礎(chǔ)、大體積混凝土、樓板、墻體以及次要的結(jié)構(gòu)構(gòu)件中。

1.1.1.3 鋼絲

我國(guó)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)采用的鋼絲都是消除應(yīng)力鋼絲。消除應(yīng)力鋼絲是將鋼筋拉拔后，經(jīng)中溫回火消除應(yīng)力并進(jìn)行穩(wěn)定化處理的鋼絲。按照消除應(yīng)力時(shí)采用的處理方式不同，消除應(yīng)力鋼絲又可分為低松弛和普通松弛兩種，普通松弛鋼絲用作預(yù)應(yīng)力筋時(shí)應(yīng)力松弛損失較大，現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絲》（GB/T 5223—2002）不推薦采用普通松弛鋼絲。

鋼絲以其表面形狀可分為光圓、螺旋肋及刻痕三種。

光圓鋼絲的公稱(chēng)直徑有3mm、4mm、5mm、6mm、6.25mm、7mm、8mm、9mm、10mm、12mm等幾種。

螺旋肋鋼絲是以普通低碳鋼或普通低合金鋼熱軋的圓盤(pán)條為母材，經(jīng)冷軋減徑后在其表面冷軋成兩面或三面有月牙肋的鋼絲。其公稱(chēng)直徑有4mm、4.8mm、5mm、6mm、6.25mm、7mm、8mm、9mm、10mm等幾種。

刻痕鋼絲是在光圓鋼絲的表面上進(jìn)行機(jī)械刻痕處理，以增加與混凝土的粘結(jié)能力，其公稱(chēng)直徑分為≤5mm和＞5mm兩種。

1.1.1.4 鋼絞線

鋼絞線是由多根高強(qiáng)光圓或刻痕鋼絲捻制在一起經(jīng)過(guò)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。對(duì)7根鋼絲捻制的鋼絞線還可再經(jīng)模撥而制成型號(hào)為（1×7）C的鋼絞線。鋼絞線的公稱(chēng)直徑有許多種，詳見(jiàn)本教材附錄3表3。

1.1.1.5 預(yù)應(yīng)力螺紋鋼筋

過(guò)去習(xí)慣上將這種鋼筋稱(chēng)為“高強(qiáng)精軋螺紋鋼筋”，目前稱(chēng)為“預(yù)應(yīng)力混凝土用螺紋鋼筋”。它以屈服強(qiáng)度劃分級(jí)別，無(wú)明顯屈服時(shí)用規(guī)定的“條件屈服強(qiáng)度”來(lái)代替。預(yù)應(yīng)力螺紋鋼筋的直徑有18mm、25mm、32mm、40mm、50mm等幾種，主要用作為預(yù)應(yīng)力錨桿。在我國(guó)的橋梁工程及水電站地下廠房的預(yù)應(yīng)力巖壁吊車(chē)梁中，預(yù)應(yīng)力螺紋鋼筋已有較多的應(yīng)用。

1.1.1.6 鋼棒

預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼棒按表面形狀分為光圓鋼棒、螺旋槽鋼棒、螺旋肋鋼棒、帶肋鋼棒四種。由于光圓鋼棒和帶肋鋼棒的粘結(jié)錨固性能較差，故現(xiàn)行水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范僅列入了螺旋槽鋼棒和螺旋肋鋼棒兩種。其公稱(chēng)直徑為6～14mm。

預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼棒的主要優(yōu)點(diǎn)為強(qiáng)度高、延性好，具有可焊性與鐓鍛性，可盤(pán)卷。主要應(yīng)用于預(yù)應(yīng)力混凝土離心管樁、電桿、鐵路軌枕、橋梁、碼頭基礎(chǔ)、地下工程、污水處理工程及其他建筑預(yù)制構(gòu)件中。

除上述熱軋鋼筋和預(yù)應(yīng)力鋼絲、鋼絞線等外，在過(guò)去我國(guó)還有用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的冷拉Ⅰ級(jí)鋼筋和用于預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的冷拉Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級(jí)鋼筋，以及細(xì)直徑的冷軋帶肋鋼筋等。鋼筋經(jīng)過(guò)冷拉或冷軋等冷加工后，屈服強(qiáng)度得到提高，但鋼材性質(zhì)變硬變脆，延性大大降低，這對(duì)于承受沖擊荷載和抗震都是不利的。冷加工鋼筋在我國(guó)經(jīng)濟(jì)困難、物質(zhì)匱乏時(shí)代曾起到過(guò)節(jié)約鋼筋的作用，但在目前細(xì)直徑的熱軋鋼筋、高強(qiáng)度的預(yù)應(yīng)力鋼絲和鋼棒等已能充分供應(yīng)的情況下，冷加工鋼筋在我國(guó)已基本不再采用。

1.1.2 鋼筋的力學(xué)性能

上節(jié)所述的各種鋼筋與鋼絲，由于化學(xué)成分及制造工藝的不同，力學(xué)性能有顯著差別。按力學(xué)的基本性能來(lái)分，則有兩種類(lèi)型：①熱軋鋼筋，其力學(xué)性質(zhì)相對(duì)較軟，稱(chēng)之為軟鋼；②預(yù)應(yīng)力鋼絲、鋼絞線、預(yù)應(yīng)力螺紋鋼筋及鋼棒，其力學(xué)性質(zhì)高強(qiáng)而硬，稱(chēng)之為硬鋼。

圖1-2 HPB300鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

1.1.2.1 軟鋼的力學(xué)性能

軟鋼從開(kāi)始加載到拉斷，有4個(gè)階段，即彈性階段、屈服階段、強(qiáng)化階段與破壞階段。下面以HPB300鋼筋的受拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線為例來(lái)說(shuō)明軟鋼的力學(xué)特性，如圖1-2所示。

自開(kāi)始加載至應(yīng)力達(dá)到a點(diǎn)以前，應(yīng)力應(yīng)變呈線性關(guān)系，a點(diǎn)稱(chēng)比例極限，0a段屬于線彈性工作階段。應(yīng)力達(dá)到b點(diǎn)后，鋼筋進(jìn)入屈服階段，產(chǎn)生很大的塑性變形，應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)一水平段，稱(chēng)為流幅；b點(diǎn)應(yīng)力稱(chēng)為屈服強(qiáng)度（流限）。超過(guò)c點(diǎn)后，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系重新表現(xiàn)為上升的曲線，為強(qiáng)化階段。曲線最高點(diǎn)d點(diǎn)的應(yīng)力稱(chēng)為抗拉強(qiáng)度。此后鋼筋試件產(chǎn)生頸縮現(xiàn)象，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系成為下降曲線，應(yīng)變繼續(xù)增大，到e點(diǎn)鋼筋被拉斷。

e點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)稱(chēng)為伸長(zhǎng)率，它標(biāo)志鋼筋的塑性。伸長(zhǎng)率越大，塑性越好。鋼筋塑性除用伸長(zhǎng)率標(biāo)志外，還可用冷彎試驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)。冷彎就是把鋼筋圍繞直徑為D的鋼輥彎轉(zhuǎn)α角而要求不發(fā)生裂紋。鋼筋塑性越好，冷彎角α就可越大，鋼輥直徑D也可越小。

軟鋼的強(qiáng)度指標(biāo)有屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，屈服強(qiáng)度（流限）是軟鋼的主要強(qiáng)度指標(biāo)。混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件中的鋼筋，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度后，荷載不增加，應(yīng)變會(huì)繼續(xù)增大，使得混凝土裂縫開(kāi)展過(guò)寬，構(gòu)件變形過(guò)大，結(jié)構(gòu)構(gòu)件不能正常使用。所以軟鋼的受拉強(qiáng)度限值以屈服強(qiáng)度為準(zhǔn)，其強(qiáng)化階段只作為一種安全儲(chǔ)備考慮。

鋼材中含碳量越高，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度就越高，伸長(zhǎng)率就越小，流幅也相應(yīng)縮短。圖1-3表示了不同強(qiáng)度軟鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的差異。

圖1-3 不同強(qiáng)度軟鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖1-4 硬鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

1.1.2.2 硬鋼的力學(xué)性能

硬鋼強(qiáng)度高，但塑性差，脆性大。從加載到拉斷，不像軟鋼那樣有明顯的階段，基本上不存在屈服階段（流幅）。圖1-4為硬鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

硬鋼沒(méi)有明確的屈服臺(tái)階（流幅），所以設(shè)計(jì)中一般以“協(xié)定流限”作為強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，所謂協(xié)定流限是指經(jīng)過(guò)加載及卸載后尚存有0.2%永久殘余變形時(shí)的應(yīng)力，用σ_0.2表示。σ_0.2亦稱(chēng)“條件屈服強(qiáng)度”或“非比例延伸強(qiáng)度”，一般相當(dāng)于極限抗拉強(qiáng)度的70%～90%。對(duì)鋼絲、鋼絞線和鋼棒，規(guī)范取極限抗拉強(qiáng)度的85%作為條件屈服強(qiáng)度；對(duì)預(yù)應(yīng)力螺紋鋼筋，規(guī)范取極限抗拉強(qiáng)度的80%作為條件屈服強(qiáng)度。

硬鋼塑性差，伸長(zhǎng)率小。因此，用硬鋼配筋的混凝土構(gòu)件，受拉破壞時(shí)往往突然斷裂，不像用軟鋼配筋的構(gòu)件那樣，在破壞前有明顯的預(yù)兆。

1.1.2.3 鋼筋的疲勞

鋼筋的疲勞是指鋼筋在承受重復(fù)、周期性的動(dòng)荷載作用下，經(jīng)過(guò)一定次數(shù)的循環(huán)重復(fù)后，突然脆斷的現(xiàn)象。一些承受重復(fù)荷載的鋼筋混凝土構(gòu)件在正常使用期間會(huì)由于疲勞發(fā)生破壞，如門(mén)機(jī)軌道梁。

鋼筋的疲勞一般認(rèn)為是由于鋼材內(nèi)部有雜質(zhì)和氣孔，外表面有斑痕缺陷，以及表面形狀突變引起的應(yīng)力集中造成的。應(yīng)力集中過(guò)大時(shí)，鋼筋晶粒滑移，使鋼材發(fā)生微裂紋，在重復(fù)應(yīng)力作用下，鋼筋會(huì)因裂紋擴(kuò)展而發(fā)生突然斷裂。因此鋼筋的疲勞強(qiáng)度小于靜荷載作用下的極限強(qiáng)度。

試驗(yàn)表明，影響疲勞強(qiáng)度的主要因素為鋼筋的疲勞應(yīng)力幅為一次循環(huán)應(yīng)力中同一層鋼筋的最大應(yīng)力與最小應(yīng)力的差值，即。

《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》 （GB 50010—2010）給出了不同等級(jí)鋼筋的疲勞應(yīng)力幅的限值，并規(guī)定該限值與疲勞應(yīng)力比值有關(guān)。的限值除與有關(guān)外，還與循環(huán)重復(fù)次數(shù)有關(guān)。循環(huán)重復(fù)次數(shù)要求越高，的限值越小，我國(guó)要求滿足的循環(huán)重復(fù)次數(shù)為200萬(wàn)次。

在水工建筑中，很少遇到數(shù)百萬(wàn)次的周期性重復(fù)荷載，所以一般可不驗(yàn)算材料的疲勞強(qiáng)度。但如采油平臺(tái)等海工建筑受到波浪的沖擊，就應(yīng)考慮這一問(wèn)題，其使用荷載作用下的材料應(yīng)力就不能過(guò)高。

1.1.2.4 鋼筋彈性模量

鋼筋在彈性階段的應(yīng)力與應(yīng)變的比值，稱(chēng)為彈性模量，用符號(hào)E_s表示，常用鋼筋的彈性模量E_s見(jiàn)本教材附錄2表5。

1.1.3 混凝土結(jié)構(gòu)對(duì)鋼筋性能的要求

1.鋼筋的強(qiáng)度

采用高強(qiáng)度鋼筋可以節(jié)約鋼材，取得較好的經(jīng)濟(jì)效果，但混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的強(qiáng)度并非越高越好。由于鋼筋的彈性模量并不因其強(qiáng)度提高而增大，高強(qiáng)鋼筋若充分發(fā)揮其強(qiáng)度，則與高應(yīng)力相應(yīng)的大伸長(zhǎng)變形勢(shì)必會(huì)引起混凝土結(jié)構(gòu)過(guò)大的變形和裂縫寬度。因此，對(duì)于普通混凝土結(jié)構(gòu)而言，鋼筋的設(shè)計(jì)強(qiáng)度限值宜在400N/mm²左右。預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)較好地解決了這個(gè)矛盾，但又帶來(lái)鋼筋與混凝土之間的錨固與協(xié)調(diào)受力的問(wèn)題，過(guò)高的強(qiáng)度仍然難以充分發(fā)揮作用，故目前預(yù)應(yīng)力筋的最高強(qiáng)度限值約為2000N/mm²左右。

2.鋼筋的塑性

要求鋼筋有一定的塑性是為了使鋼筋在斷裂前有足夠的變形，能給出構(gòu)件裂縫開(kāi)展過(guò)寬將要破壞的預(yù)兆信號(hào)。鋼筋的伸長(zhǎng)率和冷彎性能是施工單位驗(yàn)收鋼筋塑性是否合格的主要指標(biāo)。

3.鋼筋的可焊性

在很多情況下，鋼筋之間需通過(guò)焊接來(lái)連接，可焊性是評(píng)定鋼筋焊接接頭性能的指標(biāo)。可焊性好，就是要求在一定的工藝條件下鋼筋焊接后不產(chǎn)生裂紋及過(guò)大的變形，焊接處的鋼材強(qiáng)度不降低過(guò)多。我國(guó)的HPB300、HRB335及HRB400的可焊性均較好，應(yīng)注意高強(qiáng)鋼絲、鋼絞線等則是不可焊的。

4.鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)力

為了保證鋼筋與混凝土共同工作，要求鋼筋與混凝土之間必須有足夠的粘結(jié)力，粘結(jié)力良好的鋼筋方能使裂縫寬度控制在合適的限值內(nèi)。鋼筋的表面形狀是影響粘結(jié)力的主要因素，帶肋鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)性能明顯優(yōu)于光圓鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)性能，因此構(gòu)件中的縱向受力鋼筋應(yīng)優(yōu)先選用帶肋鋼筋。