第1章 混凝土結構材料的物理力學性能

1.1 鋼筋的品種和力學性能

1.1.1 鋼筋的品種

在我國，混凝土結構中所采用的鋼筋有熱軋鋼筋、鋼絲、鋼絞線、預應力螺紋鋼筋及鋼棒等。

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

按化學成分的不同，鋼筋可分為碳素鋼和普通低合金鋼兩大類。碳素鋼的機械性能與含碳量的多少有關。含碳量增加，能使鋼材強度提高，性質變硬，但也將使鋼材的塑性和韌性降低，焊接性能也會變差。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。如果煉鋼時在碳素鋼的基礎上加入少量（一般不超過3.5%）合金元素，就成為普通低合金鋼。合金元素錳、硅、釩、鈦等可使鋼材的強度、塑性等綜合性能提高。磷、硫則是有害雜質，其含量超過約0.045%后會使鋼材變脆，塑性顯著降低，且不利于焊接。普通低合金鋼鋼筋具有強度高、塑性及可焊性好的特點，因而應用廣泛。

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，光圓鋼筋的表面是光面的；帶肋鋼筋亦稱變形鋼筋，有螺旋紋、人字紋和月牙肋三種，見圖1-1。螺旋紋和人字紋鋼筋以往稱為等高肋鋼筋，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，它與同樣公稱直徑的等高肋鋼筋相比，強度稍有提高，凸緣處應力集中也得到改善；它與混凝土之間的粘結強度雖略低于等高肋鋼筋，但仍具有良好的粘結性能。

下面分別把各種鋼筋作一簡介。

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下軋制而成。按照其強度的高低，分為HPB235、HPB300、HRB335、HRB400、HRB500等幾種。符號中的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），數字300、400等則表示該級別鋼筋的屈服強度值（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）鋼筋的公稱直徑范圍為6～22mm，冶標^[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，質量穩定，塑性及焊接性能良好，但強度稍低，而且由于其表面為光面的，與混凝土的粘結錨固性能較差，控制裂縫開展的能力很弱，用作為受拉鋼筋時末端需要加彎鉤，給施工帶來不便，一般只用于受力不大的薄板或用作為箍筋、架立筋、分布筋及吊環等。HPB235鋼筋應用歷史很長，以往在薄板和梁的箍筋中應用較多，由于其強度低，即將被淘汰。HPB300鋼筋是近年來新推出的鋼筋品種，在《混凝土結構設計規范》（GB 50010—2010）中已用HPB300鋼筋代替HPB235鋼筋。在圖紙與計算書中，HPB300用符號表示。2.熱軋帶肋鋼筋

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

在過去，HRB335鋼筋在水利工程中應用最為廣泛，目前由于其強度較低，將漸趨淘汰，而HRB400將成為主導的鋼筋品種。HRB500鋼筋是我國新生產的熱軋鋼筋品種，其特點是強度高，強度價格比好。電力系統的《水工混凝土結構設計規范》（DL/T 5057—2009）已將其列入規范，但在水利系統的《水工混凝土結構設計規范》（SL 191—2008）中則暫未列入，其原因是尚缺乏大量使用的實踐經驗，特別是在水利水電工程中，使用這類強度較高的鋼筋時，有無限制性條件，如何在充分發揮其強度時又能控制混凝土裂縫開展，如何采取適當的構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驗。

在圖紙與計算書中，HRB335、HRB400、HRB500這三種鋼筋分別用符號表示。

1.1.1.2 余熱處理鋼筋

余熱處理鋼筋的牌號為RRB400，用符號表示，它是在鋼筋熱軋后淬火以提高其強度，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，它可以作為強度400N/mm²級的鋼筋使用，但在焊接時焊接處因受熱可能會降低其強度，且其高強部分集中在鋼筋表面，抗疲勞的性能會受到影響，鋼筋機械連接表面切削加工時也會削弱其強度，因此應用受到一定的限制。一般可用于對鋼筋變形性能及加工性能要求不高的構件中，如基礎、大體積混凝土、樓板、墻體以及次要的結構構件中。

1.1.1.3 鋼絲

我國預應力混凝土結構采用的鋼絲都是消除應力鋼絲。消除應力鋼絲是將鋼筋拉拔后，經中溫回火消除應力并進行穩定化處理的鋼絲。按照消除應力時采用的處理方式不同，消除應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應力筋時應力松弛損失較大，現行國家標準《預應力混凝土用鋼絲》（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條為母材，經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行機械刻痕處理，以增加與混凝土的粘結能力，其公稱直徑分為≤5mm和＞5mm兩種。

1.1.1.4 鋼絞線

鋼絞線是由多根高強光圓或刻痕鋼絲捻制在一起經過低溫回火處理清除內應力后而制成，分為2股、3股和7股三種。對7根鋼絲捻制的鋼絞線還可再經模撥而制成型號為（1×7）C的鋼絞線。鋼絞線的公稱直徑有許多種，詳見本教材附錄3表3。

1.1.1.5 預應力螺紋鋼筋

過去習慣上將這種鋼筋稱為“高強精軋螺紋鋼筋”，目前稱為“預應力混凝土用螺紋鋼筋”。它以屈服強度劃分級別，無明顯屈服時用規定的“條件屈服強度”來代替。預應力螺紋鋼筋的直徑有18mm、25mm、32mm、40mm、50mm等幾種，主要用作為預應力錨桿。在我國的橋梁工程及水電站地下廠房的預應力巖壁吊車梁中，預應力螺紋鋼筋已有較多的應用。

1.1.1.6 鋼棒

預應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錨固性能較差，故現行水工混凝土結構設計規范僅列入了螺旋槽鋼棒和螺旋肋鋼棒兩種。其公稱直徑為6～14mm。

預應力混凝土用鋼棒的主要優點為強度高、延性好，具有可焊性與鐓鍛性，可盤卷。主要應用于預應力混凝土離心管樁、電桿、鐵路軌枕、橋梁、碼頭基礎、地下工程、污水處理工程及其他建筑預制構件中。

除上述熱軋鋼筋和預應力鋼絲、鋼絞線等外，在過去我國還有用于鋼筋混凝土結構的冷拉Ⅰ級鋼筋和用于預應力混凝土結構的冷拉Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級鋼筋，以及細直徑的冷軋帶肋鋼筋等。鋼筋經過冷拉或冷軋等冷加工后，屈服強度得到提高，但鋼材性質變硬變脆，延性大大降低，這對于承受沖擊荷載和抗震都是不利的。冷加工鋼筋在我國經濟困難、物質匱乏時代曾起到過節約鋼筋的作用，但在目前細直徑的熱軋鋼筋、高強度的預應力鋼絲和鋼棒等已能充分供應的情況下，冷加工鋼筋在我國已基本不再采用。

1.1.2 鋼筋的力學性能

上節所述的各種鋼筋與鋼絲，由于化學成分及制造工藝的不同，力學性能有顯著差別。按力學的基本性能來分，則有兩種類型：①熱軋鋼筋，其力學性質相對較軟，稱之為軟鋼；②預應力鋼絲、鋼絞線、預應力螺紋鋼筋及鋼棒，其力學性質高強而硬，稱之為硬鋼。

圖1-2 HPB300鋼筋的應力-應變曲線

1.1.2.1 軟鋼的力學性能

軟鋼從開始加載到拉斷，有4個階段，即彈性階段、屈服階段、強化階段與破壞階段。下面以HPB300鋼筋的受拉應力-應變曲線為例來說明軟鋼的力學特性，如圖1-2所示。

自開始加載至應力達到a點以前，應力應變呈線性關系，a點稱比例極限，0a段屬于線彈性工作階段。應力達到b點后，鋼筋進入屈服階段，產生很大的塑性變形，應力-應變曲線呈現一水平段，稱為流幅；b點應力稱為屈服強度（流限）。超過c點后，應力應變關系重新表現為上升的曲線，為強化階段。曲線最高點d點的應力稱為抗拉強度。此后鋼筋試件產生頸縮現象，應力應變關系成為下降曲線，應變繼續增大，到e點鋼筋被拉斷。

e點所對應的橫坐標稱為伸長率，它標志鋼筋的塑性。伸長率越大，塑性越好。鋼筋塑性除用伸長率標志外，還可用冷彎試驗來檢驗。冷彎就是把鋼筋圍繞直徑為D的鋼輥彎轉α角而要求不發生裂紋。鋼筋塑性越好，冷彎角α就可越大，鋼輥直徑D也可越小。

軟鋼的強度指標有屈服強度和抗拉強度，屈服強度（流限）是軟鋼的主要強度指標。混凝土結構構件中的鋼筋，當應力達到屈服強度后，荷載不增加，應變會繼續增大，使得混凝土裂縫開展過寬，構件變形過大，結構構件不能正常使用。所以軟鋼的受拉強度限值以屈服強度為準，其強化階段只作為一種安全儲備考慮。

鋼材中含碳量越高，屈服強度和抗拉強度就越高，伸長率就越小，流幅也相應縮短。圖1-3表示了不同強度軟鋼的應力-應變曲線的差異。

圖1-3 不同強度軟鋼的應力-應變曲線

圖1-4 硬鋼的應力-應變曲線

1.1.2.2 硬鋼的力學性能

硬鋼強度高，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為硬鋼的應力-應變曲線。

硬鋼沒有明確的屈服臺階（流幅），所以設計中一般以“協定流限”作為強度標準，所謂協定流限是指經過加載及卸載后尚存有0.2%永久殘余變形時的應力，用σ_0.2表示。σ_0.2亦稱“條件屈服強度”或“非比例延伸強度”，一般相當于極限抗拉強度的70%～90%。對鋼絲、鋼絞線和鋼棒，規范取極限抗拉強度的85%作為條件屈服強度；對預應力螺紋鋼筋，規范取極限抗拉強度的80%作為條件屈服強度。

硬鋼塑性差，伸長率小。因此，用硬鋼配筋的混凝土構件，受拉破壞時往往突然斷裂，不像用軟鋼配筋的構件那樣，在破壞前有明顯的預兆。

1.1.2.3 鋼筋的疲勞

鋼筋的疲勞是指鋼筋在承受重復、周期性的動荷載作用下，經過一定次數的循環重復后，突然脆斷的現象。一些承受重復荷載的鋼筋混凝土構件在正常使用期間會由于疲勞發生破壞，如門機軌道梁。

鋼筋的疲勞一般認為是由于鋼材內部有雜質和氣孔，外表面有斑痕缺陷，以及表面形狀突變引起的應力集中造成的。應力集中過大時，鋼筋晶粒滑移，使鋼材發生微裂紋，在重復應力作用下，鋼筋會因裂紋擴展而發生突然斷裂。因此鋼筋的疲勞強度小于靜荷載作用下的極限強度。

試驗表明，影響疲勞強度的主要因素為鋼筋的疲勞應力幅為一次循環應力中同一層鋼筋的最大應力與最小應力的差值，即。

《混凝土結構設計規范》 （GB 50010—2010）給出了不同等級鋼筋的疲勞應力幅的限值，并規定該限值與疲勞應力比值有關。的限值除與有關外，還與循環重復次數有關。循環重復次數要求越高，的限值越小，我國要求滿足的循環重復次數為200萬次。

在水工建筑中，很少遇到數百萬次的周期性重復荷載，所以一般可不驗算材料的疲勞強度。但如采油平臺等海工建筑受到波浪的沖擊，就應考慮這一問題，其使用荷載作用下的材料應力就不能過高。

1.1.2.4 鋼筋彈性模量

鋼筋在彈性階段的應力與應變的比值，稱為彈性模量，用符號E_s表示，常用鋼筋的彈性模量E_s見本教材附錄2表5。

1.1.3 混凝土結構對鋼筋性能的要求

1.鋼筋的強度

采用高強度鋼筋可以節約鋼材，取得較好的經濟效果，但混凝土結構中鋼筋的強度并非越高越好。由于鋼筋的彈性模量并不因其強度提高而增大，高強鋼筋若充分發揮其強度，則與高應力相應的大伸長變形勢必會引起混凝土結構過大的變形和裂縫寬度。因此，對于普通混凝土結構而言，鋼筋的設計強度限值宜在400N/mm²左右。預應力混凝土結構較好地解決了這個矛盾，但又帶來鋼筋與混凝土之間的錨固與協調受力的問題，過高的強度仍然難以充分發揮作用，故目前預應力筋的最高強度限值約為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，能給出構件裂縫開展過寬將要破壞的預兆信號。鋼筋的伸長率和冷彎性能是施工單位驗收鋼筋塑性是否合格的主要指標。

3.鋼筋的可焊性

在很多情況下，鋼筋之間需通過焊接來連接，可焊性是評定鋼筋焊接接頭性能的指標。可焊性好，就是要求在一定的工藝條件下鋼筋焊接后不產生裂紋及過大的變形，焊接處的鋼材強度不降低過多。我國的HPB300、HRB335及HRB400的可焊性均較好，應注意高強鋼絲、鋼絞線等則是不可焊的。

4.鋼筋與混凝土之間的粘結力

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力，粘結力良好的鋼筋方能使裂縫寬度控制在合適的限值內。鋼筋的表面形狀是影響粘結力的主要因素，帶肋鋼筋與混凝土之間的粘結性能明顯優于光圓鋼筋與混凝土之間的粘結性能，因此構件中的縱向受力鋼筋應優先選用帶肋鋼筋。