第1章 混凝土结构材料的物理力学性能

1.1 钢筋的品种和力学性能

1.1.1 钢筋的品种

在我国，混凝土结构中所采用的钢筋有热轧钢筋、钢丝、钢绞线、预应力螺纹钢筋及钢棒等。

按其在结构中所起作用的不同，钢筋可分为普通钢筋和预应力筋两大类。普通钢筋是指用于钢筋混凝土结构中的钢筋以及用于预应力混凝土结构中的非预应力筋；预应力筋是指用于预应力混凝土结构中预先施加预应力的钢筋。热轧钢筋主要用作普通钢筋，而钢丝、钢绞线、预应力螺纹钢筋及钢棒主要用作预应力筋。

按化学成分的不同，钢筋可分为碳素钢和普通低合金钢两大类。碳素钢的机械性能与含碳量的多少有关。含碳量增加，能使钢材强度提高，性质变硬，但也将使钢材的塑性和韧性降低，焊接性能也会变差。碳素钢按其碳的含量分为低碳钢（含碳量<0.25%）、中碳钢（含碳量0.25%～0.60%）和高碳钢（含碳量0.60%～1.4%）。用作钢筋的碳素钢主要是低碳钢和中碳钢。如果炼钢时在碳素钢的基础上加入少量（一般不超过3.5%）合金元素，就成为普通低合金钢。合金元素锰、硅、钒、钛等可使钢材的强度、塑性等综合性能提高。磷、硫则是有害杂质，其含量超过约0.045%后会使钢材变脆，塑性显著降低，且不利于焊接。普通低合金钢钢筋具有强度高、塑性及可焊性好的特点，因而应用广泛。

热轧钢筋按其外形分为热轧光圆钢筋和热轧带肋钢筋两类，光圆钢筋的表面是光面的；带肋钢筋亦称变形钢筋，有螺旋纹、人字纹和月牙肋三种，见图1-1。螺旋纹和人字纹钢筋以往称为等高肋钢筋，等高肋钢筋由于基圆面积率小，锚固延性差，疲劳性能差，已被逐渐淘汰。目前常用的是月牙肋钢筋，它与同样公称直径的等高肋钢筋相比，强度稍有提高，凸缘处应力集中也得到改善；它与混凝土之间的粘结强度虽略低于等高肋钢筋，但仍具有良好的粘结性能。

下面分别把各种钢筋作一简介。

1.1.1.1 热轧钢筋

热轧钢筋是低碳钢或普通低合金钢在高温状态下轧制而成。按照其强度的高低，分为HPB235、HPB300、HRB335、HRB400、HRB500等几种。符号中的H表示热轧（hot rolled），P表示光面的（plain），R表示带肋的（ribbed），B表示钢筋（bar），数字300、400等则表示该级别钢筋的屈服强度值（N/mm²）。可以看出HPB235和HPB300钢筋为光圆钢筋，HRB335、HRB400和HRB500为带肋钢筋。

图1-1 钢筋表面及截面形状

（a）光圆钢筋；（b）螺旋纹钢筋；（c）人字纹钢筋；（d）月牙肋钢筋

1.热轧光圆钢筋

热轧光圆钢筋（HPB235、HPB300）钢筋的公称直径范围为6～22mm，冶标^[1]推荐采用的直径有：6mm、8mm、10mm、12mm、16mm、20mm等几种。热轧光圆钢筋属于低碳钢，质量稳定，塑性及焊接性能良好，但强度稍低，而且由于其表面为光面的，与混凝土的粘结锚固性能较差，控制裂缝开展的能力很弱，用作为受拉钢筋时末端需要加弯钩，给施工带来不便，一般只用于受力不大的薄板或用作为箍筋、架立筋、分布筋及吊环等。HPB235钢筋应用历史很长，以往在薄板和梁的箍筋中应用较多，由于其强度低，即将被淘汰。HPB300钢筋是近年来新推出的钢筋品种，在《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010）中已用HPB300钢筋代替HPB235钢筋。在图纸与计算书中，HPB300用符号表示。2.热轧带肋钢筋

水工结构采用的热轧带肋钢筋包括HRB335、HRB400、HRB500，公称直径范围为6～50mm，冶标^[2]推荐采用的直径有6mm、8mm、10mm、12mm、16mm、20mm、25mm、32mm、40mm、50mm等几种。热轧带肋钢筋的强度、塑性及可焊性都较好。由于强度比较高，为增加钢筋与混凝土之间的粘结力，保证两者能共同工作，钢筋表面轧制成月牙肋。

在过去，HRB335钢筋在水利工程中应用最为广泛，目前由于其强度较低，将渐趋淘汰，而HRB400将成为主导的钢筋品种。HRB500钢筋是我国新生产的热轧钢筋品种，其特点是强度高，强度价格比好。电力系统的《水工混凝土结构设计规范》（DL/T 5057—2009）已将其列入规范，但在水利系统的《水工混凝土结构设计规范》（SL 191—2008）中则暂未列入，其原因是尚缺乏大量使用的实践经验，特别是在水利水电工程中，使用这类强度较高的钢筋时，有无限制性条件，如何在充分发挥其强度时又能控制混凝土裂缝开展，如何采取适当的构造措施以保证其锚固及连接等方面尚需积累必要的工程经验。

在图纸与计算书中，HRB335、HRB400、HRB500这三种钢筋分别用符号表示。

1.1.1.2 余热处理钢筋

余热处理钢筋的牌号为RRB400，用符号表示，它是在钢筋热轧后淬火以提高其强度，再利用芯部余热回火处理而保留一定延性的钢筋。在一般情况下，它可以作为强度400N/mm²级的钢筋使用，但在焊接时焊接处因受热可能会降低其强度，且其高强部分集中在钢筋表面，抗疲劳的性能会受到影响，钢筋机械连接表面切削加工时也会削弱其强度，因此应用受到一定的限制。一般可用于对钢筋变形性能及加工性能要求不高的构件中，如基础、大体积混凝土、楼板、墙体以及次要的结构构件中。

1.1.1.3 钢丝

我国预应力混凝土结构采用的钢丝都是消除应力钢丝。消除应力钢丝是将钢筋拉拔后，经中温回火消除应力并进行稳定化处理的钢丝。按照消除应力时采用的处理方式不同，消除应力钢丝又可分为低松弛和普通松弛两种，普通松弛钢丝用作预应力筋时应力松弛损失较大，现行国家标准《预应力混凝土用钢丝》（GB/T 5223—2002）不推荐采用普通松弛钢丝。

钢丝以其表面形状可分为光圆、螺旋肋及刻痕三种。

光圆钢丝的公称直径有3mm、4mm、5mm、6mm、6.25mm、7mm、8mm、9mm、10mm、12mm等几种。

螺旋肋钢丝是以普通低碳钢或普通低合金钢热轧的圆盘条为母材，经冷轧减径后在其表面冷轧成两面或三面有月牙肋的钢丝。其公称直径有4mm、4.8mm、5mm、6mm、6.25mm、7mm、8mm、9mm、10mm等几种。

刻痕钢丝是在光圆钢丝的表面上进行机械刻痕处理，以增加与混凝土的粘结能力，其公称直径分为≤5mm和＞5mm两种。

1.1.1.4 钢绞线

钢绞线是由多根高强光圆或刻痕钢丝捻制在一起经过低温回火处理清除内应力后而制成，分为2股、3股和7股三种。对7根钢丝捻制的钢绞线还可再经模拨而制成型号为（1×7）C的钢绞线。钢绞线的公称直径有许多种，详见本教材附录3表3。

1.1.1.5 预应力螺纹钢筋

过去习惯上将这种钢筋称为“高强精轧螺纹钢筋”，目前称为“预应力混凝土用螺纹钢筋”。它以屈服强度划分级别，无明显屈服时用规定的“条件屈服强度”来代替。预应力螺纹钢筋的直径有18mm、25mm、32mm、40mm、50mm等几种，主要用作为预应力锚杆。在我国的桥梁工程及水电站地下厂房的预应力岩壁吊车梁中，预应力螺纹钢筋已有较多的应用。

1.1.1.6 钢棒

预应力混凝土用钢棒按表面形状分为光圆钢棒、螺旋槽钢棒、螺旋肋钢棒、带肋钢棒四种。由于光圆钢棒和带肋钢棒的粘结锚固性能较差，故现行水工混凝土结构设计规范仅列入了螺旋槽钢棒和螺旋肋钢棒两种。其公称直径为6～14mm。

预应力混凝土用钢棒的主要优点为强度高、延性好，具有可焊性与镦锻性，可盘卷。主要应用于预应力混凝土离心管桩、电杆、铁路轨枕、桥梁、码头基础、地下工程、污水处理工程及其他建筑预制构件中。

除上述热轧钢筋和预应力钢丝、钢绞线等外，在过去我国还有用于钢筋混凝土结构的冷拉Ⅰ级钢筋和用于预应力混凝土结构的冷拉Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级钢筋，以及细直径的冷轧带肋钢筋等。钢筋经过冷拉或冷轧等冷加工后，屈服强度得到提高，但钢材性质变硬变脆，延性大大降低，这对于承受冲击荷载和抗震都是不利的。冷加工钢筋在我国经济困难、物质匮乏时代曾起到过节约钢筋的作用，但在目前细直径的热轧钢筋、高强度的预应力钢丝和钢棒等已能充分供应的情况下，冷加工钢筋在我国已基本不再采用。

1.1.2 钢筋的力学性能

上节所述的各种钢筋与钢丝，由于化学成分及制造工艺的不同，力学性能有显著差别。按力学的基本性能来分，则有两种类型：①热轧钢筋，其力学性质相对较软，称之为软钢；②预应力钢丝、钢绞线、预应力螺纹钢筋及钢棒，其力学性质高强而硬，称之为硬钢。

图1-2 HPB300钢筋的应力-应变曲线

1.1.2.1 软钢的力学性能

软钢从开始加载到拉断，有4个阶段，即弹性阶段、屈服阶段、强化阶段与破坏阶段。下面以HPB300钢筋的受拉应力-应变曲线为例来说明软钢的力学特性，如图1-2所示。

自开始加载至应力达到a点以前，应力应变呈线性关系，a点称比例极限，0a段属于线弹性工作阶段。应力达到b点后，钢筋进入屈服阶段，产生很大的塑性变形，应力-应变曲线呈现一水平段，称为流幅；b点应力称为屈服强度（流限）。超过c点后，应力应变关系重新表现为上升的曲线，为强化阶段。曲线最高点d点的应力称为抗拉强度。此后钢筋试件产生颈缩现象，应力应变关系成为下降曲线，应变继续增大，到e点钢筋被拉断。

e点所对应的横坐标称为伸长率，它标志钢筋的塑性。伸长率越大，塑性越好。钢筋塑性除用伸长率标志外，还可用冷弯试验来检验。冷弯就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也可越小。

软钢的强度指标有屈服强度和抗拉强度，屈服强度（流限）是软钢的主要强度指标。混凝土结构构件中的钢筋，当应力达到屈服强度后，荷载不增加，应变会继续增大，使得混凝土裂缝开展过宽，构件变形过大，结构构件不能正常使用。所以软钢的受拉强度限值以屈服强度为准，其强化阶段只作为一种安全储备考虑。

钢材中含碳量越高，屈服强度和抗拉强度就越高，伸长率就越小，流幅也相应缩短。图1-3表示了不同强度软钢的应力-应变曲线的差异。

图1-3 不同强度软钢的应力-应变曲线

图1-4 硬钢的应力-应变曲线

1.1.2.2 硬钢的力学性能

硬钢强度高，但塑性差，脆性大。从加载到拉断，不像软钢那样有明显的阶段，基本上不存在屈服阶段（流幅）。图1-4为硬钢的应力-应变曲线。

硬钢没有明确的屈服台阶（流幅），所以设计中一般以“协定流限”作为强度标准，所谓协定流限是指经过加载及卸载后尚存有0.2%永久残余变形时的应力，用σ_0.2表示。σ_0.2亦称“条件屈服强度”或“非比例延伸强度”，一般相当于极限抗拉强度的70%～90%。对钢丝、钢绞线和钢棒，规范取极限抗拉强度的85%作为条件屈服强度；对预应力螺纹钢筋，规范取极限抗拉强度的80%作为条件屈服强度。

硬钢塑性差，伸长率小。因此，用硬钢配筋的混凝土构件，受拉破坏时往往突然断裂，不像用软钢配筋的构件那样，在破坏前有明显的预兆。

1.1.2.3 钢筋的疲劳

钢筋的疲劳是指钢筋在承受重复、周期性的动荷载作用下，经过一定次数的循环重复后，突然脆断的现象。一些承受重复荷载的钢筋混凝土构件在正常使用期间会由于疲劳发生破坏，如门机轨道梁。

钢筋的疲劳一般认为是由于钢材内部有杂质和气孔，外表面有斑痕缺陷，以及表面形状突变引起的应力集中造成的。应力集中过大时，钢筋晶粒滑移，使钢材发生微裂纹，在重复应力作用下，钢筋会因裂纹扩展而发生突然断裂。因此钢筋的疲劳强度小于静荷载作用下的极限强度。

试验表明，影响疲劳强度的主要因素为钢筋的疲劳应力幅为一次循环应力中同一层钢筋的最大应力与最小应力的差值，即。

《混凝土结构设计规范》 （GB 50010—2010）给出了不同等级钢筋的疲劳应力幅的限值，并规定该限值与疲劳应力比值有关。的限值除与有关外，还与循环重复次数有关。循环重复次数要求越高，的限值越小，我国要求满足的循环重复次数为200万次。

在水工建筑中，很少遇到数百万次的周期性重复荷载，所以一般可不验算材料的疲劳强度。但如采油平台等海工建筑受到波浪的冲击，就应考虑这一问题，其使用荷载作用下的材料应力就不能过高。

1.1.2.4 钢筋弹性模量

钢筋在弹性阶段的应力与应变的比值，称为弹性模量，用符号E_s表示，常用钢筋的弹性模量E_s见本教材附录2表5。

1.1.3 混凝土结构对钢筋性能的要求

1.钢筋的强度

采用高强度钢筋可以节约钢材，取得较好的经济效果，但混凝土结构中钢筋的强度并非越高越好。由于钢筋的弹性模量并不因其强度提高而增大，高强钢筋若充分发挥其强度，则与高应力相应的大伸长变形势必会引起混凝土结构过大的变形和裂缝宽度。因此，对于普通混凝土结构而言，钢筋的设计强度限值宜在400N/mm²左右。预应力混凝土结构较好地解决了这个矛盾，但又带来钢筋与混凝土之间的锚固与协调受力的问题，过高的强度仍然难以充分发挥作用，故目前预应力筋的最高强度限值约为2000N/mm²左右。

2.钢筋的塑性

要求钢筋有一定的塑性是为了使钢筋在断裂前有足够的变形，能给出构件裂缝开展过宽将要破坏的预兆信号。钢筋的伸长率和冷弯性能是施工单位验收钢筋塑性是否合格的主要指标。

3.钢筋的可焊性

在很多情况下，钢筋之间需通过焊接来连接，可焊性是评定钢筋焊接接头性能的指标。可焊性好，就是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，焊接处的钢材强度不降低过多。我国的HPB300、HRB335及HRB400的可焊性均较好，应注意高强钢丝、钢绞线等则是不可焊的。

4.钢筋与混凝土之间的粘结力

为了保证钢筋与混凝土共同工作，要求钢筋与混凝土之间必须有足够的粘结力，粘结力良好的钢筋方能使裂缝宽度控制在合适的限值内。钢筋的表面形状是影响粘结力的主要因素，带肋钢筋与混凝土之间的粘结性能明显优于光圆钢筋与混凝土之间的粘结性能，因此构件中的纵向受力钢筋应优先选用带肋钢筋。