任务一　钢筋

目　　标：（1）掌握钢筋的品种和级别。

（2）掌握钢筋应力-应变关系的数学模型。

（3）熟悉混凝土结构对钢筋的要求。

提交成果：钢筋力学性能实验报告。

一、钢筋的品种与性能

我国的钢筋产品分为热轧钢筋、中高强钢丝和钢绞线以及冷加工钢筋三大系列。

（一）热轧钢筋

1.热轧钢筋的种类

热轧钢筋是钢厂用普通低碳钢（含碳量不大于0.25%）和普通低合金钢（合金元素不大于5%）制成。其常用种类、代表符号和直径范围见表1-1。

表1-1中，HPB235为热轧光面钢筋，HRB335和HRB400是热轧变形钢筋，RRB400是余热处理钢筋。在公路桥涵工程中，热轧光面钢筋用R235表示，余热处理钢筋用KL400表示。余热处理钢筋是将屈服强度相当于HRB335的钢筋在轧制后穿水冷却，然后利用芯部的余热对钢筋表面的淬水硬壳回火处理而成的变形钢筋。其性能接近于HRB400级钢筋，但不如HRB400级钢筋稳定，焊接时钢筋回火强度有所降低，因此应用范围受到限制。

为了简化起见，在设计计算书和施工图纸上，各种强度等级的热轧钢筋均以表1-1中的符号代表。因此，要记住各个符号代表的钢筋级别，不要将它们混淆。

钢筋的直径范围并不表示在此范围内任何直径的钢筋钢厂都生产。钢厂提供的钢筋直径为6mm、6.5mm、8mm、8.2mm、10mm、12mm、14mm、16mm、18mm、20mm、22mm、25mm、28mm、32mm、36mm、40mm和50mm。其中d＝8.2mm的钢筋仅适用于有纵肋的热处理钢筋。设计时，应在表1-1的直径范围和上述提供的直径内选择钢筋。直径大于40mm的钢筋主要用于大坝一类大体积混凝土结构中。当采用直径大于40mm的钢筋时，应有可靠的工程经验。

钢筋表面形状的选择取决于钢筋的强度。为了使钢筋的强度能够充分利用，强度越高的钢筋要求与混凝土黏结的强度越大。提高黏结强度的办法是将钢筋表面轧成有规律的凸出花纹，称为变形钢筋。HPB235钢筋强度低，表面做成光面即可［图1-1（a）］，其余级别的钢筋强度较高，表面均应做成带肋形式，即为变形钢筋。变形钢筋的表面形状，我国以往长期采用螺旋纹和人字纹两种［图1-1（b）和（c）］，表面花纹由两条纵肋和螺旋形横肋或人字形横肋组成。鉴于这种形式的横肋较密，消耗于肋纹的钢材较多，且纵肋和横肋相交，容易造成应力集中，对钢筋的动力性能不利，故近几年来我国已将变形钢筋的肋纹改为月牙纹［图1-1（d）］。月牙纹钢筋的特点是横肋呈月牙形，与纵肋不相交，且横肋的间距比老式变形钢筋大，故可克服老式钢筋的缺点，而黏结强度降低不多。

2.热轧钢筋的力学性能

（1）应力-应变曲线的一般特征。热轧钢筋具有明显的屈服点和屈服台阶（图1-2）。根据热轧钢筋应力-应变曲线的基本特征，在建立钢筋混凝土构件截面承载力计算理论时，作了如下两点简化。

1）忽略从比例极限到屈服点之间钢筋微小的塑性应变，即假设钢筋应力不大于屈服点时，应力-应变关系一直服从胡克定律，处于理想弹性阶段。

2）不利用应力强化阶段，假使钢筋混凝土构件截面达到破坏时，钢筋拉应力保持为屈服点应力，应变则处于流幅以内。

经上述简化后，热轧钢筋的应力-应变关系可简化为如图1-3所示的曲线（图中fy为钢筋抗拉强度设计值）。

（2）塑性性能。

1）伸长率。伸长率是衡量钢筋塑性性能的一个指标，伸长率越大，塑性越好。伸长率用δ表示，我国以往用钢筋试样拉断后断口两侧的残留应变（用百分率表示）作伸长率，即

国内对应变量测标距规定取l＝5d（d为试件直径），相应的伸长率用δ5表示。也有取l＝10d和l＝100mm的，相应的伸长率分别用δ10和δ100表示。通常δ5＞δ10，这是因为残留应变主要集中在颈缩区段内，而劲缩区段的长度与量测标距的大小无关，标距越短，获得的平均残留应变自然就越大。

上述伸长率只反映颈缩区域的残留变形大小，与钢筋拉断时的应变状态相去甚远。且各类钢筋对颈缩的反应不同，加上断口拼接的量测误差，难以真实地反映钢筋的塑性。为此，《金属材料　拉伸试验　第1部分：室温试验方法》（GB/T　228.1—2010）要求在试验中绘制应力-应变曲线，按量测并计算钢筋在最大拉力下的总伸长率（简称均匀伸长率）δgt作为钢筋塑性的指标。在一般试验条件下，可以按图1-4量测试验后非颈缩断口区域标识l0内的残余应变εr＝（l′-l0）/l0（l′为残余长度），加上已回复的弹性应变εe＝/Es为实测钢筋拉断强度，Es＝tanθ为弹性模量）而得均匀伸长率

均匀伸长率δgt比断口附近伸长率δ更真实地反映了钢筋在拉断前的平均（非局部区域）伸长率，可客观地反映钢筋的变形能力，是比较科学的塑性指标。

2）冷弯试验。冷弯试验是检验钢筋塑性的另一种方法。伸长率一般不能反映钢材脆化的倾向。为了使钢筋在弯折加工时不致断裂和在使用过程中不致脆断，应进行冷弯试验，并保证满足规定的指标。冷弯试验的示意图如图1-5所示。图中D称为弯心直径；α为冷弯角度。冷弯试验的合格标准为在规定的D和α下冷弯后的钢筋应无裂纹、鳞落或断裂现象。在实际应用中，钢筋往往会遇到在弯折后再回弯的情况。实践表明，对于变形钢筋，经冷弯试验合格，而在反弯时断裂的现象常有发生，因此逐步认识到对钢筋仅规定上述冷弯试验可能是不够的。一些欧洲国家如荷兰、英国、法国、德国等，从20世纪60年代以来，先后增加了对钢筋的反弯性能要求。例如英国标准《混凝土用碳素钢筋》（BS 4449—1978）规定的反弯试验方法为：钢筋在弯心直径D＝3d（d为钢筋直径）的条件下，正弯45°后，进行人工时效处理（将试样浸入100℃沸水中保温30min以上，然后在空气中冷却至室温），再反弯不小于23°，弯曲部位不得出现肉眼可见的横向裂缝。我国近年来也对变形钢筋的反弯性能进行了一些试验研究，有对钢筋增加反弯性能要求的趋势。

（3）强度及弹性模量。热轧钢筋的强度以屈服点应力为依据。这是因为钢筋应力超过屈服点后将产生过大的应变，在钢筋混凝土构件中，由于受到混凝土极限应变的制约，截面达到破坏时，钢筋不大可能进入这样大的应变状态。但是作为一种安全储备，钢筋的极限抗拉强度仍有重要意义。即通常希望当构件的某个（或某些）截面已经破坏时，钢筋仍不致被拉断而造成整个结构倒塌。因此，在力学性能方面，要求钢筋的屈服应力不低于规定值。而且“屈服应力/极限抗拉强度”值（通常称为“屈强比”）不宜过大。

钢筋强度用标准值和设计值表示。根据可靠度要求，混凝土结构设计规范取具有95%以上的保证率的屈服强度作为钢筋的强度标准值fyk。钢筋强度的设计值fy等于钢筋强度标准值除以材料分项系数γs，即

由于钢材的均质性较好，质量波动较小，因此，建筑工程规范对各种热轧钢筋统一取γs＝1.10。公路桥涵工程的可靠度要求比建筑工程高一些，取γs＝1.20。

钢筋的强度标准用于正常使用极限状态的验算，设计值用于承载能力极限状态的计算。

（二）钢丝和钢绞线

钢丝的直径为4～10mm，捻制成钢绞线后也不超过15.2mm。钢丝外形有光面、刻痕、月牙肋及螺旋肋几种，而钢绞线则为绳状，由2股、3股或7股钢丝捻制而成，均可盘成卷状。刻痕钢丝、螺旋肋钢丝和绳状钢绞线的形状如图1-6所示。

钢丝和钢绞线均无明显的屈服点和屈服台阶，其抗拉强度很高，中强钢丝的抗拉强度为800～1370MPa，高强钢丝、钢绞线的抗拉强度为1470～1860MPa。伸长率则很小，δ100＝3.5%～4%。中、高强钢丝和钢绞线的应力-应变特征如图1-7所示。图中σ0.2为对应于残余应变为0.2%的应力，称之为无明显屈服点钢筋的条件屈服点。

钢丝和钢绞线用作预应力混凝土结构的钢筋。在预应力混凝土结构中，除了采用钢丝外，还采用热处理钢筋。它是将强度很高的热轧钢筋经过加热、淬火和回火等调质工艺处理的热轧钢筋。其抗拉强度为1470MPa，伸长率δ10＝6%，无明显的屈服点和屈服台阶。

钢丝和钢绞线的强度标准取具有95%以上保证率的抗拉强度值。设计值取条件屈服点除以分项系数γs。条件屈服点不小于抗拉强度的85%，建筑工程中取材料分项系数γs＝1.20，公路桥涵工程中取γs＝1.25。钢筋强度标准值、设计值及弹性模量见附录2。

（三）冷加工钢筋

冷加工钢筋是指在常温下采用某种工艺对热轧钢筋进行加工得到的钢筋。常用的加工工艺有冷拉、冷拔、冷轧带肋和冷轧扭四种。其目的都是为了提高钢筋的强度，以节约钢材。但是，经冷加工后的钢筋在强度提高的同时，延伸率显著降低，除冷拉钢筋仍具有明显的屈服点外，其余冷加工钢筋均无明显屈服点和屈服台阶。

1.冷拉钢筋

冷拉是使热轧钢筋的冷拉应力值先超过屈服强度，如图1-8所示的K点，然后卸载，在卸载过程中，σ-ε曲线沿着直线KO′（KO′//BO）回到O′点，这时钢筋产生残余变形OO′。如果立即重新张拉，σ-ε曲线将沿着O′KDE变化，这时拉伸曲线将沿O′KDE变化。如果停留一段时间后再进行张拉，则σ-ε曲线沿着O′KK′D′E′变化，屈服点从K提高到K′点，这种现象称为时效硬化。温度对时效硬化影响很大，例如HPB235级钢在常温情况下20d完成时效硬化，若温度为100℃时仅需2h完成时效硬化。但如果继续加温可能得到相反的效果。为了使钢筋冷拉时效后，既能显著提高强度，又能使钢材具有一定的塑性，应合理选择张拉控制点K，K点相对应的应力称为冷拉控制应力，K点相对应的应变OO′称为冷拉率。冷拉工艺分为控制应力和控制应变（冷拉率）两种方法。

2.冷拔钢筋

冷拔是将钢筋用强力拔过比其直径小的硬质合金拔丝模（图1-9）。这时钢筋受到纵向拉力和横向压力的作用，内部结构发生变化，截面变小而长度增加。经过几次冷拔，钢筋强度比原来的有很大提高，但塑性则显著降低，且没有明显屈服点（图1-10）。冷拔可以同时提高钢筋的抗拉强度和抗压强度。

冷拔低碳钢丝为光圆钢丝，直径为3mm、4mm、5mm，强度为550MPa、650MPa和750MPa三种。其中，550MPa冷拔低碳钢丝用作非预应力钢筋，其余用作预应力钢筋。

3.冷轧带肋钢筋

冷轧带肋钢筋是以低碳筋或低合金钢筋为原材料，在常温下进行轧制而成的表面带有纵肋和月牙纹横肋的钢筋（图1-11）。它的极限强度与冷拔低碳钢丝相近，但伸长率比冷拔低碳钢丝有明显提高。用这种钢筋逐步取代普通低碳钢筋和冷拔低碳钢丝，可以改善构件在正常使用阶段的受力性能和节省钢材。冷轧带肋钢筋的直径从4～12mm，按0.5mm变化；其抗拉强度分别为550MPa、650MPa、800MPa、970MPa和1170MPa几种。其中，550MPa的冷轧带肋钢筋用作非预应力钢筋，其余的用作预应力钢筋。

4.冷轧扭钢筋

冷轧扭钢筋是以热轧光面钢筋HPB235为原材料，按规定的工艺参数，经钢筋冷轧扭机一次加工轧扁扭曲呈连续螺旋状的冷强化钢筋（图1-12）。其原材料（规格为直径6.5、8、10和12）抗拉强度标准值为600N/mm2。

冷拔低碳钢丝、冷轧带肋钢筋和冷轧扭钢筋都有专门的设计与施工规程，供设计与施工时查用。

二、混凝土结构对钢筋性能的要求

1.强度高

强度系指钢筋的屈服强度和极限强度。钢筋的屈服强度是混凝土结构构件计算的主要依据之一（对无明显屈服点的钢筋取条件屈服强度σ0.2）。采用较高强度的钢筋可以节省钢材，获得较好的经济效益。

2.塑性好

要求钢筋在断裂前有足够的变形，能给人以破坏的预兆。因此，应保证钢筋的伸长率和冷弯性能合格。

3.可焊性好

在很多情况下，钢筋的接长和钢筋之间的连接需通过焊接。因此，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，保证焊接后的接头性能良好。

4.与混凝土的黏结锚固性能好

为了使钢筋的强度能够充分被利用和保证钢筋与混凝土共同工作，二者之间应有足够的黏结力。

在寒冷地区，对钢筋的低温性能也有一定的要求。

三、钢筋的选用原则

钢筋混凝土结构及预应力混凝土结构的钢筋，应按下列规定选用。

（1）钢筋混凝土结构中的钢筋和预应力混凝土结构中的非预应力钢筋宜优先采用HRB400级和HRB335级钢筋，以节省钢筋用量，改善我国建筑结构的质量。除此之外，也可以采用HPB235级和RRB400级热轧钢筋以及强度级别较低的冷拔、冷轧和冷轧扭钢筋。

（2）预应力钢筋宜采用预应力钢绞线、中高强钢丝，也可以采用热处理钢筋。除此之外，还可以采用冷拉钢筋和强度级别较高的冷拔低碳钢丝和冷轧扭钢筋。公路桥涵工程中还可以选用精制螺纹钢筋。

在我国经济困难、物资短缺的年代，冷加工钢筋为我国的基本建设事业做出过极大的贡献。但是，冷加工钢筋在强度提高的同时，塑性大幅度地降低，导致结构构件的塑性减小，脆性加大。当前，我国的钢产量已位于世界之首，质优、价廉的钢材不断出现，为了提高结构构件的质量，应尽量选用强度较高、塑性较好、价格较低的钢材。