HPB300级钢筋的受拉应力

上节所述各种钢筋，由于化学成分及制造工艺的不同，力学性能有显著差别，按力学性能来分，则有两种类型：①热轧HPB300、HRB335、HRBF335至HRB500、HRBF500级钢筋，钢的力学性质相对较软，常称之为软钢；②热处理钢筋及高强钢丝，其力学性质高强而硬，常称为硬钢。

（1）软钢的力学性能 软钢从开始加载到拉断，有四个阶段，即弹性阶段、屈服阶段、强化阶段与破坏阶段。下面以HPB300级钢筋的受拉应力—应变曲线为例来说明软钢的力学性能，如图2-2所示。

图2-2 有明显屈服点的钢筋的应力—应变曲线

自开始加载至应力达到a点以前，应力—应变成线性关系，a点称为比例极限，这时卸载后应变能按线性恢复，0a段属于线弹性工作阶段。当应力超过a点后，应力与应变呈曲线关系，但在b点前卸荷后应变能够完全恢复，所以b点被称为弹性极限，ab段属于非线性弹性工作阶段。由于比例极限和弹性极限在数值上相差不大，且不稳定，所以有时也将两者混同起来统称为弹性极限。通常在工程实用中并不需要测定这两个极限应力。当应力超过b点后，进入屈服阶段，应力σ有幅度不大的波动，其最高点c的应力称之为屈服上限，而最低点d的应力则称之为屈服下限。试验结果指出，很多因素对屈服上限的数值有影响，而屈服下限则较为稳定，并且a点与d点比较接近。因此，通常将d点所对应的应力称为屈服强度，d点称为屈服点。应力达到屈服点以后，钢筋将产生很大的塑性变形，水平段de称为屈服台阶或流幅。超过e点以后，钢筋应力—应变曲线重新表现为上升的曲线。曲线上升到最高点f点，钢筋的应力达到了极限强度，ef段称为强化阶段，f点的应力称为抗拉强度。钢筋的应力达到极限抗拉强度以后，钢筋产生颈缩现象，应力—应变关系曲线开始下降，即应力降低，应变仍继续增长，直到g点，钢筋在某个较薄弱的部位被拉断。fg段通常称为下降段。

在结构构件的计算过程中，通常取钢筋的屈服强度作为钢筋强度计算的基本指标。这是因为结构构件某一截面钢筋的应力达到屈服强度以后，将在荷载基本不增加的情况下产生持续的塑性变形，构件可能在钢筋尚未进入强化段之前就已产生过大的变形与裂缝，结构不能正常使用或已破坏，故取钢筋的屈服点作为构件破坏时的强度计算指标，而钢筋的强化阶段只作为一种安全储备考虑。此外，钢筋的屈服强度与极限强度的比值称为屈强比。这个指标反映出结构可靠性能潜力的大小，屈强比越小，表明结构的可靠性储备越大。

本次规范修订增列了钢筋极限强度（即钢筋拉断前相应于最大拉力下的强度）的标准值f_stk，相当于钢筋标准中的抗拉强度特征值R_m。这是由于结构抗倒塌设计时可靠指标可低些，变形可很大，只要不倒塌就可，所以需要采用钢筋极限强度标准值。

总伸长率是以在标距范围内钢筋试件拉断后的残余变形与原标距之比，以δ_gt（%）来表示：

式中 l₀——试件拉伸前的标距，常采用：短试件l₀=5d，长试件l₀=10d；

d——钢筋的直径；

l——试件拉断以后并重新合并起来量测的标距。

最大拉力下总伸长率δ_gt不受断口—颈缩区域局部变形的影响，反映了钢筋拉断前达到最大力（极限强度）时的均匀应变，故又称均匀伸长率。普通钢筋及预应力筋在最大力下的总伸长率δ_gt不应小于下述规定：HPB300，10%；HRB335、HRBF335至HRB500、HRBF500，7.5%；RRB400，5%；预应力筋，3.5%。

钢筋的总伸长率标志钢筋的塑性，伸长率越大，塑性性能越好。钢筋塑性除用伸长率标志外，还用冷弯试验来校验。冷弯就是在常温下将钢筋绕规定的直径为D的钢辊弯曲α角度而不出现裂纹、鳞落或断裂现象（图2-3），即认为钢筋的冷弯性能符合要求。常用比值α/D来反映冷弯性能。D值越小，α越大，则钢筋的冷弯性能越好，说明钢筋的塑性越好。(www.xing528.com)

图2-3 钢筋的冷弯

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2-4表示了不同级别钢筋的应力—应变曲线的差异。

图2-4 不同级别钢筋的应力—应变曲线

（2）硬钢的力学性能 硬钢强度高，但伸长率小，塑性差，脆性大。从加载到拉断，不像软钢那样有明显的屈服（流幅）阶段。图2-5为硬钢的应力—应变曲线。

硬钢没有明确的屈服台阶（流幅），所以计算中以“协定流限”（条件屈服强度）作为强度标准，所谓协定流限（条件屈服点）是指经过加载及卸载后，相应于残余应变为0.2%的应力，用σ_0.2表示。σ_0.2一般相当于抗拉极限强度的70%～85%。由于协定流限（条件屈服强度）不容易测定，因此这类钢筋通常以极限强度σ_b作为主要强度指标，再由σ_0.2=0.85σ_b换算成协定流限（条件屈服强度）。

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

图2-5 硬钢的应力—应变曲线

（3）钢筋的疲劳应力幅限值 钢筋在多次重复加载时，会呈现疲劳的特性。这是由于钢材内部有杂质和气孔，外表有斑痕缺陷，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，使钢材发生微裂纹，在重复应力作用下，裂纹会扩展而发生突然断裂。

钢筋的疲劳应力幅限值Δf_y^f与疲劳应力比值ρ^f_s有关。Δf_y^f为对应于疲劳强度的最大应力与最小应力的差，ρ^f_s为重复荷载作用时钢筋受到的最小应力与最大应力的比值。ρ^f_s的代数值越小，Δf_y^f越大。

工业厂房的吊车梁、铁路桥梁、海洋采油平台等结构均需进行疲劳应力幅限值的验算以保证在使用荷载作用下钢筋的应力幅值不超过钢筋的疲劳应力幅限值。