第三章 结构材料的力学性能

HRB400级钢筋：月牙纹钢筋，公称直径范围和推荐 直径同HRB335钢筋。是混凝土结构的主导钢筋，实际工
程中主要用作结构构件中的受力主筋。
RRB400级钢筋：月牙纹钢筋，公称直径范围为8～ 40mm，推荐直径为8、10、12、16、20、25、32和 40mm。强度虽高，但疲劳性能、冷弯性能以及可焊性 均较差，其应用受到一定限制。
混凝土强度等级：
根据立方体抗压强度标准值fcu,k的大小， 混凝土强度等级分 C15 、 C20 、 C25 、 C30 、
C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、
C70 、 C75 、 C80 共 14 级。其中， C60~ C80
属高强混凝土。
2、混凝土的轴心抗压强度 fc
真实反映以受压为主的混凝土结构构件的抗 压强度。
抗压强度提高: f cc f c 4.1 3
200
3= 50N/mm2
150 35N/mm2
工程应用：约束混凝土
100
50
3
10N/mm2
1 3
钢管砼 密配螺旋箍筋
0
5
10 15 1 (‰)
20
25
二、混凝土的变形性能
混凝土的变形有两类：一类是受力变 形；另一类是体积变形，包括收缩、膨 胀和温度变形。
作为强度设计依据。
条件屈服极限 取相应于残余应变 = 0.2%时的应力 0.2作为 名义屈服点。常取 0.2=0.85 fsu。
2、钢筋的塑性：指钢材破坏前产生变形的能力。 伸长率：
l2 l1 100% l1 5 l1 5d 10 l1 10d
弯心直径
冷弯性能：
f tk 0.88 0.359 c 2 f
0.55 cuk
11.64
0.45
混凝土的抗拉强度可采用尺寸为100×100×500mm 的柱体试件进行直接轴心受拉试验，但其准确性较差。 故国内为多采用圆柱体或立方体的劈裂试验来间接测定。
复合应力状态下混凝土强度
双向正应力作用(如图)
1.2 1.0
1 / fc
wenku.baidu.com0. 1
0 .8 0 . 6 0 . 4 0 . 2 0 .2
0
2 / fc
1
0 .4
2 1.27 f c
2 2 1
2
2
0 .6 0 .8 1.0 1.2
1
max 1 1.27 f c 1 0.5 2
三轴受压：(如图)
二、混凝土的变形性能
1、混凝土的单轴应力－应变关系
混凝土单轴短期荷载作用下的应力-应变关系是混 凝土材料最基本的力学性能，是对混凝土进行理论 分析的基本依据，是研究和建立混凝土构件的承载 力、变形、延性以及应用计算机进行构件的非线性 全过程分析的重要依据。
冷弯角度
冷弯性能
钢筋冷弯试验
冷弯性能合格是鉴定钢材在弯曲状态下的塑性应变能 力和钢材质量的综合指标。
冷弯试验不仅能直接检验钢材的弯曲变形能力或塑性
性能，还能暴露钢材内部的冶金缺陷，如硫、磷偏析和硫 化物与氧化物的掺杂情况，这些都将降低钢材的冷弯性能。
国家标准《钢筋混凝土用热轧带肋钢筋》
GB1499-98对混凝土结构用钢筋的机械性
三、钢材的种类 及选用
钢筋按在结构
普通钢筋
中是否施加预
应力分类 钢丝（热处理 钢筋）
光面钢筋 钢筋按外形分类
带肋钢筋
三、钢材的种类及选用 1）普通钢筋 普通钢筋指用于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。 用于钢筋混凝土结构的热轧钢筋分为 HPB235、 HRB335、HRB400和RRB400四 个 级别。 《混凝土规范》规定，普通钢筋宜采用 HRB400级和HRB335级钢筋。
冷加工对钢材性能的影响：冷拉只能提高
钢筋的抗拉强度，而不能提高钢筋的抗压强 度；冷拔可同时提高钢筋的抗拉强度和抗压 强度。
二、钢材的冷加工和热处理
热处理是对某些特定型号的热轧钢 进行淬火和回火处理。钢筋热处理后 强度有很大提高而塑性降低不多。
钢筋冷拉
(N/mm2)
d' b
冷拉时效
钢筋冷拔
d
对于没有明显屈服点的 钢材，以残余变形为 0.2%时的应力作为名义 屈服点，其值约等于极限 强度85%。
注意：钢材在一次压缩或剪切所表现出来的应 力-应变变化规律基本上与一次拉伸试验时相似， 压缩时的各强度指标也取用拉伸时的数据，只是 剪切时的强度指标数值比拉伸时的小。
由力学性能不同分成：
软钢：有明显屈服台阶的钢筋(热轧钢筋、 冷拉钢筋)
硬钢：无明显屈服台阶的钢筋(钢丝、热 处理钢筋)
• 钢筋力学性能指标：
屈服强度、抗拉强度、伸长率、冷弯性能。
1、钢材的强度：包括屈服强度与抗拉强度两项指标。
对于有明显屈服台阶的软钢取屈服强度 fy 作为
强度设计依据。同时，要求屈服强度与抗拉强度
的比值不大于0.8。 对于无明显屈服台阶的硬钢取条件屈服强度 0.2
2.钢结构用钢材
（1）钢种和钢号
建筑工程常用碳素结构钢和低合金高强度结构钢
1）碳素结构钢 碳素结构钢的牌号：
碳素结构钢牌号举例：Q235A 脱氧程度代号：F、b、Z、其中Z可以省略
质量等级代号：A、B、C、D
屈服点数值（N/mm2）： 195、215、235、255、275 钢材屈服点代号：Q
2）低合金高强度结构钢 低合金高强度结构钢的牌号：
质量等级代号：A、B、C、D、E 屈服点数值（N/mm2）：295、345、390、420、460 钢材屈服点代号：Q
注：低合金高强度结构钢的A、B级属于镇静钢， C、D、E级属于特殊镇静钢。
3）钢材的选用
《钢结构规范》规定，承重结构的钢材宜采
用Q235钢、Q345钢、Q390钢和Q420钢。
承重结构采用的钢材应具有抗拉强度、伸长
c' c
冷拉控制应力 冷拉无时效
a
o
残余 变形
o'
冷拉率

(b)
(a)
d1 d1
P
d2
d2
冷拉时，可采用冷拉控制应力和冷拉率控制。 冷拉后可提高钢材的抗拉强度，但其屈服
台阶变短。即冷拉可提高钢材的抗拉强度，
但不能提高钢筋的抗压强度。 冷拔时，可同时提高钢材的抗拉和抗压强度。
塑性降低很多。 目前我国强度高、性能好的钢筋及钢丝、钢
绞线已可充分供应，故冷拉钢筋和冷拔低碳 钢丝已不再列入规范。
三、钢材的种类 及选用
1、混凝土结构对钢筋的要求
①应具有较高的强度和良好的塑性；
②便于加工和焊接；
③并应与混凝土之间具有足够的粘接力。
钢筋
热轧钢筋 冷拉钢筋 钢筋按加工 方法不同分类
热处理钢筋
冷轧钢筋（冷轧带肋钢筋、冷轧扭钢筋） 冷拔低碳 消除应力钢丝 钢绞线
1、立方体的抗压强度 fcu
用标准制作方式制成的150×150mm的立方 体试块，在标准养护条件下养护28天，用标准试
验方法测得具有95％保证率的抗压强度，作为混
凝土的立方抗压强度标准值，用符号fcu,k表示。
1、立方体的抗压强度 fcu
• 影响立方体强度的因素：试件尺寸、温度、 湿度、试验方法。 • 由于尺寸效应的影响：fcu(150) = 0.95 fcu(100) fcu(150) = 1.05 fcu(200)
3.1 建筑钢材
含碳量低于2％的铁碳合金称为钢； 含碳量高于2％的铁碳合金称为生铁。 钢经轧制或加工的钢筋、钢丝、钢绞线、 钢板及各种型钢，统称为钢材。
一、钢材的力学性能
钢筋的力学性能：强度、变形（弹性和塑
性变形）
单向拉伸试验是确定钢筋性能的主要手段 应力应变（－） 曲线可将钢材分为有明
本章主要内容
建筑钢材√ 混凝土 钢筋与混凝土的粘结作用
大纲及要求
1．教学目的和要求：
（1）掌握钢筋和混凝土的强度指标及规范取值； （2）掌握混凝土的变形指标、钢筋和混凝土粘 结原理。
2． 教学内容：
（1）钢筋混凝土材料的一般概念； （2）钢筋的力学性能； （3）混凝土材料的组成及力学性能； （4）钢筋与混凝土的粘结性能。
HPB235级钢筋：光圆钢筋，公称直径范围为8～ 20mm，推荐直径为8、10、12、16、20mm。实际工 程中只用作板、基础和荷载不大的梁、柱的受力主筋、箍 筋以及其他构造钢筋。 HRB335级钢筋：月牙纹钢筋，公称直径范围为6～ 50mm，推荐直径为6、8、10、12、16、20、25、32、 40和50mm。是混凝土结构的辅助钢筋，实际工程中也 主要用作结构构件中的受力主筋。
显屈服点钢材与无明显屈服点钢材两类
一、钢材的力学性能
P
A
• 钢材拉伸试验 的标准试件
l
P A l l
P
低碳钢和低合金钢（含碳量和低碳钢相同）
一次拉伸时的应力-应变曲线见图。
把ƒy取为计算构件的强度标准，以ƒu作为材料的强度储备。
fu fy

b a a’ c d
e f
a´为比例极限
2）预应力钢筋
预应力钢筋应优先采用钢绞线和钢丝，也可采 用热处理钢筋。
钢绞线：由多根高强钢丝绞织在一起而形成的，有3股和
7股两种， 多用于后张法大型构件。
预应力钢丝：主要是消除应力钢丝，其外形有光面、螺 旋肋、三面刻痕三种。 热处理钢筋：包括40Si2Mn、48Si2Mn及45Si2Cr几种牌号， 它们都以盘条形式供应，无需焊接、冷拉，施工方便。
能作出规定： 对于有明显流幅的钢筋，其主要指标为： 屈服强度、抗拉强度、伸长率、冷弯性能 对于没有明显流幅的钢筋，其主要指标为： 抗拉强度、伸长率、冷弯性能
二、钢材的冷加工和热处理
冷加工的方法：冷拉、冷拔 冷加工的目的：改变钢材内部结构，提高
钢材强度，节约钢筋。但冷加工后会使钢筋 的塑性降低。
砼轴心抗压试验
h 为消除端部约束的影响 3 ~ 5 b
我国采用150×150×300mm棱柱体试件测 得的强度作为混凝土的轴心抗压强度。 混凝土的轴心抗压强度标准值按下式计算：
2、混凝土的轴心抗压强度 fc
用立方体强度反映：
fc,k 0.881 2 fcu,k
1 式中 1 —棱柱强度与立方强度之比，对C50及以下取

o
oa为弹性阶段 b为屈服上限 c为屈服下限，即屈服强度 fy cd为屈服台阶 de为强化阶段 e为极限抗拉强度 fu
ef为颈缩阶段
有明显屈服点的钢筋
(N/mm2) 0.2
e 2）无明显屈服点的钢 材 没有明显的屈服点和 屈服台阶钢材的应力-应 变曲线见图 o
0.2%

0.2－条件屈服强度
率、屈服强度和硫、磷含量的合格保证，对焊接
结构尚应具有碳含量的合格保证。 焊接承重结构以及重要的非焊接承重结构采 用的钢材还应具有冷弯试验的合格保证。
2.钢结构用钢材 （2）品种及规格 1）热轧钢板
厚度为0.35～4 mm，宽0.5~1.5m，长0.5~4m。
薄板 热轧钢板 厚板 扁钢
薄钢板是冷弯薄壁型钢的原料 厚度为4.5～60 mm，宽0.7~3m，长4~12m。 广泛用来组成焊接构件和连接钢板。 厚度为4～60mm，宽度为30～200mm，长3~9m。
压型钢板：所用钢板厚度为0.4～2mm。其优缺点同冷 弯薄壁型钢，主要用于围护结构、屋面、楼板等。
3.2 混凝土
混凝土的组份： 水泥、石、砂、水按一定的配合比制成不 同等级的砼。 骨料 水泥结晶体 弹性变形的基础 塑性变形的基础
水泥凝胶体
混凝土的强度及变形随时间和环境的变化而变化。
一、混凝土的强度
钢板用符号“-”后加“厚×宽×长（单位为mm）”的方法 表示，如-12×800×2100。
2）热轧型钢（图2.1.2）
① 角钢 ②工字钢 ③ 槽钢
④ H型钢 ⑤ 剖分T型钢 ⑥ 钢管
3）冷弯薄壁型材
冷弯薄壁型钢：由2～6mm的薄钢板经冷弯或模压而成型 的高效经济的截面；缺点是因为壁薄，对锈蚀影响较为敏感， 故多于跨度小，荷载轻的轻型钢结构中。
=0.76，对C80取 1 =0.82，中间按线形规律变化；
2 —考虑C40以上混凝土脆性的折减系数，对C40取 2
=1.0，对C80取 2 =0.87，中间按线形规律变化。
考虑实际情况(施工状况、养护条件等)
3、轴心抗拉强度 ft
混凝土的抗拉强度比抗压强度小得多，
1 1 ～ 为抗压强度 。 8 16
大纲及要求
3．教学重点与难点：
（1）重点： 钢筋的形式、品种和级别，钢筋的强度、变形和弹 性模量，钢筋的冷加工、弯钩和接头及钢筋混凝土 的粘结。 混凝土的强度—立方强度、等级，轴心抗压、抗拉、 弯曲抗压和疲劳强度； 混凝土的变形—混凝土在短期和长期荷载下的变形， 混凝土的弹性模量、徐变、收缩和膨胀； （2）难点：混凝土的强度、混凝土的疲劳强度、钢 筋的强度。