三、教材主要知識點(diǎn)解析

　　第一節基本材料

　　一、鋼筋

　　（一）鋼筋分類(lèi)

　　鋼筋是土木建筑工程中使用量最大的鋼材品種之一，其材質(zhì)包括碳素結構鋼和低合金高強度結構鋼兩大類(lèi)。常用的有熱軋鋼筋、冷加工鋼筋、熱處理鋼筋以及鋼絲和鋼絞線(xiàn)等。

　　1．熱軋鋼筋

　　根據現行國家標準《鋼筋混凝土用熱軋光圓鋼筋》GB1499．1和《鋼筋混凝土用熱軋帶肋鋼筋》GB1499．2規定，熱軋光圓鋼筋分HPB235、HPB300兩種牌號，普通熱軋鋼筋分HRB335、HRB400、HRBS00三種牌號，細晶粒熱軋鋼筋分HRBF335、HRBF400、HRBF500三種牌號。其中HPB235、HPB300鋼筋由碳素結構鋼經(jīng)熱軋成型并自然冷卻，表面光圓，其余均由低合金高強度結構鋼軋制而成，外表帶肋。帶肋鋼筋橫截面為圓形，長(cháng)度方向有兩條軸對稱(chēng)縱肋及均勻分布的橫肋，按肋紋的形狀分為月牙肋和等高肋。熱軋鋼筋的技術(shù)要求見(jiàn)表3．1．1.表中所列的強度值和伸長(cháng)率均為要求的最小值。

表3．1．1熱軋鋼筋的技術(shù)要求

　　由表3．1.1可知，隨鋼筋級別的提高，其屈服強度和極限強度逐漸增加，而其塑性則逐漸下降。

　　鋼筋混凝土結構對鋼筋的要求是機械強度較高，具有一定的塑性、韌性和冷加工性等。綜合鋼筋的強度、塑性、工藝性和經(jīng)濟性等因素，非預應力鋼筋混凝土可選用HPB235、HRB335和HRB400鋼筋，而預應力鋼筋混凝土則宜選用HRB500、HRB400和HRB335鋼筋。

　　2．冷加工鋼筋

　　在常溫下對熱軋鋼筋進(jìn)行機械加工（冷拉、冷拔、冷軋而成。常見(jiàn)的品種有冷拉熱軋鋼筋、冷軋帶肋鋼筋和冷拔低碳鋼絲。

　　（1）冷拉熱軋鋼筋。在常溫下將熱軋鋼筋拉伸至超過(guò)屈服點(diǎn)小于抗拉強度的某一應力，然后卸荷，即制成了冷拉熱軋鋼筋。如卸荷后立即重新拉伸，卸荷點(diǎn)成為新的屈服點(diǎn)，因此冷拉可使屈服點(diǎn)提高，材料變脆、屈服階段縮短，塑性、韌性降低。若卸荷后不立即重新拉伸，而是保持一定時(shí)間后重新拉伸，鋼筋的屈服強度、抗拉強度進(jìn)一步提高，而塑性、韌性降低繼續降低，這種現象稱(chēng)為冷拉時(shí)效。實(shí)踐中，可將冷拉、除銹、調直、切斷合并為一道工序，這樣可簡(jiǎn)化流程，提高效率。

　　（2）冷軋帶肋鋼筋。用低碳鋼熱軋盤(pán)圓條直接冷軋或經(jīng)冷拔后再冷軋，形成三面或兩面橫肋的鋼筋。現行國家標準《冷軋帶肋鋼筋》GB13788規定，冷軋帶肋鋼筋分為CRB500、CRB650、CRB800、CRB970、CRB1170五個(gè)牌號。CRB500用于非預應力鋼筋混凝土，其他牌號用于預應力混凝土。冷軋帶肋鋼筋克服了冷拉、冷拔鋼筋握裹力低的缺點(diǎn)，而具有冷拉、冷拔鋼筋相近的強度，因此在中、小型預應力鋼筋混凝土結構構件中廣泛應用。

　　（3）冷拔低碳鋼絲。將直徑6.5-～8mm的Q235或Q215盤(pán)圓條通過(guò)小直徑的拔絲孔逐步拉拔而成，直徑3～5mm.由于經(jīng)多次拔制，其屈服強度可提高40％～60％，同時(shí)失去了低碳鋼的良好塑性，變得硬脆。現行國家標準《鋼結構工程施工質(zhì)量驗收規范》GB50205規定，冷拔低碳鋼絲分為兩級，甲級用于預應力混凝土結構構件中，乙級用于非預應力混凝土結構構件中。

　　3．熱處理鋼筋

　　熱處理鋼筋是鋼廠(chǎng)將熱軋的帶肋鋼筋（中碳低含金鋼）經(jīng)淬火和高溫回火調質(zhì)處理而成的，即以熱處理狀態(tài)交貨，成盤(pán)供應，每盤(pán)長(cháng)約200m.現行國家標準《預應力混凝土用熱處理鋼筋》GB4463規定，公稱(chēng)直徑6mm、8.2mm、10mm，σ0.2≥1325MPa，σb≥1470MPa，δ10≥6％。熱處理鋼筋強度高，用材省，錨固性好，預應力穩定，主要用作預應力鋼筋混凝土軌枕，也可以用于預應力混凝土板、吊車(chē)梁等構件。

　　4．碳素鋼絲、刻痕鋼絲和鋼絞線(xiàn)

　　預應力混凝土需使用專(zhuān)門(mén)的鋼絲，這些鋼絲用優(yōu)質(zhì)碳素結構鋼經(jīng)冷拔、熱處理、冷軋等工藝過(guò)程制得，具有很高的強度，安全可靠，且便于施工。預應力混凝土用鋼絲分為碳素鋼絲（矯直匾火鋼絲，代號J）、冷拉鋼絲（代號L）及矯直回火刻痕鋼絲（代號JK）三種。

　　碳素鋼絲（矯直回火鋼絲）由含碳量不低于0.8％的優(yōu)質(zhì)碳素結構鋼盤(pán)條，經(jīng)冷拔及回火制成。碳素鋼絲具有很好的力學(xué)性能，是生產(chǎn)刻痕鋼絲和鋼絞拉張的母材。

　　刻痕鋼絲。將碳素鋼絲表面沿長(cháng)度方向壓出橢圓形刻痕即為刻痕鋼絲。壓痕后，成盤(pán)的刻痕鋼絲需做低溫回火處理后交貨。

　　鋼絞線(xiàn)。鋼絞線(xiàn)是將碳素鋼絲若干根，經(jīng)絞捻及消除內應力的熱處理后制成。鋼絞線(xiàn)強度高、柔性好，特別適用于曲線(xiàn)配筋的預應力混凝土結構、大跨度或重荷載的屋架等。

　　鋼絲和鋼絞線(xiàn)主要用于大跨度、大負荷的橋梁、電桿、枕軌、屋架、大跨度吊車(chē)梁等，安全可靠，節約鋼材，且不需冷拉、焊接接頭等加工，因此在土木建筑工程中得到廣泛應用。

　　（二）鋼筋的性能

　　1．抗拉性能

　　抗拉性能是鋼筋的最主要性能，因為鋼筋在大多數情況下是作為抗拉材料來(lái)使用的。

　　表征抗拉性能的技術(shù)指標主要是屈服點(diǎn)（也叫屈服強度）、抗拉強度（全稱(chēng)抗拉極限強度）

　　和伸長(cháng)率。低碳鋼（軟鋼）受拉的應力一應變圖能夠較好地解釋這些重要的技術(shù)指標，見(jiàn)圖3．1．1.

　　（1）屈服點(diǎn)。在彈性階段OA段，此時(shí)如卸去拉力，試件能恢復原狀，此階段的變形為彈性變形，應力與應變成正比，其比值即為鋼材的彈性模量。與A點(diǎn)對應的應力稱(chēng)為彈性極限（昂）當對試件的拉伸進(jìn)入塑性變形的屈服階段AB時(shí)，應力的增長(cháng)滯后于應變的增加，屈服下限點(diǎn)I下所對應的應力稱(chēng)為屈服強度或屈服點(diǎn)，記做δS.設計時(shí)一般以以作為強度取值的依據。對屈服現象不明顯的鋼，規定以0．2％殘余變形時(shí)的應力σ0.2作為屈服強度。

　　（2）抗拉強度。曲線(xiàn)逐步上升可以看出：試件在屈服階段以后，其抵抗塑性變形的能力叉重新提高，稱(chēng)為強化階段。對應于最高點(diǎn)C的應力稱(chēng)為抗拉強度，用δb表示。

　　設計中抗拉強度雖然不能利用，但屈強比δS/δb能反映鋼材的利用率和結構安全可靠程度。屈強比愈小，反映鋼材受力超過(guò)屈服點(diǎn)工作時(shí)的可靠性愈大，因而結構的安全性愈高。但屈服強比太小，則反映鋼材不能有效地被利用。

　　（3）伸長(cháng)率。當曲線(xiàn)到達C點(diǎn)后，試件薄弱處急劇縮小，塑性變形迅速增加，產(chǎn)生“頸縮現象”而斷裂。試件拉斷后，量出拉斷后標距部分的長(cháng)度1，，即可按下式計算伸長(cháng)率。

　　伸長(cháng)率表征了鋼材的塑性變形能力。伸長(cháng)率的大小與標距長(cháng)度有關(guān)。塑性變形在標距內的分布是不均勻的，頸縮處的伸長(cháng)較大，離頸縮部位越遠變形越小。因此原標距與試件的直徑之比愈大，頸縮處伸長(cháng)值在整個(gè)伸長(cháng)值中的比重愈小，計算伸長(cháng)率愈小。通常以δ5和δ10分別表示10=5d0和10=10d0（d0為試件直徑）時(shí)的伸長(cháng)率，對于同一種鋼材，δ5應大于δ10.

　　2．冷彎性能

　　冷彎性能是指鋼材在常溫下承受彎曲變形的能力，是鋼材的重要工藝性能。冷彎性能指標是通過(guò)試件被彎曲的角度（90.180.）及彎心直徑d對試件厚度（或直徑）a的比值（d/a）區分的。試件按規定的彎曲角和彎心直徑進(jìn)行試驗，試件彎曲處的外表面無(wú)裂斷、裂縫或起層，即認為冷彎性能合格。

　　冷彎試驗是通過(guò)試件彎曲處的塑性變形實(shí)現的，能揭示鋼材是否存在內部組織不均勻、內應力和夾雜物等缺陷。在拉力試驗中，這些缺陷常因塑造性變形導致應力重分布而得不到反映。因此冷彎試驗是一種比較嚴格的試驗，對鋼材的焊接質(zhì)量也是一種嚴格的檢驗，能揭示焊件在受彎表面存在的裂紋和夾雜物。

　　3．沖擊韌性

　　沖擊韌性指鋼材抵抗沖擊載荷的能力。其指標是通過(guò)標準試件的彎曲沖擊韌性試驗確定。按規定，將帶有V形缺口的試件進(jìn)行沖擊試驗。試件在沖擊荷載作用下折斷時(shí)所吸收的功，稱(chēng)為沖擊吸收功Akv（J）鋼材的化學(xué)成分、組織狀態(tài)、內在缺陷及環(huán)境溫度等都是影響沖擊韌性的重要因素。Akv值隨試驗溫度的下降而減小，當溫度降低達到某一范圍時(shí)，Akv急劇下降而呈脆性斷裂，這種現象稱(chēng)為冷脆性。發(fā)生冷脆時(shí)的溫度稱(chēng)為脆性臨界溫度，其數值越低，說(shuō)明鋼材的低溫沖擊韌性越好。因此，對直接承受動(dòng)荷載而且可能在負溫下工作的重要結構，必須進(jìn)行沖擊韌性檢驗。

　　4．硬度

　　鋼材的硬度是指表面層局部體積抵抗較硬物體壓人產(chǎn)生塑性變形的能力。表征值常用布氏硬度值HB表示。

　　5．耐疲勞性

　　在反復荷載作用下的結構構件，鋼材往往在應力遠小于抗拉強度時(shí)發(fā)生斷裂，這種現象稱(chēng)為鋼材的疲勞破壞。疲勞破壞的危險應力用疲勞極限來(lái)表示，它是指疲勞試驗中試件在交變應力作用下，于規定的周期基數內不發(fā)生斷裂所能承受的最大應力。

　　6．焊接性能

　　鋼材的可焊性是指焊接后在焊縫處的性質(zhì)與母材性質(zhì)的一致程度。影響鋼材可焊性的主要因素是化學(xué)成分及含量。如硫產(chǎn)生熱脆性，使焊縫處產(chǎn)生硬脆及熱裂紋。又如，含碳量超過(guò)0．3％，可焊性顯著(zhù)下降等。

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