鋼筋的基本知識
第一節(jié)鋼筋的分類
鋼筋種類很多，通常按化學(xué)成分、機械性能、生產(chǎn)工藝等進行分類。
一、按化學(xué)成分分
碳素鋼鋼筋和普通低合金鋼筋。
碳素鋼鋼筋按碳量多少，又分為低碳鋼鋼筋（含碳量低于0.25％，如I級鋼筋），中碳鋼鋼筋（含碳量0.25％～0.7％，如IV級鋼筋），高碳鋼鋼筋（含碳量0.70％～1.4％，如碳素鋼絲），碳素鋼中除含有鐵和碳元素外，還有少量在冶煉過程中帶有的硅、錳、磷、硫等雜質(zhì)。普通低合金鋼鋼筋是在低碳鋼和中碳鋼中加入少量合金無素，獲得強度高和綜合性能好的鋼種，在鋼筋中常用的合金元素有硅、錳、釩、鈦等，普通低合金鋼鋼筋主要品種有：20MnSi、40Si2MnV、45SiMnTi等。
各種化學(xué)成分含量的多少，對鋼筋機械性能和可焊性的影響極大。一般建筑用鋼筋在正常情況下不作化學(xué)成分的檢驗，但在選用鋼筋時，仍需注意鋼筋的化學(xué)成分。下面介紹鋼筋中主要的五種元素對其性能的影響。
碳（C）：碳與鐵形成化合物滲碳休（Fe3C）,材性硬且脆，鋼中含碳量增加滲碳體量就大，鋼的硬度和強度也提高，而塑性和韌性則下降，材性變脆，其焊接性也隨之變差。
錳（Mn）：它是煉鋼時作為脫氧劑加入鋼中的，可使鋼的塑性及韌性下降，因此含量要合適，一般含量在1.5％以下。
硅（Si）：它也是作為脫氧劑加入鋼中的，可使鋼的強度和硬度增加。有時特意加入一些使其含量大于0.4％，但不能超過0.6％，因為它含量大時與碳（C）含量大時的作用一樣。
硫（S）:它是一種導(dǎo)致鋼熱脆性、使鋼在焊接時出現(xiàn)熱裂紋的有害雜質(zhì)。它在鋼中的存在使鋼的塑性和韌性下降。一般要求其含量不得超過0.045％。
磷（P）：它也是一種有害物質(zhì)。磷使鋼容易發(fā)生冷脆并惡化鋼的焊接性能，尤其在200℃時，它可使鋼材或焊縫出現(xiàn)冷裂紋。一般要求其含量低于0.045％，即使有些低合金鋼也必須控制在0.050％～0.120％之間。
二、按機械性能分
鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)用熱軋鋼筋，過去大都采用碳鋼。隨著普通低合金鋼的發(fā)展，現(xiàn)行熱軋鋼筋，除了碳鋼的3號鋼外，全為普通低合金鋼。按機械性能把鋼筋分為四級：
Ⅰ級鋼筋-235/370級
Ⅱ級鋼筋-335/510級
Ⅲ級鋼筋-370/570
Ⅳ級鋼筋-540/835級
分子是屈服強度，分母是抗拉強度，單位是MPa。
三、按生產(chǎn)工藝及軋制外形分
鋼筋混凝土用鋼筋分為熱軋帶肋鋼筋（GB1499-91）、余熱處理鋼筋（GB13014-91）、熱軋光圓鋼筋（GB13013-91）和普通低碳鋼熱軋圓盤條。
1、熱軋帶肋鋼筋
熱軋帶肋鋼筋是經(jīng)熱軋成型并自然冷卻的成品鋼筋。它的橫截面通常為圓形，且表面帶有兩條縱肋和沿長度方向均勻分布的橫肋，當(dāng)橫肋的縱截面呈月牙形，且與縱肋不相交時，稱為月牙形鋼筋；當(dāng)橫肋的縱截面高度相等，且與縱肋相交時，稱為等高肋鋼筋，其形狀見圖1-1和圖1-2，Ⅱ、Ⅲ級帶肋鋼筋，采用月牙肋表面形狀，其尺寸及允許偏差應(yīng)符合表1-1的規(guī)定。
2、余熱處理鋼筋
余熱處理鋼筋是指將鋼材熱軋成型后立即穿水，進行表面冷卻控制，然后利用芯部余熱自身完成回火處理所得的成品鋼筋，它也是帶肋鋼筋，目前僅有月牙鋼筋，其鋼筋表面及截面形狀與熱軋帶肋鋼筋相同，余熱處理帶肋鋼筋的級別為Ⅲ級。
月牙形鋼筋外形尺寸
|
公稱 |
內(nèi)徑a |
橫肋高h |
縱肋高h1 |
橫肋
寬b |
縱肋
寬a |
間距I |
橫肋末
端最大
間隙 |
||||
|
公稱
尺寸 |
允許
偏差 |
公稱
尺寸 |
允許
偏差 |
公稱
尺寸 |
允許
偏差 |
公稱
尺寸 |
允許
偏差 |
||||
|
8 |
7.7 |
±0.4 |
0.8 |
＋0.4 -0.2 |
±0.5 |
0.5 0.6 |
1.5 1.5 |
5.5 7.0 |
±0.5 |
2.5 |
|
|
10 |
9.6 |
1.0 |
＋0.4 -0.3 |
1.0 |
3.1 |
||||||
|
12 |
11.5 |
±0.4 |
1.2 |
±0.4 |
1.2 |
±0.8 |
0.7 |
1.5 |
8.0 |
±0.5 |
3.7 |
|
14 |
13.4 |
1.4 |
1.4 |
0.8 |
1.8 |
9.0 |
4.3 |
||||
|
16 15.4 18 17.3 |
1.5 |
1.5 |
0.9 |
1.8 |
10.0 |
5.0 |
|||||
|
1.6 |
＋0.5 -0.4 |
1.6 |
1.0 |
2.0 |
10.0 |
5.6 |
|||||
|
20 |
19.3 |
±0.5 |
1.7 |
±0.5 |
1.7 |
±0.9 |
1.2 |
2.0 |
10.0 |
6.2 |
|
|
22 |
21.3 |
1.9 |
±0.6 |
1.9 |
1.3 |
2.5 |
10.5 |
±0.8 |
6.8 |
||
|
25 |
24.2 |
2.1 |
2.1 |
1.5 |
2.5 |
12.5 |
7.7 |
||||
|
28 |
27.2 |
±0.6 |
2.2 |
2.2 |
±1.1 |
1.7 |
3.0 |
12.5 |
8.6 |
||
|
32 |
31.0 |
2.4 |
＋0.8 -0.7 |
2.4 |
1.9 |
3.0 |
14.0 |
±1.0 |
9.9 |
||
|
36 |
35.0 |
2.6 |
＋1.0 -0.8 |
2.6 |
2.1 |
3.5 |
15.0 |
11.1 |
|||
|
40 |
38.7 |
±0.7 |
2.9 |
±1.1 |
2.9 |
2.3 |
3.5 |
15.0 |
12.4 |
||
注：1.縱肋斜角θ為0-30°；
2.尺寸a、b為參考數(shù)據(jù)。
3、光圓鋼筋
光圓鋼筋是指橫載面為圓形，且表面為光滑的鋼筋混凝土配筋用鋼材，此類鋼筋屬Ⅰ級鋼筋，鋼筋的公稱直徑范圍為8mm～20mm.
第二節(jié) 鋼筋的機械性能
一、鋼筋的拉伸試驗
鋼筋主要機械性能的各項指標是通過靜力拉伸試驗和冷彎試驗來獲得的。由靜力拉伸試驗得出的應(yīng)力一應(yīng)變曲線，是描述鋼筋在單向均勻受拉下工作特性的重要方式，靜力拉伸試驗是由四個階段組成的（見圖1-3）
1、彈性階段（O-A）
從圖1-3中可以看出，在OA范圍內(nèi)，拉力增加，變形也增加；卸去拉力，試件能恢復(fù)原狀。材料在卸去外力后能恢復(fù)原狀的性質(zhì)，叫做彈性。因此，這一階段叫做彈性階段。
彈性階段的最高點（圖中的A點）所對應(yīng)的應(yīng)力稱為彈性極限，因彈性階段的應(yīng)力與應(yīng)變成正比，所以也稱比例極限，用f0表示
2、屈服階段（A-B）
當(dāng)應(yīng)力超過比例極限后，應(yīng)力與應(yīng)變不再成比例增加，開始時圖形還接近直線，而后形成接近于水平的鋸齒形線，這時，應(yīng)力在很小的范圍內(nèi)波動，而應(yīng)變急劇地增長，這種現(xiàn)象好象鋼筋對于外力屈服了一樣，所以，這一階段叫做屈服階段（A-B）。在屈服階段，鋼筋的性質(zhì)由彈性轉(zhuǎn)化為塑性，如將外力卸去，試件的變形不能完全恢復(fù)。不能恢復(fù)的變形稱為殘余變形或稱塑性變形。
與鋸齒線最高點B上相對應(yīng)的應(yīng)力稱為屈服上限。對應(yīng)于最低點B下的應(yīng)力稱為屈服下限。工程上取屈服下限作為計算強度指標，叫屈服強度（或稱屈服點、流限），用fy表示。
3、強化階段（B-C）
鋼筋拉試驗過了第二階段即屈服階段以后，鋼筋內(nèi)部組織發(fā)生了劇烈的變化，重新建立了平衡，鋼筋抵抗外力的能力又有了很大的增加。應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系表現(xiàn)為上升的曲線，這個階段稱為強化階段。
與強化階段最高點C相對應(yīng)的應(yīng)力就是鋼筋的極限強度，稱為抗拉強度，用fu表示。
4、頸縮階段（C-D）
當(dāng)應(yīng)力達到拉伸曲線的最高點C后，試件的薄弱截面開始顯著縮小，產(chǎn)生頸縮現(xiàn)象（見圖1-4），即進入頸縮階段。由于試件頸縮處截面急劇縮小，能承受的拉力隨著下降，塑性變形迅速增加，最后該處發(fā)生斷裂。
圖1-3是軟鋼（I-Ⅳ級鋼筋屬于軟鋼）的拉伸曲線圖。在軟鋼中，鋼筋的屈服階段較為明顯；而硬鋼（碳素鋼絲、刻痕鋼絲、冷拔低碳鋼絲屬于硬鋼）在拉伸試驗中屈服則很不明顯，也沒有明顯的屈服點，如圖1-5所示。
從圖1-5中可以看出，a點以前為彈性階段，a點應(yīng)力稱比例極限（約為極限強度的0.65倍）。a點以后，鋼筋表現(xiàn)出一定的塑性，到b點達到極限強度，b點以后會因“頸縮”現(xiàn)象而具有下降階段bc.
兩者對比，可以看出，硬鋼的特點是抗拉強度高和伸長率小，沒有明顯的屈服階段，彈性階段長而塑性階段短，試件破壞時沒有明顯的信號而突然斷裂。因此，在構(gòu)件中采用硬鋼配筋時，必須注意這些特點。
二、鋼筋的機械性能
鋼筋的機械性能通過試驗來測定，微量鋼筋質(zhì)量標準的機械性能有屈服點、抗拉強度、伸長率，冷彎性能等指標。
1、屈服點(fy)
當(dāng)鋼筋的應(yīng)力超過屈服點以后，拉力不增加而變形卻顯著增加，將產(chǎn)生較大的殘余變形時，以這時的拉力值除以鋼筋的截面積所得到的鋼筋單位面積所承擔(dān)的拉力值，就是屈服點σs°
2、抗拉強度（fu）
抗拉強度就是以鋼筋被拉斷前所能承擔(dān)的最大拉力值除以鋼筋截面積所得的拉力值，抗拉強度又稱為極限強度。它是應(yīng)力一應(yīng)變曲線中最大的應(yīng)力值，雖然在強度計算中沒有直接意義，但卻是鋼筋機械性能中必不可少的保證項目。因為：
（1）抗拉強度是鋼筋在承受靜力荷載的極限能力，可以表示鋼筋在達到屈服點以后還有多少強度儲備，是抵抗塑性破壞的重要指標。
（2）鋼筋有熔煉、軋制過程中的缺陷，以及鋼筋的化學(xué)成分含量的不穩(wěn)定，常常反映到抗拉強度上，當(dāng)含碳量過高，軋制終止時溫度過低，抗拉強度就可能很高；當(dāng)含碳量少，鋼中非金屬夾雜物過多時，抗拉強度就較低。
（3）抗拉強度的高低，對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抵抗反復(fù)荷載的能力有直接影響。
3、伸長率
伸長率是應(yīng)力一應(yīng)變曲線中試件被拉斷時的最大應(yīng)變值，又稱延伸率，它是衡量鋼筋塑性的一個指標，與抗拉強度一樣，也是鋼筋機械性能中必不可少的保證項目。
伸長率的計算，是鋼筋在拉力作用下斷裂時，被拉長的那部分長度占原長的百分比。把試件斷裂的兩段拼起來，可量得斷裂后標距段長L1(見圖1-6），減去標距原長L0就是塑性變形值，此值與原長的比率用δ表示，即
伸長率δ值越大，表明鋼材的塑性越好。伸長率與標距有關(guān)，對熱軋鋼筋的標距取試件直徑的10倍長度作為測量的標準，其伸長率以δ10表示。對于鋼絲取標距長度為100mm作為測最檢驗的標準，以δ100表示。對于鋼絞線則為δ200。
4、冷彎性能
冷彎性能是指鋼筋在經(jīng)冷加工（即常溫下加工）產(chǎn)生塑性變形時，對產(chǎn)生裂縫的抵抗能力。冷彎試驗是測定鋼筋在常溫下承受彎曲變形能力的試驗。試驗時不應(yīng)考慮應(yīng)力的大小，而將直徑為d的鋼筋試件，繞直徑為D的彎心（D規(guī)定有1d、3d、4d、5d）彎成180°或90°（見圖1-7）。然后檢查鋼筋試樣有無裂縫、鱗落、斷裂等現(xiàn)象，以鑒別其質(zhì)量是否合乎要求，冷彎試驗是一種較嚴格的檢驗，能揭示鋼筋內(nèi)部組織不均勻等缺陷。
三、熱軋帶肋鋼筋的技術(shù)標準
熱軋帶肋鋼筋是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中最常用的受力主筋，其力學(xué)性能、工藝性能應(yīng)符合表1-2的要求。
第三節(jié) 金屬材料的硬度和彈性模量
一、硬度
金屬材料硬度常用的測定方法為布氏法、洛氏法等，故硬度指標有：布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HRA、HRB、HRC）。
1、布氏硬度
在直徑為D的淬火鋼球上，加以荷載為P的壓力，使其壓入被測金屬材料的表面，并保持一定的時間，然后去除載荷，測量金屬表面上的凹痕面積，求出單位面積所受的壓力，即表面布氏硬度值，用HB表示，
式中P-所加載荷（N）；
D--標準鋼球直徑（mm）；
d--壓痕直徑（mm）。
在實際測定中，用放大鏡測得壓痕直徑d后，可以直接查表求得硬度值。
由于布氏硬度的壓頭是淬火鋼球，因此它只適用于硬度較低，HB<450的金屬材料。當(dāng)被測材料硬度較高時，鋼球本身也會發(fā)生變形，這樣便失去了測量的準確性。因此布氏硬度適用于測量退火、正火、調(diào)質(zhì)及灰口鑄鐵等零件的硬度。
2、洛氏硬度
洛氏硬度所用的壓頭頂角為120°的金鋼石圓錐體或直徑為1.588mm(1/16英寸)的淬火鋼球。以一定的載荷使其壓入被測金屬材料的表面，以測量壓痕深度來確定金屬材料的硬度。壓痕愈深，表示材料愈軟；反之，則材料愈硬。金屬材料的硬度可以直接在刻度盤上讀出。
洛氏硬度有三種：分別以HRA、HRB和HRC來表示。它們的應(yīng)用范圍是：HRA用于測量表面硬度極高的合金，如硬質(zhì)合金等；HRB用于測量表面硬度較小的金屬，如退火鋼、有色金屬等；HRC用于測量表面硬度大的金屬，如淬火鋼等。在熱處理質(zhì)量檢查中以HRC應(yīng)用最多。HRC與HB有一定的關(guān)系，大約為1：10。例如：HRC40相當(dāng)于HB400左右（但在HB<200的硬度范圍時，不能用這種方法來換算）。
一般情況下，硬度高時，耐磨性也較好，并且硬度和強度之間有一定的關(guān)系。根據(jù)硬度可以大致估計材料的抗拉強度。
低碳鋼：σb=0.036HB
高碳鋼：σb=0.034HB
調(diào)質(zhì)合金鋼：σb=0.0325HB
二、彈性模量
彈性是指金屬品格受力后發(fā)生畸變。即在和方向，原子間距離增大或縮短（拉伸或壓縮)，但在作用力去除后能恢復(fù)原狀的一種性能。彈性的大小用彈性模量表示，彈性模量是物質(zhì)本身固有的一種量。
當(dāng)材料的單向拉伸應(yīng)力超過材料的比例極限時，材料的應(yīng)力與應(yīng)變成正比，該比例常數(shù)E稱為彈性模量。表2-1為各種鋼筋的彈性模量。
鋼筋的彈性模量（N/mm2）
|
種 類 |
ES |
| Ⅰ級鋼筋、冷接Ⅰ級鋼筋 | 2.1×105 |
| Ⅱ級鋼筋、Ⅲ級鋼筋、Ⅳ級鋼筋、熱處理鋼筋 | 2.0×105 |
| 冷拉Ⅱ級鋼筋、冷拉Ⅲ級鋼筋、冷拉Ⅳ級鋼筋 | 1.8×105 |
選于《帶肋鋼筋套筒擠壓連接技術(shù)》一書
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