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(biāo)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(biāo)，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(biāo)準(zhǔn)的機械性能有屈服點、抗拉強度、伸長率，冷彎性能等指標(biāo)。
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(biāo)。
（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(biāo)，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(biāo)距段長L1(見圖1-6），減去標(biāo)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(biāo)距有關(guān)，對熱軋鋼筋的標(biāo)距取試件直徑的10倍長度作為測量的標(biāo)準(zhǔn)，其伸長率以δ10表示。對于鋼絲取標(biāo)距長度為100mm作為測最檢驗的標(biāo)準(zhǔn)，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(yán)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(biāo)準(zhǔn)
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(biāo)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(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)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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