钢筋混凝土材料的力学性能

4 建筑结构材料

内容概述：本章主要讲解混凝土结构材料、砌体结构材料及钢结构材料的力学性能及其各自材料之间的相互作用。

学习目标，了解钢筋和混凝土材料各自的力学性能及其共同工作的原理，掌握钢筋混凝土构件的受力性能，；掌握砌体结构中砌体材料的特性；掌握钢结构中钢材的性能。

一、基础知识

4.1钢筋混凝土结构材料

钢筋混凝土结构是由钢筋和混凝土这两种性质不相同的材料组成的，了解钢筋和混凝土材料各自的力学性能及其共同工作的原理，是掌握钢筋混凝土构件的受力性能，正确地进行钢筋混凝土结构的设计的基础。

4.1.1混凝土

一、 混凝土的强度

普通混凝土是由水泥、砂、石和水按一定配合比拌合，经凝固硬化后作成的人工石材。混凝土强度的大小不仅与组成材料的质量和配合比有关，而且与混凝土的养护条件、龄期、受力情况以及测定其强度时所采用的试件形状、尺寸和试验方法也有密切关系。因此，研究各种单向受力状态下的混凝土强度指标时必须以统一规定的标准试验方法为依据。

1． 立方体抗压强度fcu

我国以立方体抗压强度值作为混凝土最基本的强度指标以及评价混凝土强度等级的标准，因为这种试件的强度比较稳定。《规范》规定，用边长为150mm的标准立方体试件，在标准养护条件（温度在20℃±3℃，相对湿度不小于90％）下养护28天后在试验机上试压。试验时，试块表面不涂润滑剂，全截面受力、加荷速度每秒钟约为（0.3~0.8）N/mm2。试块加压至破坏时，

所测得的极限平均压应力作为混凝土的立方体抗压强度，用符号fcu表示，单位为N/mm2。

《规范》规定的混凝土强度等级，是按立方体抗压强度标准值（即具有不小于95％保证率）确定的，用符号C表示，共有14个等级，即C15、C20、C25、

C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75、C80。字母C后面的数字表示以N/mm2为单位的立方体抗压强度标准值。

在试验过程中可以看到，当试件的压力达到极限值时，

在竖向压力和水平摩擦力的共同作用下，首先是试块中部外

围混凝土发生剥落，形成两个对顶的角锥形破坏面（如图4

－1）。这也说明试块和试验机垫板之间的摩擦对试块有“套箍”

的作用，而且这种“套箍”作用，越靠近试块中部作用越弱。

试验还表明，混凝土的立方体抗压强度还与试块的尺寸有关，立方体尺寸越小，测得混凝土抗压强度越高。当采用边长为200mm或100mm立方体试件时，须将其抗压强度实

测值乘以1.05或0.95转换成标准试件的立方体抗压强度值。

图4－1 混凝土立方体试件的破坏情况

2．轴心抗压强度fc

在实际工程中，受压构件往往不是立方体，而是棱柱体。因此采用棱柱体试件比立方体试件能更好的放映混凝土的实际抗压能力。用标准棱柱体试件测定的混凝土抗压强度，称为混凝土的轴心抗压强度或棱柱体强度，用符号fc表示。

试验表明，当棱柱体试件的高度h与截面边长b的比值在2～4之间时，混凝土的抗压强度比较稳定。这是因为在此范围内既可消除垫板与试件之间摩擦力对抗压强度的影响，又可消除可能的附加偏心距对试件抗压强度的影响。因此，我国混凝土材料试验中规定以150mm×150mm×300mm的试件作为试验混凝土轴心抗压强度的标准试件。

混凝土的轴心抗压强度与立方体抗压强度之间关系很复杂，与很多因素有关。根据试验分析，混凝土轴心抗压强度平均值f与边长为150mm立方体抗c

压强度平均值fcu的经验关系是：

mfc=0.88a1a2mfcu （4－1）

式中： 1——轴心抗压强度平均值与立方体抗压强度平均值的比值，对C50及

以下混凝土取1＝0.76，对C80混凝土1＝0.82，中间按线性规

律变化；

2——高强度混凝土脆性折减系数，对C40及以下混凝土取2＝1.0，

对C80混凝土取2＝0.87，中间按线性规律变化；

0.88——考虑到结构中混凝土强度与试件混凝土强度之间的差异修正系

数。

在钢筋混凝土结构中，计算受弯构件正截面承载力、偏心受拉和受压构件时，采用混凝土的轴心抗压强度作为计算指标。

3．轴心抗拉强度ft 混凝土的抗拉强度远小于其抗压强度，一般只有抗压强度的1

18~1

9。因此，

在钢筋混凝土结构中，一般不采用混凝土承受拉力。混凝土的轴心抗拉强度用符号ft表示。

《规范》采用直接测试法来测定混凝土的抗拉强度，即对棱柱体试件（100mm×100mm×500mm）两端预埋钢筋（每端长度为150mm，直径为16mm的变形钢筋），且使钢筋位于试件的轴线上，然后施加拉力（如图4－2），试件破坏时截面的平均拉应力极为混凝土的轴心抗拉强度。

图4－2 用直接测试法测试混凝土抗拉强度

根据试验分析，并考虑到构件与试件的差别、尺寸效应及加荷速度等因素的影响，混凝土轴心抗拉强度平均值f与立方抗拉强度平均值tfcu经验关系为：

mft=0.88创0.395mfcu0.55a2 （4－2）

在钢筋混凝土结构中，当计算受弯构件斜截面受剪、受扭构件及对某些构件进行开裂验算时，会用到混凝土的轴心抗拉强度。

二、 混凝土的变形

混凝土的变形分为两类，一类为混凝土的受力变形，包括一次短期加荷的变

形，荷载长期作用下的变形等。另一类称为混凝土的体积变形，包括混凝土由于收缩和温度变化产生的变形等。

1． 混凝土在一次短期加荷时的变形性能

（1）混凝土的应力应变曲线

混凝土在一次单调加载（荷载从零开始单调增加至试件破坏）下的受压应力应变关系是混凝土最基本的力学性能之一，它可以比较全面的放映混凝土的强度和变形特点，也是确定构件截面上混凝土受压区应力分布图形的主要依据。 测定混凝土受压的应力应变曲线，通常采用标准棱柱体试件。由试验测得的典型受压应力应变曲线如图4－3所示。图上以A、B、C三点讲全曲线划分为四个部分：

OA段：c约在（0.3~0.4）fc。混凝土基本处于弹性工作阶段，应力应变

呈线性关系。其变形主要是骨料和水泥结晶体的弹性变形，水泥胶凝体的粘结流动以及初始微裂缝的变化的影响很小。

AB段：裂缝稳定发展阶段。混凝土表现出塑

性性质，应变的增加开始大于应力的增加，应力应

变关系开始偏离直线，直线逐渐弯曲。这时由于水

泥胶凝体的粘

结流动混凝土中微裂缝的发展，新裂缝不断产生的

结果。

图4－3混凝土受压的应力－应变曲线

BC段：裂缝随荷载的增加迅速发展，塑性变形显著增大。C点的应力达峰值应力，即sc=fc，相应于峰值应力的应变为0，其值在0.0015～0.0025之间

波动，平均值为e0=0.002。

C点以后：试件承载能力下降，应变继续增大，最终还会留下残余应力。 OC段为曲线的上升段，C点以后为下降段。试验结果表明，随着混凝土强度的提高，上升段的形状和峰值应变的变化不很显著，而下降段的形状有显著差异。混凝土的强度越高，下降段的坡度越陡，即应力下降相同幅度时变形越小，延性越差，如图4－4。

混凝土受拉时的应力应变曲线与受压时相似，但其峰值时的应力、应变都较受压时的小的多，对应于ft时的ot很小，计算时可取ot＝0.00015。

（2）混凝土的弹性模量、变形模量

①弹性模量Ec

通过应力应变曲线上原点O引切线，该切线的斜率（如图4－5）为混凝土的原点切线模量，也即混凝土的弹性模量。

Ec=tana0 （4－3）

式中 Ec——弹性模量

0——混凝土应力应变曲线在原点处的切线与横坐标轴的夹角。

图4－4 不同强度混凝土的应 图4－5 混凝土的弹性模量和

力－应变曲线 变形模量表示方法

要在混凝土一次短期加荷时的应力应变曲线上作原点的切线，以求得0的准确值，是很不容易的。我国《规范》中规定，混凝土弹性模量采用棱柱体试件反复加荷的方法确定，即取s=0.5fc加载卸载5～10次。由于混凝土不是弹性材

料，每次卸荷至零时，变形不能完全恢复，即产生了残余变形。随着加荷卸荷次数的增加，每次卸荷的残余变形越来越小，应力应变曲线渐趋稳定并基本上接近于直线，该直线的斜率即为混凝土的弹性模量。

大量试验结果表明，混凝土的弹性模量和混凝土立方体抗压强度标准值fcu,k有关。通过对各种强度等级混凝土弹性模量试验值的统计分析，我国《规范》给出的混凝土弹性模量Ec（单位为N/mm2）的经验公式为：

Ec=10

2.2+534.7

fcu,k （4－4）

②变形模量Ec¢

由图2－11可见，随着压应力的增大，混凝土的塑性应变发展，初始弹性模量已不能反映这时的应力应变性质。因此，我们给出变形模量的概念。

连接O点至曲线任一点应力为c处割线的斜率称为称为该点的割线模量或

变形模量。Ec¢=tana1 或Ec¢=sc/ec

式中 c——混凝土应力为c时的总应变，即ec=ee+ep；

e——混凝土的弹性应变；

p——混凝土的塑性应变。

混凝土的变形模量与弹性模量的关系如下：

Ec¢=eeecEc=uEc （4－5）

式中 ——混凝土受压时的弹性系数，等于混凝土弹性应变与总应变之比。在应力较小时，处于弹性阶段，可认为u=1；应力增大，处于弹塑性阶段，u

混凝土受拉时的弹性模量与受压时基本一致，因此可取相同值。受拉变形模量为0.5Ec。

另外，混凝土的剪变模量Gc可按混凝土弹性模量的0.4倍采用。

不同强度等级混凝土的弹性模量，使用时可以查附表。

2． 混凝土在长期荷载作用下的变形性能

混凝土在长期不变荷载作用下，其应变随时间增长的现象称为混凝土徐变。徐变将有利于结构的内力重分布，减少应力集中现象及减少温度应力等。但混凝土的徐变会使构件变形增大；在预应力混凝土构件中，徐变会导致预应力损失；对于长细比较大的偏心受压构件，徐变会使偏心距增大，降低构件承载力产生十分不利的影响。

混凝土徐变产生的原因目前有着各种不同的解释，通常认为，混凝土产生徐变，原因之一是混凝土中一部分尚未转化为结晶体的水泥凝胶体，在荷载的长期作用下产生的塑性变形；另一原因是混凝土内部微裂缝在荷载的长期作用下不断发展和增加，从而导致应变的增加。当应力不大时，以前者为主；当应力较大时，以后者为主。

图4－6为混凝土棱柱体试件加荷至0.5fc后使荷载保持不变，测得的变

形随时间增加的关系曲线。从图中可以看出，混凝土的徐变有以下规律和特点：

图4－6 混凝土的徐变－时间曲线

（1） 徐变前期增长较快，以后逐渐变慢，6个月后可达总徐变的70％～

80％，1年后趋于稳定，3年后基本终止；

（2） 徐变应变值约为加荷瞬间产生的瞬时应变的1～4倍；

（3） 当长期荷载完全卸除后，混凝土的徐变会经历一个恢复的过程。其中

卸载后试件瞬时要恢复的一部分应变称为瞬时恢复应变，其值比加荷

时的瞬时变形略小；再经过一段时间（约20天）后，徐变逐渐恢复

的那部分应变称为弹性后效，其绝对值约为徐变变形的1/2；最后剩

下的不可恢复的应变称为残余应变。

影响混凝土徐变的因素：

（1） 加荷时混凝土的龄期愈早，则徐变愈大。因此，加强养护促使混凝土

尽早结硬，对减小徐变是较有效的。蒸汽养护可使徐变减少20％～

35％；

（2） 持续作用的应力越大，徐变也越大；

（3） 水灰比大，水泥用量多，徐变大；

（4） 使用高质量水泥以及强度和弹性模量高、级配好的骨料。徐变小；

（5） 混凝土工作环境的相对湿度低则徐变大，高温干燥环境下徐变将显著

增大。

3． 混凝土的收缩

混凝土在空气中结硬时体积减小的现象称为收缩。混凝土收缩的主要原因是由于混凝土硬化过程中化学反应产生的凝缩和混凝土内的自由水蒸发产生的干缩。混凝土的收缩对钢筋混凝土构件是不利的。例如混凝土构件受到约束时，混凝土的收缩将使混凝土中产生拉应力。在使用前就可能因混凝土收缩应力过大而产生裂缝；在预应力混凝土结构中，混凝土的收缩会引起预应力损失。

试验表明，混凝土的收缩随时间而增长，一般在半年内可完成收缩量的80％～90％，两年后趋于稳定，最终收缩应变约为2×10-4～5×10-4。

试验还表明，水泥用量愈多、水灰比愈大，则混凝土收缩愈大；集料的弹性模量大、级配好，混凝土浇捣愈密实则收缩愈小。同时，使用环境湿度越大，收缩越小。因此，加强混凝土的早期养护、减小水灰比、减少水泥用量，加强振捣是减小混凝土收缩的有效措施。

三、 混凝土的选用

在实际工程中，混凝土的选用要做到技术先进、经济合理、安全适用，确保质量。

《规范》规定：钢筋混凝土结构的混凝土强度等级不宜低于C15；当采用HRB335级钢筋时，混凝土等级不宜低于C20；当采用HRB400级钢筋以及对承受重复荷载的构件，混凝土强度等级不得低于C20。

预应力混凝土结构的混凝土强度等级不宜低于C30，当采用预应力钢绞线、钢丝、热处理钢筋作预应力钢筋时，混凝土强度等级不宜低于C40。

4.1.2 钢筋

一、 钢筋的种类

钢筋混凝土结构中使用的钢材按化学成分的不同，可分为碳素结构钢和普通

低合金钢两大类。

碳素结构钢的化学成分主要是铁元素，还含有少量的碳、硅、锰、硫、磷等元素。根据含碳量的多少，碳素结构钢又可分为低碳钢（含碳量＜0.25%），中碳钢（含碳量0.25%～0.6%）和高碳钢（含碳量0.6%～1.4%）。随着含碳量的增加，钢材的强度提高，但塑形、韧性和可焊性将降低。硅、锰元素可以提高钢材的强度并使钢材保持一定的塑形；硫、磷是钢材中的有害元素使钢材变硬变脆，易于折断。

普通低合金钢除了含碳素钢各种元素外，还加入少量硅、锰、钛、钒、铬等少量合金元素，使钢筋强度得到显著提高，塑形、韧性和可焊性也有明显改善。目前我国普通低合金钢按加入元素种类可分为一下几种体系：锰系（20MnSi、25MnSi）、硅钒系（40Si2MnV、45SiMnVi）、硅钛系（45Si2MnTi）、硅锰系（40Si2Mn、48Si2Mn）、硅铬系（45Si2Cr）。

钢筋按生产加工工艺的不同，可分为热扎钢筋、热处理钢筋和钢丝三种。 热扎钢筋是由低碳钢、普通低合金钢在冶金厂直接在高温状态下扎制而成的。它是一种软钢，其应变曲线有明显的屈服点和流幅，断裂时有颈缩现象，伸长率比较大。热扎钢筋根据力学指标的高低，可分为HPB235级（热轧光面钢筋）、HRB335级（热扎变形钢筋）、HRB400级（热扎变形钢筋）、RRB400级（余热处理钢筋）四个种类。

热处理钢筋是将特定强度的热轧钢筋再经过加热、淬火和回火处理后制成，热处理后钢筋强度得到了大幅度的提高，而塑性降低不多。热处理钢筋是一种硬钢，其应力应变曲线没有明显的屈服点，伸长率小，质地硬脆。热处理钢筋有40Si2Mn、48Si2Mn和45Si2Cr三种。

钢丝包括光面钢丝、消除应力钢丝、螺旋肋钢丝、刻痕钢丝和钢绞线等。 钢筋按其外形的不同，可分为光面钢筋和变形钢筋，变形钢筋有螺纹、人字纹和月牙纹，目前常用的有月牙纹，它避免了螺纹钢筋纵横肋相交处的应力集中现象，使钢筋的疲劳强度和冷弯性能得到一定的改善，而且还具有在扎制过程中不易卡辊的优点。通常变形钢筋的直径不小于10毫米，光面钢筋的直径不小于6毫米，

钢筋的外形见图 4－7。

图4－7 钢筋的形式

二、钢筋的强度和变形

1． 钢筋的应力应变曲线

钢筋混凝土及预应力钢筋混凝土结构中所用的钢筋可分为两类：有明显屈服

点的钢筋和无明显屈服

点的钢筋（习惯上分别称

为软钢和硬钢）。

图4－8 钢筋的应力应变曲线

有明显屈服点钢筋的典型拉伸应力应变曲线如图4－8所示。在a点以前，应力与应变按比例增长其关系符合虎克定律，a点对应的应力称为比例极限；过a点后，应变较应力增长快；到达b点后，应变急剧增长，而应力基本不变，应力应变曲线呈现水平段cd，钢筋产生相当大的塑性变形，此阶段称为屈服阶段。对于一般有明显屈服点的钢筋，b 、c两点称为屈服上限和屈服下限。屈服上限为开始进入屈服阶段时的应力，呈不稳定状态；到达屈服点下限时，应变增长，应力基本不变，比较稳定。相应于屈服下限c点的应力称为“屈服强度”。当钢筋屈服发生塑性流动到一定程度，即到达图中d点后，应力又开始增加，应力应变曲线又呈上升趋势，其最高点为e，de段称为钢筋的“强化阶段”，相应于e点的

应力称为钢筋的极限抗拉强度。过e后，钢筋的薄弱断面显著缩小，产生“颈缩”

现象，如图4－9，变形迅速增加，应力随之下降，到达f 点时被拉断。

图 4－9 钢筋受拉时的颈缩现象

无明显屈服点钢筋的典型拉伸应力应变曲线如图4－10所示。这类钢筋

的极限强度一般很高，但变形很小，也没有明显的屈服点，

通常取相应于残余应变0.2％时的应力0.2作为名义屈服

点，称为条件屈服强度。

图4－10 无明显屈服点钢筋的应力－应变曲线

钢筋应力达到屈服强度后，它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阶段之前就已破坏或产生过大的变形和裂

缝。因此，钢筋的屈服强度是钢筋的关键性的强度指标。此外，钢 筋的屈强比（屈服强度和抗拉强度的比值）表示结构可靠性的潜力。在抗震设计

中，考虑受拉钢筋可能进入强化阶段，对于抗震等级较高的结构构件，要求钢筋

屈强比不大于某一数值，因而钢筋的极限强度是检验钢筋质量的另一强度指标。

对于无明显屈服点的钢筋，由于其条件屈服点不容易测定，因此这类钢筋

的检验以极限抗拉强度作为主要强度指标。《规范》规定取条件屈服强度s0.2为极

限抗拉强度sb的0.85倍，即

s0.2=0.85sb （4－6）

反应钢筋变形性能的基本指标是“伸长率”和“冷弯性能”。伸长

率是钢筋试件拉断后的伸长值与原长的比率：

d=l1-l2

l1 100% （4－7）

式中：——伸长率（％）；

l1——试件受力前的标距长度（一般取10d或5d，d为试件直径）； l2——试件拉断后的标距长度。

上述方法反映颈缩区域的残留变形大小。还可以用颈缩区以外钢筋拉断前的均匀伸长率来作为钢筋的塑性指标。

伸长率大的钢筋塑性性能好，拉断前有明显的预兆；伸长率小的钢筋塑性性

能差，其破坏突然发生，呈脆性特征。具有

明显屈服点的钢筋有较大的伸长率，而无明

显屈服点的钢筋伸长率很小。

钢筋还应满足冷弯性能要求。冷弯是将

钢筋绕某一规定直径的辊轴在常温下进行弯

曲（见图4－11）。冷弯的两个参数是弯心直

径D和冷弯角度。在达到规定的冷弯角度

图4－11 钢筋冷弯 钢筋应不发生裂纹或断裂。冷弯性能可以间地反映钢筋的塑性性能和内在质量。几种常用钢筋的伸长率及冷弯试验要求见表1－1。屈服强度、极限强度、伸长率和冷弯性能是对有明显屈服点钢筋进行质量检验的四项主要指标。对无明显屈服点的钢筋则只测定后三种指标。

三、钢筋的弹性模量

钢筋在屈服前（严格地讲是在比例极限之前），应力应变为直线关系，其比例即为弹性模量。

钢筋的伸长率及冷弯试验要求 表1－1

注：5的测量标距为5d，10的测量标距为10d。

Es=sses （4－8）

式中 s——屈服前的钢筋应力（N/mm2）；

s——相应的钢筋应变。

各种钢筋的弹性模量根据受拉试验测定，同一种钢筋的受拉和受压弹性模量相同。

四、钢筋的冷加工

为了节约钢材，常用冷拉或冷拔等方法来提高热轧钢筋的强度。

冷拉是将钢筋拉伸至超过其屈服强度的某一应力，然后卸荷至零以提高钢筋强度的方法。如图4－12所示，曲线OAd为钢筋冷拉前的应力应变曲线，A点为钢筋屈服点；当钢筋拉伸至点a后卸荷，其卸荷曲线为

(平行于弹性阶段的应力应变曲线OA)，卸荷

后的残余变形为；此时如立即重新加荷，新

的应力应变曲线将是，屈服点提高至a，这

种现象称为“冷拉强化”；若钢筋经冷拉后卸

荷并停留一段时间后再进行加荷，则应力应

变曲线将是，屈服点进一步提高至，的变化

反映一种时间效应，这一现象称为“时效硬

化”或“冷拉时效”。

钢筋经冷拉和时效硬化后，屈服强度

图4－12 钢筋冷拉原理 有所提高，但塑性（伸长率）相应降低。合理

地选择控制点a可使钢筋保持一定的塑性而又能提高强度。这时a点的应力称为冷拉控制应力，对应的应变称为冷拉控制应变或冷拉率。

冷拔是将钢筋用强力拔过比其直径小的硬质合金拔丝膜。这时钢筋受到纵向拉力和横向压力的作用，内部结构发生变化，截面变小而长度拔长。经过几次冷拔，钢筋强度比原有的有很大提高，但塑性则显著降低，且没有明显的屈服点。冷拔可以同时提高钢筋的抗拉强度和抗压强度。

此外，还有一种冷轧带肋钢筋。它是以低碳钢筋或低合金钢筋为原料，在常温下进行扎制而成的表面带有纵肋和月牙横肋的钢筋。它的极限强度和冷拔低碳钢丝相近，但伸长率比冷拔低碳钢丝有明显提高。用这种钢筋逐步取代普通低碳钢筋和冷拔低碳钢丝，可以改善构件在正常使用阶段的受力性能和节省钢丝，是中小型预应力构件中较好的预应力钢筋。

4.1.3钢筋与混凝土之间的粘结作用

一、 粘结作用的组成

在钢筋混凝土结构中，钢筋和混凝土能共同工作的主要原因是两者在接触面上具有良好的粘结作用，该作用可承受粘结表面上的剪应力，抵抗钢筋与混凝土之间的相对滑动。

根据粘结作用的产生原因可知，粘结作用由胶合作用、摩擦作用和咬合作用三部分组成。其中，胶合作用较小；在后两种作用中，光面钢筋以摩擦为主，带肋钢筋（又称变形钢筋）以咬合作用为主。

二、 粘结强度及其影响因素

钢筋与混凝土的粘结面上所能承受的平均剪应力的最大值称为粘结强度。粘结强度通常可用拔

出试验确定，如图4－13

所示，将钢筋的一端埋入

混凝土，在另一端施加拉

力，将其拔出。试验表明

粘结应力沿钢筋长度的

分布是非均匀的，故拔出

图4－13 钢筋的试验

试验测定的粘结强度f是指钢筋拉拔力到达极限时钢筋与混凝土剪切面上

的平均剪应力，可按下式计算：

ft=Tpdl （4－9）

式中 T——拉拔力的极限值；

d——钢筋的直径；

l——钢筋的埋入长度。

影响钢筋和混凝土粘结强度的主要因素有：

（1）钢筋表面形状

带肋钢筋的粘结强度比光面钢筋大得多，试验资料表明前者为2.5～6.0 N/mm2，后者为1.5～3.5 N/mm2。在带肋钢筋中，月牙纹钢筋的粘结强度比人字纹和螺旋纹钢筋约低10％～15％。

（2）混凝土的强度

混凝土的强度越高，它与钢筋间的粘结强度也越高。

（3）侧向压应力

当钢筋受到侧向压应力时（如梁支承处的下部钢筋），粘结强度将增大，且带肋钢筋由于该原因增大的粘结强度明显高于光面钢筋。

（4）混凝土保护层厚度和钢筋净距

对于带肋钢筋，由于钢筋的肋纹与混凝土咬合在一起，在拉拔钢筋时，钢筋斜肋对混凝土的斜向挤压力在径向的分力将使周围混凝土环向受压，如图4－14所示。如果钢筋外围的混凝土保护层厚度太薄，会产生与钢筋平行的劈裂裂缝，如图4－15（a）所示；如果钢筋间的净距太小，会产生水平劈裂而使整个保护层崩落，如图4－15（b）所示。

图4－14 带肋钢筋横肋处的挤压力

（5）横向钢筋的设置

横向钢筋（如梁内箍筋）的设置可限制上述劈裂裂缝的开展，增加钢筋与混凝土间的粘结强度。

（6）钢筋在混凝土中的位置

浇捣水平构件时，当钢筋下面

的混凝土深度较大时，由于混凝土

的泌水下沉和水分气泡的逸出，会

在钢筋底面形成一层带有空隙的

强度较低的混凝土层，因而使钢筋

和混凝土之间的粘结强度降低。 图4－15 与钢筋平行的劈裂裂缝

因此，对高度较大的梁应分层浇注， （a）劈裂； （b）水平劈裂 并宜采用二次振捣方法，以保证梁顶面钢筋周围混凝土的密实。

由于影响钢筋与混凝土之间粘结强度的因素较多，故粘结强度变化较大，难以用计算方法来保证，我国设计规范采取有关构造措施（比如钢筋的保护层厚度、净距、锚固长度、搭接长度等）来保证钢筋与混凝土的粘结强度，结构设计时必须遵守这些规定。

4.2 砌体结构材料及其力学性能

砌体是由块材和砂浆粘结而成的复合体，组成砌体的砌块和砂浆的种类不同，砌体的受力性能也不尽相同。了解砌体材料及其力学性能是掌握砌体结构设计和计算的基础。

4.2.1砌体的块材

块材是砌体的主要部分，目前我国常用的块材可以分为砖、砌块和石材三大类。

1、砖

砖的种类包括烧结普通砖、烧结多孔砖、蒸压灰砂砖和蒸压粉煤灰砖。我国标准砖的尺寸为240mm³115mm³53mm。块体的强度等级符号以“MU”表示，单位为MPa（N/mm2）.《砌体规范》将砖的强度等级分成五级：MU30，MU25，MU20，MU15，MU10.

划分砖的强度等级，一般根据标准实验方法所测得的抗压强度确定，对于某些砖，还应考虑奇抗折强度的要求。

砖的质量除按强度等级区分外，还应满足抗冻性、吸水率和外观质量等要求。

2、砌块

常用的混凝土小型空心砌块包括单排孔混凝土和轻骨料混凝土，其强度等级分为MU20，MU15，MU10，MU7.5，MU5.

砌块的强度等级更具单个砌体的抗压破坏荷载，按毛截面计算的抗压强度确定的。

3、石材

天然石材一般多采用花岗岩、砂岩和石灰岩等几种。表观密度大于

18 KN/mm3者以用于基础砌体为宜，而表观密度小于18 KN/mm3者则用于墙体更为适宜。石材强度等级为七级：MU100，MU80，MU60，MU50，MU40，MU30，MU20。

石材的强度等级是根据边长为70mm立方体试块测得的抗压强度确定的。如采用其他尺寸立方体作为试块，则应乘以规定的换算系数。

4.2.2砌体的砂浆

砂浆是由无机胶结材料、细骨料和水组成的，胶结料一般有水泥、石灰和石膏等。砂浆的作用是将块体连接成整体而工作，保证砌体结构的整体性；还可找平块体接触面，使砌体受力均匀；此外，砂浆填满块体缝隙，减小了砌体的透气性，提高了砌体的隔热性。对砂浆的基本要求是强度、流动性（可塑性）和保水性。

按组成材料的不同，砂浆可分为水泥砂浆、石灰砂浆及混合砂浆。

1）水泥砂浆：由水泥、砂和水拌和而成。它具有强度高、硬化块、耐久性好的特点，但和易性差，水泥用量大。适用于砌筑受力较大或潮湿环境中的砌体。

2）石灰砂浆：由石灰、砂和水拌和而成。它具有保水性、流动性好的特点。但强度低、耐久性差，只适用于低层建筑和不受潮的地上砌体中。

3）混合砂浆：由水泥、石灰、砂和水拌和而成。它的保水性能和流动性比水泥砂浆好、便于施工而强度高于石灰砂浆，适用于砌筑一般墙、柱砌体。

砂浆的强度等级是用70.7mm的立方体标准试块，在温度为20＋3°和相对湿度、水泥砂浆在90％以上，混合砂浆在60％－80％的环境下硬化，龄期为28d的抗压强度确定的。砂浆的强度等级符号以“M”表示，单位为MPa（N/mm2）。

《砌体规范》将砂浆强度等级分为五级：M15，M10，M7.5，M5，M2.5.

4）砌块专用砂浆由水泥、砂、水及根据需要参入的参合料和外加剂等组成，按一定比例，采用机械拌和制成，专门用于砌筑混凝土砌块。强度等级以符号“M”表示。当验算施工阶段砂浆尚未硬化的新砌砌体承载力时，砂浆强度应取零。

4.4建筑钢材

国民经济各部门几乎都需要钢材，但由于各自用途的不同，所需钢材性能各 异。如有的机器零件需要钢材有较高的强度，耐磨性和中等的韧性；有的石油化 工设备需要钢材具有耐高温性能；机械加工的切削工具，需要钢材有很高的强度 和硬度等等。因此，虽然碳素钢有一百多种，合金钢有三百多种，符合钢结构性 能要求的钢材只有碳素钢及合金钢中的少数几种。

用作钢结构的钢材必须具有下列性能：

1．较高的强度。即抗拉强度fu 和屈服点fy 比较高。屈服点高可以减小截面，从而减轻自重，节约钢材，降低造价。抗拉强度高，可以增加结构的安全保障。

2．足够的变形能力。即塑性和韧性性能好。塑性好则结构破坏前变形比较 明显从而可减少脆性破坏的危险性，并且塑性变形还能调整局部高峰应力，使之 趋于平缓。韧性好表示在动荷载作用下破坏时要吸收比较多的能量，同样也降低 脆性破坏的危险程度。对采用塑性设计的结构和地震区的结构而言，钢材变形能 力的大小具有特别重要的意义。

3．良好的加工性能。即适合冷、热加工，同时具有良好的可焊性，不因这些加工而对强度，塑性及韧性带来较大的有害影响。此外，根据结构的具体工作条件，在必要寸还应该具有适应低温、有害介质侵蚀(包括大气锈蚀)以及重复荷载作用等的性能。在符合上述性能的条件下，同其他建筑材料一样，钢材也应该容易生产，价格便宜。

《钢结构设计规范》(GB50017—2002)推荐的普通碳素结构钢Q235 钢和低合金高强度结构钢Q345、Q390 及Q420 是符合上述要求的。选用GB50017 规范还未推荐的钢材时，需有可靠依据。以确保钢结构的质量。

4.4.1建筑钢材的品种规格

钢结构用的钢材主要有两个种类，即碳素结构钢和低合金高强度结构钢。后 者因含有锰、钒等合金元素而具有较高的强度。此外，处在腐蚀性介质中的结构， 则采用高耐候性结构钢。这种钢因铜，磷、铬，镍等合金元素而具有较高的抗锈 能力。下面就碳素结构钢和低合金结构钢这两个钢种分别论述。

1．碳素结构钢

碳素结构钢的牌号(简称钢号)有Q195，Q215A 及B，Q235A，B、C 及D， Q255A 及B 以及Q275。其中的Q 是屈服强度中屈字汉语拼音的字首，后接的阿拉伯字 表示以N／mm2 为单位屈服强度的大小，A、B、C 或D 等表示按质量划分的级别。 最后还有一个表示脱氧方法的符号如F 或b。从Q195 到Q275，是按强度由低到 高排列的；钢材强度主要由其中碳元素含量的多少来决定，但与其他一些元素的 含量也有关系。所以，钢号的由低到高在较大程度上代表了含碳量的由低到高。 Q195 及Q215 的强度比较低，而Q255 的含碳量上限和Q275 的含碳量都超出 低碳钢的范围，所以建筑结构在碳素结构钢这一钢种中主要应用Q235 这一钢号。

钢号中质量分级由A 到D，表示质量的由低到高。质量高低主要是以对冲击 韧性(夏比V 型缺口试验)的要求区分的，对冷弯试验的要求也有所区别。对A 级钢，冲击韧性不作为要求条件，对冷弯试验只在需方有要求时才进行，而B、 C，D 各级则都要求AKv 值不小于27J，不过三者的试验温度有所不同，B 级要求常温(20±5℃)冲击值，C 和D 级则分别要求0℃和-20℃冲击值。B、C、D 级也都要求冷弯试验合格。为了满足以上性能要求，不同等级的Q235 钢的化学元素含量略有区别。对C 级和D 级钢要提高其锰含量以改进韧性，同时降低其含 碳量的上限以保证可焊性，此外，还降低它们的硫、磷含量以保证质量。

前面已经讲到，在浇铸过程中由于脱氧程度的不同钢材有镇静钢、半镇静钢 与沸腾钢之分。用汉语拼音字首表示，符号分别为z、b、F。此外还有用铝补充 脱氧的特殊镇静钢，用TZ 表示。按国家标准规定，符号Z 和TZ 在表示牌号时予以省略。对Q235 钢来说，A、B 两级的脱氧方法可以是Z、b 或F，C 级只能是 Z，D 级只能是TZ。这样，其钢号表示法及代表的意义如下：

Q235A——屈服强度为235N／mm2A 级，镇静钢；

Q235A²b——屈服强度为235N／mm2，A 级，半镇静钢；

Q235A²F——屈服强度为235N／mm2，A 级，沸腾钢；

0235B——屈服强度为235N／mm2，B 级，镇静钢；

Q235B²b——屈服强度为235N／mm2，B 级，半镇静钢；

9235B²F——屈服强度为235N／mm2，B 级，沸腾钢；

Q235C——屈服强度为235N／mm2，C 级，镇静钢；

Q235D——屈服强度为235N／mm2，D 级，特殊镇静钢。

2．低合金高强度结构钢

低合金高强度结构钢是在钢的冶炼过程中添加少量几种合金元素(合金元素 的总量低于5％)，使钢的强度明显提高，故称低合金高强度结构钢。国家标准 《低合金高强度结构钢》(GB／T1519—94)规定，低合金高强度结构钢分为Q295、 Q345，Q390、Q420、Q460 等五种，其符号的含义和碳素结构钢牌号的含义相同。 其中Q345，Q390 和Q420 是钢结构设计规范规定采用的钢种。这三种钢都包括

A、B、C、D、E 五种质量等级，和碳素结构钢一样，不同质量等级是按对冲击韧性(夏比V 型缺口试验)的要求区分的。A 级无冲击功要求；B 级要求提供 20℃冲击功Akv≥34J(纵向)；C 级要求提供0℃冲击功Akv≥34J(纵向)；D 级要求提供-20℃冲击功Akv≥34J(纵向)；E 级要求提供-40℃冲击功Akv≥27J (纵向)。不同质量等级对碳、硫、磷、铝等含量的要求也有区别。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。

结构钢的发展趋势，是进一步提高强度而又能保持较好的塑性。Q235 和Q345钢的伸长率不小于21％，Q390、Q420 和Q460 钢分别不小于19％、18％和17％。这就是说，塑性随强度提高而下降。塑性过低就难以适用于i 建结构。因此继续提高强度时塑性不应再降低。

3、钢材的规格

钢结构构件一般宜直接选用型钢，这样可减少制造工作量，降低造价。型钢 尺寸不够合适或构件很大时则用钢板制作。构件间或直接连接或附以连接钢板进 行连接。所以，钢结构中的元件是型钢及钢板。型钢有热轧及冷成型两种(图2- 19 及2-20)。现分别介绍如下。

1．热轧钢板

热轧钢板分厚板及薄板两种，厚板的厚度为4．5~60mm，薄板厚度为0．35~4mm。

前者广泛用宋组成焊接构件和连接钢板，后者是冷弯薄壁型钢的原料。在图纸中钢板用“厚³宽³长(单位为毫米)”前面附加钢板横断面的方法表示，如：-12³800³2100 等。

2．热轧型钢

角钢 有等边和不等边两种。等边角钢(也叫等肢角钢)，以边宽和厚度表示，如L100³10 为肢宽100mm、厚10mm 的等边角钢。不等边角钢(也叫不等肢角钢)则以两边宽度和厚度表示，如L100³80³8等。我国目前生产的等边角钢，其 肢宽为20~200mm，不等边角钢的肢宽为25³16mm~200³125mm。

槽钢 我国槽钢有两种尺寸系列，即热轧普通槽钢(GB708— 65)与热轧轻型 槽钢。前者的表示法如30a，指槽钢外廓高度为30cm 且腹板厚度为最薄的一种； 后者的表示法例如25Q，表示外廓高度为25cm，Q 是汉语拼音“轻”的拼音字首。 同样号数寸，轻型者由于腹板薄及翼缘宽而薄，因而截面积小但回转半径大，能 节约钢材减少自重。不过轻型系列的实际产品较少。

工字钢 与槽钢相同，也分成上述的两个尺寸系列：普通型和轻型。与槽钢 一样，工字钢外轮廓高度的厘米数即为型号，普通型者当型号较大时腹板厚度分 a、b 及c 三种。轻型的由于壁厚已薄故不再按厚度划分。两种工字钢表示法如： I32c，I32Q 等。

H 型钢和剖分T 型钢 热轧H 型钢分为三类：宽翼缘H 型钢(HW)，中翼缘H 型钢(HM)和窄翼缘H 型钢(HN)。H 型钢型号的表示方法是先用符号HW，HM 和HN表示H 型钢的类别，后面加“高度(毫米)³宽度(毫米)”，例如HW300³300，即为截面高度为300mm，翼缘宽度为300mm 的宽翼缘H 型钢。剖分T 型钢也分为三类，即：宽翼缘刮分T 型钢(TW)、中翼缘剖分T 型钢 (TM)和窄翼缘剖分T 型钢(TN)。部分T 型钢系由对应的H 型钢沿腹板中部对等剖分而成。其表示方法与H 型钢类同，如TN225³200 即表示截面高度为 225mm，翼缘宽度为200mm 的窄翼缘削分T 型钢。

3．冷弯薄壁型钢

是用2~6mm 厚的薄钢板经冷弯或模压而成型的(图2-20)。在国外，冷弯型 钢所用钢板的厚度有加大范围的趋势，如美国可用到1 英寸(25．4mm)厚。压型 钢板是近年来开始使用的薄壁型材，所用钢板厚度为0．4~2mm，用做轻型屋面

等构件。热轧型钢的型号及截面几何特性见书后附表。薄壁型钢的常用型号及截面几何特性见《冷弯薄壁型钢结构技术规范》GB 50018—2002 的附录。

图4－15 薄壁型钢的截面形式

4.4.2建筑钢材的力学性能和选用

1、 钢 材 的 选 择

选择钢材的目的是要做到结构安全可靠，同时用材经济合理。为此，在选 择钢材时应考虑下列各因素：

结构或构件的重要性；

荷载性质(静载或动载)；

连接方法(焊接、铆接或螺栓连接)；

工作条件(温度及腐蚀介质)。

对于重要结构、直接承受动载的结构、处于低温条件下的结构及焊接结构， 应选用质量较高的钢材。Q235A 钢的保证项目中，碳含量，冷弯试验合格和冲击韧性值并未作为必要的保__证条件，所以只宜用于不直接承受动力作用的结构中。当用于焊接结构时，其质量证明书中应注明碳含量不超过0．2％。对于需要验算疲劳的焊接结构，应采用具有常温冲击韧性合格保证的B 级钢。当这类结构冬季处于温度较低的环境寸，若工作温度在0℃和-20℃之间，Q235 和Q345 应选用具有0℃冲击韧性合格的C 级钢，Q390 和Q420 则应选用-20℃冲击韧性合格的D 级钢。若工作温度≤-20℃，则钢材的质量级别还要提高一级，Q235 和Q345 选用D 级钢而Q390 和Q420 选用E 级钢。非焊接的构件发生脆性断裂的危险性比焊接结构小些，对材质的要求可比焊接结构适当放宽，但需要验算疲劳

的构件仍应选用有常温冲击韧

性保证的B 级钢。当工作温度等于或低于-20℃时，Q235 和Q345 应选用C 级钢，Q390 和Q420 则应选用D 级钢。当选用Q235A、B 级钢时，还需要选定钢材的脱氧方法。在采用钢模浇铸的年代，镇静钢的价格高于沸腾钢，凡是沸腾钢能够胜任的场合就不用镇静钢。目前大量采用连续浇铸，镇静钢价格高的问题不再存在。因此，可以在一般情况下都用镇静钢。而由于沸腾钢的性能不如镇静钢，GB50017 规范对它的应用提出一些限制，包括不能用于需要验算疲劳的焊接结构、处于低温的焊接结构和需要验算疲劳并且处于低温的非焊接结构。

连接所用钢材，如焊条、自动或半自动焊的焊丝及螺栓的钢材应与主体金属 的强度相适应。

2、钢材的延性破坏和非延性破坏（塑性破坏和延性破坏）

有屈服现象的钢材或者虽然没有明显屈服现象而能发生较大塑性变形的钢 材，一般属于塑性材料。没有屈服现象或塑性变形能力很小的钢材，则属于脆性 材料。

钢结构需要用塑性材料制做。规范推荐的几种钢材都是塑性好的含碳量低的钢材，它们都是塑性材料。钢结构不能用脆性材料如铸铁来制造，因为没有明显变形的突然断裂会在房屋，桥梁及船体等供人使用的结构中造成恶性后果。

所谓塑性材料是指由于材料原始性能以及在常温，静载并一次加荷的工作条 件之下能在破坏前发生较大塑性变形的材料。然而一种钢材具有塑性变形能力的大小，不仅取决于钢材原始的化学成分，熔炼与轧制条件，也取决于后来所处的 工作条件。即使原来塑性表现极好的钢材，改变了工作条件，如在很低的温度之 下受冲击作用，也完全可能呈现脆性破坏。所以，严格地说，不宜把钢材划分为 塑性和脆性材料，而应该区分材料可能发生的塑性破坏与脆性破坏。

超过屈服点fy 即有明显塑性变形产生的构件，当达到抗拉强度fu 时将在很 大变形的情况下断裂，这是材料的塑性破坏，也称为延性破坏。塑性破坏的断口 常为杯形，并因晶体在剪切之下相互滑移的结果而呈纤维状。塑性破坏前，结构 有很明显的变形，并有较长的变形持续时间，可便于发现和补救。因此，在钢结 构中未经发现与补救而真正发生塑性破坏的情形是很少见的。

与此相反，当没有塑性变形或只有很小塑性变形时即发生的破坏，是材料的

脆性破坏。其断口平直并因各晶粒往往在一个面断裂而呈光泽的晶粒状。由于变 形极小并突然破坏，脆性破坏的危险性大。因设计、制造或使用条件不适当而发 生脆性破坏的情形是有的。综上所述除选用塑性好的材料外，还必须注意避免或减少导致材料转脆的条件。

3.钢材的主要性能

1） 单向拉伸时的工作性能

图4－16 钢材的一次拉伸应力－应变曲线

钢材在常温、静载条件下一次拉伸所表现的性能最具有代表性，拉伸试验也 比较容易进行，并且便于规定标准的试验方法和多项性能指标。所以，钢材的主 要强度指标和变形性能都是根据标准试件一次拉伸试验确定的。

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-应变曲线示于 图4-16(a)，简化的光滑曲线示于图4—16(b)。由应力—应变规律示出的各种力学性能指标如下。比例极限ζP 这是应力-应变图中直线段的最大应力值。严格地说，比ζP略高处还有弹性极限，但弹性极限与ζP 极其接近，所以通常略去弹性极限的点，把ζP 看做是弹性极限。这样，应力不超过ζP 时，应力与应变成正比关系，即符合虎克定律，且卸荷后变形完全恢复。这一阶段，是图4-16(a)中的弹性阶段 OA。材料的比例极限与焊接构件整体试验所得的比例极限，往往有差别，这是因构件中残余应力的影响所致。构件应力超过比例极限后，变形模量z，逐渐下降，对构件刚度有不利影响。屈服点ζy 应变ε在ζP

之后不再与

应力成正比，而是渐渐加大，应力-应变间成曲线关系，一直到屈服点。这一阶段，是图4-16(b)中的弹塑性阶段AB。图4—16(b)中B 点的应力为屈服点ζy，在此之后应力保持不变而应变持续发展，形成水平线段即屈服平台BC。这是塑性流动阶段。应力超过ζP 以后，任一点的变形中都将包括有弹性变形和塑性变形两部分，其中的塑性变形在卸载后不再恢复，故称残余变形或永久变形。

比例极限ζP 这是应力-应变图中直线段的最大应力值。严格地说，比ζP 略高处还有弹性极限，但弹性极限与ζP 极其接近，所以通常略去弹性极限的点， 把ζP 看做是弹性极限。这样，应力不超过ζP 时，应力与应变成正比关系，即符合虎克定律，且卸荷后变形完全恢复。这一阶段，是图4-16(a)中的弹性阶段 OA。

材料的比例极限与焊接构件整体试验所得的比例极限，往往有差别，这是因 构件中残余应力的影响所致。构件应力超过比例极限后，变形模量z，逐渐下降， 对构件刚度有不利影响。

屈服点ζy 应变ε在ζP 之后不再与应力成正比，而是渐渐加大，应力-应变间成曲线关系，一直到屈服点。这一阶段，是图4-16(b)中的弹塑性阶段AB。图4—16(b)中B 点的应力为屈服点ζy，在此之后应力保持不变而应变持续发展，形成水平线段即屈服平台BC。这是塑性流动阶段。

应力超过ζP 以后，任一点的变形中都将包括有弹性变形和塑性变形两部分，其中的塑性变形在卸载后不再恢复，故称残余变形或永久变形。

ζP 与ζy 之间是简化了的光滑曲线(图4-16b)，这样便于应用。实际上，由于加载速度及试件状况等试验条件的不同，屈服开始时总是形成曲线的上下波动，波动最高点称上屈服点，最低点称下屈服点。下屈服点的数值对试验条件不敏感，并形成稳定的水平线，所以计算时以下屈服点作为材料抗力的标准(用符号fy 表示)。

屈服点是建筑钢材的一个重要力学特性。其意义在于以下两个方面：

1．作为结构计算中材料强度标准，或材料抗力标准。应力达到ζy 时的应变(约为ε=0．15％)与ζP 时的应变(约为ε=0.1％)较接近，可以认为应力达到ζy时为弹性变形的终点。同时，达到ζy 后在一个较大的应变范围内(约从ε= 0．15％到ε=2．5％)应力不会继续增加，表示结构一时丧失继续承担更大荷载

的能力，故此以ζy 作为弹性计算时强度的标准。

2.形成理想弹塑性体的模型，为发展钢结构计算理论提供基础。ζy 之前， 钢材近于理想弹性体，ζy 之后，塑性应变范围很大而应力保持不增长，所以接 近理想塑性体。因此，可以用两根直线的图形(图2-1b 中的OA′F)作为理想弹 塑性体的应力—应变模型。钢结构设计规范对塑性设计的规定，就以材料是理想 弹塑性体的假设为依据，忽略了应变硬化的有利作用。

有屈服平台并且屈服平台末端的应变比较大，这就有足够的塑性变形来保证 截面上的应力最终都达到ζy。因此一般的强度计算中不考虑应力集中和残余应 力。在拉杆中截面的应力按均匀分布计算，即以此为基础。

低碳钢和低合金钢有明显的屈服点和屈服平台(图4-16a)。而热处理钢材(如ζy 高达690N／mm2 的美国A514 钢)，它可以有较好的塑性性质但没有明显的屈服点和屈服平台，应力应变曲线形成一条连续曲线。对于没有明显屈服点的钢材，规定永久变形为ε=0．2％时的应力作为屈服点，有时用ζ0.2 表示。为了区别起见，把这种名义屈服点称作屈服强度(图4-17)。生产试验时为了简单易行，也可以用与ε=0．5％对应的应力作为屈服强度，因为它与ζ0.2 相差不多。以后，为简明统一起见，在钢结构中对ζy 与ζ0.2 不再区分而且用符号fy 表示，并统一用屈服强度一词。

抗拉强度ζu 屈服平台之后，应变增长时又需有应力的增长，但相对地说应变增加得快，呈现曲线关系直到最高点，这是应

变硬化阶段CD(图4-16b)。最高点应力为抗拉强度

ζu(设计时作为材料抗力用fu 表示)。到达ζu

后试件出现局部横向收缩变形，即“颈缩”，随后

断裂。

由于到达ζy 后构件产生较大变形，故把它

取为计算构件的强度标准；由于到达D 点时构件 图4－17 名义屈服点 开始断裂破坏，故ζu 是材料的安全储备。塑性设计虽然把钢材看做理想弹塑性体，忽略应变硬 化的有利因素，却是以ζu 高出ζy 为条件的。如果没有硬化阶段，或是ζu 比ζy 高出不多，就不具备塑性设计应有的转动能力。因此，规范规定钢材必须有ζu/ζy≥1．2 的强屈比。

伸长率δ10 或δ5 伸长率是断裂前试件的永久变形与原标定长度的百分比。取圆形试件直径d 的五倍或十倍为标定长度，其相应的伸长率用δ5 或δ10 表示(图4-16b)，伸长率代表材料断裂前具有的塑性变形的能力。结构制造寸，这种能力使材料经受剪切、冲压、弯曲及锤击所产生的局部屈服而无明显损坏。

屈服点、抗拉强度和伸长率，是钢材的三个重要力学性能指标。钢结构中所 采用的钢材都应满足钢结构设计规范对这三项力学性能指标的要求。

除上述的三个指标及其表现的性能外，材料的弹性模量E 及硬化开始时应变 硬化模量Est(图4—16b)，也是一次拉伸试验表现的性能。钢材在一次压缩或剪切时所表现出来的应力—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值，只是剪切时的强度指标数值比拉伸时的小。

2）冷 弯 性 能

根据试样厚度，按规定的弯心直径将试样弯

曲180°，其表面及侧面无裂纹或分层则为“冷

弯试验合格”(见图4-18)。“冷弯试验合格”一

方面同伸长率符合规定一样，表示材料塑性变

形能力符合要求，另一方面表示钢材的冶金质

量(颗粒结晶及非金属夹杂分布，甚至在一定程

度上包括可焊性)符合要求，因此，冷弯性能是

判别钢材塑性变形能力及冶金质量的综合指

标。重要结构中需要有良好的冷热加工的工艺

性能时，应有冷弯试验合格保证。

图4－18冷弯试验

3）冲击韧性

与抵抗冲击作用有关的钢材的性能是韧性。韧性是钢材断裂时吸收机械能能 力的量度。吸收较多能量才断裂的钢材，是韧性好的钢材。钢材在一次拉伸静载 作用下断裂时所吸收的能量，用单位体积吸收的能量来表示，其值等于应力-应 变曲线下的面积。塑性好的钢材，其应力-应变曲线下的面积大，所以韧性值大。 然而，实际工作中，不用上述方法来衡量钢材的韧性，而用冲击韧性衡量钢材抗

脆断的性能，因为实际结构中脆性断裂并不发生在单向受拉的地方，而总是发生 在有缺口高峰应力的地方，在缺口高峰应力的地方常呈三向受拉的应力状态。因 此，最有代表性的是钢材的缺口冲击韧性，简称冲击韧性或冲击功。

冲击韧性的测量，可用不同的方法进行。我国过去多用梅氏(Mesnager)方法进行。该法规定用跨中带U 型缺口的方形截面小试件在规定试验机上进行 (图 4-19a 及b)。试件在摆锤冲击下折断后，断口处单位面积上的功即为冲击韧性值， 用αk 表示，单位为J／cm2。

现行国家标准《碳素结构钢》(GB700—88)规定采用国际上通用的夏比试验 法(Charpy V-notch test)，试件和梅氏试件的区别仅仅在于带V 型缺口， 由 于缺口比较尖锐(图4-19c)，缺口根部的高峰应力及其附近的应力状态能更好地 描绘实际结构的缺陷。夏比缺口韧性用Akv 或Cv 表示，其值为试件折断所需的功，单位为J。因为试件都用同一标准尺寸，不用缺口处单位面积的功，可以使测量工作简化。

图4－19 冲击试验

缺口韧性值受温度影响，温度低于某值时将急剧降低。设计处于不同环境温 度的重要结构，尤其是受动载作用的结构时，要根据相应的环境温度对应提出常 温(20±5℃)冲击韧性、0℃冲击韧性或负温(-20℃或-40℃)冲击韧性的保证要 求。

4）可 焊 性

可焊性是指采用一般焊接工艺就可完成合格的(无裂纹的)焊缝的性能。

钢材的可焊性受碳含量和合金元素含量的影响。碳含量在0.12％—0.20％范围内的碳素钢，可焊性最好。碳含量再高可使焊缝和热影响区变脆。Q235B 的 碳含量就定在这一适宜范围。Q235A 的碳含量略高于B 级，且不作为交货条件， 除非把碳含量作为附加保证，这一钢号通常不能用于焊接构件。提高钢材强度的 合金元素大多也对可焊性有不利影响。衡量低合金钢的可焊性可以用下列公式计 算其碳当量。此式是国际焊接学会(UV)提出的，为我国行业标准《建筑钢结构焊 接技术规程》(JGJ81)所采用。

当CE 不超过0.38％时，钢材的可焊性很好，Q235 和Q345 钢属于这一类。当CE 大于0.38％但未超过0.45％时，钢材淬硬倾向逐渐明显，需要采取适当的预热措施并注意控制施焊工艺。预热的目的在于使焊缝和热影响区缓慢冷却，以免因淬硬而开裂。当CE 大于0.45％时，钢材的淬硬倾向明显，需采用较高的预热温度和严格的工艺措施来获得合格的焊缝。 《建筑钢结构焊接技术规程》(JGJ81)给出常用结构钢材最低施焊温度表。厚度不超过40mm 的Q235 钢和厚度不超过25mm 的Q345 钢，在温度不低于0℃时一般不需预热。除碳当量外，预热温度还和钢材厚度及构件变形受到约束的程度有直接关系。因此，重要结构施焊时实际采用的焊接制度最好由工艺试验确定。

综上所述，钢材可焊性的优劣实际上是指钢材在采用一定的焊接方法，焊接 材料、焊接工艺参数及一定的结构形式等条件下，获得合格焊缝的易难程度。可 焊性稍差的钢材，要求更为严格的工艺措施。

4、影响钢材性能的因素

1） 化学成分的影响

钢是含碳量小于2％的铁碳合金，碳大于2％时则为铸铁。制造钢结构所用 的材料有碳素结构钢中的低碳钢及低合金结构钢。

碳素结构钢由钝铁、碳及杂质元素组成，其中纯铁约占99％，碳及杂质元 素约占1％。低合金结构钢中，除上述元素外还加入合金元素，后者总量通常不 超过3％。碳及其他元素虽然所占比重不大，但对钢材性能却有重要影响。

1．碳(C)

碳是形成钢材强度的主要成分。材料中大部分空间内为柔软的纯铁体，而化 合物渗碳体(Fe3C)及渗碳体与纯铁体的混合物一珠光体则十分坚硬，它们形成网

络夹杂于纯铁体之间。钢的强度来自渗碳体与珠光体。碳含量提高，则钢材强度 提高，但同时钢材的塑性、韧性，冷弯性能，可焊性及抗锈蚀能力下降。因此不 能用含碳量高的钢材，以便保持其他的优良性能。按碳的含量区分，小于 0．25 ％的为低碳钢，大于0．25％而小于0．6％的为中碳钢，大于0．6％的为高碳钢。钢结构用钢的碳含量一般不大于0．22％，对于焊接结构，为了有良好的可焊性，以不大于0．2％为好。所以，建筑钢结构用的钢材基本上都是低碳钢。

只有高强度螺栓用的40B 和35VB 钢及组成预应力钢索的高强钢丝，含碳量高于 0．25％。

2．锰(Mn)

锰是有益元素，它能显著提高钢材强度但不过多降低塑性和冲击韧性。锰有 脱氧作用，是弱脱氧剂。锰还能消除硫对钢的热脆影响。碳素钢中锰是有益的杂 质，在低合金钢中它是合金元素。我国低合金钢中锰的含量在1．0％—1．7％。但是锰可使钢材的可焊性降低，故含量有限制。

3．硅(Si)

硅是有益元素，有更强的脱氧作用，是强脱氧剂。硅能使钢材的粒度变细，控制适量时可提高强度而不显著影响塑性、韧性、冷弯性能及可焊性。硅的含量 在碳素镇静钢中为0．12％—0．3％，低合金钢中为0．2％—0．55％，过量时 则会恶化可焊性及抗锈蚀性。

4．钒(V)、铌(Nb)、钛(Ti)

钒、铌、钛都能使钢材晶粒细化。我国的低合金钢都含有这三种元素，作为 锰以外的合金元素，既可提高钢材强度，又保持良好的塑性，韧性。

5．铝(Al)、铬(Cr)、镍(Ni)

铝是强脱氧剂，用铝进行补充脱氧，不仅进一步减少钢中的有害氧化物，而 且能细化晶粒。低合金钢的C、D 及E 级都规定铝含量不低于0．015％，以保证 必要的低温韧性。铬和镍是提高钢材强度的合金元素，用于Q390 钢和Q420 钢。

6．硫(S)

硫是有害元素，属于杂质，能生成易于熔化的硫化铁，当热加工及焊接使温 度达800~1000℃时，可能出现裂纹，称为热脆。硫还能降低钢的冲击韧性，同 时影响疲劳性能与抗锈蚀性能。因此，对硫的含量必须严加控制，一般不得超过

0．045％~0．05％，质量等级为D、E 级的钢则要求更严，Q345E 的硫含量不应 超过0．25％。近年来发展的抗层间断裂的钢(厚度方向性能的钢板)，含硫量要 求控制在0．01％以下。

7．磷(P)

磷既是有害元素也是能利用的合金元素。磷是碳素钢中的杂质，它在低温下 使钢变脆，这种现象称为冷脆。在高温寸磷也能使钢减少塑性，其含量应限制在 0．045％以内，质量等级C、D、E 级的钢则含量更少。但磷能提高钢的强度和抗 锈蚀能力。经过合适的冶金工艺也能作为合金元素，如过去用的牌号09 锰铜磷 钛就含有磷元素，含量在0．05％~0．12％之间。

8．氧(O)、氮(N)

氧和氮也是有害杂质，在金属熔化的状态下可以从空气中进入。氧能使钢热 脆，其作用比硫剧烈，氮能使钢冷脆，与磷相似。故其含量必须严加控制。钢在 浇铸过程中，应根据需要进行不同程度的脱氧处理。碳素结构钢的氧含量不应大 于0．008％。但氮有时却作为合金元素存在于钢之中，桥梁用钢15 锰钒氮 (15MnVNq)就是如此，它的B 级钢氮含量为0．01％—0．02％。

钢结构所用碳素结构钢中的Q235 钢及低合金结构钢中的Q345 钢和Q390 钢 的化学成分及其含量，见书后附表9。

2） 成材过程的影响

1．冶炼

钢材的冶炼方法主要有平炉炼钢、氧气顶吹转炉炼钢，碱性侧吹转炉炼钢及 电炉炼钢。其中平炉炼钢由于生产效率低，碱性侧吹转炉炼钢生产的钢材质量较 差，目前基本已被淘汰。而电炉冶炼的钢材一般不在建筑结构中使用。因此，在 建筑钢结构中，主要使用氧气顶吹转炉生产的钢材。目前氧气顶吹转炉钢的质量， 由于生产技术的提高，已不低于平炉钢的质量。同时，氧气顶吹转炉钢具有投资 少、生产率高、原料适应性大等特点，目前已成为主流炼钢方法。

冶炼这一冶金过程形成钢的化学成分与含量、钢的金相组织结构，不可避免 地存在冶金缺陷，从而确定不同的钢种，钢号及其相应的力学性能。

2．浇铸

把熔炼好的钢水浇铸成钢锭或钢坯有两种方法，一种是浇人铸模做成钢锭，

另一种是浇入连续浇铸机做成钢坯。前者是传统的方法，所得钢锭需要经过初轧 才成为钢坯。后者是近年来迅速发展的新技术，浇铸和脱氧同时进行。铸锭过程 中因脱氧程度不同，最终成为镇静钢、半镇静钢与沸腾钢。镇静钢因浇铸时加入 强脱氧剂，如硅，有时还加铝或钛，保温时间得以加长，氧气杂质少且晶粒较细， 偏析等缺陷不严重，所以钢材性能比沸腾钢好，但传统的浇铸方法因存在缩孔而 成材率较低。

连续浇铸可以产出镇静钢而没有缩孔，并且化学成分分布比较均匀，只有轻 微的偏析现象。采用这种连续浇铸技术既提高产品质量，又降低成本。

钢在冶炼及浇铸过程中会不可避免地产生冶金缺陷。常见的冶金缺陷有偏 析，非金属夹杂，气孔及裂纹等等。偏析是指金属结晶后化学成份分布不匀；非 金属夹杂是指钢中含有如硫化物等杂质；气泡是指浇铸时由FeO 与C 作用所生成 的CO 气体不能充分逸出而滞留在钢锭内形成的微小空洞。这些缺陷都将影响钢 的力学性能。

3．轧制

钢材的轧制能使金属的晶粒变细，也能使气泡、裂纹等焊合，因而改善了钢 材的力学性能。薄板因辊轧次数多，其强度比厚板略高、浇铸时的非金属夹杂物 在轧制后能造成钢材的分层，所以分层是钢材(尤其是厚板)的一种缺陷。设计时 应尽量避免拉力垂直于板面的情况，以防止层间撕裂。

4．热处理

一般钢材以热轧状态交货，某些高强度钢材则在轧制后经过热处理才出厂。 热处理的目的在于取得高强度的同时能够保持良好的塑性和韧性。国家标准《低 合金高强度结构钢》(GB／T1591—94)规定：“钢一般应以热轧、控轧，正火及正火加回火状态交货。Q420、Q460C、D、E 级钢也可按淬火加回火状态交货”。具体交货状态由需方提出并订入合同，否则由供方决定。

正火属于最简单的热处理：把钢材加热至850—900℃并保持一段时间后在 空气中自然冷却，即为正火。如果钢材在终止轧制时温度正好控制在上述温度范 围，可得到正火的效果，称为控轧。回火是将钢材重新加热至650℃并保温一段 时间，然后在空气中自然冷却。淬火加回火也称调质处理，淬火是把钢材加热至 900℃以上，保温一段时间，然后放入水或油中快速冷却。强度很高的钢材，包

括高强度螺栓的材料都要经过调质处理。

3） 影响钢材性能的其他因素

钢材的性能和各种力学指标，除由前面所列各因素决定之外，在钢结构的制 造和使用中，还可能受其他因素的影响。

1．冷加工硬化(应变硬化)

在常温下加工叫冷加工。冷拉、冷弯、冲孔、机械剪切等加工使钢材产生很 大塑性变形，产生塑性变形后的钢材在重新加荷时将提高屈服点(图4-20 中的B 点)，同时降低塑性和韧性(图4-20 中的CD)。由于减小了塑性和韧性性能，普通 钢结构中不利用硬化现象所提高的强度。重要结构还把钢板因剪切而硬化的边缘 部分刨去。

用作冷弯薄壁型钢结构的冷

弯型钢，是由钢板或钢带经冷轧

成型的，也有的是经压力机模压

成型或在弯板机上弯曲成型的。

由于冷成型操作，实际构件截面

上各点的fy 与fu 几乎都有不同百

分比的提高，其性能与原钢板已

经有所不同。由于这个原因，薄

壁型钢结构设计中允许利用因局

部冷加工而提高的强度。

此外，还有性质类似的时效

硬化与应变时效。时效硬化指钢

材仅随时间的增长而转脆，应变 图4－20 钢材的硬化 时效指应变硬化又加时效硬化

(图4-20 中的CB′D′)。由于这些是使钢材转脆的性质，所以有些重要结构要求 对钢材进行人工时效(加速时效进行)，然后测定其冲击韧性，以保证结构具有长 期的抗脆性破坏能力。

2．温度影响

钢材对温度相当敏感，温度升高与降低都使钢材性能发生变化。相比之下，

低温性能更重要。

正温范围 附表10 所列钢材的性能指标都是常温情况下的。图4-21 为钢材 的机械性能与温度间的关系曲线。总的趋势是随着温度的升高，钢材强度降低， 变形增大。

约在200℃以内钢材性能没有很大变化，430~540℃之间则强度(fy、fu)急剧 下降；到600℃时强度很低不能承担荷载。此外，250℃附近有兰脆现象，约

图4－21 高温对钢材性能的影响

260~320℃时有徐变现象。兰脆现象指温度在250℃左右的区间内，fu 有局部性 提高，fy 也有回升现象，同时塑性有所降低，材料有转脆倾向。在兰脆区进行热加工，可能引起裂纹。徐变现象指在应力持续不变的情况下钢材以很缓慢的速度继续变形的现象，结合200℃以内材性无大变化的性能看，结构表面所受辐射温度应不超过这一温度。设计时以规定150℃为适宜，超过之后结构表面即需加设隔热保护层。

钢材在高温下强度降低，尤其是600℃以后几乎丧失承载能力，使其耐火性 能很低。为了满足建筑物防火要求，需要用耐火材料加以防护，从而提高了钢结 构的造价。目前国内外都已开发出具有一定耐火性能的钢材。宝山钢铁公司的耐 火钢系列和耐候耐火钢系列新产品，在600℃高温下屈服点下降幅度不大于其标

准值的1／3，可以减少或省去外涂或外包防火材料。

负温范围 在负温范围fy 与fu 都增高但塑性变形能力减小，因而材料转脆， 对冲击韧性的影响十分突出。Cv 随温度变化的规律如图2-7 所示。由图看到，在右部(高能部分)与左部(低能部分)，曲线比较平缓，温度带来的变化较小，而中间部分曲线较陡，破坏时需要的能量随温度而急剧变化，这部分对应的温度用 T1 及T2 表示，T1 与T2 之间称作温度转变区。材料由韧性破坏转到脆性破坏是在这一区间内完成的。曲线最陡点所对应的温度T0，叫该种钢材的转变温度，T1 与T2 要根据实践经验由大量试验统计数据来确定。在结构设计中要求避免完全 脆性破坏，所以结构所处温度应大于T1；而不要求一定大于T2，因为那样虽然安 全，但对材料要求过严将会造成浪费。

3．应力集中

当截面完整性遭到破坏，如有裂纹(内部的或表面的)、孔洞、刻槽、凹角时 以及截面的厚度或宽度突然改变时，构件中的应力分布将变得很不均匀。在缺陷 或截面变化处附近，应力线曲折，密集、出现高峰应力的现象称为应力集中。图 2-8 中孔洞或缺口边缘的最大应力ζmax 与净截面平均应力ζ0(ζ0=N／An,An 为净

截面面积)之比称为应力集中系数，即K=ζmax/ζ0。孔边应力高峰处将产生双向或三向的应力。这是因为材料的某一点在x 方向伸长的同时，在y 方向 (横向)将要收缩，而ζx 的分布很不均匀，最大应力附近的横向收缩将受到阻碍从而引起ζy。当板厚较大时还将引起ζz。

由力学知识知道，三向同号应力且各应力数值接近时，材料不易屈服。当为 数值相等三向拉应力时，直到材料断裂也不屈服。没有塑性变形的断裂是脆性断 裂。所以，三向应力的应力状态，使材料沿力作用方向塑性变形的发展受到很大 约束，材料容易脆性破坏。因此，对于厚钢材应该要求更高的韧性。

二、技能训练

现场教学：

1、目的和意义

钢筋的直径、外观以及钢筋的加工方式是本章的重点内容。通过参观学习，现场进行钢筋加工指导，增加学生的感性认识，积累经验，引导学生将课堂

上所学的知识与实践结合起来。

2、内容与要求

在指导教师和技术工人的指导下，在校内实训基地观看典型结构的钢筋，了解钢筋的直径、外观，并进行现场进行钢筋加工演示，联系所学的专业知识，对钢筋的性能有较为深刻的影响。

思 考 题

4.1混凝土的强度等级是怎样确定的？混凝土的基本强度指标有哪些?

4.2混凝土受压时的应力－应变曲线有何特点？

4.3混凝土的弹性模量是如何确定的？

4.4什么是混凝土的徐变和收缩?影响混凝土徐变和收缩的因素有哪些？混凝土的徐变和收缩对结构构件有何影响?

4.5我国建筑结构用的钢筋品种有哪些？并说明各种钢筋的应用范围？

4.6有明显屈服点的钢筋和没有明显屈服点的钢筋的应力－应变曲线有何特点？

4.7钢筋和混凝土产生粘结的作用和原因是什么？影响粘结强度的主要因素有哪些？

4.8块材和砂浆在砌体中有何作用？常用的块材和砂浆是如何分类的？

4.9钢结构对钢材性能有哪些要求？这些要求用哪些指标来衡量？

4.10钢结构中常用的钢材有哪几种？钢材牌号的表示方法是什么？