第三章結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)性能及選用

結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)性能，主要是指材料的強(qiáng)度和變形能力，以及材料的本構(gòu)關(guān)系（即應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系）。了解結(jié)構(gòu)構(gòu)件所用材料的力學(xué)性能，是掌握結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受力性能的基礎(chǔ)。

1第三章結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)性能及選用第一節(jié)建筑鋼材

鋼是含碳量低于2%的鐵碳合金（含碳量高于2%時(shí)為生鐵），鋼經(jīng)軋制或加工成的鋼筋、鋼絲、鋼板及各種型鋼，統(tǒng)稱鋼材。建筑鋼材中大量使用碳素結(jié)構(gòu)鋼和普通低合金鋼。在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)以及鋼結(jié)構(gòu)中所使用的鋼材可分為兩類：有明顯屈服點(diǎn)的鋼材（低碳鋼），無明顯屈服點(diǎn)的鋼材（鑄鐵）。2第三章結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)性能及選用3第三章結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)性能及選用一、鋼材的力學(xué)性能（一）應(yīng)力-應(yīng)變曲線4第三章結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)性能及選用5第三章結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)性能及選用6第三章結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)性能及選用7第三章結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)性能及選用有明顯屈服點(diǎn)的鋼材標(biāo)準(zhǔn)試件在拉伸時(shí)的變化分為四個(gè)階段：1、彈性階段在拉伸的初始階段，應(yīng)力σ與應(yīng)變ε按比例增加，兩者呈直線關(guān)系，符合虎克定律，且當(dāng)荷載卸除后，彎曲恢復(fù)原狀，該階段稱為彈性階段，其最大應(yīng)力稱為比例極限。2、屈服階段當(dāng)應(yīng)力超過比例極限后，應(yīng)變的增長速度大于應(yīng)力的增長速度，當(dāng)?shù)竭_(dá)b點(diǎn)時(shí)，應(yīng)變急劇增加，而應(yīng)力基本不變，鋼材發(fā)生顯著的、不可恢復(fù)的塑性變形，此階段稱為屈服階段。相應(yīng)于屈服下限的應(yīng)力稱為屈服強(qiáng)度。3、強(qiáng)化階段當(dāng)鋼材屈服塑流到一定程度后，應(yīng)力-應(yīng)變曲線又呈上升形狀，曲線最高點(diǎn)的應(yīng)力稱為抗拉強(qiáng)度，此階段稱為強(qiáng)化階段。4、頸縮破壞階段當(dāng)鋼材應(yīng)力達(dá)到抗拉強(qiáng)度后，試件薄弱斷面顯著變小，發(fā)生“頸縮”現(xiàn)象，應(yīng)變迅速增加，應(yīng)力隨之下降，最后直至拉斷。

8第三章結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)性能及選用無明顯屈服點(diǎn)的鋼材標(biāo)準(zhǔn)試件的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖C所示。

這類鋼材沒有明顯的屈服點(diǎn)，抗拉強(qiáng)度很高，但變形很小。通常取相應(yīng)于殘余應(yīng)變（永久變形）為0.2%時(shí)的應(yīng)力f0.2作為屈服強(qiáng)度，稱為條件屈服強(qiáng)度。

鋼材受壓時(shí)的性能特點(diǎn)：

在達(dá)到屈服強(qiáng)度之前，鋼材的受壓性能與受拉時(shí)的相似，受壓屈服強(qiáng)度也與受拉時(shí)基本一樣。在達(dá)到屈服強(qiáng)度之后，由于試件發(fā)生明顯的塑性壓縮，截面面積增大，因而難以得到明確的抗壓強(qiáng)度。

9第三章結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)性能及選用（二）強(qiáng)度

鋼材的強(qiáng)度指標(biāo)包括屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度兩項(xiàng)。

對于有明顯屈服點(diǎn)的鋼材，由于鋼材的屈服將產(chǎn)生明顯的、不可恢復(fù)的塑性變形，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)構(gòu)件可能鋼材尚未進(jìn)入強(qiáng)化階段就發(fā)生破壞或產(chǎn)生過大的變形和裂縫，因此在正常使用情況下，構(gòu)件中的鋼材應(yīng)力應(yīng)小于其屈服強(qiáng)度，故屈服強(qiáng)度是鋼材關(guān)鍵性的強(qiáng)度指標(biāo)。

此外，在抗震結(jié)構(gòu)中，考慮到受拉鋼材可能進(jìn)入強(qiáng)化階段，故要求其屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度的比值（屈強(qiáng)比）不大于0.8，以保證結(jié)構(gòu)的變形能力，因而鋼材的抗拉強(qiáng)度是檢驗(yàn)鋼材質(zhì)量的另一強(qiáng)度指標(biāo)。

對于無明顯屈服點(diǎn)的鋼材（鋼結(jié)構(gòu)中的鋼材除高強(qiáng)度螺栓外都屬于有明顯屈服點(diǎn)的鋼材，無明顯屈服點(diǎn)的鋼材僅為混凝土結(jié)構(gòu)中的熱處理鋼筋和鋼絲），其條件屈服強(qiáng)度不容易測定，這類鋼材在質(zhì)量檢驗(yàn)時(shí)以其抗拉強(qiáng)度作為主要強(qiáng)度指標(biāo)，并以極限抗拉強(qiáng)度fsu的0.85倍作為條件屈服強(qiáng)度。

10第三章結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)性能及選用（三）塑性

塑性是指鋼材破壞前產(chǎn)生變形的能力。反映塑性性能的指標(biāo)是“伸長率”和“冷彎性能”。

伸長率：

（3-1）l1——試件原標(biāo)距長度，一般取5d，d為試件直徑；l2——試件拉斷后的標(biāo)距長度；δ——伸長率（%），當(dāng)l15d時(shí)記為δ5。

伸長率大的鋼材塑性好，拉斷前有明顯預(yù)兆；伸長率小的鋼材塑性差，破壞會突然發(fā)生，呈脆性特征。

有明顯屈服點(diǎn)的鋼材都有較大的伸長率。11第三章結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)性能及選用12第三章結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)性能及選用冷彎性能：

冷彎性能是指鋼材在常溫下承受彎曲時(shí)產(chǎn)生塑性變形的能力，是鋼材的重要工藝性能。對不同直徑或厚度的鋼材，要求按規(guī)定的彎心直徑彎曲一定的角度而不產(chǎn)生裂紋。冷彎性能可間接反映試件彎曲處的塑性變形，揭示鋼材是否存在內(nèi)部組織不均勻、內(nèi)應(yīng)力和夾雜物等缺陷。冷彎試驗(yàn)也能對鋼材的焊接質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格的檢驗(yàn)，能揭示焊件受彎表面是否存在未熔合、裂縫及雜物等缺陷。鋼材的冷彎性能要求合格。

13第三章結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)性能及選用冷彎性能實(shí)驗(yàn)方法：

以試驗(yàn)時(shí)的彎曲角度α和彎心直徑d為指標(biāo)表示。鋼材的冷彎試驗(yàn)是通過直徑(或厚度)為a的試件，采用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的彎心直徑d（d

=na,n為整數(shù)），彎曲到規(guī)定的角度時(shí)（180°或90°），檢查彎曲處有無裂紋、斷裂及起層等現(xiàn)象。若沒有這些現(xiàn)象則認(rèn)為冷彎性能合格。鋼材冷彎時(shí)的彎曲角度越大，彎心直徑越小，則表示冷彎性能越好,見下圖。14第三章結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)性能及選用檢驗(yàn)有明顯屈服點(diǎn)的鋼材的主要質(zhì)量指標(biāo)：鋼材的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、伸長率和冷彎性能。

檢驗(yàn)無明顯屈服點(diǎn)的鋼材的主要質(zhì)量指標(biāo)：抗拉強(qiáng)度、伸長率和冷彎性能。

對于需要驗(yàn)算疲勞的焊接結(jié)構(gòu)鋼材，尚應(yīng)具有常溫沖擊韌性的合格保證。

沖擊韌性是反映金屬材料對外來沖擊負(fù)荷的抵抗能力，一般由沖擊韌性值（ak）和沖擊功（Ak）表示，其單位分別為J/cm2和J（焦耳）。沖擊韌性或沖擊功試驗(yàn)（簡稱"沖擊試驗(yàn)"），因試驗(yàn)溫度不同而分為常溫、低溫和高溫沖擊試驗(yàn)三種；若按試樣缺口形狀又可分為"V"形缺口和"U"形缺口沖擊試驗(yàn)兩種。

15第三章結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)性能及選用16第三章結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)性能及選用（四）彈性模量鋼材在彈性階段的應(yīng)力和相應(yīng)應(yīng)變的比值為常量，該比值即為鋼材的彈性模量。

Es=σs/εs

σs—屈服前的鋼材應(yīng)力，N/mm2

εs—相應(yīng)的鋼材應(yīng)變

鋼材的彈性模量可由拉伸實(shí)驗(yàn)測定，鋼結(jié)構(gòu)采用E=206×106N/mm2，鋼筋的彈性模量根據(jù)鋼筋的種類不同而有所區(qū)別，可查表得。17第三章結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)性能及選用二、鋼材的冷加工

鋼材在常溫下經(jīng)剪切、冷彎、輥壓、冷拉、冷拔等冷加工過程，性能將發(fā)生顯著改變，強(qiáng)度提高，塑性降低，使鋼材產(chǎn)生硬化，有增加鋼結(jié)構(gòu)脆性破壞的危險(xiǎn)。但在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，有時(shí)采用經(jīng)控制的冷拉或冷拔后的鋼筋以節(jié)約鋼材。（一）鋼筋的冷拉

冷拉是將鋼筋拉伸至超過其屈服強(qiáng)度的某一應(yīng)力，然后卸載，以提高鋼筋強(qiáng)度的方法。18第三章結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)性能及選用冷拉原理鋼筋冷拉原理如圖所示，圖中abcde為鋼筋的拉伸特性曲線。冷拉時(shí)，拉應(yīng)力超過屈服點(diǎn)b達(dá)到c點(diǎn)，然后卸荷。由于鋼筋已產(chǎn)生塑性變形，卸荷過程中應(yīng)力應(yīng)變沿co1降至o1點(diǎn)。如再立即重新拉伸，應(yīng)力應(yīng)變圖將沿o1cde變化，并在高于c點(diǎn)附近出現(xiàn)新的屈服點(diǎn)，該屈服點(diǎn)明顯高于冷拉前的屈服點(diǎn)b，這種現(xiàn)象稱“冷拉強(qiáng)化”。其原因是冷拉過程中，鋼筋內(nèi)部結(jié)晶面滑移，晶格變化，內(nèi)部組織發(fā)生變化，因而屈服強(qiáng)度提高，但塑性降低，彈性模量也降低。19第三章結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)性能及選用鋼筋冷拉后內(nèi)應(yīng)力存在，內(nèi)應(yīng)力會促進(jìn)鋼筋內(nèi)晶體組織調(diào)整，經(jīng)過調(diào)整，屈服強(qiáng)度又進(jìn)一步提高。該晶體組織調(diào)整過程稱為“時(shí)效”。鋼筋經(jīng)冷拉和時(shí)效后的拉伸特性曲線即改為o1c’d’e’。HPB235，HRB335級鋼筋的自然時(shí)效在常溫下需15~20d，但在100℃溫度下需2h即完成，因而為加速時(shí)效可利用蒸汽、電熱等手段進(jìn)行人工時(shí)效。HRB400，RRB400級鋼筋在自然條件下一般達(dá)不到時(shí)效的效果，更宜用人工時(shí)效，一般通電加熱150~200℃，保持20min左右即可。20第三章結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)性能及選用鋼筋經(jīng)冷拉和實(shí)效硬化后，強(qiáng)度有所提高，但塑性降低。合理地選擇冷拉控制點(diǎn)c可使鋼筋保持一定的塑性而又能提高鋼筋的強(qiáng)度，達(dá)到節(jié)省鋼材的目的。

必須注意的是：焊接時(shí)產(chǎn)生的高溫會使鋼筋軟化（強(qiáng)度降低，塑性增加），因此，對需要焊接的鋼筋應(yīng)先焊好再進(jìn)行冷拉；此外，冷拉只能提高鋼筋的抗拉強(qiáng)度而不能提高鋼筋的抗壓強(qiáng)度，一般不采用冷拉鋼筋做抗壓鋼筋。由于鋼筋冷拉后塑性降低、脆性增加，故不用冷拉鋼筋做吊環(huán)。21第三章結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)性能及選用（二）鋼筋的冷拔

冷拔是用強(qiáng)力將鋼筋拔過比其直徑略小的硬質(zhì)合金拔絲模，鋼筋受到縱向拉力和橫向擠壓力的作用，截面變小而長度伸長，內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。

經(jīng)過連續(xù)冷拔后的冷拔低碳鋼絲，強(qiáng)度可提高40%-90%，但塑性顯著降低，且沒有明顯的屈服點(diǎn)。冷拔可以同時(shí)提高鋼筋的抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度。

需注意的是：由于我國強(qiáng)度高、性能好的鋼筋及鋼絲、鋼絞線已可充分供應(yīng)，故冷拉鋼筋和冷拔低碳鋼絲已不再列入規(guī)范。22第三章結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)性能及選用三、建筑鋼材的品種

目前我國常用的鋼材由碳素結(jié)構(gòu)鋼及普通低合金鋼制造。碳素結(jié)構(gòu)鋼分：低碳鋼（普通碳素鋼）、中碳鋼、高碳鋼。在低碳鋼中加入硅、錳、釩、鈦、鈮、鉻等少量合金元素，使鋼材性能有較顯著的改善，成為普通低合金鋼。（一）鋼筋

按生產(chǎn)工藝與力學(xué)性能不同分：熱軋鋼筋、冷拉鋼筋、熱處理鋼筋、鋼絲、鋼絞線等。前兩者有明顯的屈服點(diǎn)，后兩者沒有明顯的屈服點(diǎn)。

熱軋鋼筋分三級：HPB235(Ф),HRB335()、HRB400()、RRB400。數(shù)值為強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。HPB235為低碳鋼，其余為低合金鋼。均用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

23第三章結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)性能及選用

H：熱軋的意思，P：光圓的意思，R：帶肋的意思，B：鋼筋，235：表示屈服點(diǎn)為235Mpa，HPB235的意思就是熱軋一級圓鋼，一般鋼筋直徑為16mm和12mm兩種。

HRB335為熱軋帶勒二級螺紋鋼筋，HRB400是熱軋帶勒三級螺紋鋼筋。RRB則是熱處理三級鋼，一般的是沒有這個(gè)級別，熱處理鋼常見的四級鋼、五級鋼，表示為RRB480和RRB560。

用于預(yù)應(yīng)力鋼筋的有鋼絞線、刻痕鋼絲、消除應(yīng)力鋼絲、螺旋肋鋼絲及熱處理鋼筋。（熱處理鋼筋指由某些特定鋼號鋼筋經(jīng)淬火和回火處理而得到的，其鋼筋經(jīng)熱處理后強(qiáng)度有很大提高而塑性降低不多。）24第三章結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)性能及選用鋼筋按外形特征分：光面鋼筋、帶肋鋼筋（螺紋鋼筋、月牙紋鋼筋）。HPB235級鋼筋是光面鋼筋，，其余熱軋鋼筋和熱處理鋼筋都是帶肋鋼筋。螺紋鋼筋月牙紋鋼筋25第三章結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)性能及選用（二）型鋼與鋼板

鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件一般直接選用型鋼，當(dāng)構(gòu)件的尺寸很大或型鋼不合適時(shí)則用鋼板制作。

型鋼有角鋼（等邊角鋼、不等邊角鋼）、槽鋼、工字鋼等；鋼板有厚板（4.5-60mm）和薄板（0.35-4mm）。

根據(jù)規(guī)范規(guī)定，用于鋼結(jié)構(gòu)的鋼材牌號為碳素結(jié)構(gòu)鋼中的Q235鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼中的Q345鋼、Q390鋼、Q420鋼，其屈服點(diǎn)在鋼材厚度小于或等于16mm時(shí)分別為235、345、390、420N/mm2（當(dāng)厚度大于16mm時(shí)，屈服點(diǎn)隨厚度的增加而降低）。Q235鋼分A、B、C、D四個(gè)質(zhì)量等級，它們均保證規(guī)定的屈服點(diǎn)、抗拉強(qiáng)度和伸長率。B、C、D級還保證180°冷彎和規(guī)定的沖擊韌性。另外根據(jù)脫氧方法分沸騰鋼、半鎮(zhèn)靜鋼、鎮(zhèn)靜鋼（F、b、Z）。Q235-A·F表示屈服點(diǎn)為235N/mm2、質(zhì)量等級為A級的沸騰鋼。26第三章結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)性能及選用四、鋼材的選用（一）鋼筋1、混凝土結(jié)構(gòu)的對鋼筋性能的要求

在混凝土結(jié)構(gòu)中，鋼筋與混凝土共同工作，鋼筋按一定的排列順序和位置布置于混凝土中。其二者之所以能夠共同工作，是因?yàn)椋孩倩炷两Y(jié)硬后，可與鋼筋牢固粘結(jié)，互相傳遞應(yīng)力、共同變形。二者之間的粘結(jié)力是其共同工作的基礎(chǔ)。②二者具有相近的溫度線膨脹系數(shù)：鋼為1.2×10-5，混凝土為（1.0-1.5）×10-5。當(dāng)溫度變化時(shí)，兩者之間不致產(chǎn)生過大的相對變形及溫度應(yīng)力。③混凝土提供