1、单元单元15 钢筋和混凝土的力学性能钢筋和混凝土的力学性能1.1.钢筋的品种、规格、力学性能及强度设计指标；钢筋的品种、规格、力学性能及强度设计指标；2.2.钢结构用钢材的品种、规格、力学性能及强度设计指标；钢结构用钢材的品种、规格、力学性能及强度设计指标；3.3.混凝土的强度、变形指标；混凝土结构耐久性规定；混凝土的强度、变形指标；混凝土结构耐久性规定；4.4.砌体材料种类及强度等级；砌体材料种类及强度等级；5.5.砌体的力学性能。砌体的力学性能。1.1.了解建筑钢材的品种、规格及选用要求；了解建筑钢材的品种、规格及选用要求；2.2.理解建筑钢材的力学性能。理解建筑钢材的力学性能。第第 一一
2、 讲讲教学目标：重重 点点建筑钢材的力学性能。建筑钢材的力学性能。难难 点点建筑钢材的力学性能。建筑钢材的力学性能。1.1 1.1 建筑钢材的品种和规格建筑钢材的品种和规格 1.1.混凝土结构对钢筋的要求混凝土结构对钢筋的要求 应具有较高的强度和良好的塑性；应具有较高的强度和良好的塑性；便于加工和焊接；便于加工和焊接；并应与混凝土之间具有足够的粘接力。并应与混凝土之间具有足够的粘接力。课题课题1 建筑钢材建筑钢材热轧钢筋热轧钢筋冷拉钢筋冷拉钢筋 热处理钢筋热处理钢筋冷轧钢筋（冷轧带肋钢筋、冷轧扭钢筋）冷轧钢筋（冷轧带肋钢筋、冷轧扭钢筋）冷拔低碳冷拔低碳 消除应力钢丝消除应力钢丝钢绞线钢绞线钢筋
3、按加工钢筋按加工方法不同分类方法不同分类（2 2）钢筋的种类）钢筋的种类钢筋按在结构中是钢筋按在结构中是否施加预应力分类否施加预应力分类普通钢筋普通钢筋钢丝钢丝钢筋按外形分类钢筋按外形分类光面钢筋光面钢筋变形钢筋变形钢筋 1 1）普通钢筋）普通钢筋 普通钢筋指用于钢筋混凝土结构中的钢筋和预应力混普通钢筋指用于钢筋混凝土结构中的钢筋和预应力混凝土结构中的非预应力钢筋。凝土结构中的非预应力钢筋。用于钢筋混凝土结构的热轧钢筋分为用于钢筋混凝土结构的热轧钢筋分为HPB235、HRB335、HRB400和和RRB400四个四个 级别。级别。混凝土规范混凝土规范规定，普通钢筋规定，普通钢筋宜采用宜采用HR
4、B400级和级和HRB335级钢筋。级钢筋。HPB235级钢筋：光圆钢筋，公称直径范围为级钢筋：光圆钢筋，公称直径范围为820mm，推荐直径为，推荐直径为8、10、12、16、20mm。实际工程中。实际工程中只用作板、基础和荷载不大的梁、柱的受力主筋、箍筋以只用作板、基础和荷载不大的梁、柱的受力主筋、箍筋以及其他构造钢筋。及其他构造钢筋。HRB335级钢筋：月牙纹钢筋，公称直径范围为级钢筋：月牙纹钢筋，公称直径范围为650mm，推荐直径为，推荐直径为6、8、10、12、16、20、25、32、40和和50mm。是混凝土结构的辅助钢筋，实际工程中也主要。是混凝土结构的辅助钢筋，实际工程中也主要用
5、作结构构件中的受力主筋。用作结构构件中的受力主筋。HRB400级钢筋：月牙纹钢筋，公称直径范围和推荐直级钢筋：月牙纹钢筋，公称直径范围和推荐直径同径同HRB335钢筋。是混凝土结构的主导钢筋，实际工程钢筋。是混凝土结构的主导钢筋，实际工程中主要用作结构构件中的受力主筋。中主要用作结构构件中的受力主筋。RRB400级钢筋：月牙纹钢筋，公称直径范围为级钢筋：月牙纹钢筋，公称直径范围为840mm，推荐直径为，推荐直径为8、10、12、16、20、25、32和和40mm。强度虽高，但疲劳性能、冷弯性能以及可焊性均较差，其强度虽高，但疲劳性能、冷弯性能以及可焊性均较差，其应用受到一定限制。应用受到一定限
6、制。2 2）预应力钢筋）预应力钢筋 预应力钢筋应预应力钢筋应优先采用钢绞线和钢丝优先采用钢绞线和钢丝，也可采用热处，也可采用热处理钢筋。理钢筋。钢绞线：由多根高强钢丝绞织在一起而形成的，有钢绞线：由多根高强钢丝绞织在一起而形成的，有3 3股和股和7 7股两种，股两种，多用于后张法大型构件。多用于后张法大型构件。预应力钢丝：主要是消除应力钢丝，其外形有光面、螺预应力钢丝：主要是消除应力钢丝，其外形有光面、螺旋肋、三面刻痕三种。旋肋、三面刻痕三种。热处理钢筋：包括热处理钢筋：包括40Si2Mn40Si2Mn、48Si2Mn48Si2Mn及及45Si2Cr45Si2Cr几种牌号，几种牌号，它们都以盘
7、条形式供应，无需焊接、冷拉，施工方便。它们都以盘条形式供应，无需焊接、冷拉，施工方便。2.2.钢结构用钢材钢结构用钢材 （1 1）钢种和钢号）钢种和钢号 建筑工程常用碳素结构钢和低合金高强度结构钢建筑工程常用碳素结构钢和低合金高强度结构钢 1 1）碳素结构钢）碳素结构钢 碳素结构钢的牌号：碳素结构钢的牌号：质量等级代号：质量等级代号：A、B、C、D屈服点数值（屈服点数值（N/mm2）：）：195、215、235、255、275钢材屈服点代号：钢材屈服点代号：Q脱氧程度代号：脱氧程度代号：F、b、Z、TZ，其中，其中Z、TZ可以省略可以省略 2 2）低合金高强度结构钢）低合金高强度结构钢 低合金
8、高强度结构钢的牌号：低合金高强度结构钢的牌号：质量等级代号：质量等级代号：A、B、C、D、E 屈服点数值（屈服点数值（N/mm2）：）：295、345、390、420、460 钢材屈服点代号：钢材屈服点代号：Q注：低合金高强度结构钢的注：低合金高强度结构钢的A、B级属于镇静钢，级属于镇静钢，C、D、E级属于特殊镇静钢。级属于特殊镇静钢。3 3）钢材的选用）钢材的选用 钢结构规范钢结构规范规定，承重结构的钢材宜采用规定，承重结构的钢材宜采用Q235钢、钢、Q345钢、钢、Q390钢和钢和Q420钢。钢。承重结构采用的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈承重结构采用的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服强度
9、和硫、磷含量的合格保证，对焊接结构尚应具服强度和硫、磷含量的合格保证，对焊接结构尚应具有碳含量的合格保证。有碳含量的合格保证。焊接承重结构以及重要的非焊接承重结构采用的钢焊接承重结构以及重要的非焊接承重结构采用的钢材还应具有冷弯试验的合格保证。材还应具有冷弯试验的合格保证。（2 2）品种及规格）品种及规格 1 1）热轧钢板）热轧钢板 热轧钢板热轧钢板 厚度为厚度为4.560 mm，宽，宽0.73m，长，长412m。广泛用来组成焊接构件和连接钢板。广泛用来组成焊接构件和连接钢板。厚度为厚度为0.354 mm，宽，宽0.51.5m，长，长0.54m。薄钢板是冷弯薄壁型钢的原料薄钢板是冷弯薄壁型钢的
10、原料厚度为厚度为460mm，宽度为，宽度为30200mm，长，长39m。薄板薄板厚板厚板扁钢扁钢2 2）热轧型钢（图）热轧型钢（图15.1.215.1.2）图15.1.2 角钢角钢 有等边和不等边两种。有等边和不等边两种。等边角钢：等边角钢：“L”后加后加“边宽边宽厚度厚度”（单位为（单位为mm），），如如L10010。不等边角钢：不等边角钢：“L”后加后加“长边宽长边宽短边宽短边宽厚度厚度”，如如L100808。槽钢槽钢 热轧普通槽钢与热轧轻型槽钢。热轧普通槽钢与热轧轻型槽钢。普通槽钢：普通槽钢：“”后加截面高度（单位为后加截面高度（单位为cm），并以），并以a、b、c区分同一截面高度中的不
11、同腹板厚度，区分同一截面高度中的不同腹板厚度，30a。轻型槽钢：轻型槽钢：“Q”后加截面高度（单位为后加截面高度（单位为cm）槽钢槽钢 热轧普通槽钢与热轧轻型槽钢。热轧普通槽钢与热轧轻型槽钢。普通槽钢：普通槽钢：“”后加截面高度（单位为后加截面高度（单位为cm），并以），并以a、b、c区分同一截面高度中的不同腹板厚度，区分同一截面高度中的不同腹板厚度，30a。轻型槽钢：轻型槽钢：“Q”后加截面高度（单位为后加截面高度（单位为cm）H H型钢型钢 热轧热轧H H型钢分为宽翼缘型钢分为宽翼缘H H型钢、中翼缘型钢、中翼缘H H型钢和窄翼缘型钢和窄翼缘H H型钢三类，此外还有型钢三类，此外还有H H
12、型钢柱，其代号分别为型钢柱，其代号分别为HWHW、HMHM、HNHN、HPHP。表示方法：代号后加表示方法：代号后加“高度高度宽度宽度腹板厚度腹板厚度翼翼缘厚度缘厚度”(单位为单位为mm)mm)，如如HW340HW3402502509 91414。剖分剖分T T型钢型钢 代号与代号与H型钢相对应，采用型钢相对应，采用TW、TM、TN分别表示宽分别表示宽翼缘翼缘T型钢、中翼缘型钢、中翼缘T型钢和窄翼缘型钢和窄翼缘T型钢，其表示方法亦型钢，其表示方法亦与与H型钢相同，如型钢相同，如TN22520012。钢管钢管 分为无缝钢管和焊接钢管。分为无缝钢管和焊接钢管。表示方法：表示方法：“”“”后加后加“
13、外径外径厚度厚度”（单位为（单位为mm）3 3）冷弯薄壁型材（图冷弯薄壁型材（图15.1.315.1.3）冷弯薄壁型钢：由冷弯薄壁型钢：由26mm的薄钢板经冷弯或模压而成的薄钢板经冷弯或模压而成型的高效经济的截面；缺点是因为壁薄，对锈蚀影响较为型的高效经济的截面；缺点是因为壁薄，对锈蚀影响较为敏感，故多于跨度小，荷载轻的轻型钢结构中。敏感，故多于跨度小，荷载轻的轻型钢结构中。压型钢板：所用钢板厚度为压型钢板：所用钢板厚度为0.42mm。其优缺点同冷。其优缺点同冷弯薄壁型钢，主要用于围护结构、屋面、楼板等。弯薄壁型钢，主要用于围护结构、屋面、楼板等。1.2 1.2 建筑钢材的力学性能建筑钢材的力
14、学性能 1.1.影响钢材力学性能的主要因素影响钢材力学性能的主要因素 影响钢材力学性能的因素有很多，本节主要讨论化学影响钢材力学性能的因素有很多，本节主要讨论化学成分、冶金缺陷、钢材硬化、应力集中、残余应力、温度成分、冶金缺陷、钢材硬化、应力集中、残余应力、温度变化及疲劳对钢材性能的影响。变化及疲劳对钢材性能的影响。（1 1）化学成分）化学成分 碳：形成钢材强度的主要成分。碳含量提高，则碳：形成钢材强度的主要成分。碳含量提高，则钢钢材强度提高材强度提高，但同时钢材的塑性、韧性、冷弯性能、可焊，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，性及抗锈蚀能力下降，尤其是低温下的冲击韧性也
15、会降低尤其是低温下的冲击韧性也会降低。锰和硅：锰和硅：钢中的有益元素钢中的有益元素，都是脱氧剂，可提高强，都是脱氧剂，可提高强度，又不会过多降低塑性和冲击韧性度，又不会过多降低塑性和冲击韧性。钒、铌、钛：钒、铌、钛：钢中的合金元素钢中的合金元素，既可以提高钢材强度，既可以提高钢材强度，又可保持良好的塑性、韧性。又可保持良好的塑性、韧性。铝：铝：强脱氧剂强脱氧剂，用铝进行补充脱氧，能进一步减少钢，用铝进行补充脱氧，能进一步减少钢中的有害氧化物。中的有害氧化物。铬和镍：铬和镍：提高钢材强度的合金元素。提高钢材强度的合金元素。硫和磷：冶炼过程中留在钢中的杂质，有害元素。它硫和磷：冶炼过程中留在钢中的
16、杂质，有害元素。它们们降低降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳强度。钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳强度。硫能使钢硫能使钢材材“热脆热脆”，磷使钢材，磷使钢材“冷脆冷脆”。“热脆热脆”：硫能生成易于熔化的硫化铁，当热加工及焊：硫能生成易于熔化的硫化铁，当热加工及焊接使温度达接使温度达8001000时，使钢材出现裂纹、变脆的现时，使钢材出现裂纹、变脆的现象。象。“冷脆冷脆”：在低温时，磷使钢材的冲击韧性大幅度下：在低温时，磷使钢材的冲击韧性大幅度下降的现象。降的现象。氧和氮：钢中的有害杂质。氧和氮：钢中的有害杂质。氧能使钢热脆，氮能使钢氧能使钢热脆，氮能使钢冷脆。冷脆。（2 2）冶金缺陷的影响）冶金
17、缺陷的影响 常见的冶金缺陷有偏析、非金属夹杂、气孔、裂纹、常见的冶金缺陷有偏析、非金属夹杂、气孔、裂纹、分层等，都会使钢材性能变差。分层等，都会使钢材性能变差。（3 3）钢材硬化）钢材硬化 冷拉、冷弯、冲孔、机械剪切等冷加工使钢材产生很冷拉、冷弯、冲孔、机械剪切等冷加工使钢材产生很大塑性变形，从而提高了钢的屈服点，同时降低了钢的塑大塑性变形，从而提高了钢的屈服点，同时降低了钢的塑性和韧性，这种现象称为性和韧性，这种现象称为冷作硬化或应变硬化。冷作硬化或应变硬化。（4 4）温度影响温度影响 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。发生
18、变化。相比之下，钢材的低温性能更重要。相比之下，钢材的低温性能更重要。在正温范围，总的趋势是随着温度的升高，钢材强度在正温范围，总的趋势是随着温度的升高，钢材强度降低，变形增大。约在降低，变形增大。约在200以内钢材性能没有很大变化，以内钢材性能没有很大变化，430540之间则强度（屈服强度和抗拉强度之间则强度（屈服强度和抗拉强度）急剧下）急剧下降；到降；到600时强度很低不能承担荷载。此外，时强度很低不能承担荷载。此外，250附近附近有有蓝脆现象蓝脆现象，约，约260320时有时有徐变现象徐变现象。（5 5）应力集中（图应力集中（图15.1.415.1.4）应力集中系数愈大，应力集中系数愈大
19、，变脆的倾向愈变脆的倾向愈严重。严重。在负温下或动力在负温下或动力荷载作用下工作的结荷载作用下工作的结构，应力集中的不利构，应力集中的不利影响将十分突出。影响将十分突出。（6 6）反复荷载作用反复荷载作用 钢材在反复荷载作用下，结构的抗力及性能都会发生钢材在反复荷载作用下，结构的抗力及性能都会发生重要变化，甚至发生疲劳破坏。重要变化，甚至发生疲劳破坏。2.2.钢材的力学性能钢材的力学性能 建筑钢材的力学性能是衡量钢材质量的重要指标，建筑钢材的力学性能是衡量钢材质量的重要指标，它包括它包括强度强度、塑性塑性、冷弯性能冷弯性能、冲击韧性。冲击韧性。（1 1）强度强度 1 1）有明显屈服点的钢材有明
20、显屈服点的钢材有明显屈服点的钢筋有明显屈服点的钢筋aabcdefua 为比例极限为比例极限oa为弹性阶段为弹性阶段de为强化阶段为强化阶段b为屈服上限为屈服上限c为屈服下限，即屈服强度为屈服下限，即屈服强度 fycd为屈服台阶为屈服台阶e为极限抗拉强度为极限抗拉强度 fu fyef为颈缩阶段为颈缩阶段o低碳钢和低合金钢（含碳量和低碳钢相同）低碳钢和低合金钢（含碳量和低碳钢相同）一次拉伸时的应力一次拉伸时的应力-应变曲线见图应变曲线见图15.1.5。把把y取为计算构件的强度标准，以取为计算构件的强度标准，以u作为材料的强度储备。作为材料的强度储备。2 2）无明显屈服点的钢材无明显屈服点的钢材 没
21、有明显的屈服点和屈服台阶钢材的应力没有明显的屈服点和屈服台阶钢材的应力-应变曲线见图应变曲线见图15.16。对于没有明显屈对于没有明显屈服点的钢材，以残余变服点的钢材，以残余变形为形为0.2%时的应力作时的应力作为名义屈服点，其值约为名义屈服点，其值约等于极限强度等于极限强度85%。注意：钢材在一次压缩或剪切所表现出来的应力注意：钢材在一次压缩或剪切所表现出来的应力-应变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据，只是剪切时的强度指标数值比指标也取用拉伸时的数据，只是剪切时的强度指标数值比拉伸时的小。拉伸时的小
22、。（2 2）塑性性能塑性性能 断裂前试件的永久变形与原标定长度的百分比称为伸断裂前试件的永久变形与原标定长度的百分比称为伸长率，它是衡量钢材塑性的重要指标。长率，它是衡量钢材塑性的重要指标。屈服点屈服点、抗拉强度抗拉强度和和伸长率伸长率，是钢材的三个重要力学，是钢材的三个重要力学性能指标。性能指标。冷弯性能合格是鉴定钢材在弯曲状态下的塑性应变能冷弯性能合格是鉴定钢材在弯曲状态下的塑性应变能力和钢材质量的综合指标。力和钢材质量的综合指标。冷弯试验不仅能直接检验钢材的弯曲变形能力或塑性冷弯试验不仅能直接检验钢材的弯曲变形能力或塑性性能，还能暴露钢材内部的冶金缺陷，如硫、磷偏析和硫性能，还能暴露钢材
23、内部的冶金缺陷，如硫、磷偏析和硫化物与氧化物的掺杂情况，这些都将降低钢材的冷弯性能。化物与氧化物的掺杂情况，这些都将降低钢材的冷弯性能。（4 4）冲击韧性冲击韧性 韧性是钢材抵抗冲击荷载的能力。韧性是钢材强度和韧性是钢材抵抗冲击荷载的能力。韧性是钢材强度和塑性的综合指标。塑性的综合指标。冲击韧性随温度的降低而下降。其规律是开始下降缓冲击韧性随温度的降低而下降。其规律是开始下降缓慢，当达到临界温度时，突然呈脆性，这种性质称为钢材慢，当达到临界温度时，突然呈脆性，这种性质称为钢材的冷脆性。钢材的脆性临界温度越低，低温冲击韧性越好。的冷脆性。钢材的脆性临界温度越低，低温冲击韧性越好。对于直接承受动荷
24、载而且可能在负温下工作的重要结对于直接承受动荷载而且可能在负温下工作的重要结构，应有冲击韧性保证。构，应有冲击韧性保证。3.3.建筑钢材的设计指标建筑钢材的设计指标 （1 1）钢筋的强度标准值和强度设计值）钢筋的强度标准值和强度设计值 材料强度标准值：正常情况下可能出现的最小材料强材料强度标准值：正常情况下可能出现的最小材料强度值。度值。材料强度设计值：材料强度设计值：强度标准值除以材料分项系数。强度标准值除以材料分项系数。钢筋的材料分项系数为钢筋的材料分项系数为:热轧钢筋热轧钢筋1.10，预应力钢筋，预应力钢筋1.20。（2 2）钢筋的弹性模量钢筋的弹性模量 （3 3）钢材的强度设计值钢材的强度设计值 钢材的强度设计值：钢材的强度设计值：钢材的屈服点除以钢材的抗力分钢材的屈服点除以钢材的抗力分项系数。项系数。钢材的抗力分项系数取为，钢材的抗力分项系数取为，Q235钢为钢为1.087，Q345、Q390、Q420钢为钢为1.111。钢材强度设计值根据钢材厚度或直径按规范采用。钢材强度设计值根据钢材厚度或直径按规范采用。小小 结：结：1.建筑钢材的品种、规格及选用要求；建筑钢材的品种、规格及选用要求；2.建筑钢材的力学性能。建筑钢材的力学性能。作业布置：作业布置：预预 习：习：15.2；思考题：思考题：15.1、15.2。
