建筑结构第三章1

第三章结构材料的力学性能及选用

结构材料的力学性能，主要是指材料的强度和变形能力，以及材料的本构关系（即应力-应变关系）。了解结构构件所用材料的力学性能，是掌握结构构件的受力性能的基础。

1第三章结构材料的力学性能及选用第一节建筑钢材

钢是含碳量低于2%的铁碳合金（含碳量高于2%时为生铁），钢经轧制或加工成的钢筋、钢丝、钢板及各种型钢，统称钢材。建筑钢材中大量使用碳素结构钢和普通低合金钢。在钢筋混凝土结构、预应力混凝土结构以及钢结构中所使用的钢材可分为两类：有明显屈服点的钢材（低碳钢），无明显屈服点的钢材（铸铁）。2第三章结构材料的力学性能及选用3第三章结构材料的力学性能及选用一、钢材的力学性能（一）应力-应变曲线4第三章结构材料的力学性能及选用5第三章结构材料的力学性能及选用6第三章结构材料的力学性能及选用7第三章结构材料的力学性能及选用有明显屈服点的钢材标准试件在拉伸时的变化分为四个阶段：1、弹性阶段在拉伸的初始阶段，应力σ与应变ε按比例增加，两者呈直线关系，符合虎克定律，且当荷载卸除后，弯曲恢复原状，该阶段称为弹性阶段，其最大应力称为比例极限。2、屈服阶段当应力超过比例极限后，应变的增长速度大于应力的增长速度，当到达b点时，应变急剧增加，而应力基本不变，钢材发生显著的、不可恢复的塑性变形，此阶段称为屈服阶段。相应于屈服下限的应力称为屈服强度。3、强化阶段当钢材屈服塑流到一定程度后，应力-应变曲线又呈上升形状，曲线最高点的应力称为抗拉强度，此阶段称为强化阶段。4、颈缩破坏阶段当钢材应力达到抗拉强度后，试件薄弱断面显著变小，发生“颈缩”现象，应变迅速增加，应力随之下降，最后直至拉断。

8第三章结构材料的力学性能及选用无明显屈服点的钢材标准试件的拉伸应力-应变曲线如图C所示。

这类钢材没有明显的屈服点，抗拉强度很高，但变形很小。通常取相应于残余应变（永久变形）为0.2%时的应力f0.2作为屈服强度，称为条件屈服强度。

钢材受压时的性能特点：

在达到屈服强度之前，钢材的受压性能与受拉时的相似，受压屈服强度也与受拉时基本一样。在达到屈服强度之后，由于试件发生明显的塑性压缩，截面面积增大，因而难以得到明确的抗压强度。

9第三章结构材料的力学性能及选用（二）强度

钢材的强度指标包括屈服强度和抗拉强度两项。

对于有明显屈服点的钢材，由于钢材的屈服将产生明显的、不可恢复的塑性变形，从而导致结构构件可能钢材尚未进入强化阶段就发生破坏或产生过大的变形和裂缝，因此在正常使用情况下，构件中的钢材应力应小于其屈服强度，故屈服强度是钢材关键性的强度指标。

此外，在抗震结构中，考虑到受拉钢材可能进入强化阶段，故要求其屈服强度与抗拉强度的比值（屈强比）不大于0.8，以保证结构的变形能力，因而钢材的抗拉强度是检验钢材质量的另一强度指标。

对于无明显屈服点的钢材（钢结构中的钢材除高强度螺栓外都属于有明显屈服点的钢材，无明显屈服点的钢材仅为混凝土结构中的热处理钢筋和钢丝），其条件屈服强度不容易测定，这类钢材在质量检验时以其抗拉强度作为主要强度指标，并以极限抗拉强度fsu的0.85倍作为条件屈服强度。

10第三章结构材料的力学性能及选用（三）塑性

塑性是指钢材破坏前产生变形的能力。反映塑性性能的指标是“伸长率”和“冷弯性能”。

伸长率：

（3-1）l1——试件原标距长度，一般取5d，d为试件直径；l2——试件拉断后的标距长度；δ——伸长率（%），当l15d时记为δ5。

伸长率大的钢材塑性好，拉断前有明显预兆；伸长率小的钢材塑性差，破坏会突然发生，呈脆性特征。

有明显屈服点的钢材都有较大的伸长率。11第三章结构材料的力学性能及选用12第三章结构材料的力学性能及选用冷弯性能：

冷弯性能是指钢材在常温下承受弯曲时产生塑性变形的能力，是钢材的重要工艺性能。对不同直径或厚度的钢材，要求按规定的弯心直径弯曲一定的角度而不产生裂纹。冷弯性能可间接反映试件弯曲处的塑性变形，揭示钢材是否存在内部组织不均匀、内应力和夹杂物等缺陷。冷弯试验也能对钢材的焊接质量进行严格的检验，能揭示焊件受弯表面是否存在未熔合、裂缝及杂物等缺陷。钢材的冷弯性能要求合格。

13第三章结构材料的力学性能及选用冷弯性能实验方法：

以试验时的弯曲角度α和弯心直径d为指标表示。钢材的冷弯试验是通过直径(或厚度)为a的试件，采用标准规定的弯心直径d（d

=na,n为整数），弯曲到规定的角度时（180°或90°），检查弯曲处有无裂纹、断裂及起层等现象。若没有这些现象则认为冷弯性能合格。钢材冷弯时的弯曲角度越大，弯心直径越小，则表示冷弯性能越好,见下图。14第三章结构材料的力学性能及选用检验有明显屈服点的钢材的主要质量指标：钢材的屈服强度、抗拉强度、伸长率和冷弯性能。

检验无明显屈服点的钢材的主要质量指标：抗拉强度、伸长率和冷弯性能。

对于需要验算疲劳的焊接结构钢材，尚应具有常温冲击韧性的合格保证。

冲击韧性是反映金属材料对外来冲击负荷的抵抗能力，一般由冲击韧性值（ak）和冲击功（Ak）表示，其单位分别为J/cm2和J（焦耳）。冲击韧性或冲击功试验（简称"冲击试验"），因试验温度不同而分为常温、低温和高温冲击试验三种；若按试样缺口形状又可分为"V"形缺口和"U"形缺口冲击试验两种。

15第三章结构材料的力学性能及选用16第三章结构材料的力学性能及选用（四）弹性模量钢材在弹性阶段的应力和相应应变的比值为常量，该比值即为钢材的弹性模量。

Es=σs/εs

σs—屈服前的钢材应力，N/mm2

εs—相应的钢材应变

钢材的弹性模量可由拉伸实验测定，钢结构采用E=206×106N/mm2，钢筋的弹性模量根据钢筋的种类不同而有所区别，可查表得。17第三章结构材料的力学性能及选用二、钢材的冷加工

钢材在常温下经剪切、冷弯、辊压、冷拉、冷拔等冷加工过程，性能将发生显著改变，强度提高，塑性降低，使钢材产生硬化，有增加钢结构脆性破坏的危险。但在钢筋混凝土结构中，有时采用经控制的冷拉或冷拔后的钢筋以节约钢材。（一）钢筋的冷拉

冷拉是将钢筋拉伸至超过其屈服强度的某一应力，然后卸载，以提高钢筋强度的方法。18第三章结构材料的力学性能及选用冷拉原理钢筋冷拉原理如图所示，图中abcde为钢筋的拉伸特性曲线。冷拉时，拉应力超过屈服点b达到c点，然后卸荷。由于钢筋已产生塑性变形，卸荷过程中应力应变沿co1降至o1点。如再立即重新拉伸，应力应变图将沿o1cde变化，并在高于c点附近出现新的屈服点，该屈服点明显高于冷拉前的屈服点b，这种现象称“冷拉强化”。其原因是冷拉过程中，钢筋内部结晶面滑移，晶格变化，内部组织发生变化，因而屈服强度提高，但塑性降低，弹性模量也降低。19第三章结构材料的力学性能及选用钢筋冷拉后内应力存在，内应力会促进钢筋内晶体组织调整，经过调整，屈服强度又进一步提高。该晶体组织调整过程称为“时效”。钢筋经冷拉和时效后的拉伸特性曲线即改为o1c’d’e’。HPB235，HRB335级钢筋的自然时效在常温下需15~20d，但在100℃温度下需2h即完成，因而为加速时效可利用蒸汽、电热等手段进行人工时效。HRB400，RRB400级钢筋在自然条件下一般达不到时效的效果，更宜用人工时效，一般通电加热150~200℃，保持20min左右即可。20第三章结构材料的力学性能及选用钢筋经冷拉和实效硬化后，强度有所提高，但塑性降低。合理地选择冷拉控制点c可使钢筋保持一定的塑性而又能提高钢筋的强度，达到节省钢材的目的。

必须注意的是：焊接时产生的高温会使钢筋软化（强度降低，塑性增加），因此，对需要焊接的钢筋应先焊好再进行冷拉；此外，冷拉只能提高钢筋的抗拉强度而不能提高钢筋的抗压强度，一般不采用冷拉钢筋做抗压钢筋。由于钢筋冷拉后塑性降低、脆性增加，故不用冷拉钢筋做吊环。21第三章结构材料的力学性能及选用（二）钢筋的冷拔

冷拔是用强力将钢筋拔过比其直径略小的硬质合金拔丝模，钢筋受到纵向拉力和横向挤压力的作用，截面变小而长度伸长，内部结构发生变化。

经过连续冷拔后的冷拔低碳钢丝，强度可提高40%-90%，但塑性显著降低，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。

需注意的是：由于我国强度高、性能好的钢筋及钢丝、钢绞线已可充分供应，故冷拉钢筋和冷拔低碳钢丝已不再列入规范。22第三章结构材料的力学性能及选用三、建筑钢材的品种

目前我国常用的钢材由碳素结构钢及普通低合金钢制造。碳素结构钢分：低碳钢（普通碳素钢）、中碳钢、高碳钢。在低碳钢中加入硅、锰、钒、钛、铌、铬等少量合金元素，使钢材性能有较显著的改善，成为普通低合金钢。（一）钢筋

按生产工艺与力学性能不同分：热轧钢筋、冷拉钢筋、热处理钢筋、钢丝、钢绞线等。前两者有明显的屈服点，后两者没有明显的屈服点。

热轧钢筋分三级：HPB235(Ф),HRB335()、HRB400()、RRB400。数值为强度标准值。HPB235为低碳钢，其余为低合金钢。均用于钢筋混凝土结构。

23第三章结构材料的力学性能及选用

H：热轧的意思，P：光圆的意思，R：带肋的意思，B：钢筋，235：表示屈服点为235Mpa，HPB235的意思就是热轧一级圆钢，一般钢筋直径为16mm和12mm两种。

HRB335为热轧带勒二级螺纹钢筋，HRB400是热轧带勒三级螺纹钢筋。RRB则是热处理三级钢，一般的是没有这个级别，热处理钢常见的四级钢、五级钢，表示为RRB480和RRB560。

用于预应力钢筋的有钢绞线、刻痕钢丝、消除应力钢丝、螺旋肋钢丝及热处理钢筋。（热处理钢筋指由某些特定钢号钢筋经淬火和回火处理而得到的，其钢筋经热处理后强度有很大提高而塑性降低不多。）24第三章结构材料的力学性能及选用钢筋按外形特征分：光面钢筋、带肋钢筋（螺纹钢筋、月牙纹钢筋）。HPB235级钢筋是光面钢筋，，其余热轧钢筋和热处理钢筋都是带肋钢筋。螺纹钢筋月牙纹钢筋25第三章结构材料的力学性能及选用（二）型钢与钢板

钢结构构件一般直接选用型钢，当构件的尺寸很大或型钢不合适时则用钢板制作。

型钢有角钢（等边角钢、不等边角钢）、槽钢、工字钢等；钢板有厚板（4.5-60mm）和薄板（0.35-4mm）。

根据规范规定，用于钢结构的钢材牌号为碳素结构钢中的Q235钢和低合金结构钢中的Q345钢、Q390钢、Q420钢，其屈服点在钢材厚度小于或等于16mm时分别为235、345、390、420N/mm2（当厚度大于16mm时，屈服点随厚度的增加而降低）。Q235钢分A、B、C、D四个质量等级，它们均保证规定的屈服点、抗拉强度和伸长率。B、C、D级还保证180°冷弯和规定的冲击韧性。另外根据脱氧方法分沸腾钢、半镇静钢、镇静钢（F、b、Z）。Q235-A·F表示屈服点为235N/mm2、质量等级为A级的沸腾钢。26第三章结构材料的力学性能及选用四、钢材的选用（一）钢筋1、混凝土结构的对钢筋性能的要求

在混凝土结构中，钢筋与混凝土共同工作，钢筋按一定的排列顺序和位置布置于混凝土中。其二者之所以能够共同工作，是因为：①混凝土结硬后，可与钢筋牢固粘结，互相传递应力、共同变形。二者之间的粘结力是其共同工作的基础。②二者具有相近的温度线膨胀系数：钢为1.2×10-5，混凝土为（1.0-1.5）×10-5。当温度变化时，两者之间不致产生过大的相对变形及温度应力。③混凝土提供