鋼筋的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度研究

陳文挺

摘 要：在我們的印象中，把繩子越拉越長，需要越來越大的力。我們在專業(yè)課堂上做過一個實驗叫作“鋼筋的拉伸”。從這個實驗的結(jié)果就可以看出事實并非完全如此，把一個彈性體拉的越來越長所需要的力并非一路飆升的。對于鋼筋的抗拉強(qiáng)度有比例極限、彈性極限、屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度。這里對影響鋼筋力學(xué)性能指標(biāo)比較重要的屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度做一個重點闡述。分析在影響鋼筋力學(xué)性能時，這兩個強(qiáng)度分別代表的意義。

關(guān)鍵詞：鋼筋 屈服強(qiáng)度 極限強(qiáng)度

中圖分類號：TU648 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）11（b）-0091-02

在人們的印象中，把繩子越拉越長，需要越來越大的力。我們在專業(yè)課堂上做過一個實驗叫作“鋼筋的拉伸”。從這個實驗的結(jié)果就可以看出事實并非完全如此，把一個彈性體拉得越來越長所需要的力并非一路飆升的。它所需要的力會在一定階段出現(xiàn)波動的形式。

通過“鋼筋的拉伸”實驗可以測定鋼筋的屈服點以及抗拉強(qiáng)度。下面筆者先給大家簡單介紹一下這個實驗。

用試驗機(jī)拉伸鋼筋式樣。將一根鋼筋（長度在1 m以內(nèi)）的兩端頭分別固定在試驗機(jī)的上、下夾具中。固定好的鋼筋為豎直方向。啟動試驗機(jī)，試驗機(jī)會提供拉力荷載，這樣鋼筋就可以隨著時間的發(fā)展逐漸被拉長。在試驗過程中，鋼筋的長度隨時間一定是遞增的。但是外加荷載則并不是恒增長的（這從試驗結(jié)果可以得出）。

因為鋼筋被固定，所以外力只能改變鋼筋的形狀不能改變鋼筋的運(yùn)動狀態(tài)。要對一個被固定的物體施加力，必須通過物體的變形才可以實現(xiàn)。所以鋼筋的伸長量達(dá)到一定數(shù)值才能使外力達(dá)到一定的數(shù)值。也就是一個伸長量對應(yīng)唯一一個外力荷載（如果可以改變物體的運(yùn)動狀態(tài)，那么外力則不受物體的形狀影響）通過試驗可以找出當(dāng)鋼筋處在每一個長度時所對應(yīng)的外加荷載F。從而繪制出F—Δl的曲線。（見圖1）

在鋼筋被拉斷之前，鋼筋會釋放應(yīng)力去抵抗外加荷載，也就是F=δ×S。式中，δ為鋼筋的拉應(yīng)力，S為截面面積，那么就可以求得δ=F/S。同時，Δl/l=ε。于是可繪制出δ—ε的曲線。

圖2就是很著名的鋼筋的應(yīng)力應(yīng)變曲線圖。我們把這幅圖劃分成4個階段：彈性階段—屈服階段—強(qiáng)化階段—斷裂階段。

在彈性階段，鋼筋發(fā)生彈性變形，應(yīng)力隨著應(yīng)變的增長而增長；在屈服階段，鋼筋的應(yīng)變在增長，可是鋼筋的應(yīng)力卻沒有持續(xù)增長，而是在一定范圍內(nèi)出現(xiàn)了波動，所以定義此階段為屈服階段。在強(qiáng)化階段，由于其晶格重新排列，其抵抗變性但應(yīng)力值又迅速增高。在屈服階段以及強(qiáng)化階段，鋼筋發(fā)生塑性變形；在斷裂階段，鋼筋的應(yīng)力達(dá)到最高極限值后在最薄弱的截面發(fā)生脆性破壞，瞬間斷裂。

屈服階段的應(yīng)力最低點我們把它定義為屈服強(qiáng)度，而強(qiáng)化階段的最高點我們把它定義為極限抗拉強(qiáng)度。

這里首先要弄明白一個問題，即鋼筋的破壞應(yīng)該是從哪一個階段算起呢？是從屈服階段算起還是斷裂階段算起呢？鋼筋在彈性階段僅是晶面的距離被拉長，晶格并沒有畸形。所以在這個階段卸載，晶面還能縮回去，所以還能回復(fù)到變形前的狀態(tài)。但是從屈服階段起，鋼筋就開始發(fā)生塑性變形了。塑性變形的本質(zhì)就是晶格發(fā)生位錯運(yùn)動，晶格已經(jīng)產(chǎn)生畸形。這個階段即使卸載，晶格也已經(jīng)不會再復(fù)原了。所以從屈服階段算起，鋼筋就開始發(fā)生破壞了。

這么說來，屈服強(qiáng)度反應(yīng)了鋼筋何時開始發(fā)生破壞。屈服強(qiáng)度僅針對于有彈性的材料而言。而屈服階段的破壞是我們所說的塑性破壞。塑性破壞有明顯的變形和裂縫預(yù)兆，可以及時采取補(bǔ)救措施，危險性相對于塑性破壞來說較小。在結(jié)構(gòu)中屬于這類型裂縫的有：受拉構(gòu)件正截面裂縫，大偏心受壓構(gòu)件的正截面受拉區(qū)裂縫。此類裂縫如果已趨于穩(wěn)定，且最大裂縫未出現(xiàn)超出規(guī)范規(guī)定的允許值，可認(rèn)定為不影響結(jié)構(gòu)安全，則可以不必加固。

一般而言，以屈服階段的下屈服點所對應(yīng)的應(yīng)力作為鋼筋的屈服強(qiáng)度，是因為下屈服點比較容易測得。屈服強(qiáng)度高則破壞發(fā)生的晚，屈服強(qiáng)度低則破壞發(fā)生的早。所以通常所說的HRB400中的“400”，指的就是鋼筋的屈服強(qiáng)度為400MPa。

盡管屈服階段晶格產(chǎn)生畸形，但是對于每一個橫截面來說，鋼筋的變形仍然還是均勻一致的。但當(dāng)鋼筋過了強(qiáng)化階段到了斷裂階段時，也就是當(dāng)應(yīng)力過了極限抗拉強(qiáng)度時，鋼筋出現(xiàn)頸縮，這意味著鋼筋的變形對于每一個截面而言不再均勻一致。此時鋼筋的應(yīng)力急劇減小，鋼筋瞬間頸縮，到最后就產(chǎn)生了斷裂。這就是通常所說的脆性破壞。和塑性破壞相比，脆性破壞的危險性就大得多了。

對于上述這兩種破壞，正好對應(yīng)兩個臨界值。一個對應(yīng)塑性破壞階段的最低值即屈服強(qiáng)度，另一個對應(yīng)脆性破壞階段的最高值即極限強(qiáng)度。想當(dāng)然地理解這兩個強(qiáng)度都應(yīng)該是越高越好，其實并不然。

首先說說屈服強(qiáng)度，它并不是越高越好。對于同級別同型號的鋼筋，屈服強(qiáng)度越高那么其塑性就越差。鋼筋的塑性是指鋼筋能維持承載能力而又具有較大塑性變形的能力。就是指鋼筋在應(yīng)力超過屈服點后，能產(chǎn)生明顯的塑性變形而不立即斷裂的性質(zhì)。這樣我們就能在鋼筋發(fā)生塑性變形時，引起重視，使之不至于出現(xiàn)更危險的脆性變形。所以在希望屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度都越高的同時，也希望兩者之差能夠越大越好，這樣就能預(yù)留更多的緩沖。

而世事總是不能兩全其美。對于同一種型號的鋼筋，往往其屈服強(qiáng)度提高了，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度之差也就會變小，也就是會使得鋼筋的塑性遍差。例如冷拉鋼筋。在冷加工時，依靠機(jī)械使鋼筋塑性變形，使其位錯作用增強(qiáng)，鋼材在塑性變形中晶格的卻現(xiàn)在增多，而缺陷的晶格嚴(yán)重畸變對晶格進(jìn)一步滑移起到阻礙作用。位錯密度提高和變形抗力增大這些因素的相互促進(jìn)很快使得鋼筋的屈服強(qiáng)度得到提高。從而在構(gòu)件中可以用更少的鋼筋用量達(dá)到相同的屈服度。雖然通過冷拉屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度均有所提高，但由于極限抗拉強(qiáng)度提高量少于屈服強(qiáng)度的提高量，造成強(qiáng)屈比減小。使得鋼筋在脆性破壞之前預(yù)留的塑性變形量就變少了。

當(dāng)強(qiáng)屈比漸漸趨于1時，鋼筋的屈服階段基本消失，鋼筋沒有明顯的屈服臺階，意味著鋼筋在脆性斷裂之前沒有明顯的先兆，這樣當(dāng)破壞發(fā)生時就會非常危險，例如無明顯流幅的鋼筋。

所以對于鋼筋來說，這兩種強(qiáng)度都很重要，都是用來描述鋼筋的力學(xué)性能缺一不可的力學(xué)指標(biāo)。而且這兩種強(qiáng)度并非越高越好，這兩種強(qiáng)度的大小必須要滿足一定的比例關(guān)系才能使得鋼筋的力學(xué)性能更加優(yōu)越。

參考文獻(xiàn)

[1] 趙軍，杜興亮，王仁義，等.HPB235級鋼筋高溫后的力學(xué)性能[J].河南建材，2006（6）：43-44.

[2] 杜興亮.鋼筋的高溫性能試驗研究[J].河南建材，2006（5）：43-44.

[3] 丁發(fā)興，余志武，溫海林.高溫后Q235鋼材力學(xué)性能試驗研究[J].建筑材料學(xué)報，2006（2）：245-249.

[4] 王孔藩，許清風(fēng)，劉挺林.高溫下及高溫冷卻后鋼筋力學(xué)性能的試驗研究[J].施工技術(shù)，2005（8）：1-3.

[5] 余志武，王中強(qiáng)，史召鋒.高溫后新Ⅲ級鋼筋力學(xué)性能的試驗研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2005（2）：112-116.