5.2.1 抗拉性能
5.2.1.1 有屈服点的软钢
抗拉性能是建筑钢材最重要的技术性能之一。常温下测定和计算试件的名义应力σ＝F/A,应变ε＝Δl/l0,绘制应力-应变曲线(图5.1)。根据其变形特点,低碳钢在荷载作用下的应力-应变曲线可分为四个阶段：弹性阶段(OB)、屈服阶段(BC)、强化阶段(CE)、颈缩阶段(EF)。
图5.1 有明显屈服点的钢筋应力-应变曲线
1. 弹性阶段(OB)
弹性阶段包括OA 直线段和微弯的AB曲线段。在OA 范围内,随着荷载的增加,应变随应力成正比增加与A 点相对应的应力为弹性极限,用σP表示。在这一范围内,应力与应变的比值为一常量,称为弹性模量E,反映钢材的刚度,是建筑钢材计算结构变形的重要指标,常用建筑钢材的弹性模量为(2.0～2.1)×105MPa。B点对应的应力称为弹性极限,用σe表示。
2. 屈服阶段(BC)
随着荷载继续增加,应变增加的速度大于应力增长速度,应力与应变不成比例,开始产生塑性变形,钢材抵抗外力的能力发生“屈服” 了,通常以应力波动的最低点的值作为建筑钢材的屈服强度σs。钢材受力达屈服点后,变形即迅速发展,尽管尚未破坏但已不能满足使用要求,设计中一般以屈服点作为强度取值依据。
3. 强化阶段(CE)
当曲线达到C 点以后,抵抗塑性变形的能力又重新提高,变形发展速度比较快,随着应力的提高而增强。对应于最高点E 的应力,称为抗拉极限强度σb,是建筑钢材所能承受的最大拉力。抗拉极限强度一般不能直接在设计中利用,但屈服点与抗拉极限强度的比值(简称为屈强比σs/σb)能反映建筑钢材的安全性和可靠性。屈强比越小,表明材料的安全性和可靠性越高,结构越安全。但屈强比过小,则钢材有效利用率太小,钢材强度的利用率偏低,造成浪费。常用碳素钢的屈强比为0.58～0.63, 低合金钢为0.65～0.75。
4. 颈缩阶段(EF)
过E 点后,钢材变形迅速增大,而应力逐渐下降。试件在拉断前,在薄弱处某一截面显著缩小,产生“颈缩现象”,直至断裂,见图5.2。
图5.2 拉断前后的试件
5.2.1.2 无明显屈服点的硬钢
对于无明显屈服点的硬钢,一般取残余变形为0.2%时所对应的应力σ0.2作为强度设计限值,称为条件屈服强度。《水工混凝土结构设计规范》(DL/T5057—2009)中取极限抗拉强度的85%作为硬钢的条件屈服强度,见图5.3。
图5.3 无明显屈服点的钢筋应力应变曲线
5.2.1.3 塑性
钢材在拉伸破坏前可以经受永久变形的性能,称为塑性,是钢材的一个重要性能指标。在建筑工程应用中钢材的塑性指标通常用伸长率δ和断面收缩率ψ 表示。
试件受拉断后标距长度的增量与原标距长度之比的百分率即为伸长率δ,并按下式计算：
式中 l0——试件原标距长度,mm；
l1——试件拉断后的标距长度,mm。
伸长率是评定钢材塑性的一个指标,通常以δ5和δ10表示l0＝5d0和l0＝10d0时的伸长率(为d0试件原直径),则δ5＞δ10。定标距试样的伸长率应附以该标距长度数值的脚注,如l0＝100或200则伸长率分别以δ100或δ200表示之。
断面收缩率ψ 是试件拉断后,缩颈处横截面积的最大缩减量与原横截面积之比的百分率,并按下式计算：
式中 A0——颈缩处断裂前的横截面积,mm2；
A1——颈缩处断裂后的横截面积,mm2。
常用低碳钢的伸长率一般为20%～30%,断面收缩率一般为60%～70%。