第6章建筑鋼材

建筑鋼材埃菲爾鐵塔是現(xiàn)代巴黎的標(biāo)志,是一座于1889年建成位于法國巴黎戰(zhàn)神廣場上的露空結(jié)構(gòu)鐵塔，高320米。埃菲爾鐵塔得名于它的設(shè)計師橋梁工程師居斯塔夫?埃菲爾。鐵塔設(shè)計離奇獨特，是世界建筑史上的技術(shù)杰作，因而成為法國和巴黎的一個重要景點和突出標(biāo)志。埃菲爾鐵塔分為三層，從塔座到塔頂共有1711級階梯，分別在離地面57米、115米和276米處建有平臺。據(jù)說，該塔共用去鋼鐵7000噸，12000個金屬部件，250萬只鉚釘。廈門海滄大橋是國家重點項目，是我國第一座特大型三跨連續(xù)鋼箱梁懸索橋鋼橋輕鋼結(jié)構(gòu)

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

網(wǎng)架應(yīng)用及特點：空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)體系是目前國際上廣泛采用的一種新穎、美觀、綜合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較好的屋蓋承重結(jié)構(gòu)。其優(yōu)點是剛度大、整體性強(qiáng)、抗震性好、自重輕、節(jié)省鋼材、且施工周期短、造型美觀大方。它適用于體育館、影劇院、游樂園、會議室、賓館、加油站、商場、候車室、工業(yè)廠室、干煤棚及大型倉庫等等。安全性強(qiáng)，滿足各種結(jié)構(gòu)形式。本章提要主要內(nèi)容建筑鋼材的特點、分類及應(yīng)用建筑鋼材的拉伸性能、沖擊韌性及冷彎性能建筑鋼材的冷加工及時效強(qiáng)化常用建筑鋼材的標(biāo)準(zhǔn)及選用

鋼筋型鋼

鋼板鋼絲指用于工程建設(shè)的各種鋼材，包括：型鋼鋼板鋼絲鋼筋第一節(jié)建筑鋼材第一節(jié)建筑鋼材可用作主要的結(jié)構(gòu)材料、也可以用作連接材料、圍護(hù)材料和飾面材料等。優(yōu)點：高的抗拉強(qiáng)度易于加工成板材、型材和線材良好的焊接和鉚接性能缺點：易銹蝕、維護(hù)費用高耐火性差,生產(chǎn)能耗大鐵鋼含碳量大于2％2％以下

雜質(zhì)含量多少（SiMnSP）性質(zhì)塑性差,脆性大塑性好,易加工煉鋼的原理——將熔融的生鐵進(jìn)行氧化，使碳的含量降低到一定限度，同時把其它雜質(zhì)的含量也降低到容許的范圍內(nèi)。ConstructionMaterials

鋼軌、鋼管生產(chǎn)工藝示意圖過程焦炭鐵礦石生鐵高爐熔融生鐵精煉氧化還原鋼鑄錠鋼錠建筑鋼材圖鋼材的冶煉過程一.鋼材的分類

1、按化學(xué)成分碳素鋼低碳鋼（含碳量<0.25％）中碳鋼（含碳量0.25％～0.60%）高碳鋼（含碳量>0.60%）常用合金鋼低合金鋼（合金元素總量<5%）中合金鋼（合金元素總量5～10％）高合金鋼（合金元素總量>10%）常用一.鋼材的分類

2、按質(zhì)量分碳素鋼普通碳素鋼（含硫量<0.055～0.065％，含磷量<0.045～0.085％）優(yōu)質(zhì)碳素鋼

（含硫量<0.03～0.045％，含磷量<0.035～0.04％）特殊碳素鋼（含硫量<0.02～0.03％，含磷量<0.027～0.035％）常用一.鋼材的分類

3、按用途分工具鋼：碳素、合金、高速特殊性能鋼：不銹鋼、耐酸鋼等結(jié)構(gòu)鋼：碳素、合金建筑工程中使用的結(jié)構(gòu)鋼包括普通碳素結(jié)構(gòu)鋼、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼。4、按脫氧程度分沸騰鋼：脫氧不完全,內(nèi)部氣泡和雜質(zhì)多特殊鎮(zhèn)靜鋼：脫氧最徹底，質(zhì)量最好鎮(zhèn)靜鋼：脫氧完全,品質(zhì)好脫氧程度及鋼材質(zhì)量鋼種脫氧程度冷卻情況鋼材質(zhì)量沸騰鋼不充分澆筑時有大量CO逸出差鎮(zhèn)靜鋼充分平靜冷卻，無CO逸出組織致密、成分均勻、機(jī)械性能好特殊鎮(zhèn)靜鋼最充分最好二.建筑鋼材的主要技術(shù)性質(zhì)力學(xué)性質(zhì)拉伸性能硬度冷彎性能沖擊韌性重要工藝性能冷彎性能冷拉性能冷拔性能可焊性能ConstructionMaterials

1、拉

伸

性

能Ⅰ彈性階段Ⅱ屈服階段Ⅲ強(qiáng)化階段Ⅳ頸縮階段Ⅰ彈性階段（OA段）彈性極限，用p表示。此階段應(yīng)力與應(yīng)變成正比，其比值為常數(shù)，即彈性模量，用E表示，/=E。彈性模量反映了鋼材抵抗變形的能力。它是鋼材在受力條件下計算結(jié)構(gòu)變形的重要指標(biāo)。Ⅱ屈服階段（AB段）應(yīng)力超過p后，應(yīng)變增加很快，而應(yīng)力基本保持不變。這種現(xiàn)象稱為屈服。此時應(yīng)力與應(yīng)變不再成比例，試件開始產(chǎn)生塑性變形。－曲線上開始發(fā)生屈服的點Ｂ，稱為屈服點，這時的應(yīng)力稱為屈服極限，用s表示。鋼材受力達(dá)到屈服點后，變形即迅速發(fā)展，盡管尚未破壞但已不能滿足使用要求。故設(shè)計中一般以屈服點作為強(qiáng)度取值的依據(jù)。Ⅲ強(qiáng)化階段當(dāng)荷載超過屈服點后，因塑性變形使其內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)得到調(diào)整，抵抗變形的能力有所增強(qiáng)，－曲線又開始上升，稱為強(qiáng)化階段。曲線最高點Ｃ所對應(yīng)的應(yīng)力稱為抗拉強(qiáng)度，用b表示。常用低碳鋼的b為375-500MPa。屈強(qiáng)比（s/b）——屈強(qiáng)比越小，鋼材在受力超過屈服點時的可靠性越大，結(jié)構(gòu)越安全。但如果屈強(qiáng)比過小，則鋼材有效利用率太低，造成浪費。常用鋼的屈強(qiáng)比為0.6~0.75。

Ⅳ頸縮階段應(yīng)力超過b后，試件的變形開始集中于某一小段內(nèi)，使該段的橫截面面積顯著減小，出現(xiàn)圖所示的頸縮現(xiàn)象，－曲線開始下降，直至Ｄ點，試件被拉斷。

拉伸過程的性能指標(biāo)（6）屈強(qiáng)比：

（反映鋼材利用率和結(jié)構(gòu)安全可靠性）

（1）彈性模量：

（反映鋼材抵抗變形的能力）（5）伸長率：

（反映鋼材塑性指標(biāo)）（3）屈服強(qiáng)度（屈服點）：

（4）抗拉強(qiáng)度：（2）彈性極限：【例】鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中以

作為設(shè)計依據(jù)。A.屈服強(qiáng)度B.抗拉強(qiáng)度注意：鋼材應(yīng)力超過屈服點以后，雖沒有斷裂，但會產(chǎn)生較大的塑性形變，已不能滿足結(jié)構(gòu)要求。【例】1.從一批鋼筋中抽樣，并截取兩根鋼筋做拉伸實驗，鋼筋公稱直徑為12mm，標(biāo)距為60mm，拉斷時長度分別為70.6mm和71.4mm，求該鋼筋試樣的伸長率。2、沖擊韌性沖擊韌性——指鋼材抵抗沖擊荷載的能力。鋼材的沖擊韌性用沖斷試樣時缺口處單位面積上所消耗的功——沖擊功（K）來表示，K的單位為J/cm2。K越大表示鋼材抗沖擊的能力越強(qiáng)。

ConstructionMaterials

沖擊韌性試驗示意圖3、冷彎性能冷彎性能是指鋼材在常溫下承受彎曲變形的能力，是以試驗時的彎曲角度和彎心直徑d為指標(biāo)表示（下圖）。鋼材的冷彎試驗: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），彎曲到規(guī)定的角度時（180或90），檢查彎曲處有無裂紋、斷裂及起層等現(xiàn)象。若無則認(rèn)為冷彎性能合格。鋼材冷彎時的彎曲角度越大，彎心直徑越小，則表示其冷彎性能越好。

鋼材的冷彎示意圖問題：哪一鐘鋼材的冷彎性能好？冷彎檢驗的意義鋼材的冷彎性能和其伸長率一樣，也是表示鋼材在靜荷載條件下的塑性。但冷彎是鋼材處于不利變形條件下的塑性，而伸長率是反映鋼材在均勻變形下的塑性。故冷彎試驗是一種比較嚴(yán)格的檢驗。它能揭示鋼材內(nèi)部組織的均勻性，以及存在內(nèi)應(yīng)力或夾雜物等缺陷的程度。在拉力試驗中，這些缺陷常因塑性變形導(dǎo)致應(yīng)力重分布而反映不出來。在工程實踐中，冷彎試驗還被用作檢驗鋼材焊接質(zhì)量的一種手段，能揭示焊件在受彎表面存在的未熔合、微裂紋和夾雜物。4、焊接性能低碳鋼的可焊性很好，隨著碳含量和合金含量的增加，鋼材的可焊性減弱。鋼中含硫也會使鋼材在焊接時產(chǎn)生熱脆性。采用焊前預(yù)熱和焊后熱處理的方法，能提高可焊性差的鋼材焊接質(zhì)量。

ConstructionMaterials

對焊示意圖ConstructionMaterials

焊接示意圖三、鋼的化學(xué)成分對鋼材性能的影響碳（〈0.8%）

含碳量增加→強(qiáng)度和硬度提高,塑性和韌性降低，焊接性也變差硅（〈1%）提高強(qiáng)度錳（1%~2%）提高強(qiáng)度鋁、釩、鈦、鈮常用合金元素，提高強(qiáng)度，改善韌性和可焊性硫增加熱脆性磷增加冷脆性氧降低韌性氮強(qiáng)度提高，塑性和韌性下降，加劇冷脆性有益元素有害元素冷拉前屈服點冷拉后屈服點四、鋼材的冷加工及時效冷加工指在常溫下對鋼材進(jìn)行冷拉、冷拔和冷軋?zhí)幚碜匀粫r效處理經(jīng)冷拉的鋼材在常溫下存放15-20天其強(qiáng)度和硬度提高，塑性和韌性降低的現(xiàn)象人工時效處理經(jīng)冷拉的鋼材在加熱至100-200℃，并保持一段時間這將使時效加速時效經(jīng)冷拉鋼材隨時間延長強(qiáng)度提高,塑性、韌性下降的現(xiàn)象叫做時效可分為兩類：分為自然時效和人工時效建筑鋼材的冷加工與時效可提高強(qiáng)度，冷拉后屈服強(qiáng)度可提高20-30%，時效處理后還可使抗拉強(qiáng)度提高?？晒?jié)約鋼材20-30%。降低了塑性和韌性意義五、建筑鋼材的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與選用鋼結(jié)構(gòu)用鋼材碳素結(jié)構(gòu)鋼低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)用鋼材熱軋鋼筋冷軋帶肋鋼筋冷拔低碳鋼絲建筑鋼材的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與選用建筑鋼材包括：型鋼鋼管鋼板鋼絲鋼筋常用的鋼材品種為：碳素鋼與低合金鋼二大類。

牌號及其表示方法如flash中所示Q235-AF:屈服強(qiáng)度是

235MPa,A級,沸騰鋼碳素結(jié)構(gòu)鋼牌號統(tǒng)一數(shù)字代號a等級厚度（或直徑）/mm化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）/%，不大于脫氧方法CSiMnSPQ195U11952——0.120.300.500.0400.035F、ZQ215U12152A—0.150.351.200.0500.045F、ZU12155B0.045Q235U12352A—0.220.0351.400.0500.045F、ZU12355B0.20b0.045U12358C0.170.0400.040ZU12359D0.0350.035TZQ275U12752A—0.240.0351.500.0500.045F、ZU12755B≤400.210.0450.045Z>400.22U12758C—0.200.0400.040ZU12759D0.0350.035TZ表碳素結(jié)構(gòu)鋼的化學(xué)成分（GB700-2006）

各類牌號鋼材的性能碳素結(jié)構(gòu)鋼的選用建筑鋼結(jié)構(gòu)中最常用的牌號為Q235(綜合性能符合建筑工程的要求)。因為Q235鋼既有較高的強(qiáng)度，又有良好的塑性和韌型，如：B、C、D等，可焊接性也很好，能滿足一般鋼結(jié)構(gòu)用鋼的要求。Q235的C級和D級鋼，其S和P的含量低，所以主要作重要的焊接結(jié)構(gòu)。尤其適用于低溫條件下，受沖擊荷載作用的焊接鋼結(jié)構(gòu)。各類牌號鋼材的性能碳素結(jié)構(gòu)鋼的選用Q195及Q215：強(qiáng)度低，但塑性和韌性好，易冷加工，在軋制、焊接加工成受沖擊、偶然荷載等情況下，能保證安全使用。Q275：強(qiáng)度高，但塑性和韌性差，可焊接差，不易冷加工；可用作砼配筋和鋼結(jié)構(gòu)中的構(gòu)件及螺栓（在機(jī)械零件及工具中常用之）。選用鋼材，主要根據(jù)工程結(jié)構(gòu)的重要性、荷載類型、焊接要求及使用環(huán)境溫度等條件選擇。定義在碳素結(jié)構(gòu)鋼的基礎(chǔ)上，添加少量的一種或幾種合金元素，合金元素的總含量小于5%的結(jié)構(gòu)鋼。常用的合金元素有：Si、Mn、Ti、Nb、V和C等。牌號及其表示方法現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《低合金結(jié)構(gòu)鋼》（GB1591-2008）共有8個牌號：Q345、Q390、Q420、Q460、Q500、Q550、Q620、Q690低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼牌號質(zhì)量等級化學(xué)成分/%CMnSiPSVNbTiNBCuMoCrNiAl≤≤≤不大于不小于Q345ABCDE0.200.200.200.180.181.70.500.0350.0350.0300.0300.0250.0350.0350.0300.0250.0200.150.070.200.012-0.300.100.300.50-0.015Q390ABCDE0.201.70.500.0350.0350.0300.0300.0250.0350.0350.0300.0250.0200.200.070.200.015-0.300.100.500.50-0.015Q420ABCDE0.201.70.500.0350.0350.0300.0300.0250.0350.0350.0300.0250.0200.200.070.200.015-0.300.200.800.80-0.015Q460CDE0.201.80.600.0300.0300.0250.0300.0250.0200.200.110.200.0150.0040.550.200.800.800.015Q500CDE0.181.00.600.0300.0300.0250.0300.0250.0200.120.110.200.0150.0040.550.200.800.800.015Q550CDE0.182.00.600.0300.0300.0250.0300.0250.0200.120.110.200.0150.0040.800.300.800.800.015Q620CDE0.182.00.600.0300.0300.0250.0300.0250.0200.120.110.200.0150.0040.800.300.800.800.015Q690CDE0.182.00.600.0300.0300.0250.0300.0250.0200.120.110.200.0150.0040.800.300.800.800.015表低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的化學(xué)成分（GB1591-2008）

比采用碳素結(jié)構(gòu)鋼節(jié)省鋼材，而且可以減輕自重，延長使用壽命，尤其適用于大跨度結(jié)構(gòu)和橋梁工程等。

低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)用鋼材可以分為：熱軋鋼筋冷拉鋼筋冷拔低碳鋼絲鋼絞線包括熱軋光圓鋼筋及熱軋帶肋鋼筋。熱軋鋼筋按屈服強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度分為五個等級。其品種、牌號、力學(xué)性能及其應(yīng)用見下表。熱軋鋼筋表熱軋鋼筋力學(xué)性能及工藝性能表

（GB1499.1-2008、GB1499.2-2007）表面形狀牌號公稱直徑（mm）屈服點σs(MPa)抗拉強(qiáng)度σb(MPa)伸長率δ5(%)冷彎180od＝彎心直徑a＝鋼筋公稱直徑≥光圓HPB2356～22235370