第八章 建筑鋼材

第八章建筑鋼材主要內(nèi)容第一節(jié)建筑鋼材的基本知識(shí)第二節(jié)建筑鋼材的性質(zhì)第三節(jié)鋼材的冷加工、時(shí)效及焊接第四節(jié)建筑鋼材的標(biāo)準(zhǔn)及選用學(xué)習(xí)目標(biāo)：了解鋁材的一般特性和應(yīng)用；掌握鋼材的力學(xué)性質(zhì)、工藝性質(zhì)及其質(zhì)量檢定方法；掌握鋼結(jié)構(gòu)用鋼和混凝土結(jié)構(gòu)用鋼，兩類建筑鋼材的技術(shù)性質(zhì)和應(yīng)用。鋼材的應(yīng)用

第一節(jié)建筑鋼材的基本知識(shí)鋼材:以鐵(Fe)為主要元素，含碳量(C)一般在2％以下，并含有其它元素的材料。建筑鋼材在建筑工程中的應(yīng)用:鋼結(jié)構(gòu)—型鋼、鋼板、鋼管鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)—鋼筋、鋼絲、鋼絞線優(yōu)點(diǎn):材質(zhì)均勻、性能可靠、強(qiáng)度高、具有一定的塑性和韌性及承受沖擊和振動(dòng)荷載的能力，可焊、鉚、栓接便于裝配鋼材的分類（一）按化學(xué)成分

1、碳素鋼:碳素鋼的化學(xué)成分主要是鐵，其次是碳，故也稱鐵一碳合金。其含碳量為0.02％～2.06％。此外尚含有極少量的硅、錳和微量的硫、磷等元素。碳素鋼按含碳量又可分為：低碳鋼（含碳量小于0.25％）、中碳鋼（含碳量為0.25％～0.60％）高碳鋼（含碳量大于0.60％）2、合金鋼:為了改善鋼材的某些性能，加入很多的合金元素。常用合金元素有：硅、錳、鈦、釩、鈮、鉻等。按合金元素總含量的不同，合金鋼可分為：低合金鋼（合金元素總含量小于５％）中合金鋼（合金元素總含量為５％～10％）高合金鋼（合金元素總含量大于10％）（二）按冶煉時(shí)脫氧程度分類沸騰鋼：煉鋼時(shí)僅加入錳鐵進(jìn)行脫氧，則脫氧不完全，代號(hào)為“Ｆ“。鎮(zhèn)靜鋼：煉鋼時(shí)采用錳鐵、硅鐵和鋁錠等作脫氧劑，脫氧完全，且同時(shí)能起去硫作用，代號(hào)為“Ｚ”。半鎮(zhèn)靜鋼：脫氧程度介于沸騰鋼和鎮(zhèn)靜鋼之間，為質(zhì)量較好的鋼，其代號(hào)為“ｂ”。特殊鎮(zhèn)靜鋼：比鎮(zhèn)靜鋼脫氧程度還要充分徹底的鋼，故其質(zhì)量最好，適用于特別重要的結(jié)構(gòu)工程，代號(hào)為“TZ”。（三）按有害雜質(zhì)含量分類接鋼中有害雜質(zhì)磷（Ｐ）和硫（S）含量的多少，鋼材可分為以下四類：普通鋼：磷含量不大于0.045％；硫含量不大于0.050%。優(yōu)質(zhì)鋼：磷含量不大于0.035%；硫含量不大于0.035%。高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼：磷含量不大于0.025%；硫含量不大于0.015%。特級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼：磷含量不大于0.025%；硫含量不大于0.015%。鋼材的化學(xué)成分1、碳(C)—決定鋼材性能的主要元素隨著含碳量的增加，鋼材的強(qiáng)度和硬度相應(yīng)提高，而塑性和韌性相應(yīng)降低。當(dāng)含碳量超過(guò)1%時(shí)，鋼材的極限強(qiáng)度開(kāi)始下降。含碳量過(guò)高還會(huì)增加鋼的冷脆性和時(shí)效敏感性，降低抗大氣腐蝕性和可焊性。

鋼材的化學(xué)成分2、硅(Si)、錳(Mn)—有益元素當(dāng)含量較低時(shí)（小于1%），可提高鋼材的強(qiáng)度，對(duì)塑性、韌性影響不大。3、磷(P)、硫(S)—有害元素磷顯著增加鋼的冷脆性硫顯著增加鋼的熱脆性熱脆性大大降低鋼材的熱加工性和可焊性4、氧(O)、氮(N)—有害元素顯著降低鋼材的塑性、韌性，使可焊性變壞鋼材腐蝕的危害造成鋼材受力截面減小，表面不平整導(dǎo)致應(yīng)力集中，降低鋼材的承載能力尤其是顯著降低鋼材的沖擊韌性，使鋼材脆斷混凝土中的鋼筋腐蝕后，產(chǎn)生體積膨脹，使混凝土順筋開(kāi)裂。因此為了確保鋼材不產(chǎn)生腐蝕，必須采取防腐措施。防止鋼材腐蝕的方法1、保護(hù)膜法例如在鋼材的表面噴刷涂料、搪瓷、塑料等或以金屬鍍層作為保護(hù)膜，如鋅、錫、鉻等。2、電化學(xué)保護(hù)法3、合金化在碳鋼中加入能提高抗腐蝕能力的合金元素，如鎳、鉻、鈦、銅等制成不同的合金鋼。防止混凝土中鋼筋腐蝕最經(jīng)濟(jì)有效的法

—提高混凝土的密實(shí)度和堿度保證鋼筋有足夠的保護(hù)層厚度建筑鋼材的性質(zhì)1、強(qiáng)度2、彈性3、塑性4、沖擊韌性5、硬度

建筑鋼材的性質(zhì)1、強(qiáng)度屈服強(qiáng)度（或稱屈服點(diǎn)）σs：中、高碳鋼沒(méi)有明顯的屈服點(diǎn)，通常以殘余變形為0.2%的應(yīng)力σ0.2作為屈服強(qiáng)度。屈服強(qiáng)度對(duì)鋼材的使用有著重要的意義，當(dāng)構(gòu)件的實(shí)際應(yīng)力達(dá)到屈服點(diǎn)時(shí)，將產(chǎn)生不可恢復(fù)的永久性變形，這在結(jié)構(gòu)中是不允許的，therefore屈服強(qiáng)度是確定鋼材容許應(yīng)力的主要依據(jù)

拉伸實(shí)驗(yàn)低碳鋼拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線圖低碳鋼受拉的應(yīng)力-應(yīng)變圖ε建筑鋼材的性質(zhì)1、強(qiáng)度極限抗拉強(qiáng)度σb

（或稱抗拉強(qiáng)度）鋼材在拉力的作用下能承受的最大拉應(yīng)力屈強(qiáng)比σs／σb

工程意義:越小—結(jié)構(gòu)可靠性越高，即防止結(jié)構(gòu)破壞的潛力越大；太小—鋼材有效利用率太低疲勞強(qiáng)度（或稱疲勞極限）鋼材承受交變荷載106~107次而不發(fā)生破壞的最大主應(yīng)力建筑鋼材的性質(zhì)2、彈性鋼材在靜荷載作用下，應(yīng)力和應(yīng)變成正比具有這種變形特征的性質(zhì)稱為彈性。在彈性階段中應(yīng)力和應(yīng)變的比值稱為彈性模量，即E=σ/ε，單位MPa。彈性模量是衡量鋼材抵抗變形能力的指標(biāo)在工程上，彈性模量反映了鋼材的剛度，是鋼材在受力條件下計(jì)算結(jié)構(gòu)變形的重要指標(biāo)。建筑鋼材的性質(zhì)3、塑性伸長(zhǎng)率δ:

指試件拉斷后，標(biāo)距長(zhǎng)度的增量與原標(biāo)距長(zhǎng)度之比，常用%表示。

δ越大，說(shuō)明鋼材塑性越好斷面收縮率Ψ:指試件拉斷后，頸縮處橫截面積的減縮量占原橫截面積的百分率，%。拉伸示意圖鋼材的冷彎不僅是評(píng)定其塑性、加工性能的要求，也是評(píng)定焊接質(zhì)量的重要指標(biāo)之一建筑鋼材的性質(zhì)4、沖擊韌性沖擊韌性:指鋼材抵抗沖擊荷載而不破壞的能力。與鋼的化學(xué)成分、冶煉與加工有關(guān):一般說(shuō)，鋼中的P、S含量越高，夾雜物以及焊接中形成的微裂紋等都會(huì)降低沖擊韌性;還受溫度和時(shí)間的影響:當(dāng)溫度降至某一溫度范圍時(shí)，ak

突然明顯下降，鋼材開(kāi)始呈脆性斷裂，這種性質(zhì)稱為冷脆性。建筑鋼材的性質(zhì)5、硬度硬度:在表面局部體積內(nèi)，抵抗其他較硬物體壓入產(chǎn)生塑性變形的能力通常與抗拉強(qiáng)度有一定的關(guān)系目前測(cè)定鋼材硬度的方法很多，最常用的有布氏硬度，用HB表示。

鋼材的冷加工冷加工:將鋼材在常溫下進(jìn)行冷拉、冷拔或冷軋，使產(chǎn)生塑性變形，從而提高屈服強(qiáng)度，這個(gè)過(guò)程稱為鋼材的冷加工強(qiáng)化。冷加工強(qiáng)化的原理：鋼材在塑性變形中晶格的缺陷增多，而缺陷的晶格嚴(yán)重畸變，對(duì)晶格的進(jìn)一步滑移將起到阻礙作用，故鋼材的屈服點(diǎn)提高，塑性和韌性降低。由于塑性變形中產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，故鋼材的彈性模量Ｅ降低。鋼筋冷拉曲線

工地或預(yù)制廠鋼筋混凝土施工中常利用這一原理，對(duì)鋼筋或低碳鋼盤條按一定制度進(jìn)行冷拉或冷拔加工，以提高屈服強(qiáng)度。鋼材的時(shí)效鋼材隨時(shí)間的延長(zhǎng)，強(qiáng)度、硬度提高，而塑性、韌性下降的現(xiàn)象稱為時(shí)效。自然時(shí)效:鋼材經(jīng)冷加工后在常溫下擱置15~20天在自然條件下的時(shí)效人工時(shí)效:鋼材加熱至100~200℃保持2h以內(nèi)，鋼材的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及硬度都進(jìn)一步提高，而塑性、韌性繼續(xù)降低完成時(shí)效過(guò)程。

冷拉以后再經(jīng)過(guò)時(shí)效處理的鋼筋，其屈服點(diǎn)進(jìn)一步提高，抗拉強(qiáng)度稍見(jiàn)增長(zhǎng)，塑性繼續(xù)有所降低。由于時(shí)效過(guò)程中應(yīng)力的消減，故彈性模量可基本恢復(fù)。

鋼材的熱處理：

將鋼材加熱到一定的溫度，在此溫度下保持一定的時(shí)間，再以一定的速度和方式進(jìn)行冷卻，以使鋼材內(nèi)部晶體組織和顯微結(jié)構(gòu)按要求進(jìn)行改變，或者消除鋼中的內(nèi)應(yīng)力，從而獲得人們所需求的機(jī)械力學(xué)性能，這一過(guò)程就稱為鋼材的熱處理。鋼材的熱處理通常有以下幾種基本方法：鋼材的熱處理

(１)淬火將鋼材加熱至723℃（相變溫度）以上某一溫度，并保持一定時(shí)間后，迅速置于水中或機(jī)油中冷卻，這個(gè)過(guò)程稱鋼材的淬火處理。鋼材經(jīng)淬火后，強(qiáng)度和硬度提高，脆性增大，塑性和韌性明顯降低。（2）回火將淬火后的鋼材重新加熱到723℃以下某一溫度范圍，保溫一定時(shí)間后再緩慢地或較快地冷卻至室溫，這一過(guò)程稱為回火處理。回火可消除鋼材淬火時(shí)產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，使其硬度降低，恢復(fù)塑性和韌性。（３）退火退火是指將鋼材加熱至723℃以上某一溫度，保持相當(dāng)時(shí)間后，在退火爐中緩慢冷卻。退火能消除鋼材中的內(nèi)應(yīng)力，細(xì)化晶粒，均勻組織，使鋼材硬度降低，塑性和韌性提高。（４）正火是將鋼材加熱到723℃以上某一溫度，并保持相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間，然后在空氣中緩慢冷卻，則可得到均勻細(xì)小的顯微組織。鋼材正火后強(qiáng)度和硬度提高，塑性較退火為小建筑鋼材的標(biāo)準(zhǔn)及選用一、鋼結(jié)構(gòu)用鋼材（1）碳素結(jié)構(gòu)鋼按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB700-88規(guī)定，我國(guó)碳素結(jié)構(gòu)鋼分五個(gè)牌號(hào)，即Ｑ195、Q215、Q235、Q255和Q275。各牌號(hào)鋼又按其硫、磷含量由多至少分為Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ四個(gè)質(zhì)量等級(jí)。碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)表示按順序由代表屈服點(diǎn)的字母（Q）、屈服點(diǎn)數(shù)值（Ｎ/mm2）、質(zhì)量等級(jí)符號(hào)(A、B、C、D)、脫氧程度符號(hào)(F、B、Z、TZ)等四部分組成。例如Q235-A.F.，它表示：屈服點(diǎn)為235N／ｍｍ2的平爐或氧氣轉(zhuǎn)爐冶煉的Ａ級(jí)沸騰碳素結(jié)構(gòu)鋼。當(dāng)為鎮(zhèn)靜鋼或特殊鎮(zhèn)靜鋼時(shí)，則牌號(hào)表示“Ｚ”與“ＴZ”符號(hào)可予以省略。（2）低合金結(jié)構(gòu)鋼在碳素鋼的基礎(chǔ)上，加入總量小于５％的合金元素?zé)挸傻匿?，稱為低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，簡(jiǎn)稱低合金結(jié)構(gòu)鋼。常用的合金元素有硅、錳、鈦、釩、鉻、鎳、銅等。牌號(hào)由代表鋼材屈服強(qiáng)度的字母“Ｑ”、屈服強(qiáng)度數(shù)值、質(zhì)量等級(jí)符號(hào)（Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ）三個(gè)部分按順序組成。例：Q295A，表示屈服強(qiáng)度為不小于295MPa，質(zhì)量等級(jí)為Ａ級(jí)的低合金結(jié)構(gòu)鋼。2.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)用鋼

(1)熱軋鋼筋根據(jù)表面特征不同，熱軋鋼筋分為光圓鋼筋和帶肋鋼筋。其牌號(hào)由HRB和規(guī)定屈服強(qiáng)度最小值構(gòu)成。Ｈ、Ｒ、Ｂ分別為熱軋、肋、鋼筋的英文名稱的第一個(gè)字母。（2）鋼筋混凝土用冷拉鋼筋為了提高鋼筋的強(qiáng)度及節(jié)約鋼筋，工地上常按施工規(guī)程，控制一定的冷拉應(yīng)力或冷拉率，對(duì)熱軋鋼筋進(jìn)行冷拉。冷拉鋼筋的力學(xué)性能應(yīng)符合規(guī)范規(guī)定的要求。冷拉后不得有裂紋、起層等現(xiàn)象。（3）預(yù)應(yīng)力混凝土用熱處理鋼筋預(yù)應(yīng)力混凝土用熱處理鋼筋是用Φ8、Φ10（㎜）的熱軋帶肋鋼筋經(jīng)淬火和回火等調(diào)質(zhì)處理而成，代號(hào)為ＲＢ１５０預(yù)應(yīng)力混凝土用熱處理鋼筋的優(yōu)點(diǎn)是：強(qiáng)度高，可代替高強(qiáng)鋼絲使用；配筋根數(shù)少，節(jié)約鋼材；錨固性好，不易打滑，預(yù)應(yīng)力值穩(wěn)定；施工簡(jiǎn)便，開(kāi)盤后鋼筋自然伸直，不需調(diào)直及焊接。主要用于預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土軌枕，也用于預(yù)應(yīng)力梁、板結(jié)構(gòu)及吊車梁等。（4）冷軋帶肋鋼筋冷軋帶肋鋼筋是采用由普通低碳鋼或低合金鋼熱軋的圓盤條為母材，經(jīng)冷軋減徑后在其表面冷軋成二面或三面有肋的鋼筋。冷軋帶肋鋼筋是熱軋圓盤鋼筋的深加工產(chǎn)品，是一種新型高效建筑鋼材。冷軋帶肋鋼筋按抗拉強(qiáng)度分為5級(jí)，其代號(hào)為CRB550、CRB650、CRB800、CRB970、和CRB1170，（CRB為Coldrollingribbedsteelbar)，后面的數(shù)字表示鋼筋抗拉強(qiáng)度等級(jí)數(shù)值。（5）冷拔低碳鋼絲冷拔低碳鋼絲是將直徑為6.5～8㎜的Q235熱軋盤條鋼筋經(jīng)冷拔加工而成。冷拔低碳鋼絲分為甲、乙兩級(jí)，甲級(jí)絲適用于作預(yù)應(yīng)力筋，乙級(jí)絲適用于作焊接網(wǎng)、焊接骨架、箍筋和構(gòu)造鋼筋。其力學(xué)性能應(yīng)符合有關(guān)規(guī)定。（6）預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絲及鋼絞線大型預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件，由于受力很大，常采用高強(qiáng)度鋼絲或鋼絞線作為主要受力鋼筋。預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度鋼絲是用優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼盤條，經(jīng)酸洗、冷拉或再經(jīng)回火處理等工藝制成，鋼鉸線是由７根直徑為2.5～5.0㎜的高強(qiáng)度鋼絲，鉸捻后經(jīng)一定熱處理清除內(nèi)應(yīng)力而制成。鉸捻方向一般為左捻。預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絲分為冷拉鋼絲（代號(hào)Ｌ）、矯直回火鋼絲（代號(hào)Ｊ）和矯直回火刻痕鋼絲（代號(hào)JK）三種。前二種其公稱直徑有３、４㎜、５㎜三種，它們的抗拉強(qiáng)度σb達(dá)1500MPa以上，屈服強(qiáng)度σ0.2可達(dá)1100MPa以上。預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絞線直徑有9.0㎜、12.0㎜和15.0㎜三種，整根破壞負(fù)荷可達(dá)220kN，屈服負(fù)荷可達(dá)187kN。鋼絞線主要用于大跨度、大負(fù)荷的后張法預(yù)應(yīng)力屋架、橋梁和薄腹梁等結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力筋。例1從一批鋼筋中抽樣，并截取兩根鋼筋做拉伸試驗(yàn)，測(cè)得如下結(jié)果：屈服下限荷載分別為42.4、42.8kN;抗拉極限荷載分別為62.0kN、63.4kN，鋼筋公稱直徑為12ｍｍ，標(biāo)距為60ｍｍ，拉斷時(shí)長(zhǎng)度分別為70.6和71.4mm,評(píng)定其級(jí)別？說(shuō)明其利用率及使用中安全可靠程度。解：1. 鋼筋試樣屈服點(diǎn)為：鋼筋試樣抗拉強(qiáng)度為：σb=(548+561)÷2=555N/mm2鋼筋試樣伸長(zhǎng)率為：δ=(17.7+19.0)÷2=18.4%查表2-2知σs1、σs2

均大于335N/mm2,σb1、σb2

均大于490N/mm2,鋼筋試樣伸長(zhǎng)率均大于16%故該鋼筋為II級(jí)鋼。2.該鋼筋的屈強(qiáng)比為：

σs/σb=385/555=0.69該II級(jí)鋼筋的屈強(qiáng)比在0.65~0.75范圍內(nèi)，表明其利用率較高，使用中安全可靠度較好。例2為什么說(shuō)屈服點(diǎn)（σs）、抗拉強(qiáng)度（σb）和伸長(zhǎng)率（δ）是建筑工程用鋼的重要技術(shù)性能指標(biāo)？解：屈服點(diǎn)（