土木工程材料 第六章 建筑鋼材

第六章建筑鋼材土木工程材料——綠地中心鋼材在建筑工程中與其它結(jié)構(gòu)材料相比所具有的特性：1．輕質(zhì)高強（建筑材料發(fā)展的方向）2．韌性好、抗沖擊能力強、抗拉強度高3．可焊接、鉚接、易于裝配4．外表輕巧、華美、具有光澤5．易腐6．耐火性差1996年以來，我國鋼產(chǎn)量一直居世界第一位。中國大陸粗鋼產(chǎn)量占世界鋼產(chǎn)量的比重達到50.84%的新高，首次超過了世界鋼產(chǎn)量的一半。鋼筋混凝土用熱軋帶肋鋼筋是重要的鋼鐵產(chǎn)品，它應用范圍廣，生產(chǎn)量大。據(jù)粗略的統(tǒng)計：2013年全國鋼筋總產(chǎn)量超過2億噸，約占粗鋼摻量的27%。

近年來，伴隨我國經(jīng)濟持續(xù)高速增長，建筑業(yè)作為我國國民經(jīng)濟支柱產(chǎn)業(yè)之一也得到了快速的發(fā)展。由于目前我國建筑主要為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)形式，鋼筋的生產(chǎn)與消費量增長很快。我國建筑用鋼占鋼材的消費比例約為53.3%，其中長材的消費占76%以上。鋼筋占建筑用長材的61%

。678910111213141516176.1概述一、鋼及其特性鋼理論上，凡是把含碳量小于2%，含雜質(zhì)比較少的鐵碳合金稱為鋼。含碳量超過2%，稱為生鐵；含碳量小于0.08%，稱為工業(yè)純鐵。鋼的特點具有強度高，塑性好，具有良好的韌性；工藝性能良好，易于加工；但是，鋼材易銹蝕、耐火性差。鋼材的化學組成基本組成：鐵和碳合金元素：Si、Mn、Ti、Cr等雜質(zhì)元素：P、S、O等按照鐵與碳結(jié)合方式的不同，碳素鋼在常溫下形成的基本組織分為鐵素體、滲碳體和珠光體三種。建筑用鋼材形式橋面板鋼制鉚釘大型鋼箱梁二、建筑鋼材的主要品種鋼筋鋼筋或鋼絞線二、建筑鋼材的主要品種二、建筑鋼材的主要品種1.型鋼簡單截面型鋼：圓鋼、方鋼、六角鋼、八角鋼等；復雜截面型鋼：工字鋼、角鋼、槽鋼、鋼軌等。22二、建筑鋼材的主要品種2.線材如鋼筋、鋼絲等。23二、建筑鋼材的主要品種3.管材無縫鋼管、焊接鋼管等。24二、建筑鋼材的主要品種4.板材

光面鋼板、花紋鋼板、彩色涂層鋼板等。壓型彩鋼板25三、鋼的冶煉方法簡介按照煉鋼爐的種類，煉鋼方法可分為：1.空氣轉(zhuǎn)爐煉鋼法一般煉制普通碳素鋼。2.氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼法煉制優(yōu)質(zhì)碳素鋼和合金鋼。3.平爐煉鋼法用來煉制優(yōu)質(zhì)碳素鋼、合金鋼或有特殊要求的專用鋼。4.電爐煉鋼法白口鐵液態(tài)生鐵吹入空氣或氧氣鋼澆注成鋼錠脫氧熔融開采鐵礦石

(破碎及準備鐵礦石原來)煉鐵(將鐵礦石還原成鐵)煉鋼/精煉(去除生鐵中碳及有害雜質(zhì)，加入必要的合金元素)鐵礦石

(65%Fe)生鐵

(4%C)鋼

(<2%C)*結(jié)構(gòu)鋼

(<0.3%C)

連鑄(將鋼材加工成各種型材)鋼坯，鋼錠煉鐵:把燒結(jié)礦和塊礦中的鐵還原出來。煉鋼:把原料(鐵水和廢鋼等)里過多的碳及硫\磷等雜質(zhì)去掉并加適量合金成分連鑄:將鋼水經(jīng)中間罐連續(xù)注入用水冷卻的結(jié)晶器,凝成坯殼,穩(wěn)定地拉出,經(jīng)噴水冷卻,全凝固,切成指定長度。

三、鋼的冶煉方法簡介四、鋼的分類1.按冶煉方法分2.按質(zhì)量分

按S和P元素含量，分為普通質(zhì)量鋼、優(yōu)質(zhì)鋼和特殊質(zhì)量鋼。鋼轉(zhuǎn)爐鋼沸騰鋼電爐鋼平爐鋼按冶煉方法分按脫氧程度分半鎮(zhèn)靜鋼鎮(zhèn)靜鋼特殊鎮(zhèn)靜鋼按爐襯材料分為酸性鋼和堿性鋼四、鋼的分類3.按化學成分分4.按用途分分為建筑鋼、結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼、特殊性能鋼（如不銹鋼、耐酸鋼、耐堿鋼、磁鋼等。鋼中碳鋼低合金鋼高碳鋼低碳鋼碳素鋼合金鋼中合金鋼高合金鋼C＜0.25%C=0.25%～0.60％C＞0.60％合金總含量＜5%5%～10％＞10％6.2建筑鋼材的主要技術(shù)性能抗拉性能拉伸性能是建筑鋼材最重要的性能。從低碳鋼的應力-應變關(guān)系中可看出，低碳鋼從受拉到拉斷，經(jīng)歷了四個階段：彈性階段、屈服階段、強化階段和頸縮階段。通過對鋼材進行抗拉試驗所測得的彈性模量、屈服強度、抗拉強度和伸長率是鋼材的四個重要技術(shù)性質(zhì)指標。一、

建筑鋼材的力學性能式中ε——材料的應變;

σ——材料的應力;

E——材料的彈性模量應力與應變30應力

應變FFAΔLL0L1（1）彈性階段OA圖形的特點：一條通過原點的直線，應力與應變成正比。試件的特點：彈性計算的指標：彈性模量 E值的大小反映了鋼材抵抗彈性變形的能力。彈性極限 A點對應的應力。αOA低碳鋼受拉的應力－應變圖E1

＞E2ABCD32（2）屈服階段AB

一條波動的曲線，應力增加很小，而應變增加很大。所能承受的拉力增加很小，而塑性變形迅速增加，似乎鋼材不能承受外力——

屈服強度（也叫屈服點）點對應的應力。圖形的特點：試件的特點：計算的指標：αOA低碳鋼受拉的應力－應變圖ACDBB上B下屈服。（3）強化階段BC

一段上升的曲線。抵抗塑性變形的能力又重新提高——抗拉強度

圖形的特點：試件的特點：計算的指標：αOA低碳鋼受拉的應力－應變圖ACDBB上B下C點對應的應力。強化。（4）頸縮階段CD

一段下降的曲線。變形迅速發(fā)展，在有雜質(zhì)或缺陷處，斷面急劇縮小——

，直到斷裂。伸長率δ：

圖形的特點：試件的特點：αOAACDBB上B下L1L0計算的指標：頸縮35三個重要的指標1.屈服強度σs

結(jié)構(gòu)設計中鋼材強度取值的依據(jù)2.抗拉強度σb

鋼材所能承受的最大應力

屈強比

屈強比，利用率，安全可靠程度3.伸長率δ

衡量鋼材塑性的指標，越大說明鋼材的塑性越好↑αOAACDBB上B下↑↓36鋼材的σb和σs越高，表示鋼材對小量塑性變形的抵抗能力越大。因此，在不發(fā)生塑性變形的條件下，所能承受的應力就越大。

σs與σb差值越大的鋼，說明超過屈服點后的強度儲備能力越大，結(jié)構(gòu)的安全性高。屈強比（σs/σb）

鋼材的屈服點（屈服強度）與抗拉強度的比值，稱為屈強比。它也代表了鋼材強度儲備的大小，屈強比越大，結(jié)構(gòu)零件的可靠性越高，屈強比越小，強度儲備大。但屈強比太小則鋼筋強度的有效利用率低。一般碳素鋼屈強比為0.6-0.65，低合金結(jié)構(gòu)鋼為0.65-0.75,合金結(jié)構(gòu)鋼為0.84-0.86。伸長率指金屬材料受外力（拉力）作用斷裂時，試棒伸長的長度與原來長度的百分比，伸長率按試棒長度的不同分為：試棒的標距等于5倍直徑，短試棒求得的伸長率，代號為δ5；試棒的標距等于10倍直徑，長試棒求得的伸長率，代號為δ10，。伸長率是鋼材發(fā)生斷裂時所能承受的永久變形的能力式中δ——試件的伸長率，%；

——拉伸前的標距長度，mm；

——拉斷后的標距長度，mm。式中δ——試件的伸長率，%；

——拉伸前的標距長度，mm；

——拉斷后的標距長度，mm。式中δ——試件的伸長率，%；

——拉伸前的標距長度，mm；

——拉斷后的標距長度，mm。38沖擊韌性1．定義：鋼材抵抗沖擊荷載的能力2．表示方法——沖擊韌性值

3．影響因素化學成分冶煉質(zhì)量試件表面質(zhì)量冷加工及時效溫度冷脆性脆性轉(zhuǎn)變溫度疲勞強度

1．定義：疲勞破壞：鋼材在交變荷載的反復作用下，往往在應力遠小于其屈服強度時就發(fā)生脆性斷裂而破壞，這種現(xiàn)象稱為鋼材的疲勞破壞。疲勞強度：鋼材在交變應力作用下，于規(guī)定的循環(huán)次數(shù)（周期基數(shù)）內(nèi)不發(fā)生斷裂所能承受的最大應力。疲勞極限強度：鋼材在無窮次交變荷載作用下而不至引起斷裂的最大循環(huán)應力值。硬度1．定義:鋼材表面抵抗硬物壓入產(chǎn)生局部變形的能力，即對局部塑性變形的能力。2．測定方法

1）布氏法：以壓痕面積來計算硬度2）洛氏法：以壓痕深度來計算硬度

二．工藝性能冷彎性1．定義：鋼材在常溫下承受彎曲變形而不破壞的能力。2．表示：彎曲角α，彎心直徑d3．實際意義焊接性能1．焊接的基本方法

1）電弧焊

2）接觸對焊2．影響因素

1）鋼材本身的焊接性能

2）焊接工藝

3）焊條材料3．焊接后檢驗

鋼材的冷加工時效與熱處理冷加工強化與時效處理的概念1、冷加工強化將鋼材于常溫下進行冷加工，使之產(chǎn)生一定的塑性變形，屈服強度明顯提高，塑性和韌性有所降低，彈性模量降低，這個過程稱為鋼材的冷加工強化。2、時效處理將經(jīng)過冷加工的鋼材，于常溫下放置15-20天（自然時效）或加熱到100-200℃并保持一定時間后（人工時效），鋼材的屈服強度將進一步提高，極限抗拉強度也提高，塑性和韌性降低，彈性模量恢復，這個過程稱為時效處理。鋼材冷加工時效在工程中的應用與效果

1、冷拉控制參數(shù)（冷拉率、冷拉應力）、時效方式

2、提高經(jīng)濟效益

3、簡化施工工序

4、注意事項鋼材的熱處理1、定義按照一定的制度，將鋼材加熱到一定的溫度，在此溫度下保持一定的時間，再以一定的速度和方式進行冷卻，以使鋼材內(nèi)部晶體組織和顯微結(jié)構(gòu)按要求進行改變，或消除鋼中的內(nèi)應力，從而獲得人們所需要的機械力學性能，這一過程就稱為鋼材的熱處理。2、熱處理方式淬火加熱到相變溫度以上，保持一段時間，迅速冷卻σs,HB提高δ、αK降低回火淬火后加熱到相變溫度以下保持一段時間，緩慢或迅速冷卻

HB降低δ、αK恢復退火加熱到相變溫度以上，保持相當時間，退火爐中緩慢冷卻HB降低δ、αK升高正火加熱到相變溫度以上，保持相當時間，空氣中緩慢冷卻σs,

HB提高δ較退火小6.3.1建筑鋼材常用鋼種一、普通碳素結(jié)構(gòu)鋼（簡稱普通碳素鋼）（C：0.06%~0.24%）1、碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號和表示方法

1）牌號

Q195，Q215，Q235，Q2752）質(zhì)量等級A，B，C，D3）脫氧程度F，Z，TZ4）表示方法屈服點等級——質(zhì)量等級?脫氧程度如：Q235—A?F2、碳素結(jié)構(gòu)鋼的技術(shù)要求及用途（GB700-2006）6.3建筑鋼材的分類、牌號與應用塑性較好，適宜于各種加工，在焊接、沖擊及適當超載的情況下也不會突然破壞，它的化學性能穩(wěn)定，對軋制、加熱或驟冷的敏感性較小，因而常用于熱軋鋼筋。碳素鋼屈服強度和抗拉強度隨含碳量增加而增高，伸長率則隨含碳量增加而下降。其中Q235的強度和伸長率均居中等，兩者得以兼顧，所以是結(jié)構(gòu)鋼常用的牌號。二、低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼（GB/T1591-2008）

低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼是普通低合金結(jié)構(gòu)鋼的簡稱，是在普通碳素鋼的基礎上添加少量的一種或多種合金元素如硅、錳、釩、鈮、鉻、鎳及稀土元素等元素（總量一般小于5%），以提高其強度、耐腐蝕性、耐磨性或耐低溫沖擊韌性的鋼。1、牌號及表示方法

按含碳量和屈服點強度不同劃分為8個牌號：Q345，Q390，Q420，Q460，Q500……

質(zhì)量等級：E，D，C，B，A

表示方法：屈服點等級——質(zhì)量等級2、與碳素鋼相比：

強度高，塑性、耐沖擊韌性好耐銹蝕、耐低溫性好減輕結(jié)構(gòu)自重，延長使用壽命，節(jié)省鋼材3、技術(shù)性能及應用綜合性能較好的建筑鋼材，尤其是大跨度、承受動荷載和沖擊荷載的結(jié)構(gòu)物中更為適用。6.3.2建筑用鋼材建筑用鋼材鋼結(jié)構(gòu)用鋼材鋼筋混凝土用鋼材一、鋼結(jié)構(gòu)用鋼材

主要是型鋼和鋼板型鋼有熱軋和冷成型兩種，鋼板也有熱軋（厚度為0.35~200mm）和冷軋（厚度為0.2~4mm）兩種。（一）熱軋型鋼主要鋼種：碳素鋼，低合金高強度鋼標記方法：常用的熱軋型鋼有：1、熱軋普通工字鋼，H型鋼，部分T型鋼2、熱軋普通槽鋼3、熱軋L型鋼4、熱軋角鋼（等邊與不等邊）（二）冷彎薄壁型鋼通常是用2～6mm薄鋼板冷彎或模壓而成，有：1）角鋼、槽鋼等開口薄壁型鋼。2）方形、矩形等空心薄壁型鋼主要用于輕型鋼結(jié)構(gòu)。（三）棒材1、六角鋼和八角鋼是指截面為六角形和八角形的長條鋼材。

規(guī)格：以對邊距離表示

應用：建筑鋼結(jié)構(gòu)的螺栓的坯材2、扁鋼是指截面為矩形并稍帶鈍邊的長條鋼材。

規(guī)格：厚度×寬度

應用：扶梯、橋梁、柵欄等3、圓鋼和方鋼是指截面為圓形和正方形的長條鋼材。

規(guī)格：直徑，邊長

應用：圓鋼用做一般桿件和連接件（四）鋼管1、結(jié)構(gòu)用無縫鋼管2、焊縫鋼管（五）板材1、鋼板以平板狀態(tài)供貨——鋼板；以卷狀供貨——鋼帶分熱軋、冷軋兩種熱軋分：厚板（厚度大于4mm）；薄板（0.35～4mm）冷軋板只有薄板（厚度為0.2～4mm）厚板——用于焊接結(jié)構(gòu)薄板——屋面或墻面等圍護結(jié)構(gòu)，或作為涂層鋼板的原料，如制作壓型板等。2、花紋鋼板GB/T3277一91

指表面軋有防滑凸紋的鋼板，主要用于平臺、過道及樓梯等的鋪板?；y有菱形、扁豆形和圓豆形。3、建筑用壓型鋼板（簡稱壓型鋼板）GB/T12755一2008指薄鋼板經(jīng)輥壓冷彎，其截面成v形、u形、梯形或類似這幾種形狀的波形，在建筑上用作屋面板、樓板、墻板及裝飾板，也可被選為其他用途的鋼板。

1）代號YX2）型號表示方法：代號波高—波距—板寬如：YX28—200—6003）標記如：用牌號為275-PT-Z，厚度為1.2mm的熱鍍鋅鋼帶制成的，長度為6000mm的YX28-150-900(IV)壓型鋼板，其標記為：4、彩色涂層鋼板（彩涂板）-是指表面涂有各類有機涂料的薄鋼板。(GB／T

12754-2006)輕質(zhì)夾芯板材巖棉夾芯板

聚苯夾芯板母材：碳素結(jié)構(gòu)鋼低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼6.3.4鋼筋混凝土用鋼材鋼筋鋼絲和鋼鉸線一、鋼筋混凝土用熱軋鋼筋熱軋鋼筋是經(jīng)熱軋成型并自然冷卻的成品鋼筋。（一）熱軋鋼筋分類、牌號1、分類熱軋光圓鋼筋：HPB235、HPB300

（GB1499.1-2008）熱軋帶肋鋼筋：HRB335、HRB400、HRB500（GB1499.2-2007）月牙肋：橫肋的縱截面呈月牙形，且與縱肋不相交的鋼筋。等高肋鋼筋：橫肋的縱截面高度相等，且與縱肋相交的鋼筋。縱肋：平行于鋼筋軸線的均勻連續(xù)肋。橫肋：與縱肋不平行的其他肋。（二）熱軋鋼筋的技術(shù)性能

2、牌號熱軋帶肋鋼筋的牌號由HRB和牌號的屈服點最小值構(gòu)成。分HRB335、HRB400、HRB500三個牌號。二、冷軋帶肋鋼筋GB13788-2000熱軋圓盤條鋼筋Φ4-12mm兩面或三面帶肋鋼筋冷軋或冷撥冷軋1、等級和代號冷軋帶肋鋼筋分為

CRB550、CRB650、CRB800、CRB970四個牌號。2、特點強度高、塑性好、綜合力學性能好握裹力強節(jié)約鋼材、降低成本提高構(gòu)件整體質(zhì)量，改善構(gòu)件的延性，避免“抽絲”現(xiàn)象適用于中小預應力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件三、預應力混凝土用鋼棒(GB-T5223.3-2005)預應力混凝土：先張法，后張法Φ8，Φ10mm熱軋螺紋鋼筋熱處理鋼筋淬火回火指用熱軋中碳低合金鋼筋經(jīng)淬火、回火調(diào)質(zhì)處理的鋼筋。通常有光圓、螺旋槽、螺旋肋和帶肋四種表面形狀，公稱直徑有6~16mm不等多種規(guī)格。主要技術(shù)指標：公稱直徑、抗拉強度、屈服強度、伸長率、最大松弛值等。預應力混凝土用鋼棒帶肋情況特性：

1）強度高，可代替高強鋼絲使用

2）配筋根數(shù)少，與混凝土握固力高，節(jié)約鋼材

3）錨固性好，不易打滑，預應力值穩(wěn)定，應力松馳率低。

4）盤條供應，開盤后鋼筋自然伸直，不需調(diào)直及焊接，施工方便應用：主要用于預應力混凝土橋梁結(jié)構(gòu)。預應力松馳：在規(guī)定溫度及初始變形或位移恒定的條件下，金屬材料的應力隨時間而減少的現(xiàn)象。四、預應力混凝土用鋼絲及鋼絞線(GB/T5223-2002)（一）鋼絲優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼盤條—酸洗—冷拉—回火1、分類按外形分為：光面鋼絲、刻痕鋼絲、螺旋肋鋼絲三種。按生產(chǎn)工藝分：冷拉鋼絲和消除應力鋼絲。2、代號：冷拉鋼絲RCD，消除應力鋼絲S，消除應力刻痕SI，消除應力螺旋肋鋼絲SH3、表示方法：預應力鋼絲直徑—抗拉強度—代號—松弛等級—GB/T5223—2002特性：強度高，柔性好、松弛率低、耐腐蝕等應用：各種特殊要求的預應力混凝土1、分類：

1）按捻制結(jié)構(gòu)分：用兩根鋼絲捻制的鋼絞線1×2

用三根鋼絲捻制的鋼絞線1×3

用七根鋼絲捻制的鋼絞線1×72）按其應力松弛性能分為：應力松弛級別代號

I級松弛I

Ⅱ級松弛

Ⅱ

（二）鋼絞線(GB/T5224一2003)數(shù)根高強度鋼絲絞捻，消除內(nèi)應力而成。2、標記方法：預應力鋼絞線結(jié)構(gòu)類型—公稱直徑—強度級別—松弛等級—GB/T5224-2003如：公稱直徑為10mm，強度級別為1720MPaI級松弛的三根鋼絲捻制的鋼絞線標記為：預應力鋼絞線1×3-10-1720-I-GB/T5224-20033、特性：強度高、與混凝土粘結(jié)性能好、截面積大、使用根數(shù)少、在結(jié)構(gòu)中排列方便、易于錨固。4、應用：大跨度、重荷載的混凝土結(jié)構(gòu)。鋼絲和鋼絞線檢驗只能以抗拉強度為依據(jù)，設計強度取值以條件屈服點的統(tǒng)計值確定。6.3.4鋼材的防護一、防腐蝕（一）鋼材腐蝕的原因化學腐蝕：鋼材與周圍介質(zhì)直接發(fā)生化學反應而引起的腐蝕。電化學腐蝕：金屬在潮濕氣體以及導電液體（電解質(zhì)）中，由于電子流動而引起的腐蝕腐蝕。（二）防腐蝕措施加入合金無素金屬覆蓋涂料覆蓋鋼筋混凝土復合二、防火鋼材的銹蝕是煉鐵/煉鋼的一個逆反應過程煉鐵/煉鋼：

Fe2O3(ironore,hematite)

Fe+O2

銹蝕：Fe+O2

Fe2O3

(rust)化學銹蝕電化學腐蝕e-Fe++OH-O2H2O陽極(Fe)陰極(Cu)陽極Fe

Fe+++2e-

Fe

Fe++++3e-

失電子

氧化

電子遷移到陰極

金屬離子→電解液

陽極金屬發(fā)生腐蝕陰極O2+H2O+4e-

4OH-

接受電子

還原電解液中Fe+++2OH-

Fe(OH)2

(黑色)4Fe(OH)2+O2

3H2O+Fe2O3.H2O(紅色)金屬離子與OH-反應形成銹蝕產(chǎn)物腐蝕條件

陽極（Fe）

陰極

連通通路

電解液O2原電池金屬元素的電位順序

電勢越負