第6章-土木工程用鋼

第六章建筑鋼材土木工程用鋼材是指用于鋼結構的各種型材（如圓鋼、角鋼、槽鋼和工字鋼等）、鋼板和用于鋼筋混凝土中的各種鋼筋、鋼絲等。2011-091一、鋼的冶煉與分類1.鋼的冶煉鋼的冶煉是將熔融的生鐵進行氧化，使碳和其他雜質的含量降低到允許的范圍內。常用的鋼的冶煉方法有三種：轉爐法，平爐法，電爐法。2011-0922.鋼的分類按脫氧程度分類：沸騰鋼、鎮(zhèn)靜鋼、半鎮(zhèn)靜鋼和特殊鎮(zhèn)靜鋼。按化學成分分類：碳素鋼（低碳鋼，中碳鋼，高碳鋼），合金鋼（低合金鋼，中合金鋼，高合金鋼）。按有害雜質含量分類：普通鋼，優(yōu)質鋼，高級優(yōu)質鋼，特級優(yōu)質鋼。按用途分類：結構鋼，工具鋼，特殊鋼。土木工程中常用的鋼種有普通碳素結構鋼中的低碳鋼和普通合金結構鋼中的低合金鋼。2011-093二、鋼的晶體組織和化學成分1.鋼的晶體組織由于鐵和碳結合方式的不同，碳素鋼在常溫下的基本晶體組織有三種。鐵素體：鐵素體是碳溶于α-Fe晶格（鐵在常溫下形成的體心立方晶格）中的固溶體。滲碳體：滲碳體是鐵和碳的化合物（Fe3C）。珠光體：珠光體是鐵素體和滲碳體組成的機械混合物。2011-094圖6.1碳素鋼基本組織相對含量與含碳量的關系圖6.2含碳量對熱軋?zhí)妓劁撔再|的影響σb—抗拉強度；αk—沖擊韌性；HB—硬度；δ—伸長率；ψ—斷面收縮率。2011-0952.鋼的化學成分鋼中主要化學成分是鐵和碳元素，此外，還有少量的硅、錳、硫、磷、氮、氧、鈦、釩等元素。硅、錳：煉鋼時為脫氧去硫而加入的。硫、磷、氮：鋼中有害元素。氮：主要嵌溶于鐵素體中，對鋼性質的影響與碳、磷相似。鈦：強脫氧劑。釩：弱脫氧劑。2011-096三、鋼材的主要技術性能1.力學性能（1）抗拉性能彈性階段屈服階段強化階段頸縮階段彈性極限屈服極限抗拉強度彈性模量強屈比圖6.3低碳鋼受拉時的應力-應變圖2011-097試件拉斷后，標距的伸長與原始標距長度的百分率，稱為斷后伸長率。圖6.4伸長率的測量2011-098

式中，ψ——斷面收縮率；A0——試件原始橫截面積，mm2；A1——試件斷后頸縮處橫截面積，mm2。試件拉斷后，頸縮處橫截面積的最大縮減量占試件原始橫截面積的百分率，稱為鋼材的斷面收縮率。2011-099以殘余變形為0.2%原標距長度時的應力作為屈服強度，稱為條件屈服點，用σ0.2表示。圖6.5硬鋼的屈服點σ0.22011-0910（2）沖擊韌性沖擊韌性是指鋼材抵抗沖擊荷載作用的能力。圖6.6鋼材的沖擊試驗1—擺錘；2—試件2011-0911以試件打斷時單位截面積上所消耗的功作為鋼材的沖擊韌性指標。式中，αk——沖擊韌性指標；Ak——沖斷試件所消耗的功（Ak=GH1-GH2，G為擺錘質量，見圖6.6）；F——試件斷口處的截面積。2011-0912試驗表明，沖擊韌性隨溫度的降低而下降，開始時下降平緩，當達到某一溫度范圍時，突然下降很多而呈脆性。這種現(xiàn)象稱為鋼材的冷脆性，此時的溫度稱為脆性臨界溫度。圖6.7含錳低碳鋼αk值與溫度的關系2011-0913（3）耐疲勞性在交變荷載反復作用下，鋼材在應力低于其抗拉強度時發(fā)生突然破壞，這種現(xiàn)象稱為疲勞破壞。疲勞破壞的危險應力用疲勞強度或疲勞極限表示，它是指鋼材在交變荷載作用下于規(guī)定的周期基數(shù)內不發(fā)生斷裂所能承受的最大應力。2011-0914試驗表明，鋼材承受的交變應力越大，則斷裂時的交變循環(huán)次數(shù)越少，相反，交變應力越小，則交變循環(huán)次數(shù)越多；當交變應力低于某一值時，交變循環(huán)次數(shù)達無限次也不會產生疲勞破壞。圖6.8疲勞曲線示意圖2011-0915（4）硬度硬度是指鋼材表面局部體積內抵抗硬物壓入而產生的塑性變形的能力，亦即指抵抗其他更硬的物體壓入鋼材表面的能力，是衡量鋼材軟硬程度的一個重要指標。測定鋼材硬度的方法有布氏法、洛氏法和維氏法，較常用的為布氏法和洛氏法。2011-09162.工藝性能工藝性能是指鋼材是否易于加工，能否滿足各種成型工藝的性能。（1）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。2011-0917鋼材的冷彎性能用彎曲角度和彎心直徑與試件厚度或直徑的比值來表示。圖6.9冷彎試驗示意圖（d=a，180°）1—彎心；2—試件；3—支座冷彎試驗是將鋼材按規(guī)定的彎心直徑彎曲到規(guī)定的角度，彎曲處若無裂紋、斷裂及起層等現(xiàn)象，則認為冷彎性能合格。2011-0918（2）焊接性能鋼材的焊接性能是指在一定焊接工藝條件下，在焊縫及其附近過熱區(qū)不產生裂紋及硬脆傾向，焊接后鋼材的力學性能與原鋼材盡可能相同，特別是強度應不低于原有鋼材的強度。焊接性能的好壞主要與鋼的化學成分和含量有關。

2011-0919四、鋼材的冷加工與熱處理1.冷加工強化冷加工是指將鋼材在常溫下進行的加工。（1）冷拉鋼材通過張拉，其屈服點提高而抗拉強度基本不變，塑性和韌性相應降低。圖6.10鋼筋冷拉與時效前后應力-應變圖的變化2011-0920（2）冷拔冷拔加工是強力拉拔鋼筋使其通過截面小于鋼筋截面積的拔絲模。經過一次或多次冷拔后，鋼筋的屈服點可有較大提高，但其已失去軟鋼的塑性和韌性，具有硬鋼的性質。（3）冷軋冷軋是將圓鋼在軋鋼機上軋成斷面按一定規(guī)律變化的鋼筋。圖6.11冷拔加工示意圖2011-09212.時效處理鋼材隨時間延長，強度、硬度提高，而塑性、韌性下降的現(xiàn)象稱為時效。

圖6.10鋼筋冷拉與時效前后應力-應變圖的變化2011-09223.熱處理熱處理是指將鋼材按一定規(guī)則加熱、保溫和冷卻，以改變其組織，從而獲得所需要的性能的一種工藝措施。常用的熱處理工藝有退火、正火、淬火和回火。2011-0923五、土木工程用鋼種類與選用1.土木工程用鋼主要鋼種（1）碳素結構鋼碳素結構鋼可分為4個牌號，即Q195，Q215，Q235，Q275。鋼的牌號由代表屈服點的字母、屈服強度數(shù)值、質量等級符號、脫氧方法符號等四部分按順序組成。例如：Q235AF表示屈服強度為235MPa的A級沸騰鋼。2011-0924碳素結構鋼的屈服強度和抗拉強度隨含碳量的增加而增高，伸長率則隨含碳量的增加而下降。碳素結構鋼的塑性較好，適宜于各種加工，在沖擊及適當超載的情況下也不會突然破壞；碳素結構鋼的化學性能穩(wěn)定，對軋制、加熱或驟冷的敏感性小。2011-0925（2）低合金高強度鋼低合金高強度結構鋼可分為8個牌號，即Q345，Q390，Q420，Q460，Q500，Q550，Q620，Q690。鋼的牌號由代表屈服點的字母、屈服強度數(shù)值、質量等級符號等三部分按順序組成。例如，Q345B表示屈服強度不小于345MPa，質量等級為B級的低合金高強度結構鋼。低合金高強度結構鋼具有較高的強度，同時還具有較好的塑性、韌性和可焊性。2011-09262.混凝土結構用鋼材

（1）熱軋鋼筋熱軋鋼筋由加熱鋼坯軋制而成。熱軋鋼筋按其表面特征可分為熱軋光圓鋼筋和熱軋帶肋鋼筋兩類。2011-0927（2）冷軋帶肋鋼筋冷軋帶肋鋼筋是熱軋圓盤條經冷軋后，其表面帶有沿長度方向均勻分布的三面或兩面橫肋的鋼筋。冷軋后強度明顯提高，但塑性隨之降低，強屈比變小。主要用于預應力鋼筋混凝土梁、預應力混凝土軌枕或其他各種預應力混凝土結構。2011-0928（3）預應力混凝土用鋼棒預應力混凝土用鋼棒是用低合金鋼熱軋圓盤條經冷加工后（或不經冷加工）淬火或回火所得。預應力混凝土用鋼棒強度高，錨固性好，預應力值穩(wěn)定；施工方便，開盤后鋼筋自然伸直，不需調直及焊接。2011-0929（4）預應力混凝土用鋼絲預應力混凝土用鋼絲是采用索氏體化盤條經冷拉或冷拉后消除應力處理而制得的高強度鋼絲。預應力混凝土用鋼絲強度高，柔性好。適用于大跨度屋架、吊車梁等大型構件的預應力結構。2011-0930（5）預應力混凝土用鋼絞線預應力混凝土用鋼絞線是由兩根、三根或七根鋼絲捻成一束而成。預應力混凝土用鋼絞線強度高，柔性好，與混凝土粘結性能好。多用于大型屋架、薄腹梁、大跨度橋梁等大負荷的預應力混凝土結構。2011-09313.鋼結構用鋼材鋼結構用鋼材主要有熱軋型鋼、冷彎薄壁型鋼、熱（冷）軋鋼板和鋼管等。（1）熱軋型鋼常用的熱軋型鋼有工字鋼、槽鋼、角鋼、L型鋼、H型鋼及T型鋼等。型鋼由于截面形式合理，材料在截面上的分布對受力有力，且構件間連接方便，所以它們是鋼結構采用的主要鋼材。2011-0932（2）冷彎薄壁型鋼冷彎薄壁型鋼通常由薄鋼板經冷彎或模壓而成，有空心薄壁型鋼和開口薄壁型鋼。冷彎薄壁型鋼由于壁薄，剛度好，能高效地發(fā)揮材料的作用，在同樣負荷下，可減輕構件質量、節(jié)約材料，通常用于輕型鋼結構。（3）鋼板材鋼板材包括鋼板、花紋鋼板、建筑用壓型鋼板和彩色涂層鋼板等。2011-0933六、鋼材的防護1.鋼材的防火為了避免高溫對鋼材力學性能的不利影響，在鋼結構中應采取防火措施加以預防，特別是對于大跨度鋼結構和高層建筑，一般采取包覆措施，其中包括設置防火板或涂刷防火涂料等。在鋼筋混凝土結構中，應保證鋼筋有一定厚度的保護層。2011-0934