《建筑材料》第六章建筑鋼材

1、6 建筑鋼材建筑鋼材本章概述了鋼材的冶煉、加工及分類方法。重點介紹了鋼材的力學(xué)性能、工藝性能及現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范對鋼材的性能及技術(shù)要求。闡述了鋼的化學(xué)成分及所含合金元素等對鋼材性能的影響。介紹了碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼的牌號表示方法、技術(shù)要求及各類牌號鋼材的性能和用途。論述了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)采用的主要鋼材品種及特點。 本章提要本章提要 本本 章章 內(nèi)內(nèi) 容容6.1 鋼的冶煉和分類鋼的冶煉和分類6.2 鋼材的主要性能鋼材的主要性能6.3 建筑鋼材的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及建筑鋼材的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及選用選用6.1 鋼的冶煉和分類鋼的冶煉和分類鋼是由生鐵冶煉而成的。鋼和鐵都是鐵碳合金，鋼的含碳量在2%以下，而生鐵的含碳量

2、大于2%。另外鋼中的雜質(zhì)含量也少于生鐵。鋼的冶煉就是將熔融的生鐵進(jìn)行氧化，使碳的含量降低到規(guī)定范圍，其他雜質(zhì)含量也降低到允許范圍之內(nèi)。 1 鋼的冶煉鋼的冶煉高爐熔融精煉根據(jù)煉鋼設(shè)備所用爐種不同，煉鋼方法主要可分為平爐煉鋼、氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼、電爐煉鋼三種。(1)平爐煉鋼它以熔融狀或固體狀生鐵、鐵礦石或廢鋼鐵為原料，以煤氣或重油為燃料。利用鐵礦石中的氧或鼓入空氣中的氧使雜質(zhì)氧化?？捎糜跓捴苾?yōu)質(zhì)碳素鋼和合金鋼等。 (2)氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼以熔融的鐵水為原料，由轉(zhuǎn)爐頂部吹入高純度氧氣，能有效地去除有害雜質(zhì)，并且冶煉時間短(2040min)，生產(chǎn)效率高，所以氧氣轉(zhuǎn)爐鋼質(zhì)量好，成本低，應(yīng)用廣泛。(3)電爐煉鋼以電為

3、能源迅速將廢鋼、生鐵等原料熔化，并精煉成鋼。電爐又分為電弧爐、感應(yīng)爐和電渣爐等。 冶煉后的鋼水中含有以FeO形式存在的氧，F(xiàn)eO與碳作用生成CO氣泡，并使某些元素產(chǎn)生偏析(分布不均勻)，影響鋼的質(zhì)量。所以必須進(jìn)行脫氧處理，方法是在鋼水中加入錳鐵、硅鐵或鋁等脫氧劑。 根據(jù)脫氧程度的不同，鋼可分為沸騰鋼、鎮(zhèn)靜鋼和半鎮(zhèn)靜鋼三種。 (1)沸騰鋼F是脫氧不完全的鋼，鋼材質(zhì)量差。(2)鎮(zhèn)靜鋼Z是脫氧充分的鋼，鋼材質(zhì)量好。(3)半鎮(zhèn)靜鋼其脫氧程度和質(zhì)量介于上述兩者之間。建筑鋼材是將鋼坯加熱后經(jīng)軋制而成的。 2 鋼的分類鋼的分類6.2 鋼材的主要性能鋼材的主要性能由低碳鋼在拉伸過程中形成的應(yīng)力()-應(yīng)變()關(guān)

4、系圖(圖6.1)可知，低碳鋼受拉過程可劃分為以下4個階段。(1)彈性階段(OA) (2)屈服階段(AB)(3)強化階段(BC) (4)頸縮階段(CD) 1 抗拉性能抗拉性能圖6.1 低碳鋼受拉的應(yīng)力-應(yīng)變圖 (1)彈性階段(OA)在OA范圍內(nèi)應(yīng)力與應(yīng)變成正比例關(guān)系，如果卸去外力，試件則恢復(fù)原來的形狀，這個階段稱為彈性階段。彈性階段的最高點A所對應(yīng)的應(yīng)力值稱為彈性極限p。當(dāng)應(yīng)力稍低于A點時，應(yīng)力與應(yīng)變呈線性正比例關(guān)系，其斜率稱為彈性模量，用E表示，E=/。 (2)屈服階段(AB)當(dāng)應(yīng)力超過彈性極限p后，應(yīng)力和應(yīng)變不再成正比關(guān)系，應(yīng)力在B上至B下小范圍內(nèi)波動，而應(yīng)變迅速增長。在-關(guān)系圖上出現(xiàn)了一個

5、接近水平的線段。如果卸去外力已出現(xiàn)塑性變形，AB稱為屈服階段。B下所對應(yīng)的應(yīng)力值稱為屈服極限s。 (3)強化階段(BC)當(dāng)應(yīng)力超過屈服強度后，由于鋼材內(nèi)部組織產(chǎn)生晶格扭曲、晶粒破碎等原因，阻止了塑性變形的進(jìn)一步發(fā)展，鋼材抵抗外力的能力重新提高。在-關(guān)系圖上形成BC段的上升曲線，這一過程稱為強化階段。對應(yīng)于最高點C的應(yīng)力稱為抗拉強度，用b表示，它是鋼材所能承受的最大應(yīng)力。 (4)頸縮階段(CD)當(dāng)應(yīng)力達(dá)到抗拉強度b后，在試件薄弱處的斷面將顯著縮小，塑性變形急劇增加，產(chǎn)生“頸縮”現(xiàn)象并很快斷裂。將斷裂后的試件拼合起來，量出標(biāo)距兩端點間的距離，按下式計算出伸長率： 100100%LLLd0L0L1沖

6、擊韌性指鋼材抵抗沖擊荷載的能力。它是用試驗機擺錘沖擊帶有V形缺口的標(biāo)準(zhǔn)試件的背面，將其折斷后試件單位截面積上所消耗的功，作為鋼材的沖擊韌性指標(biāo)，以k表示(J/cm2)。k值越大，表明鋼材的沖擊韌性愈好(如圖6.2)。影響鋼材沖擊韌性的因素很多，鋼的化學(xué)成分、組織狀態(tài)，以及冶煉、軋制質(zhì)量都會影響沖擊韌性。 2 沖擊韌性沖擊韌性圖6.2 沖擊韌性試驗圖 (a)試件尺寸；(b)試驗裝置；(c)試驗機 1擺錘；2試件；3試驗臺；4刻度盤；5指針 鋼材在交變應(yīng)力的反復(fù)作用下，往往在應(yīng)力遠(yuǎn)小于其抗拉強度時就發(fā)生破壞，這種現(xiàn)象稱為疲勞破壞。疲勞破壞的危險應(yīng)力用疲勞極限來表示，它是指疲勞試驗時試件在交變應(yīng)力作

7、用下，于規(guī)定周期基數(shù)內(nèi)不發(fā)生斷裂所能承受的最大應(yīng)力。 一般認(rèn)為，鋼材的疲勞破壞是由拉應(yīng)力引起的，抗拉強度高，其疲勞極限也較高。鋼材的疲勞極限與其內(nèi)部組織和表面質(zhì)量有關(guān)。 3 疲勞強度疲勞強度硬度是指鋼材抵抗較硬物體壓入產(chǎn)生局部變形的能力。測定鋼材硬度常用布氏法。布氏法是用一直徑為D的硬質(zhì)鋼球，在荷載P(N)的作用下壓入試件表面，經(jīng)規(guī)定的時間后卸去荷載，用讀數(shù)放大鏡測出壓痕直徑d，以壓痕表面積(mm2)除荷載P，即為布氏硬度值HB。HB值越大，表示鋼材越硬。如圖6.3。 4 硬度硬度圖6.3 布氏硬度測定示意圖 冷彎性能是指鋼材在常溫下承受彎曲變形的能力，是建筑鋼材的重要工藝性能。鋼材的冷彎性能

8、指標(biāo)是用彎曲角度和彎心直徑對試件厚度(直徑)的比值來衡量的。試驗時采用的彎曲角度愈大，彎心直徑對試件厚度(直徑)的比值愈小，表示對冷彎性能的要求愈高。如圖6.4所示鋼材的冷彎性能和伸長率都是塑性變形能力的反映。 5 冷彎性能冷彎性能圖6.4 鋼材冷彎 (a)試樣安裝；(b)彎曲90；(c)彎曲180；(d)彎曲至兩面重合；(e)規(guī)定彎心 鋼材經(jīng)冷加工產(chǎn)生一定塑性變形后，其屈服強度、硬度提高，而塑性、韌性及彈性模量降低，這種現(xiàn)象稱為冷加工強化。 鋼材的冷加工方式有冷拉、冷拔和冷軋。以鋼筋的冷拉為例(圖6.5)，圖中OBCD為未經(jīng)冷拉時的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。 6 鋼材的冷加工強化及時效鋼材的冷加工強化

9、及時效時效 經(jīng)冷拉的鋼材隨時間延長強度提高,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（經(jīng)冷拉的鋼材在常溫下存放15-20天）和人工時效（經(jīng)冷拉的鋼材在加熱至100-200，并保持一段時間）。圖6.5 鋼筋經(jīng)冷拉時效后應(yīng)力-應(yīng)變圖的變化 冷拔是將外形為光圓的盤條鋼筋從硬質(zhì)合金拔絲?？字袕娦欣?如圖6.6)，由于?？字睆叫∮阡摻钪睆剑摻钤诎沃七^程中既受拉力又受擠壓力，使強度大幅度提高但塑性顯著降低。 圖6.6 冷拔?？?1）可提高強度，冷拉后屈服強度可提高20-30%，時效處理后還可使抗拉強度提高。2）可節(jié)約鋼材20-30%。3）對于受動荷載或經(jīng)常處于高溫條件工作的鋼結(jié)構(gòu)，如橋梁

10、、鋼軌、鍋爐等，為避免過大脆性，出現(xiàn)突然斷裂，要求采用時效敏感小的鋼材。 (1)碳是決定鋼材性能的主要元素。如圖6.7所示，隨著含碳量的增加，鋼的強度和硬度提高，塑性和韌性下降。但當(dāng)含碳量大于1.0%時，由于鋼材變脆，強度反而下降。(2)硅、錳 加入硅和錳可以與鋼中有害成分FeO和FeS分別形成SiO2、MnO和MnS而進(jìn)入鋼渣排出，起到脫氧、降硫的作用。 7 鋼的化學(xué)成分對鋼材性能的影響鋼的化學(xué)成分對鋼材性能的影響圖6.7 含碳量對熱軋?zhí)妓劁撔再|(zhì)的影響 b抗拉強度；k沖擊韌性；HB硬度；伸長率；面積縮減率 (3)硫、磷 硫不溶于鐵而以FeS的形式存在，F(xiàn)eS和Fe形成低熔點的共晶體。當(dāng)鋼材溫

11、度升至1000以上進(jìn)行熱加工時，共晶體熔化，晶粒分離，使鋼材沿晶界破裂，這種現(xiàn)象叫做熱脆性。磷能使鋼的強度、硬度提高，但顯著降低鋼材的塑性和韌性，特別是低溫狀態(tài)的沖擊韌性下降更為明顯，使鋼材容易脆裂，這種現(xiàn)象叫做冷脆性。 (4)氧、氮未除盡的氧、氮大部分以化合物的形式存在，如FeO、Fe4N等。這些非金屬化合物、夾雜物降低了鋼材的強度、冷彎性能和焊接性能。氧還使鋼的熱脆性增加，氮使冷脆性及時效敏感性增加。（硫、磷、氧、氮是鋼材中的有害雜質(zhì)）(5)鈦、釩、鈮是鋼的強脫氧劑和合金元素。能改善鋼的組織、細(xì)化晶粒、改善韌性，并顯著提高強度。 6.3 建筑鋼材的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及選用建筑鋼材的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及選用建筑

12、工程中需要消耗大量的鋼材，按用于不同的工程結(jié)構(gòu)類型可分為：鋼結(jié)構(gòu)用鋼，如各種型鋼、鋼板、鋼管等；鋼筋混凝土工程用鋼，如各種鋼筋和鋼絲。從材質(zhì)上分主要有碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼，也用到優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。 碳素結(jié)構(gòu)鋼，化學(xué)成分主要是鐵，其次是碳，故也稱鐵-碳合金。其含碳量為0.02%2.06%，此外尚含有少量的硅、錳和微量的硫、磷等元素?，F(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)碳素結(jié)構(gòu)鋼(GB 7002006)具體規(guī)定了它的牌號表示方法、技術(shù)要求、試驗方法、檢驗規(guī)則等。 1 碳素結(jié)構(gòu)鋼碳素結(jié)構(gòu)鋼碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號由代表屈服點的字母、屈服點數(shù)值、質(zhì)量等級符號、脫氧程度符號四部分按順序組成。碳素結(jié)構(gòu)鋼可分為Q195、Q215、Q23

13、5、Q255和Q275五個牌號。其他各符號含義見表6.1。如Q235AF，表示屈服強度為235MPa，質(zhì)量等級為A級的沸騰鋼。Q255B，表示屈服強度為255MPa，質(zhì)量等級為B級的鎮(zhèn)靜鋼。 1） 碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號表示方法碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號表示方法表表6.1 名稱符號 名稱符號 屈服強度質(zhì)量等級沸騰鋼 QA、B、C、DF 半鎮(zhèn)靜鋼鎮(zhèn)靜鋼特殊鎮(zhèn)靜鋼 BZTZ 碳素結(jié)構(gòu)鋼的化學(xué)成分、拉伸和沖擊韌性、彎曲性能分別符合表6.2、表6.3、表6.4的要求。 2） 技術(shù)要求技術(shù)要求表表6.2 碳素結(jié)構(gòu)鋼的化學(xué)成分碳素結(jié)構(gòu)鋼的化學(xué)成分(GB 7002006) 表表6.3 碳素結(jié)構(gòu)鋼的拉伸、沖擊性能碳素結(jié)構(gòu)鋼的

14、拉伸、沖擊性能(GB 7002006) 表表6.4 碳素結(jié)構(gòu)鋼的冷彎試驗碳素結(jié)構(gòu)鋼的冷彎試驗(GB 7002006) 牌號試樣方向冷彎試驗B=2a，160 鋼材厚度(直徑)(mm)6060100100120彎心直徑d Q195 縱橫00.5aQ215縱橫0.5aa1.5a2a2a2.5aQ235縱橫a1.5a2a2.5a2.5a3aQ255Q275 2a3a3a4a3.5a4.5a碳素結(jié)構(gòu)鋼隨牌號的增大，含碳量增加，其強度和硬度提高，塑性和韌性降低，冷彎性能逐漸變差。Q195、Q215號鋼強度低，塑性和韌性較好，易于冷加工，常用于軋制薄板和盤條，制造鋼釘、鉚釘、螺栓及鐵絲等。 Q215號鋼經(jīng)冷

15、加工后可代替Q235號鋼使用。 3） 碳素結(jié)構(gòu)鋼的選用碳素結(jié)構(gòu)鋼的選用Q235號鋼是建筑工程中應(yīng)用最廣泛的鋼，屬低碳鋼，具有較高的強度，良好的塑性、韌性及可焊性，綜合性能好，能滿足一般鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土用鋼要求，且成本較低，大量被用作軋制各種型鋼、鋼板及鋼筋。 Q255、Q275號鋼強度較高，但塑性、韌性較差，可焊性也差，不易焊接和冷彎加工，可用于軋制鋼筋、作螺栓配件等，但更多用于機械零件和工具等。 一般是在普通碳素鋼的基礎(chǔ)上，添加少量的一種或幾種合金元素而成。常用的合金元素有硅、錳、釩、鈦、鈮、鉻、鎳及稀土元素。其目的是為了提高鋼的屈服強度、抗拉強度、耐磨性、耐蝕性及耐低溫性能等。低合金高強

16、度結(jié)構(gòu)鋼綜合性能較為理想，尤其在大跨度、承受動荷載和沖擊荷載的結(jié)構(gòu)中更適用，而且與使用碳素鋼相比，可節(jié)約鋼材20%30%，但成本并不很高。 2 低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼共有5個牌號。其牌號的表示方法由屈服點字母Q、屈服點數(shù)值、質(zhì)量等級三個部分組成，屈服點數(shù)值共分295MPa、345MPa、390MPa、420MPa、460MPa五種，質(zhì)量等級按照硫、磷等雜質(zhì)含量由多到少分為A、B、C、D、E五級，均為鎮(zhèn)靜鋼。 如Q345A表示屈服點為345MPa的A級鋼。 1） 低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼的牌號表示方法低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼的牌號表示方法執(zhí)行GB15911994 低合金高強度

17、結(jié)構(gòu)鋼的規(guī)定，其化學(xué)成分應(yīng)符合表6.5的要求，力學(xué)性能和冷彎性能應(yīng)符合表6.6的要求。 2） 低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼的技術(shù)要求低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼的技術(shù)要求表表6.5 低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼的化學(xué)成分低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼的化學(xué)成分 表表6.6 低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼的力學(xué)性能和冷彎性能低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼的力學(xué)性能和冷彎性能 Q295號鋼中含有少量的合金元素，強度不高，但有良好的塑性、冷彎性能、焊接性能及耐蝕性能。主要用于建筑工程中對強度要求不高的一般工程結(jié)構(gòu)。Q345、Q390號鋼綜合力學(xué)性能好，焊接性能、冷熱加工性能和耐蝕性能均好，C、D、E級鋼具有良好的低溫韌性。主要用于工程中承受較高荷載的焊接結(jié)構(gòu)。Q4

18、20、Q460號鋼強度高，特別是在熱處理后有較高的綜合力學(xué)性能。主要用于大型工程結(jié)構(gòu)及荷載大的輕型結(jié)構(gòu)。3） 低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼的性能和應(yīng)用低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼的性能和應(yīng)用鋼筋按外形分為光圓鋼筋和帶肋鋼筋。光圓鋼筋的橫截面為圓形，且表面光滑。帶肋鋼筋表面上有兩條對稱的縱肋和沿長度方向均勻分布的橫肋。橫肋的縱橫面呈月牙形且與縱肋不相交的鋼筋稱為月牙肋鋼筋；橫肋的縱橫面高度相等且與縱肋相交的鋼筋稱為等高肋鋼筋。如圖6.6。 3 鋼筋混凝土用鋼筋、鋼絲鋼筋混凝土用鋼筋、鋼絲1） 鋼筋混凝土用熱軋鋼筋鋼筋混凝土用熱軋鋼筋圖6.6 (a)等高肋鋼筋；(b)月牙肋鋼筋 (1)熱軋鋼筋的牌號表示方法與技術(shù)要求

19、根據(jù)鋼筋混凝土用熱軋光圓鋼筋(GB 130131991)及鋼筋混凝土用熱軋帶肋鋼筋(GB 14991998)的規(guī)定，熱軋光圓鋼筋的牌號為HPB235，其力學(xué)性能和工藝性能應(yīng)符合表6.7的要求。熱軋帶肋鋼筋的牌號由HRB和屈服點最小值表示。熱軋帶肋鋼筋有HRB335、HRB400、HRB500三個牌號，其力學(xué)性能和工藝性能應(yīng)符合表6.7的要求。 表表6.7 熱軋鋼筋的力學(xué)性能和工藝性能熱軋鋼筋的力學(xué)性能和工藝性能 HPB235(2)熱軋鋼筋的應(yīng)用 熱軋光圓鋼筋的強度較低，但塑性及焊接性能很好，便于各種冷加工，因而廣泛用作普通鋼筋混凝土構(gòu)件的受力筋及各種鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的構(gòu)造筋；HRB335和HRB

20、400鋼筋強度較高，塑性和焊接性能也較好，故廣泛用作大、中型鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的受力鋼筋；HRB500鋼筋強度高，但塑性和焊接性能較差，可用作預(yù)應(yīng)力鋼筋。冷軋帶肋鋼筋是低碳鋼熱軋圓盤條經(jīng)冷軋后，在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。(1)冷軋帶肋鋼筋的牌號表示方法與技術(shù)要求根據(jù)冷軋帶肋鋼筋(GB 137882000)的規(guī)定，冷軋帶肋鋼筋的牌號由CRB和抗拉強度最小值表示，有CRB550、CRB650、CRB800、CRB970、CRB1170五個牌號，其力學(xué)性能和工藝性能應(yīng)符合表6.6的規(guī)定。2） 冷軋帶肋鋼筋冷軋帶肋鋼筋表表6.6 冷軋帶肋鋼筋的力學(xué)性能和工藝性能冷軋帶肋鋼筋的力

21、學(xué)性能和工藝性能(GB 137662000) 牌號 抗拉強度b(MPa) 伸長率(%) 彎曲試驗160反復(fù)彎曲次數(shù)松弛率(初始應(yīng)力con=0.7b) 101001000h(%)10h(%)CRB550 5506.0CRB650650 4.0365CRB6006004.0365CRB9709704.0365CRB117011704.0365(2)冷軋帶肋鋼筋的應(yīng)用冷軋帶肋鋼筋既具有冷拉鋼筋強度高的特點，同時又具有很強的握裹力，混凝土對冷軋帶肋鋼筋的握裹力是同直徑冷拔低碳鋼絲的36倍，大大提高了構(gòu)件的整體強度和抗震能力。這種鋼筋適用于中、小型預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件和普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件。 (1)分類及代號根據(jù)預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絲(GB/T 52232002)的規(guī)定，預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絲按加工狀態(tài)分為冷拉鋼絲(代號為WCD)和消除應(yīng)力鋼絲兩類。消除應(yīng)力鋼絲按松弛性能又分為低松弛級鋼絲(代號為WLR)和普通松弛級鋼絲(代號為WNR)。冷拉鋼絲是用盤條通過拔絲模或軋輥經(jīng)冷加工而成產(chǎn)品，以盤卷供貨的鋼絲。4） 預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絲預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絲低松弛鋼絲是指鋼絲在塑性變形下(軸應(yīng)變)進(jìn)行短時熱處理而得到的，普通松弛鋼絲是指鋼絲通過矯直工序后在適當(dāng)溫度下進(jìn)行短時熱處理而得到的。預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絲按外形