第八章 建筑鋼材

第八章建筑鋼材主要內容第一節(jié)建筑鋼材的基本知識第二節(jié)建筑鋼材的性質第三節(jié)鋼材的冷加工、時效及焊接第四節(jié)建筑鋼材的標準及選用學習目標：了解鋁材的一般特性和應用；掌握鋼材的力學性質、工藝性質及其質量檢定方法；掌握鋼結構用鋼和混凝土結構用鋼，兩類建筑鋼材的技術性質和應用。鋼材的應用

第一節(jié)建筑鋼材的基本知識鋼材: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用:鋼結構—型鋼、鋼板、鋼管鋼筋混凝土結構—鋼筋、鋼絲、鋼絞線優(yōu)點:材質均勻、性能可靠、強度高、具有一定的塑性和韌性及承受沖擊和振動荷載的能力，可焊、鉚、栓接便于裝配鋼材的分類（一）按化學成分

1、碳素鋼:碳素鋼的化學成分主要是鐵，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）按冶煉時脫氧程度分類沸騰鋼：煉鋼時僅加入錳鐵進行脫氧，則脫氧不完全，代號為“Ｆ“。鎮(zhèn)靜鋼：煉鋼時采用錳鐵、硅鐵和鋁錠等作脫氧劑，脫氧完全，且同時能起去硫作用，代號為“Ｚ”。半鎮(zhèn)靜鋼：脫氧程度介于沸騰鋼和鎮(zhèn)靜鋼之間，為質量較好的鋼，其代號為“ｂ”。特殊鎮(zhèn)靜鋼：比鎮(zhèn)靜鋼脫氧程度還要充分徹底的鋼，故其質量最好，適用于特別重要的結構工程，代號為“TZ”。（三）按有害雜質含量分類接鋼中有害雜質磷（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)質鋼：磷含量不大于0.035%；硫含量不大于0.035%。高級優(yōu)質鋼：磷含量不大于0.025%；硫含量不大于0.015%。特級優(yōu)質鋼：磷含量不大于0.025%；硫含量不大于0.015%。鋼材的化學成分1、碳(C)—決定鋼材性能的主要元素隨著含碳量的增加，鋼材的強度和硬度相應提高，而塑性和韌性相應降低。當含碳量超過1%時，鋼材的極限強度開始下降。含碳量過高還會增加鋼的冷脆性和時效敏感性，降低抗大氣腐蝕性和可焊性。

鋼材的化學成分2、硅(Si)、錳(Mn)—有益元素當含量較低時（小于1%），可提高鋼材的強度，對塑性、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，表面不平整導致應力集中，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，產生體積膨脹，使混凝土順筋開裂。因此為了確保鋼材不產生腐蝕，必須采取防腐措施。防止鋼材腐蝕的方法1、保護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膜，如鋅、錫、鉻等。2、電化學保護法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濟有效的法

—提高混凝土的密實度和堿度保證鋼筋有足夠的保護層厚度建筑鋼材的性質1、強度2、彈性3、塑性4、沖擊韌性5、硬度

建筑鋼材的性質1、強度屈服強度（或稱屈服點）σs：中、高碳鋼沒有明顯的屈服點，通常以殘余變形為0.2%的應力σ0.2作為屈服強度。屈服強度對鋼材的使用有著重要的意義，當構件的實際應力達到屈服點時，將產生不可恢復的永久性變形，這在結構中是不允許的，therefore屈服強度是確定鋼材容許應力的主要依據(jù)

拉伸實驗低碳鋼拉伸應力應變曲線圖低碳鋼受拉的應力-應變圖ε建筑鋼材的性質1、強度極限抗拉強度σb

（或稱抗拉強度）鋼材在拉力的作用下能承受的最大拉應力屈強比σs／σb

工程意義:越小—結構可靠性越高，即防止結構破壞的潛力越大；太小—鋼材有效利用率太低疲勞強度（或稱疲勞極限）鋼材承受交變荷載106~107次而不發(fā)生破壞的最大主應力建筑鋼材的性質2、彈性鋼材在靜荷載作用下，應力和應變成正比具有這種變形特征的性質稱為彈性。在彈性階段中應力和應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算結構變形的重要指標。建筑鋼材的性質3、塑性伸長率δ:

指試件拉斷后，標距長度的增量與原標距長度之比，常用%表示。

δ越大，說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定其塑性、加工性能的要求，也是評定焊接質量的重要指標之一建筑鋼材的性質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。與鋼的化學成分、冶煉與加工有關:一般說，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降低沖擊韌性;還受溫度和時間的影響:當溫度降至某一溫度范圍時，ak

突然明顯下降，鋼材開始呈脆性斷裂，這種性質稱為冷脆性。建筑鋼材的性質5、硬度硬度:在表面局部體積內，抵抗其他較硬物體壓入產生塑性變形的能力通常與抗拉強度有一定的關系目前測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:將鋼材在常溫下進行冷拉、冷拔或冷軋，使產生塑性變形，從而提高屈服強度，這個過程稱為鋼材的冷加工強化。冷加工強化的原理：鋼材在塑性變形中晶格的缺陷增多，而缺陷的晶格嚴重畸變，對晶格的進一步滑移將起到阻礙作用，故鋼材的屈服點提高，塑性和韌性降低。由于塑性變形中產生內應力，故鋼材的彈性模量Ｅ降低。鋼筋冷拉曲線

工地或預制廠鋼筋混凝土施工中常利用這一原理，對鋼筋或低碳鋼盤條按一定制度進行冷拉或冷拔加工，以提高屈服強度。鋼材的時效鋼材隨時間的延長，強度、硬度提高，而塑性、韌性下降的現(xiàn)象稱為時效。自然時效:鋼材經冷加工后在常溫下擱置15~20天在自然條件下的時效人工時效:鋼材加熱至100~200℃保持2h以內，鋼材的屈服強度、抗拉強度及硬度都進一步提高，而塑性、韌性繼續(xù)降低完成時效過程。

冷拉以后再經過時效處理的鋼筋，其屈服點進一步提高，抗拉強度稍見增長，塑性繼續(xù)有所降低。由于時效過程中應力的消減，故彈性模量可基本恢復。

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間，再以一定的速度和方式進行冷卻，以使鋼材內部晶體組織和顯微結構按要求進行改變，或者消除鋼中的內應力，從而獲得人們所需求的機械力學性能，這一過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，并保持一定時間后，迅速置于水中或機油中冷卻，這個過程稱鋼材的淬火處理。鋼材經淬火后，強度和硬度提高，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，保溫一定時間后再緩慢地或較快地冷卻至室溫，這一過程稱為回火處理?；鼗鹂上摬拇慊饡r產生的內應力，使其硬度降低，恢復塑性和韌性。（３）退火退火是指將鋼材加熱至723℃以上某一溫度，保持相當時間后，在退火爐中緩慢冷卻。退火能消除鋼材中的內應力，細化晶粒，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，并保持相當長時間，然后在空氣中緩慢冷卻，則可得到均勻細小的顯微組織。鋼材正火后強度和硬度提高，塑性較退火為小建筑鋼材的標準及選用一、鋼結構用鋼材（1）碳素結構鋼按國家標準GB700-88規(guī)定，我國碳素結構鋼分五個牌號，即Ｑ195、Q215、Q235、Q255和Q275。各牌號鋼又按其硫、磷含量由多至少分為Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ四個質量等級。碳素結構鋼的牌號表示按順序由代表屈服點的字母（Q）、屈服點數(shù)值（Ｎ/mm2）、質量等級符號(A、B、C、D)、脫氧程度符號(F、B、Z、TZ)等四部分組成。例如Q235-A.F.，它表示：屈服點為235N／ｍｍ2的平爐或氧氣轉爐冶煉的Ａ級沸騰碳素結構鋼。當為鎮(zhèn)靜鋼或特殊鎮(zhèn)靜鋼時，則牌號表示“Ｚ”與“ＴZ”符號可予以省略。（2）低合金結構鋼在碳素鋼的基礎上，加入總量小于５％的合金元素煉成的鋼，稱為低合金高強度結構鋼，簡稱低合金結構鋼。常用的合金元素有硅、錳、鈦、釩、鉻、鎳、銅等。牌號由代表鋼材屈服強度的字母“Ｑ”、屈服強度數(shù)值、質量等級符號（Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ）三個部分按順序組成。例：Q295A，表示屈服強度為不小于295MPa，質量等級為Ａ級的低合金結構鋼。2.鋼筋混凝土結構用鋼

(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。其牌號由HRB和規(guī)定屈服強度最小值構成。Ｈ、Ｒ、Ｂ分別為熱軋、肋、鋼筋的英文名稱的第一個字母。（2）鋼筋混凝土用冷拉鋼筋為了提高鋼筋的強度及節(jié)約鋼筋，工地上常按施工規(guī)程，控制一定的冷拉應力或冷拉率，對熱軋鋼筋進行冷拉。冷拉鋼筋的力學性能應符合規(guī)范規(guī)定的要求。冷拉后不得有裂紋、起層等現(xiàn)象。（3）預應力混凝土用熱處理鋼筋預應力混凝土用熱處理鋼筋是用Φ8、Φ10（㎜）的熱軋帶肋鋼筋經淬火和回火等調質處理而成，代號為ＲＢ１５０預應力混凝土用熱處理鋼筋的優(yōu)點是：強度高，可代替高強鋼絲使用；配筋根數(shù)少，節(jié)約鋼材；錨固性好，不易打滑，預應力值穩(wěn)定；施工簡便，開盤后鋼筋自然伸直，不需調直及焊接。主要用于預應力鋼筋混凝土軌枕，也用于預應力梁、板結構及吊車梁等。（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品，是一種新型高效建筑鋼材。冷軋帶肋鋼筋按抗拉強度分為5級，其代號為CRB550、CRB650、CRB800、CRB970、和CRB1170，（CRB為Coldrollingribbedsteelbar)，后面的數(shù)字表示鋼筋抗拉強度等級數(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熱軋盤條鋼筋經冷拔加工而成。冷拔低碳鋼絲分為甲、乙兩級，甲級絲適用于作預應力筋，乙級絲適用于作焊接網(wǎng)、焊接骨架、箍筋和構造鋼筋。其力學性能應符合有關規(guī)定。（6）預應力混凝土用鋼絲及鋼絞線大型預應力混凝土構件，由于受力很大，常采用高強度鋼絲或鋼絞線作為主要受力鋼筋。預應力高強度鋼絲是用優(yōu)質碳素結構鋼盤條，經酸洗、冷拉或再經回火處理等工藝制成，鋼鉸線是由７根直徑為2.5～5.0㎜的高強度鋼絲，鉸捻后經一定熱處理清除內應力而制成。鉸捻方向一般為左捻。預應力混凝土用鋼絲分為冷拉鋼絲（代號Ｌ）、矯直回火鋼絲（代號Ｊ）和矯直回火刻痕鋼絲（代號JK）三種。前二種其公稱直徑有３、４㎜、５㎜三種，它們的抗拉強度σb達1500MPa以上，屈服強度σ0.2可達1100MPa以上。預應力混凝土用鋼絞線直徑有9.0㎜、12.0㎜和15.0㎜三種，整根破壞負荷可達220kN，屈服負荷可達187kN。鋼絞線主要用于大跨度、大負荷的后張法預應力屋架、橋梁和薄腹梁等結構的預應力筋。例1從一批鋼筋中抽樣，并截取兩根鋼筋做拉伸試驗，測得如下結果：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，標距為60ｍｍ，拉斷時長度分別為70.6和71.4mm,評定其級別？說明其利用率及使用中安全可靠程度。解：1. 鋼筋試樣屈服點為：鋼筋試樣抗拉強度為：σb=(548+561)÷2=555N/mm2鋼筋試樣伸長率為：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,鋼筋試樣伸長率均大于16%故該鋼筋為II級鋼。2.該鋼筋的屈強比為：

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