《建筑材料》第8章 建筑鋼材

第8章建筑鋼材本章內(nèi)容§8.1鋼材的基本知識(shí)§8.2

建筑鋼材的主要技術(shù)性能§8.3鋼材的冷加工和熱處理§8.4常用建筑鋼材§8.5鋼材的腐蝕和防止§8.6

鋼材的防火

§8.1

鋼材的基本知識(shí)寶鋼集團(tuán)有限公司

鋼材：理論上，把含碳量小于2.06%，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。種類：

鋼結(jié)構(gòu)用的各種型鋼(圓鋼、角鋼、槽鋼和工字鋼)

鋼板鋼筋混凝土用的各種鋼筋、鋼絲和鋼鉸線用作門窗和建筑五金等鋼材一、鋼及其特點(diǎn)特點(diǎn)：強(qiáng)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。應(yīng)用：廣泛用于大跨度結(jié)構(gòu)、多層及高層建筑、受動(dòng)力荷載結(jié)構(gòu)和重型工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)；廣泛用于鋼筋混凝土之中，因此建筑鋼材是最重要的建筑結(jié)構(gòu)材料之一。鳥巢二、建筑鋼材的主要品種

型材線材管材板材1.型材

簡(jiǎn)單截面型鋼：圓鋼、方鋼、六角鋼、八角鋼等；

復(fù)雜截面型鋼：工字鋼、H型鋼、角鋼、槽鋼等。C型鋼、Z型鋼(a)工字鋼(b)槽鋼(c)等邊角鋼(d)不等邊角鋼圖6.01幾種常用熱軋型鋼截面示意圖2.線材如鋼筋、鋼絲、鋼鉸線等。3.管材無縫鋼管、焊接鋼管等。4.板材三、鋼材的冶煉（1）定義根據(jù)所煉鋼種的要求把生鐵中的含碳量去除到規(guī)定范圍，并使其它元素的含量減少或增加到規(guī)定范圍的過程。

簡(jiǎn)而言之，即對(duì)生鐵降碳、去硫磷、調(diào)硅錳含量的過程。（2）工藝（3）方法

按照煉鋼爐的種類，煉鋼方法可分為：空氣轉(zhuǎn)爐煉鋼法一般煉制普通碳素鋼氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼法煉制優(yōu)質(zhì)碳素鋼和合金鋼平爐煉鋼法煉制優(yōu)質(zhì)碳素鋼、合金鋼或有特殊要求的專用鋼電爐煉鋼法轉(zhuǎn)爐煉鋼四、鋼的分類1.按化學(xué)成分分類

在建筑工程中，主要用的是低碳鋼，中碳鋼，低合金鋼。2.按有害雜質(zhì)含量分類

（1）普通鋼。硫含量≤0.050%，磷含量≤0.045%。

（2）優(yōu)質(zhì)鋼。硫含量≤0.035%，磷含量≤0.035%。

（3）高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼。硫含量≤0.030%，磷含量≤0.030%。

（4）特級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼。硫含量≤0.025%，磷含量≤0.020%。

建筑中常用普通鋼，有時(shí)也用優(yōu)質(zhì)鋼。沸騰鋼代號(hào)為“F”。沸騰鋼組織不夠致密，雜質(zhì)和夾雜物多，硫、磷等雜質(zhì)偏析較嚴(yán)重，故質(zhì)量較差。但其生產(chǎn)成本低、產(chǎn)量高、可廣泛用于一般的建筑工程。鎮(zhèn)靜鋼代號(hào)為“Z”(亦可省略不寫)。鎮(zhèn)靜鋼雖成本較高，但其組織致密，成分均勻，性能穩(wěn)定，故質(zhì)量好。適用于預(yù)應(yīng)力混凝土等重要結(jié)構(gòu)工程。特殊鎮(zhèn)靜鋼比鎮(zhèn)靜鋼脫氧程度更充分徹底的鋼，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”(亦可省略不寫)。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”。3.根據(jù)冶煉時(shí)脫氧程度分類4.根據(jù)用途分類結(jié)構(gòu)鋼主要用作工程結(jié)構(gòu)構(gòu)件及機(jī)械零件的鋼。工具鋼主要用作各種量具、刀具及模具的鋼。特殊鋼具有特殊物理、化學(xué)或機(jī)械性能的鋼，如不銹鋼、耐酸鋼和耐熱鋼等。

建筑工程上常用的是結(jié)構(gòu)鋼

§8.2

建筑鋼材的主要技術(shù)性能

建筑鋼材的技術(shù)性能力學(xué)性能工藝性能化學(xué)性能拉伸性能沖擊韌性疲勞強(qiáng)度硬度焊接性能冷彎性能一、力學(xué)性能（一）拉伸性能拉伸性能是建筑鋼材最主要的技術(shù)性能。通過拉伸試驗(yàn)可以測(cè)得屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率，這些是鋼材的重要技術(shù)性能指標(biāo)。1.低碳鋼的拉伸性能鋼材的拉伸演示過程以低碳鋼為例L0F1F1F2F2F3F3d0L0=5d0或10d0ΔL1ΔL2（1）拉伸試驗(yàn)過程

OA為彈性階段。在OA范圍內(nèi)，隨著荷載的增加，應(yīng)變隨應(yīng)力成正比增加。如卸去荷載，試件將恢復(fù)原狀，表現(xiàn)為彈性變形，與A點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為彈性極限，用σP表示。在OA范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變的比值為一常量，稱為彈性模量，用E表示，即α試驗(yàn)表現(xiàn)：該階段在材料萬能試驗(yàn)機(jī)上表現(xiàn)為指針不動(dòng)(即使加大送油)或來回窄幅搖動(dòng)。圖形的特點(diǎn)：一條波動(dòng)的曲線，應(yīng)力增加很小，而應(yīng)變?cè)黾雍艽蟆Ｔ嚰奶攸c(diǎn)：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。計(jì)算指標(biāo)：屈服強(qiáng)度（也叫屈服點(diǎn)）

（C下點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力）

鋼材受力達(dá)屈服點(diǎn)后，變形即迅速發(fā)展，盡管尚未破壞但已不能滿足使用要求。故設(shè)計(jì)中一般以屈服點(diǎn)作為強(qiáng)度取值依據(jù)。圖形的特點(diǎn)：一段上升的曲線。試件的特點(diǎn)：抵抗塑性變形的能力又重新提高——強(qiáng)化。計(jì)算的指標(biāo)：抗拉強(qiáng)度（D點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力）。

抗拉強(qiáng)度不能直接利用，但屈服點(diǎn)與抗拉強(qiáng)度的比值(即屈強(qiáng)比)，能反映鋼材的安全可靠程度和利用率。屈強(qiáng)比越小，表明材料的安全性和可靠性越高，結(jié)構(gòu)越安全。屈強(qiáng)比過小，則鋼材有效利用率太低，造成浪費(fèi)。圖形的特點(diǎn)：一段下降的曲線。試件的特點(diǎn)：變形迅速發(fā)展，在有雜質(zhì)或缺陷處，斷面急劇縮小——頸縮，直到斷裂。計(jì)算的指標(biāo)：伸長(zhǎng)率δ（2）拉伸過程的參數(shù)強(qiáng)度指標(biāo)：

屈服強(qiáng)度

抗拉強(qiáng)度（A0—鋼筋的公稱橫截面積）塑性指標(biāo)（伸長(zhǎng)率）：

通常鋼材拉伸試件取l0=5d0或l0=10d0，對(duì)應(yīng)的伸長(zhǎng)率分別記為δ5和δ10

，對(duì)于同一鋼材，δ5≥δ10

。

某鋼筋試件直徑為25mm，原標(biāo)距為125mm。進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，測(cè)得下列數(shù)據(jù)：屈服點(diǎn)荷載為201.0kN，斷裂時(shí)的最大荷載為250.3kN，拉斷后標(biāo)距范圍內(nèi)的長(zhǎng)度變?yōu)?38mm。求該鋼筋的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及伸長(zhǎng)率。例題（1）屈服強(qiáng)度：（201.0×103）÷（1/4×П×252）

=409.7MPa（2）抗拉強(qiáng)度：（250.3×103）÷（1/4×П×252）

=510.2MPa（3）伸長(zhǎng)率：（138-125）÷125×100%=10.4%解2.高碳鋼（硬鋼）的拉伸性能

硬鋼強(qiáng)度高，塑性差，拉伸過程無明顯屈服階段，無法直接測(cè)定屈服強(qiáng)度。用條件屈服強(qiáng)度來代替屈服強(qiáng)度。條件屈服點(diǎn)：使硬鋼產(chǎn)生0.2%塑性變形時(shí)的應(yīng)力。見左圖。二、沖擊韌性定義：鋼材抵抗沖擊荷載的能力。試驗(yàn)：以標(biāo)準(zhǔn)擺錘沖擊刻槽試件的背面，使試件受到?jīng)_擊后發(fā)生斷裂，斷裂后缺口處單位截面上所消耗的功。

化學(xué)成分例如：S、P含量的增加，沖擊韌性降低。冶煉及軋制質(zhì)量冶煉和加工質(zhì)量越高，沖擊韌性越低。溫度隨溫度的降低，沖擊韌性下降。注：對(duì)于直接承受動(dòng)荷載，而且可能在負(fù)溫下工作的重要結(jié)構(gòu)，必須按有關(guān)規(guī)范要求，進(jìn)行鋼材的沖擊韌性檢驗(yàn)。鋼材的沖擊韌性與溫度的關(guān)系影響因素：定義：指鋼材在常溫下承受彎曲變形的能力。考核指標(biāo)：彎心直徑d=na(a為試件的直徑或厚度；n為自然數(shù)，其大小由試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)來規(guī)定)彎曲角度(90о或180о)合格標(biāo)準(zhǔn)：彎曲處若無裂紋、斷裂及起層等現(xiàn)象，即認(rèn)為冷彎試驗(yàn)合格。三、工藝性能1.冷彎性能

建筑工程中，鋼材間的連接90%以上采用焊接方式。因此，要求鋼材應(yīng)有良好的焊接性能。

可焊性是指鋼材在一定焊接工藝條件下，在焊縫及其附近過熱區(qū)是否產(chǎn)生裂縫及脆硬傾向，焊接后接頭強(qiáng)度是否與母體相近的性能。定義：2.焊接性能

含碳量小于0.3%的碳素鋼具有良好的可焊性，超過0.3%，可焊性變差；硫含量過高，可焊性變差；其他雜質(zhì)含量多時(shí)，也會(huì)降低可焊性。

對(duì)于可焊性較差的鋼材，為改善焊接質(zhì)量，一般須要采用焊前預(yù)熱和焊后熱處理，以保證質(zhì)量。

影響因素：

鋼材焊接后必須取樣進(jìn)行焊接質(zhì)量檢驗(yàn)，一般包括拉伸試驗(yàn)，有些焊接種類還包括了彎曲試驗(yàn)。可焊性的檢測(cè)試驗(yàn)：可焊性的判定依據(jù)：

試件經(jīng)拉伸后，要求斷裂不能發(fā)生在焊接處。同時(shí)還要檢查焊縫處有無裂紋、砂眼和焊件變形等缺陷。8.3鋼材的冷加工和熱處理1.冷加工強(qiáng)化處理冷加工強(qiáng)化處理是鋼材在常溫下，以超過其屈服點(diǎn)但不超過抗拉強(qiáng)度的應(yīng)力對(duì)其進(jìn)行的加工。冷加工方式：冷拉、冷拔、冷軋等，即通常稱的“三冷操作”。

冷加工結(jié)果：鋼材的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度提高，塑性和韌性降低，可焊性也有所降低。

冷加工目的：主要是利用時(shí)效提高強(qiáng)度，利用塑性節(jié)約鋼材，同時(shí)也達(dá)到調(diào)直（盤條鋼筋）和除銹的目的。2.時(shí)效定義：鋼材經(jīng)冷加工后，隨時(shí)間的延長(zhǎng)，其強(qiáng)度、硬度提高，而塑性、沖擊韌性降低的現(xiàn)象稱為時(shí)效。優(yōu)點(diǎn)：提高屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度增加鋼筋長(zhǎng)度簡(jiǎn)化施工工序OBCD——未經(jīng)冷拉時(shí)O’KCD——冷拉后未經(jīng)時(shí)效O’K1C1D1

——冷拉后經(jīng)時(shí)效處理2.時(shí)效處理方式：自然時(shí)效：鋼材冷加工處理后，在常溫下放置15-20d，適用于低強(qiáng)度鋼筋；人工時(shí)效：鋼材冷加工處理后，加熱至100-200℃后保持一定時(shí)間（2-3h），適用于高強(qiáng)度鋼筋。8.4常用建筑鋼材8.4.1

鋼結(jié)構(gòu)用鋼

碳素結(jié)構(gòu)鋼低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼一、碳素結(jié)構(gòu)鋼1.牌號(hào)表示方法由代表屈服點(diǎn)的字母、屈服點(diǎn)數(shù)值、質(zhì)量等級(jí)符號(hào)、脫氧方法符號(hào)等四個(gè)部分按順序組成。屈服點(diǎn)的字母：Q屈服點(diǎn)數(shù)值（MPa）：195、215、235、275質(zhì)量等級(jí)符號(hào)：A、B、C、D脫氧方法符號(hào)：TZ、Z、b、F

例：Q235—AF表示為屈服強(qiáng)度不小于235MPa的A級(jí)沸騰鋼。2.應(yīng)用Q195、Q215：含碳量低，強(qiáng)度低，塑性、韌性、加工性能和可焊性好。主要用于軋制薄板和盤條、制造鉚釘、地腳螺栓等。Q235：含碳適中，綜合性能好，強(qiáng)度、塑性和焊接等性能得到很好的配合，用途最廣泛。常軋制成盤條或鋼筋，以及圓鋼、方鋼、扁鋼、角鋼、工字鋼、槽鋼等型鋼，廣泛地用于建筑工程中。Q275：強(qiáng)度、硬度較高，耐磨性較好，塑性和可焊性能有所降低。主要用作鉚接與螺栓連接的結(jié)構(gòu)及加工機(jī)械零件。二、低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼

定義：是一種在碳素結(jié)構(gòu)鋼的基礎(chǔ)上，添加總量小于5%合金元素的鋼材。

所加合金元素有：錳(Mn)、硅(Si)、釩(V)、鈦(Ti)、鈮(Nb)、鉻(Cr)、鎳(Ni)及稀土元素。均為鎮(zhèn)靜鋼。

添加合金元素的目的：為了提高鋼的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、耐磨性、耐蝕性及耐低溫性能等。

低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼綜合性能較為理想，尤其在大跨度、承受動(dòng)荷載和沖擊荷載的結(jié)構(gòu)中更適用，與使用碳素鋼相比，可節(jié)約鋼材20%~30%，但成本并不很高。

由代表屈服點(diǎn)的字母、屈服點(diǎn)數(shù)值、質(zhì)量等級(jí)符號(hào)等三個(gè)部分按順序組成。屈服點(diǎn)的字母：Q

屈服點(diǎn)數(shù)值（MPa）：345、390、420、460、500、550、620、690

質(zhì)量等級(jí)符號(hào)：A、B、C、D、E

例：Q390—A表示為屈服強(qiáng)度不小于390MPa，質(zhì)量等級(jí)為A級(jí)的低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼。1.牌號(hào)表示方法8.4.2

混凝土結(jié)構(gòu)用鋼8.4.2

混凝土結(jié)構(gòu)用鋼熱軋鋼筋低碳鋼熱軋圓盤條冷軋帶肋鋼筋余熱處理鋼筋預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絲預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絞線基礎(chǔ)布鋼筋網(wǎng)主體結(jié)構(gòu)施工大橋承臺(tái)施工一、熱軋鋼筋1.生產(chǎn)經(jīng)熱軋成型并自然冷卻的成品鋼筋。2.分類光圓鋼筋帶肋鋼筋（人字肋、月牙肋）3.牌號(hào)熱軋直條光圓鋼筋：HPB300熱軋帶肋鋼筋：HRB335、HRB400、HRB500

（其中H、R、B分別為熱軋(Hotrolled)、帶肋(Ribbed)和鋼筋(Bars)三個(gè)詞的英文首字母，數(shù)字表示相應(yīng)的屈服強(qiáng)度要求值(MPa)）帶肋鋼筋外形圖4.應(yīng)用HPB300：鋼筋強(qiáng)度低，但塑性和焊接性能好，便于各種冷加工，因而廣泛用做小型鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的主要受力鋼筋以及各種鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的構(gòu)造筋。HRB335

、HRB400：鋼筋強(qiáng)度較高，塑性和焊接性能較好，廣泛用于大、中型鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的受力筋。HRB500：鋼筋強(qiáng)度高，但塑性和焊接性能較差，可用作預(yù)應(yīng)力鋼筋。二、低碳鋼熱軋圓盤條1.概述

低碳熱軋圓盤條的公稱直徑為5.5-30mm，大多通過卷線機(jī)成盤卷供應(yīng)，因此稱為盤條、盤圓或線材。2.分類供拉絲用盤條（代號(hào)L）供建筑和其他一般用途用盤條（代號(hào)J）3.應(yīng)用大量用作建筑工程中鋼筋混凝土的配筋外，還適用于拉絲、包裝及其它用途。三、冷軋帶肋鋼筋1.生產(chǎn)由熱軋圓盤條經(jīng)冷軋或冷拔減徑后，在表面冷軋成兩面或三面有肋的鋼筋。2.牌號(hào)按抗拉強(qiáng)度分為CRB550、CRB650、CRB800、CRB970和CRB1170五個(gè)牌號(hào)。其中C、R、B分別為冷軋(Coldrolled)、帶肋(Ribbed)和鋼筋(Bar)三個(gè)詞的英文首位字母。

例：CRB550含義：抗拉強(qiáng)度最小值為550MPa的冷軋帶肋鋼筋。3.應(yīng)用冷軋帶肋鋼筋用于非預(yù)應(yīng)力構(gòu)件，與熱軋圓盤條相比，強(qiáng)度提高17%左右，可節(jié)約鋼材30%左右；用于預(yù)應(yīng)力構(gòu)件，與低碳冷拔絲比，伸長(zhǎng)率高，鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)力較大，適用于中、小預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件，也適用于焊接鋼筋網(wǎng)。四、余熱處理鋼筋

余熱處理鋼筋，是指熱軋后利用熱處理原理進(jìn)行表面控制冷卻，并利用芯部余熱自身完成回火處理所得的成品鋼筋。余熱處理鋼筋由軋制鋼筋經(jīng)高溫淬水、余熱處理后提高強(qiáng)度，其延性、可焊性、機(jī)械連接性能及施工適應(yīng)性降