第八章 建筑鋼材

第八章建筑鋼材鋼結(jié)構(gòu)建筑有許多優(yōu)點，與混凝土相比，有更好的抗震、防腐、耐久、環(huán)保和節(jié)能效果；可實現(xiàn)構(gòu)架的輕量化和構(gòu)件的大型化，施工亦較為簡便。但同時也存在不少缺點，其中較突出的一點是防火問題。美國紐約的世貿(mào)大廈為鋼結(jié)構(gòu)，2001年9月11日被恐怖主義者襲擊，倒塌，給人們提出了鋼結(jié)構(gòu)防火、防襲擊破壞的新課題。第一節(jié)鋼材及其分類

一、金屬材料

金屬材料可分為：

有色金屬：銅、鋁、鉛、鋅、鎂、錫……；

黑色金屬：鋼、鐵。二、鋼鐵材料(一)生鐵

鐵礦石在高爐內(nèi)通過焦炭還原而得含C量大于2％的鐵碳合金。并有較多Si、Mn、S、P等雜質(zhì)。

(二)鋼

含C量小于2％。將生鐵(及廢鋼)在熔融狀態(tài)下進行氧化，除去過多的碳及雜質(zhì)即得鋼液，進行脫氧后澆鑄成鋼錠。(三)鋼材

鋼經(jīng)冷、熱加工而得到的各種定型產(chǎn)品。生產(chǎn)鋼不可避免元素：Si、Mn、P、S、N…專門加入的合金元素：Si、Mn、Ti、V、Ni、Nb及稀土元素鐵：主要元素碳：0.02%～2.06%其他元素鋼材的化學(xué)成分鋼筋工字鋼圓鋼、角鋼鋼絲繩鋼管建橋用的金屬材料漫談

人類最早用來建橋的金屬材料是鐵，我國早在漢代(公元65年)，曾在四川瀘洲用鐵鏈建造了規(guī)模不大的吊橋。世界上第一座鑄鐵橋為1779年在英國建造的Coalerookdale橋，該橋1934年已禁止車輛通行。1878年英國人曾用鑄鐵在北海的Tay灣上建造全長3160m、單跨73.5m的跨海大橋，采用梁式桁架結(jié)構(gòu)，在石材和磚砌筑的基礎(chǔ)上以鑄鐵管做橋墩，建成不到兩年，一次臺風(fēng)夜襲，加之火車沖擊荷載的作用，鑄鐵橋墩脆斷，橋梁倒塌，車毀人亡，教訓(xùn)慘痛。此后，人們研究和比較了鋼材與鑄鐵，發(fā)現(xiàn)剛才不僅具有高的抗壓強度，還具有高的抗拉強度和抗沖擊韌性，更適于建橋。人類總結(jié)了兩百多年使用鋼材建橋的經(jīng)驗，現(xiàn)在懸索橋已成為特大跨徑橋梁的主要形式。南京長江四橋1.按化學(xué)成分分類低碳鋼：含碳量<0.25%中碳鋼：含碳量０.25%～0.6%高碳鋼：含碳量>0.6%（1）碳素鋼

（碳鋼）

（2）合成鋼——專門加入合金元素按合金元素含量分

低合金鋼：合金元素總含量<5%中合金鋼：合金元素總含量5%～10%高合金鋼：合金元素總含量>10%

三、鋼材的分類2．按雜質(zhì)含量（品質(zhì)）分類普通鋼：含硫量

≤0.050%，含磷量≤0.045%優(yōu)質(zhì)鋼：含硫量

≤0.035%，含磷量≤0.035%高級優(yōu)質(zhì)鋼：含硫量

≤0.025%，含磷量≤0.025%，牌號后加“高”或“A”特級優(yōu)質(zhì)鋼：含硫量

≤0.015%，含磷量≤0.015%，后加“E”

3.按冶煉時脫氧程度分

沸騰鋼：脫氧不充分，代號“F”鎮(zhèn)靜鋼：脫氧充分，代號“Z”半鎮(zhèn)靜鋼：脫氧程度介于“F”與“Z”之間，代號“b”特殊鎮(zhèn)靜鋼：脫氧徹底，代號“TZ”

4．按用途分類結(jié)構(gòu)鋼：建筑結(jié)構(gòu)、機械制造（低、中碳鋼）工具鋼：各種工具（高碳鋼）特殊鋼：不銹鋼（具有各種特殊的物理化學(xué)性質(zhì)）

(A)沸騰鋼(B)鎮(zhèn)靜鋼

兩鋼錠的縱剖面圖

四、建筑鋼材的應(yīng)用鋼鐵材料是應(yīng)用最廣、產(chǎn)量最大的金屬材料，也是建筑工程中主要材料之一。（1）用型鋼制作廠房、橋梁、閘門及高壓管道等，安全性強、質(zhì)量輕，適于大跨度及多、高層結(jié)構(gòu)；（2）用鋼筋和混凝土組成的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，強度高、耐久性好，適用范圍廣。五、本章學(xué)習(xí)要求1、了解鋼的分類、冶煉及加工、化學(xué)元素等對鋼材質(zhì)量的影響；2、了解鋼材的牌號劃分及表示的意義；3、了解建筑鋼材的技術(shù)性質(zhì)，國家及行業(yè)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，正確選用鋼材。第二節(jié)

建筑鋼材的力學(xué)性能和工藝性能

建筑鋼材的主要技術(shù)性能力學(xué)性質(zhì)：強度、彈性、塑性、耐磨性…工藝性質(zhì)（可加工性）：冷彎、可焊性

一、力學(xué)性能建筑鋼材的力學(xué)性能主要有：抗拉性能、硬度和沖擊韌性等（一）抗拉性能O→A：彈性階段；A→B：屈服階段；B→C：強化階段；C→D：頸縮階段。sp：彈性極限；ss：屈服點；sb：抗拉強度。1.抗拉屈服強度(屈服點ss)指鋼材在拉力作用下，開始產(chǎn)生塑性變形時的應(yīng)力。設(shè)計中一般以屈服點作為強度取值的依據(jù)。當(dāng)某些鋼材的屈服點不明顯時，按規(guī)定以產(chǎn)生殘余應(yīng)變?yōu)?.2％時的應(yīng)力作為屈服強度，記為σ0.2。2.抗拉極限強度(sb)試件在破壞前，應(yīng)力－應(yīng)變圖上的最大應(yīng)力值。也稱抗拉強度。注意:鋼材的屈強比ss/sb:

3.伸長率（d）

鋼材拉斷后，試件標(biāo)距長度的伸長量DL與原始標(biāo)距L0的比值。

伸長率的大小受試件標(biāo)距長短的影響，國標(biāo)規(guī)定用d10和d5。

可靠性參數(shù)

值越小可靠性越高，安全性越高，但利用率降低，浪費增大。(塑性指標(biāo))

意義：

值越大，塑性增強，可避免結(jié)構(gòu)過早破壞；加工性增強，安全性增強。（二）硬度硬度是指材料抵抗另一更硬物體壓入其表面的能力。鋼材的硬度常用壓痕的深度或壓痕單位面積上所受壓力作為衡量指標(biāo)。建筑鋼材常用的硬度指標(biāo)是布氏硬度。硬度的大小，既可用以判斷鋼材的軟硬，又可用以近似地估計鋼材的抗拉強度。硬度高，耐磨性較好，但脆性亦大。(三)沖擊韌性

沖擊韌性指材料抵抗沖擊荷載作用的能力。建筑鋼材的沖擊韌性通過夏比(v形缺口)沖擊試驗來測定。

沖擊韌性的指標(biāo)及其計算(1)沖擊吸收功Akv(J)

Akv=W（h1―h2）Akv值可由試驗機刻度盤上直接讀出。(2)沖擊韌性值akv(J／cm2)。

為單位面積的試樣斷口所吸收的沖擊功：

akv＝Akv／AAkv(或akv)值愈大，表示沖斷時吸收的功愈多，鋼材的沖擊韌性愈好。(四)耐疲勞性疲勞破壞：交變荷載反復(fù)作用，鋼材在應(yīng)力低于屈服強度時,突然發(fā)出脆性斷裂的現(xiàn)象。

鋼材的疲勞破壞一般是由拉應(yīng)力引起的，首先在局部開始形成細(xì)小斷裂，隨后由于微裂紋尖端的應(yīng)力集中而使其逐漸擴大，直至突然發(fā)生瞬時疲勞斷裂。疲勞破壞是在低應(yīng)力狀態(tài)下突然發(fā)生的，所以危害極大，往往造成災(zāi)難性的事故。

危害極大工程實例韓國漢城大橋倒塌

1994年10月21日韓國漢城漢江圣水大橋中段50m長的橋體象刀切一樣墜入江中，造成多人死亡。該橋由韓國最大的建筑公司之一——東亞建設(shè)產(chǎn)業(yè)公司于1979建成。

原因分析

事故原因調(diào)查團經(jīng)五個多月的各種試驗和研究，于次年4月2日提交了事故報告。事故原因主要有以下兩方面：

a.東亞建筑公司沒有按圖紙施工，在施工中偷工減料，利用疲勞性能很差的劣質(zhì)鋼材，這是事故的直接原因。

b.當(dāng)時韓國縮短工期及漢城市政當(dāng)局在交通管理上疏漏也是大橋倒塌的主要原因。設(shè)計負(fù)載限制為32t，建成后交通流量逐年增加，超常負(fù)荷，倒塌時負(fù)載為43.2t。二、工藝性能冷彎性能：常溫下鋼材承受彎曲變形的能力。焊接性能：鋼結(jié)構(gòu)中90%以上為焊接結(jié)構(gòu),焊接性非常重要。二、工藝性能（一）可焊性在焊接過程，由于高溫及焊后急冷，會使焊縫及附件區(qū)域的鋼材發(fā)生組織構(gòu)造變化，產(chǎn)生局部變形，內(nèi)應(yīng)力和局部變硬脆等，甚至在焊縫周圍產(chǎn)生裂縫，降低了鋼材質(zhì)量。可焊性好的鋼材，沒有質(zhì)量顯著降低的現(xiàn)象，所得焊接牢固。焊接性能通過拉伸(拉伸、冷彎)試驗檢測。（二）冷彎性能

冷彎性能是指鋼材在常溫下承受靜力彎曲時所容許的變形能力。判定標(biāo)準(zhǔn)：若試件彎曲處的外表面無裂斷、裂縫或起層，認(rèn)為冷彎性能合格。

冷彎試驗意義：能反映試件彎曲處的塑性變形，能揭示鋼材是否存在內(nèi)部組織不均勻、內(nèi)應(yīng)力和夾雜物等缺陷。冷彎試驗也能對鋼材的焊接質(zhì)量進行嚴(yán)格的檢驗，能揭示焊件受彎表面是否存在未熔合，裂縫及夾雜物等缺陷。冷彎試驗第三節(jié)

化學(xué)元素對鋼材性能的影響一、碳隨著含C量的增加：

鋼的伸長率，斷面收縮率和沖擊韌性逐漸下降；

硬度增大；

C=0.8％左右抗拉強度最高

冷彎性能、焊接性能和抗腐蝕性能下降。二、硅使鋼的硬度、強度提高，含量超過1.0％時，鋼的塑性和沖擊韌性顯著降低，冷脆性增加，焊接性能變差。三、錳煉鋼過程中，錳可形成MnO及MnS，成為鋼渣而排出，故Mn起著脫氧去硫作用，能消除鋼的熱脆性改善熱加工性；過剩的Mn固溶于鋼內(nèi)，形成含Mn的合金鐵素體和合金滲碳體，能提高鋼的屈服強度和抗拉強度；有害作用是使鋼的伸長率略有下降，當(dāng)錳的含量較高時，還會顯著降低可焊性。四、磷使鋼的屈服點和抗拉強度提高；塑性降低、韌性顯著下降；增加鋼的冷脆性(韌性隨溫度下降而急劇惡化的現(xiàn)象)，對于承受沖擊荷載或低溫下使用的鋼材是有害的；使鋼的冷彎性能急劇下降，可焊性變壞。普通碳素鋼中磷的含量最多不得超過0.085％。五、硫在鋼材熱加工過程中產(chǎn)生晶粒的分離，引起鋼的斷裂，即所謂熱脆現(xiàn)象；硫的存在也降低了鋼的沖擊韌性、疲勞強度、可焊性和抗腐蝕性。硫為鋼的有害成分，其含量受嚴(yán)格控制，普通碳素鋼中最高含量不得大于0.065％。六、氧氧也是鋼中的有害雜質(zhì)。使鋼材強度下降；熱脆性增加，冷彎性能變壞；熱加工性能和焊接性能下降七、氮可提高鋼的屈服點、抗拉強度和硬度；使鋼材的塑性和沖擊韌性顯著下降；增大冷脆性、熱脆性和時效敏感性，使鋼的焊接性能和冷彎性能變壞。鋼材中的常存雜質(zhì)

硫：來自礦石燃料，生成FeS，鋼材加工時易裂縫，熱脆性。磷：來自礦石燃料，生成Fe3P，脆性很大。

碳：煉鋼氧化過程中存于缸中，害處大于益處，故歸于有害元素。氧：與碳、磷相似。錳：煉鋼時脫氧、硫殘留鋼中，具有很強的脫氧、硫能力，大大改善鋼材加工性能。硅：脫氧劑，較錳強。兩面性：硅很低時，強度增加；硅很高時，其他性能降低。有害元素第四節(jié)

鋼的壓延加工及熱處理

一、壓力熱加工壓力熱加工是將鋼錠(或鋼材)加熱到900～1200'C，通過碾軋或鍛壓（壓延加工），以獲得一定大小或形狀的鋼材或零件。壓力熱加工可消除鋼錠中的某些缺陷，從而帶來機械性能的提高。二、冷加工及冷加工強化

冷加工工藝是常溫下鋼材的冷拉、冷拔、冷軋等工藝的總稱。

冷加工強化是在冷加工過程中，鋼材產(chǎn)生了塑性變形，并引起其強度和硬度的提高，塑性和韌性降低。

冷加工強化的原因是鋼材在塑性變形過程中，晶粒破碎而細(xì)化、晶格發(fā)生拉長、壓扁或歪扭等畸變，晶界處位錯密度增大。三、鋼的熱處理

鋼的熱處理是通過對鋼進行加熱、保溫、冷卻等手段，來改變鋼材組織結(jié)構(gòu)，以達到改善性質(zhì)的一種工藝?；镜臒崽幚砉に嚾缦?。(1)退火。將鋼材加熱到一定溫度，保溫若干時間，而后緩慢冷卻，稱為退火。(2)淬(zhan)火。將鋼材加熱到一定溫度，保溫一段時間后，在鹽水、冷水或油中急速冷卻的處理過程，稱為淬火。淬火的目的是要獲得更高強度和硬度的鋼材。(3)回火。將淬火處理后的鋼，再進行加熱、冷卻處理，稱為回火?；鼗鸬哪康氖窍摷膬?nèi)應(yīng)力，增加其韌性?；鼗饻囟纫话阍?50～6500C范圍內(nèi)。(4)正火。將鋼材加熱到一定溫度，保持足夠時間，然后靜置于空氣中冷卻，稱為正火。對于斷面尺寸較大的鋼件，正火相當(dāng)于退火的效果。(5)調(diào)質(zhì)處理。對鋼材進行多次淬火、回火等多種處理的綜合熱處理工藝，稱為調(diào)質(zhì)處理。四、鋼的時效硬化鋼的強度和硬度隨時間延長而逐漸增大，塑性和韌性逐漸減退的現(xiàn)象稱為時效硬化(簡稱為時效)。時效分為熱時效和冷加工時效兩種。熱時效(又稱淬火時效)——是低碳鋼由高溫快速冷卻后，其塑性和韌性會隨靜置時間延長而不斷降低的現(xiàn)象。

冷加工時效——鋼材經(jīng)冷加工后，將發(fā)生冷加工強化現(xiàn)象(如前述)，靜置一段時間后，即產(chǎn)生冷加工時效。

淬火時效和冷加工時效可同時發(fā)生。建筑工程中，將鋼筋進行冷加工(如冷拉)，并在常溫下放置15—20d后再使用，通過冷加工強化和時效，來提高鋼筋的屈服強度，達到節(jié)約鋼材的目的。第五節(jié)

建筑鋼材的牌號與應(yīng)用建筑鋼材分為鋼結(jié)構(gòu)用鋼材和鋼筋混凝土用鋼筋。一、鋼結(jié)構(gòu)用鋼材鋼結(jié)構(gòu)是用各種型鋼、鋼板，經(jīng)焊接、鉚接或螺栓連接而成的工程結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)的特點：(1)構(gòu)件尺寸大，形狀復(fù)雜，不可能對其進行整體熱處理，鋼材必須在供貨狀態(tài)下直接工作；(2)構(gòu)件在制作過程中，常需經(jīng)冷彎焊接等，要求鋼材可焊性好，冷加工時效敏感性??；(3)結(jié)構(gòu)暴露于自然環(huán)境，尤其是水工鋼結(jié)構(gòu)多處于潮濕、腐蝕或低溫條件下工作，要求鋼材具有在所處環(huán)境下的可靠性及耐久性。（一）常用鋼結(jié)構(gòu)用鋼的牌號及性能

碳素結(jié)構(gòu)鋼（1）碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號表示按順序：屈服點字母（Q）、屈服點數(shù)值（單位MPa）、

質(zhì)量等級（有A、B、C、D4級，逐級提高）和

脫氧方法（F：沸騰鋼，b：半鎮(zhèn)鋼，Z：鎮(zhèn)靜鋼，

TZ：特殊鎮(zhèn)鋼。牌號表示時Z、TZ可省略）。例如：Q235—A·F表示屈服點為235MPa，A級沸騰鋼。

Q235—B表示屈服點為235MPa，B級鎮(zhèn)靜鋼。碳素鋼的牌號(屈服值)增高，鋼的含碳量增大，強度提高，塑性降低，冷彎及可焊性下降。質(zhì)量等級由A至D，鋼中有害雜質(zhì)S、P含量逐漸減少，低溫沖擊韌性改善，質(zhì)量提高。（2）碳素結(jié)構(gòu)鋼的選用

建筑工程中常用鋼種——Q235Q235鋼既有較高的強度，又有較好的塑性及可焊性，是建筑工程中應(yīng)用廣泛的鋼種。（Q195及Q215鋼的強度低；Q255及Q275鋼雖然強度高，但塑性及可焊性較差。）

建筑工程中主要應(yīng)用Q235號鋼,可用于軋制各種型鋼、鋼板、鋼管與鋼筋。具有較高的強度，良好的塑性、韌性，可焊性及可加工等綜合性能好,且冶煉方便，成本較低，因此廣泛用于一般鋼結(jié)構(gòu)。其中C、D級可用在重要的焊接結(jié)構(gòu)。

Q195、Q215號鋼材強度較低，但塑性、韌性較好，易于冷加工，可制作鉚釘、鋼筋等。Q255、Q275號鋼材強度高，但塑性、韌性、可焊性差，可用于鋼筋混凝土配筋及鋼結(jié)構(gòu)中的構(gòu)件及螺栓等。受動荷載作用結(jié)構(gòu)、焊接結(jié)構(gòu)及低溫下工作的結(jié)構(gòu)，不能選用A、B質(zhì)量等級鋼及沸騰鋼。2.低合金結(jié)構(gòu)鋼低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼是在低碳鋼基礎(chǔ)上，加入適量合金元素冶煉而成的.牌號表示方法與碳素鋼相似。低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼比碳素結(jié)構(gòu)鋼具有更高的屈服強度，同時還有良好的塑性、冷彎性、可焊性、耐腐蝕性和低溫沖擊韌性，更適用于大跨度鋼結(jié)構(gòu)及大型水工建筑物。當(dāng)?shù)秃辖痄撝械你t含量達11.5%時，鉻就在合金金屬的表面形成一層惰性的氧化鉻膜，成為不銹鋼。不銹鋼具有低的導(dǎo)熱性，良好的耐蝕性能等優(yōu)點；缺點是溫度變化時膨脹性較大。不銹鋼既可以作為承重構(gòu)件，又可以作為建筑裝飾材料。3.優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼及合金結(jié)構(gòu)鋼1）優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼

是生產(chǎn)過程中對質(zhì)量控制較嚴(yán)（如S＜0.035％、P＜0.035％)，質(zhì)量較穩(wěn)定的碳素鋼。按含Mn量的不同分為（二組）

l

普通含Mn量（含Mn量＜0.8％)

l

較高含Mn量（含Mn量＜0.7％～1.2％)2）合金結(jié)構(gòu)鋼

合金結(jié)構(gòu)鋼是合金元素含量較高的鋼。（在煉鋼中，為改善性能而加入超過普通鋼允許含量的一種或多種合金元素）。3）應(yīng)用

優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼及合金結(jié)構(gòu)鋼是用于機械結(jié)構(gòu)的主要鋼種，在建筑工程及水工鋼結(jié)構(gòu)中，常用來加工制作各種軸、桿、鉸、高強螺栓等受力構(gòu)件，以及鋼鑄件。