《建筑材料》第六章建筑鋼材

6建筑鋼材本章概述了鋼材的冶煉、加工及分類方法。重點(diǎn)引見了鋼材的力學(xué)性能、工藝性能及現(xiàn)行國(guó)家規(guī)范或規(guī)范對(duì)鋼材的性能及技術(shù)要求。論述了鋼的化學(xué)成分及所含合金元素等對(duì)鋼材性能的影響。引見了碳素構(gòu)造鋼和低合金構(gòu)造鋼的牌號(hào)表示方法、技術(shù)要求及各類牌號(hào)鋼材的性能和用途。論述了鋼筋混凝土構(gòu)造采用的主要鋼材種類及特點(diǎn)。本章提要鋼筋型鋼鋼板鋼絲鋼橋本章內(nèi)容6.1鋼的冶煉和分類6.2鋼材的主要性能6.3建筑鋼材的技術(shù)規(guī)范及選用6.1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)展氧化，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鋼的冶煉過程焦炭鐵礦石高爐熔融生鐵精煉鋼鑄錠鋼錠建筑鋼材鋼材的冶煉過程根據(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。可用于煉制優(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(shí)間短(20~40min)，消費(fèi)效率高，所以氧氣轉(zhuǎn)爐鋼質(zhì)量好，本錢低，運(yùn)用廣泛。(3)電爐煉鋼以電為能源迅速將廢鋼、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方式存在的氧，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。所以必需進(jìn)展脫氧處置，方法是在鋼水中參與錳鐵、硅鐵或鋁等脫氧劑?！锔鶕?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ｂ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★★★6.2鋼材的主要性能由低碳鋼在拉伸過程中構(gòu)成的應(yīng)力(σ)-應(yīng)變(ε)關(guān)系圖(圖6.1)可知，★低碳鋼受拉過程可劃分為以下4個(gè)階段。(1)彈性階段(O—A)(2)屈服階段(A—B)(3)強(qiáng)化階段(B—C)(4)頸縮階段(C—D)1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(O—A)在OA范圍內(nèi)應(yīng)力與應(yīng)變成正比例關(guān)系，假設(shè)卸去外力，試件那么恢復(fù)原來的外形，這個(gè)階段稱為彈性階段。彈性階段的最高點(diǎn)A所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值稱為彈性極限σp。當(dāng)應(yīng)力稍低于A點(diǎn)時(shí)，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=σ/ε。(2)屈服階段(A—B)當(dāng)應(yīng)力超越彈性極限σp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)動(dòng)搖，而應(yīng)變迅速增長(zhǎng)。在σ-ε關(guān)系圖上出現(xiàn)了一個(gè)接近程度的線段。假設(shè)卸去外力已出現(xiàn)塑性變形，AB稱為屈服階段。B下所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值稱為屈服極限σs。(3)強(qiáng)化階段(B—C)當(dāng)應(yīng)力超越屈服強(qiáng)度后，由于鋼材內(nèi)部組織產(chǎn)生晶格扭曲、晶粒破碎等緣由，阻止了塑性變形的進(jìn)一步開展，鋼材抵抗外力的才干重新提高。在σ-ε關(guān)系圖上構(gòu)成BC段的上升曲線，這一過程稱為強(qiáng)化階段。對(duì)應(yīng)于最高點(diǎn)C的應(yīng)力稱為抗拉強(qiáng)度，用σb表示，它是鋼材所能接受的最大應(yīng)力。(4)頸縮階段(C—D)當(dāng)應(yīng)力到達(dá)抗拉強(qiáng)度σb后，在試件薄弱處的斷面將顯著減少，塑性變形急劇添加，產(chǎn)生“頸縮〞景象并很快斷裂。將斷裂后的試件拼合起來，量出標(biāo)距兩端點(diǎn)間的間隔，按下式計(jì)算出伸長(zhǎng)率δ：d0L0L1沖擊韌性指鋼材抵抗沖擊荷載的才干。它是用實(shí)驗(yàn)機(jī)擺錘沖擊帶有V形缺口的規(guī)范試件的反面，將其折斷后試件單位截面積上所耗費(fèi)的功，作為鋼材的沖擊韌性目的，以αk表示(J/cm2)。αk值越大，闡明鋼材的沖擊韌性愈好(如圖6.2)。影響鋼材沖擊韌性的要素很多，鋼的化學(xué)成分、組織形狀，以及冶煉、軋制質(zhì)量都會(huì)影響沖擊韌性。2沖擊韌性圖6.2沖擊韌性實(shí)驗(yàn)圖(a)試件尺寸；(b)實(shí)驗(yàn)安裝；(c)實(shí)驗(yàn)機(jī)1—擺錘；2—試件；3—實(shí)驗(yàn)臺(tái)；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(qiáng)度時(shí)就發(fā)生破壞，這種景象稱為疲勞破壞。疲勞破壞的危險(xiǎn)應(yīng)力用疲勞極限來表示，它是指疲勞實(shí)驗(yàn)時(shí)試件在交變應(yīng)力作用下，于規(guī)定周期基數(shù)內(nèi)不發(fā)生斷裂所能接受的最大應(yīng)力。普通以為，鋼材的疲勞破壞是由拉應(yīng)力引起的，抗拉強(qiáng)度高，其疲勞極限也較高。鋼材的疲勞極限與其內(nèi)部組織和外表質(zhì)量有關(guān)。3疲勞強(qiáng)度硬度是指鋼材抵抗較硬物體壓入產(chǎn)生部分變形的才干。測(cè)定鋼材硬度常用布氏法。布氏法是用不斷徑為D的硬質(zhì)鋼球，在荷載P(N)的作用下壓入試件外表，經(jīng)規(guī)定的時(shí)間后卸去荷載，用讀數(shù)放大鏡測(cè)出壓痕直徑d，以壓痕外表積(mm2)除荷載P，即為布氏硬度值HB?！颒B值越大，表示鋼材越硬。如圖6.3。4硬度圖6.3布氏硬度測(cè)定表示圖冷彎性能是指鋼材在常溫下接受彎曲變形的才干，是建筑鋼材的重要工藝性能。鋼材的冷彎性能目的是用彎曲角度和彎心直徑對(duì)試件厚度(直徑)的比值來衡量的。實(shí)驗(yàn)時(shí)采用的彎曲角度愈大，彎心直徑對(duì)試件厚度(直徑)的比值愈小，表示對(duì)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(zhǎng)率都是塑性變形才干的反映。5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(qiáng)度、硬度提高，而塑性、韌性及彈性模量降低，這種景象稱為冷加工強(qiáng)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(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線?！?鋼材的冷加工強(qiáng)化及時(shí)效時(shí)效經(jīng)冷拉的鋼材隨時(shí)間延伸強(qiáng)度提高,塑性、韌性下降的景象叫做時(shí)效?？煞譃閮深悾悍譃樽匀粫r(shí)效〔經(jīng)冷拉的鋼材在常溫下存放15-20天〕和人工時(shí)效〔經(jīng)冷拉的鋼材在加熱至100-200℃，并堅(jiān)持一段時(shí)間〕。圖6.5鋼筋經(jīng)冷拉時(shí)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)合金拔絲模孔中強(qiáng)行拉拔(如圖6.6)，由于模孔直徑小于鋼筋直徑，鋼筋在拔制過程中既受拉力又受擠壓力，使強(qiáng)度大幅度提高但塑性顯著降低。圖6.6冷拔?？?〕可提高強(qiáng)度，冷拉后屈服強(qiáng)度可提高20-30%，時(shí)效處置后還可使抗拉強(qiáng)度提高。2〕可節(jié)約鋼材20-30%。3〕對(duì)于受動(dòng)荷載或經(jīng)常處于高溫條件任務(wù)的鋼構(gòu)造，如橋梁、鋼軌、鍋爐等，為防止過大脆性，出現(xiàn)忽然斷裂，要求采用時(shí)效敏感小的鋼材。意義★(1)碳是決議鋼材性能的主要元素。如圖6.7所示，隨著含碳量的添加，鋼的強(qiáng)度和硬度提高，塑性和韌性下降。但當(dāng)含碳量大于1.0%時(shí)，由于鋼材變脆，強(qiáng)度反而下降。(2)硅、錳參與硅和錳可以與鋼中有害成分FeO和FeS分別構(gòu)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(duì)鋼材性能的影響圖6.7含碳量對(duì)熱軋?zhí)妓劁撔再|(zhì)的影響σb—抗拉強(qiáng)度；αk—沖擊韌性；HB—硬度；δ—伸長(zhǎng)率；φ—面積縮減率(3)硫、磷硫不溶于鐵而以FeS的方式存在，F(xiàn)eS和Fe構(gòu)成低熔點(diǎn)的共晶體。當(dāng)鋼材溫度升至1000℃以上進(jìn)展熱加工時(shí)，共晶體熔化，晶粒分別，使鋼材沿晶界破裂，這種景象叫做熱脆性。磷能使鋼的強(qiáng)度、硬度提高，但顯著降低鋼材的塑性和韌性，特別是低溫形狀的沖擊韌性下降更為明顯，使鋼材容易脆裂，這種景象叫做冷脆性。(4)氧、氮未除盡的氧、氮大部分以化合物的方式存在，如FeO、Fe4N等。這些非金屬化合物、夾雜物降低了鋼材的強(qiáng)度、冷彎性能和焊接性能。氧還使鋼的熱脆性添加，氮使冷脆性及時(shí)效敏感性添加?！擦?、磷、氧、氮是鋼材中的有害雜質(zhì)〕(5)鈦、釩、鈮是鋼的強(qiáng)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(qiáng)度。6.3建筑鋼材的技術(shù)規(guī)范及選用建筑工程中需求耗費(fèi)大量的鋼材，按用于不同的工程構(gòu)造類型可分為：鋼構(gòu)造用鋼，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)上分主要有碳素構(gòu)造鋼和低合金構(gòu)造鋼，也用到優(yōu)質(zhì)碳素構(gòu)造鋼。碳素構(gòu)造鋼，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(guó)家規(guī)范<碳素構(gòu)造鋼>(GB700—2006)詳細(xì)規(guī)定了它的牌號(hào)表示方法、技術(shù)要求、實(shí)驗(yàn)方法、檢驗(yàn)規(guī)那么等。1碳素構(gòu)造鋼碳素構(gòu)造鋼的牌號(hào)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)、脫氧程度符號(hào)四部分按順序組成。碳素構(gòu)造鋼可分為Q195、Q215、Q235、Q255和Q275五個(gè)牌號(hào)。其他各符號(hào)含義見表6.1。★如Q235—A·F，表示屈服強(qiáng)度為235MPa，質(zhì)量等級(jí)為A級(jí)的沸騰鋼。Q255—B，表示屈服強(qiáng)度為255MPa，質(zhì)量等級(jí)為B級(jí)的鎮(zhèn)靜鋼。1〕碳素構(gòu)造鋼的牌號(hào)表示方法表6.1名稱符號(hào)名稱符號(hào)屈服強(qiáng)度質(zhì)量等級(jí)沸騰鋼QA、B、C、DF半鎮(zhèn)靜鋼鎮(zhèn)靜鋼特殊鎮(zhèn)靜鋼BZTZ碳素構(gòu)造鋼的化學(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)要求表6.2碳素構(gòu)造鋼的化學(xué)成分(GB700—2006)表6.3碳素構(gòu)造鋼的拉伸、沖擊性能(GB700—2006)表6.4碳素構(gòu)造鋼的冷彎實(shí)驗(yàn)(GB700—2006)牌號(hào)試樣方向冷彎試驗(yàn)B=2a，160°

鋼材厚度(直徑)(mm)60＞60~100＞100~120彎心直徑d

Q195

縱橫00.5a——Q215縱橫0.5aa1.5a2a2a2.5aQ235縱橫a1.5a2a2.5a2.5a3aQ255Q275—

—2a3a3a4a3.5a4.5a★碳素構(gòu)造鋼隨牌號(hào)的增大，含碳量添加，其強(qiáng)度和硬度提高，塑性和韌性降低，冷彎性能逐漸變差。Q195、Q215號(hào)鋼強(qiáng)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(hào)鋼經(jīng)冷加工后可替代Q235號(hào)鋼運(yùn)用。3〕碳素構(gòu)造鋼的選用Q235號(hào)鋼是建筑工程中運(yùn)用最廣泛的鋼，屬低碳鋼，具有較高的強(qiáng)度，良好的塑性、韌性及可焊性，綜合性能好，能滿足普通鋼構(gòu)造和鋼筋混凝土用鋼要求，且本錢較低，大量被用作軋制各種型鋼、鋼板及鋼筋。Q255、Q275號(hào)鋼強(qiáng)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(jī)械零件和工具等。普通是在普通碳素鋼的根底上，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(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)度構(gòu)造鋼綜合性能較為理想，尤其在大跨度、接受動(dòng)荷載和沖擊荷載的構(gòu)造中更適用，而且與運(yùn)用碳素鋼相比，可節(jié)約鋼材20%~30%，但本錢并不很高。2低合金高強(qiáng)度構(gòu)造鋼低合金高強(qiáng)度構(gòu)造鋼共有5個(gè)牌號(hào)。其牌號(hào)的表示方法由屈服點(diǎn)字母Q、屈服點(diǎn)數(shù)值、質(zhì)量等級(jí)三個(gè)部分組成，屈服點(diǎn)數(shù)值共分295MPa、345MPa、390MPa、420MPa、460MPa五種，質(zhì)量等級(jí)按照硫、磷等雜質(zhì)含量由多到少分為A、B、C、D、E五級(jí)，均為鎮(zhèn)靜鋼?！锶鏠345A表示屈服點(diǎn)為345MPa的A級(jí)鋼。1〕低合金高強(qiáng)度構(gòu)造鋼的牌號(hào)表示方法執(zhí)行GB1591－1994<低合金高強(qiáng)度構(gòu)造鋼>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(qiáng)度構(gòu)造鋼的技術(shù)要求表6.5低合金高強(qiáng)度構(gòu)造鋼的化學(xué)成分表6.6低合金高強(qiáng)度構(gòu)造鋼的力學(xué)性能和冷彎性能Q295號(hào)鋼中含有少量的合金元素，強(qiáng)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(duì)強(qiáng)度要求不高的普通工程構(gòu)造。Q345、Q390號(hào)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(jí)鋼具有良好的低溫韌性。主要用于工程中接受較高荷載的焊接構(gòu)造。Q420、Q460號(hào)鋼強(qiáng)度高，特別是在熱處置后有較高的綜合力學(xué)性能。主要用于大型工程構(gòu)造及荷載大的輕型構(gòu)造。3〕低合金高強(qiáng)度構(gòu)造鋼的性能和運(yùn)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，且外表光滑。帶肋鋼筋外表上有兩條對(duì)稱的縱肋和沿長(zhǎng)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1〕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(hào)表示方法與技術(shù)要求根據(jù)<鋼筋混凝土用熱軋光圓鋼筋>(GB13013—1991)及<鋼筋混凝土用熱軋帶肋鋼筋>(GB1499—1998)的規(guī)定，熱軋光圓鋼筋的牌號(hào)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(hào)由HRB和屈服點(diǎn)最小值表示。熱軋帶肋鋼筋有HRB335、HRB400、HRB500三個(gè)牌號(hào)，其力學(xué)性能和工藝性能應(yīng)符合表6.7的要求。表6.7熱軋鋼筋的力學(xué)性能和工藝性能HPB235(2)熱軋鋼筋的運(yùn)用熱軋光圓鋼筋的強(qiáng)度較低，但塑性及焊接性能很好，便于各種冷加工，因此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構(gòu)造的構(gòu)造筋；HRB335和HRB400鋼筋強(qiáng)度較高，塑性和焊接性能也較好，故廣泛用作大、中型鋼筋混凝土構(gòu)造的受力鋼筋；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。冷軋帶肋鋼筋是低碳鋼熱軋圓盤條經(jīng)冷軋后，在其外表帶有沿長(zhǎng)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(hào)表示方法與技術(shù)要求根據(jù)<冷軋帶肋鋼筋>(GB88—2000)的規(guī)定，冷軋帶肋鋼筋的牌號(hào)由CRB和抗拉強(qiáng)度最小值表示，有CRB550、CRB650、CRB800、CRB970、CRB1170五個(gè)牌號(hào)，其力學(xué)性能和工藝性能應(yīng)符合表6.6的規(guī)定。2〕冷軋帶肋鋼筋表6.6冷軋帶肋鋼筋的力學(xué)性能和工藝性能(GB66—2000)牌號(hào)抗拉強(qiáng)度σb

(MPa)≥伸長(zhǎng)率(%)≥彎曲試驗(yàn)160°反復(fù)彎曲次數(shù)松弛率(初始應(yīng)力σcon=0.7σb)δ10δ1001000h(%)≤10h(%)≤CRB5505506.0————CRB650650—4.0—365CRB600600—4.0—365CRB970970—4.0—365CRB11701170—4.0—365(2)冷軋帶肋鋼筋的運(yùn)用冷軋帶肋鋼筋既具有冷拉鋼筋強(qiáng)度高的特點(diǎn)，同時(shí)又具有很強(qiáng)的握裹力，混凝土對(duì)冷軋帶肋鋼筋的握裹力是同直徑冷拔低碳鋼絲的3~6倍，大大提高了構(gòu)件的整體強(qiáng)度和抗震才干。這種鋼筋適用于中、小型預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)造構(gòu)件和普通鋼筋混凝土構(gòu)造構(gòu)件。(1)分類及代號(hào)根據(jù)<預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絲>(GB/T5223—2002)的規(guī)定，預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絲按加工形狀分為冷拉鋼絲(代號(hào)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(jí)鋼絲(代號(hào)為WLR)和普通松弛級(jí)鋼絲(代號(hào)為WNR)。冷拉鋼絲是用盤條經(jīng)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)力混凝土用鋼絲低松弛鋼絲是指鋼絲在塑性變形下(軸應(yīng)變)進(jìn)展短時(shí)熱處置而得到的，普通松弛鋼絲是指鋼絲經(jīng)過矯直工序