《建筑工程材料》圖文-第七章

第7章建筑鋼材7.1

建筑鋼材的主要技術(shù)性能7.2

建筑鋼材的選用建筑鋼材有鋼結(jié)構(gòu)用型鋼（圓鋼、角鋼、工字鋼）、鋼板和鋼管，以及鋼筋混凝土用的鋼筋和鋼絲。鋼材材質(zhì)均勻，性能可靠，強(qiáng)度高，具有一定的可塑性、韌性，能承受較大的沖擊荷載和振動(dòng)荷載，可焊接、鉚接、螺栓連接，便于裝配。由各種型材組成的鋼結(jié)構(gòu)，安全性高，自重輕，適用于重型工業(yè)廠房、大跨結(jié)構(gòu)、可移動(dòng)結(jié)構(gòu)，及高聳結(jié)構(gòu)與高層建筑等。但鋼材也存在易銹蝕，維護(hù)費(fèi)用大，耐火性差的缺點(diǎn)。7.1建筑鋼材的主要技術(shù)性能建筑鋼材的性能主要包括力學(xué)性能、工藝性能和化學(xué)性能等，見(jiàn)圖7-2所示。只有了解鋼材的各種性能，才能做到正確、經(jīng)濟(jì)、合理地選擇和使用鋼材。圖7-2建筑鋼材的主要性能7.1.1力學(xué)性能1．拉伸性能拉伸是建筑鋼材的主要受力形式，所以拉伸性能是建筑工程中選用鋼材的重要指標(biāo)?，F(xiàn)以低碳鋼為例在試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)（如圖7-3所示），進(jìn)而分析鋼材的力學(xué)性能。圖7-3鋼材的拉伸演示過(guò)程（低碳鋼）根據(jù)拉伸試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)，可繪制出如圖7-4所示的鋼材的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線。鋼材的拉伸性能可以通過(guò)該圖來(lái)表示。圖7-4低碳鋼受拉的應(yīng)力—應(yīng)變曲線圖①

彈性階段（I）。OA段的圖形是一條通過(guò)原點(diǎn)的直線，應(yīng)力與應(yīng)變成正比，與A點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為彈性極限強(qiáng)度，以σp表示。處于彈性階段時(shí)，計(jì)算的指標(biāo)是彈性模量E=σ/ε=tanα，其中應(yīng)變用ε表示，α表示OA的角度，E值的大小反映鋼材抵抗彈性變形的能力。②

屈服階段（II）。AB段的圖形是一條波動(dòng)的曲線，應(yīng)力增加很小，而應(yīng)變?cè)黾雍艽?。即所能承受的拉力增加很小，而塑性變形迅速增加，鋼材不能承受外力而屈服。?jì)算的指標(biāo)：屈服強(qiáng)度（也叫屈服點(diǎn)）σs對(duì)應(yīng)B下點(diǎn)。σs

屈服強(qiáng)度是彈性變形轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃蔚霓D(zhuǎn)折點(diǎn)，當(dāng)外力超過(guò)屈服點(diǎn)時(shí)，產(chǎn)生不可恢復(fù)的變形，鋼材不能正常使用。所以說(shuō)，屈服點(diǎn)是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)度取值的依據(jù)。③

強(qiáng)化階段（III）。BC的段圖形的特點(diǎn)是一段上升的曲線。鋼材內(nèi)部組織發(fā)生了變化，抵抗塑性變形的能力又重新提高——強(qiáng)化。計(jì)算的指標(biāo)為抗拉強(qiáng)度σb，對(duì)應(yīng)C點(diǎn)的應(yīng)力。σb

σb是指鋼材能承受的最大拉應(yīng)力。當(dāng)外力大于抗拉強(qiáng)度時(shí)，鋼材完全喪失對(duì)變形的抵抗能力而斷裂。常用低碳鋼的σb為375～500MPa。④

頸縮階段（IV）。CD段的圖形的特點(diǎn)是一段下降的曲線，變形迅速發(fā)展，在有雜質(zhì)或缺陷處，斷面急劇縮小即頸縮，直到D點(diǎn)發(fā)生試件的破壞。計(jì)算的指標(biāo)為伸長(zhǎng)率δ：試件拉長(zhǎng)后，標(biāo)距長(zhǎng)度的增量與原標(biāo)距長(zhǎng)度之比。伸長(zhǎng)率是衡量鋼材塑性的指標(biāo)，越大說(shuō)明鋼材的塑性越好。2．沖擊韌性沖擊韌性為鋼材抵抗沖擊荷載的能力，用沖擊韌性指標(biāo)來(lái)表示，即試件缺口處單位截面積上所消耗的功，記作αk（J/cm2）。韌性指標(biāo)αk越大，鋼材韌性越好。鋼材的沖擊韌性對(duì)鋼的化學(xué)成分、組織狀態(tài)，以及冶煉、軋制質(zhì)量都較敏感。試驗(yàn)表明，沖擊韌性隨溫度的降低而下降，其規(guī)律是開(kāi)始下降緩和，當(dāng)達(dá)到一定溫度范圍時(shí)，突然下降很多而呈脆性，這種性質(zhì)稱(chēng)為鋼材的冷脆性，這時(shí)的溫度稱(chēng)為脆性臨界溫度。它的數(shù)值愈低，鋼材的低溫沖擊性能愈好。所以在負(fù)溫下使用的結(jié)構(gòu)，應(yīng)當(dāng)選用脆性臨界溫度較使用溫度低的鋼材。由于脆性臨界溫度的測(cè)定工作較復(fù)雜，規(guī)范中通常根據(jù)氣溫條件規(guī)定-20℃或-40℃負(fù)溫沖擊值指標(biāo)。隨時(shí)間的延長(zhǎng)而表現(xiàn)出強(qiáng)度提高，塑性和沖擊韌性下降，這種現(xiàn)象稱(chēng)為時(shí)效。因時(shí)效而導(dǎo)致性能改變的程度稱(chēng)為時(shí)效敏感性。時(shí)效敏感性愈大的鋼材，經(jīng)過(guò)時(shí)效以后其沖擊韌性的降低愈顯著。為了保證安全，對(duì)于承受動(dòng)荷載的重要結(jié)構(gòu)，應(yīng)當(dāng)選用時(shí)效敏感性小的鋼材。3．疲勞強(qiáng)度在交變應(yīng)力（動(dòng)荷載）作用下，雖然鋼構(gòu)件所承受的應(yīng)力低于材料的屈服點(diǎn)，但經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的工作而產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生完全斷裂的情況，稱(chēng)為疲勞破壞。疲勞極限或者疲勞強(qiáng)度是指疲勞破壞時(shí)的危險(xiǎn)應(yīng)力。其特點(diǎn)是材料破壞時(shí)其強(qiáng)度遠(yuǎn)低于抗拉強(qiáng)度，不易引起人們注意，因此疲勞破壞危害極大。疲勞強(qiáng)度用鋼材在交變荷載下，在規(guī)定的周期基數(shù)內(nèi)（106～107次）不發(fā)生斷裂所能承受的最大應(yīng)力來(lái)表示。4．硬度鋼材的硬度指其表面局部體積內(nèi)，抵抗外物壓入產(chǎn)生塑性變形的能力。測(cè)定鋼材硬度的方法常用布氏法和洛氏法。材料的硬度往往與材料的其他性能有一定的相關(guān)性，如鋼材的HB值與抗拉強(qiáng)度之間有較好的相關(guān)關(guān)系：當(dāng)HB＞175時(shí)，σb=3.6HB；

當(dāng)HB<175時(shí)，σb=3.5HB。7.1.2工藝性能1．冷彎性能冷彎性能是指常溫下鋼材能承受較大的彎曲變形而不破壞的能力用于衡量鋼材的冷塑性變形能力，其評(píng)價(jià)指標(biāo)用不同彎曲角度

和不同彎曲徑d相對(duì)于鋼材厚度a的比值（d/a）來(lái)表示，如圖7-5所示。圖7-5鋼筋冷彎冷彎示意圖試驗(yàn)方法是按一定的

角與d/a值進(jìn)行冷彎，試件彎曲處的外拱面及兩個(gè)側(cè)面不出現(xiàn)裂縫和起層現(xiàn)象為合格。彎曲角度越大，彎曲直徑對(duì)試件厚度（或直徑）的比值越小，則表示鋼材的冷彎性能越好。冷彎性能檢測(cè)不僅是評(píng)定鋼材塑性、加工性能的技術(shù)指標(biāo)，而且對(duì)焊接質(zhì)量也是一種嚴(yán)格的檢驗(yàn)，能揭示焊接在受彎表面是否存在未熔合、微裂紋及夾雜物等缺陷。2．冷加工強(qiáng)化處理及時(shí)效處理（1）冷加工強(qiáng)化處理冷加工是指鋼材在常溫下進(jìn)行的加工。常見(jiàn)的冷加工方式有冷拉、冷拔、冷軋、冷軋扭、刻痕等。其特點(diǎn)是鋼材經(jīng)冷加工產(chǎn)生塑性變形，從而提高其屈服強(qiáng)度，這一過(guò)程稱(chēng)為冷加工強(qiáng)化處理。冷加工后的屈服強(qiáng)度作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的強(qiáng)度取值依據(jù)。鋼材經(jīng)過(guò)冷加工后強(qiáng)度提高，是以犧牲鋼材的延性即塑性和沖擊韌性為代價(jià)的。所以冷加工之后的鋼材，脆硬性增加，塑性和韌性降低，一般不用于抗震結(jié)構(gòu)、承受動(dòng)荷載的結(jié)構(gòu)。（2）時(shí)效處理將經(jīng)過(guò)冷拉的鋼筋于常溫下存放15～20d（稱(chēng)為自然時(shí)效），或加熱到100～200℃并保持一段時(shí)間（稱(chēng)為人工時(shí)效），這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為時(shí)效處理。鋼筋冷拉以后再經(jīng)過(guò)時(shí)效處理，其屈服點(diǎn)進(jìn)一步提高，塑性繼續(xù)有所降低。應(yīng)當(dāng)注意，時(shí)效處理增加的強(qiáng)度只作為材料的強(qiáng)度儲(chǔ)備，以增加結(jié)構(gòu)的安全性，不作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)依據(jù)。冷拉后屈服強(qiáng)度可提高20%～30%，時(shí)效處理后還可使抗拉強(qiáng)度提高，可節(jié)約鋼材20%～30%。在建筑工地和混凝土預(yù)制廠，經(jīng)常對(duì)強(qiáng)度偏低和塑性偏大的鋼筋或低碳盤(pán)條鋼筋進(jìn)行冷拉或冷拔并時(shí)效處理，以提高屈服強(qiáng)度和材料利用率，節(jié)省鋼材，同時(shí)還兼有調(diào)質(zhì)、除銹的作用。這種加工所用機(jī)械比較簡(jiǎn)單，容易操作，效果明顯，所以建筑工程中常采取此法。但對(duì)于受動(dòng)荷載或經(jīng)常處于中溫條件工作的鋼結(jié)構(gòu)，如橋梁、鋼軌、鍋爐等，為避免過(guò)大脆性，出現(xiàn)突然斷裂，要求采用時(shí)效敏感性低的鋼材。3．可焊性可焊性性能是指在一定焊接工藝條件下，在焊縫及其附近過(guò)熱區(qū)是否產(chǎn)生裂縫及脆硬影響，焊接后接頭強(qiáng)度是否與母體相近?？珊感允芑瘜W(xué)成分及含量的影響。含碳量高、含硫量高、合金元素含量高等，均會(huì)降低可焊性。含碳量小于0.25%的非合金鋼具有良好的可焊性。焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)選擇含碳量較低的氧氣轉(zhuǎn)爐或平爐鎮(zhèn)靜鋼。當(dāng)采用高碳鋼及合金鋼時(shí)，為了改善焊接后的硬脆性，焊接時(shí)一般要采用焊前預(yù)熱及焊后熱處理等措施。7.1.3影響鋼材性能的主要化學(xué)成分將鐵礦石在化鐵爐內(nèi)熔化，并以碳還原其中的氧化鐵得到鐵，其中含有較多碳以及其他雜質(zhì)（錳、硅、硫、磷等），將此鐵碳合金稱(chēng)為生鐵，生鐵硬而脆。鋼是將生鐵在煉鋼爐內(nèi)熔煉，除去其中大部分碳和雜質(zhì)，使碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在2%以下的鐵碳合金。為了改善鋼的一些性能而加入了一些其他元素，如錳、硅、礬、鈦、鈮等，這類(lèi)鋼稱(chēng)為合金鋼。1．碳當(dāng)建筑鋼材中碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于0.8%時(shí)，隨著碳含量的提高，鋼中的珠光體隨之增多，故強(qiáng)度和硬度相應(yīng)提高，而塑性和韌性則相應(yīng)降低。碳是顯著降低鋼材可焊性的元素之一，碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)0.25%時(shí)，鋼的可焊性顯著降低。碳還增加鋼的冷脆性和時(shí)效敏感性，降低抗大氣銹蝕性。2．硅硅在鋼中除少量呈非金屬夾雜物外，大部分溶于鐵素體中。當(dāng)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低（小于1%）時(shí)，可提高鋼材的強(qiáng)度，對(duì)塑性和韌性影響不明顯。硅是我國(guó)鋼筋用鋼材中的主加合金元素。3．錳錳能消減硫和氧所引起的熱脆性，使鋼材的熱加工性能改善。錳溶于鐵素體中使其強(qiáng)化，并起到細(xì)化珠光體作用，使強(qiáng)度提高。錳是我國(guó)低合金結(jié)構(gòu)鋼的主加合金元素，碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般在1%以?xún)?nèi)。4．磷磷是碳鋼中的有害雜質(zhì)。一般認(rèn)為，磷的偏析富集，使鐵素體晶格嚴(yán)重畸變，是鋼材冷脆性顯著增大的原因，顯著降低了鋼材的可焊性。但磷可提高鋼的耐磨性和耐蝕性，在低合金鋼中可配合其他元素作為合金元素使用。5．硫硫是鋼中有害的元素之一，呈非金屬的硫化夾雜物存在于鋼中，降低各種機(jī)械性能。硫化物所造成的低熔點(diǎn)使鋼在焊接時(shí)易產(chǎn)生熱裂紋，顯著降低可焊性。硫亦有強(qiáng)烈的偏析作用，增加了危害性。6．氧氧是鋼中的有害雜質(zhì)，主要存在于非金屬夾雜物內(nèi)，少量溶于鐵素體中。非金屬夾雜物降低鋼的機(jī)械性能，特別是韌性。氧有促進(jìn)時(shí)效傾向的作用。氧化物所造成的低熔點(diǎn)亦使鋼的可焊性變壞。7．氮氮主要嵌溶于鐵素體中，也可呈化合物形式，氮對(duì)鋼材性能的影響與碳、磷相似，使鋼材的強(qiáng)度提高，塑性特別是韌性顯著下降。7.2建筑鋼材的選用用于建筑工程中的鋼材可分為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)用鋼和鋼結(jié)構(gòu)用鋼。其母材主要是碳素結(jié)構(gòu)鋼及低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼。鋼結(jié)構(gòu)常用鋼材包括角鋼、工字鋼、槽鋼和鋼管、鋼板等；鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)用鋼主要有鋼筋、鋼絲和鋼絞線等。7.2.1常見(jiàn)鋼種1．碳素結(jié)構(gòu)鋼（1）牌號(hào)的表示方法牌號(hào)的表示方法按屈服點(diǎn)值分為5種：195，215，235，255，275MPa，如屈服點(diǎn)為175MPa的結(jié)構(gòu)鋼用Q195表示；按磷、硫雜質(zhì)的含量由多到少分為A，B，C，D四個(gè)質(zhì)量等級(jí)；按脫氧方式分為F（沸騰鋼）、B（半鎮(zhèn)靜鋼）、Z（鎮(zhèn)靜鋼）、TZ（特殊鎮(zhèn)靜鋼）4種。（2）碳素結(jié)構(gòu)鋼的選用碳素結(jié)構(gòu)鋼的選用建筑工程中主要應(yīng)用Q235號(hào)鋼，可用于軋制各種型鋼、鋼板、鋼管與鋼筋。它具有較高的強(qiáng)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(jí)可用在重要的焊接結(jié)構(gòu)。

Q195，Q215號(hào)鋼材強(qiáng)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(hào)鋼材強(qiáng)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。2．低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼根據(jù)《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》（GB/T1591—2008）規(guī)定，低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼共有8個(gè)牌號(hào)：Q345，Q390，Q420，Q460，Q500，Q550，Q620，Q690。低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)由代表屈服點(diǎn)的字母Q、屈服點(diǎn)數(shù)值、質(zhì)量等級(jí)符號(hào)（A，B，C，D，E）三個(gè)部分按順序組成。低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼與碳素鋼相比具有突出的優(yōu)點(diǎn)：強(qiáng)度高，可減輕自重，節(jié)約鋼材；綜合性能好，如抗沖擊性、耐腐蝕性能、耐低溫性能好，使用壽命長(zhǎng)；塑性、韌性和可焊性好，有利于加工和施工。由于低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼具有以上優(yōu)良性能，主要用于軋制型鋼、鋼板、鋼筋及剛管，在建筑工程中廣泛用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)，特別是重型、大跨度、大空間、高層結(jié)構(gòu)和橋梁等。低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的選用Q345，Q390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，主要用于承受較高荷載的焊接結(jié)構(gòu)；Q420，Q460鋼強(qiáng)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)及要求強(qiáng)度高、荷載大的輕型結(jié)構(gòu)。7.2.2鋼結(jié)構(gòu)用鋼1．熱軋型鋼常用熱軋型鋼有角鋼、工字鋼、槽鋼、T型鋼、H型鋼、Z型鋼等。我國(guó)建筑用的熱軋型鋼主要采用的是碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235-A。在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中，推薦使用的低合金鋼有兩種：Q345（16Mn）及Q390（15MnV），用于大跨度、承受動(dòng)荷載的鋼結(jié)構(gòu)中。工字鋼與H型鋼的區(qū)別：H型鋼的翼緣是平板，厚度沒(méi)有變化，而工字鋼的翼緣是由根部向邊上逐漸變薄的，有一定的角度，這是區(qū)分它們顯著特征，工字鋼翼緣是變截面靠腹板部厚，外部薄，H型鋼的翼緣是等截面。2．冷彎薄壁型鋼冷彎薄壁型鋼常有厚度為2～6mm的鋼板或鋼帶經(jīng)冷彎或模壓制成，截面各部分厚度相同，彎角處均成圓弧形。冷彎薄壁型鋼有各種截面形式，其特點(diǎn)是壁薄，截面形式和尺寸均可按受力特點(diǎn)合理設(shè)計(jì)，能充分利用鋼材的強(qiáng)度，因而與截面積相同的熱軋型鋼相近，是一種高效經(jīng)濟(jì)的鋼材，一般用于跨度小、荷載輕的鋼結(jié)構(gòu)中。3．鋼板、壓型鋼板、鋼管如圖7-7為鋼管，如圖7-8所示為壓型鋼板。圖7-7鋼管圖7-8壓型鋼板7.2.3鋼筋混凝土用鋼鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)用的鋼筋和鋼絲主要由碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金機(jī)構(gòu)鋼軋制而成。一般把直徑為3～5mm的稱(chēng)為鋼絲，直徑為6～20mm的稱(chēng)為鋼筋，直徑大于12mm的稱(chēng)為粗鋼筋。主要品種有熱軋鋼筋、冷拉鋼筋、冷軋帶肋鋼筋、熱處理鋼筋、預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絲和鋼絞線。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（如圖7-9所示）。（a）等高肋鋼筋（b）月牙肋鋼筋圖7-9帶肋鋼筋外觀形狀根據(jù)強(qiáng)度的高低，熱軋鋼筋又分為不同的強(qiáng)度等級(jí)，各強(qiáng)度等級(jí)熱軋鋼筋的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表7-1所示。我國(guó)熱軋鋼筋標(biāo)準(zhǔn)，按屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等力學(xué)性能分I～I(xiàn)V級(jí)，4個(gè)強(qiáng)度等級(jí)的鋼筋中，除I級(jí)鋼筋為低碳鋼外，其余三級(jí)熱軋帶肋鋼筋均為低合金鋼。其牌號(hào)由HRB和規(guī)定屈服強(qiáng)度最小值構(gòu)成，H，R，B分別為熱軋、肋、鋼筋的英文名稱(chēng)的第一個(gè)字母。熱軋鋼筋是建筑工程中用量最大的鋼材品種之一，主要用于鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的配筋。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，因而廣泛用做普通鋼筋混凝土構(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、中型鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)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。2．預(yù)應(yīng)力混凝土用熱處理鋼筋預(yù)應(yīng)力混凝土用熱處理鋼筋用f8，f10mm的熱軋帶肋鋼筋經(jīng)淬火和回火等調(diào)質(zhì)處理而成，代號(hào)為RB150。其優(yōu)點(diǎn)：強(qiáng)度高，可代替高強(qiáng)鋼絲使用；配筋根數(shù)少，節(jié)約鋼材；錨固性好，不易打滑，預(yù)應(yīng)力值穩(wěn)定；施工簡(jiǎn)便，開(kāi)盤(pán)后鋼筋自然伸直，不需調(diào)直及焊接。主要用于預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土軌枕，也用于預(yù)應(yīng)力梁、板結(jié)構(gòu)及吊車(chē)梁等。3．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