建筑鋼材的力學(xué)性能及其技術(shù)指標(biāo)

建筑鋼材的力學(xué)性能及其技術(shù)指標(biāo)鋼筋作為一種建筑材料，廣泛用于各種建筑結(jié)構(gòu)、特別是大型、重型、輕型薄壁和高層建筑結(jié)構(gòu)。鋼筋是指鋼筋混凝土用和預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土用鋼材。鋼筋的分類鋼筋可按化學(xué)成分、外形、加工方法和供貨形式進(jìn)行分類。鋼筋按化學(xué)成分的不同可分為碳素鋼筋和合金鋼筋，碳元素和合金元素的含量還有低、中、高之分。鋼筋按外形的不同分為光圓鋼筋、帶肋鋼筋、刻痕鋼筋和鋼絞線（建筑結(jié)構(gòu)第三版圖2-1）。帶肋是指表面帶有凸紋。目前，帶肋鋼筋的凸紋一般為月牙紋?？毯凼菍⒖坛鰴E圓形的淺坑。鋼絞線則由多股高強(qiáng)度光圓鋼筋絞合而成。鋼筋按加工方法的不同可分為熱軋鋼筋、冷拉鋼筋、冷拔鋼筋、冷軋鋼筋和熱處理鋼筋等。熱軋鋼筋是用低碳鋼或低合金鋼在高溫下軋制而成。根據(jù)其強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的不同，熱軋鋼筋又分為235、335、400、500四個(gè)級(jí)別。級(jí)別越高，鋼筋的強(qiáng)度也越高，但塑性越差。235級(jí)鋼筋用普通低碳鋼（含碳不大于0.25%）制成，表面光圓，最小直徑為6mm。335、400、500級(jí)鋼筋用低、中碳的低合金鋼（含碳不大于0.6%，其他合金總量不大于5%）制成，表面有肋紋，最小直徑一般為10mm。各種級(jí)別熱軋鋼筋的符號(hào)和所用，鋼材的牌號(hào)列于表2-1。各種級(jí)別熱軋鋼筋的符號(hào)和牌號(hào)表2-1熱扎鋼筋級(jí)別符號(hào)牌號(hào)曾用牌號(hào)235HPB235Q235335HRB33520MnSi400HRB400、RRB40020MnSiV、20MNnTi、20MnSiNb、K20MnSi500HRB50040Si2Mn、48Si2Mn、45Si2Cr注：400級(jí)K20MnSi鋼筋系余熱處理鋼筋，牌號(hào)為RRB400。牌號(hào)中的字母H表示熱軋；P表示光圓，R表示帶肋；B表示鋼筋。數(shù)字表示最低屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。冷拉鋼筋是在常溫下，把熱軋鋼筋拉伸至強(qiáng)化階段所得到的鋼筋。熱軋鋼筋經(jīng)冷拉后屈服強(qiáng)度有較大提高，經(jīng)時(shí)效處理后抗拉極限強(qiáng)度也有所提高，但鋼筋的塑性則有所下降。冷拉鋼筋也分為四個(gè)級(jí)別，符號(hào)分別為111111111111111。由于冷拉鋼筋塑性較差，現(xiàn)已很少采用。冷拔鋼筋是在常溫下，使熱軋光圓鋼筋通過硬質(zhì)合金拔絲模上比鋼筋直徑稍小的錐形孔，強(qiáng)行拉拔而成（建筑結(jié)構(gòu)第三版圖2-2）。拉拔次數(shù)越多，直徑就越小，強(qiáng)度就越高。冷拔低碳鋼筋用Q235熱軋鋼筋冷拔而成，分為甲、乙兩級(jí)；甲級(jí)強(qiáng)度較高，但必須逐盤檢驗(yàn)，并根據(jù)檢驗(yàn)所得的抗拉強(qiáng)度分為Ⅰ、Ⅱ兩組，其直徑有4mm和5mm兩種;乙級(jí)強(qiáng)度較低，僅要求分批檢驗(yàn)，直徑為3～5mm。冷拔低碳鋼筋的符號(hào)為1111。冷拔鋼筋強(qiáng)度雖高，但表面光滑，與之間的粘結(jié)力較差，現(xiàn)已很少采用。冷軋鋼筋是在常溫下，將光圓的普通低碳或低合金鋼筋（Q215、Q235、20MnSi、24MnTi）經(jīng)過軋制，使其減小直徑，并且表面帶肋（一般為三面帶有月牙紋肋）的鋼筋。目前使用的冷軋帶肋鋼筋按其極限抗拉強(qiáng)度分為CRB550、CRB650和CRB800三個(gè)牌號(hào)。其中，CRB550一般用Q215圓鋼冷軋而成，CRB650用Q235圓鋼冷軋而成，CRB800則是用20MnSi或24MnTi圓鋼冷軋而成、CRB550鋼筋的直徑為4～12mm，CRB650鋼筋的直徑為4～6mm，CRB800鋼筋的直徑目前只有5mm一種。冷軋鋼筋～強(qiáng)度較高，且表面帶肋，可用來取代小直徑的Q235光圓鋼筋或冷拔低碳鋼絲。目前，CRB55O鋼筋一般用來取代Q235光圓鋼筋，用于現(xiàn)澆板或梁柱箍筋；而CRB650和CRB800鋼筋則一般用來取代甲級(jí)冷拔低碳鋼絲，用于中小型預(yù)應(yīng)力構(gòu)件，如預(yù)應(yīng)力多孔板。熱處理鋼筋是將500級(jí)熱軋鋼筋經(jīng)過加熱、淬火和回火等調(diào)質(zhì)處理后得到的鋼筋，其強(qiáng)度比500級(jí)鋼筋高得多，而塑性卻降低不多。熱處理鋼筋用于大型預(yù)應(yīng)力混領(lǐng)土構(gòu)件。該種鋼筋的符號(hào)位1111。大型預(yù)應(yīng)力混領(lǐng)土構(gòu)件除采用熱處理鋼筋外，還常用消除應(yīng)力鋼絲和鋼絞線。它們的強(qiáng)度均很高。消除應(yīng)力鋼絲采用高碳圓鋼（含碳量0.7%～1.4%），經(jīng)過加熱、淬火、冷拔和回火等工藝制成，其符號(hào)為1111111111111。鋼絞線是將多根碳素鋼絲（一般為7根）用絞盤絞制而成。其標(biāo)志直徑為截面外接圓的直徑，其符號(hào)為111111111111。鋼筋按供貨形式可分為直條鋼筋和盤園鋼筋兩種。直徑為10～15mm的鋼筋通常用直條供應(yīng)，長度為6～12m；直徑小于10mm的鋼筋通常用圓盤供應(yīng)。鋼筋的強(qiáng)度和變形鋼筋的強(qiáng)度和變形方面的性能主要用鋼筋拉伸試驗(yàn)所得的應(yīng)力-應(yīng)變曲線來表示。鋼筋的種類、級(jí)別不同，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線也不同。熱軋和冷拉鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變曲線具有明顯的流幅，該類鋼筋又被稱為軟鋼；冷拔、冷軋、熱處理鋼筋、高強(qiáng)鋼絲和鋼絞線的應(yīng)力-應(yīng)變曲線則無明顯流幅，該類鋼筋又被稱為硬鋼。軟鋼典型的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2-3所示。建筑結(jié)構(gòu)第三版在a點(diǎn)之前，材料處于彈性階段，應(yīng)力與應(yīng)變成正比，其比值即為鋼筋的彈性模量11111111。對應(yīng)于a點(diǎn)的應(yīng)力稱為比例極限。a點(diǎn)以后，應(yīng)變增加變快，圖形變曲，鋼筋開始表現(xiàn)出塑性的性質(zhì)。當(dāng)?shù)竭_(dá)b點(diǎn)時(shí)，應(yīng)力不再增加而應(yīng)變卻繼續(xù)增加，鋼筋開始塑性流動(dòng)，直至c點(diǎn)。這種現(xiàn)象稱為鋼筋的“屈服”，對應(yīng)于b點(diǎn)的應(yīng)力稱為屈服強(qiáng)度，bc水平段稱為流幅或屈服臺(tái)階。C點(diǎn)以后，鋼筋又部分恢復(fù)彈性，應(yīng)力沿曲線上升至最高點(diǎn)d，對應(yīng)于d點(diǎn)的應(yīng)力稱為極限強(qiáng)度，cd段稱為強(qiáng)化階段。d點(diǎn)以后，鋼筋在薄弱發(fā)生局部頸縮現(xiàn)象，塑性變形迅速增加，而應(yīng)力卻隨之下降，到達(dá)e點(diǎn)時(shí)試件斷裂。斷裂后的殘余應(yīng)變稱為伸長率，用δ表示。強(qiáng)度級(jí)別不同的軟鋼，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線也有所不同。235～500級(jí)熱軋鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2-4所示，建筑結(jié)構(gòu)第三版由圖可知，隨著級(jí)別的提高，鋼筋的強(qiáng)度增加，但伸長率降低。硬鋼典型的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2-5所示建筑結(jié)構(gòu)第三版，由圖可知，這類鋼筋無明顯的流幅和屈服強(qiáng)度。與軟鋼相比，這類鋼筋的極限強(qiáng)度較高而伸長率較小。鋼筋的變形性能除伸長率之外，還有冷彎性能。它是指鋼筋在常溫下承受彎曲的性能，采用冷彎試驗(yàn)測定。冷彎試驗(yàn)的合格標(biāo)準(zhǔn)為：在規(guī)定的彎心直徑D和冷彎角度α下彎曲后，在彎曲處鋼筋無裂紋、鱗落或斷裂現(xiàn)象。按鋼筋技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，不同種類鋼筋的D和α的取值不同，例如335級(jí)月牙紋鋼筋的α=180°，當(dāng)直徑不大于25㎜時(shí)，彎心直徑D=3d，當(dāng)直徑d大于25㎜時(shí)，彎心直徑D=4d。鋼筋在彈性階段的應(yīng)力與應(yīng)變之比稱為彈性模量，用11111表示，各種鋼筋的11111數(shù)值見附表5和附表6建筑結(jié)構(gòu)第三版鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，軟鋼和硬鋼設(shè)計(jì)強(qiáng)度的取值依據(jù)不同。軟鋼取屈服強(qiáng)度作為設(shè)計(jì)強(qiáng)度的依據(jù)，這是因?yàn)檫@種鋼筋屈服后有較大的塑性變形，這時(shí)即使荷載基本不增加，構(gòu)件也會(huì)產(chǎn)生很大的裂縫和變形，以致不能使用。硬鋼無明顯的屈服點(diǎn)，但為防止構(gòu)件突然破壞并防止構(gòu)件裂縫和變形太大，設(shè)計(jì)強(qiáng)度也不能取為抗拉極限強(qiáng)度，而是取其殘余應(yīng)變?yōu)?.2%時(shí)相應(yīng)的強(qiáng)度1111111（稱為條件屈服強(qiáng)度）作為設(shè)計(jì)強(qiáng)度的依據(jù)，如圖2-5所示。建筑結(jié)構(gòu)第三版鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)對鋼筋性能的要求鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)對鋼筋性能的要求主要有以下幾點(diǎn)：2.冷作硬化如前述，鋼材在彈性階段加、卸載后，不產(chǎn)生殘余變形，也不影響鋼材性能，但超過此范圍則引起鋼材性能的變化。當(dāng)重復(fù)加載、卸載，其屈服點(diǎn)提高，而塑性和人性降低，如圖2-7。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理鋼材在制造時(shí)一般需經(jīng)過冷拉、冷拔、冷彎、沖孔、剪切等冷加工過程，使得鋼材有很大的塑性變形，因而產(chǎn)生冷作硬化。冷作硬化雖然可提高鋼材的屈服強(qiáng)度，但同時(shí)降低了塑性和韌性，增加了脆性破壞的危險(xiǎn)。為了消除其不利影響，對重要結(jié)構(gòu)，如重級(jí)工作制吊車梁，須刨去因剪切形成的冷作硬化邊緣金屬。五、溫度變化的影響鋼材的力學(xué)性能隨著溫度的變化而有所改變。鋼材在低溫下的性能相比較而言更為重要。正溫范圍鋼材在正溫范圍內(nèi)，各項(xiàng)力學(xué)性能與溫度的關(guān)系詳見圖2-8，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理其總的趨勢是隨溫度的增加，強(qiáng)度降低而變形加大。溫度在200℃以內(nèi)，鋼材的性能沒有很大的變化。溫度在250℃時(shí)，抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值，塑性、韌性下降，鋼材表面氧化膜呈藍(lán)色，稱之為“藍(lán)脆”現(xiàn)象，在藍(lán)脆區(qū)進(jìn)行熱加工，可能引起裂紋。溫度超過300℃時(shí)，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、彈性模量均有所下降，而塑性增加。溫度超過400℃時(shí)，強(qiáng)度和彈性模量急劇降低。當(dāng)達(dá)到600℃時(shí)強(qiáng)度很低，已不能承受荷載。負(fù)溫范圍鋼材在負(fù)溫范圍內(nèi)屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度都增加，而塑性、韌性降低，材料轉(zhuǎn)脆。圖2-9鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理是沖擊韌性與溫度的關(guān)系示意曲線。圖中左邊和右邊部分曲線變化比較平緩，溫度帶來的變化較小，而中間部分曲線陡峭，破壞時(shí)需要的能量隨溫度急劇變化，其所對應(yīng)的溫度分別為T1和T2，稱之為溫度轉(zhuǎn)化區(qū)。在此區(qū)間內(nèi)塑性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈云茐?，曲線的反彎點(diǎn)所對應(yīng)的溫度T0稱為冷脆轉(zhuǎn)變溫度。冷脆轉(zhuǎn)變溫度因受力情況、缺口形狀和截取方向的不同而不同。構(gòu)件設(shè)計(jì)中應(yīng)避免脆性破壞，即所處溫度不大于T1；但不一定大于T2，以免不必要的浪費(fèi)。六.重復(fù)荷載作用的影響在重復(fù)荷載的作用下，鋼材的破壞強(qiáng)度低于靜力作用下的抗拉強(qiáng)度，且呈現(xiàn)突發(fā)性的脆性破壞特征，這種現(xiàn)象稱之為疲勞。七.殘余應(yīng)力的影響殘余應(yīng)力是鋼材在軋制、焊接、氣割過程中，由于不均勻的加熱和冷卻而產(chǎn)生的。對構(gòu)件的不同形狀、不同尺寸、不同的加工方式，其殘余應(yīng)力的分布和大小也不盡相同。殘余應(yīng)力的存在，使得構(gòu)件的剛度和穩(wěn)定性都有所降低。建筑鋼材的種類及選用鋼材的種類及選用在品種繁多的鋼材中，鋼結(jié)構(gòu)常有的鋼材主要有碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼兩種。后者因含有錳、釩等合金元素而具有較高的強(qiáng)度。處在腐蝕介質(zhì)中的結(jié)構(gòu)，則采用因加入銅、磷、鉻、鎳等元素而具有較高抗繡能力的高耐候結(jié)構(gòu)鋼。鋼結(jié)構(gòu)所使用的鋼材有不同的種類，每個(gè)鋼種又有不同的牌號(hào)。以下分別敘述碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金鋼的牌號(hào)和性能（緊固件中的普通螺栓、高強(qiáng)度螺栓和焊條的鋼材）碳素結(jié)構(gòu)鋼我國生產(chǎn)的碳素鋼分為Q195、Q215、Q235、Q255和Q275五個(gè)牌號(hào)。其中的Q是屈服強(qiáng)度屈字的漢語拼音的字頭，后面的阿拉伯?dāng)?shù)字表示屈服強(qiáng)度值（N∕㎜2）.有Q195到Q275主要是以強(qiáng)度由低到高排列的，鋼材強(qiáng)度主要由其中碳元素的含量的多少來確定。鋼結(jié)構(gòu)用鋼主要是Q235，其中碳含量在0.12﹪～0.22﹪之間。碳素結(jié)構(gòu)鋼的表示方法為Q235—#.#,#分別表示質(zhì)量等級(jí)和澆鑄方法。例如Q235—A.F,Q235—C等。Q235分為A、B、C、D四個(gè)等級(jí)，其中D級(jí)質(zhì)量最好，A級(jí)質(zhì)量最差。A、B級(jí)按脫氧程度分為沸騰鋼（F），半鎮(zhèn)靜鋼（b），C級(jí)為鎮(zhèn)靜鋼（Z），D級(jí)為特殊鎮(zhèn)靜鋼（TZ），其中鎮(zhèn)靜鋼（Z）.特殊鎮(zhèn)靜鋼（TZ）可以不寫。質(zhì)量優(yōu)劣主要是以V形缺口試件的沖擊韌性的要求來區(qū)分的，對冷彎試驗(yàn)只在需方有要求時(shí)菜進(jìn)行。B、C、D級(jí)分別要求20℃、0℃、-20℃時(shí)的沖擊韌性值，B、C、D級(jí)也要求冷彎試驗(yàn)合格。不同等級(jí)的Q235鋼對化學(xué)元素的含量的要求略有不同，對C、D級(jí)鋼要提高其錳的含量以改進(jìn)韌性，同時(shí)降低其含碳量的上限以保證可焊性。此外，對硫、磷含量的限制也應(yīng)得到保證。低合金結(jié)構(gòu)鋼合金元素總量低于5﹪的鋼稱之為低合金鋼，高于5%為高合金鋼。建筑結(jié)構(gòu)僅用低合金鋼，其牌號(hào)和性能如下：由于生產(chǎn)和使用經(jīng)驗(yàn)的關(guān)系，規(guī)范推薦使用低合金鋼有兩種：16Mn(16錳)和15MnV（15錳釩），規(guī)范還推薦與這兩種類似而質(zhì)量較高的橋梁用鋼，即16Mnq(16錳橋)，15MnVq(15錳釩橋)鋼。低合金鋼的品牌前兩位數(shù)表示平均含碳量的萬分?jǐn)?shù)，后面再標(biāo)出所含合金元素的符號(hào)。當(dāng)其平均含量低于1.5﹪時(shí)只列元素的符號(hào)，當(dāng)高于1.5﹪時(shí)在元素符號(hào)后列百分之幾并取整數(shù)。例如16Mn，表示其含碳量為0.16﹪及主要合金元素為錳且合金量低于1.5﹪。低合金結(jié)構(gòu)鋼的化學(xué)成分與碳素結(jié)構(gòu)鋼相似，但加入少量的合金元素。16Mn和15MnV的屈服強(qiáng)度比Q235分別高出47%和66%，并具有較好的塑性、韌性和加工性能，是強(qiáng)度高且綜合使用性能好的鋼材。用于鋼結(jié)構(gòu)可比碳素結(jié)構(gòu)鋼節(jié)約材料15%～25%，當(dāng)僅用于受拉及受彎時(shí)則節(jié)約比例更大。鋼材的選擇鋼材選用的原則和考慮因素剛才選用的原則是：既使結(jié)構(gòu)安全可靠地滿足使用要求，又要盡最大可能節(jié)約鋼材，降低造價(jià)。對于不同的使用條件，應(yīng)當(dāng)有不同的質(zhì)量要求。鋼材的力學(xué)性質(zhì)中，屈服點(diǎn)、抗拉強(qiáng)度、伸長率、冷彎性能、沖擊韌性等各項(xiàng)指標(biāo)是從不同的方面來衡量鋼材的質(zhì)量。顯然，沒有必要在不同的使用條件下都要符合這些質(zhì)量指標(biāo)。鋼材的選用應(yīng)考慮以下主要因素：結(jié)構(gòu)的類型和重要性結(jié)構(gòu)和構(gòu)件，按其用途、部位和破壞后果的嚴(yán)重性，可分為重要的、一般的和次要的三類，相應(yīng)的安全等級(jí)則為一級(jí)、二級(jí)和三級(jí)。大跨度屋梁、重型工作制吊車梁等按一級(jí)考慮，故應(yīng)采用質(zhì)量好的鋼材；一般的屋架、梁和柱按二級(jí)考慮，梯子、平臺(tái)和欄桿按三級(jí)考慮，可選擇質(zhì)量較低的鋼材。荷載的性質(zhì)按結(jié)構(gòu)所承受的荷載的性質(zhì)，可分為靜力荷載和動(dòng)力荷載兩種受力狀態(tài)。承受動(dòng)力荷載的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件中，又有經(jīng)常滿載（重級(jí)工作制）和不經(jīng)常滿載（中、輕級(jí)工作制）的區(qū)別。因此，荷載性質(zhì)不同，應(yīng)選用不同的鋼材，并提出不同的質(zhì)量保證