第八章建筑鋼材

建筑鋼材三江土木工程學(xué)院基本知識鋼與生鐵的區(qū)分在于含碳量的大小。含碳量小于2.06％的鐵碳合金稱為鋼。含碳量大于2.06％的鐵碳合金稱為生鐵。

定義

指建筑工程中所用的各種鋼材包括：型鋼，鋼板，鋼絲，鋼筋工字鋼圓鋼、角鋼鋼絲繩鋼管特點

優(yōu)點

1、抗拉、抗壓強(qiáng)度高；2、能承受沖擊和振動荷載；3、塑性好、韌性好（能承受較大的彈性和塑性變形）；4、加工性好（可以在常溫和高溫下加工成各種需要的形狀，同時還可以通過焊接、鉚接、切割和彎曲等加工手段制成鋼制品和鋼結(jié)構(gòu)）

缺點

1、易銹蝕；2、維護(hù)費用大應(yīng)用

隨著我國鋼鐵工業(yè)的迅速發(fā)展，為建筑工程提供的鋼材品種和數(shù)量都在不斷增加，建筑工程中，許多結(jié)構(gòu)，尤其多層、大跨結(jié)構(gòu)及高層結(jié)構(gòu)，受動荷載作用的工業(yè)廠房，將越來越多地使用鋼材。意義

建筑鋼材是建筑中常用的材料。鋼材的品種多，性質(zhì)差別大。為了掌握鋼材的合理使用，應(yīng)對鋼材的生產(chǎn)、組成、性質(zhì)和用途等知識有一定的了解本章的重點是鋼材的技術(shù)性質(zhì)（主要是抗拉性能）、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和選用?！?.1金屬的微觀結(jié)構(gòu)及鋼材的化學(xué)組成1、鋼材的晶體結(jié)構(gòu)

鋼材和一切金屬材料一樣，也為晶體結(jié)構(gòu)，它是鐵-碳合金晶體。鋼材的成分對性能的影響

除鐵、碳外，鋼材在冶煉過程中會從原料、燃料中引入一些的其他元素。鋼材的成分對性能有重要影響。這些成分可分為兩類：一類能改善優(yōu)化鋼材的性能稱為合金元素，主要有Si、Mn、Ti、V、Nb等；另一類能劣化鋼材的性能，屬鋼材的雜質(zhì)，主要有氧、硫、氮、磷等。鋼材的分類（一）按化學(xué)成分分低合金鋼<5%中合金鋼=5～10%高合金鋼>10%

（二）

按含碳量分低碳鋼（含碳量<0.25%)中碳鋼（含碳量0.25%~0.6％)高碳鋼（含碳量>0.26%)。

（三）按主要性能及使用特性分結(jié)構(gòu)鋼（包括機(jī)械結(jié)構(gòu)用鋼及工程結(jié)構(gòu)用鋼）：包括碳素結(jié)構(gòu)鋼、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼、低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼及合金結(jié)構(gòu)鋼等。碳素結(jié)構(gòu)鋼及低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼是建筑工程用鋼的主要鋼種，大多數(shù)型鋼、鋼板、鋼筋等是用這些鋼軋制的。工具鋼：主要用于刀具，模具等各種工具，含碳量一般較高，便于進(jìn)行熱處理。特殊性能鋼及專門用途鋼：主要有橋梁鋼、鐵道用鋼、船舶用鋼、壓力容器用鋼等。(四)按質(zhì)量分普通質(zhì)量鋼優(yōu)質(zhì)鋼特殊優(yōu)質(zhì)鋼(五)按其加工工藝分壓鋼鍛鋼鑄鋼(六)按冶煉方法分轉(zhuǎn)爐法平爐法電爐法(六)按鋼脫氧程度分碳素鋼可分為沸騰鋼(F)、鎮(zhèn)靜鋼(Z)和半鎮(zhèn)靜鋼(b)及特殊鎮(zhèn)靜鋼(TZ)。建筑鋼材的技術(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)性能抗拉性能沖擊韌性疲勞強(qiáng)度硬度冷彎性能建筑鋼材的主要力學(xué)性能

在外力作用下，材料抵抗變形和斷裂的能力稱為強(qiáng)度。測定鋼材強(qiáng)度的主要方法是拉伸試驗，鋼材受拉時，在產(chǎn)生應(yīng)力的同時，相應(yīng)地產(chǎn)生應(yīng)變。應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系反映出鋼材的主要力學(xué)特征?？估阅艿吞间摰氖芾^程分為四個階段O彈性階段OA屈服階段AB強(qiáng)化階段BC頸縮階段CDABCD低碳鋼受拉的應(yīng)力－應(yīng)變圖一、彈性階段OA

一條通過原點的直線，應(yīng)力與應(yīng)變成正比。彈性彈性模量

E值的大小反映了鋼材抵抗彈性變形的能力。

A點對應(yīng)的應(yīng)力。αOA低碳鋼受拉的應(yīng)力－應(yīng)變圖

E1

＞E2圖形的特點：試件的特點：計算的指標(biāo)：ABCD彈性極限二、屈服階段AB

一條波動的曲線，應(yīng)力增加很小，而應(yīng)變增加很大。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——

屈服強(qiáng)度（也叫屈服點）點對應(yīng)的應(yīng)力。圖形的特點：試件的特點：計算的指標(biāo)：αOA低碳鋼受拉的應(yīng)力－應(yīng)變圖ACDBB上B下屈服。三、強(qiáng)化階段BC

一段上升的曲線。抵抗塑性變形的能力又重新提高——抗拉強(qiáng)度

圖形的特點：試件的特點：計算的指標(biāo)：αOA低碳鋼受拉的應(yīng)力－應(yīng)變圖ACDBB上B下C點對應(yīng)的應(yīng)力。強(qiáng)化。四、頸縮階段CD

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——

，直到斷裂。伸長率δ：

圖形的特點：試件的特點：計算的指標(biāo)：αOAACDBB上B下L1L0計算的指標(biāo)：頸縮三個重要的指標(biāo)1.屈服強(qiáng)度σs

結(jié)構(gòu)設(shè)計中鋼材強(qiáng)度取值的依據(jù)2.抗拉強(qiáng)度σb

鋼材所能承受的最大應(yīng)力屈強(qiáng)比

屈強(qiáng)比，利用率，安全可靠程度3.伸長率δ

衡量鋼材塑性的指標(biāo)，越大說明鋼材的塑性越好

↑αOAACDBB上B下↑↓中碳鋼、高碳鋼的應(yīng)力－應(yīng)變圖規(guī)定：產(chǎn)生殘余變形為原始標(biāo)距的0.2%時所對應(yīng)的應(yīng)力值，作為硬鋼的屈服強(qiáng)度，稱為條件屈服強(qiáng)度，用σ0.2表示。

拉伸性能是建筑鋼材最重要的性能。通過對鋼材進(jìn)行抗拉試驗所測的的彈性模量、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和伸長率是鋼材的四個重要技術(shù)性質(zhì)指標(biāo)?？估阅芾鋸澬阅芾鋸澬阅苁侵镐摬脑诔叵鲁惺軓澢冃蔚哪芰Γ栽囼灂r的彎曲角度α和彎心直徑d為指標(biāo)表示。鋼材的冷彎試驗是通過直徑(或厚度)為a的試件，采用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的彎心直徑d（d=na，n為整數(shù)），彎曲到規(guī)定的角度時（180°或90°），檢查彎曲處有無裂紋、斷裂及起層等現(xiàn)象。若沒有這些現(xiàn)象則認(rèn)為冷彎性能合格。鋼材冷彎時的彎曲角度越大，彎心直徑越小，則表示冷彎性能越好。圖2-12鋼材的冷彎沖擊韌性

鋼材的沖擊韌性是處在簡支梁狀態(tài)的金屬試樣在沖擊負(fù)荷作用下折斷時沖擊吸收功。鋼材的沖擊韌性越大,鋼材抵抗沖擊荷載的能力越強(qiáng)。鋼材的沖擊韌性試驗是將標(biāo)準(zhǔn)彎曲試樣置于沖擊機(jī)的支架上，并使切槽位于受拉的一側(cè)。

鋼的化學(xué)成分例：S、P↑沖擊韌性↓冶煉及軋制質(zhì)量質(zhì)量↑沖擊韌性↑溫度溫度↓，沖擊韌性↓

ak影響沖擊韌性的因素

時效

隨時間的延長而表現(xiàn)出強(qiáng)度提高，塑性和沖擊韌性下降的現(xiàn)象稱為時效。完成時效變化的過程可達(dá)數(shù)十年，但是鋼材如經(jīng)受冷加工變形，或使用中經(jīng)受震動和反復(fù)荷載的影響，時效可迅速發(fā)展。硬度

鋼材抵抗另一硬物體壓入其內(nèi)的能力叫硬度，即受壓時抵抗局部塑性變形的能力。用布氏法兩種方法測定。布氏硬度測量原理圖

耐疲勞性設(shè)計承受交變荷載且須進(jìn)行疲勞驗算的結(jié)構(gòu)時，應(yīng)當(dāng)了解所用鋼材的疲勞強(qiáng)度。受交變荷載反復(fù)作用，鋼材在應(yīng)力低于其屈服強(qiáng)度的情況下突然發(fā)生脆性斷裂破壞的現(xiàn)象，稱為疲勞破壞。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(kuò)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。

鋼材的強(qiáng)化與加工1、冷加工強(qiáng)化

將鋼材于常溫下進(jìn)行冷拉、冷拔或冷軋使其產(chǎn)生塑性變形，從而提高屈服強(qiáng)度，降低塑性、韌性，這個過程稱為冷加工強(qiáng)化處理。

建筑工程中大量使用的鋼筋采用冷加工強(qiáng)化具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。冷拔鋼絲的屈服點可提高40％～60％。由此可適當(dāng)減小鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計截面，或減小混凝土中配筋數(shù)量，從而達(dá)到節(jié)約鋼材的目的。冷拔作用比純拉伸的作用強(qiáng)烈，鋼筋不僅受拉，而且同時受到擠壓作用。冷拉

將熱軋鋼筋用拉伸設(shè)備在常溫下拉長，使之產(chǎn)生一定的塑性變形稱之為冷拉。鋼材用拉伸設(shè)備拉伸后能提高強(qiáng)度。2、時效處理

將冷加工處理后的鋼筋，在常溫下存放15～20d，或加熱至100～200℃后保持一定時間（2～3h），其屈服強(qiáng)度進(jìn)一步提高，且抗拉強(qiáng)度也提高，同時塑性和韌性也進(jìn)一步降低，彈性模量則基本恢復(fù)。這個過程稱為時效處理。

時效處理方法有兩種：在常溫下存放15～20d，稱為自然時效，適合用于低強(qiáng)度鋼筋；加熱至100～200℃后保持一定時間（2～3h），稱人工時效，適合于高強(qiáng)鋼筋。說明：冷拉后屈服強(qiáng)度可提高20%-30%，時效處理后還可使抗拉強(qiáng)度提高。可節(jié)約鋼材20%-30%。

3、熱處理熱處理是將鋼材按規(guī)定的溫度制度，進(jìn)行加熱、保溫和冷卻處理，以改變其組織，得到所需要的性能的一種工藝。熱處理包括淬火、回火、退火和正火。鋼材的焊接

焊接是把兩塊金屬局部加熱，并使其接縫部分迅速呈熔融或半熔融狀態(tài)，而牢固的連接起來。它是鋼結(jié)構(gòu)的主要連接形式。

鋼材的焊接性能是指在一定的焊接工藝條件下，在焊縫及其附近過熱區(qū)不產(chǎn)生裂紋及硬脆傾向，焊接后鋼材的力學(xué)性能，特別是。強(qiáng)度不低于原有鋼材的強(qiáng)度焊接質(zhì)量的檢驗方法測量：將焊接的鋼材試件進(jìn)行拉伸試驗，要求斷裂處不在焊接點上。合格不合格鋼材的可焊性試驗焊接點斷裂點斷裂點鋼材的防火

鋼是不燃性材料，但這并不表明鋼材能夠抵抗火災(zāi)。耐火試驗與火災(zāi)案例表明：以失去支持能力為標(biāo)準(zhǔn)，無保護(hù)層時鋼柱和鋼屋架的耐火極限只有0.25h，而裸露鋼梁的耐火極限為0.15h。溫度在200℃以內(nèi)，可以認(rèn)為鋼材的性能基本不變；超過300℃以后，彈性模量、屈服點和極限強(qiáng)度均開始顯著下降，應(yīng)變急劇增大；至達(dá)600℃時已經(jīng)失去承載能力。所以，沒有防火保護(hù)層的鋼結(jié)構(gòu)是不耐火的。鋼材的防火鋼結(jié)構(gòu)防火保護(hù)的基本原理是采用絕熱或吸熱材料，阻隔火焰和熱量，推遲鋼結(jié)構(gòu)的升溫速率。防火方法以為主，即以防火涂料、不燃性板材或混凝土和砂漿將鋼構(gòu)件包裹起來。包覆法鋼材的防護(hù)

鋼材的腐蝕既有內(nèi)因（材質(zhì)），又有外因（環(huán)境介質(zhì)的作用），因此要防止或減少鋼材的腐蝕可以從改變鋼材本身的易腐蝕性，隔離環(huán)境中的侵蝕性介質(zhì)或改變鋼材表面的電化學(xué)過程三方面入手。具體措施有采用耐候鋼、金屬覆蓋、非金屬覆蓋和混凝土用鋼筋的防銹。建筑鋼材的主要品種⑴碳素結(jié)構(gòu)鋼

碳素結(jié)構(gòu)鋼可分為5個牌號（即Q195、Q215、Q235、Q255和Q275），其含碳量在0.06%~0.38%之間。碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號由代表屈服點的字母、屈服點數(shù)值、質(zhì)量等級符號、脫氧方法等四部分按順序組成。

其中以“Q”代表屈服點；屈服點數(shù)值共分195MPa、215MPa、235MPa、255MPa和275Mpa五種；質(zhì)量等級以硫、磷等雜質(zhì)含量由多到少，分別為A、B、C、D符號表示；脫氧方法以F表示沸騰鋼、b表示半鎮(zhèn)靜鋼、Z、TZ表示鎮(zhèn)靜鋼和特殊鎮(zhèn)靜鋼，Z和TZ在鋼的牌號中予以省略。隨著牌號的增大，對鋼材屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的要求增大，對伸長率的要求降低。牌號及其表示方法如下所示。

Q235-BF:屈服強(qiáng)度是235MPa，B級，沸騰鋼。

牌號與性能的關(guān)系

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB700-88的規(guī)定，碳素結(jié)構(gòu)鋼按屈服點分為五個牌號，當(dāng)牌號增大時，鋼材的含碳量提高，強(qiáng)度提高，伸長率降低，塑性和韌性降低，冷彎性能逐漸變差。同一鋼號內(nèi)質(zhì)量等級越高，鋼材的質(zhì)量越好，如Q235C、Q235D級優(yōu)于Q235A、Q235B級。質(zhì)量等級：取決于鋼材內(nèi)有害雜質(zhì)S、P的含量，鋼材的質(zhì)量好，其焊接性能和低溫抗沖擊性能也提高。（2）低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼

低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼是一種在碳素鋼的基礎(chǔ)上添加總量小于5％合金元素的鋼材（常用的合金元素有：Si、Mn、Ti、Nb、V和C等），具有強(qiáng)度高，塑性和低溫沖擊韌性好、耐銹蝕等特點。低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼牌號及其表示方法

低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的牌號的表示方法為：屈服強(qiáng)度－質(zhì)量等級，它以屈服強(qiáng)度劃分成五個等級：Ｑ295、Q345、Q390、Q420、Q460，質(zhì)量也分為五個等級：E、D、C、B、A（根據(jù)所含硫、磷等有害物質(zhì)的含量）。低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼由于合金元素的強(qiáng)化作用，使低合金結(jié)構(gòu)鋼的強(qiáng)度不但大大高于碳素結(jié)構(gòu)鋼，并且具有較好的