《建筑材料》課件第7章

項目七建筑金屬材料任務一建筑鋼材任務二建筑鋼材的技術(shù)性能任務三建筑鋼材的技術(shù)標準與選用任務四鋼筋混凝土用鋼任務五鋼材的防銹蝕與防火任務六有色金屬材料

教學要求

了解：鋼材的冶煉方法和分類，建筑工程常用鋼材的化學成分對鋼材性能的影響。

掌握：鋼材的力學性能、工藝性能。

重點：建筑鋼材的標準與選用。

難點：屈強比概念的理解與應用。

【走進歷史】

人類最早用來建橋的金屬材料是鐵

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)，曾在四川瀘州用鐵鏈建造了規(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，教訓慘痛。此后，人們研究和比較了鋼材與鑄鐵，發(fā)現(xiàn)鋼材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。于是，人類于1791年首次使用鋼材建造人行橋。人類在總結(jié)了兩百多年使用鋼材建橋的經(jīng)驗后，現(xiàn)在懸索橋已成為特大跨徑橋梁的主要形式。

土木工程中所使用的各種材料統(tǒng)稱為土木工程材料。土木材料的品種很多，一般分為金屬材料和非金屬材料兩大類，金屬材料包括黑色金屬(鋼、鐵)與有色金屬，土木工程中用量最大的金屬材料是鋼材。

1.鋼的概述

鋼是由生鐵冶煉而成的。生鐵是由鐵礦石、熔劑(石灰石)、燃料(焦炭)在高爐中經(jīng)過還原反應和造渣反應而得到的一種鐵碳合金，其中碳、磷和硫等雜質(zhì)的含量較高。任務一建筑鋼材生鐵脆、強度低、塑性和韌性差，不能用焊接、鍛造、軋制等方法加工。煉鋼是把熔融的生鐵進行氧化，使含碳量降低到預定的范圍，其他雜質(zhì)含量降低到允許范圍。理論上凡含碳量在2%以下，含有害雜質(zhì)較少的鐵碳合金可稱為鋼。

建筑工程上所用的鋼筋、鋼絲、型鋼、鋼板和鋼管等通稱為建筑鋼材。作為一種常用的建筑材料，鋼材的主要優(yōu)點是：強度高，表現(xiàn)為抗拉、抗壓、抗彎及抗剪強度都很高，可用于鋼結(jié)構(gòu)中制作各種構(gòu)件。在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，鋼筋能彌補混凝土抗拉彎、抗剪和抗裂性能較低的缺點；塑性好，在常溫下鋼材能承受較大的塑性變形；質(zhì)地均勻、性能可靠，鋼材性能的利用率比其他非金屬材料要高得多，若對鋼材實行熱處理，還可根據(jù)所需要的性能進行改性。由于建筑鋼材具有一系列的優(yōu)良性能，因此被廣泛地應用于建筑工程中，但鋼材也存在易銹蝕及耐火性差的缺點。

2.鋼材的分類

鋼按化學成分可分為碳素鋼和合金鋼兩大類。碳素鋼即合金元素含量極少的一類鋼材，根據(jù)含碳量可分為低碳鋼(含碳量小于0.25%)、中碳鋼(含碳量為0.25%～0.6%)、高碳鋼(含碳量大于0.6%)。合金鋼中含有一種或多種特意加入或超過碳素鋼限量的化學元素，如錳、硅、釩、鈦等。這些元素稱為合金元素。合金元素用于改善鋼的性能，或者使其獲得某些特殊性能。合金元素總含量小于5%的鋼為低合金鋼，為5%～10%的鋼為中合金鋼，大于10%的為高合金鋼。按冶煉方法鋼又分為平爐鋼、氧氣轉(zhuǎn)爐鋼和電爐鋼三種。按用途分為結(jié)構(gòu)鋼(用于建筑結(jié)構(gòu)及機械制造)、工具鋼(用于制造各種工具，如金屬切削刀具、模具和一般刀具)、特殊性能鋼(如不銹鋼、耐熱鋼、耐酸鋼等)。

按鋼材中硫、磷的含量，將碳素鋼和低合金鋼分為普通質(zhì)量、優(yōu)質(zhì)和特殊質(zhì)量三個等級；合金鋼分為優(yōu)質(zhì)和特殊質(zhì)量兩個等級。在建筑工程中常用的是普通質(zhì)量和優(yōu)質(zhì)碳素鋼以及普通低合金鋼。

按脫氧程度不同分類：脫氧充分者為鎮(zhèn)靜鋼和特殊鎮(zhèn)靜鋼；脫氧不充分者為沸騰鋼；介于二者之間的為半鎮(zhèn)靜鋼。

鋼材作為主要的受力結(jié)構(gòu)材料，不僅需要具有一定的力學性能，同時還要求具有容易加工的性能，其主要的力學性能有拉伸性能、沖擊韌性、疲勞強度及硬度。而冷彎性能和可焊接性能則是鋼材重要的工藝性能。只有了解和掌握了鋼材的各種性能，才能正確、合理、經(jīng)濟地選擇和使用鋼材。任務二建筑鋼材的技術(shù)性能7.2.1鋼材的力學性能

鋼材的力學性能包括拉伸性能、沖擊韌性、疲勞強度和硬度。

1.拉伸性能

拉伸性能是建筑鋼材最重要的力學性能。當鋼材受拉，產(chǎn)生應力的同時，相應地產(chǎn)生應變。應力和應變的關(guān)系反映出鋼材的主要力學特征。如圖7-1所示，從低碳鋼(軟鋼)的應力—應變關(guān)系中可看出，低碳鋼從受拉到拉斷，經(jīng)歷了四個階段：彈性階段(OA)、屈服階段(AB)、強化階段(BC)和頸縮階段(CD)。

1)彈性階段

在圖中OA段，應力較低，應力與應變成正比例關(guān)系，卸去外力，試件恢復原狀，無殘余形變，這一階段稱為彈性階段。彈性階段的最高點(A點)所對應的應力稱為彈性極限，用σp表示，在彈性階段，應力和應變的比值為常數(shù)，這個常數(shù)稱為彈性模量，用E表示，即E

=

σ

/

ε。彈性模量是反映材料產(chǎn)生彈性變形難易程度的指標。彈性模量越大，產(chǎn)生相同的應變，需要的應力越大。

圖7-1低碳鋼受拉的應力—應變圖

2)屈服階段

當應力超過彈性極限后，應變的增長比應力快，此時，除產(chǎn)生彈性變形外，還產(chǎn)生塑性變形。當應力達到B上點時，即使應力不再增加，塑性變形仍明顯增長，鋼材出現(xiàn)了“屈服”現(xiàn)象，這一階段稱為屈服階段。在屈服階段中，應力會有波動，出現(xiàn)上屈服點()和下屈服點()。由于下屈服點比較穩(wěn)定且容易測定，因此，采用下屈服點對應的應力作為鋼材的屈服極限(σs)或屈服強度。鋼材受力達到屈服強度后，變形迅速增長，盡管尚未斷裂，已不能滿足使用要求，故結(jié)構(gòu)設(shè)計中以屈服強度作為容許應力取值的依據(jù)。

3)強化階段

圖7-1中BC段為強化階段，此時應力超過屈服點，鋼材內(nèi)部組織重新建立平衡，又恢復了抵抗外力的能力，應力—應變關(guān)系曲線又出現(xiàn)了上升。最高點C對應的應力稱為抗拉強度，用σb表示。

抗拉強度是鋼材拉伸過程中最大的強度值。屈服強度和抗拉強度的比值稱為屈強比。屈強比是反映鋼材利用率及結(jié)構(gòu)安全可靠性的指標。屈強比越小，鋼材的利用率越低，結(jié)構(gòu)越安全；反之，屈強比越大，鋼材的利用率越高，但其結(jié)構(gòu)安全可靠性降低。所以，在選用屈強比時要兩者兼顧。建筑結(jié)構(gòu)中合理的屈強比一般為0.6～0.75。

4)頸縮階段

在鋼材達到C點后，試件薄弱處的斷面將顯著減小，塑性變形急劇增加，產(chǎn)生“頸縮”現(xiàn)象而斷裂(如圖7-2所示)。

試件拉斷后，在斷口處拼接，量出標距長度L1。原標距長度L0，L1與L0之差為塑性變形值，它與試件原標距長度L0(mm)之比稱為伸長率(δ)。δ的計算公式如下：

伸長率是表示鋼材塑性的一個重要指標。伸長率越大，鋼材的塑性越好。

圖7-2試件拉伸前和斷裂后標距的長度

(a)拉伸前；(b)斷裂后

2.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荷作用下折斷時的沖擊吸收功。鋼材的沖擊韌性與鋼材的化學成分、組織狀態(tài)，以及冶煉、加工都有關(guān)系。例如，鋼材中磷、硫含量較高，存在偏析、非金屬夾雜物和焊接中形成的微裂紋等都會使沖擊韌性顯著降低。沖擊韌性隨溫度的降低而下降，其規(guī)律是：開始下降緩和，當達到一定溫度范圍時，突然下降很多而呈脆性，這種性質(zhì)稱為鋼材的冷脆性。

3.疲勞強度

受交變荷載反復作用時，鋼材在應力低于其屈服強度的情況下突然發(fā)生脆性斷裂破壞的現(xiàn)象稱為疲勞破壞。疲勞破壞是在低應力狀態(tài)下突然發(fā)生的，所以危害極大，往往造成災難性的事故。

在一定條件下，鋼材疲勞破壞的應力值隨應力循環(huán)次數(shù)的增加而降低。鋼材在無窮次交變荷載作用下而不至引起斷裂的最大循環(huán)應力值，稱為疲勞強度極限，實際測量時常以2×106次應力循環(huán)為基準。一般來說，鋼材的抗拉強度高，其疲勞強度極限也較高。

4.硬度

硬度指金屬材料抵抗硬物壓入表面的能力，是材料局部抵抗塑性變形的能力，常用的測定方法為布氏法，其指標為布氏硬度。鋼材的布氏硬度與抗壓強度有較強的相關(guān)性，抗壓強度越高，布氏硬度值越大。7.2.2鋼材的工藝性能

鋼材應具有良好的工藝性能，以滿足施工工藝的要求。冷彎性能和焊接性能是鋼材重要的工藝性能。

1.冷彎性能

冷彎性能是指鋼材在常溫下承受彎曲變形的能力。冷彎試驗是將鋼材按規(guī)定彎曲角度與彎心直徑彎曲(見圖7-3)，檢查受彎部位的外拱面和兩側(cè)面，不發(fā)生裂紋、起層或斷裂為合格。彎曲角度越大，彎心直徑對試件厚度(或直徑)的比值愈小，則表示鋼材冷彎性能越好。冷彎是鋼材處于不利變形條件下的塑性，與表示在均勻變形下的塑性(斷后伸長率)不同。在同一程度上，冷彎更能反映鋼的內(nèi)部組織狀態(tài)、內(nèi)應力及夾雜物等缺陷。

一般來說，鋼材的塑性愈大，其冷彎性能愈好。

圖7-3鋼材冷彎示意圖

(a)規(guī)定彎曲角度；(b)彎心直徑彎曲

2.焊接性能

建筑工程中，鋼材間的連接絕大多數(shù)采用焊接方式來完成，因此要求鋼材具有良好的可焊接性能。

在焊接中，由于高溫作用和焊接后急劇冷卻作用，焊縫及附近的過熱區(qū)將發(fā)生晶體組織及結(jié)構(gòu)變化，從而產(chǎn)生局部變形及內(nèi)應力，使焊縫周圍的鋼材產(chǎn)生硬脆傾向，降低了焊接的質(zhì)量。可焊性良好的鋼材，焊縫處性質(zhì)應與鋼材盡可能相同，焊接才能牢固可靠。

鋼的化學成分、冶煉質(zhì)量及冷加工等都可影響焊接性能。含碳量小于0.25%的碳素鋼有良好的可焊性。含碳量超過0.3%的碳素鋼可焊性變差。硫、磷及氣體雜質(zhì)會使可焊性降低，加入過多的合金元素也將降低可焊性。對于高碳鋼及合金鋼，為改善焊接質(zhì)量，一般需要采用預熱和焊后處理以保證質(zhì)量。此外，正確的焊接工藝也是保證焊接質(zhì)量的重要措施。

鋼筋焊接應注意：冷拉鋼筋的焊接應在冷拉之前進行；焊接部位應清除鐵銹、熔渣、油污等；應盡量避免不同國家的進口鋼筋之間或進口鋼筋與國產(chǎn)鋼筋之間的焊接。7.2.3化學成分對鋼性能的影響

1.碳

碳是決定鋼材性能的主要元素。當含碳量低于0.8%時，隨著含碳量的增加，鋼材的強度和硬度增加，而塑性、韌性、可焊件及耐腐蝕性等均降低，并使鋼的冷脆性及時效敏感性增加。

2.硅、錳

硅、錳均為鋼中的有益元素，是為脫氧去硫而專門加入的。硅為鋼中的主要合金元素，當含硅量小于1%時，可提高鋼的強度及硬度，對塑性及韌性無明顯影響；但當其含量超過1%時，鋼的冷脆性及可焊性變差。錳能消除鋼的熱脆性，改善熱加工性能，當其含量為0.8%～1%時，可顯著提高鋼的強度和硬度，塑性及韌性幾乎不降低，但當其含量大于1%時，在提高鋼強度的同時，鋼的塑性及韌性有所降低，可焊性變差。

3.磷、硫

磷、硫為鋼中的有害元素，是在煉鋼時隨原料及燃料帶入的。磷可使鋼的強度、硬度提高，但塑性、韌性顯著降低，特別是使鋼的低溫沖擊韌性降低得更為顯著。磷還能使鋼的冷彎性能、可焊性能變差。硫會降低鋼的各種性能，鋼中含有一定量的硫，在加熱時易引起脆裂，稱為熱脆性。

4.氧、氮

氧、氮也是鋼中的有害元素，它會降低鋼的塑性、韌性、可焊性及冷加工性能。

5.鋁、錳、釩、鈮

鋁、錳、釩、鈮均為煉鋼時的強脫氧劑，也是常用的合金元素，可改善鋼的組織，細化晶粒，顯著提高鋼的強度并改善韌性。

[工程實例分析7-1]

高強螺栓拉斷

現(xiàn)象廣東某國際展覽中心包括展廳、會議中心和一棟16層的酒店，總建筑面積42

000m2。1989年建成投入使用，1992年降大暴雨，其中4號展廳網(wǎng)架倒塌。在倒塌現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)大量高強螺栓被拉斷或折斷，部分桿件有明顯壓屈，但未發(fā)現(xiàn)桿件拉斷及明顯頸縮現(xiàn)象，也未發(fā)現(xiàn)桿件焊縫拉開。另外，網(wǎng)架建成后多次發(fā)現(xiàn)積水現(xiàn)象，事故現(xiàn)場兩排水口表面均有堵塞。

原因分析首先是由于4號展廳除承擔本身雨水外，還要承擔會議中心屋面流下來的雨水。由于溢流口、雨水斗設(shè)置不合理，未能有效排水導致網(wǎng)架積水超載。在此情況下，高強螺栓超過極限承載力而被拉斷，其根本原因是高強螺栓安全度低于桿件安全度、安全度不足。

[工程實例分析7-2]

北海油田平臺傾覆

現(xiàn)象1980年3月27日，北海愛科菲斯科油田的A.L.基爾蘭德號平臺突然從水下深部傳來一次震動，緊接著一聲巨響，平臺立即傾斜，短時間內(nèi)翻于海中，致使123人喪生，造成巨大的經(jīng)濟損失。

原因分析現(xiàn)代海洋鋼結(jié)構(gòu)如移動式鉆井平臺，特別是固定式樁基平臺，在惡劣的海洋環(huán)境中受風浪和海流的長期反復作用和沖擊振動；在嚴寒海域長期受流冰等的沖擊碰撞；另外，低溫作用以及海水腐蝕介質(zhì)的作用等都給鋼結(jié)構(gòu)平臺帶來極為不利的影響。突出問題就是海洋鋼結(jié)構(gòu)的脆性斷裂和疲勞破壞。上述事故的調(diào)查分析顯示，事故原因是撐竿支座疲勞裂紋萌生、擴展，導致?lián)胃脱杆贁嗔?。由于撐竿斷裂，使相?個支桿過載而遭破壞，接著所支撐的承重腳柱遭破壞，使平臺20min內(nèi)全部傾覆。

建筑鋼材主要采用碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼兩種。任務三建筑鋼材的技術(shù)標準與選用7.3.1建筑用鋼材

碳素結(jié)構(gòu)鋼是碳素鋼中的一類，可加工成各種型鋼、鋼筋和鋼絲，適用于一般結(jié)構(gòu)和工程。國家標準《碳素結(jié)構(gòu)鋼》具體規(guī)定了它的牌號表示方法、技術(shù)要求、試驗方法、檢驗規(guī)則等。

1.碳素結(jié)構(gòu)鋼

1)牌號表示方法

《碳素結(jié)構(gòu)鋼》(GB/T700—2006)規(guī)定，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、脫氧程度符號等四個部分按順序組成。其中，以“Q”代表屈服點，按屈服強度(MPa)的大小分為Q195、Q215、Q235、Q275四種；按硫、磷等雜質(zhì)的含量多少分為A、B、C、D四個質(zhì)量等級；脫氧程度以F表示沸騰鋼，Z及TZ分別表示鎮(zhèn)靜鋼與特種鎮(zhèn)靜鋼，且Z與TZ在鋼的牌號中可以省略。

2)技術(shù)要求

碳素結(jié)構(gòu)鋼的技術(shù)要求包括化學成分、力學性能、冶煉方法、交貨狀態(tài)及表面質(zhì)量五方面，應分別符合表7-1～表7-3所示的要求。

表7-1碳素結(jié)構(gòu)鋼的化學成分

表7-2碳素結(jié)構(gòu)鋼的力學性能

表7-3碳素結(jié)構(gòu)鋼的工藝性能

3)各類牌號鋼材的性能和用途

碳素結(jié)構(gòu)鋼隨著牌號的增大，含碳量的增加，鋼的強度及硬度相應提高，而塑性、韌性及可焊性則相應降低。Q235具有較高的強度，較好的塑性、韌性及可焊性，能滿足一般建筑用鋼的要求，在建筑工程中應用最為廣泛，主要用于做鋼結(jié)構(gòu)屋架、閘門、鋼管、橋梁和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋等；Q195、Q215強度低，但塑性及韌性較好，容易加工，主要用于承受荷載較小的焊接結(jié)構(gòu)及制造鋼釘、柳丁、螺栓及鐵絲等；Q275具有較高的強度，但塑性、韌性及可焊件較差，可用于制作螺栓配件、機械零件及工具等。

2.低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼

為改善鋼材的力學性能、工藝性能和使其具有某些特殊性能，在碳素結(jié)構(gòu)鋼的基礎(chǔ)上加入一種或幾種合金元素(總含量小于5%)，就可制成低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼。與碳素鋼相比，在滿足塑性、韌性及可焊性要求的條件下，低合金鋼具有更高的屈服強度和抗拉強度且耐磨性、耐腐蝕性較好，它不僅可以減輕鋼結(jié)構(gòu)的自重，而且易于加工及施工，成本與碳素鋼相近。在相同的使用條件下，低合金鋼可比碳素鋼節(jié)約鋼材20%～30%。低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼在建筑工程中主要用于各種重型結(jié)構(gòu)、大跨度結(jié)構(gòu)及高層結(jié)構(gòu)等。

1)低合金結(jié)構(gòu)鋼的牌號及其表示方法

根據(jù)國家標準《低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼》(GB/T1591—2008)的規(guī)定，低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼按力學性能和化學成分分為Q345、Q390、Q420、Q460、Q500、Q550、Q620、Q690八個牌號，又按硫、磷等含量劃分為A、B、C、D、E五個質(zhì)量等級，其質(zhì)量依次提高。低合金高強度鋼中所加合金元素主要有錳、硅、釩、鐵、鉻、鎳等。如Q345B表示屈服強度不小于345MPa，質(zhì)量等級為B級的低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼。

2)低合金結(jié)構(gòu)鋼的應用

低合金結(jié)構(gòu)鋼主要應用于軋制各種型鋼(角鋼、槽鋼、工字鋼)、鋼板、鋼管及鋼筋，廣泛用于鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中。采用低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼，可以減輕結(jié)構(gòu)自重，節(jié)約鋼材，增加使用壽命，特別適用于各種重型結(jié)構(gòu)、大跨度結(jié)構(gòu)、高層結(jié)構(gòu)及橋梁工程等，其技術(shù)經(jīng)濟效果更為顯著。7.3.2鋼結(jié)構(gòu)用鋼材

鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件一般應直接選用各種型鋼，構(gòu)件之間的連接方式有鉚接、螺栓聯(lián)結(jié)及焊接。型鋼有熱軋、冷軋成型兩種。鋼板也有熱軋(厚度為0.35mm～200mm)及冷軋(厚度為0.2mm～5mm)兩種。

1.熱軋型鋼

熱軋型鋼有角鋼、工字鋼、槽鋼、T

型鋼、H

型鋼等。

我國建筑用熱軋型鋼主要采用碳素結(jié)構(gòu)鋼，其強度適中，塑性和可焊性較好，成本低，適合建筑工程使用。在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中，推薦使用低合金鋼，主要有Q345(16Mn)及Q390(15MnV)兩種，用于大跨度、承受動荷載的鋼結(jié)構(gòu)中。

2.冷彎薄壁型鋼

冷彎薄壁型鋼通常使用2mm～6mm薄鋼板冷彎或模壓而成，有角鋼和槽鋼等開口薄壁型鋼及方形、矩形等空心薄壁型鋼，主要用于輕型鋼結(jié)構(gòu)。

3.鋼板和壓型鋼板

用光面軋輾軋制而成的扁平鋼材，以平板狀態(tài)供貨的稱為鋼板；以卷狀供貨的稱為鋼帶。鋼板可用熱軋或冷軋的方式生產(chǎn)。熱軋鋼板按厚度不同可分為中厚板(厚度大于4mm)和薄板(厚度為0.35mm～4mm)兩種，冷軋鋼板只有薄板(厚度為0.2mm～4mm)一種。建筑用鋼板和鋼帶主要是碳素結(jié)構(gòu)鋼。一些重型結(jié)構(gòu)、大跨度橋梁及高壓容器等也采用低合金鋼板。一般厚度可用焊接結(jié)構(gòu)；薄板可用作屋面及墻面維護結(jié)構(gòu)，或用作涂層鋼板的原材料；鋼板還可用來彎曲為型鋼。

薄鋼板經(jīng)冷壓或冷軋成波形、雙曲形、V形等形狀，稱為壓型鋼板。彩色鋼板(又稱有機涂層薄鋼板)、鍍鋅薄鋼板、防腐薄鋼板等都可用來制作壓型鋼板，其特點是單位質(zhì)量輕、強度高、抗震性能好、施工快、外形美觀等，主要用于圍護結(jié)構(gòu)、樓板、屋面等。

7.4.1鋼筋混凝土用鋼的種類

混凝土具有較高的抗壓強度，但抗拉強度很低。使用鋼筋增強混凝土可大大擴展混凝土的應用范圍，而混凝土可對鋼筋起保護作用。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中使用的鋼筋主要由碳素結(jié)構(gòu)鋼和優(yōu)質(zhì)碳素鋼制成，其種類有以下幾種。任務四鋼筋混凝土用鋼

1.熱軋鋼筋

用加熱的鋼坯軋制成的條形鋼筋，稱為熱軋鋼筋。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結(jié)構(gòu)和預應力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的配筋。

從表面形狀來分，熱軋鋼筋有光圓和帶肋兩大類。熱軋光圓鋼筋，其橫截面為圓形，表面光滑；帶肋鋼筋，其橫截面通常也為圓形，且表面通常帶有兩條縱肋和沿長度方向均勻分布的橫肋。鋼筋的表面形狀如圖7-4所示。

圖7-4鋼筋表面形狀

(a)等高肋鋼筋；(b)月牙肋鋼筋根據(jù)《鋼筋混凝土用鋼第1部分：熱軋光圓鋼筋》(GB1499.1－2008)及《鋼筋混凝土用鋼第2部分：熱軋帶肋鋼筋》(GB1499.2－2007)的規(guī)定：熱軋光圓鋼筋的牌號由HPB與屈服強度特征值構(gòu)成，有HPB235、HPB300兩個牌號；熱軋帶肋鋼筋的牌號由HRB與屈服強度特征值構(gòu)成，有HRB335、HRB400、HRB500等牌號。

隨著牌號的增大，熱軋鋼筋的屈服強度和抗拉強度相應提高，塑性、冷彎性能相應降低，沖擊韌性相應降低。

熱軋光圓鋼筋的強度較低，但塑性及焊接性能很好，便于進行各種冷加工，廣泛用作普通鋼筋混凝土構(gòu)件的受力筋及構(gòu)造筋。

HRB335和HRB400鋼筋強度較高，塑性和焊接性能也較好，廣泛用作大、中型鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的受力鋼筋。

HRB500鋼筋強度高，但塑性和焊接性能較差，可用作預應力鋼筋。

2.冷軋帶肋鋼筋

冷軋帶肋鋼筋是使用低碳鋼熱軋圓盤條鋼筋經(jīng)冷軋后，在其表面有沿長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表示方法。根據(jù)《冷軋帶肋鋼筋》(GB13788－2008)的規(guī)定：冷軋帶肋鋼筋的牌號由CRB和抗拉強度最小值表示，有CRB550、CRB650、CRB800、CRB970四個牌號。

(2)冷軋帶肋鋼筋的性能與應用。

與熱軋圓盤條相比，冷軋帶肋鋼筋的強度提高了17%左右；與冷拔低碳鋼絲相比，冷軋帶肋鋼筋的伸長率高，塑性好。由于表面帶肋，冷軋帶肋鋼筋提高了鋼筋與混凝土之間的黏結(jié)力，是一種比較理想的預應力鋼材。冷軋帶肋鋼筋CRB550宜用于普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其他牌號的鋼筋宜用于預應力混凝土結(jié)構(gòu)。

3.熱處理鋼筋

熱處理是指將鋼材按一定規(guī)則加熱、保溫和冷卻，改變其組織，從而獲得需要性能的一種工藝過程。熱處理鋼筋是鋼廠將熱軋帶肋鋼筋經(jīng)淬火和高溫回火調(diào)質(zhì)處理而成的鋼筋，其特點是塑性降低不大，但強度提高很多，綜合性能比較理想。

熱處理鋼筋主要用于預應力混凝土軌枕，可代替碳素鋼筋。由于其具有制作方便，質(zhì)量穩(wěn)定、錨固性好、節(jié)省鋼材等優(yōu)點，已開始用于預應力混凝土工程中。

4.冷拔低碳鋼絲

冷拔低碳鋼絲是將直徑為6.5mm～8mm的Q235圓盤條通過截面小于鋼筋截面的鎢合金拔絲而成。

冷拔低碳鋼絲按其力學性能分為甲級和乙級兩種。甲級低碳鋼絲根據(jù)抗拉強度分為

I、E兩組。甲級低碳鋼絲主要用于小型預應力混凝土，而乙級低碳鋼絲用作普通鋼筋(非預應力鋼筋)，也可用于焊接和綁扎骨架、網(wǎng)片和箍筋。

5.預應力混凝土用鋼絲

預應力混凝土用鋼絲是以優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼盤條為原料，經(jīng)淬火奧氏體化、酸洗、冷拉制成的用作預應力混凝土骨架的鋼絲。

預應力混凝土用鋼絲的抗拉強度比鋼筋混凝土用熱軋光圓鋼筋、熱軋帶肋鋼筋高許多，在構(gòu)件中采用預應力鋼絲可收到節(jié)省鋼材、減少構(gòu)件截面和節(jié)省混凝土的效果，主要用在橋梁、吊車梁、大跨度屋架、管樁等預應力鋼筋混凝土構(gòu)件中。

6.鋼絞線

鋼絞線由多根圓形斷面鋼絲捻制而成。鋼絞線按左捻制成并經(jīng)回火處理消除內(nèi)應力。鋼絞線按應力松弛性能可分為兩級：Ⅰ級松弛(代號Ⅰ)、Ⅱ級松弛(代號Ⅱ)。公稱直徑有9.0mm、12.0mm、15.0mm三種規(guī)格。

與其他配筋材料相比，鋼絞線具有強度高、柔性好、質(zhì)量穩(wěn)定、成盤供應不需接頭等優(yōu)點，適用于作大型建筑、公路或鐵路橋梁、吊車梁等大跨度預應力混凝土構(gòu)件的預應力鋼筋，廣泛地應用于大跨度、重荷載的結(jié)構(gòu)工程中。7.4.2鋼材的選用原則

1.荷載性質(zhì)

對經(jīng)常承受動力和振動荷載的結(jié)構(gòu)，因容易產(chǎn)生應力集中，導致破壞，所以應選用材質(zhì)較高的鋼材。

2.使用溫度

經(jīng)常處于低溫狀態(tài)的結(jié)構(gòu)，鋼材容易發(fā)生冷脆斷裂，特別是焊接結(jié)構(gòu)，冷脆傾向更加顯著，所以要求鋼材具有良好的塑性和低溫沖擊韌性。

3.連接方式

當溫度及受力性質(zhì)改變時，容易引起焊接結(jié)構(gòu)焊縫附近的母體金屬出現(xiàn)冷、熱裂紋，促使結(jié)構(gòu)早期破壞。所以，焊接結(jié)構(gòu)對于鋼材的化學成分和機械性能要求比較嚴格。

4.鋼材厚度

鋼材力學性能一般隨著厚度的增大而降低，鋼材經(jīng)多次軋制后，鋼的內(nèi)部結(jié)晶組織更為緊密，強度更高，質(zhì)量更好。因此，一般結(jié)構(gòu)用鋼材的厚度不宜超過40mm。

5.結(jié)構(gòu)重要性

選擇鋼材要考慮結(jié)構(gòu)使用的重要性，如大跨度結(jié)構(gòu)與重要的建筑物結(jié)構(gòu)，必須選用質(zhì)量更好的鋼材。

[工程實例分析7-3]

韓國首爾大橋倒塌

現(xiàn)象1994年10月21日，韓國首爾漢江圣水大橋中段50m長的橋體像刀切一樣墜入江中，造成多人死亡。該橋由韓國最大的建筑公司之一的東亞建設(shè)產(chǎn)業(yè)公司于1979年建成。

原因分析事故原因調(diào)查團經(jīng)5個多月的各種試驗和研究，于次年4月2日提出了事故報告。事故原因主要有以下兩方面：一是東亞建筑公司沒有按圖紙施工，在施工中偷工減料，使用了疲勞性能很差的劣質(zhì)鋼材，這是事故的直接原因；二是因為縮短了工期及首爾市政當局在交通管理上出現(xiàn)了疏漏，這是大橋倒塌的主要原因。當時所設(shè)計的負載限制為32t，實際建成后，隨著交通流量逐年增加，造成超常負荷，倒塌時的負載已達到了43.2t。

7.5.1鋼材的銹蝕

鋼材在使用中會經(jīng)常與環(huán)境中的介質(zhì)接觸，由于環(huán)境介質(zhì)的作用，其中的鐵因與介質(zhì)產(chǎn)生化學作用或電化學作用而逐步被破壞，從而導致鋼材腐蝕，亦可稱為銹蝕。鋼材的腐蝕，輕者使鋼材性能下降，重者導致結(jié)構(gòu)破壞，造成工程損失。尤其是鋼結(jié)構(gòu)，在使用期間應引起重視。任務五鋼材的防銹蝕與防火鋼材銹蝕的破壞性主要表現(xiàn)：銹蝕膨脹導致砂漿保護層和混凝土開裂；使鋼結(jié)構(gòu)斷面減小，承載能力降低，甚至由于局部腐蝕引發(fā)應力集中，導致鋼結(jié)構(gòu)突然垮塌，造成嚴重的后果。

鋼材在如下條件下會發(fā)生銹蝕：有水存在、有O2存在、有電流作用。鋼材受腐蝕的原因很多，主要影響因素有環(huán)境濕度、侵蝕介質(zhì)性質(zhì)及數(shù)量、鋼材材質(zhì)及表面狀況等。根據(jù)鋼材與環(huán)境介質(zhì)的作用分為化學腐蝕和電化學腐蝕兩類。

1.化學腐蝕

化學腐蝕是因金屬與干燥氣體及非電解質(zhì)液體反應而產(chǎn)生的，通常由于氧化作用，使金屬形成疏松的氧化物而引起腐蝕。在干燥環(huán)境中，腐蝕進行得很慢，但在環(huán)境濕度高時，腐蝕速度加快。這種腐蝕也可由二氧化碳或二氧化硫的作用而產(chǎn)生氧化鐵或硫化鐵，使金屬光澤消退而顏色發(fā)暗，影響裝飾性。

2.電化學腐蝕

這種腐蝕是指鋼材與電解質(zhì)溶液相接觸而產(chǎn)生電流，形成腐蝕電池，故稱為電化學腐蝕。鋼材中含有鐵素體、滲碳體及游離石墨等成分，由于這些成分的電極、電位不同，鐵素體活潑，易失去電子，使鐵素體與滲碳體在電解質(zhì)中形成原電池的兩極，鐵素體為陽極，滲碳體為陰極。由于陰陽兩極的接觸，產(chǎn)生電子流，陽極的鐵素體失去電子成為Fe2+離子，進入溶液，電子流向陰極，在酸性電解質(zhì)中H+得到電子變成H2而逸出。在中性介質(zhì)中，由于氧的還原作用使水中含有OH－，隨之生成不溶于水的Fe(OH)2，進一步氧化成Fe(OH)3及其脫水產(chǎn)物Fe2O3，即紅褐色鐵銹。

3.銹蝕的防止

鋼材產(chǎn)生銹蝕的重要因素是水和空氣中的氧，因此防止鋼材銹蝕的基本方法是使鋼材與水和空氣隔絕。鋼材銹蝕的防止主要有以下幾種方法。

(1)制成合金鋼。在鋼中加入能提高抗腐蝕能力的元素，如將鎳、鉻加入到鐵合金中可制得不銹鋼等，這種方法最有效，但成本很高。

(2)保護膜法。利用保護膜使鋼材與周圍介質(zhì)隔離，從而避免或減緩外界腐蝕性介質(zhì)對鋼材的破壞作用。例如在鋼材的表面噴刷涂料、搪瓷、塑料等，或以金屬鍍層作為保護膜，如鍍鋅、錫、鉻等。目前常用的防止鋼材銹蝕的方法是采用表面刷防銹漆。常用底漆有紅丹、環(huán)氧富鋅漆、鐵紅環(huán)氧漆等，面漆有灰鉛油、醇酸磁漆及酚醛磁漆等。

(3)陰極保護法。實施陰極保護對預應力混凝土來說，就是使全部預應力鋼筋都成為陰極，即鋼筋表面不存在陽極區(qū)，防止了作為陽極過程的鋼筋的溶解，并改善了鋼筋的界面性能，增強了界面對鋼筋的有效保護作用，使鋼筋原有的鈍化膜更為完整和穩(wěn)定。陰極保護有外加電流法和犧牲陽極法。外加電流法是向被保護的金屬通入直流電，使其成為陰極，即強制輔助陽極為陰極來實現(xiàn)保護；犧牲陽極法是在需要保護的金屬上連接一種電位更負、更容易受到腐蝕的金屬(常用鋅合金、鋁合金、鎂合金等)，由它提供電流，即犧牲陽極，使其腐蝕來達到保護的目的。

(4)提高混凝土的密實度及堿度。鋼筋混凝土中鋼筋的砂漿保護層應大于規(guī)范規(guī)定的厚度，使混凝土密實；限制水灰比及氯鹽外加劑的使用，可以采用摻加防銹劑(重鉻酸鉀等)的方法。7.5.2鋼材的防火

鋼材在火災高溫作用下會迅速變軟，強度損失很快。以鋼材制作的構(gòu)件，如梁、柱、屋架，若不加以保護或保護不力，在火災中有可能失去承載能力而引起整個建筑物的倒塌。例如：1973年5月3日天津市體育館，由煙頭掉進通風管道引燃甘蔗渣和木板等可燃物，火勢迅速蔓延，僅19分鐘，3500m2的主館屋頂拱型鋼屋架全部坍落。2001年發(fā)生在美國的“911”恐怖襲擊事件中，世貿(mào)大廈在飛機燃油燃燒的高溫作用下，短短數(shù)十分鐘，轟然倒塌，造成近3000人傷亡，舉世震驚。當建筑物采用鋼結(jié)構(gòu)時，如果未做表面防火處理，由于耐火極限僅15min左右即失去支撐能力，與國家有關(guān)防火規(guī)范對建筑構(gòu)件的耐火極限要求相差很遠，因此進行鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計和施工時應做防火處理。鋼結(jié)構(gòu)的防火保護方法主要有涂覆防火涂料法、包封法以及水冷卻法。

1.涂覆防火涂料法

鋼結(jié)構(gòu)防火涂料是施涂于建筑物及構(gòu)筑物的鋼結(jié)構(gòu)表面，能形成耐火隔熱保護層，以提高鋼結(jié)構(gòu)耐火極限的涂料，分為厚型、薄型、超薄型等幾種。厚型涂料呈顆粒狀，涂層厚度通常在8mm以上，施工方法為噴涂，高溫時依靠涂料本身的厚度及較低的導熱率起到對鋼構(gòu)件隔熱的作用。薄型和超薄型涂料涂層較薄，有一定裝飾效果，施工方法可噴可刷，高溫時涂層膨脹增厚保護鋼構(gòu)件，具有重量輕、施工較簡便，適用于隱蔽結(jié)構(gòu)和裸露的鋼梁、斜撐等鋼構(gòu)件。

2.包封法

包封法是將鋼結(jié)構(gòu)用防火隔熱材料包封起來，使鋼結(jié)構(gòu)免受火災高溫作用。常用的防火隔熱材料有石膏、礦棉、巖棉、玻璃纖維、蛭石、珍珠巖以及混凝土等。這些隔熱防火材料有的能吸熱，有的能釋放結(jié)晶水，而有的導熱能力小、隔熱作用強，等等。

3.水冷卻法

對空心鋼柱可在內(nèi)部充循環(huán)冷卻水，火災時傳遞給鋼柱的熱量被內(nèi)部冷卻水帶走，使鋼柱溫度不會升得很高。這種辦法的最大缺點是設(shè)備費用高，需設(shè)置蓄水池、冷卻系統(tǒng)，還必須采取防銹措施，因此實際應用受到限制。

7.6.1鋁及鋁合金

1.純鋁

純鋁是一種輕金屬，密度小，為2.7g/cm3，大約是銅密度的1/3。純鋁的熔點為660.37℃，具有較強的導電性和導熱性，在大氣中較易與氧化合形成一層致密的三氧化二鋁薄膜，阻止鋁繼續(xù)氧化，故鋁的耐腐蝕性能好。任務六有色金屬材料純鋁的塑性很好，伸長率δ為50%，但其強度較低，σb

=

50MPa，經(jīng)冷加工變形可使其強化，抗拉強度提高到150MPa～250MPa，但其伸長率會降低2%～6%。純鋁的強度不高，伸長率好，可加工成鋁板和各種鋁型材。在建筑中，鋁用作門框、窗框、百葉、門扇板、門窗把手、欄桿等，以及做裝飾材料。鋁具有良好的反輻射性能，加工成厚0.006mm～0.025mm的鋁箔，可作為復合保溫材料的熱輻射層，也可做隔蒸汽材料。

2.鋁合金

在純鋁中加入一定量的某些合金元素可制成各種不同的鋁合金。通常加入的合金元素有鎂、錳、銅、鋅、硅等。鋁合金按加工方法可以分為鑄造鋁合金(ZL)和變形鋁合金。各種變形鋁合金的牌號分別用漢語拼音字母和順序號代表，順序號不直接表示合金元素的含量。

(1)防銹鋁(LF)。防銹鋁系鋁鎂或鋁錳的合金，其特點是耐腐蝕性較高，拋光性好，能長期保持其光亮的表面，其強度比純鋁高，塑性及焊接性能良好，但切削加工性不良，可用于承受中等或低荷載及要求耐腐蝕及光潔表面的構(gòu)件、管道等。

(2)硬鋁(LY)。硬鋁是由鋁和銅或再加入鎂、錳等組成的合金。工程上主要將含銅3.8%～4.8%、鎂0.4%～0.8%、錳0.4%～0.8%、硅小于等于0.8%的鋁合金稱為硬鋁。硬鋁經(jīng)熱處理強化后，可獲得較高的強度和硬度，耐腐蝕性好。硬鋁在建筑上可用于承重結(jié)構(gòu)或其他裝飾構(gòu)件，其強度極限可達330MPa～490MPa，伸長率為12%～20%，布氏硬值可達1000MPa，是發(fā)展輕型結(jié)構(gòu)的好材料。

(3)超硬鋁(LC)。超硬鋁是鋁和鋅、鎂、銅等的合金。經(jīng)熱處理強化后，其強度和硬度比普通