建筑钢材课件--PPT

第8章 建筑钢材,建筑钢材是重要的建筑材料。它主要指用于钢结构中各种型材(如角钢、槽钢、工字钢、圆钢等)、钢板、钢管和用于钢筋混凝土结构中的各种钢筋、钢丝等。由于钢材在工厂生产中有较严格的工艺控制，因此质量通常能够得到保证。 建筑钢材具有一系列优良的性能它有较高的强度，有良好的塑性和韧性，能承受冲击和振动荷载；可以焊接或铆接，易于加工和装配，所以被广泛地应用于建筑工程中。但钢材也存在易锈蚀及耐火性差的缺点,建筑钢材用于建筑工程的各种钢材，包括钢 筋、钢丝、各种型钢、钢板、复合 板、建筑五金等。 优点：品质均匀； 力学性能好（强度高，塑性和韧性好）； 易于加工成板材、型材和线材； 焊接和铆接性能良好。 缺点：易锈蚀、维护费用高； 耐腐蚀性差，耐火性差； 生产能耗大。,建筑钢材,南京地铁公司大楼,巴黎埃菲尔铁塔,香港青马大桥(钢悬索桥),南京长江第三大桥（钢索塔、钢桥面）,世界贸易中心双塔（110层）,完全坍塌,某钢筋混凝土结构 施工现场,7.1 钢的冶炼和分类,7.11、钢的冶炼 钢和铁的主要成分是铁和碳。含碳量大于2.06的为生铁，含碳量小于2.06的为钢。 第一步：生铁的冶炼是将铁矿石、石灰石、焦碳和少量锰矿石在高炉内，在高温的作用下进行还原反应和其他的化学反应，铁矿石中的氧化铁形成金属铁，然后再吸收碳而成生铁。原料中的杂质则和石灰石等化合成熔渣。 铁矿石 铁水矿渣,冶炼,一、钢的冶炼,第二步：钢的冶炼是以铁水或生铁作为主要原料，在转炉、平炉或电炉中冶炼。与生铁的冶炼相反，是用氧化的方法来除去铁中的碳及部分杂质. 铁水或铁块、废钢 钢水钢渣,冶炼,第8章 建筑钢材,8.1 钢材的分类 钢材的化学成分,生产钢不可避免元素：Si、Mn、P、S、N 专门加入的合金元素：Si、Mn、Ti、V、 Ni、Nb及稀土元素,铁：主要元素 碳：0.02%2.06% 其他元素,第8章 建筑钢材,8.1.1 分类 1.按化学成分分类,低碳钢：含碳量0.6%,（1）碳素钢 （碳钢）,（2）合成钢 专门加入合金元素,按合金元素含量分,低合金钢：合金元素总含量10%,第8章 建筑钢材,3.铸锭 按冶炼时脱氧程度分,沸腾钢：脱氧不充分，残留FeO与C结合，生成气体冒出。代号“F” 镇静钢：脱氧充分，在钢模内平静凝固，代号“2” 半镇静钢：脱氧程度介于“F”与“2”之间，代号“b” 特殊镇静钢：脱氧彻底，代号“TZ”,4按用途分类,结构钢：建筑结构、机械制造（低、中碳钢） 工具钢：各种工具（高碳钢） 特殊钢：不锈钢（具有各种特殊的物理化学性质）,第8章 建筑钢材,8.1.2 钢材中的常存杂质,硫：来自矿石燃料，生成FeS，钢材加工时易裂缝，热脆性。 磷：来自矿石燃料，生成Fe3P，塑性韧性降低，脆性很大。 碳：炼钢氧化过程中存于钢中，使钢材焊接性能变坏，易腐蚀， 冷脆性。 锰：炼钢时脱氧、硫残留钢中，具有很强的脱氧、硫能力，大大改善 钢材加工性能，提高强度硬度。1%时，塑性韧性降低，可焊接性 变差。 硅：脱氧剂，较锰强。 两面性：硅很低时，强度增加；硅很高时，其他性能降低。 氧：与碳、磷相似。,有 害 元 素,第8章 建筑钢材,8.2 建筑材料的主要技术性能,力学性质：强度、弹性、塑性、耐磨性 工艺性质（可加工性）：冷弯、可焊性,第8章 建筑钢材,8.2.1 力学性能 1.抗拉性能是建筑钢材最重要的力学性能。,拉伸过程分四个阶段： OA：弹性阶段 AB：屈服阶段 BC：强化阶段 CD：颈缩阶段,卸去外力恢复原来形状,断裂,第8章 建筑钢材,拉伸性能指标：主要有屈服点、抗拉强度和伸长率等。 （1）屈服强度（屈服点） 上屈服强度：试样首次屈服前的最大应力； 下屈服强度：不计初始瞬时效应时的最小强度，即屈服点,第8章 建筑钢材,（2）伸长率：塑性指标 。,意义： 值越大，塑性增强，可避免结构过早破坏；加工性 增强， 安全性增强。,lo试件原始标距长度，mm ； l1试件拉断后测定出伸长后标距部分的长度，mm。,第8章 建筑钢材,（4）断面收缩率：塑性指标。,AO试样拉断后颈缩处的截面积，mm2； A1表示钢材的原始截面积，mm2。 伸长率和断面收缩率均表示钢材断裂前经受塑性变形的能力。,第8章 建筑钢材,2.冲击韧性 指钢材抵抗冲击荷载的能力。 杂质、温度对钢材冲击影响都很大。,3.耐疲劳性 疲劳破坏：交变荷载反复作用，钢材在应力低于远屈服强度时,逐渐形成细微裂缝，裂缝发展到一定程度，突然发出脆性断裂的现象。 危害极大,4.硬度 指材料抵抗其他较硬物体压入的能力。是材料表面抵抗变形的能力。 试验方法：布氏法,第8章 建筑钢材,8.2.2 工艺性能 冷弯性能：常温下钢材承受弯曲变形的能力。 焊接性能：钢结构中90%以上为焊接结构,焊接性非常重要。,第8章 建筑钢材,（1）冷弯性能 冷弯性能试验：试件被弯曲的角度（90、180）。,冷弯试验意义：能反映试件弯曲处的塑性变形，能揭示钢材是否存在内部组织不均匀、内应力和夹杂物等缺陷。 冷弯试验也能对钢材的焊接质量进行严格的检验，能揭示焊件受弯表面是否存在未熔合，裂缝及夹杂物等缺陷。,判定标准：若试件弯曲处的 外表面无裂断、裂缝或起层， 认为冷弯性能合格。,第8章 建筑钢材,（2）焊接性能,焊接方式：搭接、对接 焊接要求： 焊接处（焊缝及其附近过热区）不产生 裂缝及硬脆倾向。 焊接处与母材一致，即拉伸试验，强度 不低于原钢材强度。 注意：焊前预热，焊后热处理。 影响因素：碳、合金元素等杂质元素越多，可焊性越小。,第8章 建筑钢材,8.3 钢材的强化与加工 8.3.1 冷加工 指钢材在常温下进行的加工。 常见的冷加工方式：冷拉、冷拔、冷轧、冷扭、刻痕等。 特点：钢材经冷加工产生塑性变形，从而提高其屈服强度， 长度增加，节约钢材。冷拔后钢材表面光洁。 这一过程称为冷加工强化处理。,现场加工方法,第8章 建筑钢材,8.3.2 时效处理 将经过冷拉的钢筋于常温下存放1520d，或 加热到100200并保持一段时间,这个过程称为时效处理。,自然时效,作用: 钢筋冷拉以后再经过 时效处理，其屈服点 进一步提高，塑性继 续有所降低。,人工时效,第8章 建筑钢材,8.5 土木工程常用钢材 2.5.1 钢结构用钢 2.5.2 混凝土结构用钢,第8章 建筑钢材,8.5.1 钢结构用钢 1.碳素结构钢 （1）碳素结构钢的牌号 表示按顺序：屈服点字母（Q）、屈服点数值（单位MPa）、 质量等级（有A、B、C、D 4级，逐级提高）和脱氧方法 （F：沸腾钢，b：半镇钢，Z：镇静钢，TZ：特殊镇钢。 牌号表示时Z、TZ可省略）。 例如：Q235AF 表示屈服点为235MPa，A级沸腾钢。 Q235B 表示屈服点为235MPa，B级镇静钢。,第8章 建筑钢材,（2）碳素结构钢的选用 碳素结构钢依牌号增大，含碳量增加，其强度增大，但塑性和韧性降低。 建筑工程中主要应用Q235号钢,可用于轧制各种型钢、钢板、钢管与钢筋。 具有较高的强度，良好的塑性、韧性，可焊性及可加工等综合性能好,且 冶炼方便，成本较低，因此广泛用于一般钢结构。其中C、D级可用在重要 的焊接结构。 Q195、Q215号钢材强度较低，但塑性、韧性较好，易于冷加工，可制作 铆钉、钢筋等。Q225、Q275号钢材强度高，但塑性、韧性、可焊性差， 可用于钢筋混凝土配筋及钢结构中的构件及螺栓等。 受动荷载作用结构、焊接结构及低温下工作的结构，不能选用A、B质量 等级钢及沸腾钢。,第8章 建筑钢材,2.低合金高强度结构钢 （1）低合金高强度钢的牌号 共有5个牌号 牌号由三部分表示：含碳量、合金元素的种类及含量。前两位 数字表示平均含碳量的万分数；其后的元素符合表示按主次加 入的合金元素；合金元素后面如未附数字，表示其平均含量在 1.5%以下；如附有数字“2”,表示其平均含量在1.5%2.5%之间 最后如附有“b”，表示为半镇静钢，否则为镇静钢。 例如：16Mn 表示平均含碳量为0.16%， 平均含碳量低于1.5%的镇静钢。,第8章 建筑钢材,（2）低合金高强度钢的选用 低合金高强度结构钢具有轻质高强，耐蚀性、耐低温性好，抗冲击性强，使用寿命长等良好的综合性能；具有良好的可焊性及冷加工性，易于加工与施工，因此，低合金高强度结构钢可以用作高层及大跨度建筑（如大跨度桥梁、大型厅馆、电视塔等）的主体结构材料。 与普通碳素钢相比可节约钢材，具有显著的经济效益。 当低合金钢中的铬含量达11.5%时，铬就在合金金属的表面形成一层惰性 的氧化铬膜，成为不锈钢。 不锈钢具有低的导热性，良好的耐蚀性能等优点；缺点是温度变化 时膨胀性较大。 不锈钢既可以作为承重构件，又可以作为建筑装饰材料。,第8章 建筑钢材,8.5.2 混凝土结构用钢 1.热轧钢筋 （1）牌号 热轧钢筋分为R235、HRB335、HRB400、HRB500四个牌号。 牌号意义：R代表热轧光圆钢筋、HRB代表热轧带肋钢筋， 其中热轧光圆钢筋由碳素结构钢轧制而成，表面光圆； 热轧带肋钢筋由低合金钢轧制而成，外表带肋。 牌号中的数字：表示热轧钢筋的屈服强度。,第8章 建筑钢材,（2）热轧钢筋的选用 光圆钢筋的强度较低，但塑性及焊接性好，便于冷加工，广泛 用做普通钢筋混凝土。 HRB325，HRB400带肋钢筋的强度较高，塑性及焊接性也较好， 广泛用做大、中型钢筋混凝土结构的受力钢筋。 HRB500带肋钢筋强度高，但塑性与焊接性较差，适宜作预应 力钢筋。,第8章 建筑钢材,2.冷拉热轧钢筋 为了提高强度以节约钢筋，工程中常按施工规程对 热轧钢筋进行冷拉。 冷拉热轧钢筋分为：冷拉级、冷拉级、 冷拉级、冷拉级,第8章 建筑钢材,（3）冷拉热轧钢筋的选用 冷拉I级钢筋适用作非预应力受拉钢筋。 冷拉、级钢筋强度较高，可用作预应力混凝土结构 的预应力筋。 由于冷拉钢筋的塑性、韧性较差，易发生脆断，因此，冷拉 钢筋不宜用于负温度、受冲击或重复荷载作用的结构。,第8章 建筑钢材,3.冷轧带肋钢筋 冷轧带肋钢筋是用低碳钢热轧圆盘条经冷轧或冷拔减径后，在其表面冷轧成三面有肋的钢筋。 冷轧带肋钢筋代号为CR，按抗拉强度分为三级：CRB550、CRB650、CRB800、CRB970、CRB1170，其中数值表示钢筋应达 到的最小抗拉强度值。 冷轧带肋钢筋提高了钢筋的握裹力，可广泛用于中、小预应力混凝土结构构件和普通钢筋混凝土结构构件，也可用于焊接钢筋网。,第8章 建筑钢材,4.冷轧扭钢筋 加工：冷轧扭钢筋由低碳钢热轧圆盘条经专用钢筋冷轧扭机 调直、冷轧并冷扭一次成型，具有规定截面形状和节 距的连续螺旋状钢筋。 分类：按其截面形状不同分为I型(矩形截面)和型(菱形 截面)两种类型。代号为LZN。 应用：冷轧扭钢筋可适用于钢筋混凝土构件. 特点：冷轧扭钢筋与混凝土的握裹力与其螺距大小有直接关 系。螺距越小,握裹力越大,但加工难度也越大,因此, 应选择适宜的螺距。冷轧扭钢筋在拉伸时无明显屈服 台阶，为安全起见，其抗拉设计强度采用0.8b。,第8章 建筑钢材,6.预应力混凝土用钢丝和钢绞线 （1）预应力钢丝 分类：按交货状态分为冷拉钢丝及消除应力钢丝两种；按外形 分为光面钢丝、刻痕钢丝、螺旋钢丝三种；按松驰能力 分为I级松驰和级松驰两级。 代号：RCD（冷拉钢丝）、S（消除应力钢丝）、SI（消除应力 刻痕钢丝）、SH（消除应力螺旋肋钢丝）。 （2）预应力钢绞线 分类：按捻制结构分为三类：用两根钢丝捻制的钢绞线（表示 为12）、用三根钢丝捻制的钢绞线（表示为13）、 用七根钢丝捻制的钢绞线（表示为17）。 按应力松驰能力分为I级松驰和级松驰两种。,第8章 建筑钢材,5.热处理钢筋 加工：热处理钢筋是用热轧螺纹钢筋经淬火和回火的调质处理 而成的。代号为RB150。 种类：按螺纹外形可分为有纵肋和无纵肋两种。 牌号：热处理钢筋有40SiMn、48Si2Mn和45Si2Cr等三个牌号。 应用：目前主要用于预应力混凝土轨枕，用以代替高强度钢丝， 配筋根数减少,制作方便,锚固性能好,建立预应力稳定。 也用于预应力混凝土板、梁和吊车梁，使用效果良好。 热处理钢筋系成盘供应（每盘长约20mm），开盘后能自 然伸直，不需调直、焊接，故施工简单，并可节约钢材。,第8章 建筑钢材,（3）预应力钢丝和钢绞线的应用 主要用于大跨度、大负荷的桥梁、电杆、枕轨、屋架、 大跨度吊车梁等，安全可靠，节约钢材，且不需冷拉，焊 接接头等加工，因此，在土木工程中得到广泛应用。,第8章 建筑钢材,8.4 钢材的锈蚀与防护,8.4.1 钢材的锈蚀 钢材表面与其周围介质发生化学反应而遭到的破坏， 称为钢材的锈蚀。,化学锈蚀 电化学锈蚀,钢材直接与周围介质发生化学反应产生锈蚀，多数是由氧化作用在钢材表面形成疏松氧化物。在干燥环境中反应缓慢，但温度和湿度较高，锈蚀则发展迅速。,钢材本身组成上的原因和杂质的存在，在表面介质的作用下，各成分电极电位的不同，形成微电池，铁元素失去了电子成为Fe2+