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文档简介
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+
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