建筑材料-钢材.ppt

第七章建筑钢材 土木工程材料 2 教学目标 通过本章的学习 1 了解铁和钢的概念 钢的分类 钢的冶炼加工及其对钢质量的影响 2 掌握建筑钢材的主要技术性质 力学性质 工艺性能 及其对钢材性能的影响 3 掌握主要建筑钢材的性质及应用 4 了解钢的锈蚀 钢材防锈的要点 本章内容 2 1建筑钢材基本知识2 1 1建筑钢材概述2 1 2钢的冶炼加工及其对钢材质量的影响2 1 3钢的分类2 1 4钢材的加工2 2建筑钢材的主要技术性能2 2 1力学性能2 2 2工艺性能2 3建筑钢材的技术标准及应用2 3 1碳素结构钢2 3 2优质碳素结构钢2 3 3低合金高强度结构钢2 4常用建筑钢材 3 2 1 1建筑钢材概述 定义 建筑钢材主要是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 钢绞线等 性能及应用 建筑钢材有较高的强度 有良好的塑性和韧性 能承受冲击和振动荷载 易于加工和装配 可以焊接或者铆接 便于装配广泛应用于建筑工程中 缺点 易锈蚀 耐火性差 2 1建筑钢材基本知识 4 前言 1996年以来 我国钢产量一直居世界第一位 2006年中国粗钢产量突破4亿吨 占世界钢产量的34 4 相当于前六大钢铁生产国日本 美国 俄罗斯 韩国 德国 印度的总和 钢筋混凝土用热轧带肋钢筋是重要的钢铁产品 它应用范围广 生产量大 据粗略的统计 2006年我国钢筋实际产量已达8792万吨左右 约占我国钢产量的20 8 5 近年来 伴随我国经济持续高速增长 建筑业作为我国国民经济支柱产业之一也得到了快速的发展 由于目前我国建筑主要为钢筋混凝土结构形式 钢筋的生产与消费量增长很快 我国建筑用钢占钢材的消费比例约为53 3 其中长材的消费占76 以上 钢筋占建筑用长材的61 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 2 1 2钢的冶炼加工及其对钢材质量的影响 冶炼原理 将生铁在1700 左右熔融 进行氧化 使碳的含量降低到一定的限度 同时把其他杂质含量降低到允许范围内 碳素钢 含碳量在0 02 2 06 含有害杂质较少的铁碳合金 生铁硬而脆 无塑性和韧性 不能进行焊接 锻造 轧制等加工 在建筑中很少应用 炼钢方法 大规模的炼钢方法主要有转炉法 平炉炼钢法和电弧炼钢法三种 钢材交货时 必须对所用炉种以规定的代号做出标志 脱氧状态也是钢质标志的内容之一 19 20 21 顶吹氧气转炉 22 23 2 1 3钢的分类 按化学成分分类 碳素钢 低碳钢 含碳量0 60 合金钢 低合金钢 合金元素总含量10 按质量 杂质含量 分类 普通钢 含硫量 0 055 0 065 含磷量 0 045 优质钢 含硫量 0 03 0 045 含磷量 0 035 高级优质钢 含硫量 0 02 0 03 含磷量 0 027 按用途分类 结构钢 建筑工程用结构钢 机械制造用结构钢 工具钢 用于制作道具 量具 模具等 特殊钢 不锈钢 耐酸钢 耐热钢 耐磨钢 磁钢等建筑工程中常用的钢种是普通碳素结构钢和普通低合金结构钢 24 根据脱氧程度不同 浇铸的钢锭可分为 沸腾钢 镇静钢和半镇静钢 脱氧程度不同的三种钢锭的比较 25 建筑钢材的产品一般分为型材 板材 线材和管材等几类 型材包括钢结构用的角钢 工字钢 槽钢 方钢 轨道钢等 线材包括钢筋混凝土和预应力混凝土用的钢筋 钢丝和钢铰线等 板材包括用于水利水电工程金属结构 房屋 桥梁及建筑机械的中厚钢板 用于屋面 墙面 楼板等的薄钢板 管材主要用于钢桁架和供水 供气 汽 管线等 26 2 1 4钢材的加工 冶炼生产的钢 除极少量直接用作铸件外 绝大部分都是先浇铸成钢锭 然后再加工制成各种钢材 将钢锭加热到1150 1300 后进行热轧 所得的产品为热轧钢材 将钢锭先热轧 经冷却至室温后再进行冷轧的产品为冷轧钢材 一般建筑钢材以热轧为主 钢管是用钢板加工焊制而成的 无缝钢管是对实心钢坯进行穿孔 经热轧 挤压 冷轧 冷拔等工艺而制得 27 钢材热轧具有良好的塑性 容易成型 成型后钢材没有内应力 便于工序加工 如建筑用的钢筋 用来进行冲压的钢板 要进行机械加工和热处理的钢材 钢材冷轧具有冷加工硬化的特性 由于冷轧具有较好的机械性能 很多直接使用的钢材都使用冷轧钢材 如冷轧钢丝 冷轧钢板 冷轧扭钢筋 28 29 30 31 32 33 34 35 以下为沸腾钢 A 与镇静钢 B 两钢锭的纵剖面 请观察其结构差别 讨论其性能差异 观察与讨论 讨论 B 镇静钢 A 沸腾钢 A 沸腾钢 36 讨论 从图中可见 沸腾钢的气泡明显多于镇静钢 沸腾钢是脱氧不完全的钢 浇铸后在钢液冷却时有大量一氧化碳气体外逸 引起钢液剧烈沸腾 沸腾钢内部杂质和夹杂物多 化学成分和力学性能不够均匀 强度低 冲击韧性和可焊性差 但生产成本低 可用于一般地建筑结构 而镇静钢是指在浇铸时 钢液平静地冷却凝固 基本无一氧化碳气泡产生 是脱氧较完全的钢 钢质均匀密实 品质好 但成本高 镇静钢可用于承受冲击荷载地重要结构 此外 还有比镇静钢脱氧程度还要充分彻底的钢 其质量最好 称特殊镇静钢 其使用于特别重要的结构工程 脱氧程度与质量介于镇静钢和沸腾钢之间的钢 称为半镇静钢 其质量较好 37 某厂的钢结构屋架用中碳钢焊接而成 使用一段时间后 屋架坍塌 请分析事故原因 案例分析 分析答案 钢结构屋架坍塌 钢结构屋架 38 分析 首先是因为钢材的选用不当 中碳钢的塑性和韧性比低碳钢差 且其焊接性能较差 焊接时钢材局部温度高 形成了热影响区 其塑性及韧性下降较多 较易产生裂纹 建筑上常用的主要钢种是普通碳素钢中的低碳钢和合金钢中的低合金高强度结构钢 39 2 2建筑钢材的主要技术性能 2 2 1 1抗拉性能拉伸性能是建筑钢材最重要的性能 从低碳钢的应力 应变关系中可看出 低碳钢从受拉到拉断 经历了四个阶段 弹性阶段 屈服阶段 强化阶段和颈缩阶段 通过对钢材进行抗拉试验所测得的弹性模量 屈服强度 抗拉强度和伸长率是钢材的四个重要技术性质指标 2 2 1建筑钢材的力学性能 式中 材料的应变 材料的应力 E 材料的弹性模量 应力与应变 40 1 应力2 应变 A 建筑钢材的抗拉性能 41 42 建筑钢材的抗拉性能 一 弹性阶段OA一条通过原点的直线 应力与应变成正比 弹性弹性模量E值的大小反映了钢材抵抗弹性变形的能力 A点对应的应力 O A 低碳钢受拉的应力 应变图 E1 E2 图形的特点 试件的特点 计算的指标 弹性极限 43 建筑钢材的抗拉性能 二 屈服阶段AB一条波动的曲线 应力增加很小 而应变增加很大 所能承受的拉力增加很小 而塑性变形迅速增加 似乎钢材不能承受外力 屈服强度 也叫屈服点 点对应的应力 图形的特点 试件的特点 计算的指标 O A 低碳钢受拉的应力 应变图 A C D B 屈服 44 三 强化阶段BC一段上升的曲线 抵抗塑性变形的能力又重新提高 抗拉强度 图形的特点 试件的特点 计算的指标 O A 低碳钢受拉的应力 应变图 A C D B C点对应的应力 建筑钢材的抗拉性能 强化 45 四 颈缩阶段CD一段下降的曲线 变形迅速发展 在有杂质或缺陷处 断面急剧缩小 直到断裂 伸长率 图形的特点 试件的特点 计算的指标 建筑钢材的抗拉性能 计算的指标 颈缩 46 三个重要的指标1 屈服强度 s结构设计中钢材强度取值的依据2 抗拉强度 b钢材所能承受的最大应力屈强比屈强比 利用率 安全可靠程度3 伸长率 衡量钢材塑性的指标 越大说明钢材的塑性越好 O A A C D B 47 钢材的 e和 s越高 表示钢材对小量塑性变形的抵抗能力越大 因此 在不发生塑性变形的条件下 所能承受的应力就越大 e与 b差值越大的钢 说明超过屈服点后的强度储备能力越大 结构的安全性高 屈强比 s b 钢材的屈服点 屈服强度 与抗拉强度的比值 称为屈强比 它也代表了钢材强度储备的大小 屈强比越大 结构零件的可靠性越高 屈强比越小 强度储备大 但屈强比太小则钢筋强度的有效利用率低 一般碳素钢屈强比为0 6 0 65 低合金结构钢为0 65 0 75 合金结构钢为0 84 0 86 48 伸长率指金属材料受外力 拉力 作用断裂时 试棒伸长的长度与原来长度的百分比 伸长率按试棒长度的不同分为 试棒的标距等于5倍直径 短试棒求得的伸长率 代号为 5 试棒的标距等于10倍直径 长试棒求得的伸长率 代号为 10 伸长率是钢材发生断裂时所能承受的永久变形的能力 式中 试件的伸长率 拉伸前的标距长度 mm 拉断后的标距长度 mm 式中 试件的伸长率 拉伸前的标距长度 mm 拉断后的标距长度 mm 式中 试件的伸长率 拉伸前的标距长度 mm 拉断后的标距长度 mm 49 断面收缩率塑性是指钢材在受力破坏之前可以经受永久变形的能力 以 表示 断面收缩率是试件断裂后 缩颈处横断面面积的最大缩减量占横截面的百分率 在工程中钢材的塑性指标通常用伸长率和断面收缩率表示 50 2 2 2 2冲击韧性 钢材的冲击韧性是指钢材抵抗冲击荷载而不被破坏的能力 冲击韧性实验当试验机的重摆从一定高度自由落下时 在试样中间开V型缺口 试样吸收的能量等于重摆所作的功W 冲击韧性的大小用缺口处单位面积上所消耗的功 k来表示 钢材的冲击韧性试验 k值与试验温度有关 有些材料在常温时冲击韧性并不低 但当试验温度低于某值时 k突然大幅度下降 材料无明显塑性变形而发生脆性断裂 这种性质称为钢材的冷脆性 51 钢的化学成分 例 S P 冲击韧性 冶炼及轧制质量质量 冲击韧性 温度温度 冲击韧性 ak 影响冲击韧性的因素 52 2 2 2 3疲劳强度 受交变荷载反复作用 钢材在应力低于其屈服强度的情况下突然发生脆性断裂破坏的现象 称为疲劳破坏 钢材的疲劳破坏一般是由拉应力引起的 首先在局部开始形成细小断裂 随后由于微裂纹尖端的应力集中而使其逐渐扩大 直至突然发生瞬时疲劳断裂 疲劳破坏是在低应力状态下突然发生的 所以危害极大 往往造成灾难性的事故 钢材疲劳曲线示意图 53 硬度 是指钢材抵抗硬物体压入钢材的表面的能力 方法 布氏法 洛氏法和维氏法 常用方法是布氏法和洛氏法 定义 测定方法 演示 2 2 2 4钢材的硬度 54 讨论与分析 材料的硬度往往与材料的其它性能有一定的相关系 如 钢材的HB值与抗拉强度之间有较好的相关关系 55 冷弯性能定义 指钢材在常温下承受弯曲变形的能力 以试验时的弯曲角度 和弯心直径d为指标表示 检验 按规定的弯曲角和弯心直径进行试验 试件的弯曲处不发生裂缝 断裂或漆层 即认为冷弯性能合格 2 2 2建筑钢材的工艺性能 钢材的冷弯 56 图1支辊式弯曲装置 对于支辊式弯曲装置支辊长度应大于试样宽度或直径 支辊半径应为1 10倍试样厚度 支辊应具有足够的硬度 除非另有规定 支辊间距应按下式确定 L d 3a 0 5a此距离在试验期间应保持不便 弯曲压头直径应在相关产品标准中规定 弯曲压头应具有足够的硬度 57 图2V模具形弯曲装置 V型模具式弯曲装置其模具的V形槽角度应为1800 a 见中图2 弯曲角度应在相关产品标准中规定 弯曲压头的圆角半径为d 2 模具的支承棱边应倒圆 倒圆半径应为1 10倍试样厚度 模具和弯曲压头宽度应大于试样宽度或直径 弯曲压头应具有足够的硬度 58 虎钳式弯曲装置由虎钳配备足够硬度的弯心组成 可以配置加力杆 弯心直径应按照相关产品标准要求 弯心宽度应大试样宽度或直径 图3虎钳式弯曲装置 59 翻板式弯曲装置中翻板带有锲形滑块 滑块宽度应大试样宽度或直径 滑块应具有足够的硬度 翻板固定在耳轴上 试验时能绕耳轴轴线转动 耳轴连接弯曲角度指示器 指示00 1800的弯曲角度 翻板间距离应为两翻板的试样支承面同时垂直于水平轴线时两支承面间的距离 并按下式确定 L d 2a e式中e可取2 6mm 弯曲压头直径应在相关产品标准中规定 弯曲压头宽度应大于试样宽度或直径 弯曲压头的压杆厚度应略小于弯曲压头直 弯曲压头应具有足够的硬度 60 拉伸强度及弯曲试验性能指标应符合下表中各项要求 61 焊接性能 焊接 把两块金属局部加热 并使其接缝部分迅速呈熔融或半熔融状态 而牢固的连接起来 它是钢结构的主要连接形式 焊接性能 是指在一定的焊接工艺条件下 在焊缝及其附近过热区不产生裂纹及硬脆倾向 焊接后钢材的力学性能 特别是强度不低于原有钢材的强度 影响因素 钢材的化学成分对钢材的可焊性有很大的影响 选择 焊接结构用钢 选含碳量较低的氧气转炉或平炉镇静钢 对高碳钢及合金钢 需要采用焊前预热及焊后热处理等措施 62 2 2 3影响钢材性能的主要因素2 2 3 1化学成分 1 有益元素1 碳 C 碳是形成钢材强度的主要成分 是钢材中除铁以外最主要的元素 含碳量高 则钢材强度高 但同时钢材的塑性 韧性 冷弯性能 可焊性及抗锈蚀能力下降 因此 建筑钢材对含碳量要加以限制 一般不应超过0 22 在焊接结构中还应低于0 20 2 硅 Si 硅是强脱氧剂 是制作镇静钢的必要元素 硅适量时可提高钢材的强度而不显著影响其塑性 韧性 冷弯性能及可焊性 在碳素镇静钢中硅的含量为0 12 0 3 在低合金钢中为0 2 0 55 过量时会恶化钢材的可焊性及抗锈蚀性 3 锰 Mn 锰是有益元素 它能显著提高钢材的强度而不过多降低塑性和冲击韧性 锰有脱氧作用 是弱脱氧剂 同时还可以消除硫引起的钢材热脆现象及改善冷脆倾向 锰是低合金钢中的主要合金元素 含量一般为1 2 1 6 过量时会降低钢材的可焊性 4 钒 V 钒是钢中合金元素 能提高钢材的强度和抗锈蚀性 又不显著降低塑性 63 含碳量对热轧碳素钢性质的影响 b 抗拉强度 k 冲击韧性 HB 硬度 伸长率 面积缩减率 64 2 有害元素1 硫 S 是有害元素 属杂质 硫在钢材温度达到800 1000 时生成硫化铁而熔化 使钢材变脆 易出现裂缝 称为热脆 硫还会降低钢材的冲击韧性 可焊性 疲劳强度及抗锈蚀能力 因此 对硫的含量必须严加控制 一般不超过0 045 0 05 Q235的C级与D级钢要求更严 2 磷 P 可以提高钢材的强度和抗锈蚀能力 但却严重降低钢材的塑性 韧性和可焊性 特别是在温度较低时使钢材变脆 冷脆 既在低温条件下使钢材的塑性和韧性显著降低 钢材容易脆裂 因而应严格控制其含量 一般不超过0 045 但采取适当的冶金工艺处理 磷也可作为合金元素 含量在0 05 0 12 之间 3 氧 O 和氮 N 是有害元素 氧能使钢材热脆 其作用比硫剧烈 氮能使钢材冷脆 与磷类似 故其含量应严格控制 由于氧和氮在冶炼过程中容易逸出 一般不会超过极限含量 故不作含量要求 65 冷加工性能及时效 冷加工强化处理 将钢材在常温下进行冷加工 如冷拉 冷拔或冷轧 使之产生塑性变形 从而提高屈服强度 经强化处理过的钢材塑性和韧性降低 弹性模量降低 时效 钢材在冷加工后长时间的搁置中 会自发地呈现强度和硬度逐渐提高 而塑性和韧性逐渐降低的现象 人工时效 加热到100 C 200 C并保持一定时间 适合于高强钢筋 自然时效 常温下存放15 20天 适合用于低强度钢筋 66 钢筋冷拉后屈服强度可提高15 20 冷拔后屈服强度可提高40 60 低碳钢受冷拉力应变 67 注 1 冷拉仅能提高钢筋的抗拉强度 不能提高抗压强度 冷拔可同时提高钢筋的抗拉强度和抗压强度 2 钢筋经冷加工后 力学性能发生显著变化 强度提高 塑性降低 由软钢变成硬钢 低碳钢受冷拔力应变 68 69 70 将金属工件加热到某一适当温度并保持一段时间 随即浸入淬冷介质中快速冷却的金属热处理工艺 常用的淬冷介质有盐水 水 矿物油 空气等 淬火可以提高金属工件的硬度及耐磨性 因而广泛用于各种工 模 量具及要求表面耐磨的零件 如齿轮 轧辊 渗碳零件等 通过淬火与不同温度的回火配合 可以大幅度提高金属的强度 韧性及疲劳强度 并可获得这些性能之间的配合 综合机械性能 以满足不同的使用要求 另外淬火还可使一些特殊性能的钢获得一定的物理化学性能 如淬火使永磁钢增强其铁磁性 不锈钢提高其耐蚀性等 淬火工艺主要用于钢件 淬火 71 又称配火 金属热处理工艺的一种 将经过淬火的工件重新加热到低于下临界温度的适当温度 保温一段时间后在空气或水 油等介质中冷却的金属热处理 或将淬火后的合金工件加热到适当温度 保温若干时间 然后缓慢或快速冷却 一般用以减低或消除淬火钢件中的内应力 或降低其硬度和强度 以提高其延性或韧性 根据不同的要求可采用低温回火 中温回火或高温回火 通常随着回火温度的升高 硬度和强度降低 延性或韧性逐渐增高 回火 72 将金属缓慢加热到一定温度 保持足够时间 然后以适宜速度冷却 通常是缓慢冷却 有时是控制冷却 的一种金属热处理工艺 退火的目的在于 改善或消除钢铁在铸造 锻压 轧制和焊接过程中所造成的各种组织缺陷以及残余应力 防止工件变形 开裂 软化工件以便进行切削加工 细化晶粒 改善组织以提高工件的机械性能 为最终热处理 淬火 回火 作好组织准备 退火 73 某烧结矿仓库运输廊道于1965年1月发生倒塌 事故发生时室外气温为36 左右 经现场调查及取样试验可知所用的沸腾钢含碳0 23 0 25 含硫0 06 焊接质量差 请分析事故原因 案例分析 分析答案 74 分析 原因之一是所使用的钢材不符合标准要求 发生脆性断裂 所用钢材含碳量及含硫量均超过用于焊接结构钢材要求 即含碳不超过0 22 含硫量不超过0 055 硫的析出集中点正是弦杆钢发生脆性破坏部位 原因之二是断裂处焊缝低劣 以及焊接结构处有应力集中现象 助长了此衍架的断裂破坏 经检查 多处焊缝明显未焊透 有焊瘤 夹杂缺陷 焊接质量差 75 8 3 1碳素结构钢 碳素结构钢的牌号由4个要素组成 2 3建筑钢材的技术标准及应用 76 表2 1碳素结构钢的化学成分 GB T700 2006 77 78 表2 3碳素结构钢的冷弯性能 GB T700 2006 由表2 1 表2 2和表2 3可知 碳素结构钢随着牌号的增大 其含碳量增加 强度提高 塑性和韧性降低 冷弯性能逐渐变差 79 碳素结构钢的特性与选用工程中应用最广泛的碳素结构钢牌号为Q235 其含碳量为0 14 0 22 属低碳钢 由于该牌号钢既具有较高的强度 又具有较好的塑性和韧性 可焊性也好 故能较好的满足一般钢结构和钢筋混凝土结构的用钢要求 Q195 Q215号钢强度低 塑性和韧性较好 易于冷加工 常用作钢钉 铆钉 螺栓及铁丝等 Q215号钢经冷加工后可代替Q235号钢使用 Q275号钢强度较高 但塑性 韧性和可焊性较差 不易焊接和冷加工 可用于轧制钢筋 制作螺栓配件等 80 2 3 2优质碳素结构钢 分类 根据锰含量的不同分为普通锰含量钢和较高锰含量钢两组 应用 成本较高 仅用于重要结构的钢铸件及高强度螺栓等 牌号 优质碳素结构钢的钢号用两位数字表示 它表示平均含碳量的万分数 较高含锰量时 在钢号后加注 Mn 优质碳素结构钢分为优质钢 高级优质钢 钢号后加A 和特级优质钢 钢号后加E 根据国家标准GB221 2000 钢铁产品牌号表示方法 规定 优质碳素结构钢的牌号采用阿拉伯数字或阿拉伯数字和规定的符号表示 以二位阿拉伯数字表示平均含碳量 以万分数计 如 平均含碳量为0 08 的沸腾钢 其牌号表示为 08F 平均含碳量为0 10 的半镇静钢 其牌号表示为 10b 较高含锰量的优质碳素结构钢 在表示平均含碳量的阿拉伯数字后加锰元素符号 如 平均含碳量为0 50 含锰量为0 70 1 0 的钢 其牌号表示为 50Mn 优质碳素结构钢中的硫 磷等有害杂质含量更低 且脱氧充分 质量稳定 在建筑工程中常用做重要结构的钢铸件 高强螺栓及预应力锚具 81 2 3 3低合金高强度结构钢 特点 在碳素钢的基础上添加总量小于5 合金元素 强度高 塑性和低温冲击韧性好 耐锈蚀 应用 广泛应用于钢结构和钢筋混凝土结构中 特别是大型结构 重型结构 大跨度结构 高层建筑 桥梁工程 承受动力荷载和冲击荷载的结构 牌号 82 低合金高强度结构钢的力学性能 GB1591 1994 83 低合金高强度结构钢的特点与应用由于低合金高强度结构钢中的合金元素的结晶强化和固熔强化等作用 该钢材不但具有较高的强度 而且也具有较好的塑性 韧性和可焊性 因此 在钢结构和钢筋混凝土结构中常采用低合金高强度结构钢轧制型钢 角钢 槽钢 工字钢 钢板 钢管及钢筋 来建筑桥梁 高层及大跨度建筑 尤其在承受动荷载和冲击荷载的结构中更为适用 另外 与使用碳素钢相比 可节约钢材20 30 而成本并不很高 目前我国生产的低合金结构钢有17种 分别是 09MnV 09MnNb 09Mn2 12Mn 18Nb 12MnV 09MnCuPTi 10MnSiCu 14MnNb 16Mn 16MnRE 10MnPNbRE 15MnV 15MnTi 16MnNb 14MnVTiRE 15MnVN 钢号中前面两个数字代表钢的平均含碳量的万分数 合金元素后无数字者 表示该元素的平均含量少于1 5 标有 2 3 则指其含量为 1 5 2 49 及 2 5 3 49 余类推 84 混凝土具有较高的抗压强度 但抗拉强度很低 用钢筋增强混凝土 可大大扩展混凝土的应用范围 而混凝土又对钢筋起保护作用 钢筋混凝土结构的钢筋 主要由碳素结构钢和优质碳素钢制成 2 4常用建筑钢材 8 4 1热轧钢筋混凝土结构用热轧钢筋应有较高的强度 具有一定的塑性 韧性 冷弯和可焊性 热轧钢筋是经热轧成型并自然冷却的成品钢筋 主要有用Q235轧制的光圆钢筋和用合金钢轧制的带肋钢筋两类 85 2 4 1 1热轧光圆钢筋经热轧成型 横截面通常为圆形 表面光滑的成品钢筋 称为热轧光圆钢筋 HPB HotrolledPlainBars 钢筋按屈服强度特征值分为235 300级 热轧光圆钢筋牌号由HPB和屈服强度特征值构成 分为为HPB235 HPB300两个牌号 热轧光圆钢筋的公称直径范围为6 22mm 热轧光圆钢筋 GB1499 1 2008 推荐的钢筋公称直径为6 8 10 12 16和20mm 可按直条或盘卷交货 按定尺长度交货的直条钢筋其长度允许偏差范围为0 50mm 按盘卷交货的钢筋 每根盘条重量应不小于1000kg 热轧光圆钢筋钢筋的屈服强度ReL 抗拉强度Rm 断后伸长率A 最大拉力总伸长率Agt等力学性能特征值应符合规定 各力学性能特征值 可作为交货检验的最小保证值 按规定的弯芯直径弯曲180 后 钢筋受弯部位表面不得产生裂纹 86 87 热轧光圆钢筋的力学性能和工艺性能 GB1499 1 2008 88 带肋钢筋 a 月牙肋钢筋 b 等高肋钢筋 2 4 1 2热轧带肋钢筋 HRB HotrolledRibbedBars 经热轧成型并自然冷却的横截面为圆形的 且表面通常带有两条纵肋和沿长度方向均匀分布的横肋的钢筋 称为热轧带肋钢筋 包括普通热轧钢筋和细晶粒热轧钢筋两种 热轧带肋钢筋按屈服强度特征值分为335 400 500级 普通热轧钢筋的牌号由HRB和屈服强度特征值构成 分为HRB335 20Mnsi HRB400 20MnSiV 20MnSiNb或20MnsiTi HRB500三个牌号 89 90 a 等高肋钢筋 b 月牙肋钢筋 91 92 93 94 95 96 热轧带肋钢筋的公称直径范围为6 50mm 热轧带肋钢筋 GB1499 2 2007 推荐的钢筋公称直径为6 8 10 12 16 20 25 32 40和50mm 热轧带肋钢筋通常按定尺长度交货 具体交货长度应在合同中注明 按定尺长度交货时的长度允许偏差为 25mm 当要求最小长度时 其偏差为 50mm 当要求最大长度时 其偏差为 50mm 热轧带肋钢筋也可以盘卷交货 每盘应是一条钢筋 允许每批有5 的盘数由两条钢筋组成 97 热轧带肋钢筋的力学性能和工艺性能应符合规定 各力学性能特征值 可作为交货检验的最小保证值 按规定的弯芯直径弯曲180 后 钢筋受弯部位表面不得产生裂纹 反向弯曲试验是先正向弯曲90 再反向弯曲20 经反向弯曲试验后 钢筋受弯曲部位表面不得产生裂纹 热轧钢筋中热轧光圆钢筋的强度较低 但塑性及焊接性能很好 便于各种冷加工 因而广泛用作普通钢筋混凝土构件的受力筋及各种钢筋混凝土结构的构造筋 HRB335和HRB400钢筋强度较高 塑性和焊接性能也较好 故广泛用作大 中型钢筋混凝土结构的受力钢筋 HRB500钢筋强度高 但塑性及焊接性能较差 可用作预应力钢筋 98 热轧带肋钢筋的力学性能和工艺性能 GB1499 2 2007 99 细晶粒热轧钢筋hotrolledbarsoffinegrains在热轧过程中 通过控轧和控冷工艺形成的细晶粒钢筋 其金相组织主要是铁素体加珠光体 不得有影响使用性能的其它组织存在 晶粒度不粗于9级 细晶粒热轧钢筋的牌号由HRBF和屈服强度特征值构成 分为HRBF335 HRBF400 HRBF500三个牌号 细晶粒钢的表示方法 100 通过控轧控冷工艺获得超细组织 从而在不增加合金含量的基础上大幅提高钢材的性能 成为当前国际上研究的热点 传统的控轧控冷工艺 注重的是材料的组织成分的控制 对利用细化晶粒手段达到提高钢材性能的研究没有给予足够的重视 而且对于低碳钢 传统的控轧控冷手段得到的晶粒尺寸为大于5微米 并且借助微合金化手段才能获得 近十几年来 国际上广泛开展了获得细晶粒组织的研究 以期有效地提高钢的强度和韧性 同时未来钢铁材料研究发展方向是以高纯洁度 高均匀度和细晶粒为主要发展目标之一 以节省资源 降低成本和可回收利用为研究的基本原则 101 2 4 2冷轧带肋钢筋ColdrolledRibbedBars 热轧圆盘条经冷轧后 在其表面带有沿长度方向均匀分布的三面或二面横肋的钢筋 称为冷轧带肋钢筋 小螺纹 钢筋表面的横肋呈月牙形 横肋沿钢筋横截面周圈上均匀分布 其中三面肋钢筋有一面肋的倾角必须与另两面反向 二面肋钢筋一面肋的倾角必须与另一面反向 冷轧带肋钢筋的牌号由CRB和钢筋的的抗拉强度最小值构成 冷轧带肋钢筋分为CRB550 CRB650 CRB800 CRB970 CRB1170五个牌号 CRB550为普通钢筋混凝土用钢筋 其他牌号为预应力混凝土用钢筋 它克服肋冷拉 冷拔钢筋握裹力低的缺点 同时具有和冷拉 冷拔相近的强度 广泛应用于在中 小型预应力混凝土结构构件和普通混凝土结构构件中 102 三面月牙形冷轧带肋钢筋 冷轧带肋钢筋 103 冷轧带肋钢筋 104 冷轧带肋钢筋具有以下优点 1 强度高 塑性好 综合力学性能优良 CRB550 CRB650的抗拉强度由冷扎前的不足500Mpa提高到550Mpa 650Mpa 冷拔低碳钢丝的伸长率仅2 左右 而冷轧带肋钢筋的伸长率大于4 2 握裹力强 混凝土对冷轧带肋钢筋的握裹力为同直径冷拔钢丝的3 6倍 又由于塑性较好 大幅度提高了构件的整体强度和抗震能力 3 节约钢材 降低成本 以冷轧带肋钢筋代替 级钢筋用于普通钢筋混凝土构件 可节约钢材30 以上 如用以代替冷拔低碳钢丝用于预应力混凝土多孔板中 可节约钢材5 10 且每m3混凝土可节省水泥约40kg 4 提高构件整体质量 改善构件的延性 避免 抽丝 现象 用冷轧带肋钢筋制作的预应力空心楼板 其强度 抗裂度均明显优于冷拔低碳钢丝制作的构件 冷轧带肋钢筋适用于中 小型预应力混凝土构件和普通混凝土构件 也可焊接网片 105 热处理钢筋分为预应力用热处理钢筋和钢筋混凝土用余热处理钢筋 热处理钢筋分为预应力用热处理钢筋用热轧中碳低合金钢钢筋经淬火 回火调质处理工艺生产的回火索氏体钢筋 它具有很高的强度和足够的韧性 是预应力混凝土钢筋的重要品种之一 中国的热处理钢筋的规格为直径6 8 2 10毫米三种 抗拉强度 1500兆帕 条件屈服点 1350兆帕 伸长率 6 由于这种钢筋没有明显的屈服点 一般检验时只考核抗拉强度和伸长率 热处理钢筋的设计强度相当于标准强度的0 8 先张法和后张法 预应力结构张拉控制应力分别为标准强度的0 7和0 65 钢筋表面轧有通长的纵筋和均匀分布的横肋 以增加与混凝土的粘结 钢筋卷成直径1 7 2 0米的弹性盘条供应 开盘后即自行伸直 使用热处理钢筋时可根据要求长度切割 不能用电焊切割 也不能焊接 以免引起强度降低或脆断 2 4 3热处理钢筋 106 热处理钢筋以较高的含硅量 Si1 5 1 8 来提高抗应力腐蚀性能 但它仍与其他高强度钢材一样地具有较高的应力腐蚀敏感性 因此在运输 储存及使用过程中 应注意避免雨淋 氯化物或酸性介质侵蚀 防止刻痕 电打火 预应力孔道积水及灌浆不满等不利现象 以防止钢筋发生低应力脆断及滞后断裂 预应力混凝土用热处理钢筋的优点是 强度高 可代替高强钢丝使用 节约钢材 锚固性好 不易打滑 预应力值稳定 施工简便 开盘后钢筋自然伸直 不需调直及焊接 主要用于预应力钢筋混凝土枕轨 也用于预应力梁 板结构及吊车梁等 107 预应力混凝土用热处理钢筋的牌号和化学成分 108 预应力混凝土用热处理钢筋的力学性能 109 余热处理钢筋 RRB 是把热轧后的钢筋立即穿水 控制表面冷却 然后利用芯部余热自身完成回火处理所得的成品钢筋 其级别分为3级 强度等级代号为KL400 外观同热轧带肋钢筋 化学成分同20MnSi钢筋 生产余热处理钢筋时 利用轧制余热 在轧钢作业线上直接进行热处理 其基本原理是钢筋从轧机的成品机架轧出后 经冷却装置进行快速表面淬火 然后利用钢筋芯部热量由里向外自回火 并在冷床空冷至室温 该技术能有效地发挥钢材的性能潜力 通过各种工艺参数的控制能改善钢筋的性能 在较大幅度提高钢筋强度的同时 保持较好的塑韧性 完全能保证钢筋的综合性能满足要求 同时 大幅度降低了合金元素用量 节约了生产成本 用余热处理工艺生产英标460MPa级钢筋 我建筑业应用余热处理钢筋可实现强度等级的升级 节约钢材用量 增加建筑物的安全性 从理论上分析 335MPa级钢升级为460MPa级钢可节材27 以上 400MPa级钢升级为460MPa级钢可节材13 更重要的是实现强度等级升级同时 不需要消耗大量微合金化元素的资源 有利于科学发展 110 余热处理钢筋在国外已广泛应用 典型例子是英标460MPa级 500MPa级钢筋 英标BS4449因其科学性和适用性而受到国际建筑业的推崇 许多国家和地区普遍采用BS4449标准 英标钢筋与我国和其它国家钢筋标准中同类钢筋相比 不但强度要求较高 而且对冷弯和反弯性能要求更严 因此 其质量要求较高 BS4449标准中没有规定具体的加入合金元素和成分范围 国外企业生产英标钢筋一般是用碳素钢采用余热处理工艺 我国出口的英标钢筋也大量采用了余热处理工艺 新加坡标准SS2 Part2中500MPa钢筋 加拿大标准G30 18中的400R 500R钢筋 美国ASTMA615 A615M标准中的60级 420MPa 75级 520MPa 钢筋 德国标准DIN488 1中的BSt420S BSt500S钢筋等都可采用余热处理工艺生产 国外余热处理钢筋的广泛应用表明 余热处理钢筋在建筑上包括在重要建筑上的应用是可靠的 可行的 111 112 预应力混凝土用钢丝是用优质碳素结构钢制成 抗增强度高 分为消除应力光圆钢丝 S 消除应力刻痕钢丝 SI 消除应力螺旋力钢丝 SH 和冷拉钢丝 RCD 四种 SI和SH与混凝土的粘结力好 预应力混凝土用钢丝质量稳定 安全可靠 强度高 无接头 施工方便 主要用于大跨度的屋架 薄腹架 吊车梁或桥梁等大型预应力混凝土构件 还可用于轨枕 压力管道等预应力混凝土构件 2 4 4预应力混凝土用钢丝和钢绞线 113 螺旋肋钢丝外形示意图 114 三面刻痕钢丝外形示意图 115 预应力混凝钢绞线是以数根优质碳素结构钢丝在绞线机上以绞捻 再经低温回火和消除应力等热处理工序制成 预应力钢绞线是用两 或三 或七 19 根钢丝捻制后 钢绞线与混凝土的粘结力较好 钢铰线的捻向一般为左 S 捻 按照表面形态可以分为光面钢绞线 刻痕钢绞线 模拔钢绞线 compact 镀锌钢绞线 涂环氧树脂钢绞线等 在多数后张预应力及先张预应力工程中 光面钢绞线是最广泛采用的预应力钢材 模拔钢绞线主要用于提升工程 也用于核电之类的工程 镀锌钢绞线常用于桥梁的系杆 拉索及体外预应力工程 涂环氧树脂的钢绞线用途和镀锌预应力钢绞线类似 预应力钢绞线以盘或卷状态交货 每盘钢铰线应由一整根组成 如无特殊要求 每盘钢铰线的长度不小于200m 成品钢铰线的表面不得有润滑剂 油渍等降低钢铰线与混凝土粘接力的物质 钢铰线表面允许有轻微的浮锈 但不得锈蚀成目视可见的麻坑 预应力混凝钢绞线 116 铁丝的号数与直径 117 2 4 5型钢 常用品种 工字钢 H型钢 T型钢 槽钢 等边角钢 不等边型钢等 特点 截面形式合理 材料在截面上分布对受力最为有利 且构件间连接方便 所以是钢结构中采用的主要钢材 规格 通常以反映其断面形状的主要轮廓尺寸来表示 热轧型钢 工字钢 118 119 120 121 122 1 无缝钢管无缝钢管是经热轧 挤压 热扩或冷拔 冷轧而制成的周边无缝的管材 分为一般用途和专门用途两类 一般结构用的无缝钢管 以外径 壁厚表示规格 详见GB8162 1987规定 专用无缝钢管一般用于锅炉和耐热工程中 2 焊接钢管在工程中用量最大的是焊接钢管 供低压流体输送用的直缝钢管 分焊接钢管和镀锌焊接钢管两大类 按壁厚分为普通焊管和加厚焊管 按管端形式分螺纹钢管和无螺纹钢管 2 4 6钢管 123 124 125 华北某厂需焊接一座露天需承受动荷载的钢支架 该厂已有三种碳素结构钢 厚度均为80mm Q235抗拉强度已可满足设计要求 三种钢材的价格是 请选用 案例分析 材料的综合选用 Q235A F Q235A b Q235C 126 分析 选 不当 Q235A F为沸腾钢 其内部杂质和夹杂物较多 化学成分和力学性能不均匀抗冲击韧性特别是低温冲击韧性差 可焊性差不宜用于承受动荷载的焊接钢结构 请再选 127 分析 Q235A b为半沸腾钢 性能虽优于Q235A F 但焊接结构应保证碳的极限含量 而Q235A钢的含碳量是不作为交货条件的 一般不用于焊接结构 另外 厚度较大的钢材塑性及冲击韧性及焊接性能一般较差 选用厚度较大的焊接钢结构应选用材质较好的钢 128 分析 选择正确 结构钢材的选用至少应具有屈服点 抗拉强度 伸长率三项机械性能和硫磷含量两项化学成分的合格保证 对焊接结构还应有含碳量的合格保证 对于较大型构件 直接承受动力荷载的结构 钢材应具有冷弯试验的合格保证 对于大 重型结构和直接承受动力荷载的结构 还需根据冬季工作湿度情况 选用的钢材需具有常温 低温冲击韧性的合格保证 还需说明的是 低含量高强度结构钢由于合金元素的强化作用 不但有较多的强度 而且具有较好的塑性 韧性和可焊性 Q 345钢及Q390钢的综合性能较好 是钢结构常用的牌号 其价格虽稍高 但有更好的承受动荷载和耐疲劳性能 可节省钢材 减轻结构自重 大跨度 大型结构承受动力荷载和冲击荷载结构广泛用低合金