建筑钢材的品种、规格以及力学性能

1、建筑钢材的品种、规格以及力学性能1. 钢筋的品种、规格、力学性能及强度设计指标；2. 钢结构用钢材的品种、规格、力学性能及强度设计指标；3. 混凝土的强度、变形指标；混凝土结构耐久性规定；4. 砌体材料种类及强度等级；5. 砌体的力学性能。 本章主要内容重 点建筑钢材的力学性能。难 点建筑钢材的力学性能。2.1 建筑钢材2.1.1 建筑钢材的品种和规格 1.混凝土结构对钢筋的要求 应具有较高的强度和良好的塑性； 便于加工和焊接； 并应与混凝土之间具有足够的粘接力。热轧钢筋冷拉钢筋 热处理钢筋冷轧钢筋（冷轧带肋钢筋、冷轧扭钢筋）冷拔低碳 消除应力钢丝钢绞线钢筋按加工方法不同分类（2）钢筋的种类钢

2、筋按在结构中是否施加预应力分类普通钢筋钢丝钢筋按外形分类光面钢筋变形钢筋 1）普通钢筋 普通钢筋指用于钢筋混凝土结构中的钢筋和预应力混凝土结构中的非预应力钢筋。 用于钢筋混凝土结构的热轧钢筋分为HPB235、 HRB335、HRB400和RRB400四个 级别。 混凝土规范规定，普通钢筋宜采用HRB400级和HRB335级钢筋。 HPB235级钢筋：光圆钢筋，公称直径范围为820mm，推荐直径为8、10、12、16、20mm。实际工程中只用作板、基础和荷载不大的梁、柱的受力主筋、箍筋以及其他构造钢筋。 HRB335级钢筋：月牙纹钢筋，公称直径范围为650mm，推荐直径为6、8、10、12、16

3、、20、25、32、40和50mm。是混凝土结构的辅助钢筋，实际工程中也主要用作结构构件中的受力主筋。 HRB400级钢筋：月牙纹钢筋，公称直径范围和推荐直径同HRB335钢筋。是混凝土结构的主导钢筋，实际工程中主要用作结构构件中的受力主筋。 RRB400级钢筋：月牙纹钢筋，公称直径范围为840mm，推荐直径为8、10、12、16、20、25、32和40mm。强度虽高，但疲劳性能、冷弯性能以及可焊性均较差，其应用受到一定限制。 2）预应力钢筋 预应力钢筋应优先采用钢绞线和钢丝，也可采用热处理钢筋。 钢绞线：由多根高强钢丝绞织在一起而形成的，有3股和7股两种， 多用于后张法大型构件。 预应力钢丝

4、：主要是消除应力钢丝，其外形有光面、螺旋肋、三面刻痕三种。 热处理钢筋：包括40Si2Mn、48Si2Mn及45Si2Cr几种牌号，它们都以盘条形式供应，无需焊接、冷拉，施工方便。 2.钢结构用钢材 （1）钢种和钢号 建筑工程常用碳素结构钢和低合金高强度结构钢 1）碳素结构钢 碳素结构钢的牌号：质量等级代号：A、B、C、D屈服点数值（N/mm2）： 195、215、235、255、275钢材屈服点代号：Q脱氧程度代号：F、b、Z、TZ，其中Z、TZ可以省略 碳素结构钢牌号举例：Q235A 2）低合金高强度结构钢 低合金高强度结构钢的牌号： 质量等级代号：A、B、C、D、E 屈服点数值（N/mm

5、2）：295、345、390、420、460 钢材屈服点代号：Q注：低合金高强度结构钢的A、B级属于镇静钢， C、D、E级属于特殊镇静钢。3）钢材的选用 钢结构规范规定，承重结构的钢材宜采用Q235钢、Q345钢、Q390钢和Q420钢。 承重结构采用的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服强度和硫、磷含量的合格保证，对焊接结构尚应具有碳含量的合格保证。 焊接承重结构以及重要的非焊接承重结构采用的钢材还应具有冷弯试验的合格保证。 （2）品种及规格 1）热轧钢板 热轧钢板 厚度为60 mm，宽0.73m，长412m。 广泛用来组成焊接构件和连接钢板。厚度为4 mm，宽，长0.54m。薄钢板是冷弯薄壁型

6、钢的原料厚度为460mm，宽度为30200mm，长39m。 钢板用符号“-”后加“厚宽长（单位为mm）”的方法表示，如-128002100。薄板厚板扁钢2）热轧型钢（图） 角钢 有等边和不等边两种。 等边角钢：“L”后加“边宽厚度”（单位为mm），如L10010。 不等边角钢：“L”后加“长边宽短边宽厚度”，如L100808。 槽钢 热轧普通槽钢与热轧轻型槽钢。 普通槽钢：“”后加截面高度（单位为cm），并以a、b、c区分同一截面高度中的不同腹板厚度，30a。 轻型槽钢：“Q”后加截面高度（单位为cm） 工字钢 分普通工字钢和轻型工字钢。 普通工字钢：“I”后加截面高度（单位为cm。20号以上

7、的工字钢，同一截面高度有3种腹板厚度，以a、b、c区分 （其中a类腹板最薄），如I30b。 轻型工字钢：“QI”后加截面高度（单位为cm），如Q I 25。 H型钢 热轧H型钢分为宽翼缘H型钢、中翼缘H型钢和窄翼缘H型钢三类，此外还有H型钢柱，其代号分别为HW、HM、HN、HP。 表示方法：代号后加“高度宽度腹板厚度翼缘厚度”(单位为mm)， 如HW340250914。 剖分T型钢 代号与H型钢相对应，采用TW、TM、TN分别表示宽翼缘T型钢、中翼缘T型钢和窄翼缘T型钢，其表示方法亦与H型钢相同，如TN22520012。 钢管 分为无缝钢管和焊接钢管。 表示方法：“”后加“外径厚度” （单位为

8、mm） 3）冷弯薄壁型材（图） 冷弯薄壁型钢：由26mm的薄钢板经冷弯或模压而成型的高效经济的截面；缺点是因为壁薄，对锈蚀影响较为敏感，故多于跨度小，荷载轻的轻型钢结构中。 压型钢板：所用钢板厚度为2mm。其优缺点同冷弯薄壁型钢，主要用于围护结构、屋面、楼板等。 2.1.2 建筑钢材的力学性能 1.影响钢材力学性能的主要因素 影响钢材力学性能的因素有很多，本节主要讨论化学成分、冶金缺陷、钢材硬化、应力集中、残余应力、温度变化及疲劳对钢材性能的影响。 （1）化学成分 碳：形成钢材强度的主要成分。碳含量提高，则钢材强度提高，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，尤其是低温下的冲

9、击韧性也会降低。 锰和硅：钢中的有益元素，都是脱氧剂，可提高强度，又不会过多降低塑性和冲击韧性。 钒、铌、钛：钢中的合金元素，既可以提高钢材强度，又可保持良好的塑性、韧性。 铝：强脱氧剂，用铝进行补充脱氧，能进一步减少钢中的有害氧化物。 铬和镍：提高钢材强度的合金元素。 硫和磷：冶炼过程中留在钢中的杂质，有害元素。它们降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳强度。硫能使钢材 “热脆”，磷使钢材“冷脆”。 “热脆”：硫能生成易于熔化的硫化铁，当热加工及焊接使温度达8001000时，使钢材出现裂纹、变脆的现象。 “冷脆”：在低温时，磷使钢材的冲击韧性大幅度下降的现象。 氧和氮：钢中的有害杂质。氧能使钢热

10、脆，氮能使钢冷脆。（2）冶金缺陷的影响 常见的冶金缺陷有偏析、非金属夹杂、气孔、裂纹、分层等，都会使钢材性能变差。（3）钢材硬化 冷拉、冷弯、冲孔、机械剪切等冷加工使钢材产生很大塑性变形，从而提高了钢的屈服点，同时降低了钢的塑性和韧性，这种现象称为冷作硬化或应变硬化。 （4） 温度影响 钢材对温度相当敏感，温度升高与降低都使钢材性能发生变化。相比之下，钢材的低温性能更重要。 在正温范围，总的趋势是随着温度的升高，钢材强度降低，变形增大。约在200以内钢材性能没有很大变化，430540之间则强度（屈服强度和抗拉强度 ）急剧下降；到600时强度很低不能承担荷载。此外，250附近有蓝脆现象，约260

11、320时有徐变现象。 （5） 应力集中（图） 应力集中系数愈大，变脆的倾向愈严重。 在负温下或动力荷载作用下工作的结构，应力集中的不利影响将十分突出。（6）反复荷载作用 钢材在反复荷载作用下，结构的抗力及性能都会发生重要变化，甚至发生疲劳破坏。2.钢材的力学性能 建筑钢材的力学性能是衡量钢材质量的重要指标，它包括强度、塑性、冷弯性能、冲击韧性。 （1）强度 1）有明显屈服点的钢材se 有明显屈服点的钢筋aabcdefua为比例极限oa为弹性阶段de为强化阶段b为屈服上限c为屈服下限，即屈服强度 fycd为屈服台阶e为极限抗拉强度 fu fyfef为颈缩阶段o低碳钢和低合金钢（含碳量和低碳钢相同

12、）一次拉伸时的应力-应变曲线见图。 把y取为计算构件的强度标准，以u作为材料的强度储备。 2）无明显屈服点的钢材 没有明显的屈服点和屈服台阶钢材的应力-应变曲线见图。 对于没有明显屈服点的钢材，以残余变形为0.2%时的应力作为名义屈服点，其值约等于极限强度85%。 注意：钢材在一次压缩或剪切所表现出来的应力-应变变化规律基本上与一次拉伸试验时相似，压缩时的各强度指标也取用拉伸时的数据，只是剪切时的强度指标数值比拉伸时的小。 （2）塑性性能 断裂前试件的永久变形与原标定长度的百分比称为伸长率，它是衡量钢材塑性的重要指标。 屈服点、抗拉强度和伸长率，是钢材的三个重要力学性能指标。 （3）冷弯性能

13、钢筋冷弯试验 冷弯性能合格是鉴定钢材在弯曲状态下的塑性应变能力和钢材质量的综合指标。 冷弯试验不仅能直接检验钢材的弯曲变形能力或塑性性能，还能暴露钢材内部的冶金缺陷，如硫、磷偏析和硫化物与氧化物的掺杂情况，这些都将降低钢材的冷弯性能。（4）冲击韧性 韧性是钢材抵抗冲击荷载的能力。韧性是钢材强度和塑性的综合指标。 冲击韧性随温度的降低而下降。其规律是开始下降缓慢，当达到临界温度时，突然呈脆性，这种性质称为钢材的冷脆性。钢材的脆性临界温度越低，低温冲击韧性越好。 对于直接承受动荷载而且可能在负温下工作的重要结构，应有冲击韧性保证。 3.建筑钢材的设计指标 （1）钢筋的强度标准值和强度设计值 材料强

14、度标准值：正常情况下可能出现的最小材料强度值。 材料强度设计值：强度标准值除以材料分项系数。 钢筋的材料分项系数为:热轧钢筋，预应力钢筋。 （2）钢筋的弹性模量 （3）钢材的强度设计值 钢材的强度设计值：钢材的屈服点除以钢材的抗力分项系数。 钢材的抗力分项系数取为，Q235钢为，Q345、Q390、Q420钢为。 钢材强度设计值根据钢材厚度或直径按规范采用。小 结： 1. 建筑钢材的品种、规格及选用要求； 2. 建筑钢材的力学性能。第二章 建筑结构材料 1. 理解混凝土结构的耐久性规定； 2. 掌握混凝土的各项力学指标及变形性能。 第 二 讲教学目标：2.2 混凝土2.2.1 混凝土的强度1.

15、混凝土的立方抗压强度fcu 及强度等级。（1）混凝土的立方抗压强度确定方法：用边长为150mm的标准立方体试件，在标准养护条件下（温度203，相对湿度不小于90%）养护28天后，按照标准试验方法（试件的承压面不涂润滑剂，加荷速度约每秒2）测得的具有95%保证率的抗压强度，作为混凝土的立方抗压强度标准值，用符号fcu,k表示。（2）混凝土的强度等级 根据立方体抗压强度标准值fcu,k的大小，混凝土强度等级分C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75、C80共14级。其中，C60 C80属高强混凝土。（3）结构混凝土强度等级的要求 钢筋混

16、凝土结构的混凝土强度等级不应低于15；当采用HRB335级钢筋时，混凝土强度等级不宜低于20；当采用HRB400和RRB400级钢筋以及承受重复荷载的构件，混凝土强度等级不得低于20。预应力混凝土结构的混凝土强度等级不应低于30；当采用钢丝、钢绞线、热处理钢筋作为预应力钢筋时，混凝土强度等级不宜低于40。 2.混凝土的轴心抗压强度fc砼轴心抗压试验 我国采用150150300mm棱柱体试件测得的强度作为混凝土的轴心抗压强度。 混凝土的轴心抗压强度标准值按下式计算：（2.2.1）式中 棱柱强度与立方强度之比，对C50及以下取 =0.76，对C80取 =0.82，中间按线形规律变化； 考虑C40以

17、上混凝土脆性的折减系数，对C40取 =1.0，对C80取 =0.87，中间按线形规律变化。3. 轴心抗拉强度ft砼抗拉试验 混凝土的抗拉强度可采用尺寸为100100500mm的柱体试件进行直接轴心受拉试验，但其准确性较差。故国内为多采用圆柱体或立方体的劈裂试验来间接测定。 混凝土轴心抗拉强度标准值按下式计算： 2.2.2 混凝土的变形 混凝土的变形有两类：一类是受力变形；另一类是体积变形，包括收缩、膨胀和温度变形。 1.混凝土在长期荷载作用下的变形徐变 定义：混凝土在长期不变荷载作用下，应变随时间继续增长的现象，叫做混凝土的徐变。 对结构构件的不利影响：增大混凝土构件的变形；在预应力混凝土构件

18、中引起预应力损失等。 影响因素：混凝土的徐变除与构件截面的应力大小和时间长短有关外，还与混凝土所处环境条件和混凝土的组成有关。养护条件越好，周围环境的湿度越大，构件加载前混凝土的强度愈高，水泥用量愈少，混凝土越密实，集料含量越大，集料刚度越大，则徐变越小。 对结构构件的不利影响：当构件受到约束时，混凝土的收缩就会使构件中产生收缩应力，收缩应力过大，就会使构件产生裂缝，以致影响结构的正常使用；在预应力混凝土构件中混凝土收缩将引起钢筋预应力值损失，等等。 2.2.3 混凝土的设计指标 1.混凝土的强度 混凝土的强度标准值应具有不小于95%的保证率。 混凝土强度设计值：等于混凝土强度标准值除以混凝土

19、材料分项系数（ rs )。 各种强度等级的混凝土强度标准值、强度设计值规范规定采用。 2.混凝土的弹性模量 但是，混凝土不是弹性材料，其应力和应变不呈线性关系，在不同应力阶段的变形模量（应力与应变之比）不同，原点切线很难准确地作出。实用中，采用应力上限为（）fc循环510次后的应力-应变曲线，应力为（）fc时的割线模量作为混凝土的弹性模量的近似值。 混凝土的受拉或受压弹性模量（N/mm2）的经验计算公式： （）kcu,57.342.210fEc+=式中fcu,k混凝土的立方抗压强度标准值（N/mm2）。2.2.4 混凝土结构的耐久性规定 耐久性对混凝土质量的主要要求如下： 1.设计使用年限为5

20、0年的一般结构混凝土 对于设计使用年限为50年的一般结构，混凝土质量应符合规范的规定。 2.设计使用年限为100年的结构混凝土： （1）结构混凝土强度等级不应低于C30；预应力混凝土结构的最低强度等级为C40。 （2）混凝土中氯离子含量不得超过水泥重量的0.06%。 （3）宜使用非碱活性骨料；当使用碱活性骨料时，混凝土中的碱含量不得超过3。 （4）混凝土保护层厚度应按相应的规定增加40%；当采取有效的表面防护措施时，厚度可适当减少。（5）在使用过程中应有定期维护措施。 对于设计寿命为100年且处于二类和三类环境中的混凝土结构应采取专门有效的措施。 3.临时性结构混凝土 对临时性混凝土结构，可不

21、考虑耐久性要求。 有关标准的要求： 三类环境中的结构构件，其受力钢筋宜采用环氧涂层带肋钢筋；对预应力锚具及连接器应有专门防护措施。 四类和五类环境中的混凝土结构，其耐久性要求应符合有关标准的规定。小 结： 1. 混凝土的强度等级； 2. 收缩与徐变的概念； 3. 混凝土结构的耐久性规定。重 点 1. 砌体材料种类及强度等级； 2. 砌体的力学性能。 难 点砌体的力学性能。 2.3 砌体材料2.3.1 砌体材料种类及强度等级 1.块材（1）砖 烧结普通砖 定义：烧结普通砖简称普通砖，指以粘土、页岩、煤矸石、粉煤灰为主要原料，经过焙烧而成的实心的或孔洞率不大于规定值且外形尺寸符合规定的砖，分烧结黏

22、土砖、烧结页岩砖、烧结煤矸石砖、烧结粉煤灰砖等。强度等级：MU30、MU25、MU20、MU15和MU10。 非烧结硅酸盐砖 定义：以硅酸盐材料、石灰、砂石、矿渣、粉煤灰等为主要材料压制成型后经蒸汽养护制成的实心砖。常用的有蒸压灰砂砖、蒸压粉煤灰砖、炉渣砖、矿渣砖等。 蒸压灰砂砖简称灰砂砖，是以石灰和砂为主要原料，经坯料置备、压制成型、蒸压养护而成的实心砖。 注意：灰砂砖不能用于长期超过200、受急冷急热或有酸性介质侵蚀的部位。MU25、MU20、MU15的灰砂砖可用于建筑基础及其部位，MU10仅用于防潮层以上。 蒸压粉煤灰砖简称粉煤灰砖，又称烟灰砖，是以粉煤灰、石灰为主要原料，掺配适量的石膏

23、和集料，经坯料制备、压制成型、高压蒸汽养护而成的实心砖。 粉煤灰砖的强度等级：与灰砂砖相同。 注意：粉煤灰砖用于基础或易受冻融和干湿交替作用的建筑部位时，必须使用一等砖与优等砖。不得用于长期超过200、受急冷急热或有酸性介质侵蚀的建筑部位。 炉渣砖亦称煤渣砖，以炉渣为主要原料，掺配适量的石灰、石膏或其它集料制成。 矿渣砖以未经水淬处理的高炉炉渣为主要原料，掺配适量的石灰、粉煤灰或炉渣制成。 烧结多孔砖 定义：烧结多孔砖简称多孔砖，是指以粘土、页岩、煤矸石或粉煤灰为主要原料，经焙烧而成的具有竖向孔洞（孔洞率不小于25，孔的尺寸小而数量多）的砖。其外形尺寸，长度290、240、190mm，宽度24

24、0、190、180、175、140、115mm，高度90mm。型号有KM1、KP1、KP2三种（图）。 强度等级：MU30、MU25、MU20、MU15和MU10。它主要用于承重部位。 （2）砌块 按尺寸可分为小型、中型、大型三类。 小型砌块：高度在180350mm的砌块，便于手工砌筑，使用上也较灵活。中型砌块：高度为350900mm。 大型砌块：高度大于900mm。 砌块一般用混凝土或水泥炉渣浇制而成，也可用粉煤灰蒸养而成。主要有混凝土空心砌块、加气混凝土砌块、水泥炉渣空心砌块、粉煤灰硅酸盐砌块。 混凝土小型空心砌块的主规格尺寸为390190190mm。 （3）石材 特点：石材抗压强度高，抗

25、冻性、抗水性及耐久性均较好。 强度等级：共分MU100、MU80、MU60、MU50、MU40、MU30、MU20七级。 料石 细料石 通过细加工、外形规则，叠砌面凹入深度不应大于10mm，截面的宽度、高度不应小于200mm，且不应小于长度的1/4。 半细料石 规格尺寸同上，但叠砌面凹入深度不应大于15mm。 粗料石 规格尺寸同上，但叠砌面凹入深度不应大于20mm。 毛料石 外形大致方正，一般不加工或稍加修整，高度不应小于200mm，叠砌面凹入深度不应大于25mm。 毛石 形状不规则，中部厚度不小于200mm的石材。 2.砂浆（1）种类 1）水泥砂浆 特点：强度高、耐久性和耐火性好，但其流动性和保水性差，相对而言施工较困难。 用途：常用于地下结构或经常受水侵蚀的砌体部位。 2）水泥混合砂浆 除具有水泥砂浆的优点外，其流动性和保水性均较好。 3）石灰砂浆：强度较低，耐久性也差，流动性和保水性较好，通常用于地上