建筑金属材料

第2章建筑金属材料

材料综合选用本章学习指导常见问题及解答历史回顾2.1钢的分类

2.2建筑钢材的力学与工艺性能

2.3钢材的组成结构及对性能的影响

2.4钢材的强化与加工

2.5土木工程常用金属材料的性质及应用

2.6钢材的腐蚀与防护

创新能力培养练习题本章学习指导

本章共6个知识点。本章的教学目标是：⑴了解建筑钢材的微观结构及其与性质的关系；⑵熟练掌握建筑钢材的力学性能（包括强度、弹性及塑性变形，耐疲劳性）的意义，测定方法及影响因素；⑶熟悉建筑钢材的强化机理及强化方法；⑷掌握土木工程中常用的建筑钢材的分类及其选用原则。本章的难点是钢材的塑性、韧性、耐疲劳性，以及微量组分对钢材性能的影响。建议在学习中需联系钢材的组成结构分析其性能，来理解其应用。还需说明的是，除钢材外，铝合金近年迅速发展，对其在土木工程中的应用亦应有所了解。建议课内学时数为5学时,课外学时2学时。

历史回顾广州海珠桥的钢材广州海珠桥已经“年逾七旬”，但其使用的钢材预计已有百年历史。

2004年，提供建造海珠桥钢材的英国企业向广州市政部门发来传真，提醒有关部门注意，这些钢材是从当时英国的一座旧钢桥上拆卸下来的，所以就其寿命计算，海珠桥使用的钢材预计已有百年历史，已经进入疲劳期，继续使用则需进行疲劳强度的测试，并根据测试结果进行加固等。

基础知识2.1钢的分类

钢与生铁的区分在于含碳量的大小。含碳量小于2.06％的铁碳合金称为钢。含碳量大于2.06％的铁碳合金称为生铁。2.1.1按化学成分分类2.1.2按品质（杂质含量）分类2.1.3按冶炼时脱氧程度分类

2.1.1按化学成分分类1.碳素钢

低碳钢：含碳量<0.25％

中碳钢：含碳量为0.25％～0.60％

高碳钢：含碳量>0.60％

2.合金钢

低合金钢：合金元素总含量<5.0％

中合金钢：合金元素总含量为5.0％～10％

高合金钢：合金元素总含量>10％

建筑工程中，钢结构用钢和钢筋混凝土结构用钢，主要使用非合金钢中的低碳钢，及低合金钢加工成的产品。合金钢亦有少量应用。

2.1.2按品质（杂质含量）分类1.普通钢：含硫量≤0.050％；含磷量≤0.045％。

2.优质钢：含硫量≤0.035％；含磷量≤0.035％。

3.高级优质钢：含硫量≤0.025％；含磷量≤0.025％。

4.特级优质钢：含硫量≤0.015％；含磷量≤0.025％。2.1.3按冶炼时脱氧程度分类

1.沸腾钢炼钢时脱氧不充分，钢液中还有较多金属氧化物，浇铸钢锭后钢液冷却到一定的温度，其中的碳会与金属氧化物发生反应，生成大量一氧化碳气体外逸，引起钢液激烈沸腾。这种钢材称为沸腾钢，其代号为“F”。其冲击韧性和可焊性较差。

2.镇静钢炼钢时脱氧充分，钢液中金属氧化物很少，在浇铸钢锭时钢液会平静地冷却凝固，这种钢称为镇静钢，其代号为“Z”。3.半镇静钢指脱氧程度和性能都介于沸腾钢和镇静钢之间的钢材，其代号为“b”。

4.特殊镇静钢比镇静钢脱氧程度更彻底的钢，故称为特殊镇静钢，代号为“TZ”。特殊镇静钢的质量最好，适用于特别重要的结构工程。

观察与讨论讨论AB2.1钢的分类

钢材的冶炼脱氧程度与性能

下图为沸腾钢（图A）与镇静钢（图B）两钢锭的纵剖面，请观察其结构差别，讨论其性能差异。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，基本无一氧化碳气体产生,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的重要结构。

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。2.1钢的分类

工程实例分析2.1钢的分类

现象原因分析

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。原因分析

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；其次是焊接性能较差，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。2.1钢的分类

基础知识2.2建筑钢材的力学与工艺性能

2.2.1抗拉性能

2.2.2冲击韧性2.2.3耐疲劳性

2.2.4工艺性能2.2.1抗拉性能

在外力作用下，材料抵抗变形和断裂的能力称为强度。测定钢材强度的主要方法是拉伸试验，钢材受拉时，在产生应力的同时，相应地产生应变。应力和应变的关系反映钢材的主要力学特征。从右图低碳钢的应力-应变关系中可看出，低碳钢从受拉到被拉断，经历了四个阶段：弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和颈缩阶段。每个阶段的特点详见动画演示。2.2.1抗拉性能

2.2.2冲击韧性

钢材的冲击韧性是处在简支梁状态的金属试样在冲击负荷作用下折断时的冲击吸收功。钢材的冲击韧性试验是将标准弯曲试样置于冲击机的支架上，并使切槽位于受拉的一侧，在试样中间开V形缺口。2.2.3耐疲劳性

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裂纹，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。2.2.4工艺性能1.

冷弯性能

冷弯性能是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α和弯心直径d为指标表示，如下图所示。2.

焊接性能

钢材的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，特别是强度应不低于原有钢材的强度。观察与讨论2.2建筑钢材的力学与工艺性能

(1)两种钢材的选用(2)两种钢材低温冲击韧性的比较(3)疲劳断裂的特征与原因(4)钢材的冷弯性能与其内部组织的关系讨论2.2.1抗拉性能

(1)两种钢材的选用

请观察下图中Ⅰ、Ⅱ两种低碳钢的应力－应变曲线的差异。讨论下述问题：

①若对于变形要求严格的构件，Ⅰ、Ⅱ两种低碳钢选用何种更合适？

②使用Ⅰ、Ⅱ两种钢材，哪一个安全性较高？讨论观察与讨论(1)两种钢材的选用

讨论

从Ⅰ、Ⅱ两条曲线比较可知，低碳钢Ⅱ的弹性模量E小于低碳钢Ⅰ，也就是说，低碳钢Ⅱ的抗变形能力不如低碳钢Ⅰ。对于变形要求严格的构件选用低碳钢Ⅰ更为合适。(1)两种钢材的选用

讨论

Ⅰ、Ⅱ两种低碳钢的屈服强度бs相近，但低碳钢Ⅰ的抗拉强度бb高于Ⅱ。屈服强度与抗拉强度之比称为屈强比，即бs/бb。屈强比越小，反映钢材超过屈服点工作时可靠性越大，结构的安全性越高。当然，屈强比过小时，表示钢材强度的利用率偏低，也不合理。有时也使用强屈比（бb/бs）来评价钢材的可靠性。钢材Ⅰ的屈强比较低，故其安全性高于钢材Ⅱ。Q235钢材的屈强比为0.58～0.63，普通的合金钢的屈强比在0.67～0.75之间。(2)两种钢材低温冲击韧性的比较

2.2.2冲击韧性

请观察下图中Ⅰ、Ⅱ两低合金钢曲线，若在东北地区，应选用何种钢更有利？讨论(2)两种钢材低温冲击韧性的比较讨论

温度对冲击韧性有重大影响，当温度降至一定程度时，冲击韧性大幅度下降而使钢材呈脆性，此现象称为冷脆性。曲线中棕色段代表脆性断裂，蓝色段代表脆性转变范围，黑色段代表韧性断裂。从上图中可知，低合金钢Ⅰ的脆性转变温度低于Ⅱ，即说明钢材的低温冲击韧性较好。东北地区冬季气温低，主要考虑低温冲击韧性问题，选用Ⅰ更有利。影响钢材的冲击韧性还有许多因素，例如，钢中磷、硫含量较高，存在偏析、非金属夹杂物和焊接中形成的微裂纹等都会使冲击韧性显著降低。讨论

请观察下图中疲劳断裂的宏观断口特征，并分析讨论疲劳断裂的特征和原因。疲劳断裂的特征与原因

2.2.3耐疲劳性

A：疲劳源区；B：扩展区；C：终断区

疲劳断裂的宏观断口讨论

疲劳裂纹起源于键槽左边底部的拐角处，无裂纹构件疲劳的宏观断口可分为三个区：

①疲劳源区(A区)；②扩展区(B区)；③终断区(C区)。

引起钢材疲劳破坏的原因很多，主要是由于拉应力引起较大的拉应变，先在某局部形成细小裂纹，然后因受剪切应力而扩展。故钢材的抗拉强度高，疲劳极限也高。钢材表面的加工印痕、焊接接头的卷边和表面微小腐蚀缺陷，都可使疲劳极限显著降低。零件或构件的几何形状和大小，对疲劳极限有不小的影响，有缺口、尖角的零件与无缺口、锐角的零件相比，疲劳行为有很大差别；构件尺寸越大，则疲劳强度越低。由于疲劳设计中存在着大量不确定因素，因而选用材料的安全系数K较高（钢材的K≥2），而且在零件实际使用前必须进行模拟试验校核。疲劳断裂的特征与原因

讨论钢材的冷弯性能与其内部组织的关系

A、B两种钢材,A钢材δ5及δ10均略大于B钢材。但从下图可知，A钢材的冷弯性能却不如B钢材。请分析原因及A与B两种钢材内部组织的差异。2.2.4工艺性能讨论钢材的冷弯性能与其内部组织的关系

伸长率反映的是钢材在均匀变形下的塑性。而冷弯性能是钢材处于不利变形条件下的塑性，可揭示钢材内部组织是否均匀，是否存在内应力和夹杂物等缺陷。而这些缺陷在拉伸试验中常因塑性变形导致应力重分布而得不到反映。工程实例分析2.2建筑钢材的力学与工艺性能

(1)广东某展览厅网架倒塌

(2)钢贮罐脆性断裂

(3)北海油田平台倾覆(4)某运输廊倒塌分析

现象原因分析(1)广东某展览厅网架倒塌

抗拉性能

广东某国际展览中心包括展厅、会议中心和一栋16层的酒店，总建筑面积42000m2。1989年建成投入使用。1992年曾降大暴雨，其中4号展厅网架倒塌。在倒塌现场发现大量高强度螺栓被拉断或折断，部分杆件有明显压屈，但未发现杆件拉断及明显颈缩现象，也未发现杆件与锥头焊缝拉开。另外，网架建成后多次发现积水现象，事故现场两排水口表面均有堵塞。原因分析

①由于4号展厅除承担本身雨水外，还要承担会议中心屋面溢流而来的雨水。由于溢流口、雨水斗设置不合理，未能有效排水导致网架积水超载。

②所受拉力超过高强度螺栓的极限承载力而被拉断，高强度螺栓安全度低于杆件安全度，其安全度不足。

抗拉性能

现象原因分析钢贮罐脆性断裂

冲击韧性

1989年1月22日，内蒙古某糖厂一个直径为20m，高为15.76m的刚交工验收不久的废糖蜜钢贮罐发生断裂。破坏过程呈突发性，没有任何先兆，非常迅速。破坏时罐内糖蜜贮量为4027t，不仅未达到设计贮量，还低于试用期间曾达到的4559t水平，罐体内应力并不太高，距钢材屈服强度相差较远，地震和人为破坏及废糖蜜自燃爆炸的因素可排除，请分析钢贮罐发生断裂的原因。原因分析

韧性断裂在发生前有明显预兆，而脆性断裂是突发性的。经调查表明，其裂口特征：罐体下部第1、2层母材撕裂，断口呈颗粒状，人字形纹尖端朝上，呈脆性断裂。对钢材材质进行复验，发现部分钢板含碳量和含硫量较高，降低了钢材的塑性和可焊性，其常温冲击韧性比规定值偏低，故该钢材易出现脆性断裂。且焊接质量差，综合分析可知，罐体破坏的根源是焊接质量低而导致的低温脆性断裂。对接焊缝中大量未焊透部位如同张开型的焊接裂纹，在罐壁环向拉力的作用下，能引起严重的应力集中，成为罐体断裂的引发点。在荷载变化、应力集中、残余应力和温差应力的作用下，裂纹会缓慢扩展。而钢材的韧性较差，不能阻止裂纹的扩展，最后达到临界值而突然断裂。

冲击韧性现象原因分析北海油田平台倾覆耐疲劳性

1980年3月27日，北海爱科菲斯科油田的A.L.基尔兰德号平台突然从水下深部传来一次振动，紧接着一声巨响，平台立即倾斜，短时间内翻于海中，致使23人丧生，造成巨大的经济损失。原因分析

现代海洋钢结构如移动式钻井平台，特别是固定式桩基平台，在恶劣的海洋环境中受风浪和海流的长期反复作用和冲击振动；在严寒海域长期受流冰等随海潮对平台的冲击碰撞；另外,低温作用以及海水腐蚀介质的作用等都给钢结构平台带来极为不利的影响。突出问题就是海洋钢结构的脆性断裂和疲劳破坏。

上述事故的调查分析显示，事故原因是撑竿中水声器支座疲劳裂纹萌生、扩展，导致撑竿迅速断裂。由于撑竿断裂，使相邻5个支杆过载而破坏，接着所支撑的承重脚柱破坏，使平台20min内全部倾覆。

耐疲劳性现象原因分析某运输廊倒塌分析

工艺性能

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。原因分析工艺性能

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的要求，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的部位。

原因之二是断裂处焊缝低劣，以及焊接接缝处有应力集中现象，助长了此桁架的断裂破坏。经检查，多处焊缝明显未焊透，有焊瘤、夹杂缺陷，焊接质量差。基础知识2.3钢材的组成结构及对性能的影响

2.3.1钢材的晶体结构

2.3.2钢材的基本晶体组织2.3.3钢材的成分对性能的影响

2.3.1钢材的晶体结构

钢材和一切金属材料一样，也为晶体结构，它是铁-碳合金晶体，钢的晶格有两种构架，即体心立方晶格和面心立方晶格(见下图)。其晶体结构中，各个原子以金属键相互结合在一起，这种结合方式就决定了钢材具有很高的强度和良好的塑性。钢材的晶格并不都是完好无缺地规则排列，而是存在许多缺陷，它们将显著地影响钢材的性能，这是钢材的实际强度远比理论强度小的根本原因。其主要的缺陷有三种：点缺陷、线缺陷和面缺陷。

2.3.2钢材的基本晶体组织

钢是以铁（Fe）为主的Fe-C合金。Fe-C合金于一定条件下能形成具有一定形态的聚合体，称为钢的组织，在显微镜下能观察到它们的微观形貌图像(见下图)，故也称显微组织。主要有铁素体、渗碳体、珠光体和奥氏体。片状珠光体（1000倍）

针状和块状铁素体（100倍）2.3.3钢材的成分对性能的影响

除铁、碳外，钢材在冶炼过程中会从原料、燃料中引入一些的其他元素。钢材的成分对性能有重要影响。这些成分可分为两类：一类能改善优化钢材的性能称为合金元素，主要有Si、Mn、Ti、V、Nb等；另一类能劣化钢材的性能，属钢材的杂质，主要有氧、硫、氮、磷等。观察与讨论2.3钢材的组成结构及对性能的影响

(1)碳素钢中含碳量对其组织和性能的影响

(2)钢材的晶体结构与性能讨论(1)碳素钢中含碳量对其组织和性能的影响

下图是碳素钢基本组织相对含量与含碳量的关系。请分析低碳钢、中碳钢和高碳钢随着含碳量的增加，其基本组织及性能如何变化。

铁碳合金的含碳量与晶体组织及性能之间的关系讨论(1)碳素钢中含碳量对其组织和性能的影响

建筑钢材的含碳量不大于0.8％，即基本组织为铁素体和珠光体。从图可见，随含碳量增加，珠光体含量增加，而铁素体则相应减少。故高碳钢的强度较高，而塑性、韧性相应较低。讨论(2)钢材的晶体结构与性能

请观察以下晶格缺陷示意动画，讨论钢材的实际强度与理论强度的关系。讨论(2)钢材的晶体结构与性能

①钢材晶格中，有些平面上的原子较密集，结合力较强。而面与面之间，则由于原子间距离较大，结合力较弱。在外力作用下，晶格容易沿原子密集面产生相对滑移，故建筑钢材塑性变形较大。

②从上面的动画可见，钢材的晶格存在许多缺陷，如点缺陷、线缺陷及面缺陷，由于这些缺陷的存在，使晶格受力滑移时，不是理论上的整个滑移面上全部原子一起移动，只是缺陷处局部移动，故实际强度低于理论强度。工程实例分析2.3钢材的组成结构及对性能的影响

钢结构倒塌

现象原因分析

苏联某钢铁厂仓库运输廊道为钢结构，于某日倒塌。经检查可知：杆件发生断裂的位置在应力集中处节点附近的整块母材上，桁架腹板和弦杆的焊接接头均未破坏；全部断口和拉断处都很新鲜,未发黑、无锈迹。所用钢材为苏联国家标准CT·3号沸腾钢。原因分析2.3钢材的组成结构及对性能的影响

切取母材作化学成分分析可知：其碳、硫含量均超过苏联国家标准焊接结构所用CT·3号沸腾钢的碳硫含量规定。其中55％的沸腾钢中碳平均含量超过0.22％的标准规定，破坏发生部位附近含量达0.38％；32％的试样硫含量超过0.055％的标准规定，在折断部位达0.1％。

碳对钢的性能有重要的影响。碳含量增加，钢强度、硬度增高，而塑性和韧性降低，且增大钢的冷脆性，降低可焊性。而硫多数以FeS形成存在，是强度较低、较脆的夹杂物，受力易引起应力集中，降低钢的强度及疲劳强度，且对热加工和焊接不利，偏析亦严重。由于此钢材不宜焊接，且使用的环境温度较低，这是导致工程质量事故的主要原因。基础知识2.4钢材的强化与加工

2.4.1冷加工强化2.4.2时效处理2.4.3热处理2.4.1冷加工强化

将钢材于常温下进行冷拉、冷拔或冷轧使其产生塑性变形，从而提高屈服强度，降低塑性韧性，这个过程称为冷加工强化处理。2.4.2时效处理

将冷加工处理后的钢筋，在常温下存放15～20d，或加热至100～200℃后保持一定时间（2～3h），其屈服强度进一步提高，且抗拉强度也提高，同时塑性和韧性也进一步降低，弹性模量则基本恢复。这个过程称为时效处理。

时效处理方法有两种：在常温下存放15～20d，称为自然时效，适合用于低强度钢筋；加热至100～200℃后保持一定时间（2～3h），称人工时效，适合于高强钢筋。2.4.3热处理

热处理是将钢材按规定的温度制度，进行加热、保温和冷却处理，以改变其晶格组织，得到所需要的性能的一种工艺。

热处理包括淬火、回火、退火和正火，见下图。

钢的热处理工艺观察与讨论讨论2.4钢材的强化与加工

冷加工强化与时效处理的机理

请观察下图钢筋的应力--应变曲线，并讨论冷加工强化与时效处理的机理。

钢筋冷拉时效后应力--应变图的变化

讨论2.4钢材的强化与加工

从上图可见，将钢筋冷拉至强化阶段的K点，然后卸荷，则产生塑性变形，若立即受拉，钢筋的应力-应变曲线将沿O’KCD发展至破坏。这时，钢筋在原来屈服阶段不再出现屈服现象，屈服点由B点提高到K点，但抗拉强度基本不变，塑性和韧性降低，弹性模量降低。冷加工强化的原因是冷拉至K点时，塑性变形造成滑移面内晶格歪扭，畸变加剧，阻碍了进一步滑移，提高了抵抗变形的能力。同时，由于塑性变形中产生的内应力，使钢材弹性模量降低。

工程实例分析2.4钢材的强化与加工

钢结构吊车梁发现裂纹

现象原因分析

某厂气轮车间吊车梁为钢结构，建成后质量检查发现有许多裂纹。分布于上、下翼缘最多，腹板处较少；加劲筋上无裂纹，加劲板与梁翼或腹板之间的焊缝及附近亦未发现裂纹。裂纹深度经铲后，用深度计复测，大多数的深度为1～2mm，少量纹深达3mm。此批构件钢材杂质含量远低于国家标准规定；环境温度正常；工程尚未使用；构件运输安装过程未被撞击；裂纹部位远离焊接影响区。原因分析2.4钢材的强化与加工

经研究获悉：在生产钢材时，由于片面追求速度，铸钢时刚浇好的钢锭仅冷却至400℃～500℃就拆模，未检查与清理即送至升温轧钢，轧制时钢板温度还在300℃以上，就送去结构加工厂下料制作，钢板冷却至50℃左右时，已有裂纹。即钢锭温差过大，导致钢材表面存在大量微裂纹，经加热轧压，裂纹不能闭合消失；由于钢锭是多边形，故所轧制的钢板上下两面有裂纹。而加劲板为另外采购的钢板，故未发现裂纹。基础知识2.5土木工程常用金属材料的性质及应用

2.5.1建筑常用钢种2.5.2钢结构用钢

2.5.3混凝土结构用钢

2.5.4铝合金

2.5.1建筑常用钢种1.

碳素结构钢

碳素结构钢的牌号由代表屈服点的字母、屈服点数值、质量等级符号、脱氧方法等四部分按顺序组成2.

优质碳素结构钢

优质碳素结构钢根据锰含量的不同可分为普通锰含量钢和较高锰含量钢两组。3.

低合金高强度结构钢

低合金高强度结构钢是一种在碳素钢的基础上添加总量小于5％的合金元素的钢材，具有强度高，塑性和低温冲击韧性好、耐锈蚀等特点。2.5.2钢结构用钢

钢结构用钢主要是热轧成形的钢板和型钢等；薄壁轻型钢结构中主要采用薄壁型钢、圆钢和小角钢；钢材所用的母材主要是普通碳素结构钢及低合金高强度结构钢。钢结构用钢有热轧型钢、冷弯薄壁型钢、棒材、钢管和板材。2.5.3混凝土结构用钢

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，包括热轧钢筋、冷轧扭钢筋和冷轧带肋钢筋、预应力混凝土用钢丝和钢绞线。2.5.4铝合金

纯铝在建筑上的应用较少，可加工成铝粉，用于加气混凝土的发气。为提高铝的强度，在铝中可加入锰、镁、铜、硅、锌等制成各种铝合金，铝合金可被加工成各种铝合金门窗、龙骨、压型板、花纹板、管材、型材、棒材等。观察与讨论2.5土木工程常用金属材料的性质及应用

钢支架的钢材选用华北某厂需焊接一座露天且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Ⅰ<Ⅱ<Ⅲ。请选用。Ⅰ

Q235A·FⅡ

Q235A·bⅢ

Q235C2.5.1建筑常用钢种钢支架的钢材选用

选Ⅰ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抗冲击韧性差，可焊性差，不宜用于承受动荷载的焊接钢结构。请再选。2.5.1建筑常用钢种钢支架的钢材选用

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、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。2.5.1建筑常用钢种钢支架的钢材选用选择正确。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。Q345钢及Q390钢的综合性能较好，是钢结构常用的钢。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、大型结构及承受动力荷载和冲击荷载的结构广泛采用低合金高强度结构钢。

工程实例分析2.5土木工程常用金属材料的性质及应用

韩国汉城大桥倒塌

现象原因分析

1994年10月21日，韩国汉城汉江圣水大桥中段50m长的桥体像刀切一样坠入江中，造成多人死亡。该桥由韩国最大的建筑公司之一的东亚建设产业公司于1979建成。原因分析韩国汉城大桥倒塌

事故原因调查团经五个多月的各种试验和研究，于次年4月2日提交了事故报告。事故原因主要有以下两方面：

a.东亚建筑公司没有按图纸施工，在施工中偷工减料，利用疲劳性能很差的劣质钢材，这是事故的直接原因。

b.当时韩国缩短工期及汉城市政当局在交通管理上的疏漏也是大桥倒塌的主要原因。设计负载限制为32t，建成后交通流量逐年增加，超常负荷，倒塌时负载为43.2t。基础知识2.6钢材的腐蚀与防护

2.6.1钢材的腐蚀

2.6.2钢材的防护

2.6.1钢材的腐蚀

钢材表面与周围介质发生作用而引起破坏的现象称作腐蚀（锈蚀）。钢材腐蚀的现象普遍存在，如在大气中生锈，特别是当环境中有各种侵蚀性介质或湿度较大时，情况就更为严重。腐蚀不仅使钢材有效截面积均匀减小，还会产生局部锈坑，引起应力集中；腐蚀会显著降低钢的强度、塑性韧性等力学性能。根据钢材与环境介质的作用原理，腐蚀可分为化学腐蚀和电化学腐蚀。2.6.2钢材的防护1.钢材的防腐

具体措施有采用耐候钢、金属覆盖、非金属覆盖和混凝土用钢筋的防锈。2.钢材的防火

钢结构防火保护的基本原理是采用绝热或吸热材料，阻隔火焰和热量，推迟钢结构的升温速率。防火方法以包覆法为主，即以防火涂料、不燃性板材或混凝土、砂浆将钢构件包裹起来。观察与讨论讨论2.6钢材的腐蚀与防护

板梁底出现裂缝

华南地区某海港油气码头引桥使用仅8年，π形板梁底出现明显裂缝及钢筋锈蚀。而π型板却基本完好，请讨论其原因。π型板梁底出现明显裂缝图基本完好的π型板讨论2.6钢材的腐蚀与防护

从上表中可见，

随混凝土深度增加，Cl-含量依次递减。目前，国外一般把混凝土内Cl-含量达到其致锈临界含量值时的时间，确定为混凝土的安全使用寿命。具体临界含量值各国各地区有差别。我国华南地区海港码头调查该值为0.105％～0.145％。该混凝土保护层设计厚度为5.5cm，且由于施工偏差，部分构件实际保护层厚度低于设计值。当海水中Cl-渗透进混凝土，使钢筋表面Cl-含量达致锈值时，锈蚀开始；腐蚀产物体积膨胀，使混凝土产生与钢筋平行的顺筋裂缝，乃至混凝土开裂，钢筋的电化学腐蚀迅速进行。工程实例分析2.6钢材的腐蚀与防护

广东某斜拉桥拉索腐蚀失效分析现象原因分析

广东某斜拉桥(见右图)竣工于1989年。1995年5月其中一条拉索突然坠落，经检验确认其他拉索的钢丝已受不同程度的腐蚀，该桥最后全部更换新拉索。作者与其他教师一道对此拉索失效的原因作检测分析，研究其腐蚀失效的原因。

原因分析2.6钢材的腐蚀与防护

对坠落的拉索进行研究，钢丝的腐蚀程度由下而上逐渐增加，且与所灌注的水泥浆体的情况有明显的对应关系。由下到上划分为五个区段。

①基本正常段②略有锈蚀段③较少锈蚀段④锈蚀一般段

⑤锈蚀严重

拉索钢丝所受的腐蚀原因是所灌注的水泥浆体不凝结，产生电化学腐蚀；而水泥浆体所含的一定量的氯离子及钢丝在拉应力的作用下更加速了此锈蚀过程。创新能力培养

钢结构建筑