第6章建筑钢材

建筑钢材埃菲尔铁塔是现代巴黎的标志,是一座于1889年建成位于法国巴黎战神广场上的露空结构铁塔，高320米。埃菲尔铁塔得名于它的设计师桥梁工程师居斯塔夫•埃菲尔。铁塔设计离奇独特，是世界建筑史上的技术杰作，因而成为法国和巴黎的一个重要景点和突出标志。埃菲尔铁塔分为三层，从塔座到塔顶共有1711级阶梯，分别在离地面57米、115米和276米处建有平台。据说，该塔共用去钢铁7000吨，12000个金属部件，250万只铆钉。厦门海沧大桥是国家重点项目，是我国第一座特大型三跨连续钢箱梁悬索桥钢桥轻钢结构

网架结构

网架应用及特点：空间网架结构体系是目前国际上广泛采用的一种新颖、美观、综合经济指标比较好的屋盖承重结构。其优点是刚度大、整体性强、抗震性好、自重轻、节省钢材、且施工周期短、造型美观大方。它适用于体育馆、影剧院、游乐园、会议室、宾馆、加油站、商场、候车室、工业厂室、干煤棚及大型仓库等等。安全性强，满足各种结构形式。本章提要主要内容建筑钢材的特点、分类及应用建筑钢材的拉伸性能、冲击韧性及冷弯性能建筑钢材的冷加工及时效强化常用建筑钢材的标准及选用

钢筋型钢

钢板钢丝指用于工程建设的各种钢材，包括：型钢钢板钢丝钢筋第一节建筑钢材第一节建筑钢材可用作主要的结构材料、也可以用作连接材料、围护材料和饰面材料等。优点：高的抗拉强度易于加工成板材、型材和线材良好的焊接和铆接性能缺点：易锈蚀、维护费用高耐火性差,生产能耗大铁钢含碳量大于2％2％以下

杂质含量多少（SiMnSP）性质塑性差,脆性大塑性好,易加工炼钢的原理——将熔融的生铁进行氧化，使碳的含量降低到一定限度，同时把其它杂质的含量也降低到容许的范围内。ConstructionMaterials

钢轨、钢管生产工艺示意图过程焦炭铁矿石生铁高炉熔融生铁精炼氧化还原钢铸锭钢锭建筑钢材图钢材的冶炼过程一.钢材的分类

1、按化学成分碳素钢低碳钢（含碳量<0.25％）中碳钢（含碳量0.25％～0.60%）高碳钢（含碳量>0.60%）常用合金钢低合金钢（合金元素总量<5%）中合金钢（合金元素总量5～10％）高合金钢（合金元素总量>10%）常用一.钢材的分类

2、按质量分碳素钢普通碳素钢（含硫量<0.055～0.065％，含磷量<0.045～0.085％）优质碳素钢

（含硫量<0.03～0.045％，含磷量<0.035～0.04％）特殊碳素钢（含硫量<0.02～0.03％，含磷量<0.027～0.035％）常用一.钢材的分类

3、按用途分工具钢：碳素、合金、高速特殊性能钢：不锈钢、耐酸钢等结构钢：碳素、合金建筑工程中使用的结构钢包括普通碳素结构钢、优质碳素结构钢和低合金高强度结构钢。4、按脱氧程度分沸腾钢：脱氧不完全,内部气泡和杂质多特殊镇静钢：脱氧最彻底，质量最好镇静钢：脱氧完全,品质好脱氧程度及钢材质量钢种脱氧程度冷却情况钢材质量沸腾钢不充分浇筑时有大量CO逸出差镇静钢充分平静冷却，无CO逸出组织致密、成分均匀、机械性能好特殊镇静钢最充分最好二.建筑钢材的主要技术性质力学性质拉伸性能硬度冷弯性能冲击韧性重要工艺性能冷弯性能冷拉性能冷拔性能可焊性能ConstructionMaterials

1、拉

伸

性

能Ⅰ弹性阶段Ⅱ屈服阶段Ⅲ强化阶段Ⅳ颈缩阶段Ⅰ弹性阶段（OA段）弹性极限，用p表示。此阶段应力与应变成正比，其比值为常数，即弹性模量，用E表示，/=E。弹性模量反映了钢材抵抗变形的能力。它是钢材在受力条件下计算结构变形的重要指标。Ⅱ屈服阶段（AB段）应力超过p后，应变增加很快，而应力基本保持不变。这种现象称为屈服。此时应力与应变不再成比例，试件开始产生塑性变形。－曲线上开始发生屈服的点Ｂ，称为屈服点，这时的应力称为屈服极限，用s表示。钢材受力达到屈服点后，变形即迅速发展，尽管尚未破坏但已不能满足使用要求。故设计中一般以屈服点作为强度取值的依据。Ⅲ强化阶段当荷载超过屈服点后，因塑性变形使其内部的组织结构得到调整，抵抗变形的能力有所增强，－曲线又开始上升，称为强化阶段。曲线最高点Ｃ所对应的应力称为抗拉强度，用b表示。常用低碳钢的b为375-500MPa。屈强比（s/b）——屈强比越小，钢材在受力超过屈服点时的可靠性越大，结构越安全。但如果屈强比过小，则钢材有效利用率太低，造成浪费。常用钢的屈强比为0.6~0.75。

Ⅳ颈缩阶段应力超过b后，试件的变形开始集中于某一小段内，使该段的横截面面积显著减小，出现图所示的颈缩现象，－曲线开始下降，直至Ｄ点，试件被拉断。

拉伸过程的性能指标（6）屈强比：

（反映钢材利用率和结构安全可靠性）

（1）弹性模量：

（反映钢材抵抗变形的能力）（5）伸长率：

（反映钢材塑性指标）（3）屈服强度（屈服点）：

（4）抗拉强度：（2）弹性极限：【例】钢结构设计中以

作为设计依据。A.屈服强度B.抗拉强度注意：钢材应力超过屈服点以后，虽没有断裂，但会产生较大的塑性形变，已不能满足结构要求。【例】1.从一批钢筋中抽样，并截取两根钢筋做拉伸实验，钢筋公称直径为12mm，标距为60mm，拉断时长度分别为70.6mm和71.4mm，求该钢筋试样的伸长率。2、冲击韧性冲击韧性——指钢材抵抗冲击荷载的能力。钢材的冲击韧性用冲断试样时缺口处单位面积上所消耗的功——冲击功（K）来表示，K的单位为J/cm2。K越大表示钢材抗冲击的能力越强。

ConstructionMaterials

冲击韧性试验示意图3、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，是以试验时的弯曲角度和弯心直径d为指标表示（下图）。钢材的冷弯试验:是通过直径（或厚度）为a的试件，采用标准规定的弯心直径d（d=na），弯曲到规定的角度时（180或90），检查弯曲处有无裂纹、断裂及起层等现象。若无则认为冷弯性能合格。钢材冷弯时的弯曲角度越大，弯心直径越小，则表示其冷弯性能越好。

钢材的冷弯示意图问题：哪一钟钢材的冷弯性能好？冷弯检验的意义钢材的冷弯性能和其伸长率一样，也是表示钢材在静荷载条件下的塑性。但冷弯是钢材处于不利变形条件下的塑性，而伸长率是反映钢材在均匀变形下的塑性。故冷弯试验是一种比较严格的检验。它能揭示钢材内部组织的均匀性，以及存在内应力或夹杂物等缺陷的程度。在拉力试验中，这些缺陷常因塑性变形导致应力重分布而反映不出来。在工程实践中，冷弯试验还被用作检验钢材焊接质量的一种手段，能揭示焊件在受弯表面存在的未熔合、微裂纹和夹杂物。4、焊接性能低碳钢的可焊性很好，随着碳含量和合金含量的增加，钢材的可焊性减弱。钢中含硫也会使钢材在焊接时产生热脆性。采用焊前预热和焊后热处理的方法，能提高可焊性差的钢材焊接质量。

ConstructionMaterials

对焊示意图ConstructionMaterials

焊接示意图三、钢的化学成分对钢材性能的影响碳（〈0.8%）

含碳量增加→强度和硬度提高,塑性和韧性降低，焊接性也变差硅（〈1%）提高强度锰（1%~2%）提高强度铝、钒、钛、铌常用合金元素，提高强度，改善韧性和可焊性硫增加热脆性磷增加冷脆性氧降低韧性氮强度提高，塑性和韧性下降，加剧冷脆性有益元素有害元素冷拉前屈服点冷拉后屈服点四、钢材的冷加工及时效冷加工指在常温下对钢材进行冷拉、冷拔和冷轧处理自然时效处理经冷拉的钢材在常温下存放15-20天其强度和硬度提高，塑性和韧性降低的现象人工时效处理经冷拉的钢材在加热至100-200℃，并保持一段时间这将使时效加速时效经冷拉钢材随时间延长强度提高,塑性、韧性下降的现象叫做时效可分为两类：分为自然时效和人工时效建筑钢材的冷加工与时效可提高强度，冷拉后屈服强度可提高20-30%，时效处理后还可使抗拉强度提高。可节约钢材20-30%。降低了塑性和韧性意义五、建筑钢材的技术标准与选用钢结构用钢材碳素结构钢低合金高强度结构钢钢筋混凝土结构用钢材热轧钢筋冷轧带肋钢筋冷拔低碳钢丝建筑钢材的技术标准与选用建筑钢材包括：型钢钢管钢板钢丝钢筋常用的钢材品种为：碳素钢与低合金钢二大类。

牌号及其表示方法如flash中所示Q235-AF:屈服强度是

235MPa,A级,沸腾钢碳素结构钢牌号统一数字代号a等级厚度（或直径）/mm化学成分（质量分数）/%，不大于脱氧方法CSiMnSPQ195U11952——0.120.300.500.0400.035F、ZQ215U12152A—0.150.351.200.0500.045F、ZU12155B0.045Q235U12352A—0.220.0351.400.0500.045F、ZU12355B0.20b0.045U12358C0.170.0400.040ZU12359D0.0350.035TZQ275U12752A—0.240.0351.500.0500.045F、ZU12755B≤400.210.0450.045Z>400.22U12758C—0.200.0400.040ZU12759D0.0350.035TZ表碳素结构钢的化学成分（GB700-2006）

各类牌号钢材的性能碳素结构钢的选用建筑钢结构中最常用的牌号为Q235(综合性能符合建筑工程的要求)。因为Q235钢既有较高的强度，又有良好的塑性和韧型，如：B、C、D等，可焊接性也很好，能满足一般钢结构用钢的要求。Q235的C级和D级钢，其S和P的含量低，所以主要作重要的焊接结构。尤其适用于低温条件下，受冲击荷载作用的焊接钢结构。各类牌号钢材的性能碳素结构钢的选用Q195及Q215：强度低，但塑性和韧性好，易冷加工，在轧制、焊接加工成受冲击、偶然荷载等情况下，能保证安全使用。Q275：强度高，但塑性和韧性差，可焊接差，不易冷加工；可用作砼配筋和钢结构中的构件及螺栓（在机械零件及工具中常用之）。选用钢材，主要根据工程结构的重要性、荷载类型、焊接要求及使用环境温度等条件选择。定义在碳素结构钢的基础上，添加少量的一种或几种合金元素，合金元素的总含量小于5%的结构钢。常用的合金元素有：Si、Mn、Ti、Nb、V和C等。牌号及其表示方法现行国家标准《低合金结构钢》（GB1591-2008）共有8个牌号：Q345、Q390、Q420、Q460、Q500、Q550、Q620、Q690低合金高强度结构钢牌号质量等级化学成分/%CMnSiPSVNbTiNBCuMoCrNiAl≤≤≤不大于不小于Q345ABCDE0.200.200.200.180.181.70.500.0350.0350.0300.0300.0250.0350.0350.0300.0250.0200.150.070.200.012-0.300.100.300.50-0.015Q390ABCDE0.201.70.500.0350.0350.0300.0300.0250.0350.0350.0300.0250.0200.200.070.200.015-0.300.100.500.50-0.015Q420ABCDE0.201.70.500.0350.0350.0300.0300.0250.0350.0350.0300.0250.0200.200.070.200.015-0.300.200.800.80-0.015Q460CDE0.201.80.600.0300.0300.0250.0300.0250.0200.200.110.200.0150.0040.550.200.800.800.015Q500CDE0.181.00.600.0300.0300.0250.0300.0250.0200.120.110.200.0150.0040.550.200.800.800.015Q550CDE0.182.00.600.0300.0300.0250.0300.0250.0200.120.110.200.0150.0040.800.300.800.800.015Q620CDE0.182.00.600.0300.0300.0250.0300.0250.0200.120.110.200.0150.0040.800.300.800.800.015Q690CDE0.182.00.600.0300.0300.0250.0300.0250.0200.120.110.200.0150.0040.800.300.800.800.015表低合金高强度结构钢的化学成分（GB1591-2008）

比采用碳素结构钢节省钢材，而且可以减轻自重，延长使用寿命，尤其适用于大跨度结构和桥梁工程等。

低合金高强度结构钢钢筋混凝土结构用钢材可以分为：热轧钢筋冷拉钢筋冷拔低碳钢丝钢绞线包括热轧光圆钢筋及热轧带肋钢筋。热轧钢筋按屈服强度及抗拉强度分为五个等级。其品种、牌号、力学性能及其应用见下表。热轧钢筋表热轧钢筋力学性能及工艺性能表

（GB1499.1-2008、GB1499.2-2007）表面形状牌号公称直径（mm）屈服点σs(MPa)抗拉强度σb(MPa)伸长率δ5(%)冷弯180ºd＝弯心直径a＝钢筋公称直径≥光圆HPB2356～22235370