建筑材料钢材

建筑材料钢材第1页/共80页早期的钢结构仅是部分构件、配件用铸铁、熟铁制成。成功的范例有：1772年英国利物浦的圣安妮教堂，最早采用铸铁制作结构构件。1851年伦敦国际博览会建造的水晶宫（CrystalPalace)第2页/共79页第2页/共80页我国是最早用铁建造结构的国家之一如：967年建于南汉朝的广州光孝塔东铁塔；1061年建于宋朝的玉泉寺踏，高17.9m，共13层。现位于湖北当阳县；1105年建于宋朝的铁塔寺，高13m，共9层。……上述列举的古建筑说明了我国古代的冶金和营造技术达到了高度水平。第3页/共79页第3页/共80页大跨工业厂房第4页/共79页第4页/共80页我国建成的某大型工业厂房宽38m，长200m,高12m第5页/共79页第5页/共80页我国建成的大跨度工业厂房第6页/共79页第6页/共80页高层建筑第7页/共79页第7页/共80页中国国际贸易中心大厦二期工程。建于1999年，39层高156m，属于超高层钢结构。工地施工情况第8页/共79页第8页/共80页长春光大银行。28层，113m高，是一幢从设计、钢材生产、制作、施工全部国产化的全钢结构建筑。第9页/共79页第9页/共80页美国帝国州大厦第10页/共79页第10页/共80页帝国州大厦位于美国纽约。上图是纽约高层建筑群。第11页/共79页第11页/共80页EmpireStateBuilding正立面第12页/共79页第12页/共80页纽约帝国州大厦建于1931年，保持世界纪录长达40多年。帝国州大厦平面为130*60m，在第六层、第30层处收进，至85层平面缩进40*24m，其上是一个直径约10m，高61m的原塔，塔身高度相当于17层楼的高度，塔顶距地面381m,所以帝国州大厦号称102层。第13页/共79页第13页/共80页

该大厦1931年落成，是70年代以前世界上最高的建筑。纽约州别名帝国州，故名。大厦位于纽约繁华的第五号大街上。底部面积130*60平方米，向上逐渐收缩，85层之下为普通的使用建筑面积，85层以上收缩为直径10米高61米的尖塔。塔本身相当于17层，因此帝国大厦号称102层，塔顶距地面380米有效使用面积6万平方米。帝国大厦从动工到交付使用只用了19个月，平均每5天多建一层，施工速度极快。大楼主要是办公用房，共装67部电梯。据观测大厦在大风中最大摆幅为7.6厘米，对人的感觉和安全没有影响。1945年7月，一架巨型轰炸机在大雾中撞上大厦第79层，飞机坠毁，大厦只有局部破损，总体未受影响。第14页/共79页第14页/共80页当年大厦钢结构工人施工的情况。帝国州大厦的钢结构框架是由铆钉连接的，钢框架并埋置在炉渣混凝土中，大大加强了框架的刚度。第15页/共79页第15页/共80页大楼剪影大楼底层第16页/共79页第16页/共80页纽约世界贸易中心第17页/共79页第17页/共80页第18页/共79页第18页/共80页纽约世界贸易中心由两座塔式摩天楼组成。1969~1973年建造。两座塔楼均为110层，地下六层，北楼高417m，南楼高415m，全钢结构。第19页/共79页第19页/共80页1973年、纽约曼哈顿河岸上耸立起两座110层的姊妹楼，这是著名的纽约世界贸易中心。设计者是著名的美籍日裔建筑师雅马萨奇这两座方柱形大楼均高411米，打破了纽约帝国大厦保持42年之久的世界最高建筑的记录。方柱体边宽63.5米，每座楼的建筑面积40多万平方米。整个世界贸易中心可容纳5万人工作，每天来办事和参观的人还有3万左右。世界贸易中心的外墙是排列很紧密的钢柱，外面包以银色铝板。施工时间两年，当上面还在施工是下面已经交付使用。大楼受到很大的风压力，实测最大位移有28厘米.第20页/共79页第20页/共80页大楼外墙是排列很密的钢柱，外面包以银色铝板，其受到很大的风压力。

外墙属于格珊式墙面第21页/共79页第21页/共80页纽约世界贸易中心远景第22页/共79页第22页/共80页国家大剧院

位于北京人民大会堂西侧，西长安街以南，总占地面积近12公顷，总建筑面积近15万平方米，总投资26.88亿元，目前已进行过网壳部分设计与施工验收审查会议。该工程外部围护结构为钢结构网壳，是半椭圆球形，东西长轴212.2m，南北短轴143.64m，总高度46.285。内设歌剧院（2416席）、音乐厅（2017席）及戏剧院（1040席）及公共大厅等。屋面采用钛金属板，整个网壳外环绕人工湖（35500m2）,各种通道及入口均设在水下。设计为法国巴黎机场公司安德鲁建筑师，北京市建筑设计研究院参与主体设计

，整体结构用钢量达6750t，195kg/m。

第23页/共79页第23页/共80页242.1.1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建筑钢材基本知识第24页/共79页第24页/共80页25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%。

第25页/共79页第25页/共80页26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%

。第26页/共79页第26页/共80页27第27页/共79页第27页/共80页28第28页/共79页第28页/共80页29第29页/共79页第29页/共80页30第30页/共79页第30页/共80页31第31页/共79页第31页/共80页32第32页/共79页第32页/共80页33第33页/共79页第33页/共80页34第34页/共79页第34页/共80页352.1.2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。第35页/共79页第35页/共80页362.1.3钢的分类按化学成分分类

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％

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％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。第36页/共79页第36页/共80页37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。名称脱氧程度质量沸腾钢（F）不完全组织不够致密，气泡多，化学偏析大，成分不均匀，硫、磷杂质较多质量较差，成本较低。广泛用于一般建筑工程。镇静钢（Z）充分组织致密，成分均匀，机械性能好，质量较好，成本较高。适用于预应力混凝土等重要结构工程。半镇静钢（b）均介于上二者之间脱氧程度不同的三种钢锭的比较第37页/共79页第37页/共80页38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

(B)镇静钢

(A)沸腾钢

第38页/共79页第38页/共80页39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。第39页/共79页第39页/共80页40

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。第40页/共79页第40页/共80页412.1.4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。第41页/共79页第41页/共80页42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。第42页/共79页第42页/共80页43第43页/共79页第43页/共80页44第44页/共79页第44页/共80页45第45页/共79页第45页/共80页46第46页/共79页第46页/共80页47第47页/共79页第47页/共80页48第48页/共79页第48页/共80页49第49页/共79页第49页/共80页502.2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ε——材料的应变;σ——材料的应力;E——材料的弹性模量应力与应变第50页/共79页第50页/共80页512.2.2.2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αk

来表示。

钢材的冲击韧性试验αk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，αk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。第51页/共79页第51页/共80页522.2.2.3

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第52页/共79页第52页/共80页53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。第53页/共79页第53页/共80页548.3.1碳素结构钢碳素结构钢的牌号由4个要素组成：脱氧程度代号，F代表沸腾钢；b代表半镇静钢Z；Z代表镇静钢；TZ代表特殊镇静钢，（Z、TZ符号可予以省略)。钢材屈服点数值质量等级代号分A、B、C、D四级钢材屈服点代号，以“屈”字汉语拼音首位字母“Q”表示Q235－A·F表示屈服点为235MPa的A级沸腾钢。

例如2.3建筑钢材的技术标准及应用

第54页/共79页第54页/共80页55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。第55页/共79页第55页/共80页562.3.3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：质量等级符合，分A、B、C、D、E五级屈服点数值代表屈服点的汉语拼音字母Q第56页/共79页第56页/共80页57

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。

第57页/共79页第57页/共80页582.4.1.1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。第58页/共79页第58页/共80页59第59页/共79页第59页/共80页60牌号ReL（Mpa）Rm（Mpa）A（%）Agt（%）冷弯试验180°d—弯芯直径a—钢筋公称直径不小于HPB23523537025.010.0d=aHPB300300420热轧光圆钢筋的力学性能和工艺性能（GB1499.1-2008）

第60页/共79页第60页/共80页61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，。第61页/共79页第61页/共80页62第62页/共79页第62页/共80页63(a)等高肋钢筋；(b)月牙肋钢筋

第63页/共79页第63页/共80页64第64页/共79页第64页/共80页65第65页/共79页第65页/共80页66第66页/共79页第66页/共80页672.4.5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。热轧型钢工字钢第67页/共79页第67页/共80页68第68页/共79页第68页/共80页69第69页/共79页第69页/共80页70第70页/共79页第70页/共80页71第71页/共79页第71页/共80页72（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钢管第72页/共79页第72页/共80页73第73页/共79页第73页/共80页74第74页/共79页第74