第七章 建筑钢材

第七章建筑钢材第1页，课件共35页，创作于2023年2月建筑钢材的定义

钢材是以铁为主要元素，含碳量为0.02％～2.06％，并含有其他元素的合金材料。建筑钢材的分类

钢结构用各种型钢（如工字钢、角钢、槽钢、方钢等）、板材、钢管、钢筋和钢丝等。建筑钢材的优点抗拉、抗压和抗冲击性能好；可切割、可焊接、可铆接，装配方便。建筑钢材的缺点容易锈蚀，耐火性差。第一节钢材的分类四川水利职业技术学院第七章建筑钢材第2页，课件共35页，创作于2023年2月一、钢材按化学成分分类１、碳素钢：含碳量为0.02％～2.06％的铁碳合金称为碳素钢，也称碳钢。碳素钢根据含碳量可分为：低碳钢：含碳小于0.25％；中碳钢：含碳0.25％～0.6％；高碳钢：含碳大于0.6％。２、合金钢：碳素钢中加入一定量的合金元素则称为合金钢。合金钢中除含铁、碳和少量不可避免的硅（Si）、锰（Mn）、磷（P）、硫（S）、氮（N）之外，还加入一定量的硅（Si）、锰（Mn）、钛（Ti）、钒（V）、镍（Ni）、铌（Nb）等一种或几种元素进行合金化，以改善钢材的使用性能和工艺性能，这些元素称为合金元素。按合金元素的总含量可分为：低合金钢：合金元素总含量小于5％；中合金钢：合金元素总含量为5％～10％；高合金钢：合金元素总含量大于10％。第七章建筑钢材四川水利职业技术学院第一节钢材的分类第3页，课件共35页，创作于2023年2月二、按冶炼时脱氧程度分类１、沸腾钢

如果炼钢时脱氧不充分，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，因而这种钢材称为沸腾钢，其代号为“F”。沸腾钢中碳和有害杂质磷、硫等在钢中分布不均，富集于某些区间的现象较严重，钢的致密程度较差。故沸腾钢的冲击韧性和可焊性较差，特别是低温冲击韧性的降低更显著。但从经济上比较，其成品率较高，故成本较低。２、镇静钢如果炼钢时脱氧充分，钢液中金属氧化物很少或没有，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”。镇静钢组织致密，气泡少，偏析程度小，各种力学性能比沸腾钢优越。可用于受冲击荷载的结构或其他重要结构。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”。第七章建筑钢材四川水利职业技术学院第一节钢材的分类第4页，课件共35页，创作于2023年2月三、按压力加工方式分为

为消除冶炼、铸锭过程中，钢材中出现的结构不均匀、气泡等缺陷而进行压力加工的方法。１、热加工钢材：加热到一定温度进行的压力加工；２、冷加工钢材：常温下进行压力加工的钢材；四、按用途分类１、结构钢：建筑工程中常用结构钢种为碳素结构钢中的低碳钢和低合金高强度结构钢。２、工具钢：主要用于各种切削工具的钢；３、特殊钢：据用某种特殊的物理、化学性质的钢，如耐酸钢、耐热钢和不锈钢等。第七章建筑钢材四川水利职业技术学院第一节钢材的分类第5页，课件共35页，创作于2023年2月一、建筑钢材的力学性能１、抗拉性能抗拉性能是建筑钢材最重要的力学性能。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出钢材的主要力学特征。从低碳钢（软钢）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（OA）、屈服阶段(AB)、强化阶段(BC)和颈缩阶段(CD)。第七章建筑钢材四川水利职业技术学院第二节建筑钢材的主要技术性能第6页，课件共35页，创作于2023年2月⑴弹性阶段在图中OA段，应力较低，应力与应变成正比例关系，卸去外力，试件恢复原状，无残余形变，这一阶段称为弹性阶段。弹性阶段的最高点（A点）所对应的应力称为弹性极限，用σp表示，在弹性阶段，应力和应变的比值为常数称为弹性模量，用E表示，即E=σ/ε。⑵屈服阶段当应力超过弹性极限后，应变的增长比应力快，此时，除产生弹性变形外，还产生塑性变形。当应力达到B上点时，即使应力不再增加，塑性变形仍明显增长，钢材出现了“屈服”现象，这一阶段称为屈服阶段。在屈服阶段中，应力会有波动，出现上屈服点（B上）和下屈服点(B下)。由于下屈服点比较比较稳定且容易测定，因此，采用下屈服点对应的应力作为钢材的屈服极限（σS）或屈服强度。钢材受力达到屈服强度后，变形迅速增长，尽管尚未断裂，已不能满足使用要求，故结构设计中以屈服强度作为容许应力取值的依据。第七章建筑钢材四川水利职业技术学院第二节建筑钢材的主要技术性能第7页，课件共35页，创作于2023年2月⑶强化阶段在钢材屈服到一定程度后，由于内部晶格扭曲、晶粒破碎等原因，阻止了塑性变形的进一步发展，钢材抵抗外力的能力重新提高，在应力－应变图上，曲线从B点开始上升直至最高点C，这一过程称为强化阶段；对应于最高点C的应力称为抗拉强度（σb）。它是钢材所承受的最大拉应力。常用低碳钢的抗拉强度为375～500MPa。条件屈服点：某些合金钢或含碳量高的钢材（如预应力混凝土用钢筋和钢丝）具有硬钢的特点，其抗拉强度高，无明显屈服阶段，伸长率小。故采用产生残余变形为0.2％原标距长度时的应力作为屈服强度，称为条件屈服点，用δ0.2表示。强屈比：抗抗拉强度与屈服强度之比（强屈比）σb/σS，是评价钢材使用可靠性的一个参数。强屈比愈大，钢材受力超过屈服点工作时的可靠性越大，安全性越高，但是，强屈比太大，钢材强度的利用率偏低，浪费材料。钢材的强屈比一般不低于1.2，用于抗震结构的普通钢筋实测的强屈比应不低于1.25。第七章建筑钢材四川水利职业技术学院第二节建筑钢材的主要技术性能第8页，课件共35页，创作于2023年2月⑷颈缩阶段在钢材达到C点后，试件薄弱处的断面将显著减小，塑性变形急剧增加，产生“颈缩”现象而断裂。钢材的塑性通常用拉伸试验时的伸长率或断面收缩率来表示。伸长率：将拉断后试件拼合起来，测量出标距长度L,L与试件受力前的原标距L0之差为塑性变形值，它与原标距L0之比为伸长率δ，按下式计算：式中:δ——伸长率；L0——试件原始标距长度，mm；L——断裂试件拼合后标距长度，mm；断面收缩率：是指断口处的面积收缩量与原面积之比第七章建筑钢材四川水利职业技术学院第二节建筑钢材的主要技术性能第9页，课件共35页，创作于2023年2月从新进货的一批钢筋中抽样，并截取一根钢筋做拉伸试验，测得如下结果：屈服下限荷载为42.4kN，抗拉极限荷载为62.0kN。钢筋公称直径为12mm，标距为60mm，拉断时长度为66.0mm。计算钢筋的屈服强度、抗拉强度及伸长率。

解：S=Πd2/4=3.14*122/4=113.04mm2

ΔL=L-Lo=66.00-60.00=6.00mm

屈服强度:σs=F屈/S=42.4kN/113.04mm2=375.09MPa抗拉强度:σk=F拉/S=62.00kN/113.04mm2=548.48MPa伸长率:δ=ΔL/Lo=6.00/60.00=10.00%第七章建筑钢材四川水利职业技术学院第二节建筑钢材的主要技术性能第10页，课件共35页，创作于2023年2月一、建筑钢材的力学性能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。钢材的冲击韧性与钢材的化学成分、组织状态，以及冶炼、加工都有关系。例如，钢材中磷、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。冲击韧性随温度的降低而下降，其规律是：开始下降缓和，当达到一定温度范围时，突然下降很多而呈脆性，这种性质称为钢材的冷脆性。第七章建筑钢材四川水利职业技术学院第二节建筑钢材的主要技术性能第11页，课件共35页，创作于2023年2月一、建筑钢材的力学性能３、耐疲劳性受交变荷载反复作用时，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。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。在一定条件下，钢材疲劳破坏的应力值随应力循环次数的增加而降低。钢材在无穷次交变荷载作用下而不至引起断裂的最大循环应力值，称为疲劳强度极限，实际测量时常以2×106次应力循环为基准。一般来说，钢材的抗拉强度高，其疲劳极限也较高。第七章建筑钢材四川水利职业技术学院第二节建筑钢材的主要技术性能第12页，课件共35页，创作于2023年2月二、建筑钢材的工艺性能

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。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，n为整数），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。若没有这些现象则认为冷弯性能合格。钢材冷弯时的弯曲角度α越大，d/a越小，则表示冷弯性能越好。第七章建筑钢材四川水利职业技术学院第二节建筑钢材的主要技术性能第13页，课件共35页，创作于2023年2月二、建筑钢材的工艺性能２、焊接性能焊接是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。建筑工程的钢结构中，焊接结构要占90％以上。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，特别是强度不低于原有钢材的强度。

钢材的化学成分对钢材的可焊性有很大的影响。随钢材的含碳量、合金元素及杂质元素含量的提高，钢材的可焊性降低。钢材的含碳量超过0.25%时，可焊性明显降低；硫含量较多时，会使焊口处产生热裂纹，严重降低焊接质量。第七章建筑钢材四川水利职业技术学院第二节建筑钢材的主要技术性能第14页，课件共35页，创作于2023年2月二、建筑钢材的工艺性能[工程实例分析]钢结构屋架倒塌概况：某厂的钢结构屋架是用中碳钢焊接而成的，使用一段时间后，屋架坍塌，请分析事故原因。分析讨论：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。注意：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。第七章建筑钢材四川水利职业技术学院第二节建筑钢材的主要技术性能第15页，课件共35页，创作于2023年2月二、建筑钢材的工艺性能３、冷加工将钢材于常温下进行冷拉、冷拔、冷轧、冷扭和刻痕等使其产生塑性变形，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。４、热处理将钢材按一定规则加热、保温和冷却，以改变其组织结构，从而获得需要的性能的加工工艺，总称为钢的热处理。方法有淬火、回火、退火、正火。第七章建筑钢材四川水利职业技术学院第二节建筑钢材的主要技术性能第16页，课件共35页，创作于2023年2月二、建筑钢材的工艺性能５、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。自然时效：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；人工时效：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。第七章建筑钢材四川水利职业技术学院第二节建筑钢材的主要技术性能第17页，课件共35页，创作于2023年2月除铁、碳外，钢材在冶炼过程中会从原料、燃料中引入一些其他元素，这些元素存在于钢材的组织结构中，对钢材的结构和性能有重要的影响，可分为两类：一类能改善优化钢材的性能称为合金元素，主要有硅、锰、钛、钒、铌等；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。第七章建筑钢材四川水利职业技术学院第三节化学成分对钢材性质的影响第18页，课件共35页，创作于2023年2月一、建筑钢结构常用钢种１、碳素结构钢（１）牌号及其表示方法国家标准GB700-88《碳素结构钢》中规定，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。其中以“Q”代表屈服点；屈服点数值共分195、215、235、255和275MPa五种；质量等级以硫、磷等杂质含量由多到少，分别用A、B、C、D符号表示；脱氧方法以F表示沸腾钢、b表示半镇静钢、Z、TZ表示镇静钢和特殊镇静钢，Z和TZ在钢的牌号中予以省略。例如：Q235－A·F表示屈服点为235MPa的A级沸腾钢。第七章建筑钢材四川水利职业技术学院第四节建筑钢材的标准与选用第19页，课件共35页，创作于2023年2月一、建筑钢结构常用钢种１、碳素结构钢（２）碳素结构钢技术性能与应用根据国家标准GB700-88《碳素结构钢》，随着牌号的增大，对钢材屈服强度和抗拉强度的要求增大，对伸长率的要求降低。碳素结构钢的化学成分、力学性能、冷弯性能应符合国家规定标准。不同牌号的碳素钢在土木工程中有不同的应用：Q195——强度不高，塑性、韧性、加工性能与焊接性能较好，主要用于轧制薄板和盘条等。Q215——与Q195钢基本相同，其强度稍高，大量用做管坯、螺栓等。Q235——强度适中，有良好的承载性，又具有较好的塑性和韧性，可焊性和可加工性也较好，是钢结构常用的牌号，大量制作成钢筋、型钢和钢板用于建造房屋和桥梁等。Q255——强度高、塑性和韧性稍差，不易冷弯加工，可焊性较差，主要用做铆接或栓接结构，以及钢筋混凝土的配筋。第七章建筑钢材四川水利职业技术学院第四节建筑钢材的标准与选用第20页，课件共35页，创作于2023年2月一、建筑钢结构常用钢种１、碳素结构钢思考题：为什么Q235结构钢能得到普遍的应用？Q235是建筑工程中最常用的碳素结构钢牌号，其既具有较高强度，又具有较好的塑性、韧性，同时还具有较好的可焊性。Q235良好的塑性可保证钢结构在超载、冲击、焊接、温度应力等不利因素作用下的安全性，因而Q235能满足一般钢结构用钢的要求。Q235－A一般用于只承受静荷载作用的钢结构；Q235－B适合用于承受动荷载焊接的普通钢结构；Q235－C适合用于承受动荷载焊接的重要钢结构；Q235－D适合用于低温环境使用的承受动荷载焊接的重要钢结构。

第七章建筑钢材四川水利职业技术学院第四节建筑钢材的标准与选用第21页，课件共35页，创作于2023年2月一、建筑钢结构常用钢种２、低合金高强度结构钢（１）牌号及表示方法

根据国家标准GB1591-94《低合金高强度结构钢》的规定，低合金高强度结构钢分为Q295、Q345、Q390、Q420和Q460共五个牌号。每个牌号根据硫、磷等有害杂质的含量，分为A、B、C、D和E五个等级。如：Q345B表示屈服强度不小于345MPa，质量等级为B级的低合金高强度结构钢。（２）技术性能与应用

根据国家标准GB1591-94《低合金高强度结构钢》的规定了低合金高强度结构钢的化学成分与力学性能。低合金高强度结构钢主要用于轧制各种型钢、钢板、钢管及钢筋，广泛用于钢结构和钢筋混凝土结构中，特别适用于各种重型结构、高层结构、大跨度结构及桥梁工程等。第七章建筑钢材四川水利职业技术学院第四节建筑钢材的标准与选用第22页，课件共35页，创作于2023年2月二、钢筋混凝土结构用钢

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，包括有：１、热轧钢筋热轧钢筋是建筑工程中用量最大的钢材品种之一，主要用于钢筋混凝土结构和预应力钢筋混凝土结构的配筋。（１）热轧光圆钢筋：用ＨＰＢ表示，Ｈ表示热轧，Ｐ表示光圆，Ｂ表示钢筋。热轧光圆钢筋强度等级只有Ｉ级，即碳素钢Q235－B轧制的ＨＰＢ235，公称直径为８mm、１０mm、１２mm、１６mm、２０mm。（２）热轧带肋钢筋:用HRB表示，H表示热轧，R表示热轧，B表示钢筋。有HRB335、HRB400、HRB500三个牌号。应用：普通混凝土非预应力钢筋可根据使用条件选用Ｉ级钢筋或HRB335、HRB400钢筋；预应力钢筋应优先选用HRB400钢筋，也可以选用HRB335钢筋。第七章建筑钢材四川水利职业技术学院第四节建筑钢材的标准与选用第23页，课件共35页，创作于2023年2月二、钢筋混凝土结构用钢

２、冷轧带肋钢筋冷轧带肋钢筋是由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。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钢筋。CRB550：钢筋的公称直径范围为4～12mm。CRB650：及以上牌号钢筋的公称直径为4、5、6mm。第七章建筑钢材四川水利职业技术学院第四节建筑钢材的标准与选用第24页，课件共35页，创作于2023年2月二、钢筋混凝土结构用钢３、热处理钢筋热处理钢筋是将钢筋按一定规则加热、保温和冷却，以改变其组织，从而获得需要性能的一种工艺过程。其特点是塑性降低不多，但其强度提高很大，综合性能比较理想。应用：用于预应力混凝土轨枕和其他预应力混凝土工程等。４、冷拔低碳钢丝冷拉低碳钢丝是将直径为6.5～8mm的Q235圆盘条通过截面小于钢筋截面的钨合金拔丝而制成。应用：主用用于预应力混凝土工程。第七章建筑钢材四川水利职业技术学院第四节建筑钢材的标准与选用第25页，课件共35页，创作于2023年2月二、钢筋混凝土结构用钢５、预应力混凝土用钢丝预应力混凝土用钢丝是以优质碳素结构钢盘条为原料，经淬火奥氏体化、酸洗、冷拉制成的用作预应力混凝土骨架的钢丝。钢丝的抗拉强度比钢筋混凝土用热轧光圆钢、热轧带肋钢筋高许多，在构件中采用预应力钢丝可收到节省钢材、减少构件截面和节省混凝土的效果，主要用作桥梁、吊车梁、大跨度屋架、管桩等预应力钢筋混凝土构件中。第七章建筑钢材四川水利职业技术学院第四节建筑钢材的标准与选用第26页，课件共35页，创作于2023年2月二、钢筋混凝土结构用钢６、钢绞线根据GB5224－95《预应力混凝土用钢绞线》规定，预应力混凝土用钢绞线是以数根优质碳素结构钢钢丝经绞捻和消除应力的热处理而制成。根据钢丝的股数分为1×2、1×3和1×7三种类型，其中1表示以一根钢丝为芯、2、3、7分别表示其周围围绕的钢丝数量为2、3和7根。应用：预应力钢绞线主要用于预应力混凝土配筋，适用于大型屋架、薄腹梁、大跨度桥梁等负荷大、跨度大的预应力结构。第七章建筑钢材四川水利职业技术学院第四节建筑钢材的标准与选用第27页，课件共35页，创作于2023年2月一、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）。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。１、化学腐蚀化学腐蚀指钢材与周围的介质（如氧气、二氧化碳、二氧化硫和水等）直接发生化学作用，生成疏松的氧化物而引起的腐蚀。在干燥环境中化学腐蚀的速度缓慢，但在温度高和湿度较大时腐蚀速度大大加快。２、电化学腐蚀钢材在大气中的腐蚀，实际上是化学腐蚀和电化学腐蚀共同作用所致，但以电化学腐蚀为主。第七章建筑钢材四川水利职业技术学院第五节钢材的腐蚀与防护第28页，课件共35页，创作于2023年2月二、钢材的防腐１、采用耐候钢耐候钢即耐大气腐蚀钢。耐候钢是在碳素钢和低合金钢中加入少量铜、铬、镍、钼等合金元素而制成。这种钢在大气作用下，能在表面形成一种致密的防腐保护层，起到耐腐蚀作用.２、金属覆盖用耐腐蚀性好的金属，以电镀或喷镀的方法覆盖在钢材表面，提高钢材的耐腐蚀能力。常用的方法有：镀锌（如白铁皮）、镀锡（如马口铁）、镀铜和镀铬等。第七章建筑钢材四川水利职业技术学院第五节钢材的腐蚀与防护第29页，课件共35页，创作于2023年2月二、钢材的防腐３、非金属覆盖在钢材表面用非金属材料作为保护膜，与环境介质隔离，以避免或减缓腐蚀。如喷涂涂料、搪瓷和塑料等。４、混凝土用钢筋的防锈在正常的混凝土中ＰＨ值约为12，这时在钢材表面能形成碱性氧化膜（钝化膜），对钢筋起保护作用。为防止钢筋锈蚀，应保证混凝土的密实度以及钢筋外侧混凝土保护层的厚度，在二氧化碳浓度高的工业区采用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，限制含氯盐外加剂掺量并使用混凝土用钢筋防锈剂。第七章建筑钢材四川水利职业技术学院第五节钢材的腐蚀与防护第30页，课件共35页，创作于2023年2月一、钢材的耐火性钢材本身不燃烧，却不耐高温，其机械性能如屈服点、弹性模量、抗压强度、荷载能力等均会应温度的升高而急剧下降，当钢构件温度达到350、500、600摄氏度时，强度分别下降1/3、1/2、2/3。据理论计算，全负荷钢构失去静态平衡稳定性的临界温度为540摄氏度。而且钢构件由单一材料组成，导热系数大（是混凝土的40倍），在高温作用下，热量会迅速传导至内部，温升快，科学实验和火灾实例均表明，裸露钢构的耐火时间仅15分钟，不如普通木柱的耐火时间。第七章建筑钢材四川水利职业技术学院第六节钢材的防火第31页，课件共35页，创作于2023年2月二、钢材的防火１、钢结构防火涂料

钢结构防火涂料是施涂于建筑物及构筑物的钢结构表面，能形成耐火隔热保护层，以提高