第八章 建筑钢材

第八章建筑钢材钢结构建筑有许多优点，与混凝土相比，有更好的抗震、防腐、耐久、环保和节能效果；可实现构架的轻量化和构件的大型化，施工亦较为简便。但同时也存在不少缺点，其中较突出的一点是防火问题。美国纽约的世贸大厦为钢结构，2001年9月11日被恐怖主义者袭击，倒塌，给人们提出了钢结构防火、防袭击破坏的新课题。第一节钢材及其分类

一、金属材料

金属材料可分为：

有色金属：铜、铝、铅、锌、镁、锡……；

黑色金属：钢、铁。二、钢铁材料(一)生铁

铁矿石在高炉内通过焦炭还原而得含C量大于2％的铁碳合金。并有较多Si、Mn、S、P等杂质。

(二)钢

含C量小于2％。将生铁(及废钢)在熔融状态下进行氧化，除去过多的碳及杂质即得钢液，进行脱氧后浇铸成钢锭。(三)钢材

钢经冷、热加工而得到的各种定型产品。生产钢不可避免元素：Si、Mn、P、S、N…专门加入的合金元素：Si、Mn、Ti、V、Ni、Nb及稀土元素铁：主要元素碳：0.02%～2.06%其他元素钢材的化学成分钢筋工字钢圆钢、角钢钢丝绳钢管建桥用的金属材料漫谈

人类最早用来建桥的金属材料是铁，我国早在汉代(公元65年)，曾在四川泸洲用铁链建造了规模不大的吊桥。世界上第一座铸铁桥为1779年在英国建造的Coalerookdale桥，该桥1934年已禁止车辆通行。1878年英国人曾用铸铁在北海的Tay湾上建造全长3160m、单跨73.5m的跨海大桥，采用梁式桁架结构，在石材和砖砌筑的基础上以铸铁管做桥墩，建成不到两年，一次台风夜袭，加之火车冲击荷载的作用，铸铁桥墩脆断，桥梁倒塌，车毁人亡，教训惨痛。此后，人们研究和比较了钢材与铸铁，发现刚才不仅具有高的抗压强度，还具有高的抗拉强度和抗冲击韧性，更适于建桥。人类总结了两百多年使用钢材建桥的经验，现在悬索桥已成为特大跨径桥梁的主要形式。南京长江四桥1.按化学成分分类低碳钢：含碳量<0.25%中碳钢：含碳量０.25%～0.6%高碳钢：含碳量>0.6%（1）碳素钢

（碳钢）

（2）合成钢——专门加入合金元素按合金元素含量分

低合金钢：合金元素总含量<5%中合金钢：合金元素总含量5%～10%高合金钢：合金元素总含量>10%

三、钢材的分类2．按杂质含量（品质）分类普通钢：含硫量

≤0.050%，含磷量≤0.045%优质钢：含硫量

≤0.035%，含磷量≤0.035%高级优质钢：含硫量

≤0.025%，含磷量≤0.025%，牌号后加“高”或“A”特级优质钢：含硫量

≤0.015%，含磷量≤0.015%，后加“E”

3.按冶炼时脱氧程度分

沸腾钢：脱氧不充分，代号“F”镇静钢：脱氧充分，代号“Z”半镇静钢：脱氧程度介于“F”与“Z”之间，代号“b”特殊镇静钢：脱氧彻底，代号“TZ”

4．按用途分类结构钢：建筑结构、机械制造（低、中碳钢）工具钢：各种工具（高碳钢）特殊钢：不锈钢（具有各种特殊的物理化学性质）

(A)沸腾钢(B)镇静钢

两钢锭的纵剖面图

四、建筑钢材的应用钢铁材料是应用最广、产量最大的金属材料，也是建筑工程中主要材料之一。（1）用型钢制作厂房、桥梁、闸门及高压管道等，安全性强、质量轻，适于大跨度及多、高层结构；（2）用钢筋和混凝土组成的钢筋混凝土结构，强度高、耐久性好，适用范围广。五、本章学习要求1、了解钢的分类、冶炼及加工、化学元素等对钢材质量的影响；2、了解钢材的牌号划分及表示的意义；3、了解建筑钢材的技术性质，国家及行业相关技术标准，正确选用钢材。第二节

建筑钢材的力学性能和工艺性能

建筑钢材的主要技术性能力学性质：强度、弹性、塑性、耐磨性…工艺性质（可加工性）：冷弯、可焊性

一、力学性能建筑钢材的力学性能主要有：抗拉性能、硬度和冲击韧性等（一）抗拉性能O→A：弹性阶段；A→B：屈服阶段；B→C：强化阶段；C→D：颈缩阶段。sp：弹性极限；ss：屈服点；sb：抗拉强度。1.抗拉屈服强度(屈服点ss)指钢材在拉力作用下，开始产生塑性变形时的应力。设计中一般以屈服点作为强度取值的依据。当某些钢材的屈服点不明显时，按规定以产生残余应变为0.2％时的应力作为屈服强度，记为σ0.2。2.抗拉极限强度(sb)试件在破坏前，应力－应变图上的最大应力值。也称抗拉强度。注意:钢材的屈强比ss/sb:

3.伸长率（d）

钢材拉断后，试件标距长度的伸长量DL与原始标距L0的比值。

伸长率的大小受试件标距长短的影响，国标规定用d10和d5。

可靠性参数

值越小可靠性越高，安全性越高，但利用率降低，浪费增大。(塑性指标)

意义：

值越大，塑性增强，可避免结构过早破坏；加工性增强，安全性增强。（二）硬度硬度是指材料抵抗另一更硬物体压入其表面的能力。钢材的硬度常用压痕的深度或压痕单位面积上所受压力作为衡量指标。建筑钢材常用的硬度指标是布氏硬度。硬度的大小，既可用以判断钢材的软硬，又可用以近似地估计钢材的抗拉强度。硬度高，耐磨性较好，但脆性亦大。(三)冲击韧性

冲击韧性指材料抵抗冲击荷载作用的能力。建筑钢材的冲击韧性通过夏比(v形缺口)冲击试验来测定。

冲击韧性的指标及其计算(1)冲击吸收功Akv(J)

Akv=W（h1―h2）Akv值可由试验机刻度盘上直接读出。(2)冲击韧性值akv(J／cm2)。

为单位面积的试样断口所吸收的冲击功：

akv＝Akv／AAkv(或akv)值愈大，表示冲断时吸收的功愈多，钢材的冲击韧性愈好。(四)耐疲劳性疲劳破坏：交变荷载反复作用，钢材在应力低于屈服强度时,突然发出脆性断裂的现象。

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。

危害极大工程实例韩国汉城大桥倒塌

1994年10月21日韩国汉城汉江圣水大桥中段50m长的桥体象刀切一样坠入江中，造成多人死亡。该桥由韩国最大的建筑公司之一——东亚建设产业公司于1979建成。

原因分析

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。二、工艺性能冷弯性能：常温下钢材承受弯曲变形的能力。焊接性能：钢结构中90%以上为焊接结构,焊接性非常重要。二、工艺性能（一）可焊性在焊接过程，由于高温及焊后急冷，会使焊缝及附件区域的钢材发生组织构造变化，产生局部变形，内应力和局部变硬脆等，甚至在焊缝周围产生裂缝，降低了钢材质量。可焊性好的钢材，没有质量显著降低的现象，所得焊接牢固。焊接性能通过拉伸(拉伸、冷弯)试验检测。（二）冷弯性能

冷弯性能是指钢材在常温下承受静力弯曲时所容许的变形能力。判定标准：若试件弯曲处的外表面无裂断、裂缝或起层，认为冷弯性能合格。

冷弯试验意义：能反映试件弯曲处的塑性变形，能揭示钢材是否存在内部组织不均匀、内应力和夹杂物等缺陷。冷弯试验也能对钢材的焊接质量进行严格的检验，能揭示焊件受弯表面是否存在未熔合，裂缝及夹杂物等缺陷。冷弯试验第三节

化学元素对钢材性能的影响一、碳随着含C量的增加：

钢的伸长率，断面收缩率和冲击韧性逐渐下降；

硬度增大；

C=0.8％左右抗拉强度最高

冷弯性能、焊接性能和抗腐蚀性能下降。二、硅使钢的硬度、强度提高，含量超过1.0％时，钢的塑性和冲击韧性显著降低，冷脆性增加，焊接性能变差。三、锰炼钢过程中，锰可形成MnO及MnS，成为钢渣而排出，故Mn起着脱氧去硫作用，能消除钢的热脆性改善热加工性；过剩的Mn固溶于钢内，形成含Mn的合金铁素体和合金渗碳体，能提高钢的屈服强度和抗拉强度；有害作用是使钢的伸长率略有下降，当锰的含量较高时，还会显著降低可焊性。四、磷使钢的屈服点和抗拉强度提高；塑性降低、韧性显著下降；增加钢的冷脆性(韧性随温度下降而急剧恶化的现象)，对于承受冲击荷载或低温下使用的钢材是有害的；使钢的冷弯性能急剧下降，可焊性变坏。普通碳素钢中磷的含量最多不得超过0.085％。五、硫在钢材热加工过程中产生晶粒的分离，引起钢的断裂，即所谓热脆现象；硫的存在也降低了钢的冲击韧性、疲劳强度、可焊性和抗腐蚀性。硫为钢的有害成分，其含量受严格控制，普通碳素钢中最高含量不得大于0.065％。六、氧氧也是钢中的有害杂质。使钢材强度下降；热脆性增加，冷弯性能变坏；热加工性能和焊接性能下降七、氮可提高钢的屈服点、抗拉强度和硬度；使钢材的塑性和冲击韧性显著下降；增大冷脆性、热脆性和时效敏感性，使钢的焊接性能和冷弯性能变坏。钢材中的常存杂质

硫：来自矿石燃料，生成FeS，钢材加工时易裂缝，热脆性。磷：来自矿石燃料，生成Fe3P，脆性很大。

碳：炼钢氧化过程中存于缸中，害处大于益处，故归于有害元素。氧：与碳、磷相似。锰：炼钢时脱氧、硫残留钢中，具有很强的脱氧、硫能力，大大改善钢材加工性能。硅：脱氧剂，较锰强。两面性：硅很低时，强度增加；硅很高时，其他性能降低。有害元素第四节

钢的压延加工及热处理

一、压力热加工压力热加工是将钢锭(或钢材)加热到900～1200'C，通过碾轧或锻压（压延加工），以获得一定大小或形状的钢材或零件。压力热加工可消除钢锭中的某些缺陷，从而带来机械性能的提高。二、冷加工及冷加工强化

冷加工工艺是常温下钢材的冷拉、冷拔、冷轧等工艺的总称。

冷加工强化是在冷加工过程中，钢材产生了塑性变形，并引起其强度和硬度的提高，塑性和韧性降低。

冷加工强化的原因是钢材在塑性变形过程中，晶粒破碎而细化、晶格发生拉长、压扁或歪扭等畸变，晶界处位错密度增大。三、钢的热处理

钢的热处理是通过对钢进行加热、保温、冷却等手段，来改变钢材组织结构，以达到改善性质的一种工艺。基本的热处理工艺如下。(1)退火。将钢材加热到一定温度，保温若干时间，而后缓慢冷却，称为退火。(2)淬(zhan)火。将钢材加热到一定温度，保温一段时间后，在盐水、冷水或油中急速冷却的处理过程，称为淬火。淬火的目的是要获得更高强度和硬度的钢材。(3)回火。将淬火处理后的钢，再进行加热、冷却处理，称为回火。回火的目的是消除钢件的内应力，增加其韧性。回火温度一般在150～6500C范围内。(4)正火。将钢材加热到一定温度，保持足够时间，然后静置于空气中冷却，称为正火。对于断面尺寸较大的钢件，正火相当于退火的效果。(5)调质处理。对钢材进行多次淬火、回火等多种处理的综合热处理工艺，称为调质处理。四、钢的时效硬化钢的强度和硬度随时间延长而逐渐增大，塑性和韧性逐渐减退的现象称为时效硬化(简称为时效)。时效分为热时效和冷加工时效两种。热时效(又称淬火时效)——是低碳钢由高温快速冷却后，其塑性和韧性会随静置时间延长而不断降低的现象。

冷加工时效——钢材经冷加工后，将发生冷加工强化现象(如前述)，静置一段时间后，即产生冷加工时效。

淬火时效和冷加工时效可同时发生。建筑工程中，将钢筋进行冷加工(如冷拉)，并在常温下放置15—20d后再使用，通过冷加工强化和时效，来提高钢筋的屈服强度，达到节约钢材的目的。第五节

建筑钢材的牌号与应用建筑钢材分为钢结构用钢材和钢筋混凝土用钢筋。一、钢结构用钢材钢结构是用各种型钢、钢板，经焊接、铆接或螺栓连接而成的工程结构。钢结构的特点：(1)构件尺寸大，形状复杂，不可能对其进行整体热处理，钢材必须在供货状态下直接工作；(2)构件在制作过程中，常需经冷弯焊接等，要求钢材可焊性好，冷加工时效敏感性小；(3)结构暴露于自然环境，尤其是水工钢结构多处于潮湿、腐蚀或低温条件下工作，要求钢材具有在所处环境下的可靠性及耐久性。（一）常用钢结构用钢的牌号及性能

碳素结构钢（1）碳素结构钢的牌号表示按顺序：屈服点字母（Q）、屈服点数值（单位MPa）、

质量等级（有A、B、C、D4级，逐级提高）和

脱氧方法（F：沸腾钢，b：半镇钢，Z：镇静钢，

TZ：特殊镇钢。牌号表示时Z、TZ可省略）。例如：Q235—A·F表示屈服点为235MPa，A级沸腾钢。

Q235—B表示屈服点为235MPa，B级镇静钢。碳素钢的牌号(屈服值)增高，钢的含碳量增大，强度提高，塑性降低，冷弯及可焊性下降。质量等级由A至D，钢中有害杂质S、P含量逐渐减少，低温冲击韧性改善，质量提高。（2）碳素结构钢的选用

建筑工程中常用钢种——Q235Q235钢既有较高的强度，又有较好的塑性及可焊性，是建筑工程中应用广泛的钢种。（Q195及Q215钢的强度低；Q255及Q275钢虽然强度高，但塑性及可焊性较差。）

建筑工程中主要应用Q235号钢,可用于轧制各种型钢、钢板、钢管与钢筋。具有较高的强度，良好的塑性、韧性，可焊性及可加工等综合性能好,且冶炼方便，成本较低，因此广泛用于一般钢结构。其中C、D级可用在重要的焊接结构。

Q195、Q215号钢材强度较低，但塑性、韧性较好，易于冷加工，可制作铆钉、钢筋等。Q255、Q275号钢材强度高，但塑性、韧性、可焊性差，可用于钢筋混凝土配筋及钢结构中的构件及螺栓等。受动荷载作用结构、焊接结构及低温下工作的结构，不能选用A、B质量等级钢及沸腾钢。2.低合金结构钢低合金高强度结构钢是在低碳钢基础上，加入适量合金元素冶炼而成的.牌号表示方法与碳素钢相似。低合金高强度结构钢比碳素结构钢具有更高的屈服强度，同时还有良好的塑性、冷弯性、可焊性、耐腐蚀性和低温冲击韧性，更适用于大跨度钢结构及大型水工建筑物。当低合金钢中的铬含量达11.5%时，铬就在合金金属的表面形成一层惰性的氧化铬膜，成为不锈钢。不锈钢具有低的导热性，良好的耐蚀性能等优点；缺点是温度变化时膨胀性较大。不锈钢既可以作为承重构件，又可以作为建筑装饰材料。3.优质碳素结构钢及合金结构钢1）优质碳素结构钢

是生产过程中对质量控制较严（如S＜0.035％、P＜0.035％)，质量较稳定的碳素钢。按含Mn量的不同分为（二组）

l

普通含Mn量（含Mn量＜0.8％)

l

较高含Mn量（含Mn量＜0.7％～1.2％)2）合金结构钢

合金结构钢是合金元素含量较高的钢。（在炼钢中，为改善性能而加入超过普通钢允许含量的一种或多种合金元素）。3）应用

优质碳素结构钢及合金结构钢是用于机械结构的主要钢种，在建筑工程及水工钢结构中，常用来加工制作各种轴、杆、铰、高强螺栓等受力构件，以及钢铸件。