建筑钢材的力学性能及其技术指标

建筑钢材的力学性能及其技术指标钢筋作为一种建筑材料，广泛用于各种建筑结构、特别是大型、重型、轻型薄壁和高层建筑结构。钢筋是指钢筋混凝土用和预应力钢筋混凝土用钢材。钢筋的分类钢筋可按化学成分、外形、加工方法和供货形式进行分类。钢筋按化学成分的不同可分为碳素钢筋和合金钢筋，碳元素和合金元素的含量还有低、中、高之分。钢筋按外形的不同分为光圆钢筋、带肋钢筋、刻痕钢筋和钢绞线（建筑结构第三版图2-1）。带肋是指表面带有凸纹。目前，带肋钢筋的凸纹一般为月牙纹。刻痕是将刻出椭圆形的浅坑。钢绞线则由多股高强度光圆钢筋绞合而成。钢筋按加工方法的不同可分为热轧钢筋、冷拉钢筋、冷拔钢筋、冷轧钢筋和热处理钢筋等。热轧钢筋是用低碳钢或低合金钢在高温下轧制而成。根据其强度标准值的不同，热轧钢筋又分为235、335、400、500四个级别。级别越高，钢筋的强度也越高，但塑性越差。235级钢筋用普通低碳钢（含碳不大于0.25%）制成，表面光圆，最小直径为6mm。335、400、500级钢筋用低、中碳的低合金钢（含碳不大于0.6%，其他合金总量不大于5%）制成，表面有肋纹，最小直径一般为10mm。各种级别热轧钢筋的符号和所用，钢材的牌号列于表2-1。各种级别热轧钢筋的符号和牌号表2-1热扎钢筋级别符号牌号曾用牌号235HPB235Q235335HRB33520MnSi400HRB400、RRB40020MnSiV、20MNnTi、20MnSiNb、K20MnSi500HRB50040Si2Mn、48Si2Mn、45Si2Cr注：400级K20MnSi钢筋系余热处理钢筋，牌号为RRB400。牌号中的字母H表示热轧；P表示光圆，R表示带肋；B表示钢筋。数字表示最低屈服强度标准值。冷拉钢筋是在常温下，把热轧钢筋拉伸至强化阶段所得到的钢筋。热轧钢筋经冷拉后屈服强度有较大提高，经时效处理后抗拉极限强度也有所提高，但钢筋的塑性则有所下降。冷拉钢筋也分为四个级别，符号分别为111111111111111。由于冷拉钢筋塑性较差，现已很少采用。冷拔钢筋是在常温下，使热轧光圆钢筋通过硬质合金拔丝模上比钢筋直径稍小的锥形孔，强行拉拔而成（建筑结构第三版图2-2）。拉拔次数越多，直径就越小，强度就越高。冷拔低碳钢筋用Q235热轧钢筋冷拔而成，分为甲、乙两级；甲级强度较高，但必须逐盘检验，并根据检验所得的抗拉强度分为Ⅰ、Ⅱ两组，其直径有4mm和5mm两种;乙级强度较低，仅要求分批检验，直径为3～5mm。冷拔低碳钢筋的符号为1111。冷拔钢筋强度虽高，但表面光滑，与之间的粘结力较差，现已很少采用。冷轧钢筋是在常温下，将光圆的普通低碳或低合金钢筋（Q215、Q235、20MnSi、24MnTi）经过轧制，使其减小直径，并且表面带肋（一般为三面带有月牙纹肋）的钢筋。目前使用的冷轧带肋钢筋按其极限抗拉强度分为CRB550、CRB650和CRB800三个牌号。其中，CRB550一般用Q215圆钢冷轧而成，CRB650用Q235圆钢冷轧而成，CRB800则是用20MnSi或24MnTi圆钢冷轧而成、CRB550钢筋的直径为4～12mm，CRB650钢筋的直径为4～6mm，CRB800钢筋的直径目前只有5mm一种。冷轧钢筋～强度较高，且表面带肋，可用来取代小直径的Q235光圆钢筋或冷拔低碳钢丝。目前，CRB55O钢筋一般用来取代Q235光圆钢筋，用于现浇板或梁柱箍筋；而CRB650和CRB800钢筋则一般用来取代甲级冷拔低碳钢丝，用于中小型预应力构件，如预应力多孔板。热处理钢筋是将500级热轧钢筋经过加热、淬火和回火等调质处理后得到的钢筋，其强度比500级钢筋高得多，而塑性却降低不多。热处理钢筋用于大型预应力混领土构件。该种钢筋的符号位1111。大型预应力混领土构件除采用热处理钢筋外，还常用消除应力钢丝和钢绞线。它们的强度均很高。消除应力钢丝采用高碳圆钢（含碳量0.7%～1.4%），经过加热、淬火、冷拔和回火等工艺制成，其符号为1111111111111。钢绞线是将多根碳素钢丝（一般为7根）用绞盘绞制而成。其标志直径为截面外接圆的直径，其符号为111111111111。钢筋按供货形式可分为直条钢筋和盘园钢筋两种。直径为10～15mm的钢筋通常用直条供应，长度为6～12m；直径小于10mm的钢筋通常用圆盘供应。钢筋的强度和变形钢筋的强度和变形方面的性能主要用钢筋拉伸试验所得的应力-应变曲线来表示。钢筋的种类、级别不同，其应力-应变曲线也不同。热轧和冷拉钢筋的应力-应变曲线具有明显的流幅，该类钢筋又被称为软钢；冷拔、冷轧、热处理钢筋、高强钢丝和钢绞线的应力-应变曲线则无明显流幅，该类钢筋又被称为硬钢。软钢典型的拉伸应力-应变曲线如图2-3所示。建筑结构第三版在a点之前，材料处于弹性阶段，应力与应变成正比，其比值即为钢筋的弹性模量11111111。对应于a点的应力称为比例极限。a点以后，应变增加变快，图形变曲，钢筋开始表现出塑性的性质。当到达b点时，应力不再增加而应变却继续增加，钢筋开始塑性流动，直至c点。这种现象称为钢筋的“屈服”，对应于b点的应力称为屈服强度，bc水平段称为流幅或屈服台阶。C点以后，钢筋又部分恢复弹性，应力沿曲线上升至最高点d，对应于d点的应力称为极限强度，cd段称为强化阶段。d点以后，钢筋在薄弱发生局部颈缩现象，塑性变形迅速增加，而应力却随之下降，到达e点时试件断裂。断裂后的残余应变称为伸长率，用δ表示。强度级别不同的软钢，其应力-应变曲线也有所不同。235～500级热轧钢筋的应力-应变曲线如图2-4所示，建筑结构第三版由图可知，随着级别的提高，钢筋的强度增加，但伸长率降低。硬钢典型的拉伸应力-应变曲线如图2-5所示建筑结构第三版，由图可知，这类钢筋无明显的流幅和屈服强度。与软钢相比，这类钢筋的极限强度较高而伸长率较小。钢筋的变形性能除伸长率之外，还有冷弯性能。它是指钢筋在常温下承受弯曲的性能，采用冷弯试验测定。冷弯试验的合格标准为：在规定的弯心直径D和冷弯角度α下弯曲后，在弯曲处钢筋无裂纹、鳞落或断裂现象。按钢筋技术标准，不同种类钢筋的D和α的取值不同，例如335级月牙纹钢筋的α=180°，当直径不大于25㎜时，弯心直径D=3d，当直径d大于25㎜时，弯心直径D=4d。钢筋在弹性阶段的应力与应变之比称为弹性模量，用11111表示，各种钢筋的11111数值见附表5和附表6建筑结构第三版钢筋混凝土结构计算时，软钢和硬钢设计强度的取值依据不同。软钢取屈服强度作为设计强度的依据，这是因为这种钢筋屈服后有较大的塑性变形，这时即使荷载基本不增加，构件也会产生很大的裂缝和变形，以致不能使用。硬钢无明显的屈服点，但为防止构件突然破坏并防止构件裂缝和变形太大，设计强度也不能取为抗拉极限强度，而是取其残余应变为0.2%时相应的强度1111111（称为条件屈服强度）作为设计强度的依据，如图2-5所示。建筑结构第三版钢筋混凝土结构及预应力混凝土结构对钢筋性能的要求钢筋混凝土结构及预应力混凝土结构对钢筋性能的要求主要有以下几点：2.冷作硬化如前述，钢材在弹性阶段加、卸载后，不产生残余变形，也不影响钢材性能，但超过此范围则引起钢材性能的变化。当重复加载、卸载，其屈服点提高，而塑性和人性降低，如图2-7。钢结构设计原理钢材在制造时一般需经过冷拉、冷拔、冷弯、冲孔、剪切等冷加工过程，使得钢材有很大的塑性变形，因而产生冷作硬化。冷作硬化虽然可提高钢材的屈服强度，但同时降低了塑性和韧性，增加了脆性破坏的危险。为了消除其不利影响，对重要结构，如重级工作制吊车梁，须刨去因剪切形成的冷作硬化边缘金属。五、温度变化的影响钢材的力学性能随着温度的变化而有所改变。钢材在低温下的性能相比较而言更为重要。正温范围钢材在正温范围内，各项力学性能与温度的关系详见图2-8，钢结构设计原理其总的趋势是随温度的增加，强度降低而变形加大。温度在200℃以内，钢材的性能没有很大的变化。温度在250℃时，抗拉强度达到最大值，塑性、韧性下降，钢材表面氧化膜呈蓝色，称之为“蓝脆”现象，在蓝脆区进行热加工，可能引起裂纹。温度超过300℃时，屈服强度、抗拉强度、弹性模量均有所下降，而塑性增加。温度超过400℃时，强度和弹性模量急剧降低。当达到600℃时强度很低，已不能承受荷载。负温范围钢材在负温范围内屈服强度和抗拉强度都增加，而塑性、韧性降低，材料转脆。图2-9钢结构设计原理是冲击韧性与温度的关系示意曲线。图中左边和右边部分曲线变化比较平缓，温度带来的变化较小，而中间部分曲线陡峭，破坏时需要的能量随温度急剧变化，其所对应的温度分别为T1和T2，称之为温度转化区。在此区间内塑性破坏转变为脆性破坏，曲线的反弯点所对应的温度T0称为冷脆转变温度。冷脆转变温度因受力情况、缺口形状和截取方向的不同而不同。构件设计中应避免脆性破坏，即所处温度不大于T1；但不一定大于T2，以免不必要的浪费。六.重复荷载作用的影响在重复荷载的作用下，钢材的破坏强度低于静力作用下的抗拉强度，且呈现突发性的脆性破坏特征，这种现象称之为疲劳。七.残余应力的影响残余应力是钢材在轧制、焊接、气割过程中，由于不均匀的加热和冷却而产生的。对构件的不同形状、不同尺寸、不同的加工方式，其残余应力的分布和大小也不尽相同。残余应力的存在，使得构件的刚度和稳定性都有所降低。建筑钢材的种类及选用钢材的种类及选用在品种繁多的钢材中，钢结构常有的钢材主要有碳素结构钢和低合金结构钢两种。后者因含有锰、钒等合金元素而具有较高的强度。处在腐蚀介质中的结构，则采用因加入铜、磷、铬、镍等元素而具有较高抗绣能力的高耐候结构钢。钢结构所使用的钢材有不同的种类，每个钢种又有不同的牌号。以下分别叙述碳素结构钢和低合金钢的牌号和性能（紧固件中的普通螺栓、高强度螺栓和焊条的钢材）碳素结构钢我国生产的碳素钢分为Q195、Q215、Q235、Q255和Q275五个牌号。其中的Q是屈服强度屈字的汉语拼音的字头，后面的阿拉伯数字表示屈服强度值（N∕㎜²）.有Q195到Q275主要是以强度由低到高排列的，钢材强度主要由其中碳元素的含量的多少来确定。钢结构用钢主要是Q235，其中碳含量在0.12﹪～0.22﹪之间。碳素结构钢的表示方法为Q235—#.#,#分别表示质量等级和浇铸方法。例如Q235—A.F,Q235—C等。Q235分为A、B、C、D四个等级，其中D级质量最好，A级质量最差。A、B级按脱氧程度分为沸腾钢（F），半镇静钢（b），C级为镇静钢（Z），D级为特殊镇静钢（TZ），其中镇静钢（Z）.特殊镇静钢（TZ）可以不写。质量优劣主要是以V形缺口试件的冲击韧性的要求来区分的，对冷弯试验只在需方有要求时菜进行。B、C、D级分别要求20℃、0℃、-20℃时的冲击韧性值，B、C、D级也要求冷弯试验合格。不同等级的Q235钢对化学元素的含量的要求略有不同，对C、D级钢要提高其锰的含量以改进韧性，同时降低其含碳量的上限以保证可焊性。此外，对硫、磷含量的限制也应得到保证。低合金结构钢合金元素总量低于5﹪的钢称之为低合金钢，高于5%为高合金钢。建筑结构仅用低合金钢，其牌号和性能如下：由于生产和使用经验的关系，规范推荐使用低合金钢有两种：16Mn(16锰)和15MnV（15锰钒），规范还推荐与这两种类似而质量较高的桥梁用钢，即16Mnq(16锰桥)，15MnVq(15锰钒桥)钢。低合金钢的品牌前两位数表示平均含碳量的万分数，后面再标出所含合金元素的符号。当其平均含量低于1.5﹪时只列元素的符号，当高于1.5﹪时在元素符号后列百分之几并取整数。例如16Mn，表示其含碳量为0.16﹪及主要合金元素为锰且合金量低于1.5﹪。低合金结构钢的化学成分与碳素结构钢相似，但加入少量的合金元素。16Mn和15MnV的屈服强度比Q235分别高出47%和66%，并具有较好的塑性、韧性和加工性能，是强度高且综合使用性能好的钢材。用于钢结构可比碳素结构钢节约材料15%～25%，当仅用于受拉及受弯时则节约比例更大。钢材的选择钢材选用的原则和考虑因素刚才选用的原则是：既使结构安全可靠地满足使用要求，又要尽最大可能节约钢材，降低造价。对于不同的使用条件，应当有不同的质量要求。钢材的力学性质中，屈服点、抗拉强度、伸长率、冷弯性能、冲击韧性等各项指标是从不同的方面来衡量钢材的质量。显然，没有必要在不同的使用条件下都要符合这些质量指标。钢材的选用应考虑以下主要因素：结构的类型和重要性结构和构件，按其用途、部位和破坏后果的严重性，可分为重要的、一般的和次要的三类，相应的安全等级则为一级、二级和三级。大跨度屋梁、重型工作制吊车梁等按一级考虑，故应采用质量好的钢材；一般的屋架、梁和柱按二级考虑，梯子、平台和栏杆按三级考虑，可选择质量较低的钢材。荷载的性质按结构所承受的荷载的性质，可分为静力荷载和动力荷载两种受力状态。承受动力荷载的结构或构件中，又有经常满载（重级工作制）和不经常满载（中、轻级工作制）的区别。因此，荷载性质不同，应选用不同的钢材，并提出不同的质量保证