第七章(建筑钢材).ppt

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1、第七章第七章 建筑钢材建筑钢材 天津职业大学 张俊玲建筑钢材建筑钢材是指建筑工程中使用的各种钢材，包括钢结构用各种钢材（如圆钢、角钢、工字钢、槽钢、管钢等）、板材，以及混凝土结构用钢材（如钢筋、钢丝等）。钢材的优点：材质均匀、性能可靠、强度高，具有一定的塑性和韧性，具有承受冲击和振动荷载的能力，可切割、焊接、铆接或螺栓连接，便于装配。钢材的缺点：易锈蚀、维修费用高、耐火性差。钢结构用各种钢材 方钢六角钢钢筋钢丝管材：无缝钢管、焊接钢管等板材：光面钢板、花纹钢板、彩色涂层钢板等。伦敦千年穹顶巴黎埃菲尔铁塔吉隆坡国家石油双塔大厦 日本明石海峡大桥 天津市电力公司供用电综合楼 第一节 钢的冶炼与分类

2、钢的冶炼钢是由生铁冶炼而成。炼钢的过程就是把熔融的生铁进行氧化，使碳含量降低到预定的范围，其他杂质降低到允许的范围。在理论上凡含碳量在2以下（0.032%)，含有害杂质较少的铁、碳合金称为钢。在炼钢过程中，采用的炼钢方法不同，除掉杂质的程度就不同，所得钢的质量也有差别。目前国内主要有转炉钢、平炉钢和电炉钢三种钢材。转炉钢 以熔融的铁水为原料，不需燃料，由转炉底部或侧面吹入高压空气进行冶炼（空气转炉钢）。缺点：吹炼时容易混入空气中氮、氢等杂质，同时熔炼时间短，杂质含量不易控制，因此质量差，国内已不采用。第一节 钢的冶炼与分类第一节 钢的冶炼与分类平炉钢 以固体或液体生铁、铁矿石或废钢为原料，用煤

3、气或重油作燃料，杂质是靠与铁矿石或废钢中的氧或吹入的氧作用而除去的钢。优点：熔炼时间长，杂质含量控制精确，清楚较彻底，钢材的质量好，化学成分稳定，力学性能可靠，用途广泛。缺点：成本高，冶炼周期长。电炉钢 以电力能源迅速加热生铁或废钢原料。熔炼温度高，温度可自由调节，清楚杂质容易。优缺点：质量最好，成本高。第一节 钢的冶炼与分类钢的分类按冶炼方法分类按炉形分 按炉衬耐火材料分按脱氧程度分F沸腾钢（F）F镇静钢（Z）F半镇静钢（b）F特殊镇静钢（TZ）转炉钢平炉钢电炉钢酸性（硅质材料）碱性（镁砂、白云石）第一节 钢的冶炼与分类按化学成分分类碳素钢F低碳钢（含C量0.25）F中碳钢（含C量0.60）

4、合金钢F低合金钢（合金元素总量10%）第一节 钢的冶炼与分类按质量分类普通碳素钢（含S量0.0550.065，含P量0.0450.085）优质碳素钢（含S量0.030.045，含P量0.0350.04）高级优质钢（含S量0.020.03，含P量0.0270.035）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：用于制作刀具、量具、模具。特殊钢：不锈钢、耐酸钢、耐热钢、耐磨钢、磁钢等。目前建筑工程上常用的钢种是普通碳素结构钢和普通低合金结构钢。第一节 钢的冶炼与分类F碳素结构钢的牌号表示方法和代号是由代表屈服点的字母、屈服点数值、质量等级符号与脱氧方法四部分按顺序组成。例如：Q2

5、35AF表示屈服点为235MPa的A级沸腾钢。Q235B、Q215Bb、Q345（16Mn）第二节 建筑钢材的主要技术性能标准试件标准试件按照一定的要求，对表面进行车削加工后的试件。按照一定的要求，对表面进行车削加工后的试件。l0 A0d0l非标准试件非标准试件不经过加工，直接在线材上切取的试件。不经过加工，直接在线材上切取的试件。头部头部头部头部工作段工作段第二节 建筑钢材的主要技术性能力学性能拉伸性能见图71低碳钢受拉的应力应变图。弹性阶段（O-A）OA是一条直线，应力应变成正比，此阶段变形为弹性变形。与A点对应的应力称为弹性极限，以 p表示。弹性模量是钢材在受力条件下计算结构变形的重要指

6、标。屈服阶段（A-B）开始出现塑性变形，应力增长滞后于应变增长，与B下点对应的应力称为屈服点（屈服强度），用 S表示。屈服强 度是设计中钢材强度取值的依据，是工程结构计 算中非常重要的一个参数。第二节 建筑钢材的主要技术性能强化阶段（B-C）钢材内部组织中晶格发生畸变，钢材抵抗塑性变形的能力重新得到提高，对应于C点的应力值 b称为极限抗拉强度（抗拉强度）。屈服强度和抗拉强度之比（屈强比）能反映钢材的利用率和结构安全可靠程度，建筑结构合理的屈强比一般为0.600.75。颈缩阶段（C-D）抵抗变形的能力明显降低，变形迅速发展，应力逐渐下降，试件被拉长，在有杂质或缺陷处，断面急剧缩小，直至断裂。伸长

7、率是衡量钢材塑性的一个重要指标，伸长率越 大，说明塑性越好。硬钢（高碳钢）的拉伸性能硬钢（高碳钢）的拉伸性能o硬钢强度高，塑性差，拉伸过程无明显屈服阶段，无法直接测定屈服强度。用条件屈服强度0.2来代替屈服强度。o条件屈服点0.2：使硬钢产生0.2%塑性变形时的应力。见左图。0A0.2%aboa总变形。ba弹性变形99.8%。ob塑性变形0.2%。第二节 建筑钢材的主要技术性能冲击性能冲击韧度是指钢材抵抗冲击荷载而不被破坏的能力，以试件破坏后缺口处单位面积上所消耗的功来表示。钢材的冲击韧度与钢的化学成分、冶炼与加工有关。一般来说，钢中的P、S含量较高，夹杂物以及焊接中形成的微裂纹等都会降低冲击

8、韧度。此外还受温度和时间的影响。冷脆性、时效敏感性的概念疲劳强度 钢材承受交变荷载的反复作用时，可能在远低于屈服强度时，突然发生破坏，称为疲劳破坏，指标即疲劳强度，或称疲劳极限。硬度材料表面抵抗塑性变形的能力。布氏硬度（HB）和洛氏硬度（HRC）第二节 建筑钢材的主要技术性能工艺性能冷弯性能反映钢材在常温下承受弯曲变形的能力冷加工及时效处理在常温下进行冷加工，使之产生塑性变形，从而提高屈服强度，但钢材的塑性和韧性会降低。钢材经冷加工后，在常温下存放1520d或加热至100200保持2h左右，其屈服强度、抗拉强度及硬度进一步提高，而塑性及韧性继续降低，这种现象称为时效。焊接性能 建筑工程的钢结构

9、有90以上是焊接结构。焊接结构质量取决于焊接工艺、焊接材料及钢材本身的焊接性能。第三节 建筑钢材的标准及应用目前混凝土结构用钢主要有：热轧钢筋、冷拉热轧钢筋、冷拔低碳钢丝、冷轧带肋钢筋、冷轧扭钢筋、热处理钢筋和预应力混凝土用钢丝及钢绞线等。热轧钢筋(hot rolled steel bar for concrete reinforcement)定义 是经热轧成型并自然冷却的成品钢筋，主要用于钢筋混凝土和预应力混凝土结构的配筋，是土木建筑工程中使用量最大的钢材品种之一。分类 主要有用Q235轧制的光圆钢筋和合金钢轧制的带肋钢筋两类。热轧带肋钢筋 新国标规定，热轧带肋钢筋分为HRB335、HRB4

10、00、HRB500、HRBF335、HRBF400、HRBF500六个牌号。第三节 建筑钢材的标准及应用冷加工钢筋 一般热轧钢筋经机械方式冷加工而成的钢筋都称为冷加工钢筋。其加工方式有冷拉、冷轧、冷拔或综合方式。冷拉钢筋定义 将热轧钢筋，在常温下拉伸至超过屈服点的某一应力，然后卸荷，即制成了冷拉钢筋。冷拉的作用 冷拉可使屈服点提高17%27%，材料变脆、屈服阶段变短，伸长率降低，冷拉时效后强度略有提高。生产中可将冷拉、除锈、调直、切断合并为一道工序，这样简化了流程，提高了效率；冷拉既可以节约钢材，又可以制成预应力钢筋，增加了品种规格，设备简单，易于操作，是钢筋冷加工的常用方法之一。第三节 建筑

11、钢材的标准及应用冷拔低碳钢丝定义 将直径为6.58mm的Q235（或Q215）圆盘条通过截面小于钢筋截面的钨合金拔丝模而制成。冷拔钢丝不仅受拉、同时还将受到挤压作用。钢丝截面直径尺寸有3mm、4mm、5mm。性质 经受一次或多次拔制而得的钢丝，其屈服强度可提高40%60%，且已失去了低碳钢的性质，变得硬脆，属硬钢类钢丝。应用 冷拔低碳钢丝按力学性能分为甲级和乙级两种。甲级钢丝为预应力钢丝，适用于一般工业与民用建筑中的中小型冷拔钢丝先张法预应构件的设计与施工；乙级为非预应力钢丝，主要用作焊接骨架、焊接网、架立筋、箍筋和构造钢筋。第三节 建筑钢材的标准及应用冷轧带肋钢筋定义 热轧圆盘条经冷轧后，在

12、其表面带有沿长度方向均匀分布的三面或两面横肋，即成为冷轧带肋钢筋。牌号表示 根据国标GB137882008规定，冷轧带肋钢筋按抗拉强度分为5个牌号：CRB550、CRB650、CRB800、CRB970，数值为抗拉强度的最小值。性质及应用 与冷拔低碳钢丝相比较，冷轧带肋钢筋具有强度高、塑性好，与混凝土粘结牢固，节约钢材、质量稳固等优点。冷轧带肋钢筋克服了冷拉、冷拔钢筋握裹力低的缺点，同时具有和冷拉、冷拔相近的强度，因此在中、小型预应力混凝土结构构件和普通混凝土结构构件中得到了越来越广泛的应用。第三节 建筑钢材的标准及应用预应力混凝土用钢丝及钢绞线定义 钢厂用优质碳素结构钢经冷加工、再回火、冷轧

13、或绞捻等加工而成的专用产品，也称为优质碳素钢丝及钢绞线。国标（GB522385）规定，预应力混凝土用钢丝分为：矫直回火钢丝、娇直回火刻痕钢丝和冷拉钢丝三种。钢丝直径有3、4、5mm三种规格，抗拉强度为14701670MPa，屈服点11001410Mpa。钢绞线是由七根钢丝经绞捻热处理制成的，国标规定，钢绞线直径为915mm，破坏荷载达220KN，屈服荷载可达185KN。性质 钢丝和钢绞线均具有强度高、塑性好，使用时不需要接头等优点，尤其适用于需要曲线配筋的预应力混凝土结构、大跨度或重荷载的屋架等。第四节 钢结构用钢材目前国内钢结构用钢的品种主要是普通碳素结构钢和低合金高强度结构钢。普通碳塑结构

14、钢（非合金钢）牌号表示方法 国标中规定，牌号由代表屈服点的字母、屈服点数值、质量等级符号、脱氧程度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和275MPa四种；质量等级以硫、磷等杂质含量由多到少，分别为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。选用 一方面要根据钢材的质量、性能及相应的标准；另一方面要根据工程使用条件对钢材性能的要求。一般来讲，牌号数值越大，含碳量越高，其强度、硬度越高，但塑性、韧性越低。硫、磷含量低的D、C级钢的质量优于B、A级钢。特殊镇静钢、镇静钢质量优于半

15、镇静钢，更优于沸腾钢，当然质量好的钢成本也高。第四节 钢结构用钢材 工程结构的荷载类型、焊接情况及环境温度等条件对钢材性能有不同的要求，选用钢材时必须满足。钢结构中，主要应用的是碳素钢Q235，即用Q235轧成的各种型材、板材和管材。Q235钢的强度、韧性和塑性以及可加工性能好，且冶炼方便、成本较低。由于Q235D含有足够的形成细粒结构的元素，同时对硫、磷元素控制较严格，其冲击韧性好，抵抗振动、冲击荷载能力强，尤其在一定的负温条件下，较其它牌号更为合理。A级钢一般仅适用于承受静荷载作用的结构。Q215钢强度低、塑性和韧性较好，受力产生变形大，经冷加工后可代替Q235钢使用。Q275钢虽然强度高

16、，但塑性较差，有时轧成带肋钢筋用于混凝土中。第四节 钢结构用钢材低合金高强度结构钢定义 是在碳塑结构钢的基础上，添加少量的一种或几种合金元素（总含量小于5）的一种结构钢。所加元素主要有：锰、硅、钒、钛、铌、铬、镍及稀土元素。具有强度高、塑性和低温冲击韧性好、耐腐蚀等特点。牌号表示方法 国标低合金高强度结构钢规定，低合金高强度结构钢以屈服点等级为主，划分成五个牌号，其表示方法如下：屈服点字母Q屈服点数值质量等级屈服点数值：Q295、Q345、Q390、Q420、Q460质量等级：E、D、C、B、A第五节 建筑钢材的防锈蚀 钢材表面与周围环境接触，在一定条件下，可发生作用而使钢材表面腐蚀。腐蚀不仅

17、造成钢材受力截面减小，表面不平整导致应力集中，降低了钢材的承载能力；还会使疲劳强度大为降低，尤其是显著降低钢材的冲击韧性，使钢材脆断。混凝土中的钢筋腐蚀后，产生体积膨胀，使混凝土顺筋开裂。因此为了确保钢材不产生腐蚀，必须采取防腐措施。建筑钢材锈蚀的原因化学锈蚀 由非电解质溶液或各种干燥介质（如O2、CO2、SO2、Cl2等）所引起的一种纯化学性质的腐蚀，无电流产生。这种腐蚀多数是氧化作用，在钢材的表面形成疏松的氧化物，在干燥的环境下进展很缓慢，但在温度和湿度较高的条件下，这种腐蚀进展很快。第五节 建筑钢材的防锈蚀电化学锈蚀 钢材与电解质溶液相接触产生电流，形成原电池而发生的腐蚀称电化学腐蚀。钢

18、材中含有铁素体、渗碳体、非金属夹杂物等，这些成分的电极电位不同，即活泼性不同，在电解质存在时，很容易形成原电池的两个极。钢材与潮湿介质空气、水、土壤接触时，表面覆盖一层水膜，水中溶有来自空气的各种离子，便形成了电解质。首先钢中的铁素体失去电子即FeFe2+，+2e成为阳极，渗碳体成为阴极。在酸性电解质中H+得到电子变成氢气跑掉；在中性介质中，由于氧的还原作用使水中含有OH，随之生成不溶于水的Fe（OH）2；进一步氧化成Fe（OH）3及其脱水产物Fe2O3，即红褐色铁锈的主要成分。第五节 建筑钢材的防锈蚀钢材的防锈保护膜法 用保护模使钢材与周围介质隔离，从而避免或减缓外界腐蚀性介质对钢材的破坏作

19、用。例如在钢材的表面喷刷涂料、搪瓷、塑料等或以金属镀层作为保护膜，如锌、锡、铬等。电化学保护法 无电流保护法是在钢铁结构上接一块较钢铁更为活泼的金属如锌、镁，因为锌、镁比钢铁的电位低，所以锌、镁成为腐蚀电池的阳极遭到破坏（牺牲阳极），而钢铁结构得到保护。这种方法对于那些不容易或不能覆盖保护层的地方，如蒸汽锅炉、轮船外壳、地下管道、港口结构、道桥建筑等。第五节 建筑钢材的防锈蚀 外加电流保护法是在钢铁结构附近，安放一些废钢铁或其他难熔金属，如高硅铁及铅银合金等，将外加直流电源的负极接在被保护的钢铁结构上，正极接在难熔的金属上，通电后难熔金属成为阳极而被腐蚀，钢铁结构成为阴极得到保护。合金化 在碳

20、钢中加入能提高抗腐蚀能力的合金元素，如镍、铬、钛、铜等制成不同的合金钢。防止混凝土中钢筋的腐蚀可以采用上述的方法，但最经济有效的方法使提高混凝土的密实度和碱度。并保证钢筋有足够的保护层厚度。铝合金花纹板橘皮纹板断桥铝型材思考题从一批钢筋中抽样，并截取两根钢筋做拉伸试验，测得如下结果：屈服下限荷载分别为42.4、42.8kN;抗拉极限荷载分别为62.0kN、63.4kN，钢筋公称直径为12mm，标距为60mm，拉断时长度分别为70.6和71.4mm,评定其级别？说明其利用率及使用中安全可靠程度如何？解：1.钢筋试样屈服点为：思考题 钢筋试样抗拉强度为b=(548+561)/2=555 N/mm2

21、 钢筋试样伸长率为：=(17.7+19.0)2=18.4%查表知s1、s2 均大于335 N/mm2,b1、b2 均大于455N/mm2,钢筋试样伸长率均大于17%，故该钢筋为II级钢。2.该钢筋的屈强比为：s/b=385/555=0.69 该II级钢筋的屈强比在0.60.75范围内，表明其利用率较高，使用中安全可靠度较好。思考题为什么说屈服点（s）、抗拉强度（b）和伸长率（）是建筑工程用钢的重要技术性能指标？解：屈服点（s）是结构设计时取值的依据，表示钢材在正常工作时承受应力不超过s值；屈服点与抗拉强度的比值（sb）称为屈强比。它反映钢材的利用率和使用中安全可靠程度；伸长率（）表示钢材的塑性

22、变形能力。钢材在使用中，为避免正常受力时在缺陷处产生应力集中发生脆断，要求其塑性良好，即具有一定的伸长率，可以使缺陷处应力超过s时，随着发生塑性变形使应力重分布，而避免结构物的破坏。思考题碳素结构钢是如何划分牌号的？说明Q235AF和Q235D号钢在性能上有何区别？答：碳素结构钢的牌号按顺序由代表屈服点的字母（Q）、屈服点数值（/mm2）、质量等级符号(A、B、C、D)、脱氧程度符号(F、B、Z、TZ)等四部分组成。Q235AF和Q235D均为235碳素结构钢，是建筑中应用最多的碳素钢。二者性能差别主要表现在质量等级和脱氧程度上。按硫、磷含量多少来衡量，Q235D磷、硫含量均少于Q235AF,

23、质量较好，按脱氧程度衡量Q235D为Z镇静钢，质量最好，Q235AF 为沸腾钢。Q235AF钢，仅适用于承受间接动荷载的静荷载结构。而Q235D可适用于动荷载作用或处在低温环境下的工作条件。思考题何谓钢的冷加工强化及时效处理？冷拉并时效处理后的钢筋性能有何变化？解：在常温将钢材进行机械加工，使其产生塑性变形，以提高屈服强度的过程称为冷加工强化。机械加工方法主要是对钢筋进行冷拉和冷拔。冷轧主要在钢厂进行。时效处理是将经过冷加工的钢材，在常温下存放1520天，或者加热到100200，并保持2小时以内，这个过程称为时效处理。常温放置称为自然时效，加热处理称为人工时效。冷拉并时效处理后的钢筋，其屈服点提高2025，抗拉强度也有提高，塑性和韧性降低较大，弹性模量基本恢复。思考题 在建筑工地和混凝土预制厂，经常对比使用要求的强度偏低和塑性偏大的钢筋或低碳盘条钢筋进行冷拉或冷拔并时效处理，以提高屈服强度和利用率，节省钢材。同时还兼有调直、除锈的作用。这种加工所用机械比较简单，容易操作，效果明显，所以建筑工程中常采取此法。