第八章建筑钢材.ppt

1 第八章建筑钢材 重点介绍了钢材的力学性能 工艺性能及现行国家标准或规范对钢材的性能及技术要求 阐述了钢的化学成分及所含合金元素等对钢材性能的影响 介绍了碳素结构钢和低合金结构钢的牌号表示方法 技术要求及各类牌号钢材的性能和用途 本章提要 2 一 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 3 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 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 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 第一节钢的分类 钢的化学成分对钢材性能的影响 一 钢材的分类 按化学成分分类 碳素钢 合金钢 低合金钢 合金元素总含量 5 0 按质量 杂质含量 分类 普通钢 优质钢 高级优质钢按用途分类 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 磁钢等按脱氧方法分类 沸腾钢 镇静钢 半镇静钢建筑工程中常用的钢种是普通低碳素结构钢和普通低合金结构钢 15 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 16 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 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 17 二 钢的化学成分对钢材性能的影响1 有益元素 1 碳 c 碳是形成钢材强度的主要成分 是钢材中除铁以外最主要的元素 含碳量高 则钢材强度高 但同时钢材的塑性 韧性 冷弯性能 可焊性及抗锈蚀能力下降 因此 建筑钢材对含碳量要加以限制 一般不应超过0 22 在焊接结构中还应低于0 20 2 硅 si 硅是强脱氧剂 是制作镇静钢的必要元素 硅适量时 1 可提高钢材的强度而不显著影响其塑性 韧性 冷弯性能及可焊性 3 锰 mn 它能显著提高钢材的强度而不过多降低塑性和冲击韧性 锰有脱氧作用 同时还可以消除硫引起的钢材热脆现象及改善冷脆倾向 4 钒 v 钒是钢中合金元素 能提高钢材的强度和抗锈蚀性 又不显著降低塑性 18 2 有害元素 1 硫 s 是有害元素 属杂质 使钢材变脆 易出现裂缝 硫还会降低钢材的冲击韧性 可焊性 疲劳强度及抗锈蚀能力 因此 对硫的含量必须严加控制 2 磷 p 可以提高钢材的强度和抗锈蚀能力 但却严重降低钢材的塑性 韧性和可焊性 特别是在温度较低时使钢材变脆 冷脆 既在低温条件下使钢材的塑性和韧性显著降低 钢材容易脆裂 3 氧 o 和氮 n 是有害元素 氧能使钢材热脆 其作用比硫剧烈 氮能使钢材冷脆 与磷类似 故其含量应严格控制 由于氧和氮在冶炼过程中容易逸出 一般不会超过极限含量 故不作含量要求 19 某厂的钢结构屋架用中碳钢焊接而成 使用一段时间后 屋架坍塌 请分析事故原因 案例分析 分析答案 钢结构屋架坍塌 钢结构屋架 20 分析 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 建筑上常用低碳钢和低合金结构钢 21 第二节建筑钢材的主要技术性能 一 拉伸性能拉伸性能是建筑钢材最重要的性能 从低碳钢的应力 应变试验视频中可看出 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 式中 材料的应变 材料的应力 e 材料的弹性模量 应力与应变 22 建筑钢材的抗拉性能 1 弹性阶段oa一条通过原点的直线 应力与应变成正比 弹性弹性模量e值的大小反映了钢材抵抗弹性变形的能力 o a 低碳钢受拉的应力 应变图 e1 e2 图形的特点 试件的特点 23 建筑钢材的抗拉性能 2 屈服阶段ab一条波动的曲线 应力增加很小 而应变增加很大 所能承受的拉力增加很小 而塑性变形迅速增加 似乎钢材不能承受外力 屈服强度 也叫屈服点 图形的特点 试件的特点 计算的指标 o a 低碳钢受拉的应力 应变图 a c d b 屈服 24 3 强化阶段bc一段上升的曲线 抵抗塑性变形的能力又重新提高 抗拉最大强度 图形的特点 试件的特点 o a 低碳钢受拉的应力 应变图 a c d b c点对应的应力 建筑钢材的抗拉性能 强化 25 4 颈缩阶段cd一段下降的曲线 变形迅速发展 在有杂质或缺陷处 断面急剧缩小 直到断裂 伸长率 图形的特点 试件的特点 计算的指标 建筑钢材的抗拉性能 计算的指标 颈缩 26 三个重要的指标1 屈服强度 s结构设计中钢材强度取值的依据2 抗拉强度 b钢材所能承受的最大应力屈强比屈强比 安全可靠程度3 伸长率 衡量钢材塑性的指标 越大说明钢材的塑性越好 27 二 冷弯性能定义 指钢材在常温下承受弯曲变形的能力 检验 按规定的弯曲角和弯心直径进行试验 试件的弯曲处不发生裂缝 断裂或漆层 即认为冷弯性能合格 a 试样安装 b 弯曲90 c 弯曲180 d 弯曲至两面重合 e 规定弯心 28 如视频所示钢材的冷弯性能和伸长率都是塑性变形能力的反映 29 三 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 影响钢材冲击韧性的因素很多 钢的化学成分 组织状态 以及冶炼 轧制质量都会影响冲击韧性 钢材的冲击韧性试验 韧性与试验温度有关 当试验温度低于某值时 发生脆性断裂 30 a 试件尺寸 b 试验装置 c 试验机 1 摆锤 2 试件 3 试验台 4 刻度盘 5 指针 钢的化学成分 例 s p 冲击韧性 冶炼及轧制质量 质量 冲击韧性 温度 温度 冲击韧性 31 四 可焊性 焊接 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 32 33 第三节钢筋的冷加工 时效及应用 冷加工强化处理 将钢材在常温下进行冷加工 如冷拉 冷拔或冷轧 使之产生塑性变形 从而提高屈服强度 经强化处理过的钢材塑性和韧性降低 弹性模量降低 时效 钢材在冷加工后长时间的搁置中 会自发地呈现强度和硬度逐渐提高 而塑性和韧性逐渐降低的现象 人工时效 加热到100 c 200 c并保持一定时间 适合于高强钢筋 自然时效 常温下存放15 20天 适合用于低强度钢筋 34 钢筋冷拉后屈服强度可提高15 20 冷拔后屈服强度可提高40 60 低碳钢受冷拉力应变 35 注 1 冷拉仅能提高钢筋的抗拉强度 不能提高抗压强度 冷拔可同时提高钢筋的抗拉强度和抗压强度 2 钢筋经冷加工后 力学性能发生显著变化 强度提高 塑性降低 由软钢变成硬钢 低碳钢受冷拔图 人工低碳钢冷加工视频 机械低碳钢冷加工视频 36 37 38 建筑钢材分类 第四节建筑钢材的标准与选用 按用于不同的工程结构类型可分为 钢结构用钢 如各种型钢 钢板 钢管等 钢筋混凝土工程用钢 如各种钢筋和钢丝 从材质上分 普通碳素结构钢低合金结构钢 39 一 碳素结构钢 碳素结构钢的牌号由4个要素组成 40 表8 1碳素结构钢的化学成分 gb t700 2006 41 表8 3碳素结构钢的冷弯性能 gb t700 2006 由表可知 碳素结构钢随着牌号的增大 其含碳量增加 强度提高 塑性和韧性降低 冷弯性能逐渐变差 42 二 碳素结构钢的选用工程中应用最广泛的碳素结构钢牌号为q235 属低碳钢 该牌号钢具有较高的强度 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 43 三 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 如q345a表示屈服点为345mpa的a级钢 44 表8 4低合金高强度结构钢的力学性能 gb1591 1994 45 四 低合金高强度结构钢的应用低合金高强度结构钢不但具有较高的强度 而且也具有较好的塑性 韧性和可焊性 因此 在钢结构和钢筋混凝土结构中常采用低合金高强度结构钢轧制型钢 角钢 槽钢 工字钢 钢板 钢管及钢筋 来建筑桥梁 高层及大跨度建筑 尤其在承受动荷载和冲击荷载的结构中更为适用 另外 与使用碳素钢相比 可节约钢材20 30 而成本并不很高 目前我国生产的低合金结构钢有很多 如12mn 18nb 12mnv 15mnv 15mnti等 钢号中前面两个数字代表钢的平均含碳量的万分数 合金元素后无数字者 表示该元素的平均含量少于1 5 46 五 常用建筑钢材 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 47 48 49 50 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 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 热轧光圆钢筋的公称直径范围为6 22mm 热轧光圆钢筋 gb1499 1 2008 推荐的钢筋公称直径为6 8 10 12 16和20mm 可按直条或盘卷交货 按定尺长度交货的直条钢筋其长度允许偏差范围为0 50mm 按盘卷交货的钢筋 每根盘条重量应不小于1000kg 51 热轧光圆钢筋 热轧光圆钢筋钢筋按规定的弯曲180 后 钢筋受弯部位表面不得产生裂纹 为合格 52 53 54 55 带肋钢筋 a 月牙肋钢筋 b 等高肋钢筋 2 热轧带肋钢筋 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 56 57 a 等高肋钢筋 b 月牙肋钢筋 58 59 60 热轧带肋钢筋的力学性能和工艺性能应符合规定 各力学性能特征值 可作为交货检验的最小保证值 按规定的弯芯直径弯曲180 后 钢筋受弯部位表面不得产生裂纹 反向弯曲试验是先正向弯曲90 再反向弯曲20 经反向弯曲试验后 钢筋受弯曲部位表面不得产生裂纹 热轧钢筋中热轧光圆钢筋的强度较低 但塑性及焊接性能很好 便于各种冷加工 因而广泛用作普通钢筋混凝土构件的受力筋及各种钢筋混凝土结构的构造筋 hrb335和hrb400钢筋强度较高 塑性和焊接性能也较好 故广泛用作大 中型钢筋混凝土结构的受力钢筋 hrb500钢筋强度高 但塑性及焊接性能较差 可用作预应力钢筋 61 热轧带肋钢筋的力学性能和工艺性能 表8 7 62 63 64 3 冷轧带肋钢筋 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 称为冷轧带肋钢筋 小螺纹 钢筋表面的横肋呈月牙形 横肋沿钢筋横截面周圈上均匀分布 其中三面肋钢筋有一面肋的倾角必须与另两面反向 二面肋钢筋一面肋的倾角必须与另一面反向 冷轧带肋钢筋的牌号由crb和钢筋的的抗拉强度最小值构成 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用钢筋 它克服肋冷拉 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 广泛应用于在中 小型预应力混凝土结构构件和普通混凝土结构构件中 65 三面月牙形冷轧带肋钢筋 冷轧带肋钢筋 66 冷轧带肋钢筋 67 冷轧带肋钢筋具有以下优点 1 强度高 塑性好 综合力学性能优良 crb550 crb650的抗拉强度由冷扎前的不足500mpa提高到550mpa 650mpa 冷拔低碳钢丝的伸长率仅2 左右 而冷轧带肋钢筋的伸长率大于4 2 握裹力强 混凝土对冷轧带肋钢筋的握裹力为同直径冷拔钢丝的3 6倍 又由于塑性较好 大幅度提高了构件的整体强度和抗震能力 3 节约钢材 降低成本 以冷轧带肋钢筋代替 级钢筋用于普通钢筋混凝土构件 可节约钢材30 以上 如用以代替冷拔低碳钢丝用于预应力混凝土多孔板中 可节约钢材5 10 且每m3混凝土可节省水泥约40kg 4 提高构件整体质量 改善构件的延性 避免 抽丝 现象 用冷轧带肋钢筋制作的预应力空心楼板 其强度 抗裂度均明显优于冷拔低碳钢丝制作的构件 冷轧带肋钢筋适用于中 小型预应力混凝土构件和普通混凝土构件 也可焊接网片 68 热处理钢筋分为预应力用热处理钢筋和钢筋混凝土用余热处理钢筋 热处理钢筋分为预应力用热处理钢筋用热轧中碳低合金钢钢筋经淬火 回火调质处理工艺生产的回火索氏体钢筋 它具有很高的强度和足够的韧性 是预应力混凝土钢筋的重要品种之一 中国的热处理钢筋的规格为直径6 8 2 10毫米三种 抗拉强度 1500兆帕 条件屈服点 1350兆帕 伸长率 6 由于这种钢筋没有明显的屈服点 一般检验时只考核抗拉强度和伸长率 热处理钢筋的设计强度相当于标准强度的0 8 先张法和后张法 预应力结构张拉控制应力分别为标准强度的0 7和0 65 钢筋表面轧有通长的纵筋和均匀分布的横肋 以增加与混凝土的粘结 钢筋卷成直径1 7 2 0米的弹性盘条供应 开盘后即自行伸直 使用热处理钢筋时可根据要求长度切割 不能用电焊切割 也不能焊接 以免引起强度降低或脆断 4 热处理钢筋 69 热处理钢筋以较高的含硅量 si1 5 1 8 来提高抗应力腐蚀性能 但它仍与其他高强度钢材一样地具有较高的应力腐蚀敏感性 因此在运输 储存及使用过程中 应注意避免雨淋 氯化物或酸性介质侵蚀 防止刻痕 电打火 预应力孔道积水及灌浆不满等不利现象 以防止钢筋发生低应力脆断及滞后断裂 预应力混凝土用热处理钢筋的优点是 强度高 可代替高强钢丝使用 节约钢材 锚固性好 不易打滑 预应力值稳定 施工简便 开盘后钢筋自然伸直 不需调直及焊接 主要用于预应力钢筋混凝土枕轨 也用于预应力梁 板结构及吊车梁等 70 预应力混凝土用钢丝是用优质碳素结构钢制成 抗增强度高 分为消除应力光圆钢丝 s 消除应力刻痕钢丝 si 消除应力螺旋力钢丝 sh 和冷拉钢丝 rcd 四种 si和sh与混凝土的粘结力好 预应力混凝土用钢丝质量稳定 安全可靠 强度高 无接头 施工方便 主要用于大跨度的屋架 薄腹架 吊车梁或桥梁等大型预应力混凝土构件 还可用于轨枕 压力管道等预应力混凝土构件 6 预应力混凝土用钢丝和钢绞线 71 螺旋肋钢丝外形示意图 72 三面刻痕钢丝外形示意图 73 7 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 74 75 76 77 78 79 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 钢管 80 81 82 华北某厂需焊接一座露天需承受动荷载的钢支架 该厂已有三种碳素结构钢 厚度均为80mm q235抗拉强度已可满足设计要求 三种钢材的价格是 请选用 案例分析 材料的综合选用 q235a f q235a b q235c 83 分析 选 不当 q235a f为沸腾钢 其内部杂质和夹