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第七章建筑钢材 7 0概述 一 金属 重金属和轻金属 重金属的密度大于4 5g cm3 轻金属的密度小于4 5g cm3 冶金工业上还常常把金属分为黑色金属和有色金属 黑色金属有三种 铁 锰 铬 表面常有灰黑色的氧化物 有色金属 铁 锰 铬以外的金属 西欧 美国等 黑色金属是指铁和铁的合金 有色金属又称非铁金属 二 建筑钢材 包括各种型钢 钢板 钢筋 钢丝等 钢材 均匀致密 强度高 塑性韧性好 能经受冲击和振动荷载 加工性能优良 钢结构强度高 自重轻 适用于大跨度结构 多层及高层结构 受动力荷载的结构和重型工业厂房结构等 钢结构厂房施工速度快 钢结构厂房 北京2008年奥运会 鸟巢 工程 总用钢量11万吨 钢筋 武汉长江大桥 铁路钢轨 巴黎艾菲尔铁塔 7 1钢的冶炼与分类 钢的冶炼 钢的分类 一 钢的冶炼 生产 钢的生产分为两步 1 炼铁 2 炼钢 主要采用高炉炼铁 炼钢 包括平炉 基本淘汰 氧气转炉 主要方法 和电炉 浇注钢锭 钢液 钢水 经盛钢桶 钢包 注入铸模凝固 加工成型 包括热加工 热轧 与冷加工 冷拉 冷拔 冷轧 冷扭 刻痕 钢 含碳量为0 06 2 0 生铁 含碳量 2 2 11 6 67 铸铁 含碳量为2 4 工业纯铁 含碳量小于0 04 二 钢的分类 1 按化学成分分类 3 按用途分类 结构钢 工具钢 特殊性能钢 如不锈钢 耐热钢 专用钢 如桥梁专用钢 钢轨专用钢 2 按冶炼时脱氧程度分类 镇静钢 Z 脱氧完全 冷却时基本无气泡 沸腾钢 F 脱氧很不完全 冷却时有大量气体 半镇静钢 b 脱氧不完全 特殊镇静钢 TZ 7 2建筑钢材的主要技术性能 力学性能 工艺性能 一 力学性能 1 强度 低碳钢单轴拉伸应力 应变示意图 比例弹性阶段 O p 非比例弹性阶段 p e 弹塑性阶段 e s 塑性阶段或屈服阶段 s s 应力强化阶段 s b 颈缩破坏阶段 b f 比例极限 p 弹性极限 e 屈服强度 s 极限强度 b 屈服强度 s 是确定容许应力的主要依据 硬钢的屈服点 无穷次 200万次 交变荷载作用下不至断裂的最大循环应力 屈强比 s b 愈小 结构愈安全 过小则造成浪费 一般碳素钢为0 58 0 63 合金钢为0 65 0 75 中碳钢和高碳钢没有明显的屈服现象 规范以0 2 残余变形所对应的应力值作为名义屈服强度 用 p0 2表示 钢材的疲劳强度 1 伸长率 n L1 拉断后标距部分长度mm L0 原标距长度mm n 长试件n 10 短试件n 5 通常取L0 5d 或L0 10d 伸长率分别为 5和 10 相同钢材 5 10 2 塑性 2 断面收缩率 A0 试件的原截面面积 mm2 A1 试件断裂后颈缩处的横截面积 mm2 3 韧性 钢材抵抗冲击荷载的能力 用冲击韧性 k表示 k 冲击韧性 J cm2 Ak 试件冲断时吸收的冲击能 J F 试件槽口处最小横截面积 cm2 温度对钢材冲击韧性影响很大 钢的脆性转变温度 冲击韧性骤然下降而成脆性 冷脆性 负温条件下使用的结构 设计时必须考虑钢材的低温冲击韧性 4 硬度 钢材抵抗硬物压入表面的能力 常用的硬度指标为布氏硬度 HB 和洛氏硬度 HR 1 冷弯性能 在更苛刻的条件下检验钢材的塑性 以试验时的弯曲角度和弯心直径作为指标来表示 弯曲角度愈大 弯心直径愈小 表示对冷弯性能要求愈高 冷弯性能合格 弯曲处无裂纹 断裂及起层等现象 二 工艺性能 2 焊接性 获得良好得焊接接头 不易形成裂纹 气孔 夹渣 7 3钢的组织与化学成分对钢性能的影响 一 钢的组织及其对钢性能的影响 钢的基本晶体组织 二 钢的化学成分对钢性能的影响 1 碳 决定钢材性能的最重要元素 b 抗拉强度 k 冲击韧性 伸长率 断面收缩率HB 硬度 有益元素 硅 锰 钛 钒 有害元素 硫 磷 氮 氢 氧 7 4钢材的冷加工与热处理 钢材的冷加工 钢材的热处理 一 钢材的冷加工 再结晶温度以下的机械加工 如冷拉 冷拔 冷轧 冷扭 刻痕等 强度和硬度明显提高 塑性和韧性有所降低 钢筋的冷拉与时效处理 自然时效 常温下存放15 20天 人工时效 加热至100 200 并保持2h左右 时效敏感性 冲击韧性降低 工程中往往是冷加工和时效处理同时采用 时效处理后 强度 硬度再提高 塑性 韧性再降低 二 钢材的热处理 加热 保温 退火 退火 降低硬度 提高塑性 消除组织缺陷和内应力 正火 与退火相比 钢的硬度 强度较高 而塑性减小 淬火 获得高强度 高硬度的组织 但塑性和韧性显著降低 回火 消除淬火产生很大的内应力 减低脆性 正火 淬火 回火 7 5建筑 钢结构 用钢 一 碳素结构钢 碳素结构钢 GB700 88 1 牌号 Q235 A F Q215 B的含义 2 技术要求 化学成分 机械性能 s b 5 冲击功 冷弯试验 弯曲角度180o 弯心直径有所不同 二 优质碳素结构钢 优质碳素结构钢 GB T699 1999 08F 10F 15F 08 10 15 80 85 15Mn 70Mn F 沸腾钢 15 平均含碳量0 15 Mn 较高含锰量 1 牌号 共31个牌号 2 技术要求 化学成分 机械性能 s b 5 AKU2 HB 推荐热处理及温度 三 低合金高强度结构钢 低合金高强度结构钢 GB T1591 94 牌号的含义同碳素结构钢 1 牌号 Q345 A的含义 2 技术要求 化学成分 机械性能 s b 5 AkV 冷弯试验 弯曲角度180o 弯心直径有所不同 四 合金结构钢 合金结构钢 GB T3077 1999 如 30CrMnSiA 20SiMn2MoV 30 含碳量0 30 Si 含硅量 1 50Mn2 含锰量1 50 2 49 1 牌号 3 含量2 50 3 49 4 含量3 50 4 49 2 技术要求 化学成分 机械性能 s b 5 Aku2 HB 热处理及温度 五 桥梁结构用钢 桥梁用结构钢 GB T7144 2000 1 牌号 如 Q345qC 2 技术要求 化学成分 机械性能 s b 5 冲击功 冷弯试验 弯曲角度180o 弯心直径有所不同 六 钢的选用 结构重要性 荷载性质 连接方式 使用温度 7 6钢结构用钢材 工字钢 热轧工字钢尺寸 外形 重量及允许偏差 GB706 88 H型钢和T型钢 热轧H型钢和剖分T型钢 GBT11263 2005 槽钢 热轧槽钢尺寸 外形 重量及允许偏差 GB707 88 L型钢 热轧L型钢尺寸 外形 重量及允许偏差 GB9946 88 角钢 热轧等边角钢尺寸 外形 重量及允许偏差 GB9787 88 热轧不等边角钢尺寸 外形 重量及允许偏差 GB9788 88 一 热轧型钢 主要采用碳素结构钢 如Q235 和低合金高强度结构钢 如Q345 翼缘宽 侧向刚度大 抗弯能力强 在承受相同截面负荷条件下 可使钢结构重量减轻15 30 翼缘宽且两表面互相平行 便于机械加工和安装 使钢结构的连接简单易行 H型钢 工字钢 H钢的特点 槽钢 角钢 二 冷弯薄壁型钢 采用2 6mm薄钢板冷弯或模压而成 空心型钢 方形 矩形 开口薄壁型钢 角钢 槽钢 Z型钢等 矩形管 方形管 Z型钢 三 棒材 六角钢 八角钢 扁钢 圆钢 方钢 圆钢 四 钢管 无缝钢管 焊缝钢管 钢管 五 板材 钢板 一般采用碳素结构钢 重型结构和大跨度结构也有采用低合金高强度结构钢 冷轧或热轧而成 花纹钢板 压型钢板 经辊压或冷弯制成截面呈V型 U型 梯形或类似形状波纹的钢板 彩色涂层钢板 压型钢板 花纹钢板 7 7钢筋混凝土用钢材 一 热轧钢筋 包括Q215和Q235两种牌号 产品标准 低碳钢热轧圆盘条 GB13013 91 低碳钢热轧圆盘条 光圆钢筋 带肋钢筋 二 冷轧带肋钢筋 热轧圆盘条经冷轧或冷拔减径后 在其表面冷轧成二面或三面有横肋的钢筋 牌号 CRB550 CRB650 CRB800 CRB970 CRB1170 力学性能指标 b 5或 10 弯曲试验或反复弯曲试验次数 松弛率 应用 CRB550为普通混凝土用钢筋 其它牌号为预应力混凝土用钢筋 冷轧带肋钢筋 GB T13788 2000 三 预应力混凝土用热处理钢筋 由热轧螺纹钢筋经淬火和回火等调质处理制成 以盘条供应 开盘后自然伸直 规格 6mm 8 2mm 10mm 牌号 40Si2Mn 48Si2Mn 45Si2Cr 代号 RB150 力学性能指标 p0 2 b 10 松弛率 应用 预应力混凝土梁板和轨枕 不能焊接与点焊 预应力混凝土用热处理钢筋 GB4463 84 四 预应力混凝土用钢丝和钢绞线 优质碳素结构钢盘条 经酸洗 拔丝模或轧辊冷加工或经消除应力等工艺制成的高强度钢丝 按加工状态分类 冷拉钢丝 WCD 低松弛钢丝 WLR 和普通松弛钢丝 WNR 按外形分类 光圆钢丝 P 螺旋肋钢丝 H 和刻痕钢丝 I 冷拉钢丝的力学性能指标 p0 2 b gt 弯曲次数 扭转次数 松弛率 低松弛钢丝 WLR 和普通松弛钢丝 WNR 的力学性能指标 p0 2 b gt 弯曲次数 松弛性能 1 预应力混凝土用钢丝 预应力混凝土用钢丝 GB T7144 2000 2 预应力混凝土用钢绞线 一般由2根 3根或7根直径为2 5mm 6 0mm的高强度钢丝经绞埝和消除内应力的热处理而制成 产品性能指标 抗拉强度Rm 最大力Fm Fp0 2 gt 松弛性能 应用 强度高 塑性好 易于锚固 多用于大跨度 重荷载的预应力混凝土结构 预应力混凝土用钢绞线 GB T5224 2003 7 8钢材的防护 钢材的防腐 钢材的防火 一 钢材的防腐 化学锈蚀 与周围介质发生直接化学反应 电化学锈蚀 与电解质溶液接触 形成微电池 1 钢材的腐蚀 电化学锈蚀是钢材锈蚀的最主要形式 阳极区 铁溶解 即铁被腐蚀 并放出电子 阴极区 消耗电子 氧被还原 溶液区 生成铁锈 体积膨胀 进一步氧化 体积再膨胀 截面积减小 性能降低 甚至报废 产生锈坑 造成应力集中 产生锈蚀疲劳 体积增大 最大可达6倍 使混凝土胀裂 2 腐蚀的危害 环境中的湿度 氧 介质中的酸 碱 盐 钢材的化学成分及表面状况 卤素离子 特别是氯离子使锈蚀迅速发展 3 钢材锈蚀的影响因素 4 防止钢材锈蚀的措施 采用耐候钢 不锈钢 金属覆盖 分阳极覆盖 镀锌 镀铬 和阴极覆盖 镀锡 镀铜 外加电流保护法 负极接钢结构 正极接难熔金属 非金属覆盖 混凝土用钢筋的防锈 混凝土密实 保护层 限制含氯盐外加剂掺量 钢筋防锈剂 钢筋涂覆环氧树脂或镀锌 无保护层时钢柱和钢屋架的耐火极限只有0 25h 裸露钢梁耐火极限仅为0 15h 温度在200 以内 可以认为钢材的性能基本不变 超过300 以后 弹性模量 屈服点和极限强度均开始显著下降 应变急剧增大 到达600 时已失去承载能力 二 钢材的防火 1 钢是不燃性材料 但不能够抵抗火灾 耐火试验与火灾案例调查表明 1973年5月5日 天津市人民体育馆发生火灾 该馆是大跨度的钢屋架结构 着火不到一个小时 就整体坍塌了 1998年5月5日北京玉泉营环岛