实验手册_建筑钢材.doc

第2章 建筑钢材学习指导本章着重阐述公路工程常用建筑钢材的技术标准和性质。通过本章的学习要求学生掌握钢材的技术性质和技术标准，并能按设计要求选用相应规格的钢材。金属材料包括黑色金属和有色金属两大类，黑色金属是指以铁元素为主要成分的金属及其合金，常用的黑色金属材料有钢和生铁。有色金属是指黑色金属以外的金属，如铝、铜、铅、锌等金属及其合金。建筑钢材是指用于钢结构的各种型材（如圆钢、角钢、工字钢、管钢等）、钢板和用于钢筋混凝土中的各种钢筋、钢丝、钢绞线等。钢材具有良好的技术性质：材质均匀，性能可靠，强度高，能承受较大的弹塑性变形，加工性能好，因此，在土木工程中被广泛应用。2.1 钢材的分类与结构2.1.1 钢按化学成分分类钢材以铁为主要原素，含碳量为0.22.06，并含有其他的元素的合金材料。钢按化学成分分类可分为碳素钢和合金钢两大类。1.碳素钢碳素钢根据含碳量可分为：低碳钢（含碳小于0.25%）、中碳钢（含碳0.25%0.6%）、高碳钢（含碳大于0.6%）。2.合金钢合金钢中含有一种或多种特意加人或超过碳素钢限量的合金元素（如锰、硅、矾、钛等）。这些合金元素用于改善钢的性能，或者使其获得某些特殊性能。低合金钢（合金元素总含量小于5%）；中合金钢（合金元素总含量为5%10%）；高合金钢（合金元素总含量大于10%）。2.1.2 按钢在熔炼过程中脱氧程度不同分类按钢在熔炼过程中脱氧程度不同分类,可分为：沸腾钢、镇静钢、半镇静钢、和特殊镇静钢四类。1.沸腾钢如果炼钢时脱氧不充分,钢液终还有较多的金属氧化物，浇铸钢锭后钢液冷却到一定温度，其中的碳会与金属氧化物发生反应，生成大量一氧化碳气体外逸，引起钢液激烈沸腾，因而这种钢材称为沸腾钢，其代号为“F”。沸腾钢中碳和有害杂质在钢中分布不均匀，富集于某些区间的现象特别严重，钢的致密程度差。故沸腾钢的冲击韧性和可焊接性较差，特别是低温冲级韧性的降低更显著。但从经济上比较，沸腾钢只消耗少量的脱氧剂，钢锭的搜索孔减少，成品效率高，故成本较低。2.镇静钢如果炼钢时脱氧充分，钢液中金属氧化物很少或没有,在浇铸钢锭时钢液会平静的冷却凝固，这种钢称为镇静钢，其代号为“Z”。镇静钢组织致密，气泡少，偏析程度小，各种力学性能比沸腾钢优越。可用于受冲击荷载的结构和其他重要结构。3.半镇静钢。半镇静钢是指脱氧程度和性能都介于沸腾钢和镇静钢之间的钢材，其代号为“b”。4.特殊镇静钢比镇静钢脱氧程度更充分彻底的钢，称为特殊镇静钢，代号为“TZ”。特殊镇静钢的质量最好，适用于特别重要的结构工程。钢按压力加工方式分类，可分为热加工钢材和冷加工钢材。钢按用途分类，可分为钢结构用钢和混凝土结构用钢两种。2.1.3 钢按主要质量等级（钢中有害杂质的多少）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，高级优质钢的钢号后面加“高”字或“A”；特级优质钢：含硫量0.015，含磷量0.025，特级优质钢后加“E”。2.2 建筑钢材的技术性质2.2.1 建筑钢材的物理力学性质1.抗拉性能抗拉性能是表示钢材性能的重要指标。由于拉伸是建筑钢材的主要受力形式，因此抗拉性能采用拉伸试验测定，以屈服点、抗拉强度和伸长率等指标表征。以低碳钢（软钢）受拉的应力-应变图2.1为例，可以较好地阐述这些重要的技术指标。 图2.1 低碳钢受拉应力-应变图从图中可以看出，低碳钢受拉经历了四个阶段：弹性阶段（OA）、屈服阶段（AB）、强化阶段（BC）、颈缩阶段CD）。（1）屈服强度 当试件拉力在OA范围内时，如卸去拉力，试件能恢复原状，应力与应变的比值为常数，即弹性模量（E），E=/。该阶段被称为弹性阶段。弹性模量反映钢材抵抗变形的能力，是计算结构受力变形的重要指标。当对试件的拉伸进入塑性变形的屈服阶段AB时，称屈服下限B下所对应的应力为屈服强度或屈服点，记做S。设计时一般以S作为强度取值的依据。对屈服现象不明显的钢，规定以0.2%残余变形时的应力0.2作为屈服强度。屈服强度可按式（2.1）计算。图2.2 钢材颈缩现象示意图 （2.1）式中：屈服点，MPa；屈服点荷载，N；试件的公称横截面积，mm2。（2）抗拉强度从图2.1中BC曲线逐步上升可以看出：试件在屈服阶段以后，其抵抗塑性变形的能力又重新提高，称为强化阶段。对应于最高点C的应力称为抗拉强度，用b表示。抗拉强度按式（2.2）计算。 （2.2）式中：屈服点，MPa；屈服点荷载，N；试件的公称横截面积，mm2。设计中抗拉强度不能利用，但屈强比s/b，却能反映钢材的利用率和结构安全可靠性。屈强比愈小，反映钢材受力超过屈服点工作时的可靠性愈大，因而结构的安全性愈高。但屈服比太小，则反映钢材不能有效地被利用，造成钢材浪费。建筑结构钢合理的屈强比一般为0.600.75。（3）伸长率图2.1中当曲线到达C点后，试件薄弱处急剧缩小，塑性变形迅速增加，产生“颈缩现象”而断裂（如图2.2所示）。试件拉断后测定出拉断后标距部分的长度L1（mm），L1与试件原标距L0（mm）比较，按式（2.3）可以计算出伸长率（）。 （2.3）式中：伸长率，%；试件原标距，mm； 试件拉断后测定出拉断后标距部分的长度，mm。伸长率表征钢材的塑性变形能力。由于在塑性变形时颈缩处的变形最大，故若原标距与试件的直径之比愈大，则颈缩处伸长值在整个伸长值中的比重愈小，因而计算的伸长率会小些。通常以5和10分别表示L0=5d0和L0=10d0时的伸长率，d0为试件直径。对同一种钢材,5应大于10。2.冲击韧性冲击韧性是指钢材抵抗冲击荷载的能力。冲击韧性指标是通过标准试件的弯曲冲击韧性试验确定的，见图2.3。图2.3 冲击韧性试验原理图以摆锤冲击试件，以试件冲断时缺口处，单位截面积上所消耗的功，即为钢材的冲击韧性指标。用ak（Jcm-2）表示。ak值愈大，钢材的冲击韧性愈好。钢材的化学成分、内在缺陷、加工工艺及环境温度都会影响钢材的冲击韧性。试验表明，冲击韧性随温度的降低而下降，其规律是开始下降缓和，当达到一定温度范围时，突然下降很多而呈脆性，这种脆性称为钢材的冷脆性。此时的温度称为临界温度。其数值愈低，说明钢材的低温冲击性能愈好。所以在负温下使用的结构，应当选用脆性临界温度较工作温度低的钢材。由于时效作用，钢材随时间的延长，其塑性和冲击韧性下降。完成时效变化的过程可过数十年，但是钢材如经受冷加工变形，或使用中经受震动和反复荷载的影响，时效可迅速发展。因时效而导致性能改变的程度称为时效敏感性。对于承受动荷载的结构应该选用时效敏感性小的钢材。因此，对于直接承受动荷载而且可能在负温下工作的重要结构，必须进行钢材的冲击韧性检验。3.冷弯性能冷弯性能是指钢材在常温下承受弯曲变形的能力，是钢材的重要工艺性能。冷弯性能指标是通过试件被弯曲的角度（90、180）及弯心直径d对试件厚度（或直径）a的比值表示，如图2.4所示。图2.4 钢材冷弯试验钢材试件按规定的弯曲角和弯心直径进行试验，若试件弯曲处的外表面无裂断、裂缝或起层，即认为冷弯性能合格。冷弯试验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、内应力和夹杂物杂等缺陷。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。4.硬度钢材的硬度是指其表面抵抗外物压入产生塑性变形的能力，测定硬度的方法有布氏法和洛氏法。较常用的方法是布氏法，其硬度指标为布氏硬度值。图2.5 布氏硬度试验示意图布氏法是利用直径为D（mm）的淬火钢球，以一定的荷载P（N）将其压人试件表面，得到直径为d（mm）的压痕，如图2.5所示。以压痕表面积F（mm2）除荷载P，所得的应力值即为试件的布氏硬度值（HB），（不带单位）。布氏法比较准确，但压痕较大，不适宜成品检验。洛氏法测定的原理与布氏法相似，但以压头压入试件的深度来表示洛氏硬度值（HR）。洛氏法压痕很小，常用于判定工件的热处理效果。5.焊接性能钢材主要以焊接的形式应用于工程结构中。焊接的质量取决于钢材与焊接材料的可焊性及其焊接工艺。钢材的可焊性是指焊接后在焊缝处的性质与母材性质的一致程度。影响钢材可焊性的主要因素是化学成分及含量。一般，焊接结构用钢应注意选用含碳量较低的氧气转炉或平炉镇静钢。对于高碳钢及合金钢，为了改善焊接性能，焊接时一般要采用焊前预热及焊后热处理等措施。2.2.2 化学成分对钢材性质的影响以生铁冶炼钢材，经过一定的工艺处理后，钢材中除主要含有铁和碳外，还有少量硅、锰、磷、硫、氧、氮等难以除净的化学元素。另外，在生产合金钢的工艺中，为了改善钢材的性能，还特意加入一些化学元素，如锰、硅、矾、钛等。这些化学元素对钢材的性能产生一定的影响。1.碳 碳是决定钢材性质的主要元素。钢材随含碳量的增加，强度和硬度相应提高，而塑性和韧性相应降低。当含碳量超过1%时，钢材的极限强度开始下降。土木工程中用钢材含碳量不大于0.8%。此外，含碳量过高还会增加钢的冷脆性和时效敏感性，降低抗大气腐蚀性和可焊性。2.硅 硅也是作为脱氧剂而存在于钢中的。硅的脱氧能力比锰还强。当硅的含量很低时，能显著地提高钢材的强度，但不明显的降低塑性和韧性。3.锰 锰是我国低合金钢的主加合金元素，锰含量一般在1%2%范围内，它的作用主要是使强度提高，锰还能消减硫和氧引起的热脆性，使钢材的热加工性质改善。4.硫 硫是很有害元素。呈非金属硫化物夹杂物存在于钢中，具有强烈的偏析作用，降低各种机械性能。硫化物造成的低熔点使钢在焊接时易于产生热裂纹，显著降低可焊性。5.磷 磷为有害元素。含量提高，钢材的强度提高，塑性和韧性显著下降，特别是温度愈低，对韧性和塑性的影响愈大。磷的偏析较严重，使钢材冷脆性增大，可焊性降低。但磷可以提高钢的耐磨性和耐腐蚀性，在低合金钢中可配合其他元素作为合金元素使用。6.氧 氧为有害元素。主要存在于非金属夹杂物内，可降低钢的机械性能，特别是韧性。氧有促进时效倾向的作用，氧化物造成的低熔点亦使钢的可焊形变差。7.氮 氮对钢材性质的影响与碳、磷相似，使钢材的强度提高，塑性、韧性显著下降。氮可加剧钢材的时效敏感性和冷脆性，降低可焊性。在有铝、铌、钒等的配合下，氮可作为低合金钢的合金元素使用。8.铝、钛、钒、铌 均为炼钢时的强脱氧剂，能提高钢材强度，改善韧性和可焊性，是常用的合金元素。2.3 建筑钢材的冷加工与热处理2.3.1 冷加工冷加工是指钢材在常温下进行的加工，常见的冷加工方式有：冷拉、冷拔、冷轧、冷扭、刻痕等。钢材经冷加工产生塑性变形，从而提高其屈服强度，这一过程称为冷加工强化处理。冷加工强化的机理描述如下：金属的塑性变形是通过位错运动来实现的，位错是指源自 行列间相互滑移形成的线状缺陷。如果位错运动受阻，则塑性变形困难，即变形抗力增大，因而强度提高。在塑性变形过程中，位错运动的阻力主要来自位错本身。因为随着塑性变形的进行，位错在晶体运动时可以通过各种机制发生增值，使位错密度不断增加，位错之间的距离越来越小并发生交叉，使位错运动的阻力增大，导致塑性变形抗力提高。另一方面，由于变形抗力的提高，位错运动阻力的增大，位错更容易在晶体中发生塞积，反过来使位错的密度加速增长。这相当于汽车通过一个十分拥挤，又没有指挥的十字路口。由于相互争强汽车新近十分困难。所以在冷加工时，依靠塑性变形时位错密度提高和变形抗力增大这两方面的相互促进，很快导致金属强度和硬度的提高，但也会导致其塑性降低。图2.6 钢材冷拉时效后应力-应变图冷加工强化过程如图2.6所示。钢材的应力-应变曲线为OBCD，若钢材被拉伸至超过屈服强度的任意一点K时，放松拉力，则钢材将恢复至O点。如此时立即再拉伸，其应力应变曲线将为OK1C1D1，新的屈服点K1比原屈服点B提高，但伸长率降低。在一定范围内，冷加工变形程度越大，屈服强度提高越多，塑性和韧性降低得越多。 建筑工程中大量使用的钢筋采用冷加工强化具有明显的经济效益。经过冷加工的钢材，可适当减小钢筋混凝土结构设计截面或减少混凝土中配筋的数量，从而达到节约钢材的目的。钢筋冷拉还有利于简化施工工序。冷拉盘条钢筋可省去开盘和调直工序；冷拉直条钢筋可与矫直、除锈等工序一并完成。但冷拔钢丝的屈强较大，相应的安全储备较小。2.3.2 时效将经过冷拉的钢筋于常温下存放1520d，或加热到100200并保持一段时间，这个过程称为时效处理。前者称为自然时效，后者称为人工时效。钢筋冷拉以后再经过时效处理，其屈服点进一步提高，塑性继续有所降低。由于时效过程中应力的消减，故弹性模量可基本恢复。如图2.6所示，经冷加工和时效后，其应力-应变曲线为OK1 C1 D1，此时屈服强度K1 和抗拉强度C1 均较时效前有所提高。一般强度较低的钢材采用自然时效，而强度较高的钢材则采用人工时效。因时效而导致钢材性能改变的程度称为时效敏感性。时效敏感性大的钢材，经时效后，其韧性、塑性改变较大。因此，对重要性结构应选用时效敏感性小的钢材。2.3.3 热处理热处理是将钢材按一定规则加热、保温和冷却，以获得需要性能的一种工艺过程。热处理的方法有：1.退火 将钢材加热至基本组织改变温度以下（低温退火）或以上（完全退火），适当保温后缓慢冷却，以消除内应力，减少缺陷及晶格畸变，使钢的塑性和韧性得到改善。2.正火 将钢件加热至基本组织改变温度以上，然后在空气中冷却，使晶格细化，钢的强度提高而塑性有所降低。3.淬火 将钢材加热至基本组织改变温度以上，保温使基本组织转变为奥氏体，然后投到水或矿物油中急冷，使晶粒细化，碳的固容量增加，强度和硬度加强，塑性和韧性明显下降。4.回火 将比较硬脆、存在内应力的钢，加热至基本组织改变温度以下（150650）保温后按一定制度冷却至室温的热处理方法称回火。回火后的钢材，内应力消除，硬度降低，塑性和韧性得到改善。公路工程建筑所用钢材一般只在生产厂进行热处理，并以热处理状态供应。在施工现场，有时需对焊接钢材进行热处理。2.4 钢材的锈蚀与防护2.4.1 钢材的锈蚀钢材表面与其存在环境接触，在一定条件下，可以相互作用使钢材表面产生腐蚀。钢材表面与其周围介质发生化学反应而遭到的破坏，称为钢材的锈蚀。根据钢材与周围介质的不同作用，可将其锈蚀分为下列两种。1.化学锈蚀化学锈蚀是指钢材直接与周围介质发生化学反应而产生的锈蚀，多数是由氧化作用在钢材表面形成疏松的氧化物。在干燥环境中反应缓慢，但在温度和湿度较高的环境条件下，锈蚀则发展迅速。2.电化学锈蚀钢材的表面锈蚀主要因电化学作用引起，由于钢材本身组成上的原因和杂质的存在，在表面介质的作用下，各成分电极电位的不同，形成微电池，铁元素失去了电子成为Fe2+离子进行介质溶液，与溶液中的OH-离子结合生成Fe（OH）2，使钢材遭到锈蚀。锈蚀的结果是在钢材表面形成疏松的氧化物，使钢结构断面减小，降低钢材的性能，因而承载力降低。2.4.2 钢材的防护1.钢材的防腐钢材的腐蚀既有内因（材质），也有外因（环境介质的作用），因此要防止或减少钢材的腐蚀可以从改变钢材本身的易腐蚀性，隔离环境中的侵蚀性介质或改变钢材表面的电化学过程三方面入手。（1）采用耐候钢耐候钢即耐大气腐蚀钢。它是在碳素钢和低合金钢中加入合金元素铬、镍、钛、铜，制成的。这种在钢大气作用下，能在表面形成一种致密的防腐保护层，起到耐腐蚀的作用同时保持钢材良好的焊接性能。耐候钢的轻度级别与碳素钢和低合金钢一致，技术指标也相近，但其耐腐蚀能力确高出数倍。（2）金属覆盖用耐腐蚀性好的金属，以电镀或喷镀的方法覆盖在钢材表面，提高钢材的耐腐蚀能力。常用的方法有：镀锌（如白铁皮）、镀锡（如马口铁），镀铜，镀铬等。（3）非金属覆盖在钢材表面用金属材料做为保护膜，与环境介质隔离，以避免或减缓腐蚀。如喷涂涂料、搪瓷和塑料等。涂料通常分为底漆、中间漆和面漆。底漆要求有比较好的附着力和防锈能力，中间漆为防锈漆，面漆要求有较好的牢度和耐候性以保护底漆不受损伤或风化。（4）混凝土用钢筋的防锈在正常的混凝土中pH值为12这时，在钢材表面形成碱性氧化膜，对钢筋起保护作用。若混凝土碳化后由于碱度降低会失去对钢筋的保护作用。此外，混凝土中氯离子达到一定浓度，也会严重破坏钢筋表面的钝化膜。为防止钢筋锈蚀，应保证混凝土的密实度以及钢筋外侧混凝土保护层的厚度，在二氧化碳浓度高的工业区采用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，限制含氯盐外加剂掺量并使用混凝土用钢筋防锈剂。预应力混凝土应禁止使用含氯盐的集料和外加剂。钢筋涂覆环氧树脂或镀锌也是一种有效的防锈措施。2.钢材的防火钢是不燃性材料，但这并不表明钢材能够抵抗火灾。耐火试验与火灾案例表明：以失去支持能力为标准，无保护层时钢柱和钢屋架的耐火极限只有0.25h，而裸露的钢梁的耐火极限0.15h。温度在200以内，可认为钢材的性能基本不变；超过300以后，弹性模量、屈服点和极限抗压强度均开始显著下降，应变急剧增大,达到600时已失去支撑能力。所以没有防火防护层的钢结构是不耐火的。钢结构防火保护的基本原理是采用绝热火吸热材料，阻隔火焰和热量，推迟钢结构的升温速率。防火方法以包覆法为主，即以防火涂料、不燃性板材或混凝土和砂浆将钢构件包裹起来。2.5 桥梁建筑用常用钢材2.5.1 桥梁建筑用钢的技术要求用于桥梁建筑的钢材，根据工程使用条件和特点，这类钢应该具有以下技术要求：1.良好的综合力学性能桥梁结构在使用中承受复杂的交通荷载，同时在无遮盖的条件下经受大气条件的严酷环境考验，必须具有良好的综合机械性能。除具有较高的屈服点和抗拉强度外，还应具有良好的塑性、冷弯、冲击韧性和抵抗振动应力的疲劳强度以及低温的冲击韧性。2.良好的焊接性由于近代焊接技术的发展，桥梁结构趋向于采用焊接结构代替铆接结构，以加快施工速度和节约钢材。桥梁在焊接后不易整体热处理，因此要求钢材具有较好的焊接性，亦即焊接部分应强而韧，其强度和韧性应不低于或略低于焊件本身，以防止产生硬化脆裂和内应力过大现象。3.良好的抗蚀性桥梁长期暴露与大气中，所以要求桥梁用钢具有良好的抵抗大气因素腐蚀的性能。2.5.2 钢结构用钢1.碳素结构钢碳素结构钢指一般结构钢和工程用热轧板、管、带、型、棒材等。现行国标GB700-88碳素结构钢规定了碳素钢的牌号表示方法、技术标准等。（1）碳素结构钢的牌号碳素结构钢的牌号由四部分表示，按顺序为：屈服点字母（Q）、屈服点数值（单位为MPa）、质量等级（有A、B、C、D四级，逐级提高）和脱氧方法符合（F为沸腾钢，b为半镇钢，Z为镇静钢，TZ为特殊镇钢。牌号表示时Z、TZ可省略）。例如：Q235AF：表示屈服点为235MPa，A级沸腾钢。Q235B：表示屈服点为235MPa，B级镇静钢。（2）技术要求现行国标（GB700-88）对碳素钢的化学成分、力学性质及工艺性质做出了具体的规定。其化学成分及含量应符合表2.1的要求。表2.1 碳素钢的化学成分牌号等级化学成分/%脱氧方法CMnSiSP不大于Q1950.060.120.250.500.300.0500.045F、b、ZQ215A0.090.150.050.550.300.0500.045F、b、ZB0.045Q235A0.140.220.300.650.300.0500.045F、b、ZB0.120.200.300.700.045C0.180.350.800.0400.040ZD0.170.0350.035TZQ255A0.180.280.400.700.300.0500.045F、b、ZB0.045Q2750.280.380.500.800.350.0500.045b、Z注：Q235A、B级沸腾钢锰含量上限为0.60%。碳素结构钢依据屈服点Q的数值大小划分为五个牌号。其力学性能要求列如表2.2，冷弯试验规定列如表2.3。表2.2 碳素结构钢的位伸与冲击试验拉伸试验冲击试验牌号等级屈服点s /MPa抗拉强度b/MPa伸长率5 /%温度/V型冲击功（纵向）/J钢材厚度（直径）/mm钢材厚材（直径）/mm161640406060100100150150161640406060100100150150不 小 于不 小 于不小于Q1951951853153903332Q215A215205195185175165335410313029282726B2027Q235C235225215205195185375460262524232221D2027A20B20Q255A255245235225215205410510242322212019B2027Q275275265255245235225490610201918171615表2.3 碳素结构钢的冷弯性能牌号试样方向冷弯试验B=2a 180钢材厚度（直径）/mm6060100100200弯心直径dQ195纵横00.5aQ215纵横0.5aa0.5a2a2a2.5aQ235纵横a1.5a2a2.5a2.2a3aQ255Q275-2a3a3a4a3.5a4.5a注：B为试样宽度，a为钢材厚度（直径）。（3）钢材选用碳素结构钢依牌号增大，含碳量增加，其强度增大，但塑性和韧性降低。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。Q235号钢具有较高的强度，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。Q225、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。表2.4 低合金高强度结构钢的化学成分牌号质量等级化学成分/%CMnSiPSVNbTiAlCrNiQ295AB0.160.160.081.500.081.500.550.550.0450.0400.0450.0400.020.150.020.150.0150.0600.0150.0600.020.200.020.20Q345ABCDE0.020.020.200.180.181.001.601.001.601.001.601.001.601.001.600.550.550.550.550.550.0450.0400.0350.0300.0250.0450.0400.0350.0300.0250.020.150.020.150.020.150.020.150.020.150.0150.0600.0150.0600.0150.0600.0150.0600.0150.0600.020.200.020.200.020.200.020.200.020.200.0150.0150.015Q390ABCDE0.200.200.200.200.201.001.601.001.601.001.601.001.601.001.600.550.550.550.550.550.0450.0400.0350.0300.0250.0450.0400.0350.0300.0250.020.200.020.200.020.200.020.200.020.200.0150.0600.0150.0600.0150.0600.0150.0600.0150.0600.020.200.020.200.020.200.020.200.020.200.0150.0150.0150.0300.0300.0300.0300.0300.700.700.700.700.70Q420ABCDE0.200.200.200.200.201.001.701.001.701.001.701.001.701.001.700.550.550.550.550.550.0450.0400.0350.0300.0250.0450.0400.0350.0300.0250.020.200.020.200.020.200.020.200.020.200.0150.0600.0150.0600.0150.0600.0150.0600.0150.0600.020.200.020.200.020.200.020.200.020.200.0150.0150.0150.0400.0400.0400.0400.0400.700.700.700.700.70Q460CDE0.200.200.201.001.701.001.701.001.700.550.550.550.0350.0300.0250.0350.0300.0250.020.200.020.200.020.200.0150.0600.0150.0600.0150.0600.020.200.020.200.020.200.0150.0150.0150.700.700.700.700.700.70注：表中的Al为全铝含量。如化验酸溶铝时，其含量不应小于0.010 %。2.低合金高强度结构钢低合金高强度钢是普通低合金结构钢的简称。一般是在普通碳素钢的基础上，添加少量的一种或几种合金元素而成。合金元素有硅、锰、钒、钛、铌、铬、镍及稀土元素。加入合金元素后，可使其强度、耐腐蚀性、耐磨性、低温冲击韧性等性能得到显著提高和改善。现行国家标准GB1591-94低合金高强度结构钢规定了低合金高强度钢的牌号与技术性质。（1）低合金高强度钢的牌号低合金高强度结构钢共有5个牌号。牌号由三部分表示：含碳量、合金元素的种类及含量。前两位数字表示平均含碳量的万分数；其后的元素符合表示按主次加入的合金元素；合金元素后面如未附数字，表示其平均含量在1.5%以下；如附有数字“2”，表示其平均含量在1.5%2.5%之间；最后如附有“b”，表示为半镇静钢，否则为镇静钢。例如：16Mn：表示平均含碳量为0.16%，平均含碳量低于1.5%的镇静钢。（2）技术要求按现行国标（GB1591-94）规定，低合金高强度结构钢的化学成分与力学性质如表2.4和表2.5。表2.5 低合金高强度结构钢的力学、工艺性质牌号质量等级屈服点s /MPa抗拉强度b/MPa伸长率5/%冲击功A（kV）（纵向）/J180弯曲试验d=弯心直径；a=试样厚度（直径）厚度（直径，边长）/mm+200-20-40151635355050100不 小 于钢材厚度（直径）/mm不 小 于1616100Q295AB295295275275255255235235390570390570232334d=2ad=2ad=3ad=3aQ345ABCDE345345345345345325325325325325295295295295295275275275275275470630470630470630470630470630212122222234343427d=2ad=2a d=2ad=2a d=2ad=3ad=3ad=3ad=3ad=3aQ390ABCDE390390390390390370370370370370350350350350350330330330330330490650490650490650490650490650191920202034343427d=2ad=2a d=2ad=2a d=2ad=3ad=3ad=3ad=3ad=3aQ420ABCDE420420420420420400400400400400380380380380380360360360360360520680520680520680520680520680181819191934343427d=2ad=2a d=2ad=2a d=2ad=3ad=3ad=3ad=3ad=3aQ460CDE460460460440440440420420420400400400550720550720550720171717343427d=2ad=2a d=2ad=3ad=3ad=3a（3）钢材选用低合金高强度结构钢具有轻质高强，耐蚀性、耐低温性好，抗冲击性强，使用寿命长等良好的综合性能；具有良好的可焊性及冷加工性，易于加工与施工，因此，低合金高强度结构钢可以用作高层及大跨度建筑（如大跨度桥梁、大型厅馆、电视塔等）的主体结构材料。与普通碳素钢相比可节约钢材，具有显著的经济效益。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.型钢、钢板、钢管碳素结构钢和低合金钢还可以加工成各种型钢、钢板、钢管等构件直接供工程选用，构件之间可采用铆接、螺栓联接、焊接等方式进行联接。（1）型钢型钢有热轧和冷轧两种成型方式。热轧型钢主要有角钢、工字钢、槽钢、T型钢、H型钢、Z型钢等。以碳素结构钢为原料热轧加工的型钢，可用于大跨度、承受动荷载的钢结构。冷轧型钢主要有角钢、槽钢等开口薄壁型钢及方形、矩形等空心薄壁型钢。主要用于轻型钢结构。（2）钢板钢板亦有热轧和冷轧两种型式。热轧钢板有厚板（厚度大于4mm）和薄板（厚度小于4mm）两种，冷轧钢板只有薄板（厚度为0.24mm）一种。一般厚板用于焊接结构；薄板可用作屋面及墙体围护结构等，亦可进一步加工成各种具有特殊用途的钢板使用。（3）钢管钢管分为无缝钢管与焊接钢管两大类。焊接钢管采用优质带材焊接面成，表面镀锌或不镀锌。按其焊缝形式分为直纹焊管和螺纹焊管。焊管成本低，易加工，但一般抗压性能较差。无缝钢管多采用热轧冷拔联合工艺生产，也可采用冷轧方式生产，但成本昂贵。热轧无缝钢管具有良好的力学性能与工艺性能。无缝钢管主要用于压力管道，在特定的钢结构中，往往也设计使用无缝钢管。2.5.3 混凝土结构用钢材1.热轧钢筋（1）牌号现行国标GB13013-91钢筋混凝土用热轧光圆钢筋和GB1499-98钢筋混凝土用热轧带肋钢筋规定，热轧钢筋分为R235、HRB335、HRB400、HRB500四个牌号。牌号中R代表热轧光圆钢筋、HRB代表热轧带肋钢筋，牌号中的数字表示热轧钢筋的屈服强度。其中热轧光圆钢筋由碳素结构钢轧制而成，表面光圆；热轧带肋钢筋由低合金钢轧制而成，外表带肋。按照现行国标（GB13013-91）和（GB1499-98）规定，对热轧光圆钢筋和热轧带肋钢筋的力学性能和工艺性能的要求如表2.6。表2.6 热轧钢筋的力学性能、工艺性能表面形状牌 号公称直径/mm屈服点s/MPa抗拉强度b/MPa伸长率5%冷 弯d弯芯直径a钢筋公称直径不 小 于光 圆R23582023537025180 d=a带 肋HRB335625285033549016 180 d=3a d=4aHRB400625285040057014 180 d=4a d=5aHRB500625285050063012 180 d=6a d=7a注： 按GB13013-91规定，热轧直条光圆钢筋级别为I级； 按GB1499-98规定，热轧带肋钢筋的屈服点一项，也可以用p0.2表示。（3）钢材选用光圆钢筋的强度较低，但塑性及焊接性好，便于冷加工，广泛用做普通钢筋混凝土；HRB325，HRB400带肋钢筋的强度较高，塑性及焊接性也较好，广泛用做大、中型钢筋混凝土结构的受力钢筋；HRB500带肋钢筋强度高，但塑性与焊接性较差，适宜作预应力钢筋。2.冷拉热轧钢筋为了提高强度以节约钢筋，工程中常按施工规程对热轧钢筋进行冷拉。冷拉后钢筋的力学性能应符合表2.7，GB50204-92冷拉热轧钢筋的规定。表2.7 冷拉热轧钢筋的性能钢筋级别直 径/mms /MPab /MPa/%冷 弯不 小 于弯曲角d弯芯直径a钢筋直径冷拉级61228037011180d=3a冷拉级8254505101090d=3a284043049010d=4a冷拉级840500570890d=5a冷拉级1028700835690d=5a注：钢筋直径25mm的冷拉、级钢筋，冷弯弯芯直径应增加1a。冷拉I级钢筋适用作非预应力受拉钢筋，冷拉、级钢筋强度较高，可用作预应力混凝土结构的预应力筋。由于冷拉钢筋的塑性、韧性较差，易发生脆断，因此，冷拉钢筋不宜用于负温度、受冲击或重复荷载作用的结构。3.冷轧带肋钢筋冷轧带肋钢筋是用低碳钢热轧圆盘条经冷轧或冷拔减径后，在其表面冷轧成三面有肋的钢筋。现行国标GB13788-2000冷轧带肋钢筋规定，冷轧带肋钢筋代号为CR，按抗拉强度分为三级：CRB550、CRB650、CRB800、CRB970、CRB1170，其中数值表示钢筋应达到的最小抗拉强度值。冷轧带肋钢筋的力学、工艺性质列如表2.8。表2.8 冷轧带肋钢筋的性质级别代号抗拉强度b/MPa不小于伸长率 /%不小于冷弯180D弯心直径d钢筋公称直径应力松驰Qcon=0.7b1000h不大于/%10h不大于/%10100CRB5505508.0D=3dCRB6506504.085CRB8008004.085CRB9709704.085CRB117011704.085冷轧带肋钢筋提高了钢筋的握裹力，可广泛用于中、小预应力混凝土结构构件和普通钢筋混凝土结构构件，也可用于焊接钢筋网。4.冷轧扭钢筋冷轧扭钢筋由低碳钢热轧圆盘条经专用钢筋冷轧扭机调直、冷轧并冷扭一次成型，具有规定截面形状和节距的连续螺旋状钢筋。按其截面形状不同分为I型（矩形截面）和型（菱形截面）两种类型。代号为LZN。冷轧扭钢筋可适用于钢筋混凝土构件，其力学和工艺性质应符合表2.9 JG3046-98冷轧扭钢筋的规定。表2.9 冷轧扭钢筋的性能抗拉强度b/MPa伸长率10/%冷弯180（弯心直径=3d）5804.5受弯曲部位表面不得产生裂纹注：d为冷轧扭钢筋标志直径；10以标距为10倍标志直径的试样拉断伸长率。冷轧扭钢筋与混凝土的握裹力与其螺距大小有直接关系。螺距越小，握裹力越大，但加工难度也越大，因此应选择适宜的螺距。冷轧扭钢筋在拉伸时无明显屈服台阶，为安全起见，其抗拉设计强度采用0.8b。5.热处理钢筋热处理钢筋是用热轧螺纹钢筋经淬火和回火的调质处理而成的。代号为RB150。按螺纹外形可分为有纵肋和无纵肋两种。根据GB4463-92预应力混凝土用热处理钢筋的规定，热处理钢筋有40SiMn、48Si2Mn和45Si2Cr等三个牌号，其性能要求列如表2.10。表2.10 预应力混凝土热处理钢筋的性能公称直径/mm牌 号屈服强度0.2/MPa抗拉强度b/MPa伸长率10/%不 小 于640Si2Mn1325(135)1470(150)68.248Si2Mn1045Si2Cr热处理钢筋目前主要用于预应力混凝土轨枕，用以代替高强度钢丝，配筋根数减少，制作方便，锚固性能好，建立预应力稳定。也用于预应力混凝土板、梁和吊车梁，使用效果良好。热处理钢筋系成盘供应（每盘长约20mm），开盘后能自然伸直，不需调直、焊接，故施工简单，并可节约钢材。6.预应力混凝土用钢丝和钢绞线预应力钢丝按交货状态分为冷拉钢丝及消除应力钢丝两种，按外形分为光面钢丝、