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土木工程用钢材第一部分土木工程钢材的基本知识第二部分钢筋第三部分钢筋焊接件第四部分钢筋机械连接,第一部分土木工程钢材的基本知识第一节概述第二节建筑钢材的主要技术性能第三节建筑钢材化学成分对其性能的影响第四节钢材的冷加工和时效强化第五节建筑钢材的技术标准与选用,第一节概述17世纪70年代人类开始大量应用生铁作建筑材料19世纪初开始用熟铁、软钢建造桥梁和房屋。1860年前后，发明了制钢的转炉与平炉，随后确立了钢材的热轧技术，1889年建造了法国的埃菲尔铁塔1850年法国人朗波制造了第一只钢筋混凝土小船，并获得钢筋混凝土专利1872年在纽约出现了第一所钢筋混凝土房屋，19世纪60年代在上海、汉阳等地相继建成炼铁厂20世纪30年代预应力混凝土诞生钢材及其与混凝土复合的钢筋混凝土和预应力混凝土，已成为现代建筑结构的主体材料。,土木工程钢材是指用于钢结构的各种型钢（角钢、槽钢、工字钢等）、钢板、钢管和用于钢筋混凝土中的各种钢筋、钢丝等（P57表A.2.1）。一、钢材的特点优点：1.质量均匀，性能可靠钢材是在严格的技术控制条件下生产的材料，与非金属材料（混凝土）相比，品质均匀稳定、性能可靠。,2、（比）强度、硬度高轻质高强（比强度50，C3012.5）适合于制作各种承载较大的构件和结构（高层、大跨），以及钢轨和机械加工用的切割工具。3、塑性、韧性好常温下能承受较大的塑性变形，便于冷拉、冷拔、冷轧等各种工冷加工；良好的韧性，使钢材可承受较大的冲击、振动荷载，适合于制作吊车梁、桥梁等承受动荷载的结构和构件（抗震性好）。,4、加工性好、施工效率高可浇铸成各种形状、也可冷、热加工（可冷拉、冷拔、冷轧、铸造、锻造、切割、压力加工、热处理）；也可用铆接、焊接、机械连接等连接方式进行装配式施工，便于预制和装配。缺点：易锈蚀（10t钢材1t铁锈3t设备报废）、维护费用大、耐火性差、生产能耗大（300GJ/m3贵砼3.4,抽筋师、地条钢）.,二、钢材的分类金属：黑色金属+有色金属（钢、铁、铁合金）（铅、铝、铜等）按比重分轻金属（d5）（铝、镁等）（铁、铜、锌）钢与生铁的区分在于含碳量的大小。含碳量小于2.06的铁碳合金称为钢。含碳量大于2.06的铁碳合金称为生铁炼钢将生铁在炼钢炉中冶炼，使碳的含量降低到预定的范围，硫、磷等其他杂质含量降低到允许的范围，经烧铸即得到钢锭，再经过加工工艺处理后、得到钢材。,三、土木工程用钢结构钢中的普通低碳钢、普通低合金钢为土建工程中常用钢种（1）沸腾钢（F）：气泡多，品质差，适用一般建筑结构，而不能承受动荷载。（2）镇静钢（Z）：脱氧完全，质量好，用于预应力混凝土，承受动荷载、冲击结构荷载结构。（3）半镇静钢（b）：（4）特殊镇静钢（TZ）：用于特别重要的工程。,第二节建筑钢材的主要技术性能,包括力学性能（抗拉、韧性等）和工艺性能（冷弯、焊接、机械连接）一、力学性能建筑钢材承受静荷载时，强度要足够，且要求产生的变形不影响结构的正常工作和安全使用。承受动荷载时，要求较高的韧性而不发生断裂。,由低碳钢在拉伸过程中形成的应力()-应变()关系图可知，低碳钢受拉过程可划分为以下4个阶段。(1)弹性阶段(OA)(2)屈服阶段(AB)(3)强化阶段(BC)(4)颈缩阶段(CD)主要测试指标：屈服强度、抗拉强度、伸长率（断面收缩率）等,（一）、抗拉性能,低碳钢受拉的应力-应变图（试验演示）,(1)弹性阶段(OA)在OA范围内应力与应变成正比例关系，如果卸去外力，试件则恢复原来的形状，这个阶段称为弹性阶段。弹性阶段的最高点A所对应的应力值称为弹性极限p。当应力稍低于A点时，应力与应变呈线性正比例关系，其斜率称为弹性模量，用E表示，E=/=tan。它是钢材在受力条件下计算结构变形的重要指标。,(2)屈服阶段(AB)当应力超过弹性极限p后，应力和应变不再成正比关系，应力在B上至B下小范围内波动，而应变迅速增长。在-关系图上出现了一个接近水平的线段。如果卸去外力已出现塑性变形，AB称为屈服阶段。B下所对应的应力值称为屈服极限s。钢材受力达屈服点后，变形即迅速发展，尽管尚未破坏但已不能满足使用要求。故设计中一般以屈服点作为强度取值依据保证结构在弹性范围内工作。,(3)强化阶段(BC)当应力超过屈服强度后，由于钢材内部组织产生晶格扭曲、晶粒破碎等原因，阻止了塑性变形的进一步发展，钢材抵抗外力的能力重新提高。在-关系图上形成BC段的上升曲线，这一过程称为强化阶段。对应于最高点C的应力称为抗拉强度，用b表示，它是钢材所能承受的最大应力。,抗拉强度设计时不能利用。强屈比=抗拉强度/屈服强度具有实际意义。强屈比越大，钢材在受力超过屈服点工作时的可靠性越大，结构愈安全。但如果强屈比过大，则钢材有效利用率太低，造成浪费。常用碳素钢的强屈比为1.591.72，合金钢为1.331.54。用于抗震结构的普通钢筋实测的强屈比要求1.25。,5.2.2对有抗震设防要求的结构，其纵向受力钢筋的性能应满足设计要求；当设计无具体要求时，对按一、二、三级抗震等级设计的框架和斜撑构件（含梯段）中的纵向受力钢筋应采用HRB335E、HRB400E、HRB500E、HRBF335E、HRBF400E或HRBF500E钢筋，其强度和最大力下总伸长率的实测值应符合下列规定：,新增5.2.2（强条）,牌号带“E”的钢筋也就是常说的抗震钢，其表面轧有专用标志。,混凝土结构工程施工质量验收规范GB50204-2002（2011年版）局部修订,1钢筋的抗拉强度实测值与屈服强度实测值的比值不应小于1.25；2钢筋的屈服强度实测值与屈服强度标准值的比值不应大于1.30；3钢筋的最大力下总伸长率不应小于9%。检查数量：按进场的批次和产品的抽样检验方案确定。检查方法：检查进场复验报告。,(4)颈缩阶段(CD)当应力达到抗拉强度b后，在试件薄弱处的断面将显著缩小，塑性变形急剧增加，产生“颈缩”现象并很快断裂。,伸长率是衡量钢材塑性的指标，它的数值越大，表示钢材塑性越好。塑性小，材质硬脆，超载易脆断；良好的塑性，可将结构上的应力(超过屈服点的应力)重分布，从而避免结构过早破坏。,有些钢材(如中、高碳钢)无明显的屈服现象，规定：产生残余变形为原始标距的0.2%(0.2L0)时所对应的应力值，作为硬钢的屈服强度，称为条件屈服强度，用0.2表示。,冲击韧性指钢材抵抗冲击荷载的能力。它是用试验机摆锤冲击带有V形缺口的标准试件的背面，将其折断后试件单位截面积上所消耗的功，作为钢材的冲击韧性指标，以k表示(J/cm2)。k值越大，表明钢材的冲击韧性愈好(如图)。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、温度和时效都会影响冲击韧性。,（二）、冲击韧性,图8.2冲击韧性试验图（实验演示）,(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,1、钢中碳、磷、硫含量较高，存在偏析、非金属夹杂物、气孔和焊接中形成的微裂纹等，都会使冲击韧性显著降低。2、钢的冲击韧性随温度的下降而减小，当降到一定温度范围时。k值急剧下降，从而可使钢材出现脆性断裂这种性质称为钢的低温冷脆性。发生冷脆性的温度，称为脆性临界温度。脆性临界温度越低，则低温冲击韧性越好。,在低温严寒地区选用钢材，特别是承受动荷载的重要结构，必须要检验其低温下的冲击韧性。选用钢的脆性临界温度必须低于环境最低温度。（通常根据使用环境温度规定-20或-40的k，所用钢材应满足标准要求）,3、时效及时效敏感性随着时间的进展，钢材机械强度提高，而塑性和韧性降低的现象称为时效。因时效而导致性能改变的程度称为时效敏感性。其大小可用时效前后冲击韧性值下降的程度来衡量，时效敏感性大，冲击韧性值下降显著。完成时效变化的过程中达数十年，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。对于承受动荷载的结构应该选用时效敏感性小的钢材。（举例）,1912年4月11日，当时世界上最豪华的客轮“泰坦尼克号”在纽芬兰海岸外与冰山相撞，船上1513人与船一起沉没,钢材在交变应力的反复作用下，往往在应力远小于其抗拉强度时就突然破坏的现象,，称为疲劳破坏。疲劳破坏指标用疲劳强度（或疲劳极限）表示，指材料试件在交变应力作用下，不发生疲劳破坏的最大应力值。一般认为，钢材的疲劳破坏是由拉应力引起的，抗拉强度高，其疲劳极限也较高。钢材的疲劳极限与其内部组织和表面质量有关。,（三）疲劳强度,疲劳强度由试验确定，即在规定的应力循环次数下（106-108），对应的极限应力值。钢材疲劳破坏的应力值随应力循环次数的增加而降低。,应力疲劳极限，材料或结构在荷载多次重复作用下不会破坏。疲劳极限静力强度（砼50-60%f压，钢材弯曲疲劳极限为f拉的40%）,疲劳破坏不同于静力破坏，是在低应力状态下突然发生的脆性破坏，危害极大，往往造成灾难性的事故（例灌注桩、钻井、桥、弹簧水管、疲劳死亡）。设计承受反复荷载的结构时应了解材料的疲劳极限,硬度是指钢材抵抗较硬物体压入产生局部变形的能力。测定钢材硬度常用布氏法。布氏法是用一直径为D的硬质钢球，在荷载P(N)的作用下压入试件表面，经规定的时间后卸去荷载，用读数放大镜测出压痕直径d，以压痕表面积(mm2)除荷载P，即为布氏硬度值HB。HB值越大，表示钢材越硬。如图8.3。,（四）硬度,图8.3布氏硬度测定示意图,良好的工艺性能可保证钢材顺利通过各种加工，而无损于制成品的质量（一）冷弯性能1.定义：冷弯性能是钢材在常温下承受弯曲变形的能力，是钢材的工艺性能指标。2.弯曲测试：钢材的冷弯性能指标是用弯曲角度和弯心直径对试件厚度(直径)的比值来衡量的。试验时采用的弯曲角度愈大，弯心直径对试件厚度(直径)的比值愈小，表示对冷弯性能的要求愈高。对不同的钢材有相应的标准要求，试件受弯处不发生裂缝，断裂或起层，即认为冷弯性能合格（实验演示）。,二、工艺性能,3.冷弯的意义：钢材的冷弯性能和伸长率均是塑性变形能力的反映，但伸长率是在试件轴向均匀变形条件下测定的，而冷弯性能则是在更严格条件下钢材局部变形的能力，它可揭示钢材内部结构是否均匀，是否存在内应力和夹杂物等缺陷，还经常用冷弯来检验焊缝接头。,图8.4钢材冷弯,(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,（二）焊接性能焊接是把两块金属局部加热，并使其接缝部分迅速呈熔融或半熔融状态，而牢固的连接起来。它是钢结构的主要连接形式。焊件质量焊接工艺、钢材的可焊性、焊接材料钢材的可焊性（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。焊件质量检验项目：抗拉强度、焊接处冷弯、冲击韧性等,钢材的化学成分对钢材的可焊性有很大的影响。随钢材的含碳量、合金元素及杂质元素含量的提高，钢材的可焊性降低。钢材的含碳量超过0.25时，可焊性明显降低；硫含量较多时，会使焊口处产生热裂纹，严重降低焊接质量。钢材的焊接须执行有关规定JGJ18-2003钢筋焊接及验收规程JGJ81-2002建筑钢结构焊接技术规程,第三节建筑钢材化学成分对其性能的影响除铁、碳外，钢材在冶炼过程中会从原料、燃料中引入一些的其他元素。这些成分可分为两类：一类能改善优化钢材的性能称为合金元素，主要有Si、Mn、Ti、V、Nb等；另一类能劣化钢材的性能，属钢材的杂质，主要有氧、硫、氮、磷等。这些成分含量少，但对钢的性能影响很大(地条钢）。,碳的影响（1）C0.8%:CbHBk（2）C1%:CbHBk（3）C0.3%，可焊性下降。（4）含C量过高，还会增加冷脆性和时效敏感性。,化学元素对钢材性能的影响,将钢材于常温下进行冷拉、冷拔或冷轧，使之产生一定的塑性变形，强度、硬度提高，塑性、韧性和弹性模量有所降低，这个过程称为钢材的冷加工强化工程中常对钢筋进行冷加工，以期达到提高钢材强度和节约钢材的目的，并可除锈。,第四节钢材的冷加工和时效强化,1钢材的冷加工强化,钢筋冷拉是在常温下将其拉至应力超过屈服点，但远小于抗拉强度时即卸荷。冷拔是将6一8mm的光圆钢筋，通过一钨合金拔丝模孔而被强力拉拔，使其径向挤压缩小而纵向伸长（演示）。冷轧是使低碳钢丝通过硬质杂辊，在钢丝表面轧制出呈一定规律分布的砸痕。提高强度和与混凝土的黏结力。,图8.5钢筋经冷拉时效后应力-应变图的变化,2、冷加工强化的原理：钢材在塑性变形中晶格的缺陷增多，而缺陷的晶格严重畸变，对晶格的进一步滑移将起到阻碍作用，故钢材的屈服点提高，塑性和韧性降低。由于塑性变形中产生内应力，故钢材的弹性模量降低。,3时效处理：将经过冷拉的钢筋于常温下存放1520，或加热到100200度并保持一段时间，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。冷拉以后再经过时效处理的钢筋，其屈服点进一步提高，抗拉强度稍见增长，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。钢材产生时效的主要原因：溶于一Fe中的碳、氮原子，向晶格缺陷处移动和集中的速度大为加快，这将使滑移面缺陷处碳、氮原子富集，使晶格畸变加剧，造成其滑移、变形更为困难，因而强度进一步提高，塑性和韧性则进一步降低，而弹性模量则基本恢复。,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%。冷加工及时效后屈服强度可提高20%60%，节约钢材20-30%。（1）冷加工具有明显的经济效益（2）简化施工工艺，使盘条钢筋的开盘、矫直、冷拉三道工序合为一道，直条钢筋则可使矫直、除锈、冷拉合为一道工序。（3）冷加工和时效一般同时采用，通过试验确定冷拉控制参数和时效。,4、冷加工在工程中的应用,冷加工后钢筋的屈强比较大，安全储备较小，延性较差，因此在强调抗震性能的重要结构，对冷加工钢筋应慎重采用。尤其在墙、柱、框架梁端、楼梯等对钢筋延性要求较高的部位。(光圆钢筋允许偏差0.4mm),主控项目5.3.2A钢筋调直后应进行力学性能和重量偏差的检验，其强度应符合有关标准的规定。盘卷钢筋和直条钢筋调直后的断后伸长率、重量负偏差应符合表5.3.2A的规定。,5.3钢筋加工,混凝土结构工程施工质量验收规范GB50204-2002（2011年版）局部修订,盘卷钢筋和直条钢筋调直后的断后伸长率、重量负偏差要求,试验破坏后的伸长率,检查数量：同一厂家、同一牌号、同一规格调直钢筋，重量不大于30t为一批；每批见证取3个试件。检验方法：3个试件先进行重量偏差检验，再取其中2个试件经时效处理后进行力学性能检验。检验重量偏差时，试件切口应平滑且与长度方向垂直，且长度不应小于500mm；长度和重量的量测精度分别不应低于1mm和1g。,第五节建筑钢材的技术标准与选用建筑工程用钢分钢结构用钢和钢筋混凝土用钢两类。,一、主要钢种1、碳素结构钢（P58A.2.3)（1）牌号表示方法国家标准GB700-2006碳素结构钢中规定，牌号由代表屈服点的字母、屈服点数值、质量等级符号、脱氧方法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195MPa、215MPa、235MPa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。例如：Q235AF表示屈服点为235MPa的A级沸腾钢。（2）技术要求见表随着牌号的增大，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。同一钢号内质量等级越高，钢材的质量越好，如Q235C、Q235D级优于Q235A、Q235B级。,碳素结构钢的拉伸、冲击性能(GB7002006),碳素结构钢的冷弯性能,（3）应用钢结构中，主要应用的是碳素钢Q235。还有其它几种碳素结构钢常用于土木工程中。Q195强度不高，塑性、韧性、加工性能与焊接性能较好，主要用于轧制薄板和盘等。Q215与Q195钢基本相同，其强度稍高，大量用做管坯、螺栓等。,Q235强度适中，塑性、韧性、可焊性和可加工性也较好，是钢结构常用的牌号，大量制作成钢筋、型钢和钢板用于建造房屋和桥梁等。Q235良好的塑性可保证钢结构在超载、冲击、焊接、温度应力等不利因素作用下的安全性，因而Q235能满足一般钢结构用钢的要求Q235-A一般用于只承受静荷载作用的钢结构。Q235-B适合用于承受动荷载焊接的普通钢结构，Q235-C适合用于承受动荷载焊接的重要钢结构，Q235-D适合用于低温环境使用的承受动荷载焊接的重要钢结构。,Q275强度高、塑性和韧性稍差，不易冷弯加工，可焊性较差，主要用做铆接或栓接结构，以及钢筋混凝土的配筋。,2、优质碳素结构钢GB/T699-1999优质碳素结构钢规定，优质碳素结构钢根据锰含量的不同可分为：普通锰含量（锰含量0.8）钢和较高锰含量（锰含量0.71.2）钢两组。,优质碳素结构钢硫、磷等杂质含量比普通碳素钢少，其他缺陷限制也较严格，所以性能好，质量稳定。优质碳素结构钢的牌号用两位数字表示，它表示钢中平均含碳量的万分数。如45号钢，表示钢中平均含碳量为0.45。,数字后若有“锰”字或“Mn”，则表示属较高锰含量的钢，否则为普通锰含量钢。如35Mn表示平均含碳量0.35，含锰量为0.71.0。若是沸腾钢或半镇静钢，还应在牌号后面加“沸”（或F）或“半”（或b）。优质碳素钢的性能主要取决于含碳量。含碳量高，则强度高，但塑性和韧性降低。在建筑工程中，3045号钢主要用于重要结构的钢铸件和高强度螺栓等，45号钢用做预应力混凝土锚具，6580号钢用于生产预应力混凝土用钢丝和钢绞线。,定义：一般是在普通碳素钢的基础上，添加总量小于5%的一种或几种合金元素而成。常用的合金元素有硅、锰、钒、钛、铌、铬、镍及稀土元素。目的：提高钢的屈服强度、抗拉强度、耐磨性、耐蚀性及耐低温性能等。低合金高强度结构钢综合性能较为理想，尤其在大跨度、承受动荷载和冲击荷载的结构中更适用，而且与使用碳素钢相比，可节约钢材20%30%。,3.低合金高强度结构钢(P90A.2.18),低合金高强度结构钢共有5个牌号。其牌号的表示方法由屈服点字母Q、屈服点数值、质量等级三个部分组成，屈服点数值共分295MPa、345MPa、390MPa、420MPa、460MPa五种，质量等级按照硫、磷等杂质含量由多到少分为A、B、C、D、E五级。如Q345A表示屈服点为345MPa的A级钢。,低合金高强度结构钢的牌号表示方法,低合金高强度结构钢的化学成分,低合金高强度结构钢的技术要求低合金高强度结构钢GB/T1591-94,表低合金高强度结构钢的力学性能和冷弯性能,Q295号钢中含有少量的合