第8章 建筑钢材

第8章建筑钢材§8-1钢材的生产与分类§8-2钢材的技术性质§8-3钢材的冷加工与热处理§8-4建筑用钢的性能及选用§8-5钢材的锈蚀与防护§8-1钢材的生产与分类建筑材料重金属——密度大于4.5g/cm3；

轻金属——密度小于4.5g/cm3。冶金工业把金属分为黑色金属和有色金属。

黑色金属：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。§8-1钢材的生产与分类建筑材料钢与生铁——钢的含碳量≤2.06％；生铁的含碳量>2.06％。钢材种类——型钢、钢板、钢筋、钢丝；钢材特点——均匀致密、强度高、自重轻、塑性韧性好、能经受冲击和振动荷载、加工性能优良、施工速度快；钢结构应用——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。§8-1钢材的生产与分类建筑材料钢结构厂房§8-1钢材的生产与分类建筑材料国家体育馆——“鸟巢”效果图总用钢量11万吨§8-1钢材的生产与分类建筑材料国家游泳中心“水立方”§8-1钢材的生产与分类建筑材料巴黎艾菲尔铁塔 塔身为钢架镂空结构，高324米，重10000吨。

§8-1钢材的生产与分类建筑材料“双子塔”（马来西亚吉隆坡）§8-1钢材的生产与分类建筑材料广州新电视塔§8-1钢材的生产与分类建筑材料钢的冶炼（生产）生铁钢铁矿石焦炭还原吹氧除碳

钢：含碳量为0.06～2.06%；

生铁：含碳量＞2.06％（2.11～6.67%）；

铸铁：含碳量为2％～4％；

工业纯铁：含碳量小于0.04%。§8-1钢材的生产与分类建筑材料钢的分类

按化学成分分类分类按质量等级分类举例非合金钢普通质量非合金钢碳素结构钢、碳素钢筋钢、铁道、普通碳素钢盘条、一般用途低碳钢丝优质非合金钢碳素结构钢、优质碳素结构钢、铁道、桥梁特殊质量非合金钢优质碳素结构钢、铁道、航空、兵器低合金钢普通质量低合金钢低合金结构钢、低合金钢筋钢优质低合金钢低合金结构钢、桥梁用低合金结构钢特殊质量低合金钢航空、兵器合金钢优质合金钢合金结构钢特殊质量合金钢合金工具钢、高速工具钢、轴承钢§8-1钢材的生产与分类建筑材料

按品质（杂质含量）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％。

特级优质钢：含硫量≤0.015％；磷量≤0.025％。§8-1钢材的生产与分类建筑材料

按冶炼时脱氧程度分类沸腾钢：炼钢时脱氧不充分，钢液中的碳与金属氧化物发生反应，生成大量CO外逸，引起钢液沸腾，即称为沸腾钢，其代号为“F”。其冲击韧性和可焊性较差。镇静钢：炼钢时脱氧充分，钢液中金属氧化物很少，在浇铸钢锭时钢液会平静地冷却凝固，称为镇静钢，其代号为“Z”。半镇静钢：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”。特殊镇静钢：比镇静钢脱氧程度更彻底的钢，故称为特殊镇静钢，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。§8-1钢材的生产与分类建筑材料化学成分对钢材性能的影响名称含碳量/％结构特征性能铁素体≤0.02碳溶于α-铁中的固溶体强度、硬度很低，塑性好，冲击韧性好奥氏体0.8碳溶于γ-铁中的固溶体强度、硬度不高，塑性大渗碳体6.67化合物Fe3C抗拉强度很低，很脆，很耐磨，几乎无塑性珠光体0.8铁素体与化合物Fe3C的机械混合物强度较高，塑性和韧性介于铁素体和渗碳体之间钢的基本晶体组织§8-1钢材的生产与分类建筑材料片状珠光体（1000倍）针状和块状铁素体（100倍）

钢是以铁（Fe）为主的Fe-C合金，在一定条件下能形成具有一定形态的聚合体，主要有铁素体、渗碳体、珠光体和奥氏体。§8-1钢材的生产与分类建筑材料碳——决定钢材性能的最重要元素。有益元素：硅、锰、钛、钒；

有害元素：硫、磷、氮、氢、氧。σb——抗拉强度αk——冲击韧性δ——伸长率ψ——断面收缩率HB——硬度第8章建筑钢材§8-1钢材的生产与分类§8-2钢材的技术性质§8-3钢材的冷加工与热处理§8-4建筑用钢的性能及选用§8-5钢材的锈蚀与防护§8-2钢材的技术性质建筑材料力学性能

强度§8-2钢材的技术性质建筑材料§8-2钢材的技术性质建筑材料硬钢的屈服点

屈服强度（σs）是确定容许应力的主要依据；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σp0.2表示。

屈强比（σs/σb）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。§8-2钢材的技术性质建筑材料

钢材的疲劳强度钢材疲劳曲线示意图

无穷次（200万次）交变荷载作用下不至断裂的最大循环应力。§8-2钢材的技术性质建筑材料实例分析：北海油田平台倾覆 1980年3月27日，英国北海爱科菲斯科油田的A.L.基尔兰德号平台突然从水下深部传来一次振动，紧接着一声巨响，平台立即倾斜，短时间内翻于海中，仅生还89人，其余123人丧生，造成巨大的经济损失。现象§8-2钢材的技术性质建筑材料原因分析

现代海洋钢结构如移动式钻井平台，特别是固定式桩基平台，在恶劣的海洋环境中受风浪和海流的长期反复作用和冲击振动；在严寒海域长期受流冰等随海潮对平台的冲击碰撞；另外，低温作用以及海水腐蚀介质的作用等都给钢结构平台带来极为不利的影响。突出问题就是海洋钢结构的脆性断裂和疲劳破坏。

调查分析显示，事故原因是撑竿中水声器支座疲劳裂纹萌生、扩展，导致撑竿迅速断裂。由于撑竿断裂，使相邻5个支杆过载而破坏，接着所支撑的承重脚柱破坏，使平台20min内全部倾覆。§8-2钢材的技术性质建筑材料塑性

伸长率δnL1——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。§8-2钢材的技术性质建筑材料

断面收缩率ψA0——试件的原截面面积，mm2；A1——试件断裂后颈缩处的横截面积，mm2；§8-2钢材的技术性质建筑材料

韧性αk—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）。钢材抵抗冲击荷载的能力。用冲击韧性αk表示。§8-2钢材的技术性质建筑材料

温度对钢材冲击韧性的影响钢的脆性转变温度冲击韧性骤然下降而成脆性（冷脆性）§8-2钢材的技术性质建筑材料讨论：温度对钢材冲击韧性的影响

请观察下图中Ⅰ、Ⅱ两低合金钢曲线，若在东北地区，应选用何种钢更有利？讨论§8-2钢材的技术性质建筑材料

从上图可知，低合金钢Ⅰ的脆性转变温度低于Ⅱ，即说明钢材的低温冲击韧性较好。东北地区冬季气温低，主要考虑低温冲击韧性问题，选用Ⅰ更有利。

影响钢材的冲击韧性还有许多因素，例如，钢中磷、硫含量较高，存在偏析、非金属夹杂物和焊接中形成的微裂纹等都会使冲击韧性显著降低。§8-2钢材的技术性质建筑材料硬度

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）。§8-2钢材的技术性质建筑材料工艺性能

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。

焊接性获得良好得焊接接头，不易形成裂纹、气孔、夹渣。§8-2钢材的技术性质建筑材料讨论：钢材的冷弯性能与其内部组织的关系

A、B两种钢材，A钢材δ5及δ10均略大于B钢材。但从下图可知，A钢材的冷弯性能却不如B钢材。请分析原因及A与B两种钢材内部组织的差异。讨论§8-2钢材的技术性质建筑材料

伸长率反映的是钢材在均匀变形下的塑性。冷弯性能是钢材处于不利变形条件下的塑性，可揭示钢材内部组织是否均匀，是否存在内应力和夹杂物等缺陷。而这些缺陷在拉伸试验中常因塑性变形导致应力重分布而得不到反映。第8章建筑钢材§8-1钢材的生产与分类§8-2钢材的技术性质§8-3钢材的冷加工与热处理§8-4建筑用钢的性能及选用§8-5钢材的锈蚀与防护§8-3钢材的冷加工与热处理建筑材料冷加工

定义：将钢材在常温下进行冷加工使之产生一定的塑性变形，屈服强度得到提高，而塑韧性下降的过程。

方法：冷拉、冷拔、冷轧、冷扭、冷冲。

作用效果：节约钢材、简化部分施工工序。工程中通常是冷加工和时效处理同时采用。§8-3钢材的冷加工与热处理建筑材料§8-3钢材的冷加工与热处理建筑材料时效处理后，强度、硬度再提高，塑性、韧性再降低。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。钢筋的冷拉与时效处理§8-3钢材的冷加工与热处理建筑材料现场加工——调直、冷拉、除锈、切断、弯曲建筑施工现场钢筋加工图§8-3钢材的冷加工与热处理建筑材料钢材的热处理

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。钢的热处理工艺第8章建筑钢材§8-1钢材的生产与分类§8-2钢材的技术性质§8-3钢材的冷加工与热处理§8-4建筑用钢的性能及选用§8-5钢材的锈蚀与防护§8-4建筑用钢的性能及选用建筑材料《碳素结构钢》GB/T700-2006

牌号及性能牌号Q195Q215Q235Q255Q275等级—A、BA、B、C、DA、B—Q235-A·FQ：屈服点；235：屈服强度（N/mm2）；A：质量等级。按不同温度下的冲击韧性划分。F：脱氧方法。镇静钢（Z）、沸腾钢（F）、半镇静钢（b）、特殊镇静钢（TZ）。Z与TZ可省略。§8-4建筑用钢的性能及选用建筑材料

Q195、Q215的钢用于轻载焊接结构

Q235广泛应用于钢结构

Q255、Q275用于机械制造

优质碳素结构钢主要用于主要结构的钢铸件、高强螺栓以及预应力锚具§8-4建筑用钢的性能及选用建筑材料《优质碳素结构钢》（GB/T699-1999）

牌号共31个牌号08F、10F、15F；08、10、15、…、80、85；15Mn~70Mn平均含碳量0.10％；低含锰量0.25-0.50%；沸腾钢平均含碳量0.15％；普通含锰量0.35-0.80%；镇静钢；平均含碳量0.70％；较高含锰量0.70-1.20%；镇静钢；§8-4建筑用钢的性能及选用建筑材料低合金高强度结构钢

在碳素结构钢基础上，添加总量少于5%的合金元素冶炼而成。具有更高强度和屈服点、低温冲击韧性好以及耐锈蚀，更适用于大跨度结构及大型建筑。等级牌号A、BQ295A～EQ345A~EQ390A~EQ425C~EQ460§8-4建筑用钢的性能及选用建筑材料

鸟巢”使用的钢材材质绝大部分为Q345D，局部受力大部位采用了Q460E钢材。Q460钢厚度为110mm，鸟巢钢结构中共使用了400t

Q460钢。由我国河南舞阳钢铁集团生产

§8-4建筑用钢的性能及选用建筑材料钢的选用原则：

结构重要性——确定钢材种类、牌号及等级

荷载性质——静载、动载的不同对钢材韧性、抗冲击性提出要求

连接方式——焊接、螺栓连接

使用环境——温度、湿度、腐蚀环境等§8-4建筑用钢的性能及选用建筑材料钢结构用钢材

热轧型钢工字钢H型钢和T型钢槽钢L型钢角钢工字钢

主要采用碳素结构钢（如Q235）和低合金高强度结构钢（如Q345）。§8-4建筑用钢的性能及选用建筑材料H钢的特点：H型钢

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。

§8-4建筑用钢的性能及选用建筑材料角钢槽钢§8-4建筑用钢的性能及选用建筑材料厂房钢结构施工图高层建筑钢结构施工图§8-4建筑用钢的性能及选用建筑材料武汉长江大桥H型钢、槽钢在基坑支护中的应用§8-4建筑用钢的性能及选用建筑材料

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。Z型钢矩形管方形管§8-4建筑用钢的性能及选用建筑材料

棒材六角钢、八角钢扁钢圆钢、方钢

钢管无缝钢管焊缝钢管§8-4建筑用钢的性能及选用建筑材料

板材

钢板。采用碳素结构钢或低合金高强度结构钢经冷轧或热轧而成；

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。

主要应用于楼板、墙板、屋面板以及围护与装饰。§8-4建筑用钢的性能及选用建筑材料钢筋混凝土用钢材

热轧钢筋强度等级代号钢筋级别外形产品标准性能指标HPB300Ⅰ光圆《钢筋混凝土用热轧光圆钢筋》（GB1499.1—2017）σs（或σp0.2)、σb

、δ5、冷弯试验；HRB400HRBF400Ⅱ带肋《钢筋混凝土用热轧带肋钢筋》（GB1499.2—2018）HRB500HRBF500Ⅲ

HRB600Ⅳ

§8-4建筑用钢的性能及选用建筑材料

冷轧带肋钢筋——《冷轧带肋钢筋》（GB/T13788—2017）

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：σb

、δ5

或δ10、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。§8-4建筑用钢的性能及选用建筑材料

预应力混凝土用热处理钢筋——《预应力混凝土用钢棒》（GB/T5223.3—2017）

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：σp0.2

、σb

、δ10、松弛率

应用：预应力混凝土梁板和轨枕，不能焊接与点焊§8-4建筑用钢的性能及选用建筑材料

预应力混凝土用钢丝——《预应力混凝土用钢丝》（GB/T5223—2014）

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：冷拉钢丝（WCD）、低松弛钢丝（WLR）和普通松弛钢丝（WNR）；

按外形分：光圆钢丝（P）、螺旋肋钢丝（H）和刻痕钢丝（I）。§8-4建筑用钢的性能及选用建筑材料

预应力混凝土用钢绞线——《预应力混凝土用钢绞线》（GB/T5224-2014）

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

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§8-4建筑用钢的性能及选用建筑材料巨型箱梁—预应力钢绞线§8-4建筑用钢的性能及选用建筑材料港珠澳大桥沉管—预应力钢绞线

世界最大海底沉管隧道：总长5.7km、双向六车道。由33个管节组成。每个标准管节：长180m，重7.4万t，由8个节段组成。每个节段：长22.5m、宽37.85米、高11.4米。§8-4建筑用钢的性能及选用建筑材料港珠澳大桥沉管管节—建造中§8-4建筑用钢的性能及选用建筑材料港珠澳大桥沉管管节—组装中第8章建筑钢材§8-1钢材的生产与分类§8-2钢材的技术性质§8-3钢材的冷加工与热处理§8-4建筑用钢的性能及选用§8-5钢材的锈蚀与防护§8-5钢材的锈蚀与防护建筑材料钢材的锈蚀梁：钢筋锈蚀引起开裂§8-5钢材的锈蚀与防护建筑材料锈蚀机理锈蚀影响因素锈蚀危害防护修复§8-5钢材的锈蚀与防护建筑材料

锈蚀机理

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。阴极反应:2H++2e-=H2↑电流铜（阴极）锌（阳极）阳极反应微电池条件：

1）阴极、阳极和电位差；

2）离子通路(电解质)；

3）电子通路。电化学锈蚀是钢材锈蚀的最主要形式。阳极——电位高，还原反应阴极——点位低，氧化反应§8-5钢材的锈蚀与防护建筑材料

电化学锈蚀原理§8-5钢材的锈蚀与防护建筑材料

有效受力截面积减小，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。开裂锈蚀膨胀§8-5钢材的锈蚀与防护建筑材料

锈蚀的影响因素普通钢筋混凝土结构中的钢筋为什么不会锈蚀？

物理保护作用：阻止水分、氧气、氯离子等外界有害介质的侵入；

化学保护作用：高碱性环境（混凝土pH值大于12.5）下，阳极产生的Fe(OH)2被氧化成γ型氢氧化铁（纯化膜层）：Fe(OH)2+O2→γ-FeOOH+H2O（致密保护层）钢筋钝化层

两个临界值：pH=9.88，开始形成钝化膜；pH=11.5，钝化膜才能完全覆盖钢筋表面。§8-5钢材的锈蚀与防护建筑材料

锈蚀的影响因素

环境中的湿度、氧；介质中的酸、碱、盐；钢材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。§8-5钢材的锈蚀与防护建筑材料

氯盐导致钢筋锈蚀(Cl-/OH-≥0.6)Cl-是极强的阳极活（去钝化）剂。在水泥的浸出液中，即使其pH值还很高（如达到13），只要有4~6mg/L浓度的氯离子，就足以破坏钢筋钝化膜。Cl-只起“搬运”作用，而不会被“消耗”。§8-5钢材的锈蚀与防护建筑材料Ca(OH)2+CO2→CaCO3↓+H2O(氢氧化钙)3CaO•SiO2

•3H2O+CO2→3CaCO3+2SiO2+3H2O(水化硅酸钙)CO2CO2钢筋表面脱钝导致锈蚀§8-5钢材的锈蚀与防护建筑材料钢材的防护与修复

防护措施——耐候钢、金属覆盖、非金属覆盖和混凝土用钢筋阻绣剂。

电化学修复技术——牺牲