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一、建筑鋼材

鋼材具有品質(zhì)穩(wěn)定、強(qiáng)度高、塑性和韌性好、可焊接和鉚接、能承受沖擊和振動(dòng)荷載等優(yōu)異性能，是土木工程中使用量最大的材料品種之一。常用的鋼材品種有普通碳素結(jié)構(gòu)鋼、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金高強(qiáng)結(jié)構(gòu)鋼。

(一)常用的建筑鋼材

建筑鋼材可分為鋼筋混凝土用鋼、鋼結(jié)構(gòu)用鋼和建筑裝飾用鋼材制品等。

1.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)用鋼

(1)熱軋鋼筋。根據(jù)現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《鋼筋混凝土用鋼第1部分：熱乳光圓鋼筋》GB1499.1和《鋼筋混凝土用鋼第2部分：熱軋帶肋鋼筋》GB1499.2的相關(guān)規(guī)定，熱軋光圓鋼筋為HPB300—種牌號(hào)，普通熱軋鋼筋分HRB335、HRB400、HRB500三種牌號(hào)，細(xì)晶粒熱乳鋼筋分HRBF335、HRBF400、HRBF500三種牌號(hào)。熱軋鋼筋的技術(shù)要求見(jiàn)表3.1.1。表中所列的強(qiáng)度值和伸長(zhǎng)率均為要求的最小值。

由表3.1.1可知，隨鋼筋級(jí)別的提高，其屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度逐漸增加，而其塑性則逐漸下降。

綜合鋼筋的強(qiáng)度、塑性、工藝性和經(jīng)濟(jì)性等因素，非預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土可選用HPB300、HRB335和HRB400鋼筋，而預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土則宜選用HRB500、HRB400和HRB335鋼筋。

(2)冷加工鋼筋。冷加工鋼筋是在常溫下對(duì)熱軋鋼筋進(jìn)行機(jī)械加工(冷拉、冷拔、冷軋、冷扭、沖壓等)而成。常見(jiàn)的品種有冷拉熱軋鋼筋、冷軋帶肋鋼筋和冷拔低碳鋼絲。

1)冷拉熱軋鋼筋。在常溫下將熱軋鋼筋拉伸至超過(guò)屈服點(diǎn)小于抗拉強(qiáng)度的某一應(yīng)力，然后卸荷，即制成了冷拉熱乳鋼筋。如卸荷后立即重新拉伸，卸荷點(diǎn)成為新的屈服點(diǎn)，因此冷拉可使屈服點(diǎn)提高，材料變脆，屈服階段縮短，塑性、軔性降低。若卸荷后不立即重新拉伸，而是保持一定時(shí)間后重新拉伸，鋼筋的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度進(jìn)一步提高，而塑性、軔性繼續(xù)降低，這種現(xiàn)象稱(chēng)為冷拉時(shí)效。實(shí)踐中，可將冷拉、除銹、調(diào)直、切斷合并為一道工序，這樣可簡(jiǎn)化流程，提高效率。

2)冷乳帶肋鋼筋。用低碳鋼熱軋盤(pán)圓條直接冷軋或經(jīng)冷拔后再冷軋，形成三面或兩面橫肋的鋼筋。根據(jù)現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《冷軋帶肋鋼筋》GB13788—2008的規(guī)定，冷乳帶肋鋼筋分為CRB550、CRB650、CRB800、CRB970四個(gè)牌號(hào)。CRB550用于非預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土，其他牌號(hào)用于預(yù)應(yīng)力混凝土。冷軋帶肋鋼筋克服了冷拉、冷拔鋼筋握裹力低的缺點(diǎn)，具有強(qiáng)度高、握裹力強(qiáng)、節(jié)約鋼材、質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，CRB650級(jí)、CRB800級(jí)和CRB970級(jí)鋼筋宜用作中、小型預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件中的受力主筋，CRB550級(jí)鋼筋宜用作普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件中的受力主筋、架立筋、箍筋和構(gòu)造箍筋。

3)冷拔低碳鋼絲。將直徑6.5?8.0mm的Q235或Q215盤(pán)圓條通過(guò)小直徑的拔絲孔逐步拉拔而成，直徑3?5mm。由于經(jīng)多次拔制，其屈服強(qiáng)度可提高40%?60%，同時(shí)失去了低碳鋼的良好塑性，變得硬脆?，F(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》GB50205—2012規(guī)定，冷拔低碳鋼絲分為兩級(jí)，甲級(jí)用于預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件中，乙級(jí)用于非預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件中。

(3)熱處理鋼筋。熱處理鋼筋是鋼廠將熱軋的帶肋鋼筋(中磷低合金鋼)經(jīng)淬火和高溫回火調(diào)質(zhì)處理而成的，即以熱處理狀態(tài)交貨，成盤(pán)供應(yīng)，每盤(pán)長(zhǎng)約200m。熱處理鋼筋強(qiáng)度高，用材省，錨固性好，預(yù)應(yīng)力穩(wěn)定，主要用作預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土軌枕，也可以用于預(yù)應(yīng)力混凝土板、吊車(chē)梁等構(gòu)件。

(4)預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絲。預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絲是用優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼經(jīng)冷加工及時(shí)效處理或熱處理等工藝過(guò)程制得，具有很高的強(qiáng)度，安全可靠，且便于施工。根據(jù)現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絲》GB/T5223—2014的規(guī)定，預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絲按照加工狀態(tài)分為冷拉鋼絲和消除應(yīng)力鋼絲兩類(lèi)，消除應(yīng)力鋼絲的塑性比冷拉鋼絲好。消除應(yīng)力鋼絲按松弛性能又分為低松弛鋼絲(WLR)和普通松弛鋼絲(WNR)兩種;按外形分為光面鋼絲(P)、螺旋類(lèi)鋼絲(H)和刻痕鋼絲三種。消除應(yīng)力后鋼絲的塑性比冷拉鋼絲高;刻痕鋼絲是經(jīng)壓痕乳制而成，刻痕后與混凝土握裹力大，可減少混凝土裂縫。

預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絲強(qiáng)度高、柔性好，適用于大跨度屋架、薄腹梁、吊車(chē)梁等大型構(gòu)件的預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)。

(5)預(yù)應(yīng)力混凝土鋼絞線。鋼絞線是將碳素鋼絲若干根，經(jīng)絞捻及消除內(nèi)應(yīng)力的熱處理后制成。根據(jù)《預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絞線》GB/T5224—2014，鋼絞線按其所用鋼絲種類(lèi)和根數(shù)不同分為五種類(lèi)型。預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絞線強(qiáng)度高、柔性好，與混凝土黏結(jié)性能好，多用于大型屋架、薄腹梁、大跨度橋梁等大負(fù)荷的預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。

2.鋼結(jié)構(gòu)用鋼

鋼結(jié)構(gòu)用鋼主要是熱軋成型的鋼板和型鋼等。薄壁輕型鋼結(jié)構(gòu)中主要采用薄壁型鋼、圓鋼和小角鋼。鋼材所用的母材主要是普通碳素結(jié)構(gòu)鋼及低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼。

鋼結(jié)構(gòu)常用的熱軋型鋼有：工字鋼、H形鋼、T形鋼、槽鋼、等邊角鋼、不等邊角鋼等。型鋼是鋼結(jié)構(gòu)中采用的主要鋼材。

鋼板材包括鋼板、花紋鋼板、建筑用壓型鋼板和彩色涂層鋼板等。鋼板規(guī)格表示方法為“寬度X厚度X長(zhǎng)度”(單位為mm)。鋼板分厚板(厚度大于4mm)和薄板(厚度小于或等于4mm)兩種。厚板主要用于結(jié)構(gòu)，薄板主要用于屋面板、樓板和墻板等。在鋼結(jié)構(gòu)中，單塊鋼板一般較少使用，而是用幾塊板組合成工字形、箱形等結(jié)構(gòu)形式來(lái)承受荷載。

3.鋼管混凝土結(jié)構(gòu)用鋼

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)即在薄壁鋼管內(nèi)填充普通混凝土，將兩種不同性質(zhì)的材料組合而形成的復(fù)合結(jié)構(gòu)。近年來(lái)，隨著理論研究的深入和新施工工藝的產(chǎn)生，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)工程應(yīng)用日益廣泛。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)按照截面形式的不同，可分為矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)、圓鋼管混凝土結(jié)構(gòu)和多邊形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)等，其中矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)和圓鋼管混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用較廣。從已建成的眾多建筑來(lái)看，目前鋼管混凝土的使用范圍還主要限于柱、橋墩、拱架等。

(二)鋼材的性能

鋼材的主要性能包括力學(xué)性能和工藝性能。其中力學(xué)性能是鋼材最重要的使用性能，包括抗拉性能、沖擊性能、硬度、疲勞性能等。工藝性能表示鋼材在各種加工過(guò)程中的行為，包括彎曲性能和焊接性能等。

1.抗拉性能

抗拉性能是鋼材的最主要性能，表征其性能的技術(shù)指標(biāo)主要是屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率。低碳鋼(軟鋼)受拉的應(yīng)力-應(yīng)變圖能夠較好地解釋這些重要的技術(shù)指標(biāo)，見(jiàn)圖3.1.1。

沖擊性能指鋼材抵抗沖擊載荷的能力。其指標(biāo)是通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)試件的彎曲沖擊韌性試驗(yàn)確定。按規(guī)定，將帶有V形缺口的試件進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。試件在沖擊荷載作用下折斷時(shí)所吸.收的功，稱(chēng)為沖擊吸收功(或V形沖擊功)Akv(J)。鋼材的化學(xué)成分、組織狀態(tài)、內(nèi)在缺陷及環(huán)境溫度等都是影響沖擊韌性的重要因素。Akv值隨試驗(yàn)溫度的下降而減小，當(dāng)溫度降低達(dá)到某一范圍時(shí)，AkV急劇下降而呈脆性斷裂，這種現(xiàn)象稱(chēng)為冷脆性。發(fā)生冷脆時(shí)的溫度稱(chēng)為脆性臨界溫度，其數(shù)值越低，說(shuō)明鋼材的低溫沖擊軔性越好。因此，對(duì)直接承受動(dòng)荷載而且可能在負(fù)溫下工作的重要結(jié)構(gòu)，必須進(jìn)行沖擊韌性檢驗(yàn)，并選用脆性臨界溫度較使用溫度低的鋼材。另外，時(shí)效敏感性(因時(shí)效導(dǎo)致性能改變的程度)越大的鋼材，經(jīng)過(guò)時(shí)效以后，其沖擊韌性和塑性的降低越顯著，對(duì)于承受動(dòng)荷載的結(jié)構(gòu)物應(yīng)選用時(shí)效敏感性較小的鋼材。

3.硬度

鋼材的硬度是指表面層局部體積抵抗較硬物體壓入產(chǎn)生塑性變形的能力，表征值常用布氏硬度值HB表示。測(cè)試鋼材硬度的方法常采用布氏法，在布氏硬度機(jī)上用一定直徑的硬質(zhì)鋼球，以一定荷載將其壓入試件表面，持續(xù)至規(guī)定的時(shí)間后卸去荷載，使其形成壓痕，將荷載除以壓痕面積，所得的應(yīng)力值為該鋼材的布氏硬度值，數(shù)值越大，表示鋼材越硬。

4.耐疲勞性

在交變荷載反復(fù)作用下，鋼材往往在應(yīng)力遠(yuǎn)小于抗拉強(qiáng)度時(shí)發(fā)生斷裂，這種現(xiàn)象稱(chēng)為鋼材的疲勞破壞。疲勞破壞的危險(xiǎn)應(yīng)力用疲勞極限來(lái)表示，它是指鋼材在交變荷載作用下于規(guī)定的周期基數(shù)內(nèi)不發(fā)生斷裂所能承受的最大應(yīng)力。試驗(yàn)表明，鋼材承受的交變應(yīng)力越大，則斷裂時(shí)的交變循環(huán)次數(shù)越少，相反，交變應(yīng)力越小，則斷裂時(shí)的交變循環(huán)次數(shù)越多;當(dāng)交變應(yīng)力低于某一值時(shí)，交變循環(huán)次數(shù)達(dá)無(wú)限次也不會(huì)產(chǎn)生疲勞破壞。

5.冷彎性能

冷彎性能是指鋼材在t溫下承受彎曲變形的能力，是鋼材的重要工藝性能。冷彎性能指標(biāo)是通過(guò)試件被彎曲的角度(90°、180°)及彎心直徑d對(duì)試件厚度(或直徑)a的度比值d/a)區(qū)分的。試件按規(guī)定的彎曲角和彎心直徑進(jìn)行試驗(yàn)，試件彎曲處的外表面無(wú)裂斷、裂縫或起層，即認(rèn)為冷彎性能合格。冷彎時(shí)的彎曲角度越大、彎心直徑越小，則表示其冷彎性能越好。

冷彎試驗(yàn)?zāi)芙沂句摬氖欠翊嬖趦?nèi)部組織不均勻、內(nèi)應(yīng)力、夾雜物未熔合和微裂縫等缺陷，而這些缺陷在拉力試驗(yàn)中常因塑造性變形導(dǎo)致應(yīng)力重分布而得不到反映，因此，冷彎試驗(yàn)是一種比較嚴(yán)格的試驗(yàn)，對(duì)鋼材的焊接質(zhì)量也是一種嚴(yán)格的檢驗(yàn)，能揭示焊件在受彎表面存在的未熔合、裂紋和夾雜物等問(wèn)題。

6.焊接性能

鋼材的可焊性是指焊接后在焊縫處的性質(zhì)與母材性質(zhì)的一致程度。影響鋼材可焊性的主要因素是化學(xué)成分及含量。含碳量超過(guò)0.3%時(shí)，可焊性顯著下降;特別是硫含量較多時(shí)，會(huì)使焊縫處產(chǎn)生裂紋并硬脆，嚴(yán)重降低焊接質(zhì)量。正確地選用焊接材料和焊接工藝是提高焊接質(zhì)量的主要措施。

(三)鋼材化學(xué)成分

鋼材主要化學(xué)成分是鐵和碳元素，此外，還有少量的硅、錳、硫、磷等，在不同情況下往往還需考慮氧、氮及各種合金元素。.

(1)碳。碳是決定鋼材性質(zhì)的重要元素。土木建筑工程用鋼材含碳量不大于0.8%。在此范圍內(nèi)，隨著鋼中碳含量的增加，強(qiáng)度和硬度增加，而塑性、韌性和冷彎性能相應(yīng)降低;碳還可顯著降低鋼材的可焊性，增加鋼的冷脆性和時(shí)效敏感性，降低抗大氣腐蝕的能力。

(2)硅。硅在鋼中是有益元素，是我國(guó)鋼筋用鋼的主要合金元素，煉鋼時(shí)起脫氧作用。當(dāng)硅在鋼中的含量較低(小于1%)時(shí)，隨著含量的加大可提高鋼材的強(qiáng)度、疲勞極限、耐腐蝕性和抗氧化性，而對(duì)塑性和韌性影響不明顯。當(dāng)含量提高到1.0%?1.2%時(shí)，塑性和鈿性明顯下降，焊接性能變差，并增加鋼材的冷脆性。

(3)錳。錳是我國(guó)低合金鋼的主要合金元素，煉鋼時(shí)能起脫氧去硫作用，使強(qiáng)度和硬度提高，還能消減硫和氧引起的熱脆性，使鋼材的熱加工性能改善。錳含量一般在1.0%?2.0%范圍內(nèi)，當(dāng)含量小于1.0%時(shí)，對(duì)鋼的塑性和韌性影響不大;含量大于1.0%時(shí)，在提高強(qiáng)度的同時(shí)，塑性和軔性有所降低，焊接性能變差，耐腐蝕性降低。

(4)硫。硫是很有害的元素，呈非金屬硫化物夾雜物存于鋼中，具有強(qiáng)烈的偏析作用，降低沖擊軔性、耐疲勞性和抗腐蝕性等性能。硫化物造成的低熔點(diǎn)使鋼在焊接時(shí)易于產(chǎn)生熱裂紋，加大鋼材的熱脆性，顯著降低焊接性能。

(5)磷。磷是有害元素，含量提高，鋼材的強(qiáng)度提高，塑性和初性顯著下降，特別是溫度越低，對(duì)軔性和塑性的影響越大。磷在鋼中偏析作用強(qiáng)烈，使鋼材冷脆性增大，并顯著降低鋼材的可焊性。但磷可提高鋼的耐磨性和耐腐蝕性，在低合金鋼中可配合其他元素作為合金元素使用。

(6)氮。氮對(duì)鋼材性質(zhì)的影響與碳、磷相似，可使鋼材的強(qiáng)度提高，但塑性特別是韌性明顯下降。氮還會(huì)加劇鋼的時(shí)效敏感性和冷脆性，使其焊接性能變差。

(7)氧。氧是冶煉氧化過(guò)程中進(jìn)人鋼水，經(jīng)脫氧處理后殘留下來(lái)的，是鋼中的有害雜質(zhì)。氧含量增加使鋼的力學(xué)性能降低，塑性和韌性降低。氧有促進(jìn)時(shí)效傾向的作用，還能使熱脆性增加，焊接性能較差。

(8)鈦。鈦是強(qiáng)脫氧劑，可顯著提高鋼的強(qiáng)度，但稍降低塑性。由于鈦能細(xì)化晶粒，故可改善初性。鈦能減少時(shí)效傾向，改善焊接性能。

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