【精品课件】建筑钢材

第七章建筑钢材本章重点：路桥工程常用建筑钢材的技术性质和技术标准。本章要求：要求学生应掌握常用建筑钢材的技术性质和技术标准，能按设计要求选用相应规格的钢材。第一节建筑钢材的技术性质一、钢材的分类及建筑钢材的类属（一）钢材的分类1、按化学成分分类1）碳素钢经冶炼直接得到的铁碳合金，其内包含有硅、锰、磷、硫等杂质。又按含碳量可分为：（1）低碳钢含碳量≤0.25%；（2）中碳钢含碳量0.30%～0.55%；（3）高碳钢含碳量≥0.60%。2）合金钢在冶炼时特意往钢中加入一些合金元素的钢，经常加入的合金元素有锰、桂、钛、钒、铬、钼、钨等。又按合金含量可分为：（1）低合金钢合金元素总含量小于5%；（2）中合金钢合金元素总含量5%到10%；（3）高合金钢合金元素总含量大于10%。2、按质量分类根据钢中所含有害杂质硫（S）、磷（P）的含量来分。(1)普通碳素钢，S、P含量分别≤0.055%和0.045%；(2)优质碳素钢，S、P含量均≤0.040；(3)高质碳素钢，S、P含量分别≤0.030%和0.035%。3、按用途分类（1）结构钢制造各种工程的构件和机械零件的钢，一般属于低碳钢和中碳钢；（2）工具钢制造各种刀具、量具、模具的钢，一般属于高碳钢。4、按冶炼时脱氧程度分类（1）沸腾钢是脱氧不充分的钢，在浇铸及钢液冷却时，有大量的一氧化碳气体逸出，钢液呈激烈沸腾状态；（2）镇静钢脱氧充分，钢水较纯净，浇铸钢锭时，钢水平静，镇静钢材质致密均匀，质量高于沸腾钢；（3）半镇静钢脱氧程度及钢水质量介于上述两者之间。5、按成型方法分类分为铸造钢、锻造钢、轧压钢、冷拔钢。（二）建筑钢材的类属桥梁用钢材要求具有较高的强度、良好的塑性和可焊性。因此，桥梁建筑用钢材、钢筋混凝土用的钢筋，从用途分类来说属于结构钢；从质量分类来说属于普通钢；从含碳量分类来说属于低碳钢；所以桥梁结构用钢和钢筋混凝土用的钢筋属于碳素结构钢或低合金结构钢。二、建筑钢材的技术性质建筑用钢的基本技术性能包括：强度、冲击韧性、冷弯性能和硬度等。（一）强度由拉伸试验（应力﹣应变关系）图7-1可知图7-1低碳钢受拉的应力—应变图1、屈服强度在屈服阶段锯齿形的最高点所对应的应力称为屈服上限（σsv），齿形的最低点所对应的应力称为屈服下限（σsz）。屈服点的应力作为钢材的屈服强度（σs）以MPa表达，并按式7-1计算：式中：Fs——相当于所求应力的荷载（N）A0——试件的原横截面积（mm2）屈服强度对钢材使用有重要意义，当构件的实际应力超出屈服点时，将产生不可恢复的永久变形，因此屈服强度是确定钢结构容许应力的主要依据。0AFss2、抗拉强度试件在屈服阶段以后，其抵抗塑性变形能力重新提高，称为强化阶段。C点的应力称为抗拉强度，用σb表示，是钢材所能承受的最大拉应力。所以，屈服强度和抗拉强度是钢材力学性能的主要检验指标。抗拉强度（σb）以MPa表达，并按式7-2计算：式中：Fb——试件拉断前的最大荷载（N）0AFbb（二）塑性钢材在受力破坏前可以经受永久变形的性能称为塑性。塑性指标通常用伸长率和断面收缩率表示。1、伸长率（δ）伸长率是钢材发生断裂时所能承受的永久变形的能力，以百分率表示，并按式7-3计算：式中：L1—试件拉断后标距部分的长度（mm）L0—试件的原标距长度（mm）n—长或短试件的标志，即试件标距长度为50mm时，n=5；标距长度为100mm时，n=10。001100LLLn2、断面收缩率（ψ）收缩率是试件拉断后缩颈处横断面积的最大缩减量占横截面积的百分率，以百分率表示，并按式7-3计算：式中：A1—试件裂断处的横截面积（mm2）A0—试件的原横截面积（mm2）伸长率δn与收缩率ψ都反映了钢材的变形性能。δn与ψ越大，表明钢材塑性越好，钢材越易加工，且易保证质量。一般δn≥15%，ψ≥10%为宜。010100AAA（三）冷弯性能冷弯性能是钢材在常温条件下承受规定弯曲程度的弯曲变形的能力，它是钢材的重要工艺性能之一。钢材的冷弯性能是以规定尺寸试件，在常温下进行弯曲试验。弯曲角度愈大，弯心直径与试件厚度比愈小，则表示弯曲性能的要求愈高。按我国现行国家标准《金属材料弯曲试验方法》（GB232－99）有下列三种类型：1、达到某规定的角度α的弯曲；2、绕着弯心弯到两面平行；3、弯到两面接触的重合弯曲。以上试验结果是试件按规定弯曲处不产生裂纹、断裂和起层等工艺现象，即为合格。（四）冲击韧性冲击韧性是钢材在瞬间荷载作用下，抵抗破坏的能力。试验方法按我国现行标准（GB－2106、GB－229）以摆冲法、横梁式为标准办法。按式7-4计算。式中：αk——钢材的冲击韧性Ak——摆锤冲断试样所作的功（kJ）A——试样断口的截面积（mm2）αk值低的钢材在断裂前没有显著的塑性变形，属脆性材料，不宜用作承担冲击荷载的构件。kkAAa（五）硬度所谓硬度，一般理解为金属表面局部体积内抵抗更硬物体压入而引起塑性变形的抗力。硬度愈高，即表明金属抵抗塑性变形能力愈大，金属产生塑性变形越困难。实际工作中常用硬度试验方法有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度三种。三、化学成分对碳素钢技术性能的影响（一）含碳量对碳素钢力学性能的影响碳是决定钢性能的主要元素，随着含碳量的增加，钢的强度和硬度相应提高，而塑性和韧性则相应降低；含碳量过高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。（二）钢中常存杂质元素对碳素钢性能的影响1、锰的影响锰在钢中是一种有益元素。在碳钢中含锰量通常小于0.8%；在含锰合金钢中含锰量一般控制在1.0%～1.2%的范围内。当锰含量不多，对钢的性能影响并不大。2、硅的影响硅在钢中也是一种有益元素。在碳钢中含硅量通常小于0.35%；当硅含量不多，对钢的性能影响并不大。3、硫的影响硫在钢中是一种有害元素。当将钢材在1000～1200℃温度下加工时，钢材变得极脆，这种脆性现象称为“热脆”。钢中含硫量必须严格控制，普通钢含硫量应小于或等于0.055%，优质钢含硫量应小于或等于0.040%，高级优质钢含硫量应小于或等于0.030%。4、磷的影响磷在钢中也是一种有害元素。可使钢中的铁素体的强度、硬度有所提高，但却使室温下钢的塑性、韧性急剧降低，使钢变脆，这种脆性现象称为“冷脆”。还使钢的可焊性能降低，因此钢中的含磷量必须严格控制，普通钢含磷量应小于或等于0.045%，优质钢含磷量应小于或等于0.040%，高级优质钢含磷量应小于或等于0.035%。第二节建筑钢材在路桥结构工程中的应用与技术要求建筑钢材包括钢结构用钢材和钢筋混凝土用钢筋和钢丝。一、钢结构用钢材（一）碳素结构钢碳素结构钢有称普通碳素结构钢，简称“普通钢”。1、碳素结构钢的分类：按国家标准分为下列三类：1）甲类钢这类钢按保证机械性能供应。其钢号以“甲”或“A”字加上阿拉伯数表示，共有1-7级。数字愈大的甲类钢，其屈服强度（σs）和抗拉强度（σb）愈大，但延伸率（δ5或δ10）却愈小。甲类钢使用范围：A1、A2、A3钢塑性较高，有一定强度，用于桥梁建筑等钢结构；A4、A5钢强度较高，用于各种型条钢或钢板等；A6、A7钢强度更高，用于制造工具等。甲类钢与特类钢的机械性能见教材中表7-1所示。2、碳素结构钢的牌号碳素结构钢按其化学成分和力学性能分为Q195、Q215、Q235、Q255、Q275等五个牌号。1）牌号表示方法根据国标《碳素结构钢》（GB700－88），钢的牌号表示如下图7-2。2）碳素结构钢的性能碳素结构钢的塑性好，适宜于各种加工，在焊接、冲击及超载等不利条件下也能保证安全，化学性能稳定，对轧制、加热及骤冷的敏感性较小。碳素结构钢的化学成分与力学性能见教材中表7-3和表7-4所示。脱氧方法：F（沸腾钢）、b（半镇静钢）、Z（镇静钢）、TZ（特殊镇静钢）质量等级（A、B、C、D）屈服点数值（MPa）图7-2钢的牌号表示钢材种类代号（专用代号Q）（二）低合金高强度结构钢低合金结构钢的强度、耐冲击韧性、耐磨性和耐腐蚀性均较高，按照国家标准《低合金高强度结构钢》（GB/T1591－94）的规定，低合金高强度结构钢的牌号由代表屈服点的字母Q、屈服点数值、质量等级三个部分按顺序排列。如：Q390A—屈服强度390MPa的A级低合金高强度结构钢。低合金高强度结构钢的强度大大高于碳素结构钢，并具有良好的工艺性能，其耐磨性、耐腐蚀性及耐低温性等均较良好。且质量较轻，可降低结构自重，因而适用于大型结构及桥梁等工程。低合金高强度结构钢的化学成分与力学性能见教材中表7-5和表7-6所示。二、钢筋混凝土和预应力混凝土用钢筋和钢丝桥梁建筑的钢材，除具有较高屈服点与抗拉强度外，还应具有良好塑性冷弯、冲击韧性，良好的焊接性和良好的抗腐蚀性。用于钢筋混凝土桥梁结构的钢材主要选取热轧钢筋、碳素钢丝和精轧螺纹钢筋等三大类。1、热轧钢筋是将钢材在高于结晶温度状态下，用机械方法轧制成不同外形的钢筋，按外形可分：1）光面钢筋其强度等级代号为R235，公称直径范围为8-20mm。2）带肋钢筋按强度分为HRB335和HRB400或KL400两个等级。公称直径范围为6-50mm；厂家生产的公称直径范围为8-40mm。2、碳素钢丝又称高强钢丝，一般是将热轧φ8高碳钢盘条加热到850～950oC的铅浴中淬火，使其具有较高的塑性，然后再经酸洗、镀铜、拉拔、矫直、回火、卷盘等工艺生产而得。碳素钢丝具有强度高、无需焊接、使用方便等优点，广泛应用于预应力混凝土结构。碳素钢丝按其外形分为：1）光面钢丝一般以多根钢丝组成钢丝束或钢绞线的形式应用。桥梁工程中常用的钢绞线有：1×2（二股）、1×3（三股）、1×7（七股）。由于组成钢绞线的钢丝直径不同，其公称直径为9.5mm、11.1mm、12.7mm和15.2mm四种规格。光面钢丝是预应力混凝土桥梁广泛采用的钢筋。2）螺纹肋钢丝、刻痕钢丝与混凝土之间的粘结性能好，适用于先张法预应力混凝土结构，我国生产的螺旋肋钢丝和刻痕钢丝的规格有d=4～9mm。3、精轧螺纹钢筋供货规格有d=18mm、25mm、32mm和40mm四种，主要用于小跨径的预应力混凝土桥梁构件。冷轧带肋钢筋是用热轧圆盘条经冷轧或冷拔减小直径后，冷轧成表面有肋的钢筋。按抗拉强度分为三个等级：LL550、LL650和LL800。LL550的供应规格为d=4～12mm，LL650的供应规格为d=4-6mm，LL800的供应规格为d=5mm。