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三、建筑鋼材

建筑鋼材是指用于建筑結(jié)構(gòu)中的鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的鋼材。主要有型鋼、鋼板、鋼管和各種鋼筋、鋼絲、鋼絞線(xiàn)等。

鋼材的優(yōu)點(diǎn)是材質(zhì)均勻、性能可靠、強(qiáng)度高而結(jié)構(gòu)自重輕;具有良好的塑性和韌性;能承受較大的沖擊荷載和振動(dòng)荷載;既可以采用焊縫連接，又可以采用螺栓和鉚釘連接;便于裝配，易于拆卸。適用于重型工業(yè)廠(chǎng)房、大跨度結(jié)構(gòu)、可裝配移動(dòng)的結(jié)構(gòu)以及高聳結(jié)構(gòu)和高層建筑。

鋼材的缺點(diǎn)是易銹蝕，需經(jīng)常進(jìn)行維護(hù)，維護(hù)費(fèi)高，且耐火性差。

在鋼筋混凝土中，鋼材能彌補(bǔ)混凝土抗拉、抗彎、抗剪和抗裂性能低的缺點(diǎn)。

(一)鋼材的分類(lèi)(掌握)

鋼材將生鐵(含碳量高于2.06%)在鋼爐中冶煉，使其含碳量降低到指定的范圍，去除雜質(zhì)后即得到鋼。

1.按化學(xué)成分分類(lèi)。鋼是含碳量低于2.06%的鐵碳(Fe—C)合金。按所含化學(xué)成分分類(lèi)，鋼材可分為碳素鋼和合金鋼：

(1)碳素鋼。碳素按其含碳(c)量的高低可分為：低碳鋼(C：<0.25%)，中碳鋼(C：0.25%～0.6%)，;高碳鋼(C：0.6%-1.3%)。

鋼的含碳量越高，鋼材的硬度、強(qiáng)度越高，但其塑性、韌性越差。

硫(S)、磷(P)是鋼材中的有害物質(zhì)，含量越高，其脆性越大。

(2)合金鋼。除Pe和C之外，另加入一種或多種的合金元素的鋼，稱(chēng)為合金鋼。

加入少量合金元素后，鋼材的性質(zhì)變得高強(qiáng)，具有彈性、韌性和良好的可焊性。根據(jù)合金元素總含量的大小，合金鋼可分為：

低合金鋼：合金元素總含量小于5%的合金鋼。

中合金鋼：合金元素總含量為5%—10%的合金鋼。

高合金鋼：合金元素總含量大于10%的合金鋼。

2.根據(jù)用途不同，鋼材可分為：結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼和特殊鋼(如不銹鋼、耐酸鋼、耐熱鋼等)。

建筑工程常用的鋼材多為普通碳素鋼中的結(jié)構(gòu)鋼和低合金鋼，軋材占絕大部分。

(二)鋼材的技術(shù)性能(掌握)

鋼材的主要技術(shù)性能包括：抗拉性能、沖擊韌性、疲勞強(qiáng)度、硬度、冷彎性能、時(shí)效反應(yīng)、焊接性能等。

1.抗拉性能。抗拉性能是建筑鋼材最重要和最常用的性能。通過(guò)拉伸試驗(yàn)可以測(cè)出彈性極限(或比例極限)、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及伸長(zhǎng)率等技術(shù)指標(biāo)。考核重點(diǎn)。

圖2—2為拉伸試驗(yàn)中反映鋼材在拉力作用下的應(yīng)力與應(yīng)變曲線(xiàn)圖。

其縱坐標(biāo)為鋼材單位面積上施加的拉應(yīng)力，橫坐標(biāo)為在鋼材單位長(zhǎng)度上產(chǎn)生的應(yīng)變。從圖2—2中可看出，鋼材拉伸變形過(guò)程可分為(O—A)、(A—B)、(B—C)和(C～D)四個(gè)階段。

(1)第1階段：彈性階段(O～A)。和A點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力稱(chēng)為彈性極限，用fp表示。

(2)第Ⅱ階段：屈服階段(A—B)。應(yīng)力超過(guò)A點(diǎn)以后，應(yīng)力與應(yīng)變不再成正比關(guān)系，這時(shí)如卸去拉力，試件變形不能完全消失，已有部分殘余變形。拉力繼續(xù)增加則曲線(xiàn)達(dá)到B點(diǎn)，此時(shí)鋼材屈服。故與B點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力稱(chēng)為屈服強(qiáng)度，用fy表示。屈服強(qiáng)度是鋼材的重要指標(biāo)，是鋼材彈性變形轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃蔚霓D(zhuǎn)折點(diǎn)。如果鋼材在超過(guò)屈服強(qiáng)度下工作，將會(huì)引起塑性變形。鋼材在正常使用情況下，不允許超過(guò)屈服點(diǎn)。

(3)第Ⅲ階段：強(qiáng)化階段(B—C)。鋼材應(yīng)力超過(guò)屈服點(diǎn)B以后，變形即迅速發(fā)展，進(jìn)入(B-C)階段，此階段盡管鋼材尚未破壞，但已不能滿(mǎn)足使用要求。故設(shè)計(jì)中一般以屈服點(diǎn)作為強(qiáng)度取值的依據(jù)。從圖中BC曲線(xiàn)逐步上升可以看出，試件在屈服階段以后，由于鋼材內(nèi)部組織產(chǎn)生晶格畸變，鋼材得到強(qiáng)化，其抵抗塑性變形的能力又重新提高，故稱(chēng)(B～C)為強(qiáng)化階段。對(duì)應(yīng)于最高點(diǎn)C的應(yīng)力稱(chēng)為抗拉強(qiáng)度，用fu表示。抗拉強(qiáng)度在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上雖然不能應(yīng)用，超過(guò)抗拉強(qiáng)度鋼材會(huì)被拉斷，但是屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度的比值，即屈強(qiáng)比f(wàn)y/fu，卻有一定的意義。在一定范圍內(nèi)，屈強(qiáng)比小，則表明鋼材在超過(guò)屈服點(diǎn)工作時(shí)結(jié)構(gòu)的可靠性較高，較為安全。

(4)第Ⅳ階段：頸縮階段(C～D)。應(yīng)力一應(yīng)變曲線(xiàn)超過(guò)C點(diǎn)以后，變形加快，應(yīng)力迅速下降，鋼材試件斷面收縮，在D點(diǎn)被拉斷，C—D頸縮階段是鋼材從拉伸到破壞的最后階段。

2.沖擊韌性。沖擊韌性是指在抗沖擊荷載作用下，鋼材抵抗破壞的能力。

3.疲勞強(qiáng)度。鋼材在交變荷載的作用下，在遠(yuǎn)低于抗拉強(qiáng)度時(shí)突然發(fā)生斷裂破壞，稱(chēng)為疲勞破壞。一般把鋼材承受規(guī)定次數(shù)交變荷載發(fā)生破壞所能承受的最大應(yīng)力稱(chēng)為疲勞強(qiáng)度。

4.硬度。硬度是指材料抵抗其他較硬物體壓人的能力，也可以說(shuō)是材料表面抵抗變形的能力。

5.冷彎性能。冷彎性能是指鋼材在常溫下承受彎曲變形的能力。承受彎曲變形程度越大，說(shuō)明鋼材冷彎性能越好。

(5)鋼材的冷加工強(qiáng)化與時(shí)效反應(yīng)。

將鋼材在常溫下進(jìn)行冷拉、冷拔或冷軋，使之產(chǎn)生一定的塑性變形，強(qiáng)度明顯提高，塑性和韌性有所降低，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為鋼材的冷加工強(qiáng)化。

鋼筋冷拉是在常溫下將其拉至應(yīng)力超過(guò)屈服點(diǎn)，但遠(yuǎn)小于抗拉強(qiáng)度時(shí)即卸荷，這樣在后期使用時(shí)，鋼筋的強(qiáng)度有明顯的提高。

將經(jīng)過(guò)冷拉的鋼筋，常溫下存放15-20d，或加熱到100C—200C并保持2-3h后，則鋼筋強(qiáng)度將進(jìn)一步提高，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為時(shí)效處理，前者稱(chēng)為自然時(shí)效，后者稱(chēng)為人工時(shí)效。通常對(duì)強(qiáng)度較低的鋼筋可采用自然時(shí)效，強(qiáng)度較高的鋼筋則需采用人工時(shí)效。

7.焊接性能。可焊性是指鋼材在一定焊接工藝條件下，在焊縫及其附近過(guò)熱區(qū)不產(chǎn)生裂縫及硬脆傾向，焊接后的力學(xué)性能，特別是強(qiáng)度不得低于原材料。

鋼材含碳量高將增加焊接的硬脆性，含碳量低于0.25%的碳素鋼具有良好的可焊性，加入合金元素降低可焊性。

(三)建筑常用鋼材(熟悉)

建筑工程用鋼有鋼結(jié)構(gòu)用鋼和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)用鋼兩類(lèi)。

1.鋼筋混凝土、預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼。

(1)鋼筋。鋼筋混凝土中常用的鋼筋為熱軋鋼筋，冷拉鋼筋、熱處理鋼筋等，一般按外形可分為光面筋及變形鋼筋。

鋼筋混凝土用鋼筋要有足夠的強(qiáng)度，一定的塑性。可焊性和與混凝土要有足夠的握裹力也是鋼筋混凝土用鋼筋的非常重要的要求。

鋼筋按直徑一般有6、8、10、12、14、16、18、20、25、30mm等不同規(guī)格。

鋼筋按強(qiáng)度一般分為HPB235(1)、HRB335(Ⅱ)、HRB400(Ⅲ)、HBB500(Ⅳ)四個(gè)等級(jí)，屈服及抗拉強(qiáng)度逐級(jí)增加，塑性逐級(jí)降低。

(2)鋼絲及鋼絞線(xiàn)。用于大型預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件。

預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度鋼絲是用優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼盤(pán)條，經(jīng)酸洗、冷拉或再經(jīng)回火處理等工藝制成的。預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絲具有強(qiáng)度高、柔性好、無(wú)接頭等優(yōu)點(diǎn)。施工簡(jiǎn)便，不需冷拉、焊接接頭等加工，而且質(zhì)量穩(wěn)定、安全可靠。

鋼絞線(xiàn)則是由高強(qiáng)度鋼絲，絞捻后經(jīng)一定熱處理清除內(nèi)應(yīng)力而制成的。鋼絞線(xiàn)主要用于大跨度、大負(fù)荷的后張法預(yù)應(yīng)力屋架、橋梁和薄腹梁等結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力筋。

2.鋼結(jié)構(gòu)用鋼。鋼材中的型鋼、鋼板與鋼管都是鋼結(jié)構(gòu)中常用的鋼材品種。

(1)型鋼。建筑中的主要承重結(jié)構(gòu)及輔助結(jié)構(gòu)，組成各種形式的鋼結(jié)構(gòu)。

(2)鋼板。鋼板有厚鋼材、薄鋼板和扁鋼(帶鋼)三種規(guī)格。

(3)鋼管。根據(jù)制作方法，鋼管分無(wú)縫鋼管和焊接鋼管。無(wú)縫鋼管是由優(yōu)質(zhì)碳素鋼或合金鋼制作，有熱軋和冷拔兩種。焊接鋼管按表面處理的不同分為鍍鋅鋼管和不鍍鋅鋼管兩種。無(wú)縫鋼管主要用于地質(zhì)鉆探及輸送各種液體、氣體的工業(yè)管道等。焊接鋼管一般用作輸水管、煤氣管、暖氣管及結(jié)構(gòu)零件等。

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