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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(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。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，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?？估阅苁墙ㄖ摬淖钪匾妥畛Ｓ玫男阅?。通過拉伸試驗(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，不允許超過屈服點(diǎn)。

(3)第Ⅲ階段：強(qiáng)化階段(B—C)。鋼材應(yīng)力超過屈服點(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(B～C)為強(qiáng)化階段。對(duì)應(yīng)于最高點(diǎn)C的應(yīng)力稱為抗拉強(qiáng)度，用fu表示?？估瓘?qiáng)度在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上雖然不能應(yīng)用，超過抗拉強(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fy/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)變曲線超過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)過程稱為鋼材的冷加工強(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)過程稱為時(shí)效處理，前者稱為自然時(shí)效，后者稱為人工時(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。

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?？珊感院团c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。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，鋼管分無縫鋼管和焊接鋼管。無縫鋼管是由優(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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