实验手册建筑钢材范本.doc

第2章 筑钢

学习指导

本章着重阐述公路工程常用建筑钢材的技术标准和性质。通过本章的学习规定学生掌握钢材的技术性质和技术标准，并能按设计规定选用相应规格的钢材。

金属材料涉及黑色金属和有色金属两大类，黑色金属是指以铁元素为重要成分的金属及其合金，常用的黑色金属材料有钢和生铁。有色金属是指黑色金属以外的金属，如铝、铜、铅、锌等金属及其合金。
建筑钢材是指用于钢结构的各种型材（如圆钢、角钢、工字钢、管钢等）、钢板和用于钢筋混凝土中的各种钢筋、钢丝、钢绞线等。
钢材具有良好的技术性质：材质均匀，性能可靠，强度高，能承受较大的弹塑性变形，加工性能好，因此，在土木工程中被广泛应用。
2.1 钢材的分类与结构11
2.1.1 钢按化学成分分类
钢材以铁为重要原素，含碳量为0.2％～2.06％，并具有其他的元素的合金材料。钢按化学成分分类可分为碳素钢和合金钢两大类。
1.碳素钢
碳素钢根据含碳量可分为：低碳钢（含碳小于0.25%）、中碳钢（含碳0.25%～0.6%）、高碳钢（含碳大于0.6%）。
2.合金钢
合金钢中具有一种或多种特意加人或超过碳素钢限量的合金元素（如锰、硅、矾、钛等）。这些合金元素用于改善钢的性能，或者使其获得某些特殊性能。
低合金钢（合金元素总含量小于5%）；
中合金钢（合金元素总含量为5%～10%）；
高合金钢（合金元素总含量大于10%）。

2.1.2 按钢在熔炼过程中脱氧限度不同分类
按钢在熔炼过程中脱氧限度不同分类,可分为：沸腾钢、镇静钢、半镇静钢、和特殊镇静钢四类。
1.沸腾钢
假如炼钢时脱氧不充足,钢液终尚有较多的金属氧化物，浇铸钢锭后钢液冷却到一定温度，其中的碳会与金属氧化物发生反映，生成大量一氧化碳气体外逸，引起钢液剧烈沸腾，因而这种钢材称为沸腾钢，其代号为“F”。沸腾钢中碳和有害杂质在钢中分布不均匀，富集于某些区间的现象特别严重，钢的致密限度差。故沸腾钢的冲击韧性和可焊接性较差，特别是低温冲级韧性的减少更显著。但从经济上比较，沸腾钢只消耗少量的脱氧剂，钢锭的搜索孔减少，成品效率高，故成本较低。
2.镇静钢
假如炼钢时脱氧充足，钢液中金属氧化物很少或没有,在浇铸钢锭时钢液会安静的冷却凝固，这种钢称为镇静钢，其代号为“Z”。镇静钢组织致密，气泡少，偏析限度小，各种力学性能比沸腾钢优越。可用于受冲击荷载的结构和其他重要结构。
3.半镇静钢。。。
半镇静钢是指脱氧限度和性能都介于沸腾钢和镇静钢之间的钢材，其代号为“b”。
4.特殊镇静钢
比镇静钢脱氧限度更充足彻底的钢，称为特殊镇静钢，代号为“TZ”。特殊镇静钢的质量最佳，合用于特别重要的结构工程。
钢按压力加工方式分类，可分为热加工钢材和冷加工钢材。
钢按用途分类，可分为钢结构用钢和混凝土结构用钢两种。

2.1.3 钢按重要质量等级（钢中有害杂质的多少）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％，高级优质钢的钢号后面加“高”字或“A”；
特级优质钢：含硫量≤0.015％，含磷量≤0.025％，特级优质钢后加“E”。
2.2 建筑钢材的技术性质
2.2.1 建筑钢材的物理力学性质
1.抗拉性能
抗拉性能是表达钢材性能的重要指标。由于拉伸是建筑钢材的重要受力形式，因此抗拉性能采用拉伸实验测定，以屈服点、抗拉强度和伸长率等指标表征。以低碳钢（软钢）受拉的应力-应变图2.1为例，可以较好地阐述这些重要的技术指标。
图2.1 低碳钢受拉应力-应变图
从图中可以看出，低碳钢受拉经历了四个阶段：弹性阶段（O→A）、屈服阶段（A→B）、强化阶段（B→C）、颈缩阶段C→D）。
（1）屈服强度
当试件拉力在OA范围内时，如卸去拉力，试件能恢复原状，应力与应变的比值为常数，即弹性模量（E），E=σ/ε。该阶段被称为弹性阶段。弹性模量反映钢材抵抗变形的能力，是计算结构受力变形的重要指标。
当对试件的拉伸进入塑性变形的屈服阶段AB时，称屈服下限B下所相应的应力为屈服强度或屈服点，记做σS。设计时一般以σS作为强度取值的依据。对屈服现象不明显的钢，规定以0.2%残余变形时的应力σ0.2作为屈服强度。屈服强度可按式（2.1）计算。

图2.2 钢材颈缩现象示意图
（2.1）
式中：——屈服点，MPa；
——屈服点荷载，N；
——试件的公称横截面积，mm2。
（2）抗拉强度
从图2.1中BC曲线逐步上升可以看出：试件在屈服阶段以后，其抵抗塑性变形的能力又重新提高，称为强化阶段。相应于最高点C的应力称为抗拉强度，用σb表达。抗拉强度按式（2.2）计算。
（2.2）
式中：——屈服点，MPa；
——屈服点荷载，N；
——试件的公称横截面积，mm2。
设计中抗拉强度不能运用，但屈强比σs/σb，却能反映钢材的运用率和结构安全可靠性。屈强比愈小，反映钢材受力超过屈服点工作时的可靠性愈大，因而结构的安全性愈高。但屈服比太小，则反映钢材不能有效地被运用，导致钢材浪费。建筑结构钢合理的屈强比一般为0.60～0.75。
（3）伸长率
图2.1中当曲线到达C点后，试件薄弱处急剧缩小，塑性变形迅速增长，产生“颈缩现象”而断裂（如图2.2所示）。试件拉断后测定出拉断后标距部分的长度L1（mm），L1与试件原标距L0（mm）比较，按式（2.3）可以计算出伸长率（δ）。
（2.3）
式中：——伸长率，%；
——试件原标距，mm；
——试件拉断后测定出拉断后标距部分的长度，mm。
伸长率表征钢材的塑性变形能力。由于在塑性变形时颈缩处的变形最大，故若原标距与试件的直径之比愈大，则颈缩处伸长值在整个伸长值中的比重愈小，因而计算的伸长率会小些。通常以δ5和δ10分别表达L0=5d0和L0=10d0时的伸长率，d0为试件直径。对同一种钢材,δ5应大于δ10。
2.冲击韧性
冲击韧性是指钢材抵抗冲击荷载的能力。冲击韧性指标是通过标准试件的弯曲冲击韧性实验拟定的，见图2.3。

图2.3 冲击韧性实验原理图
以摆锤冲击试件，以试件冲断时缺口处，单位截面积上所消耗的功，即为钢材的冲击韧性指标。用ak（J·cm-2）表达。ak值愈大，钢材的冲击韧性愈好。
钢材的化学成分、内在缺陷、加工工艺及环境温度都会影响钢材的冲击韧性。实验表白，冲击韧性随温度的减少而下降，其规律是开始下降缓和，当达成一定温度范围时，忽然下降很多而呈脆性，这种脆性称为钢材的冷脆性。此时的温度称为临界温度。其数值愈低，说明钢材的低温冲击性能愈好。所以在负温下使用的结构，应当选用脆性临界温度较工作温度低的钢材。
由于时效作用，钢材随时间的延长，其塑性和冲击韧性下降。完毕时效变化的过程可过数十年，但是钢材如经受冷加工变形，或使用中经受震动和反复荷载的影响，时效可迅速发展。因时效而导致性能改变的限度称为时效敏感性。对于承受动荷载的结构应当选用时效敏感性小的钢材。
因此，对于直接承受动荷载并且也许在负温下工作的重要结构，必须进行钢材的冲击韧性检查。
3.冷弯性能
冷弯性能是指钢材在常温下承受弯曲变形的能力，是钢材的重要工艺性能。
冷弯性能指标是通过试件被弯曲的角度（90°、180°）及弯心直径d对试件厚度（或直径）a的比值表达，如图2.4所示。

图2.4 钢材冷弯实验
钢材试件按规定的弯曲角和弯心直径进行实验，若试件弯曲处的外表面无裂断、裂缝或起层，即认为冷弯性能合格。冷弯实验能反映试件弯曲处的塑性变形，能揭示钢材是否存在内部组织不均匀、内应力和夹杂物杂等缺陷。冷弯实验也能对钢材的焊接质量进行严格的检查，能揭示焊件受弯表面是否存在未熔合，裂缝及夹杂物等缺陷。
4.硬度
钢材的硬度是指其表面抵抗外物压入产生塑性变形的能力，测定硬度的方法有布氏法和洛氏法。较常用的方法是布氏法，其硬度指标为布氏硬度值。

图2.5 布氏硬度实验示意图
布氏法是运用直径为D（mm）的淬火钢球，以一定的荷载P（N）将其压人试件表面，得到直径为d（mm）的压痕，如图2.5所示。以压痕表面积F（mm2）除荷载P，所得的应力值即为试件的布氏硬度值（HB），（不带单位）。布氏法比较准确，但压痕较大，不适宜成品检查。
洛氏法测定的原理与布氏法相似，但以压头压入试件的深度来表达洛氏硬度值（HR）。洛氏法压痕很小，常用于鉴定工件的热解决效果。
5.焊接性能
钢材重要以焊接的形式应用于工程结构中。焊接的质量取决于钢材与焊接材料的可焊性及其焊接工艺。
钢材的可焊性是指焊接后在焊缝处的性质与母材性质的一致限度。影响钢材可焊性的重要因素是化学成分及含量。一般，焊接结构用钢应注意选用含碳量较低的氧气转炉或平炉镇静钢。对于高碳钢及合金钢，为了改善焊接性能，焊接时一般要采用焊前预热及焊后热解决等措施。

2.2.2 化学成分对钢材性质的影响
以生铁冶炼钢材，通过一定的工艺解决后，钢材中除重要具有铁和碳外，尚有少量硅、锰、磷、硫、氧、氮等难以除净的化学元素。此外，在生产合金钢的工艺中，为了改善钢材的性能，还特意加入一些化学元素，如锰、硅、矾、钛等。这些化学元素对钢材的性能产生一定的影响。
1.碳 碳是决定钢材性质的重要元素。钢材随含碳量的增长，强度和硬度相应提高，而塑性和韧性相应减少。当含碳量超过1%时，钢材的极限强度开始下降。土木工程中用钢材含碳量不大于0.8%。此外，含碳量过高还会增长钢的冷脆性和时效敏感性，减少抗大气腐蚀性和可焊性。
2.硅 硅也是作为脱氧剂而存在于钢中的。硅的脱氧能力比锰还强。当硅的含量很低时，能显著地提高钢材的强度，但不明显的减少塑性和韧性。
3.锰 锰是我国低合金钢的主加合金元素，锰含量一般在1%～2%范围内，它的作用重要是使强度提高，锰还能消减硫和氧引起的热脆性，使钢材的热加工性质改善。
4.硫 硫是很有害元素。呈非金属硫化物夹杂物存在于钢中，具有强烈的偏析作用，减少各种机械性能。硫化物导致的低熔点使钢在焊接时易于产生热裂纹，显著减少可焊性。
5.磷 磷为有害元素。含量提高，钢材的强度提高，塑性和韧性显著下降，特别是温度愈低，对韧性和塑性的影响愈大。磷的偏析较严重，使钢材冷脆性增大，可焊性减少。
但磷可以提高钢的耐磨性和耐腐蚀性，在低合金钢中可配合其他元素作为合金元素使用。
6.氧 氧为有害元素。重要存在于非金属夹杂物内，可减少钢的机械性能，特别是韧性。氧有促进时效倾向的作用，氧化物导致的低熔点亦使钢的可焊形变差。
7.氮 氮对钢材性质的影响与碳、磷相似，使钢材的强度提高，塑性、韧性显著下降。氮可加剧钢材的时效敏感性和冷脆性，减少可焊性。
在有铝、铌、钒等的配合下，氮可作为低合金钢的合金元素使用。
8.铝、钛、钒、铌 均为炼钢时的强脱氧剂，能提高钢材强度，改善韧性和可焊性，是常用的合金元素。
2.3 建筑钢材的冷加工与热解决
2.3.1 冷加工
冷加工是指钢材在常温下进行的加工，常见的冷加工方式有：冷拉、冷拔、冷轧、冷扭、刻痕等。钢材经冷加工产生塑性变形，从而提高其屈服强度，这一过程称为冷加工强化解决。冷加工强化的机理描述如下：金属的塑性变形是通过位错运动来实现的，位错是指源自 行列间互相滑移形成的线状缺陷。假如位错运动受阻，则塑性变形困难，即变形抗力增大，因而强度提高。在塑性变形过程中，位错运动的阻力重要来自位错自身。由于随着塑性变形的进行，位错在晶体运动时可以通过各种机制发生增值，使位错密度不断增长，位错之间的距离越来越小并发生交叉，使位错运动的阻力增大，导致塑性变形抗力提高。另一方面，由于变形抗力的提高，位错运动阻力的增大，位错更容易在晶体中发生塞积，反过来使位错的密度加速增长。这相称于汽车通过一个十分拥挤，又没有指挥的十字路口。由于互相争强汽车新近十分困难。所以在冷加工时，依靠塑性变形时位错密度提高和变形抗力增大这两方面的互相促进，不久导致金属强度和硬度的提高，但也会导致其塑性减少。

图2.6 钢材冷拉时效后应力-应变图
冷加工强化过程如图2.6所示。钢材的应力-应变曲线为OBCD，若钢材被拉伸至超过屈服强度的任意一点K时，放松拉力，则钢材将恢复至Oˊ点。如此时立即再拉伸，其应力—应变曲线将为OˊK1C1D1，新的屈服点K1比原屈服点B提高，但伸长率减少。在一定范围内，冷加工变形限度越大，屈服强度提高越多，塑性和韧性减少得越多。
建筑工程中大量使用的钢筋采用冷加工强化具有明显的经济效益。通过冷加工的钢材，可适当减小钢筋混凝土结构设计截面或减少混凝土中配筋的数量，从而达成节约钢材的目的。钢筋冷拉尚有助于简化施工工序。冷拉盘条钢筋可省去开盘和调直工序；冷拉直条钢筋可与矫直、除锈等工序一并完毕。但冷拔钢丝的屈强较大，相应的安全储备较小。

2.3.2 时效
将通过冷拉的钢筋于常温下存放15～20d，或加热到100～200℃并保持一段时间，这个过程称为时效解决。前者称为自然时效，后者称为人工时效。
钢筋冷拉以后再通过时效解决，其屈服点进一步提高，塑性继续有所减少。由于时效过程中应力的消减，故弹性模量可基本恢复。如图2.6所示，经冷加工和时效后，其应力-应变曲线为OˊK1 C1 D1，此时屈服强度K1 和抗拉强度C1 均较时效前有所提高。一般强度较低的钢材采用自然时效，而强度较高的钢材则采用人工时效。
因时效而导致钢材性能改变的限度称为时效敏感性。时效敏感性大的钢材，经时效后，其韧性、塑性改变较大。因此，对重要性结构应选用时效敏感性小的钢材。

2.3.3 热解决
热解决是将钢材按一定规则加热、保温和冷却，以获得需要性能的一种工艺过程。热解决的方法有：
1.退火 将钢材加热至基本组织改变温度以下（低温退火）或以上（完全退火），适当保温后缓慢冷却，以消除内应力，减少缺陷及晶格畸变，使钢的塑性和韧性得到改善。
2.正火 将钢件加热至基本组织改变温度以上，然后在空气中冷却，使晶格细化，钢的强度提高而塑性有所减少。
3.淬火 将钢材加热至基本组织改变温度以上，保温使基本组织转变为奥氏体，然后投到水或矿物油中急冷，使晶粒细化，碳的固容量增长，强度和硬度加强，塑性和韧性明显下降。
4.回火 将比较硬脆、存在内应力的钢，加热至基本组织改变温度以下（150～650℃）保温后按一定制度冷却至室温的热解决方法称回火。回火后的钢材，内应力消除，硬度减少，塑性和韧性得到改善。
公路工程建筑所用钢材一般只在生产厂进行热解决，并以热解决状态供应。在施工现场，有时需对焊接钢材进行热解决。
2.4 钢材的锈蚀与防护
2.4.1 钢材的锈蚀
钢材表面与其存在环境接触，在一定条件下，可以互相作用使钢材表面产生腐蚀。钢材表面与其周边介质发生化学反映而遭到的破坏，称为钢材的锈蚀。根据钢材与周边介质的不同作用，可将其锈蚀分为下列两种。
1.化学锈蚀
化学锈蚀是指钢材直接与周边介质发生化学反映而产生的锈蚀，多数是由氧化作用在钢材表面形成疏松的氧化物。在干燥环境中反映缓慢，但在温度和湿度较高的环境条件下，锈蚀则发展迅速。
2.电化学锈蚀
钢材的表面锈蚀重要因电化学作用引起，由于钢材自身组成上的因素和杂质的存在，在表面介质的作用下，各成分电极电位的不同，形成微电池，铁元素失去了电子成为Fe2+离子进行介质溶液，与溶液中的OH-离子结合生成Fe（OH）2，使钢材遭到锈蚀。锈蚀的结果是在钢材表面形成疏松的氧化物，使钢结构断面减小，减少钢材的性能，因而承载力减少。
2.4.2 钢材的防护
1.钢材的防腐
钢材的腐蚀既有内因（材质），也有外因（环境介质的作用），因此要防止或减少钢材的腐蚀可以从改变钢材自身的易腐蚀性，隔离环境中的侵蚀性介质或改变钢材表面的电化学过程三方面入手。
（1）采用耐候钢
耐候钢即耐大气腐蚀钢。它是在碳素钢和低合金钢中加入合金元素铬、镍、钛、铜，制成的。这种在钢大气作用下，能在表面形成一种致密的防腐保护层，起到耐腐蚀的作用同时保持钢材良好的焊接性能。耐候钢的轻度级别与碳素钢和低合金钢一致，技术指标也相近，但其耐腐蚀能力确高出数倍。
（2）金属覆盖
用耐腐蚀性好的金属，以电镀或喷镀的方法覆盖在钢材表面，提高钢材的耐腐蚀能力。常用的方法有：镀锌（如白铁皮）、镀锡（如马口铁），镀铜，镀铬等。
（3）非金属覆盖
在钢材表面用金属材料做为保护膜，与环境介质隔离，以避免或减缓腐蚀。如喷涂涂料、搪瓷和塑料等。
涂料通常分为底漆、中间漆和面漆。底漆规定有比较好的附着力和防锈能力，中间漆为防锈漆，面漆规定有较好的牢度和耐候性以保护底漆不受损伤或风化。
（4）混凝土用钢筋的防锈
在正常的混凝土中pH值为12这时，在钢材表面形成碱性氧化膜，对钢筋起保护作用。若混凝土碳化后由于碱度减少会失去对钢筋的保护作用。此外，混凝土中氯离子达成一定浓度，也会严重破坏钢筋表面的钝化膜。
为防止钢筋锈蚀，应保证混凝土的密实度以及钢筋外侧混凝土保护层的厚度，在二氧化碳浓度高的工业区采用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，限制含氯盐外加剂掺量并使用混凝土用钢筋防锈剂。预应力混凝土应严禁使用含氯盐的集料和外加剂。钢筋涂覆环氧树脂或镀锌也是一种有效的防锈措施。
2.钢材的防火
钢是不燃性材料，但这并不表白钢材可以抵抗火灾。耐火实验与火灾案例表白：以失去支持能力为标准，无保护层时钢柱和钢屋架的耐火极限只有0.25h，而裸露的钢梁的耐火极限0.15h。温度在200℃以内，可认为钢材的性能基本不变；超过300℃以后，弹性模量、屈服点和极限抗压强度均开始显著下降，应变急剧增大,达成600℃时已失去支撑能力。所以没有防火防护层的钢结构是不耐火的。
钢结构防火保护的基本原理是采用绝热火吸热材料，阻隔火焰和热量，推迟钢结构的升温速率。防火方法以包覆法为主，即以防火涂料、不燃性板材或混凝土和砂浆将钢构件包裹起来。
2.5 桥梁建筑用常用钢材
2.5.1 桥梁建筑用钢的技术规定
用于桥梁建筑的钢材，根据工程使用条件和特点，这类钢应当具有以下技术规定：
1.良好的综合力学性能
桥梁结构在使用中承受复杂的交通荷载，同时在无遮盖的条件下经受大气条件的严酷环境考验，必须具有良好的综合机械性能。除具有较高的屈服点和抗拉强度外，还应具有良好的塑性、冷弯、冲击韧性和抵抗振动应力的疲劳强度以及低温的冲击韧性。
2.良好的焊接性
由于近代焊接技术的发展，桥梁结构趋向于采用焊接结构代替铆接结构，以加快施工速度和节约钢材。桥梁在焊接后不易整体热解决，因此规定钢材具有较好的焊接性，亦即焊接部分应强而韧，其强度和韧性应不低于或略低于焊件自身，以防止产生硬化脆裂和内应力过大现象。
3.良好的抗蚀性
桥梁长期暴露与大气中，所以规定桥梁用钢具有良好的抵抗大气因素腐蚀的性能。
2.5.2 钢结构用钢
1.碳素结构钢
碳素结构钢指一般结构钢和工程用热轧板、管、带、型、棒材等。现行国标GB700-88《碳素结构钢》规定了碳素钢的牌号表达方法、技术标准等。
（1）碳素结构钢的牌号
碳素结构钢的牌号由四部分表达，按顺序为：屈服点字母（Q）、屈服点数值（单位为MPa）、质量等级（有A、B、C、D四级，逐级提高）和脱氧方法符合（F为沸腾钢，b为半镇钢，Z为镇静钢，TZ为特殊镇钢。牌号表达时Z、TZ可省略）。
例如：Q235—A·F：表达屈服点为235MPa，A级沸腾钢。
Q235—B：表达屈服点为235MPa，B级镇静钢。
（2）技术规定
现行国标（GB700-88）对碳素钢的化学成分、力学性质及工艺性质做出了具体的规定。其化学成分及含量应符合表2.1的规定。
表2.1 碳素钢的化学成分
牌号
等级
化学成分/%
脱氧方法
C
Mn
Si
S
P
不大于
Q195
—
0.06～0.12
0.25～0.50
0.30
0.050
0.045
F、b、Z
Q215
A
0.09～0.15
0.05～0.55
0.30
0.050
0.045
F、b、Z
B
0.045
Q235
A
0.14～0.22
0.30～0.65
0.30
0.050
0.045
F、b、Z
B
0.12～0.20
0.30～0.70
0.045
C
≤0.18
0.35～0.80
0.040
0.040
Z
D
≤0.17
0.035
0.035
TZ
Q255
A
0.18～0.28
0.40～0.70
0.30
0.050
0.045
F、b、Z
B
0.045
Q275
—
0.28～0.38
0.50～0.80
0.35
0.050
0.045
b、Z
注：Q235A、B级沸腾钢锰含量上限为0.60%。
碳素结构钢依据屈服点Q的数值大小划分为五个牌号。其力学性能规定列如表2.2，冷弯实验规定列如表2.3。
表2.2 碳素结构钢的位伸与冲击实验
拉　伸　试　验
冲击实验
牌号
等级
屈服点σs /MPa
抗拉强度σb
/MPa
伸长率δ5 /%
温度/℃
V型
冲击功
（纵向）
/J
钢材厚度（直径）/mm
钢材厚材（直径）/mm
≤16
16
～
40
40
～
60
60
～100
100
～150
>150
≤16
16
～
40
40
～
60
60
～100
100
～150
>150
不 小 于
不 小 于
不小于
Q195
—
195
185
—
—
—
—
315～390
33
32
—
—
—
—
—
—
Q215
A
215
205
195
185
175
165
335～410
31
30
29
28
27
26
—
—
B
20
27
Q235
C
235
225
215
205
195
185
375～460
26
25
24
23
22
21
—
—
D
20
27
A
20
B
20
Q255
A
255
245
235
225
215
205
410～510
24
23
22
21
20
19
—
—
B
20
27
Q275
—
275
265
255
245
235
225
490～610
20
19
18
17
16
15
—
表2.3 碳素结构钢的冷弯性能
牌号
试样方向
冷弯实验B=2a 180°
钢材厚度（直径）/mm
≤60
>60～100
>100～200
弯心直径d
Q195
纵
横
0
0.5a
—
—
Q215
纵
横
0.5a
a
0.5a
2a
2a
2.5a
Q235
纵
横
a
1.5a
2a
2.5a
2.2a
3a
Q255
Q275
-
-
2a
3a
3a
4a
3.5a
4.5a
注：B为试样宽度，a为钢材厚度（直径）。
（3）钢材选用
碳素结构钢依牌号增大，含碳量增长，其强度增大，但塑性和韧性减少。建筑工程中重要应用Q235号钢，可用于轧制各种型钢、钢板、钢管与钢筋。Q235号钢具有较高的强度，良好的塑性、韧性，可焊性及可加工等综合性能好，且冶炼方便，成本较低，因此广泛用于一般钢结构。其中C、D级可用在重要的焊接结构。
Q195、Q215号钢材强度较低，但塑性、韧性较好，易于冷加工，可制作铆钉、钢筋等。Q225、Q275号钢材强度高，但塑性、韧性、可焊性差，可用于钢筋混凝土配筋及钢结构中的构件及螺栓等。
受动荷载作用结构、焊接结构及低温下工作的结构，不能选用A、B质量等级钢及沸腾钢。
表2.4 低合金高强度结构钢的化学成分
牌号
质量等级
化学成分/%
C
≤
Mn
Si
P
≤
S
≤
V
Nb
Ti
Al
≤
Cr
≤
Ni
≤
Q295
A
B
0.16
0.16
0.08～1.50
0.08～1.50
0.55
0.55
0.045
0.040
0.045
0.040
0.02～0.15
0.02～0.15
0.015～0.060
0.015～0.060
0.02～0.20
0.02～0.20
—
—

Q345
A
B
C
D
E
0.02
0.02
0.20
0.18
0.18
1.00～1.60
1.00～1.60
1.00～1.60
1.00～1.60
1.00～1.60
0.55
0.55
0.55
0.55
0.55
0.045
0.040
0.035
0.030
0.025
0.045
0.040
0.035
0.030
0.025
0.02～0.15
0.02～0.15
0.02～0.15
0.02～0.15
0.02～0.15
0.015～0.060
0.015～0.060
0.015～0.060
0.015～0.060
0.015～0.060
0.02～0.20
0.02～0.20
0.02～0.20
0.02～0.20
0.02～0.20
—
—
0.015
0.015
0.015
Q390
A
B
C
D
E
0.20
0.20
0.20
0.20
0.20
1.00～1.60
1.00～1.60
1.00～1.60
1.00～1.60
1.00～1.60
0.55
0.55
0.55
0.55
0.55
0.045
0.040
0.035
0.030
0.025
0.045
0.040
0.035
0.030
0.025
0.02～0.20
0.02～0.20
0.02～0.20
0.02～0.20
0.02～0.20
0.015～0.060
0.015～0.060
0.015～0.060
0.015～0.060
0.015～0.060
0.02～0.20
0.02～0.20
0.02～0.20
0.02～0.20
0.02～0.20
—
—
0.015
0.015
0.015
0.030
0.030
0.030
0.030
0.030
0.70
0.70
0.70
0.70
0.70
Q420
A
B
C
D
E
0.20
0.20
0.20
0.20
0.20
1.00～1.70
1.00～1.70
1.00～1.70
1.00～1.70
1.00～1.70
0.55
0.55
0.55
0.55
0.55
0.045
0.040
0.035
0.030
0.025
0.045
0.040
0.035
0.030
0.025
0.02～0.20
0.02～0.20
0.02～0.20
0.02～0.20
0.02～0.20
0.015～0.060
0.015～0.060
0.015～0.060
0.015～0.060
0.015～0.060
0.02～0.20
0.02～0.20
0.02～0.20
0.02～0.20
0.02～0.20
—
—
0.015
0.015
0.015
0.040
0.040
0.040
0.040
0.040
0.70
0.70
0.70
0.70
0.70
Q460
C
D
E
0.20
0.20
0.20
1.00～1.70
1.00～1.70
1.00～1.70
0.55
0.55
0.55
0.035
0.030
0.025
0.035
0.030
0.025
0.02～0.20
0.02～0.20
0.02～0.20
0.015～0.060
0.015～0.060
0.015～0.060
0.02～0.20
0.02～0.20
0.02～0.20
0.015
0.015
0.015
0.70
0.70
0.70
0.70
0.70
0.70
注：表中的Al为全铝含量。如化验酸溶铝时，其含量不应小于0.010 %。
2.低合金高强度结构钢
低合金高强度钢是普通低合金结构钢的简称。一般是在普通碳素钢的基础上，添加少量的一种或几种合金元素而成。合金元素有硅、锰、钒、钛、铌、铬、镍及稀土元素。加入合金元素后，可使其强度、耐腐蚀性、耐磨性、低温冲击韧性等性能得到显著提高和改善。
现行国家标准GB1591-94《低合金高强度结构钢》规定了低合金高强度钢的牌号与技术性质。
（1）低合金高强度钢的牌号
低合金高强度结构钢共有5个牌号。牌号由三部分表达：含碳量、合金元素的种类及含量。前两位数字表达平均含碳量的万分数；其后的元素符合表达按主次加入的合金元素；合金元素后面如未附数字，表达其平均含量在1.5%以下；如附有数字“2”，表达其平均含量在1.5%～2.5%之间；最后如附有“b”，表达为半镇静钢，否则为镇静钢。
例如：16Mn：表达平均含碳量为0.16%，平均含碳量低于1.5%的镇静钢。
（2）技术规定
按现行国标（GB1591-94）规定，低合金高强度结构钢的化学成分与力学性质如表2.4和表2.5。
表2.5 低合金高强度结构钢的力学、工艺性质
牌
号
质量
等级
屈服点σs /MPa
抗拉
强度σb
/MPa
伸长率
δ5
/%
冲击功A（kV）（纵向）/J
180℃弯曲实验
d=弯心直径；
a=试样厚度（直径）
厚度（直径，边长）/mm
+20℃
0℃
-20℃
-40℃
≤15
>16～35
>35～50
>50～100

不 小 于
钢材厚度（直径）/mm
不 小 于

≤16
>16～100
Q295
A
B
295
295
275
275
255
255
235
235
390～570
390～570
23
23

34

d=2a
d=2a
d=3a
d=3a
Q345
A
B
C
D
E
345
345
345
345
345
325
325
325
325
325
295
295
295
295
295
275
275
275
275
275
470～630
470～630
470～630
470～630
470～630
21
21
22
22
22

34

34

34

27
d=2a
d=2a d=2a
d=2a d=2a
d=3a
d=3a
d=3a
d=3a
d=3a
Q390
A
B
C
D
E
390
390
390
390
390
370
370
370
370
370
350
350
350
350
350
330
330
330
330
330
490～650
490～650
490～650
490～650
490～650
19
19
20
20
20

34

34

34

27
d=2a
d=2a d=2a
d=2a d=2a
d=3a
d=3a
d=3a
d=3a
d=3a
Q420
A
B
C
D
E
420
420
420
420
420
400
400
400
400
400
380
380
380
380
380
360
360
360
360
360
520～680
520～680
520～680
520～680
520～680
18
18
19
19
19

34

34

34

27
d=2a
d=2a d=2a
d=2a d=2a
d=3a
d=3a
d=3a
d=3a
d=3a
Q460
C
D
E
460
460
460
440
440
440
420
420
420
400
400
400
550～720
550～720
550～720
17
17
17

34

34

27
d=2a
d=2a d=2a
d=3a
d=3a
d=3a
（3）钢材选用
低合金高强度结构钢具有轻质高强，耐蚀性、耐低温性好，抗冲击性强，使用寿命长等良好的综合性能；具有良好的可焊性及冷加工性，易于加工与施工，因此，低合金高强度结构钢可以用作高层及大跨度建筑（如大跨度桥梁、大型厅馆、电视塔等）的主体结构材料。与普通碳素钢相比可节约钢材，具有显著的经济效益。
当低合金钢中的铬含量达11.5%时，铬就在合金金属的表面形成一层惰性的氧化铬膜，成为不锈钢。不锈钢具有低的导热性，良好的耐蚀性能等优点；缺陷是温度变化时膨胀性较大。不锈钢既可以作为承重构件，又可以作为建筑装饰材料。
3.型钢、钢板、钢管
碳素结构钢和低合金钢还可以加工成各种型钢、钢板、钢管等构件直接供工程选用，构件之间可采用铆接、螺栓联接、焊接等方式进行联接。
（1）型钢
型钢有热轧和冷轧两种成型方式。热轧型钢重要有角钢、工字钢、槽钢、T型钢、H型钢、Z型钢等。以碳素结构钢为原料热轧加工的型钢，可用于大跨度、承受动荷载的钢结构。冷轧型钢重要有角钢、槽钢等开口薄壁型钢及方形、矩形等空心薄壁型钢。重要用于轻型钢结构。
（2）钢板
钢板亦有热轧和冷轧两种型式。热轧钢板有厚板（厚度大于4mm）和薄板（厚度小于4mm）两种，冷轧钢板只有薄板（厚度为0.2～4mm）一种。一般厚板用于焊接结构；薄板可用作屋面及墙体围护结构等，亦可进一步加工成各种具有特殊用途的钢板使用。
（3）钢管
钢管分为无缝钢管与焊接钢管两大类。
焊接钢管采用优质带材焊接面成，表面镀锌或不镀锌。按其焊缝形式分为直纹焊管和螺纹焊管。焊管成本低，易加工，但一般抗压性能较差。
无缝钢管多采用热轧—冷拔联合工艺生产，也可采用冷轧方式生产，但成本昂贵。热轧无缝钢管具有良好的力学性能与工艺性能。无缝钢管重要用于压力管道，在特定的钢结构中，往往也设计使用无缝钢管。
2.5.3 混凝土结构用钢材
1.热轧钢筋
（1）牌号
现行国标GB13013-91《钢筋混凝土用热轧光圆钢筋》和GB1499-98《钢筋混凝土用热轧带肋钢筋》规定，热轧钢筋分为R235、HRB335、HRB400、HRB500四个牌号。牌号中R代表热轧光圆钢筋、HRB代表热轧带肋钢筋，牌号中的数字表达热轧钢筋的屈服强度。其中热轧光圆钢筋由碳素结构钢轧制而成，表面光圆；热轧带肋钢筋由低合金钢轧制而成，外表带肋。
按照现行国标（GB13013-91）和（GB1499-98）规定，对热轧光圆钢筋和热轧带肋钢筋的力学性能和工艺性能的规定如表2.6。
表2.6 热轧钢筋的力学性能、工艺性能
表面形状
牌 号
公