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建筑钢材建筑钢材第1页掌握：建筑钢材主要性能。熟悉：建筑钢材惯用钢种及应用。了解：钢筋混凝土用钢材品种及应用。本章教学目标第2页本本 章章 内内 容容l第一节第一节 概述概述l第二节第二节 建筑钢材主要技术性能建筑钢材主要技术性能l第三节第三节 建筑钢材惯用钢种建筑钢材惯用钢种l第四节第四节 钢筋混凝土用钢材钢筋混凝土用钢材第3页第一节钢冶炼和分类第4页一、建筑钢材类型一、建筑钢材类型建筑钢材 序言型材板材线材管材1.结构用角钢2.I字钢（基础支撑）3.槽钢4.方钢5.吊车轨6.钢板桩1.薄板2.厚板1.钢筋2.钢丝3.钢绞线供水、供气（汽）管线等。第5页二、建筑钢材应用二、建筑钢材应用建筑钢材 序言1.重型工业厂屋架、吊车梁；2.大跨度房屋结构；3.大跨度桥梁；4.多层、高层房屋梁架；5.移动式结构；6.轻型结构；7.在抗震要求比较高地方。第6页三、建筑钢材特点三、建筑钢材特点建筑钢材 序言优点缺点1.承载力高而重量较轻；2.材质均匀、致密，可靠性高；3.钢材塑性和韧性好；4.加工性能好，便于安装；5.耐热性很好。1.易锈蚀；2.耐火性差；3.能耗大、成本高；特点特点第7页建筑钢材 钢生产与分类四、钢生产钢生产钢铸锭钢压力加工钢生产过程钢生产方法铸锭脱氧处理化学偏析热加工冷加工1.氧气转炉法2.空气转炉法3.平炉炼钢法4.电炉炼钢法n炼钢生铁+氧第8页生铁矿生铁FeO、Fe2O3钢Fe2O3高炉中高温、加C（燃料）、石灰石等溶剂Fe，含C、S、P等有害元素，硬而脆、塑性差、抗拉强度差。C+O2 CO2S+O2 SO2P+O2 P2O5加氧脱氧C、S、P等元素含量降低，技术性能及质量比生铁好多。钢生产过程示意图返回比重较大，生成矿渣加 Mn、Si第9页建筑钢材 钢生产与分类五、钢分类按化学成份按脱氧程度按有害物质含量按冶炼方法按用途1.碳素钢2.合金钢1.低碳钢2.中碳钢3.高碳钢1.低合金钢2.中合金钢3.高合金钢1.沸腾钢F普通工程2.镇静钢Z预应力砼3.半镇静钢B4.特殊镇静钢TZ尤其主要工程1.普通钢2.优质钢3.高级优质钢4.特级优质钢平炉、转炉、电炉结构钢、工具钢、特殊钢0.02%C2.06Fe C S Pf 塑性韧性塑性韧性第10页l(1)沸腾钢l(2)镇静钢l(3)半镇静钢依据脱氧程度分为：名称脱氧程度质量沸腾钢不完全l组织不够致密，气泡多，化学偏析大，成份不均匀，质量较差，成本较低镇静钢充分l组织致密，成份均匀，机械性能好，质量很好，成本较高半镇静钢均介于上二者之间第11页二 钢分类第12页第13页第14页第二节建筑钢材主要技术性能第15页钢主要技术性能力学性能加工工艺性能抗拉性能冲击韧性耐疲劳性硬度冷弯性能冷加工性能时效强化焊接性能第16页 建筑钢材技术性能建筑钢材技术性能力学性能力学性能工艺性能工艺性能化学性能化学性能抗拉性能抗拉性能冲击韧性冲击韧性疲劳强度疲劳强度硬硬 度度冷弯性能冷弯性能第17页1.1.应力应力 2.2.应变应变3.3.弹性与弹性变形弹性与弹性变形4.4.塑性与塑性变形塑性与塑性变形FFALL0L1建筑钢材抗拉性能建筑钢材抗拉性能第18页一、钢材拉伸性能钢材拉伸演示过程以低碳钢为例钢材拉伸演示过程以低碳钢为例L0F1F1F2F2F3F3d0L0=5d0或10d0L1L2第19页低碳钢受拉过程分为四个阶段低碳钢受拉过程分为四个阶段建筑钢材抗拉性能建筑钢材抗拉性能O弹性阶段弹性阶段OAOA屈服阶段屈服阶段ABAB强化阶段强化阶段BCBC颈缩阶段CDABCD低碳钢受拉应力应变图低碳钢受拉应力应变图第20页建筑钢材抗拉性能建筑钢材抗拉性能一、弹性阶段OA 一条经过原点一条经过原点直线，应力与应变成正比。直线，应力与应变成正比。弹性弹性弹性模量弹性模量 E E值大小反应了钢材抵抗值大小反应了钢材抵抗弹性变形能力。弹性变形能力。A点对应点对应应力。应力。OA低碳钢受拉应力应变图低碳钢受拉应力应变图 E1 E2l图形特点：l 试件特点：l计算指标：ABCD弹性极限第21页建筑钢材抗拉性能建筑钢材抗拉性能二、屈服阶段AB 一条波动曲线，应力增加很小，而应变增加很大。所能承受拉力增加很小，而塑性变形快速增加，似乎钢材不能承受外力 屈服强度（也叫屈服点）点对应应力。l图形特点：l试件特点：l计算指标：OA低碳钢受拉应力应变图低碳钢受拉应力应变图ACDBB上上B下下屈服。第22页三、强化阶段BC 一段上升曲线。抵抗塑性变形能力又重新提升抗拉强度 l图形特点：l试件特点：l计算指标：OA低碳钢受拉应力应变图低碳钢受拉应力应变图ACDBB上上B下下C点对应应力。建筑钢材抗拉性能建筑钢材抗拉性能强化。第23页四、颈缩阶段CD 一段下降曲线。变形快速发展，在有杂质或缺点处，断面急剧缩小 ，直到断裂。伸长率：l图形特点：l试件特点：l计算指标：OA ACDBB上上B下下L1L0建筑钢材抗拉性能建筑钢材抗拉性能l计算指标：颈缩第24页三个主要指标1.屈服强度s 结构设计中钢材强度取值依据2.抗拉强度b 钢材所能承受最大应力 屈强比 屈强比，利用率，安全可靠程度3.伸长率 衡量钢材塑性指标，越大说明钢材塑性越好 OA ACDBB上上B下下第25页4断面收缩率L1d0L0L0=5d0或10d0A0、An前后截面积5与10谁大第26页中碳钢、高碳钢应力应变图l要求：产生残余变形为原始标距0.2%时所对应应力值，作为硬钢屈服强度，称为条件屈服强度，用0.2表示。第27页二、冲击韧性 钢材抵抗冲击荷载能力。定义试件第28页讨论与分析计算式测试方法演示ak冲击韧性。第29页钢化学成份;例：S、P冲击韧性冶炼及轧制质量质量冲击韧性温度温度，冲击韧性 ak影响冲击韧性原因 第30页l三、疲劳强度l受交变荷载重复作用，钢材在应力低于其屈服强度情况下突然发生脆性断裂破坏现象,称为疲劳破坏疲劳破坏。l钢材疲劳破坏普通是由拉应力引发，首先在局部开始形成细小断裂，随即因为微裂纹尖端应力集中而使其逐步扩大，直至突然发生瞬时疲劳断裂。疲劳破坏是在低应力状态下突然发生，所以危害极大，往往造成灾难性事故。钢材疲劳曲线示意图第31页四、钢材硬度l硬度是指钢材抵抗硬物体压入钢材表面能力。l方法：布氏法、洛氏法和维氏法，惯用方法是布氏法和洛氏法。定义测定方法演示第32页讨论与分析l材料硬度往往与材料其它性能有一定相关系，如：钢材HB值与抗拉强度之间有很好相关关系。第33页五、钢材冷弯性能 指钢材在常温下承受弯曲变形能力，试件被 弯曲角度、弯心直径与厚度比值d/a 定义指标试验演示第34页l弯曲角度 d/a ，表示对冷弯性能要求越高。结论钢材冷弯 第35页l钢材冷加工方式有冷拉、冷拔和冷轧。六 钢材冷加工(一一)钢材冷加工及时效钢材冷加工及时效冷加工强化处理冷加工强化处理是指常温下对钢材进行冷拉、冷拔或冷轧，使其产生塑性变形并提升屈服点。第36页1、冷拉：常温下对钢材进行拉长，这时屈服点提升了，长度增加了，抗拉强度基本不变，塑性和韧性有所下降。时效：冷拉钢筋，常温下存放一定时间。n时效处理：普通常温下存放1520天，用于级钢筋（自然时效）；加热100200并保持一定时间（2h），用于、级 钢筋（人工时效）第37页冷拉：屈服强度提升、抗拉强度不变、延伸率降低。时效：屈服强度深入提升、抗拉强度提升、延伸率深入降低。l钢筋冷拉后屈服强度可提升15%-20%，冷拔后屈服强度可提升40%-60%。第38页钢筋经冷拉时效后应力钢筋经冷拉时效后应力-应变图改变应变图改变 第39页2、冷拔：将钢筋经过比原来直径小拔丝摸拔出，钢筋受挤压后更密实、均匀。效果：屈服强度和抗拉强度屈服强度和抗拉强度提升；塑性、韧性下降塑性、韧性下降，脆性升高，脆性升高。在常受冲击荷载作用、低温环境中，不宜采取冷拔钢筋。第40页(二二)焊接性能焊接性能 l焊接焊接：把两块金属局部加热，并使其接缝部分快速呈熔融或半熔融状态，而牢靠连接起来。它是钢结构主要连接形式。l焊接性能：焊接性能：是指在一定焊接工艺条件下，在焊缝及其附近过热区不产生裂纹及硬脆倾向，焊接后钢材力学性能，尤其是强度不低于原有钢材强度。l影响原因影响原因：钢材化学成份对钢材可焊性有很大影响。l选择选择：焊接结构用钢，选含碳量较低氧气转炉或平炉镇静钢。对高碳钢及合金钢，需要采取焊前预热及焊后热处理等办法。第44页某烧结矿仓库运输廊道于1965年1月发生坍毁。事故发生时室外气温为36左右。经现场调查及取样试验可知所用沸腾钢含碳0.230.25，含硫0.06，焊接质量差。请分析事故原因。案例分析分析答案第45页1.碳是决定钢材性能主要元素。l伴随含碳量增加，钢强度和硬度提升，塑性和韧性下降。但当含碳量大于1.0%时，因为钢材变脆，强度反而下降。七钢化学成份对钢材性能影响第47页含碳量对热轧碳素钢性质影响 b抗拉强度；k冲击韧性；HB硬度；伸长率；面积缩减率 第48页2.硅、锰 l加入硅和锰能够与钢中有害成份FeO和FeS分别形成SiO2、MnO和MnS而进入钢渣排出，起到脱氧、降硫作用。第49页3.硫、磷 l硫使钢材热脆性增加，磷能使钢强度、硬度提升，但显著降低钢材塑性和韧性，使钢材冷脆性增加。l“热脆热脆”：硫能生成易于熔化硫化铁，当：硫能生成易于熔化硫化铁，当热加工及焊接使温度达热加工及焊接使温度达8001000时，使时，使钢材出现裂纹、变脆现象。钢材出现裂纹、变脆现象。l“冷脆冷脆”：在低温时，磷使钢材冲击韧性：在低温时，磷使钢材冲击韧性大幅度下降现象。大幅度下降现象。第50页4.氧、氮l降低了钢材强度、冷弯性能和焊接性能。氧还使钢热脆性增加，氮使冷脆性及时效敏感性增加。第51页5.铝、钛、钒、铌l是钢强脱氧剂和合金元素。能改进钢组织、细化晶粒、改进韧性，并显著提升强度。第52页第三节建筑钢材惯用钢种第53页l普通碳素结构钢简称碳素结构钢，化学成份主要是铁，其次是碳，故也称铁-碳合金。其含碳量为0.02%-2.06%，另外尚含有少许硅、锰和微量硫、磷等元素。一一 碳素结构钢碳素结构钢第54页 碳素结构钢牌号由代表屈服点字母、屈服点数值、质量等级符号、脱氧程度符号四部分按次序组成。(一一)碳素结构钢牌号表示方法碳素结构钢牌号表示方法伴随牌号增大钢碳含量、抗拉强度增大，塑性、韧性、冷弯性能降低。质量等级代号：质量等级代号：A、B、C、D屈服点数值（屈服点数值（N/mm2）：）：195、215、235、255、275钢材屈服点代号：钢材屈服点代号：Q脱氧程度代号：脱氧程度代号：F、b、Z、TZ，其中，其中Z、TZ能够省略能够省略 第55页(二二)碳素结构钢技术要求碳素结构钢技术要求(三三)碳素结构钢性能和应用碳素结构钢性能和应用第56页l低合金高强度结构钢综合性能较为理想，尤其在大跨度、承受动荷载和冲击荷载结构中更适用，而且与使用碳素钢相比，可节约钢材20%-30%，但成本并不很高。二二 低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢第57页低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢牌号由代表屈服点字母、屈服点数值、质量等级符号三部分按次序组成,共有共有5 5个牌号。个牌号。(一一)低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢牌号表示方法牌号表示方法 质量等级代号：质量等级代号：A、B、C、D、E 屈服点数值（屈服点数值（N/mm2）：）：295、345、390、420、460 钢材屈服点代号：钢材屈服点代号：Q第58页l(二二)低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢技术要求技术要求l(三三)低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢性能和应用性能和应用注：低合金高强度结构钢注：低合金高强度结构钢A、B级属于镇静钢，级属于镇静钢，C、D、E级属于特殊镇静钢。级属于特殊镇静钢。第59页第四节钢筋混凝土用钢材第60页l热轧钢筋：由冶金工厂直接热轧成型；l冷加工钢筋：主要是为了节约钢材而采取，有冷拉钢筋、冷拔低碳钢丝；l预应力砼用钢丝、钢绞线：用优质碳素钢条加工而成，分矫直回火钢丝、颗痕钢丝、冷拉钢丝；l预应力砼热处理钢筋：普通经过淬火、回火处理，含有很好塑性和强度。混凝土含有较高抗压强度，但抗拉强度很低。用钢筋增强混凝土，可大大扩展混凝土应用范围，而混凝土又对钢筋起保护作用。钢筋混凝土结构钢筋，主要由碳素钢筋混凝土结构钢筋，主要由碳素结构钢和优质碳素钢制成。结构钢和优质碳素钢制成。第61页钢筋按外形分类钢筋按外形分类光面钢筋光面钢筋变形钢筋变形钢筋第62页l一、热轧钢筋一、热轧钢筋混凝土结构用热轧钢筋应有较高强度，含有一定塑性、韧性、冷弯和可焊性。热轧热轧钢筋钢筋是经热轧成型并自然冷却成品钢筋，主要有用Q235轧制光圆钢筋和用合金钢轧制带肋钢筋两类。带肋钢筋(a)月牙肋钢筋(b)等高肋钢筋 第63页(a)等高肋钢筋；(b)月牙肋钢筋 第64页热轧钢筋力学性能和工艺性能热轧钢筋力学性能和工艺性能 第65页l热轧光圆钢筋HPB235级：强度较低，但塑性及焊接性能很好，便于各种冷加工，用作普通钢筋混凝土构件受力筋及结构筋；lHRB335和HRB400钢筋：强度较高，塑性和焊接性能也很好，广泛用作大、中型钢筋混凝土结构受力钢筋；lHRB500钢筋：强度高，但塑性和焊接性能较差，可用作预应力钢筋。第66页二、冷拔钢丝和冷轧带肋钢筋二、冷拔钢丝和冷轧带肋钢筋l冷拔钢丝冷拔钢丝是将Q235(或Q215)圆盘条经过截面小于钢筋截面钨合金拔丝模而制成。l冷轧带肋钢筋冷轧带肋钢筋是用低碳热轧圆盘条经冷轧或冷拔减径后，在其表面冷轧成三面有肋钢筋。它克服冷拉、冷拔钢筋握裹力低缺点，同时含有和冷拉、冷拔相近强度，广泛应用于在中、小型预应力混凝土结构构件和普通混凝土结构构件中。第67页冷轧带肋钢筋冷轧带肋钢筋第68页三三 预应力混凝土用热处理钢筋预应力混凝土用热处理钢筋l热处理钢筋热处理钢筋是将热轧带肋钢筋经淬火和高温回火调质处理而成。其特点是塑性降低不大，但强度提升很多，综合性能比较理想，主要用于预应力混凝土轨枕，代替碳素钢丝。第69页热处理钢筋力学性质热处理钢筋力学性质(GB 44631984)(GB 44631984)公称直径(mm)牌号屈服强度(MPa)抗拉强度(MPa)伸长率(%)l大于 640Si2Mn 1325147068.248Si2Mn 1045Si2Cr 第70页2 2）热轧型钢（图）热轧型钢（图2.1.22.1.2）第71页四四 预应力混凝土用钢丝预应力混凝土用钢丝l预应力混凝土用钢丝质量稳定、安全可靠、强度高、无接头、施工方便，主要用于大跨度屋架、薄腹架、吊车梁或桥梁等大型预应力混凝土构件，还可用于轨枕、压力管道等预应力混凝土构件。第72页螺旋肋钢丝外形示意图 预应力混凝土用钢丝预应力混凝土用钢丝是用优质碳素结构钢制成，抗增强度高，分为消除应力光圆钢丝（S）、消除应力刻痕钢丝（SI）、消除应力螺旋力钢丝（SH）和冷拉钢丝（RCD）四种。SI和SH与混凝土粘结力好。第73页三面刻痕钢丝外形示意图 第74页五五 预应力混凝土用钢绞线预应力混凝土用钢绞线l钢绞线含有强度高，与混凝土粘结好，断面面积大，使用根数少，在结构中排列布置方便，易于锚固等优点，主要用于大跨度、大荷载预应力屋架、薄腹梁等构件。第75页预应力钢绞线截面图 预应力混凝钢绞线预应力混凝钢绞线是以数根优质碳素结构钢丝以绞捻和消除内应力热处理而制成。分为三种结构类型：12、13和17。钢绞线与混凝土粘结力很好。第76页第77页某厂钢结构屋架用中碳钢焊接而成，使用一段时间后，屋架坍塌，请分析事故原因。案例分析分析答案钢结构屋架坍塌钢结构屋架坍塌 钢结构屋架第78页l钢结构建筑有许多优点，与钢筋混凝土相比，有更加好抗震、防腐、耐久、环境保护和节能效果；可实现构架轻量化和构件大型化，施工亦较为简便。但同时也存在不少缺点，其中较突出一点是防火问题。l美国纽约世贸大厦为钢结构，9月11日被恐怖主义者攻击、坍毁，给人们提出了钢结构防火、防攻击破坏新课题。实事链接911911事件事件世贸大厦坍毁 第80页 美国世贸中心大楼是经典钢结构高层建筑，位于美国纽约市曼哈顿闹市区南部、纽约海港旁，由5幢建筑物组成，其主楼呈双塔形，使用钢材7.8万吨，楼外围有密置钢柱，墙面由铝板和玻璃窗组成，素有“世界之窗”之称。“9.11”恐怖攻击中，在大火作用下主楼仅仅经过30分钟便轰然坍毁，造成了死亡2797人、损失360亿美元举世震惊惨案。4月5日，青岛市即墨正大食品有限企业厂房发生火灾，在高温作用下，钢结构屋架约经过30分钟便轰然坍毁，造成20多名员工因未能及时疏散而被埋压在厂房内活活烧死，教训十分深刻。为保障人民群众生命财产安全，做好新形势下钢结构建筑火灾预防工作，对于杜绝群死群伤恶性火灾事故含有十分主要现实意义。第81页 众所周知，钢材含有很好耐热性，其本身并不燃烧。基于这一事实，许多人认为钢材根本不会着火，所以对于钢结构就根本没有必要采取什么防火办法。其实不然，因为钢材含有耐热而不耐高温特征，伴随温度升高，钢材强度会逐步降低，在火灾作用下，钢结构构件温度到达350、500、600时，强度分别下降1/3、1/2、2/3。一旦到达500钢结构构件就会发生软化而造成瞬时瓦解坍毁。钢结构防火办法有：用金属网抹50#砂浆做保护层、用混凝土作保护层、用普通粘土砖作保护层、用防火隔热涂料做保护层等几个方法。归纳起来惯用防火办法主要有结构防火和喷涂防火涂料两种类型。其中防火结构可分为外包混凝土材料、外包钢丝网水泥砂浆、外喷防火涂料等几个结构形式。第82页1.钢材冷弯试验时采取弯曲角越大，弯心直径对试件厚度（或直径）比值越小，表示对冷弯性能要求越高。课堂练习2.钢材伸长率是衡量其塑性指标，其数值越小表示钢材塑性越好。3.中碳钢焊接性能优于低碳钢。4.碳素结构钢性能Q235-AF优于Q235-C。是否是否是否是否第83页6.Q235-Ab钢材抗冲击性能（）Q235-D钢材。优于差于相同于7.甲乙两钢筋直径相同，所作冷弯试验弯曲角相同，甲弯心直径较小，则两钢筋冷弯性能（）相同甲很好乙很好8.严冬地域受动荷载作用焊接结构钢选取（）牌。Q235-BQ235-AFQ2759.（）含量增加，将会显著降低钢材低温冲击韧性。硅锰磷ABCBACABCCBA第84页