土木工程用钢材 第一部分土木工程钢材的基本知识 第二部分 钢筋 第三部分 钢筋焊接件 第四部分 钢筋机械连接,第一部分土木工程钢材的基本知识 第一节 概述 第二节 建筑钢材的主要技术性能 第三节 建筑钢材化学成分对其性能的影响 第四节 钢材的冷加工和时效强化 第五节 建筑钢材的技术标准与选用,第一节 概述 17世纪70年代人类开始大量应用生铁作建筑材料 19世纪初开始用熟铁、软钢建造桥梁和房屋。 1860年前后，发明了制钢的转炉与平炉，随后确立了钢材的热轧技术， 1889年建造了法国的埃菲尔铁塔 1850年法国人朗波制造了第一只钢筋混凝土小船 ，并获得钢筋混凝土专利 1872年在纽约出现了第一所钢筋混凝土房屋， 19世纪60年代在上海、汉阳等地相继建成炼铁厂 20世纪30年代预应力混凝土诞生 钢材及其与混凝土复合的钢筋混凝土和预应力混凝土，已成为现代建筑结构的主体材料。,土木工程钢材是指用于钢结构的各种型钢（角钢、槽钢、工字钢等）、钢板、钢管和用于钢筋混凝土中的各种钢筋、钢丝等（P57表A.2.1）。 一、钢材的特点 优点：1.质量均匀，性能可靠钢材是在严格的技术控制条件下生产的材料，与非金属材料（混凝土）相比，品质均匀稳定、性能可靠。,2、（比）强度、硬度高轻质高强（比强度50，C3012.5）适合于制作各种承载较大的构件和结构（高层、大跨），以及钢轨和机械加工用的切割工具。 3、塑性、韧性好 常温下能承受较大的塑性变形，便于冷拉、冷拔、冷轧等各种工冷加工；良好的韧性，使钢材可承受较大的冲击、振动荷载，适合于制作吊车梁、桥梁等承受动荷载的结构和构件（抗震性好） 。,4、加工性好、施工效率高 可浇铸成各种形状、也可冷、热加工（可冷拉、冷拔、冷轧、铸造、锻造、切割、压力加工、热处理）；也可用铆接、焊接、机械连接等连接方式进行装配式施工，便于预制和装配。 缺点：易锈蚀（10t钢材1t铁锈3t设备报废）、维护费用大、耐火性差、生产能耗大（300GJ/m3贵砼3.4,抽筋师、地条钢 ）.,二、钢材的分类 金属： 黑色金属 + 有色金属 （钢、铁 、铁合金） （铅、铝、铜等） 按比重分 轻金属（ d5 ） （铝、镁等） （铁、铜、锌） 钢与生铁的区分在于含碳量的大小。 含碳量小于2.06的铁碳合金称为钢。 含碳量大于2.06的铁碳合金称为生铁 炼钢将生铁在炼钢炉中冶炼，使碳的含量降低到预定的范围，硫、磷等其他杂质含量降低到允许的范围，经烧铸即得到钢锭，再经过加工工艺处理后、得到钢材。,三、土木工程用钢 结构钢中的普通低碳钢、普通低合金钢为土建工程中常用钢种 （1）沸腾钢（F）：气泡多，品质差，适用一般建筑 结构，而不能承受动荷载。 （2）镇静钢（Z）：脱氧完全，质量好，用于预应力混凝土，承受动荷载、冲击结构荷载结构。 （3）半镇静钢（b）： （4）特殊镇静钢（TZ）：用于特别重要的工程。,第二节 建筑钢材的主要技术性能,包括力学性能（抗拉、韧性等）和工艺性能（冷弯、焊接、机械连接） 一、力学性能 建筑钢材承受静荷载时，强度要足够，且要求产生的变形不影响结构的正常工作和安全使用。 承受动荷载时，要求较高的韧性而不发生断裂。,由低碳钢在拉伸过程中形成的应力()-应变()关系图可知，低碳钢受拉过程可划分为以下4个阶段。 (1)弹性阶段(OA) (2)屈服阶段(AB) (3)强化阶段(BC) (4)颈缩阶段(CD) 主要测试指标：屈服强度、抗拉强度、伸长率（断面收缩率）等,（一）、 抗拉性能,低碳钢受拉的应力-应变图（试验演示）,(1)弹性阶段(OA) 在OA范围内应力与应变成正比例关系，如果卸去外力，试件则恢复原来的形状，这个阶段称为弹性阶段。 弹性阶段的最高点A所对应的应力值称为弹性极限p。当应力稍低于A点时，应力与应变呈线性正比例关系，其斜率称为弹性模量，用E表示，E=/=tan。 它是钢材在受力条件下计算结构变形的重要指标。,(2)屈服阶段(AB) 当应力超过弹性极限p后，应力和应变不再成正比关系，应力在B上至B下小范围内波动，而应变迅速增长。在-关系图上出现了一个接近水平的线段。如果卸去外力已出现塑性变形，AB称为屈服阶段。 B下所对应的应力值称为屈服极限s。 钢材受力达屈服点后，变形即迅速发展，尽管尚未破坏但已不能满足使用要求。故设计中一般以屈服点作为强度取值依据保证结构在弹性范围内工作。,(3)强化阶段(BC) 当应力超过屈服强度后，由于钢材内部组织产生晶格扭曲、晶粒破碎等原因，阻止了塑性变形的进一步发展，钢材抵抗外力的能力重新提高。在-关系图上形成BC段的上升曲线，这一过程称为强化阶段。对应于最高点C的应力称为抗拉强度，用b表示，它是钢材所能承受的最大应力。,抗拉强度设计时不能利用。 强屈比=抗拉强度/屈服强度 具有实际意义。 强屈比越大，钢材在受力超过屈服点工作时的可靠性越大，结构愈安全。 但如果强屈比过大，则钢材有效利用率太低，造成浪费。 常用碳素钢的强屈比为1.591.72，合金钢为1.331.54。 用于抗震结构的普通钢筋实测的强屈比要求1.25。,5.2.2对有抗震设防要求的结构，其纵向受力钢筋的性能应满足设计要求；当设计无具体要求时，对按一、二、三级抗震等级设计的框架和斜撑构件（含梯段）中的纵向受力钢筋应采用HRB335E、HRB400E、HRB500E、HRBF335E、HRBF400E或HRBF500E钢筋，其强度和最大力下总伸长率的实测值应符合下列规定：,新增 5.2.2（强条）,牌号带“E”的钢筋也就是常说的抗震钢，其表面轧有专用标志。,混凝土结构工程施工质量验收规范GB50204-2002 （2011年版）局部修订,1 钢筋的抗拉强度实测值与屈服强度实测值的比值不应小于1.25； 2 钢筋的屈服强度实测值与屈服强度标准值的比值不应大于1.30； 3 钢筋的最大力下总伸长率不应小于9%。 检查数量：按进场的批次和产品的抽样检验方案确定。 检查方法：检查进场复验报告。,(4)颈缩阶段(CD) 当应力达到抗拉强度b后，在试件薄弱处的断面将显著缩小，塑性变形急剧增加，产生“颈缩”现象并很快断裂。,伸长率是衡量钢材塑性的指标，它的数值越大，表示钢材塑性越好。塑性小，材质硬脆，超载易脆断；良好的塑性，可将结构上的应力(超过屈服点的应力)重分布，从而避免结构过早破坏。,有些钢材(如中、高碳钢)无明显的屈服现象，规定：产生残余变 形为原始标距的0.2% (0.2L0) 时所对应的应力值， 作为硬钢的屈服强度， 称为条件屈服强度， 用0.2表示。,冲击韧性指钢材抵抗冲击荷载的能力。 它是用试验机摆锤冲击带有V形缺口的标准试件的背面，将其折断后试件单位截面积上所消耗的功，作为钢材的冲击韧性指标，以k表示(J/cm2)。 k值越大，表明钢材的冲击韧性愈好(如图)。 影响钢材冲击韧性的因素很多，钢的化学成分、组织状态，以及冶炼、轧制质量、温度和时效都会影响冲击韧性。,（二）、 冲击韧性,图8.2 冲击韧性试验图（实验演示）,(a)试件尺寸；(b)试验装置；(c)试验机,1摆锤；2试件；3试验台；4刻度盘；5指针,1、钢中碳、磷、硫含量较高，存在偏析、非金属夹杂物、气孔和焊接中形成的微裂纹等，都会使冲击韧性显著降低。 2、钢的冲击韧性随温度的下降而减小，当降到一定温度范围时。k值急剧下降，从而可使钢材出现脆性断裂这种性质称为钢的低温冷脆性。 发生冷脆性的温度，称为脆性临界温度。脆性临界温度越低，则低温冲击韧性越好。,在低温严寒地区选用钢材，特别是承受动荷载的重要结构，必须要检验其低温下的冲击韧性。 选用钢的脆性临界温度必须低于环境最低温度。（通常根据使用环境温度规定-20或-40的k，所用钢材应满足标准要求）,3、时效及时效敏感性 随着时间的进展，钢材机械强度提高，而塑性和韧性降低的现象称为时效。 因时效而导致性能改变的程度称为时效敏感性。其大小可用时效前后冲击韧性值下降的程度来衡量，时效敏感性大，冲击韧性值下降显著。 完成时效变化的过程中达数十年，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。 对于承受动荷载的结构应该选用时效敏感性小的钢材。（举例）,1912年4月11日，当时世界上最豪华的客轮“泰坦尼克号”在纽芬兰海岸外与冰山相撞，船上1513人与船一起沉没,钢材在交变应力的反复作用下，往往在应力远小于其抗拉强度时就突然破坏的现象, ，称为疲劳破坏。 疲劳破坏指标用疲劳强度（或疲劳极限）表示，指材料试件在交变应力作用下，不发生疲劳破坏的最大应力值。 一般认为，钢材的疲劳破坏是由拉应力引起的，抗拉强度高，其疲劳极限也较高。钢材的疲劳极限与其内部组织和表面质量有关。,（三） 疲劳强度,疲劳强度由试验确定，即在规定的应力循环次数下（106-108），对应的极限应力值。 钢材疲劳破坏的应力值随应力循环次数的增加而降低。,应力疲劳极限，材料或结构在荷载多次重复作用下不会破坏。 疲劳极限静力强度（砼50-60%f压，钢材弯曲疲劳极限为f拉的40%）,疲劳破坏不同于静力破坏，是在低应力状态下突然发生的脆性破坏，危害极大，往往造成灾难性的事故（例灌注桩、钻井、桥、弹簧水管、疲劳死亡）。 设计承受反复荷载的结构时应了解材料的疲劳极限,硬度是指钢材抵抗较硬物体压入产生局部变形的能力。测定钢材硬度常用布氏法。 布氏法是用一直径为D的硬质钢球，在荷载P(N)的作用下压入试件表面，经规定的时间后卸去荷载，用读数放大镜测出压痕直径d，以压痕表面积(mm2)除荷载P，即为布氏硬度值HB。HB值越大，表示钢材越硬。如图8.3。,（四） 硬度,图8.3 布氏硬度测定示意图,良好的工艺性能可保证钢材顺利通过各种加工，而无损于制成品的质量 （一）冷弯性能 1.定义：冷弯性能是钢材在常温下承受弯曲变形的能力，是钢材的工艺性能指标。 2.弯曲测试： 钢材的冷弯性能指标是用弯曲角度和弯心直径对试件厚度(直径)的比值来衡量的。 试验时采用的弯曲角度愈大，弯心直径对试件厚度(直径)的比值愈小，表示对冷弯性能的要求愈高。 对不同的钢材有相应的标准要求，试件受弯处不发生裂缝，断裂或起层，即认为冷弯性能合格（实验演示）。,二、工艺性能,3.冷弯的意义：钢材的冷弯性能和伸长率均是塑性变形能力的反映，但伸长率是在试件轴向均匀变形条件下测定的，而冷弯性能则是在更严格条件下钢材局部变形的能力，它可揭示钢材内部结构是否均匀，是否存在内应力和夹杂物等缺陷，还经常用冷弯来检验焊缝接头。,图8.4 钢材冷弯,(a)试样安装；(b)弯曲90；(c)弯曲180；(d)弯曲至两面重合；(e)规定弯心,（二）焊接性能 焊接是把两块金属局部加热，并使其接缝部分迅速呈熔融或半熔融状态，而牢固的连接起来。它是钢结构的主要连接形式。 焊件质量焊接工艺、钢材的可焊性、焊接材料 钢材的可焊性（焊接性能）是指在一定的焊接工艺条件下，在焊缝及其附近过热区不产生裂纹及硬脆倾向，焊接后钢材的力学性能，特别是强度不低于原有钢材的强度。 焊件质量检验项目：抗拉强度、焊接处冷弯、冲击韧性等,钢材的化学成分对钢材的可焊性有很大的影响。 随钢材的含碳量、合金元素及杂质元素含量的提高，钢材的可焊性降低。 钢材的含碳量超过0.25时，可焊性明显降低； 硫含量较多时，会使焊口处产生热裂纹，严重降低焊接质量。 钢材的焊接须执行有关规定 JGJ18-2003 钢筋焊接及验收规程 JGJ81-2002 建筑钢结构焊接技术规程,第三节 建筑钢材化学成分对其性能的影响 除铁、碳外，钢材在冶炼过程中会从原料、燃料中引入一些的其他元素。这些成分可分为两类： 一类能改善优化钢材的性能称为合金元素，主要有Si、Mn、Ti、V、Nb等； 另一类能劣化钢材的性能，属钢材的杂质，主要有氧、硫、氮、磷等。这些成分