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1、第二章 建筑钢材,建筑材料,2,2.1.1 建筑钢材概述,定义：建筑钢材主要是指用于钢结构中各种型材（如角钢、槽钢、工字钢、圆钢等）、钢板、钢管和用于钢筋混凝土结构中的各种钢筋、钢丝、钢绞线等。,性能及应用：建筑钢材有较高的强度，有良好的塑性和韧性，能承受冲击和振动荷载，易于加工和装配，可以焊接或者铆接，便于装配广泛应用于建筑工程中。缺点：易锈蚀，耐火性差。,2.1 建筑钢材基本知识,3,钢结构建筑有许多优点，与钢筋混凝土相比，有更好的抗震、防腐、耐久、环保和节能效果；可实现构架的轻量化和构件的大型化，施工亦较为简便。但同时也存在不少缺点，其中较突出的一点是防火问题。美国纽约的世贸大厦为钢结构
2、，2001年9月11日被恐怖主义者袭击、倒塌，给人们提出了钢结构防火、防袭击破坏的新课题。请提出你的意见。,实事链接,世贸大厦倒塌,4,5,建筑工程对所用钢材料的要求 物美价廉,有时还要求钢材具有适应低温、高温等环境能力。,强度fy、fu高。强度高可减轻结构自重。,塑性、韧性、耐久性好。可防止脆性破坏，抗动力荷载好，耐疲劳。,良好的加工性能。冷、热加工和可焊性好。,耐腐性好。,价格便宜。,6,2.2 建筑钢材的主要技术性能,2.2.1.1 抗拉性能拉伸性能是建筑钢材最重要的性能。从低碳钢的应力-应变关系中可看出，低碳钢从受拉到拉断，经历了四个阶段：弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和颈缩阶段。通过对
3、钢材进行抗拉试验所测得的弹性模量、屈服强度、抗拉强度和伸长率是钢材的四个重要技术性质指标。,2.2.1 建筑钢材的力学性能,式中 材料的应变; 材料的应力; E材料的弹性模量,应力与应变,7,1.应力 2.应变,A,建筑钢材的抗拉性能,8,建筑钢材的抗拉性能,一、弹性阶段OA 一条通过原点的直线，应力与应变成正比。 弹性弹性模量 E值的大小反映了钢材抵抗弹性变形的能力。 A点对应的应力。,O,A,低碳钢受拉的应力应变图,E1 E2,图形的特点：,试件的特点：,计算的指标：,弹性极限,9,建筑钢材的抗拉性能,二、屈服阶段AB 一条波动的曲线，应力增加很小，而应变增加很大。 所能承受的拉力增加很小
4、，而塑性变形迅速增加，似乎钢材不能承受外力 屈服强度（也叫屈服点） 点对应的应力。,图形的特点：,试件的特点：,计算的指标：,O,A,低碳钢受拉的应力应变图,A,C,D,B,屈服。,10,三、强化阶段BC 一段上升的曲线。抵抗塑性变形的能力又重新提高抗拉强度,图形的特点：,试件的特点：,计算的指标：,O,A,低碳钢受拉的应力应变图,A,C,D,B,C点对应的应力。,建筑钢材的抗拉性能,强化。,11,四、颈缩阶段CD 一段下降的曲线。变形迅速发展，在有杂质或缺陷处，断面急剧缩小 ，直到断裂。伸长率：,图形的特点：,试件的特点：,计算的指标：,建筑钢材的抗拉性能,计算的指标：,颈缩,12,三个重要
5、的指标1.屈服强度s 结构设计中钢材强度取值的依据2.抗拉强度b 钢材所能承受的最大应力 屈强比 屈强比，利用率 ，安全可靠程度3.伸长率 衡量钢材塑性的指标，越大说明钢材的塑性越好,O,A,A,C,D,B,13,钢材的p和s越高，表示钢材对小量塑性变形的抵抗能力越大。因此，在不发生塑性变形的条件下，所能承受的应力就越大。e与b差值越大的钢，说明超过屈服点后的强度储备能力越大，结构的安全性高。屈强比（s/b） 钢材的屈服点（屈服强度）与抗拉强度的比值，称为屈强比。它也代表了钢材强度储备的大小，屈强比越大，结构零件的可靠性越高，屈强比越小，强度储备大。但屈强比太小则钢筋强度的有效利用率低。一般碳
6、素钢屈强比为0.6-0.65，低合金结构钢为0.65-0.75,合金结构钢为0.84-0.86。,14,伸长率指金属材料受外力（拉力）作用断裂时，试棒伸长的长度与原来长度的百分比，伸长率按试棒长度的不同分为：试棒的标距等于5倍直径，短试棒求得的伸长率，代号为5；试棒的标距等于10倍直径，长试棒求得的伸长率，代号为10，。伸长率是钢材发生断裂时所能承受的永久变形的能力,式中 试件的伸长率，%； 拉伸前的标距长度，mm； 拉断后的标距长度，mm。,式中 试件的伸长率，%； 拉伸前的标距长度，mm； 拉断后的标距长度，mm。,式中 试件的伸长率，%； 拉伸前的标距长度，mm； 拉断后的标距长度，mm
7、。,15,断面收缩率塑性是指钢材在受力破坏之前可以经受永久变形的能力。以(普西 )表示 。断面收缩率是试件断裂后，缩颈处横断面面积的最大缩减量占横截面的百分率。在工程中钢材的塑性指标通常用伸长率和断面收缩率表示。,16,2.2.2.2 冲击韧性,钢材的冲击韧性是指钢材抵抗冲击荷载而不被破坏的能力。冲击韧性实验当试验机的重摆从一定高度自由落下时，在试样中间开V型缺口，试样吸收的能量等于重摆所作的功W。冲击韧性的大小用缺口处单位面积上所消耗的功k 来表示。,钢材的冲击韧性试验,k值与试验温度有关。有些材料在常温时冲击韧性并不低。但当试验温度低于某值时，k突然大幅度下降，材料无明显塑性变形而发生脆性
8、断裂，这种性质称为钢材的冷脆性。,17,18,钢的化学成分;例：S、P冲击韧性冶炼及轧制质量质量冲击韧性温度 温度，冲击韧性时间 时效-冲击韧性随时间而下降）时效敏感性应用注意：1.承受动荷载的结构部位选时效敏感性小的材料2.负温下工作的重要结构做,ak,影响冲击韧性的因素,19,冷弯性能定义：指钢材在常温下承受弯曲变形的能力，以试验时的弯曲角度和 弯心直径d为指标表示。检验：按规定的弯曲角和弯心直径进行试验，试件的弯曲处不发生裂缝、断裂或漆层，即认为冷弯性能合格。,2.2.2 建筑钢材的工艺性能,钢材的冷弯,20,图1 支辊式弯曲装置,对于支辊式弯曲装置支辊长度应大于试样宽度或直径,支辊半径
9、应为110倍试样厚度，支辊应具有足够的硬度，除非另有规定，支辊间距应按下式确定：L=（d+3a）0.5a 此距离在试验期间应保持不便。 弯曲压头直径应在相关产品标准中规定。弯曲压头应具有足够的硬度。,21,拉伸强度及弯曲试验性能指标应符合下表中各项要求：,22,焊接性能,焊接：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。影响因素：钢材的化学成分（S、P、C）对钢材的可焊性有很大的影响。合金元素（si、Mn
10、、V、Ti）过多影响可焊性选择：焊接结构用钢，选较低（碳0.25%）的氧气转炉或平炉镇静钢。大于3%含碳量时可焊性变差。对高碳钢及合金钢，需要采用焊前预热及焊后热处理等措施。,23,钢材的硬化,冷作硬化：将钢材在常温下进行冷加工（如冷拉、冷拔或冷轧），使之产生塑性变形，从而提高屈服强度。经强化处理过的钢材塑性和韧性降低，弹性模量降低。,时效：钢材在冷加工后长时间的搁置中，会自发地呈现强度和硬度逐渐提高，而塑性和韧性逐渐降低的现象。,人工时效：加热到100C 200C并保持一定时间，适合于高强钢筋； 自然时效：常温下存放15 20天，适合用于低强度钢筋。,24,冷加工强化的原理：,钢材在塑性变形
11、中晶格的缺陷增多，而缺陷的晶格严重畸变，对晶格的进一步滑移将起到阻碍作用，故钢材的屈服点提高，塑性和韧性降低。由于塑性变形中产生内应力，故钢材的弹性模量降低。,25,冷加工强化的应用,工地或预制厂钢筋混凝土施工中常利用这一原理，对钢筋或低碳钢盘条按一定制度进行冷拉或冷拔加工，以提高屈服强度。,26,2.4 常用建筑钢材,2.4.1 热轧钢筋混凝土结构用热轧钢筋应有较高的强度，具有一定的塑性、韧性、冷弯和可焊性。热轧钢筋是经热轧成型并自然冷却的成品钢筋，主要有用Q235轧制的光圆钢筋和用合金钢轧制的带肋钢筋两类。,27,2.4.1.1 热轧光圆钢筋 经热轧成型，横截面通常为圆形，表面光滑的成品钢
12、筋，称为热轧光圆钢筋（HPBHotrolled Plain Bars）。钢筋按屈服强度特征值分为235、300级。 热轧光圆钢筋牌号由HPB和屈服强度特征值构成，分为为HPB235、HPB300两个牌号。 热轧光圆钢筋的公称直径范围为622mm，热轧光圆钢筋（GB 1499.1-2008）推荐的钢筋公称直径为6、8、10、12、16和20mm。可按直条或盘卷交货，按定尺长度交货的直条钢筋其长度允许偏差范围为0+50mm；按盘卷交货的钢筋，每根盘条重量应不小于1000kg 。 热轧光圆钢筋钢筋的屈服强度ReL、抗拉强度Rm、断后伸长率A、最大拉力总伸长率Agt等力学性能特征值应符合规定。各力学性
13、能特征值，可作为交货检验的最小保证值。按规定的弯芯直径弯曲180后，钢筋受弯部位表面不得产生裂纹。,28,29,热轧光圆钢筋的力学性能和工艺性能（GB 1499.1-2008）,30,带肋钢筋(a)月牙肋钢筋(b)等高肋钢筋,2.4.1.2 热轧带肋钢筋 (HRBHot rolled Ribbed Bars),经热轧成型并自然冷却的横截面为圆形的，且表面通常带有两条纵肋和沿长度方向均匀分布的横肋的钢筋，称为热轧带肋钢筋。包括普通热轧钢筋和细晶粒热轧钢筋两种。 热轧带肋钢筋按屈服强度特征值分为335、400、500级。 普通热轧钢筋的牌号由HRB和屈服强度特征值构成，分为HRB335（20Mns
14、i）、HRB400(20MnSiV、20MnSiNb或20MnsiTi)、HRB500三个牌号，。,31,32,(a)等高肋钢筋；(b)月牙肋钢筋,33,34,35,热轧带肋钢筋的公称直径范围为650mm，热轧带肋钢筋（GB 1499.2-2007）推荐的钢筋公称直径为6、8、10、12、16、20、25、32、40和50mm。 热轧带肋钢筋通常按定尺长度交货，具体交货长度应在合同中注明，按定尺长度交货时的长度允许偏差为25mm，当要求最小长度时，其偏差为+50mm，当要求最大长度时，其偏差为50mm。热轧带肋钢筋也可以盘卷交货，每盘应是一条钢筋，允许每批有5%的盘数由两条钢筋组成。,36,热轧带肋钢筋的力学性能和工艺性能应符合规定。各力学性能特征值，可作为交货检验的最小保证值；按规定的弯芯直径弯曲180后，钢筋受弯部位表面不得产生裂纹(0.2mm)。反向弯曲试验是先正向弯曲90，再反向弯曲20，经反向弯曲试验后，钢筋受弯曲部位表面不得产生裂纹。 热轧钢筋中热轧光圆钢筋的强度较低，但塑性及焊接性能很好，便于各种冷加工，因而广泛用作普通钢筋混凝土构件的受力筋及各种钢筋混凝土结构的构造筋；HRB335和HRB400钢筋强度较高，塑性和焊接性能也较好，故广泛用作大、中型钢筋混凝土结构的受力钢筋；HRB500钢筋强度高，但塑性及焊接性能较差，可用作预应力钢筋。,
