钢材在土木工程中的应用和防火要求

钢材是土木工程中应用最多的金属材料，主要应用于铁路、桥梁、建筑工程等钢筋混凝土结构和钢结构。钢材是在严格的技术控制条件下生产的，品质均匀致密，抗拉、抗压、抗弯、抗剪强度都很高。常温下能承受较大的冲击和振动荷载，有一定的塑性和很好的韧性。钢材具有良好的加工性能，可以铸造、锻压、焊接、铆接和切割，便于装配，但钢材的耐火性差，容易生锈，维护费用大。

1.钢材的分类

钢材的基本成分是铁和碳，此外还含有锰、硅、钒、钛、镍、铬等合金元素和氧、硫、磷等杂质元素。

钢材的分类方法很多，根据化学成分不同，钢材可以分为碳素钢和合金钢两大类，土木工程用钢基本上都是碳素结构钢和低合金结构钢。碳素钢中碳的质量分数小于2%，根据碳含量又可分为低碳钢（碳的质量分数小于0.25%）、中碳钢（碳的质量分数为0.25%～0.6%）和高碳钢（碳的质量分数大于0.6%）。根据屈服点不同，《碳素结构钢》（GB/T 700—2006）将碳素钢划分为Q195、Q215、Q235和Q275四个牌号，每个牌号又可根据硫、磷杂质含量划分为若干等级。合金钢根据合金元素总含量可以分为低合金钢（合金元素含量小于5%）、中合金钢（合金元素含量5%～10%）和高合金钢（合金元素含量大于10%）。《低合金高强度结构钢》（GB/T 1591—2018）将低合金高强度结构钢划分为八个牌号（Q345、Q390、Q420、Q460、Q500、Q550、Q620、Q690），每个牌号根据硫、磷杂质含量分为A、B、C、D、E五个等级。

根据冶炼时的脱氧程度，钢材可以分为沸腾钢、镇静钢和特殊镇静钢。根据用途，钢材可以分为结构钢、工具钢和特殊钢。

2.钢材的加工、防腐和防火

将钢材在常温下进行冷拉、冷拔或冷轧，使钢材发生塑性变形，可以提高其屈服强度。将钢材按一定的规则加热、保温和冷却，如退火、正火、淬火和回火，可改变钢材内部组织，改善钢材性能。

随着钢材所处环境温度升高，其持久强度将会下降，如发生火灾时，无保护层的钢柱耐火极限只有0.25h，因此土木工程中，钢结构用钢材须包覆防火板或涂刷防火涂料，钢筋混凝土结构中的钢筋应有足够的保护层以满足防火需要。

由于环境因素和自身特点，钢材会发生化学腐蚀、电化学腐蚀和应力腐蚀，降低钢材强度。可通过在型钢表面涂装、镀锌、加涂塑料复合层，保证钢筋混凝土中钢筋保护层厚度，防止钢材腐蚀。

3.土木工程中常用的钢材

1）钢筋

钢筋是土木工程中用量最大的钢材之一，主要用于钢筋混凝土和预应力混凝土的配筋。钢筋的主要品种有以下几个。

（1）热轧钢筋。热轧钢筋根据表面形状分为光圆钢筋和带肋钢筋（见图2-27）。热轧光圆钢筋是用碳素结构钢轧制而成的，其牌号由HPB和屈服强度（MPa）特征值构成，有HPB300一种，可用作中小型钢筋混凝土结构的主要受力钢筋，也可作为冷轧带肋钢筋和冷拔低碳钢丝的原材料。普通热轧带肋钢筋的牌号由HRB和屈服强度（MPa）特征值构成，有HRB335、HRB400、HRB500三种。细晶粒热轧带肋钢筋的牌号由HRBF和屈服强度（MPa）特征值表示。带肋钢筋加强了钢筋与混凝土之间的黏结力，可有效防止混凝土与钢筋之间发生相对位移。HRB335和HRB400主要用于大中型钢筋混凝土结构的主筋，经冷拉处理后也可作为预应力筋；HRB500主要用于工程中的预应力钢筋。

图2-27　带肋钢筋

（2）冷轧带肋钢筋。冷轧带肋钢筋是用热轧圆盘条经冷轧后，在其表面带有沿长度方向均匀分布的三面或二面横肋的钢筋。冷轧带肋钢筋的牌号由CRB和抗拉强度（MPa）最小值构成，有CRB550、CRB650、CRB800、CRB970四种。CRB550为普通混凝土用钢筋，其他牌号为预应力混凝土钢筋。CRB550钢筋的公称直径为4～12mm，CRB650及以上牌号钢筋的公称直径为4mm、5mm、6mm。(www.xing528.com)

（3）预应力混凝土用钢棒。预应力混凝土用钢棒是用低合金钢热轧圆盘条经淬火、回火调质处理而成的，通常有光圆、螺旋槽、螺旋肋和带肋四种表面形状，公称直径6～16mm。

（4）预应力混凝土用钢丝与钢绞线。预应力混凝土用钢丝是以优质碳素结构钢盘条为原料，经淬火奥氏体化、酸洗、冷拉制成的用作预应力混凝土骨架的钢丝，按加工状态可分为冷拔钢丝和消除应力钢丝两类，主要用于桥梁、吊车梁、大跨度屋架、管桩等预应力钢筋混凝土构件中。预应力混凝土钢绞线是由数根优质碳素结构钢钢丝经绞捻和热处理（消除应力）而成的，如图2-28所示。预应力钢绞线主要用于大型屋架、薄腹梁、大跨度桥梁等负荷大、跨度大的预应力结构。

图2-28　钢绞线

2）型钢

（1）热轧型钢。常用的热轧型钢有角钢（等边和不等边）、工字钢、槽钢、H型钢、T型钢等，几种常见的热轧型钢截面如图2-29所示。型钢由于截面形式合理，材料在截面上分布对受力最为有利，且构件间连接方便，因此它是钢结构中主要采用的钢材。

图2-29　几种常见热轧型钢截面

（2）冷弯薄壁型钢。冷弯薄壁型钢通常用2～6mm的薄钢板冷弯或模压而成。如图2-30所示，有角钢、槽钢等开口薄壁型钢，以及方形、矩形等空心薄壁型钢，可用于轻型钢结构。

（3）钢板、压型钢板和钢管。钢板是用轧辊轧制而成的扁平钢材，按轧制温度不同，钢板可分为热轧钢板和冷轧钢板两类。热轧钢板分为厚板（厚度＞4mm）和薄板（厚度0.35～4mm），冷轧钢板只有薄板（厚度0.2～4mm）。厚板可用于型钢的连接与焊接，组成钢结构承力构件；薄板可用作屋面或墙面等围护结构，或作为薄壁型钢的原料。

图2-30　冷弯薄壁型钢

薄板经辊压或冷弯可制成截面呈V形、U形、梯形或类似形状的波纹，并可采用有机涂层、镀锌等表面保护层的钢板，称为压型钢板。压型钢板可用作建筑屋面板、楼板、墙板、装饰板等，还可与保温材料等复合制成复合墙板。

钢管分为无缝钢管和焊接钢管。土木工程中，钢管可用于输送各种流体，在建筑结构上可用于制作桁架、塔桅等构件，也可用于制作钢管混凝土。