现代建筑材料科学：建筑钢材学习指导

3　建筑钢材

学习指导

本章共7节。本章的教学目标是：

(1)了解建筑钢材的化学成分及其对钢材性能的影响。

(2)熟悉掌握建筑钢材的力学性能(包括抗拉性能、冲击韧性、硬度、耐疲劳性)的意义、测定方法及影响因素。

(3)熟悉建筑钢材的强化机理及强化方法。

(4)掌握土木工程中常用的建筑钢材的分类及其选用原则。

本章的难点是钢材的抗拉性能、冲击韧性、硬度、耐疲劳性，以及微量组分对钢材性能的影响。建议在学习中联系钢材的组成结构来分析其性能，理解其应用。

建筑钢材主要是指所有用于钢结构中的型钢(圆钢、方钢、角钢、槽钢、工字钢、H钢等)、钢板、钢管和用于钢筋混凝土中的钢筋、钢丝等。

建筑钢材具有强度高、硬度高、塑性韧性好的特点；并且品质均匀，易于冷、热加工，同时又与混凝土有良好的黏结性，因二者的线性膨胀系统接近，因此广泛应用于建筑工程中。

3.1　钢材的冶炼与分类

3.1.1　钢的冶炼

炼钢主要是以高炉炼成的生铁和直接还原炼铁法炼成的海绵铁以及废钢为原料，用不同的方法炼成钢。主要的炼钢方法有转炉炼钢法、平炉炼钢法、电弧炉炼钢法3类。

氧气转炉法炼钢是以熔融铁水为原料，由转炉顶部吹入高压纯氧去除杂质，冶炼时间短，约30 min，钢质较好且成本低。

平炉法炼钢是以铁矿石、废钢、液态或固态生铁为原料，用煤气或重油为燃料，靠吹入空气或氧气及利用铁矿石或废钢中的氧使碳及杂质氧化。这种方法冶炼时间长，约4～12 h，钢质好，但成本较高。

电弧炉炼钢是以生铁和废钢为原料，利用电能转变为热能来冶炼钢的一种方法。电弧炉熔炼温度高，而且温度可以自由调节，因此该法去除杂质干净，质量好，但能耗大，成本高。

经冶炼后的钢液须经过脱氧处理后才能铸锭，因钢冶炼后含有以FeO形式存在的氧，对钢质量产生影响。通常加入脱氧剂如锰铁、硅铁、铝等进行脱氧处理，将FeO中的氧去除，将铁还原出来。根据脱氧程度的不同，钢可分为沸腾钢、镇静钢、半镇静钢、特殊镇静钢四种。沸腾钢是加入锰铁进行脱氧且脱氧不完全的钢种。脱氧过程中产生大量的CO气体外逸，产生沸腾现象，故名沸腾钢。其致密程度较差，易偏析(钢中元素富集于某一区域的现象)，强度和韧性较低。镇静钢是用硅铁、锰铁和铝为脱氧剂，脱氧较充分的钢种。其铸锭时平静入模，故称镇静钢。镇静钢结构致密，质量好，机械性能好，但成本较高。半镇静钢是脱氧程度和质量介于沸腾钢和镇静钢之间的钢。

3.1.2　钢的分类

根据国家标准《钢分类　第1部分：按化学成分分类》(GB/T 13304.1—2008)和《钢分类　第2部分：按主要质量等级和主要性能或使用特性的分类》(GB/T 13304.2—2008)的规定，钢材的主要分类方式如下：

1)按化学成分类

(1)碳素钢　化学成分主要是铁，其次是碳，故也称为碳钢或铁碳合金，其含碳量为0.02%～2.06%。碳素钢除了铁、碳外还含有极少量的硅、锰和微量的硫、磷等元素。碳素钢按含碳量的多少又分为：低碳钢，含碳量小于0.25%；中碳钢，含碳量为0.25%～0.60%；高碳钢，含碳量大于0.60%。低碳钢在土木工程中应用最广泛。

(2)合金钢　合金钢是在炼钢过程中，为改善钢材的性能，特意加入某些合金元素而制得的一种钢。常用合金元素有硅、锰、钛、钒、铌、铬等。按合金元素含量不同分为：低合金钢，合金元素含量小于5.0%；中合金钢，合金元素含量5.0%～10%；高合金钢，合金元素含量大于10%。低合金钢为土木工程中常用的主要钢种。

2)按质量等级分类

按质量等级(S、P等有害物质含量)分为普通钢、优质钢、高级优质钢、特级优质碳素钢。

3)按成型方法分类

按成型方法分为锻钢、铸钢、热轧钢、冷拉钢。

4)按用途分类

(1)建筑及工程用钢　①普通碳素结构钢；②低合金结构钢。

(2)结构钢　①机械制造用钢：a.调质结构钢；b.表面硬化结构钢，包括渗碳钢、氨钢、表面淬火用钢；c.易切结构钢；d.冷塑性成形用钢，包括冷冲压用钢、冷镦用钢。②弹簧钢。③轴承钢。

(3)工具钢　①碳素工具钢；②合金工具钢；③高速工具钢。

(4)特殊性能钢　①不锈耐酸钢；②耐热钢，包括抗氧化钢、热强钢、气阀钢；③电热合金钢；④耐磨钢；⑤低温用钢；⑥电工用钢。

(5)专业用钢　①桥梁用钢；②船舶用钢；③锅炉用钢；④压力容器用钢；⑤农机用钢。

5)按冶炼方法分类

(1)按炉种分为平炉钢、转炉钢、电炉钢。

(2)按脱氧程度和浇注制度分：①沸腾钢，代号为F；②半镇静钢，代号为BZ；③镇静钢，代号为Z；④特殊镇静钢，代号为TZ。

【工程案例分析3-1】

钢结构屋架倒塌

现象：某厂的钢结构屋架是用中碳钢焊接而成的，使用一段时间后，屋架坍塌。

原因分析：首先是因为钢材的选用不当，中碳钢的塑性和韧性比低碳钢差；且其焊接性能较差，焊接时钢材局部温度高，形成了热影响区，其塑性及韧性下降较多，较易产生裂纹。建筑上常用的主要钢种是普通碳素钢中的低碳钢和合金钢中的低合金高强度结构钢。

3.2　建筑钢材的技术性质

钢材的主要性能包括力学性能和工艺性能。钢材的力学性能主要包括抗拉性能、冲击韧性、硬度、耐疲劳性等。钢材应具有良好的工艺性能，以满足施工工艺的要求。冷弯、冷拉、冷拔及焊接性能是建筑钢材的重要工艺性能。

3.2.1　抗拉性能

抗拉性能是建筑钢材最主要的技术性能。通过拉伸试验可以测得屈服强度、抗拉强度和伸长率，这些是钢材的重要技术性能指标。建筑钢材的抗拉性能可用低碳钢受拉时的应力-应变图来阐明。低碳钢从受拉至拉断，分为以下四个阶段(如图3-1)。

图3-1　低碳钢受拉的应力-应变图

1)弹性阶段

OA为弹性阶段。在OA 范围内，随着荷载的增加，应变随应力成正比增加。如卸去荷载，试件将恢复原状，表现为弹性变形，与A点相对应的应力为弹性极限，用σp表示。在这一范围内，应力与应变的比值为一常量，称为弹性模量，用E表示，即E=σ/ε。弹性模量反映钢材的刚度，是钢材在受力条件下计算结构变形的重要指标。常用低碳钢的弹性模量E=2.0×105～2.1×105 MPa，弹性极限σp=180～200 MPa。

2)屈服阶段

AB为屈服阶段。在AB 曲线范围内，应力与应变不成比例，开始产生塑性变形，应变增加的速度大于应力增长速度，钢材抵抗外力的能力发生“屈服”了。图中B上点是这一阶段应力最高点，称为屈服上限，B下点为屈服下限。因B下比较稳定、易测，故一般以B下点对应的应力作为屈服点，用σs表示。常用低碳钢的σs为195～300 MPa。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。

3)强化阶段

BC为强化阶段。过B点后，抵抗塑性变形的能力又重新提高，变形发展速度比较快，随着应力的提高而增强。对应于最高点C的应力，称为抗拉强度，用σb表示。常用低碳钢的σb为385～520 MPa。抗拉强度不能直接利用，但屈服点与抗拉强度的比值(即屈强比σs/σb )，能反映钢材的安全可靠程度和利用率。屈强比越小，表明材料的安全性和可靠性越高，结构越安全。但屈强比过小，则钢材有效利用率太低，造成浪费。国家标准规定，有抗震要求的钢筋混凝土工程，钢筋实测抗拉强度与实测屈服强度之比不小于1.25(屈强比不大于0.8)，钢筋实测屈服强度与标准规定的屈服强度特征值之比不大于1.30(超屈比)。

4)颈缩阶段

图3-2　钢材拉伸试件示意图

CD为颈缩阶段。过C点后，材料变形迅速增大，而应力反而下降。试件在拉断前，于薄弱处截面显著缩小，产生“颈缩现象”，直至断裂。通过拉伸试验，除能检测钢材屈服强度和抗拉强度等强度指标外，还能检测出钢材的塑性。塑性表示钢材在外力作用下发生塑性变形而不破坏的能力，它是钢材的一个重要指标。钢材塑性用伸长率或断面收缩率表示。将拉断后的试件于断裂处对接在一起(如图3-2)，测得其断后标距l1。试件拉断后标距的伸长量与原始标距(l0)的百分比称为伸长率(δ)。伸长率的计算公式如下:

(3-1)

钢材拉伸时塑性变形在试件标距内的分布是不均匀的，颈缩处的伸长较大。所以原始标距(l0)与直径(d0)之比越大，颈缩处的伸长值在总伸长值中所占的比例就越小，计算出的伸长率(δ)也越小。通常钢材拉伸试件取l0=5d0或l0=10d0，对应的伸长率分别记为δ5和δ10，对于同一钢材，δ5>δ10。测定试件拉断处的截面积(A1)。试件拉断前后截面积的改变量与原始截面积(A0)的百分比称为断面收缩率(φ)。断面收缩率的计算公式如下：

(3-2)

伸长率和断面收缩率都表示钢材断裂前经受塑性变形的能力。伸长率越大或者断面收缩率越高，表示钢材塑性越好。尽管结构是在钢的弹性范围内使用，但在应力集中处，其应力可能超过屈服点，此时产生一定的塑性变形，可使结构中的应力产生重分布，从而使结构免遭破坏。另外，钢材塑性大，则在塑性破坏前，有很明显的塑性变形和较长的变形持续时间，便于人们发现和补救问题，从而保证钢材在建筑上的安全使用，也有利于钢材加工成各种形式。

国家标准规定，有抗震要求的钢筋混凝土工程，钢筋的最大力总伸长率不小于9%(均匀伸长率)。

最大力总伸长率Agt的测试方法如下：选择Y和V两个标记，这两个标记之间的距离在拉伸试验之前至少应为100 mm。两个标记都应当位于夹具离断裂点较远的一侧。两个标记离开夹具的距离都应不小于20 mm或钢筋公称直径d(取二者之较大者)；两个标记与断裂点之间的距离应不小于50 mm。见图3-3。在最大力作用下试样总伸长率Agt(%)为：

(3-3)

式中： L——断裂后的距离(mm)；

L0——试验前同样标记间的距离(mm)；

Rm——抗拉强度实测值(MPa)；

E——弹性模量，其值可取2×105(MPa)。

图3-3　钢材拉伸试件

图3-4　中碳钢与高碳钢(硬钢)
　的应力-应变曲线

图3-5　冲击韧性试验示意图

中碳钢与高碳钢(硬钢)拉伸时的应力-应变曲线与低碳钢不同，无明显屈服现象，伸长率小，断裂时呈脆性破坏，其应力-应变曲线如图3-4所示。这类钢材由于不能测定屈服点，规范规定以产生0.2%残余变形时的应力值作为名义屈服点，也称条件屈服点，用σ0.2表示。

3.2.2　冲击韧性

冲击韧性是指钢材抵抗冲击荷载作用的能力，用冲断试件所需能量的多少来表示。钢材的冲击韧性试验是采用中部加工有V形或U形缺口的标准弯曲试件，置于冲击机的支架上，试件非切槽的一侧对准冲击摆，如图3-5所示。当冲击摆从一定高度自由落下将试件冲断时，试件吸收的能量等于冲击摆所做的功，以缺口底部处单位面积上所消耗的功，即为冲击韧性指标。冲击韧性计算公式如下：

(3-4)

式中： αk ——冲击韧性(J/cm2)；

m——摆锤质量(kg)；

H、h——分别为冲击前、后摆锤的高度(m)；

A——试件槽口处断面积(cm2)。

αk值越大，冲击韧性越好，即其抵抗冲击作用的能力越强，脆性破坏的危险性越小。

图3-6　钢材的冲击韧性与温度的关系

影响钢材冲击韧性的因素很多，当钢材内硫、磷的含量高，脱氧不完全，存在化学偏析，含有非金属夹杂物及焊接形成的微裂纹，都会使钢材的冲击韧性显著下降。同时，环境温度对钢材的冲击韧性影响也很大。

试验表明，冲击韧性随温度的降低而下降，开始时下降缓慢，当达到一定温度范围时，突然下降很快而呈脆性。这种性质称为钢材的冷脆性，这时的温度称为脆性转变温度，如图3-6所示。脆性转变温度越低，钢材的低温冲击韧性越好。因此，在负温下使用的结构，应当选用脆性转变温度低于使用温度的钢材。脆性临界温度的测定较复杂，规范中通常是根据气温条件规定-20℃或-40℃的负温冲击值指标。

冷加工时效处理也会使钢材的冲击韧性下降。钢材的时效是指钢材随时间的延长，钢材强度逐渐提高而塑性、韧性下降的现象。完成时效的过程可达数十年，但钢材如经过冷加工或使用中受振动和反复荷载作用，时效可迅速发展。因时效导致钢材性能改变的程度称为时效敏感性。时效敏感性大的钢材，经过时效后，冲击韧性的降低越显著。为了保证结构安全，对于承受动荷载的重要结构，应当选用时效敏感性小的钢材。

3.2.3　疲劳强度

钢材在交变荷载反复作用下，可在远小于抗拉强度的情况下突然破坏，这种破坏称为疲劳破坏。钢材的疲劳破坏指标用疲劳强度(或称疲劳极限)来表示，它是指试件在交变应力下，作用2×106周次，不发生疲劳破坏的最大应力值。

钢材的疲劳破坏一般是由拉应力引起的，首先在局部开始形成细小裂纹，随后由于微裂纹尖端的应力集中而使其逐渐扩大，直至突然发生瞬时疲劳断裂。钢材内部的组织结构、成分偏析及其他缺陷，是决定其疲劳性能的主要因素。钢材的截面变化、表面质量及内应力大小等造成应力集中的因素，都与其疲劳极限有关。如钢筋焊接接头和表面微小的腐蚀缺陷，都可使疲劳极限显著降低。

疲劳破坏经常突然发生，因而有很大的危险性，往往造成严重事故。当疲劳条件与腐蚀环境同时出现时，可促使局部应力集中出现，大大增加了疲劳破坏的危险，在设计承受反复荷载且须进行疲劳验算的结构时，应当先了解所用钢材的疲劳强度。

3.2.4　硬度

图3-7　布氏硬度测定示意图

钢材的硬度是指其表面抵抗硬物压入产生局部变形的能力。测定钢材硬度的方法有布氏法、洛氏法和维氏法等，建筑钢材常用布氏硬度表示，其代号为HB。布氏法的测定原理是利用直径为D(mm)的淬火钢球，以荷载P(N)将其压入试件表面，经规定的持续时间后卸去荷载，得直径为d(mm)的压痕，以压痕表面积A(mm2)除荷载P，即得布氏硬度(HB)值，此值无量纲。图3-7是布氏硬度测定示意图。

在测定前应根据试件厚度和估计的硬度范围，按试验方法的规定选定钢球直径、所加荷载及荷载持续时间。布氏法适用于HB<450 的钢材，测定时所得压痕直径应在0.25D<d<0.6D 范围内，否则测定结果不准确。当被测材料硬度HB>450 时，钢球本身将发生较大变形，甚至破坏，应采用洛氏法测定其硬度。布氏法比较准确，但压痕较大，不适宜用于成品检验。而洛氏法压痕小，它是以压头压入试件的深度来表示硬度值的，常用于判断工件的热处理效果。

材料的硬度是材料弹性、塑性、强度等性能的综合反映。实验证明，碳素钢的HB 值与其抗拉强度σb之间存在较好的相关关系，当HB<175 时，σb≈3.6HB；当HB>175 时，σb≈3.5HB。 根据这些关系，可以在钢结构原位上测出钢材的HB值来估算钢材的抗拉强度。

3.2.5　工艺性能

钢材应具有良好的工艺性能，以满足施工工艺的要求。冷弯、冷拉、冷拔及焊接性能是建筑钢材的重要工艺性能。

1)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。钢材的冷弯性能以试验时的弯曲角度(α)和弯心直径(d)为指标表示，如图3-8所示。

钢材冷弯试验时，用直径(或厚度)为a的试件，选用弯心直径d=na的弯头(n为自然数，其大小由试验标准来规定)，弯曲到规定的角度(90°或180°)后，弯曲处若无裂纹、断裂及起层等现象，即认为冷弯试验合格。钢材的冷弯性能和其伸长率一样，也是表示钢材在静荷载条件下的塑性。但冷弯是钢材处于不利变形条件下的塑性，而伸长率是反映钢材在均匀变形下的塑性。故冷弯试验是一种比较严格的检验，它能揭示钢材内部组织的均匀性，以及存在内应力或夹杂物等缺陷的程度。在拉力试验中，这些缺陷常因塑性变形导致应力重分布而反映不出来。在工程实践中，冷弯试验还被用作检验钢材焊接质量的一种手段，能揭示焊件在受弯表面存在未熔合、微裂纹现象和夹杂物。

图3-8　冷弯性能试验示意图

2)焊接性能

建筑工程中，钢材间的连接90%以上采用焊接方式。因此，要求钢材应有良好的焊接性能。在焊接中，由于高温作用和焊接后急剧冷却作用，焊缝及其附近的过热区将发生晶体组织及结构变化，产生局部变形及内应力，使焊缝周围的钢材产生硬脆倾向，降低了焊接的质量。可焊性良好的钢材，焊缝处性质应尽可能与母材相同，焊接才牢固可靠。

钢材的化学成分、冶炼质量、冷加工、焊接工艺及焊条材料等都会影响焊接性能。含碳量小于0.25%的碳素钢具有良好的可焊性，含碳量大于0.3%时可焊性变差；硫、磷及气体杂质会使可焊性降低；加入过多的合金元素，也会降低可焊性。对于高碳钢和合金钢，为改善焊接质量，一般需要采用预热和焊后处理，以保证质量。

钢材焊接后必须取样进行焊接质量检验，一般包括拉伸试验，有些焊接种类还包括了弯曲试验，要求试验时试件的断裂不能发生在焊接处。同时，还要检查焊缝处有无裂纹、砂眼、咬肉和焊件变形等缺陷。

【工程案例分析3-2】

高强螺栓拉断

现象：广东某国际展览中心包括展厅、会议中心和一栋16层的酒店，总建筑面积42 000 m2，1989年建成投入使用。1992年降大暴雨，其中4号展厅网架倒塌，在倒塌现场发现大量高强螺栓被拉断或折断，部分杆件有明显压屈，但未发现杆件拉断及明显颈缩现象，也未发现杆件焊缝拉开。另外，网架建成后多次发现积水现象，事故现场两排水口表面均有堵塞。

原因分析：首先是由于4号展厅除承担本身雨水外，还要承担会议中心屋面流下来的雨水。由于溢流口、雨水斗设置不合理，未能有效排水，导致网架积水超载。在此情况下，高强螺栓超过极限承载力而被拉断，高强螺栓安全度低于杆件安全度，其安全度不足。

【工程案例分析3-3】

北海油田平台倾覆

现象：1980年3月27日，北海爱科菲斯科油田的A.L.基尔兰德号平台突然从水下深部传来一次震动，紧接着一声巨响，平台立即倾斜，短时间内翻于海中，致使123人丧生，造成巨大的经济损失。

原因分析：现代海洋钢结构如移动式钻井平台，特别是固定式桩基平台，在恶劣的海洋环境中受风浪和海流的长期反复作用和冲击振动；在严寒海域长期受冷水等随海潮对平台的冲击碰撞；另外，低温作用以及海水腐蚀介质的作用等都给钢结构平台带来极为不利的影响。突出问题就是海洋钢结构的脆性断裂和疲劳破坏。

上述事故的调查分析显示，事故原因是撑杆支座疲劳裂纹萌生、扩展，导致撑杆迅速断裂。由于撑杆断裂，使相邻5个支杆过载而破坏，接着所支撑的承重脚柱破坏，使平台在20 min内全部倾覆。

3.3　钢材的组织和化学成分

3.3.1　钢材的组织

建筑钢材属晶体材料，晶体结构中原子以金属键方式结合，形成晶粒，晶粒中的原子按照一定的规则排列。如纯铁在910℃以下为体心立方晶格，称为α- 铁；910～1 390℃之间为面心立方晶格，称为γ- 铁。每个晶粒表现出的特点是各向异性，但由于许多晶粒是不规则聚集在一起的，因而宏观上表现出的性质为各向同性。

钢材的力学性质如强度、塑性、韧性等与晶格中的原子密集面、晶格中存在的各种缺陷、晶粒粗细、晶粒中溶入其他元素所形成的固溶体密切相关。

建筑钢材中的铁元素和碳元素在常温下有固溶体、化合物、机械混合物三种结合形式。工程上常用的碳素结构钢在常温下形成的基本组织为铁素体、渗碳体和珠光体。铁素体是碳溶于α- 铁中的固溶体，其含碳量少，强度较低，塑性好。渗碳体是铁碳化合物Fe3C，其含碳量高，强度高，性质硬脆，塑性较差。珠光体是铁素体和渗碳体形成的机械混合物，性质介于二者之间。

3.3.2　钢材的化学成分

钢材的性能主要取决于其中的化学成分。钢的化学成分主要是铁和碳，此外还有少量的硅、锰、硫、磷、氧等元素，这些元素的存在对钢材性能有不同的影响。

图3-9　含碳量对碳素结构钢性能的影响

1)碳(C)

碳是决定钢材性质的主要因素。含碳量在0.8%以下时，随含碳量的增加，钢的强度和硬度提高，塑性和韧性降低。但当含碳量大于1.0%时，随含碳量增加，钢的强度反而下降。含碳量增加，钢的焊接性能变差，尤其当含碳量大于0.3%时，钢的可焊性显著降低。含碳量对碳素结构钢性能的影响如图3-9所示。

2)有益元素

(1)硅(Si)　硅含量在1.0%以下时，可提高钢的强度、疲劳极限、耐腐蚀性及抗氧化性，对塑性和韧性影响不大，但可焊性和冷加工性能有所影响。硅可作为合金元素，用以提高合金钢的强度。通常非合金钢中硅含量小于0.50%；低合金钢含硅量≥0.50%且<0.90%;合金钢含硅量不小于0.90%。

(2)锰(Mn)　在炼钢过程中锰能起到脱氧去硫的作用，因而可降低钢的脆性，提高钢的强度和韧性。通常非合金钢中锰含量小于1.00%；低合金钢含锰量≥1.00%且<1.40%；合金钢含锰量不小于1.40%。

(3)钒(V)、铌(Nb)、钛(Ti)　钒(V)、铌(Nb)、钛(Ti)都是炼钢的脱氧剂，也是常用的合金元素，适量加入钢中，可改善钢的组织，提高钢的强度和改善韧性。

3)有害元素

(1)硫(S)　硫引起钢材的“热脆性”，会降低钢材的各种机械性能，使钢材的可焊性、冲击韧性、耐疲劳性和抗腐蚀性降低。建筑钢材的含硫量应尽可能减少，一般要求含硫量小于0.050%。

(2)磷(P)　磷引起钢材的“冷脆性”，磷含量提高，钢材的强度、硬度、耐磨性和耐蚀性提高，塑性、韧性和可焊性显著下降。建筑用钢要求含磷量小于0.045%。

(3)氧(O)　含氧量增加，使钢材的机械强度降低，塑性和韧性降低，促进时效，还能使热脆性增加，焊接性能变差。建筑钢材的含氧量应尽可能减少。

(4)氮(N)　氮使钢材的强度提高，塑性特别是韧性显著下降。氮会加剧钢的时效敏感性和冷脆性，使可焊性变差。

【工程案例分析3-4】

钢结构运输廊道倒塌

现象：苏联时期某钢铁厂仓库运输廊道为钢结构，于某日倒塌。经检查，杆件发生断裂的位置在应力集中处节点附近的整块母材上，桁架腹板和弦杆所有安装焊接接头均未破坏；全部断口和拉断处都很新鲜，未发黑，无锈迹。所用钢材为苏联国家标准CT.3号沸腾钢。

原因分析：切取部分母材做化学成分分析，某碳、硫含量均超过苏联国家标准焊接结构所用CT.3号沸腾钢的碳硫含量规定，其中55%的沸腾钢中碳平均含量超过0.22%的标准规定，破坏发生部位附近含量达0.308%，经组织研究亦证实了含碳量过高的化学分析；另外，其中32%的试样硫含量超过0.055%的标准规定，在折断部位硫含量达0.1%。碳对钢的性能有重要影响。碳含量增加，钢的强度、硬度增高，而塑性和韧性降低，且增大钢的冷脆性，降低可焊性。而硫多数以FeS形式存在，是强度较低、较脆的夹杂物，受力易引起应力集中，降低钢的强度及疲劳强度，且对热加工和焊接不利，偏析亦严重。由于此钢材不易焊接，且使用的环境温度较低，这是导致工程质量事故的主要原因。

3.4　钢材的冷加工强化、时效处理及热加工

3.4.1　冷加工强化与时效处理的概念

将钢材于常温下进行冷拉、冷拔或冷轧，使之产生塑性变形，从而提高强度，但钢材的塑性和韧性会降低，这个过程称为冷加工强化处理。

将经过冷拉的钢筋，于常温下存放15～20 d，或加热到100～200℃并保持2～3 h后，则钢筋强度将进一步提高，这个过程称为时效处理。前者称为自然时效，后者称为人工时效。通常对强度较低的钢筋可采用自然时效，强度较高的钢筋则须采用人工时效。对钢材进行冷加工强化与时效处理的目的是提高钢材的屈服强度，以便节约钢材。

3.4.2　常见冷加工方法

建筑工地或预制构件厂常用的冷加工方法是冷拉和冷拔。

(1)冷拉。将热轧钢筋用冷拉设备进行张拉，拉伸至产生一定的塑性变形后，卸去荷载。冷拉参数的控制直接关系到冷拉效果和钢材质量。一般钢筋冷拉仅控制冷拉率，称为单控，对用作预应力的钢筋，须采用双控，即既控制冷拉应力，又控制冷拉率。冷拉时当拉至控制冷拉应力时可以不用达到控制冷拉率，反之钢筋则应降级使用。钢筋冷拉后，屈服强度可提高20%～30%，可节约钢材10%～20%。钢材经冷拉后屈服阶段缩短，伸长率降低，材质变硬。

(2)冷拔。将光圆钢筋通过硬质合金拔丝模孔强行拉拔。每次拉拔断面缩小应在10%以内。钢筋在冷拔过程中，不仅受拉，同时还受到挤压作用，因而冷拔的作用比纯冷拉作用强烈。经过一次或多次冷拔后的钢筋，表面光滑，屈服强度可提高40%～60%，但塑性大大降低，具有硬钢的性质。

3.4.3　钢材冷加工强化与时效处理的机理

图3-10　钢筋经冷拉时效后应力-
　　应变图的变化

钢筋经冷拉、时效后的力学性能变化规律，可从其拉伸试验的应力-应变图得到反映(如图3-10)。

(1)图中OBCD曲线为未冷拉，其含义是将钢筋原材一次性拉断，而不是指不拉伸。此时，钢筋的屈服点为B点。

(2)图中O′KCD曲线为冷拉无时效，其含义是将钢筋原材拉伸至超过屈服点但不超过抗拉强度(使之产生塑性变形)的某一点K，卸去荷载，然后立即再将钢筋拉断。卸去荷载后，钢筋的应力-应变曲线沿KO′恢复部分变形(弹性变形部分)，保留OO′残余变形。

通过冷拉无时效处理，钢筋的屈服点升高至K点，以后的应力-应变关系与原来曲线KCD相似。这表明钢筋经冷拉后，屈服强度得到提高，抗拉强度和塑性与钢筋原材基本相同。

(3)图中O′K1C1D1曲线为冷拉时效，其含义是将钢筋原材拉伸至超过屈服点但不超过抗拉强度(使之产生塑性变形)的某一点K，卸去荷载，然后进行自然时效或人工时效，再将钢筋拉断。通过冷拉时效处理，钢筋的屈服点升高至K1点，以后的应力-应变关系K1C1D1比原来曲线KCD短。这表明钢筋经冷拉时效后，屈服强度进一步提高，与钢筋原材相比，抗拉强度亦有所提高，塑性和韧性则相应降低。

钢材冷加工强化的原因是钢材经冷加工产生塑性变形后，塑性变形区域内的晶粒产生相对滑移，导致滑移面下的晶粒破碎，晶格歪曲畸变，滑移面变得凹凸不平，对晶粒进一步滑移起阻碍作用，亦即提高了抵抗外力的能力，故屈服强度得以提高。同时，冷加工强化后的钢材，由于塑性变形后滑移面减少，从而使其塑性降低，脆性增大，且变形中产生的内应力，使钢的弹性模量降低。

钢筋经冷拉后，一般屈服点可提高20%～25%，冷拔钢丝的屈服点可提高40%～60%,由此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数量，从而达到节约钢材的目的。钢筋冷拉还有利于简化施工工序。冷拉盘条钢筋可省去开盘和调直工序；冷拉直条钢筋则可与矫直、除锈等工序一并完成。

3.4.4　钢材的热处理

热处理是将钢材按一定温度加热、保温和冷却，从而获得所需性能的一种工艺过程。钢材的热处理一般在生产厂家进行。在施工现场，有时需对焊接件进行热处理。钢材热处理的方法有以下几种。

(1)退火。将钢材加热到一定温度(一般为723℃以上)，保温后缓慢冷却(随炉冷却)的一种热处理工艺。退火能消除内应力，降低硬度，提高塑性，防止变形、开裂。

(2)正火。正火是退火的一种特例。正火在空气中冷却，两者仅冷却速度不同。与退火相比，正火后钢材的硬度、强度较高，而塑性减小。

(3)淬火。将钢材加热到一定温度(一般为900℃以上)，保持一定时间，立即放入水或油等冷却介质中快速冷却的一种热处理操作。淬火可提高钢材的强度和硬度，但钢材的塑性和韧性显著降低。

(4)回火。将钢材加热到某一温度(150～650℃)，保温后在空气中冷却的一种热处理工艺，通常和淬火是两道相连的热处理过程。回火可消除淬火产生的内应力，使钢材硬度降低，塑性和韧性得到一定提高。

【工程案例分析3-5】

钢结构吊车梁发生裂纹

现象：某厂汽轮机车间吊车梁为钢结构，建成后质量检查发现有许多裂纹，分布于上、下翼缘最多，腹板处较少。裂纹深度经铲后，用深度计复测，大多数深为1～2 mm，少量裂纹深达3 mm。此批构件钢材杂质含量远低于国家标准规定，环境温度正常，工程尚未使用，构建运输安装过程未被撞击，裂纹部位远离焊接影响区。

原因分析：经研究，该厂在生产钢材时，由于片面追求速度，铸钢时刚浇好的钢锭仅冷却至400～500℃就拆模，未检查与清理即送至升温轧钢，轧制时钢板温度还在300℃以上，就送去结构加工厂下料制作，钢板冷至50℃左右时，已有裂纹。即钢锭温差过大，导致钢材表面存在大量微裂纹，经加热轧压，裂纹不能闭合消失；由于钢锭是多边形，故轧制出的钢板上下两面有裂纹。另外，采购的钢板未发现裂纹也验证此原因分析。

3.5　建筑钢材的标准

3.5.1　碳素结构钢

1)碳素结构钢的牌号

根据现行国家标准《碳素结构钢》(GB/T 700—2006)规定，碳素结构钢牌号由字母和数字组合而成，按顺序为：屈服点符号、屈服极限值、质量等级及脱氧程度。共有四个牌号：Q195、Q215、Q235、Q275；按质量等级分为A、B、C、D四级；按脱氧程度分为沸腾钢(F)、镇静钢(Z)、半镇静钢(b)、特殊镇静钢(TZ)四类，Z和TZ在钢号中可省略。例如，Q235-A表示屈服极限为235 MPa、质量等级为A的镇静钢。

2)主要技术标准

(1)各牌号钢的主要力学性质见表3-1。冷弯性能应符合表3-2的要求。

表3-1　碳素结构钢的拉伸性能

注： ① Q195的屈服强度值仅供参考，不作交货条件。
② 厚度大于100 mm的钢材抗拉强度下限允许降低20 N/mm2，宽带钢(包括剪切钢板)抗拉强度上限不作交货条件。
③ 厚度小于25 mm的Q235B级钢材，如供方能保证冲击吸收功值合格，经需方同意，可不做检验。

表3-2　碳素结构钢的冷弯性能

续表3-2

注：① B为试样宽度，a为试样厚度(或直径)。
② 钢材厚度(或直径)大于100 mm时，弯曲试验由双方协商确定。

(2)碳素结构钢的牌号和化学成分(熔炼分析)应符合表3-3中的规定。

表3-3　碳素结构钢的牌号和化学成分(熔炼分析)

注:① 表中为镇静钢、特殊镇静钢牌号的统一数字，沸腾钢牌号的统一数字代号如下：Q195F—U11950，Q215AF—U12150， Q215BF—U12153，Q235AF—U12350， Q235BF—U12153，Q275AF—U12750。
② 经需方同意，Q235B的碳含量可不大于0.22%。

从表3-1、表3-2可看出:碳素结构钢随钢号递增而含碳量提高，强度提高，塑性和冷弯性能降低。

3)选用

碳素结构钢各钢号中Q195、Q215强度较低，塑性、韧性较好，易于冷加工和焊接，常用作铆钉、螺丝、铁丝等；Q235强度较高，塑性、韧性也较好，可焊性较好，为建筑工程中主要钢号；Q275强度高，塑性、韧性较差，可焊性较差，且不易冷弯，多用于机械零件，极少数用于混凝土配筋及钢结构或制作螺栓。同时，应根据工程结构的荷载情况、焊接情况及环境温度等因素来选择钢的质量等级和脱氧程度。如受振动荷载作用的重要焊接结构，处于计算温度低于-20℃的环境下，宜选用质量等级为D的特种镇静钢。

3.5.2　低合金结构钢

工程上使用的钢材要求强度高，塑性好，且易于加工，碳素结构钢的性能不能完全满足工程的需要。在碳素结构钢基础上掺入少量(掺量小于5%)的合金元素(如锰、钒、钛、铌、镍等)即成为低合金结构钢。

低合金钢与碳素钢相比，具有较高的强度，综合性能好，所以在相同使用条件下，可比碳素钢节省用钢20%～30%，这对减轻结构自重十分有利。

低合金钢具有良好的塑性、韧性、可焊性、耐低温性及抗腐蚀等性能，有利于延长结构使用寿命。

低合金钢特别适用于高层建筑、大柱网结构和大跨度结构。(www.xing528.com)

1)低合金结构钢的牌号

根据《低合金高强度结构钢》(GB/T 1591—2008)规定：低合金高强度结构钢按力学性能和化学成分分为Q345、Q390、Q420、Q460、Q500、Q550、Q620、Q690八个钢号，按硫、磷含量分A、B、C、D、E五个质量等级，其中E级质量最好。钢号按屈服点符号、屈服极限值和质量等级顺序排列。例如，Q420-B的含义为：屈服极限为420 MPa、质量等级为B的低合金高强度结构钢。

2)主要技术标准

低合金高强度结构钢的化学成分和力学性能见表3-4和表3-5。

表3-4　低合金高强度结构钢的化学成分

续表3-4

注：① 型材及棒材P、S含量可提高0.005%，其中A级钢可为0.045%。
② 当细化晶粒元素组合加入时，20(Nb+V+Ti)≤0.22%，20(Mo+Cr)≤0.30%。

表3-5　低合金高强度结构钢钢材的拉伸性能

续表3-5

注： ① 当屈服不明显时，可测量Rp0.2代替屈服强度。
② 宽度不小于600 mm的扁平材，拉伸试验取横向试样；宽度小于600 mm的扁平材、型材及棒材取纵向试样，断后伸长率最小值相应提高1%(绝对值)。
③ 厚度大于250～400 mm的数值适用于扁平材。

3)选用

Q345、Q390，综合力学性能好，焊接性能、冷热加工性能和耐蚀性能均好，C、D、E级钢具有良好的低温韧性。主要用于工程中承受较高荷载的焊接结构。Q420、Q460，强度高，特别是在热处理后有较高的综合力学性能。主要用于大型工程结构及要求强度高、荷载大的轻型结构。

3.6　常用建筑钢材

钢筋是建筑工程中用途最多、用量最大的钢材品种。常用的有热轧钢筋、冷拉钢筋、热处理钢筋、冷轧带肋钢筋、冷拔低碳钢丝和钢绞线等。

3.6.1　热轧钢筋

1)热轧光圆钢筋

热轧光圆钢筋(Hot Rolled Plain Bars)是经热轧成型并自然冷却，横截面通常为圆形，表面光滑的成品光圆钢筋。热轧光圆钢筋 分为HPB235、HPB300两种，其公称直径范围为6～22 mm，推荐的公称直径为6， 8， 10， 12， 16， 20。HPB300质量稳定，塑性好，易成型，目前正在替代HPB235钢筋应用于建筑工程中。但热轧光圆钢筋的屈服强度较低，不宜用于结构中的受力钢筋。

表3-6　热轧光圆钢筋的牌号构成及意义

热轧光圆钢筋牌号及化学成分应符合表3-7的规定。

表3-7　热轧光圆钢筋的牌号及化学成分

热轧光圆钢筋的屈服强度ReL、抗拉强度Rm、断后伸长率A、最大力总伸长率Agt应符合表3-8的规定，并作为交货检验的最小保证值(A、Agt可任选测一个，但有争议时，Agt作为仲裁检验)。

表3-8　热轧光圆钢筋的力学性能指标

2)热轧带肋钢筋

热轧带肋钢筋(Hot Rolled Ribbed Bars)是横截面为圆形，且表面通常有两条纵肋和沿长度方向均匀分布的横肋的钢筋。按横肋的纵截面形状分为月牙肋钢筋和等高肋钢筋。其外形见图3-11。热轧带肋钢筋 分为HRB335、HRB400、HRB500、HRBF335、HRBF400、HRBF500六种，HRBF表示细晶粒热轧钢筋，是在热轧过程中，通过控轧和控冷工艺形成的细晶粒钢筋，其金相组织主要是铁素体加珠光体，不得有影响使用性能的其他组织存在，晶粒度不粗于9级。公称直径范围为6～50 mm， 常见的钢筋公称直径为6 mm、8 mm、10 mm、12 mm、16 mm、20 mm、25 mm、32 mm、40 mm、50 mm。HRB335钢筋因强度较低，目前正在被建筑工程淘汰；HRB400强度较高，塑性、可焊性好，在钢筋混凝土结构中作受力筋及构造筋的主要用筋；HRB500强度高，塑性、韧性有保证，但可焊性较差，常用作预应力钢筋。细化晶粒的钢筋通常钢材牌号中带E，主要用于有抗震要求的钢筋混凝土结构工程。

图3-11　热轧带肋钢筋的外形

表3-9　热轧带肋钢筋的牌号构成及意义

热轧带肋钢筋牌号及化学成分和碳当量应符合表3-10的规定。根据需要，钢中还可加入V、Nb、Ti等元素。

表3-10　热轧带肋钢筋牌号及化学成分和碳当量

碳当量Ceq(百分比)值可按下式计算：

Ceq=C+Mn/6+(Cr+V+Mo)/5+(Cu+Ni)/15

热轧带肋钢筋的屈服强度ReL、抗拉强度Rm、断后伸长率A、最大力总伸长率Agt力学性能特征值应符合表3-11的规定，并可作为交货检验的最小保证值。

表3-11　热轧带肋钢筋的力学性能指标

热轧带肋钢筋的弯曲性能应按表3-12规定的弯芯直径弯曲180°后，钢筋的受弯曲部位表面不得产生裂纹。

表3-12　热轧带肋钢筋的公称直径与弯芯直径关系表(mm)

热轧带肋钢筋的反向弯曲性能应根据需方要求，进行反向弯曲性能试验。反向弯曲试验的弯芯直径比弯曲试验相应增加一个钢筋公称直径。反向弯曲试验：先正向弯曲90°后再反向弯曲20°。两个弯曲角度均应在去载之前测量。经反向弯曲试验后，钢筋受弯曲部位表面不得产生裂纹。

3.6.2　冷轧带肋钢筋

冷轧带肋钢筋是由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两面横肋的钢筋。

冷轧带肋钢筋的牌号由CRB和钢筋的抗拉强度最小值构成。C、R、B 分别为冷轧(Cold Rolled)、带肋(Ribbed)、钢筋(Bars)三个词的英文首位字母。冷轧带肋钢筋分为CRB550、CRB650、CRB800、CRB970四个牌号。其中，CRB550为普通钢筋混凝土用的钢筋，其他牌号为预应力混凝土用的钢筋。 CRB550钢筋的公称直径范围为4～12 mm。CRB650以上的牌号钢筋的公称直径为4 mm、5 mm、6 mm。其力学性能和工艺性能应符合国家标准：冷轧带肋钢筋的力学性能和工艺性能指标《GB 13788—2008》，见表3-13的要求。

当进行弯曲试验时，受弯曲部位表面不得产生裂纹。反复弯曲试验的弯曲半径应符合表3-14中的规定。

表3-13　冷轧带肋钢筋的力学性能和工艺性能

注：表中D为弯心直径；d为钢筋公称直径。

表3-14　反复弯曲试验的弯曲半径(mm)

3.6.3　冷轧扭钢筋

冷轧扭钢筋(Cold-Rolled and Twisted Bars)，低碳钢热轧圆盘条经专用钢筋冷轧扭机调直、冷轧并冷扭(或冷滚)一次成型具有规定截面形式和相应节距的连续螺旋状钢筋。

冷轧扭钢筋按其截面形状不同分为三种类型：近似矩形截面为Ⅰ型；近似正方形截面为Ⅱ型；近似圆形截面为Ⅲ型。冷轧扭钢筋按其强度级别不同分为550级和650级两级。

图3-12　冷轧扭钢筋示意图

冷轧扭钢筋的标记由产品名称代号、强度级别代号、标志代号、主参数代号以及类型代号组成。例如，冷轧扭钢筋550级Ⅱ型，标志直径10 rnm，标记为：CTB550φT10-Ⅱ。

冷轧扭钢筋力学性能和工艺性能应符合表3-15的规定。

表3-15　冷轧扭钢筋力学性能和工艺性能

注： ① d为冷轧扭钢筋标志直径。
② A、A11.3分别表示以标距、 (S0为试样原始截面面积)的试样拉断伸长率，A100表示以标距100 mm的试样拉断伸长率。

3.6.4　预应力钢丝、钢绞线

预应力筋除了上面冷轧带肋钢筋中提到的CRB650、CRB800、CRB970和热处理钢筋外，根据《混凝土结构工程施工质量验收规范》(GB 50204—2011)规定，还有钢丝、钢绞线等。

1)钢丝

预应力筋混凝土用钢丝为高强度钢丝，使用优质碳素结构钢经冷拔或再经回火等工艺处理制成。其强度高，柔性好，适用于大跨度屋架、吊车梁等大型构件及V形折板等，使用钢丝可节省钢材，施工方便，安全可靠，但成本较高。

预应力钢丝按加工状态分为冷拉钢丝和消除应力钢丝两类。

消除应力钢丝按松弛性能又分为低松弛级钢丝和普通松弛级钢丝，其代号为：冷拉钢丝——WCD；低松弛级钢丝——WLR；普通松弛级钢丝——WNR。

钢丝按外形可分为光圆、螺旋肋、刻痕三种，其代号为：光圆钢丝——P；螺旋肋钢丝——H；刻痕钢丝——I。

经低温回火消除应力后钢丝的塑性比冷拉钢丝要高，刻痕钢丝是经压痕轧制而成，刻痕后与混凝土握裹力大，可减少混凝土裂缝的产生。根据《预应力混凝土用钢丝》(GB/T 5223—2002)，上述钢丝应符合表3-16～表3-18中所要求的机械性能。

2)钢绞线

钢绞线是用2根、3根或7根钢丝在绞线机上，经绞捻后，再经低温回火处理而成。钢绞线具有强度高、柔性好、与混凝土黏结力好、易锚固等特点，主要用于大跨度、重荷载的预应力混凝土结构。其力学性能应符合标准《预应力混凝土用钢绞线》(GB/T 5224—2003)。见表3-19～表3-21。

表3-16　冷拉钢丝的力学性能

表3-17　消除应力光圆及螺旋肋钢丝的力学性能

表3-18　消除应力的刻痕钢丝的力学性能

表3-19　1×2结构钢绞线尺寸及力学性能

续表3-19

注：规定非比例延伸力Fp0.2值不小于整根钢绞线公称最大力Fm的90%。

表3-20　1×3结构钢绞线尺寸及力学性能

续表3-20

注：规定非比例延伸力Fp0.2值不小于整根钢绞线公称最大力Fm的90%。

表3-21　1×7结构钢绞线尺寸及力学性能

表3-21

注：规定非比例延伸力Fp0.2值不小于整根钢绞线公称最大力Fm的90%。

预应力混凝土钢线与钢绞线具有强度高、柔性好、无接头等优点，且质量稳定，安全可靠，施工时不需冷拉及焊接，主要用作大跨度桥梁、屋架、吊车梁、薄腹梁、电杆、轨枕等预应力钢筋。

3.6.5　钢结构用钢材

钢结构用钢材主要是热轧成型的钢板和型钢等；薄壁轻型钢结构中主要采用薄壁型钢、圆钢和小角钢；钢材所用的母材主要是普通碳素结构钢和低合金高强度结构钢。

1)热轧型钢

钢结构常用型钢有工字钢、H型钢、T型钢、Z型钢、槽钢、等边角钢和不等边角钢等。图3-13为几种常用热轧型钢示意图。型钢由于截面形式合理，材料在截面上的分布对受力最为有利，且构件间连接方便，所以它是钢结构中采用的主要钢材。

图3-13　几种常用热轧型钢截面示意图

钢结构用钢的钢种和钢号，主要根据结构与构件的重要性、荷载的性质(静载或动载)、连接方法(焊接、铆接或螺栓连接)、工作条件(环境温度及介质)等因素来选择。

工字钢广泛应用于各种建筑结构和桥梁，主要用于承受横向弯曲(腹板平面内受弯)的杆件，但不宜单独用作轴心受压构件或双向弯曲的构件。与工字钢相比，H型钢优化了截面的分布，有翼缘宽、侧向刚度大、抗弯能力强、翼缘两表面相互平行、连接构造方便、省劳力、重量轻、节省钢材等优点，常用于承载力大、截面稳定性好的大型建筑。其中宽翼缘和中翼缘H型钢适用于钢柱等轴心受压构件，窄翼缘H型钢适用于钢梁等受弯构件。槽钢可用做承受轴向力的杆件、承受横向弯曲的梁以及联系杆件，主要用于建筑结构、车辆制造等。

角钢主要用做承受轴向力的杆件和支撑杆件，也可作为受力构件之间的连接零件。

2)钢板

钢板有热轧钢板和冷轧钢板之分，按厚度可分为厚板(厚度>4 mm)和薄板(厚度≤4 mm)两种。厚板用热轧方式生产，材质按使用要求相应选取；薄板用热轧或冷轧方式均可生产，冷轧钢板一般质量较好，性能优良，但其成本高，土木工程中使用的薄钢板多为热轧型。

钢板的钢种主要是碳素钢，某些重型结构、大跨度桥梁等也采用低合金钢。厚板主要用于结构，薄板主要用于屋面板、楼板和墙板等。在钢结构中，单块钢板不能独立工作，必须用几块板组合成工字形、箱形等结构来承受荷载。

3)钢管

按照生产工艺，钢结构所用钢管分为热轧无缝钢管和焊接钢管两大类。

(1)热轧无缝钢管

以优质碳素钢和低合金结构钢为原材料，多采用热轧-冷拔联合工艺生产，也可用冷轧方式生产，但后者成本高昂。主要用于压力管道和一些特定的钢结构。

(2)焊接钢管

采用优质或普通碳素钢钢板卷焊而成，表面镀锌或不镀锌(视使用而定)。按其焊缝形式有直缝电焊钢管和螺旋焊钢管，适用于各种结构、输送管道等用途。焊接钢管成本较低，容易加工，但多数情况下抗压性能较差。在土木工程中，钢管多用于制作桁架、塔桅、钢管混凝土等，广泛应用于高层建筑、厂房柱、塔柱、压力管道等工程中。

① 建筑结构用冷弯矩形钢管(JG/T 178—2005)

建筑结构用冷弯矩形钢管指采用冷轧或热轧钢带，经连续辊式冷弯及高频直缝焊接生产形成的矩形钢管。成型方式包括直接成方和先圆后方。冷弯矩形钢管以冷加工状态交货。如有特殊要求，由供需双方协商确定。

按产品截面形状分为冷弯正方形钢管、冷弯长方形钢管。按产品屈服强度等级分为235、345、390。按产品性能和质量要求等级分为：较高级Ⅰ级，在提供原料的化学性能和产品的机械性能前提下，还必须保证原料的碳当量，产品的低温冲击性能、疲劳性能及焊缝无损检测可作为协议条款；普通级Ⅱ级，仅提供原料的化学性能和机械性能。

按产品成型方式分为:直接成方(方变方)，以Z表示；先圆后方(圆变方)，以X表示。

冷弯矩形钢管用的标记由原料钢种牌号、长×宽×壁厚、产品等级、成型方式、产品标准号五部分组成。例如，原料钢种牌号为Q235B，产品截面尺寸是500 mm×400 mm×16 mm，产品性能和质量要求等级达到Ⅰ级，采用直接成方成型方式制造的冷弯矩形钢管标记为:Q235B-500×400×16(I/Z)-JG/T 178—2005。

② 结构用高频焊接薄壁H型钢(JG/T 137—2007)

结构用高频焊接薄壁H型钢包括普通高频焊接薄壁H型钢和卷边高频焊接薄壁H型钢两种。前者是由三条平直钢带经连续高频焊接而成的，截面形式为工字形的型钢；后者是上下翼缘冷弯成“C”形，其余形式与普通高频焊接薄壁H型钢相同的型钢。

普通高频焊接薄壁H型钢的标记由代号LH、截面高度×翼缘宽度×腹板厚度×翼缘厚度组成。例如，截面高度为200 mm、翼缘宽度为100 mm、腹板厚度为3.2 mm、翼缘厚度为4.0 mm的普通高频焊接薄壁H型钢表示为LH200×100×3.2×4.5。卷边高频焊接薄壁H型钢的标记由代号CLH、截面高度×翼缘宽度×翼缘卷边高度×腹板厚度×翼缘厚度组成。例如，截面高度为200 mm、翼缘宽度为100 mm、卷边高度为25 mm、腹板及翼缘厚度均为3.2 mm 的卷边高频焊接薄壁H型钢表示为CLH200×100×25×3.2×3.2。

【工程案例分析3-6】

韩国汉城大桥倒塌

现象：1994年10月21日，韩国汉城汉江圣水大桥中段50 m长的桥体像刀切一样坠入江中，造成多人死亡。该桥由韩国最大的建筑公司之一的东亚建设产业公司于1979年建成。

原因分析：事故原因调查团经过5个多月的各种试验和研究，于次年4月2日提出了事故报告。事故原因主要有两个方面：一是东亚建筑公司没有按图纸施工，在施工中偷工减料，利用疲劳性能很差的劣质钢材，这是事故的直接原因。二是当时韩国缩短工期及汉城市政当局在交通管理上疏漏。设计负载限制为32 t，建成后交通流量逐年增加，超常负荷，倒塌时负载为43.2 t。

3.7　钢材的防锈与防火

3.7.1　钢材的防锈

1)钢材的锈蚀

钢材的锈蚀是指钢的表面与周围介质发生化学作用或电化学作用而遭到侵蚀并破坏的现象。钢材锈蚀的主要影响因素有环境湿度、侵蚀性介质的性质及数量、钢材材质及表面状况等。根据钢材与环境介质作用的机理，锈蚀可分为化学锈蚀和电化学锈蚀两类。

(1)化学锈蚀　化学锈蚀是指钢材直接与周围介质发生化学反应而产生的锈蚀。这种锈蚀多数是氧化作用使钢材表面形成疏松的铁氧化物。在常温下，钢材表面形成一薄层钝化能力很弱的氧化保护膜，它疏松，易破裂，有害介质可进一步渗入而发生反应，造成锈蚀。在干燥环境下，化学锈蚀速度缓慢，但在温度和湿度较大的情况下，这种锈蚀进展加快。

(2)电化学锈蚀　电化学锈蚀是指钢材与电解质溶液接触而产生电流，形成微电池而引起的锈蚀。钢材本身含有铁、碳等多种成分，在表面介质作用下，各成分的电极电位不同，形成许多微电池。在潮湿空气中，钢材表面将覆盖一层薄的水膜。在阳极区，铁被氧化成Fe2+离子进入水膜。因为水中溶有来自空气中的氧，故在阴极区氧将被还原为OH-离子，两者结合成为不溶于水的Fe(OH)2，并进一步氧化成为疏松易剥落的红棕色铁锈Fe(OH)3。电化学锈蚀是建筑钢材在存放和使用中发生锈蚀的主要形式。

钢材锈蚀后，受力面积减小，承载能力下降。在钢筋混凝土中，因钢筋锈蚀会引起钢筋混凝土顺筋开裂。

2)钢材锈蚀的防止

钢材的锈蚀既有内因(材质)，又有外因(环境介质作用)，因此要防止或减少钢材的锈蚀必须从钢材本身的易腐蚀性，隔离环境中的侵蚀性介质或改变钢材表面状况方面入手。

(1)表面刷漆　表面刷漆是钢结构防止锈蚀的常用方法。刷漆通常有底漆、中间漆和面漆三道。底漆要求有较好的附着力和防锈能力，常用的有红丹、环氧富锌漆、云母氧化铁和铁红环氧底漆等。中间漆为防锈漆，常用的有红丹、铁红等。面漆要求有较好的牢度和耐候性，能保护底漆不受损伤或风化，常用的有灰铅、醇酸磁漆和酚醛磁漆等。

钢材表面涂刷漆时，一般为一道底漆、一道中间漆和两道面漆。要求高时可增加一道中间漆或面漆。使用防锈涂料时，应注意钢构件表面的除锈，注意底漆、中间漆和面漆的匹配。

(2)表面镀金属　用耐腐蚀性好的金属，以电镀或喷镀的方法覆盖在钢材的表面，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)、镀铜和镀铬等。

(3)制成合金钢　钢材的化学成分对耐锈蚀性有很大影响，如在钢中加入少量的铜、铬、镍、钼等合金元素，制成不锈钢。这种钢既有致密的表面防腐保护，提高了耐锈蚀能力，同时又有良好的焊接性能。

(4)混凝土中钢筋的防腐　为了防止混凝土中钢筋锈蚀，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；控制混凝土中最大水胶比及最小水泥用量；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；限制氯盐外加剂的掺加量和保证混凝土一定的碱度；对于预应力混凝土，应禁止使用含氯盐的骨料和外加剂。另外，也可采用环氧涂层钢筋、混凝土表面喷涂、阴极保护等辅助措施。

3.7.2　钢材的防火

钢是不燃性材料，但并不表明钢材能耐火。温度在200℃以内，钢材的性能基本不变；超过300℃，弹性模量、屈服点均开始显著下降，应变急剧增大；到达600℃时，钢材基本失去承载能力。试验表明：无保护层时钢柱和钢屋架的耐火极限只有0.25 h，而裸露钢梁的耐火极限只有0.15 h。所以，没有防火保护层的钢结构不能够抵抗火灾。为了克服钢结构耐火性差的特点，可采用下列保护方法：

(1)涂覆钢结构防火涂料　防火涂料分为膨胀型和非膨胀型两种。膨胀型(薄型)防火涂料的涂层厚度一般为2～7 mm，附着力较强。因膨胀型防火涂料内含膨胀组分，遇火后会膨胀增厚5～10倍，形成多孔结构，阻隔火焰和热量，起到良好的隔热防火作用，可使构件的耐火极限达到0.5～1.5 h。非膨胀型(厚型)防火涂料的涂层厚度一般为8～50 mm，密度小，强度低，喷涂后需再用装饰面层隔护，耐火极限可达0.5～3.0 h。

(2)包封法处理　即用耐火的保温材料将钢结构包封起来。常用的包封材料有石膏板、硅酸钙板、蛭石岩板、珍珠岩板、矿棉板等，可通过黏结剂或钢钉、钢箍等固定在钢板上。

(3)水冷却法　水冷却法，即对空心钢柱，可在其内部充水保证钢结构冷却。也可给钢柱加做箱形外套，在套内注入水，火灾时，由于钢柱受水的保护而升温减慢。

【工程案例分析3-7】

广东某斜拉桥拉索腐蚀失效

现象：广东某斜拉桥竣工于1989年。1995年5月，其中一条拉索突然坠落，经检验，确认其他拉索的钢丝已受不同程度的腐蚀，该桥最后全部更换新拉索。

原因分析：对坠落的拉索进行研究，钢丝的腐蚀程度由上而下逐渐增加，且与所灌注的水泥浆体的情况有明显的对应关系。其中锈蚀严重部分钢丝的表面多已不存在镀锌层，露出了钢基体，有明显的点腐蚀形貌。该部分水泥浆体未凝结。

拉索钢丝所受的腐蚀原因是所灌注的水泥浆体不凝结，产生电化学腐蚀；而水泥浆体所含一定量的Cl-及钢丝在拉应力的作用下更加速了此锈蚀过程。水泥浆体不凝结的原因是：该拉索所灌注的水泥浆产生离析，含一定浓度FDN减水剂的大水灰比水泥浆体富集于拉索上部，在密闭的条件下，造成浆体长时间不凝结。

【现代建筑材料知识拓展】钢结构建筑的防火、防袭击

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；可实现框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，2001年9月11日被恐怖分子袭击而倒塌，这给人们提出了钢结构防火、防袭击破坏的新课题。一些钢结构建筑原已考虑到防火问题，为此在钢材表面涂防火涂料层，以延缓钢结构构件温度升高至临界屈服或破坏温度的时间，提高结构的耐火极限和建筑物的防火等级，同时兼备减少热损失、节能的作用。但已涂覆防火涂料的世贸大厦遇袭后短时间即坍塌。故解决此问题不应该仅仅着眼于防火涂料的改进，从发散思维的角度还可考虑钢材本身的性能改进，如通过与无机非金属材料的复合，提高钢结构材料本身的防火等方面的能力。还可设想研究材料或结构本身的自灭火性能，或者考虑如何综合多因素选用建筑材料，以增强重要建筑的防火、防袭击的能力等。

课后思考题

一、填空题

1.钢材按炼钢过程中脱氧程度不同可分为_________、_________、_________和_________四大类。

2.钢材的主要性能包括_________性能和_________性能。

3.低碳钢从开始受力至拉断可分为四个阶段：_________、_________、_________和_________。

4.碳素结构钢的牌号由代表屈服点字母_________、_________、_________和_________四部分构成。

5.热轧钢筋根据表面形状分为_________和_________。

6.冷弯检验是：按规定的_________和_________进行弯曲后，检查试件弯曲处外面及侧面不发生断裂、裂缝或起层，即认为冷弯性能合格。

二、名词解释

1.钢的低温冷脆性　　　　　2.钢的时效处理　　　　　　　3.冷加工

4.屈强比　　　　　　　　　5.钢的冲击韧性

三、单项选择题

1.钢材中(　　)的含量过高，将导致其热脆现象发生。

A.碳　B.磷　C.硫　D.氮

2.对同一种钢材，原始标距越长其伸长率就(　　)。

A.越大　B.越小　C.不变　D.不一定

3.钢材随着含碳量的增加，其(　　)降低。

A.抗拉强度　B.硬度　C.塑性　D.屈服强度

4.伸长率是衡量钢材的(　　)指标。

A.弹性　B.塑性　C.脆性　D.硬度

5.结构设计时，碳素钢以(　　)作为设计计算取值的依据。

A.弹性极限　B.屈服强度　C.抗拉强度　D.比例极限

6.钢材经冷加工后，性能会发生显著变化，但不会发生(　　)变化。

A.强度提高　B.塑性增大　C.变硬　D.变脆

7.建筑工程中所用的钢绞线一般采用(　　)钢材为原料加工而成。

A.普通碳素结构钢　B.优质碳素结构钢

C.普通低合金结构钢　D.普通中合金钢

8.钢材表面锈蚀的主要原因是(　　)。

A.钢材本身含有杂质　B.表面不平，经冷加工后存在内应力

C.有外部电解质作用　D.电化学作用

四、简述题

1.什么是建筑钢材?钢的冶炼方法主要有哪几种？冶炼方法不同，性能上有何影响？

2.按脱氧程度不同，钢材分为哪几类？各有何特点？

3.建筑钢材的主要技术性能有哪些?低碳钢在拉伸过程中可分成几个阶段?各阶段的特点如何?

4.何谓钢材的冷加工和时效？对钢材的性能有何影响？为什么？

5.钢材的化学成分对钢材的力学性能有何影响？

6.碳素结构钢有几个牌号? 举例说明碳素结构钢牌号的含义。

7.与碳素结构钢相比，低合金高强度结构钢有何优点？低合金高强度结构钢的牌号怎样表示?试举例说明。

8.热轧带肋钢筋根据什么分出等级?共分几级?牌号如何表示?

9.钢材腐蚀的原因是什么？

10.钢材为何要做防火处理？

五、计算题

有一钢筋试件，直径为25 mm，原始标距为125 mm，做拉伸试验，屈服点荷载为201.0 kN，最大荷载为250.3 kN，拉断后测得断后标距长为138 mm，求该钢筋的屈服强度、抗拉强度及断后伸长率。