建筑鋼材主要包括：鋼結(jié)構(gòu)用各種型鋼（如工字鋼、角鋼、槽鋼、方鋼等）、板材、鋼管、鋼筋和鋼絲等； 鋼材的優(yōu)點(diǎn)：（1） 抗拉、抗壓和抗沖擊性能好；（2） 可切割、可焊接、可鉚接，裝配方便； 缺點(diǎn)是容易腐蝕。建筑鋼材的標(biāo)準(zhǔn)與選用1 建筑鋼結(jié)構(gòu)常用鋼種⑴ 碳素結(jié)構(gòu)鋼①牌號及其表示方法國家標(biāo)準(zhǔn)GB 700-88《碳素結(jié)構(gòu)鋼》中規(guī)定，牌號由代表屈服點(diǎn)的字母、屈服點(diǎn)數(shù)值、質(zhì)量等級符號、脫氧方法等四部分按順序組成。其中以"Q"代表屈服點(diǎn)；屈服點(diǎn)數(shù)值共分195、215、235、255和275MPa五種；質(zhì)量等級以硫、磷等雜質(zhì)含量由多到少，分別用A、B、C、D符號表示；脫氧方法以F表示沸騰鋼、b表示半鎮(zhèn)靜鋼、Z、TZ表示鎮(zhèn)靜鋼和特殊鎮(zhèn)靜鋼，Z和TZ在鋼的牌號中予以省略。例如：Q235－A·F表示屈服點(diǎn)為235MPa的A級沸騰鋼。 ②碳素結(jié)構(gòu)鋼技術(shù)性能與應(yīng)用 根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB 700-88《碳素結(jié)構(gòu)鋼》，隨著牌號的增大，對鋼材屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的要求增大，對伸長率的要求降低。碳素結(jié)構(gòu)鋼的化學(xué)成分、力學(xué)性能、冷彎性能應(yīng)符合P148表8-3、表8-4和表8-5的規(guī)定。 不同牌號的碳素鋼在土木工程中有不同的應(yīng)用：Q195——強(qiáng)度不高，塑性、韌性、加工性能與焊接性能較好，主要用于軋制薄板和盤條等。 Q215——與Q195鋼基本相同，其強(qiáng)度稍高，大量用做管坯、螺栓等。 Q235——強(qiáng)度適中，有良好的承載性，又具有較好的塑性和韌性，可焊性和可加工性也較好，是鋼結(jié)構(gòu)常用的牌號，大量制作成鋼筋、型鋼和鋼板用于建造房屋和橋梁等。 Q255——強(qiáng)度高、塑性和韌性稍差，不易冷彎加工，可焊性較差，主要用做鉚接或栓接結(jié)構(gòu)，以及鋼筋混凝土的配筋。 思考題：在鋼結(jié)構(gòu)中，為什么Q235結(jié)構(gòu)鋼能得到普遍的應(yīng)用？Q235是建筑工程中最常用的碳素結(jié)構(gòu)鋼牌號，其既具有較高強(qiáng)度，又具有較好的塑性、韌性，同時(shí)還具有較好的可焊性。Q235良好的塑性可保證鋼結(jié)構(gòu)在超載、沖擊、焊接、溫度應(yīng)力等不利因素作用下的安全性，因而Q235能滿足一般鋼結(jié)構(gòu)用鋼的要求。Q235－A一般用于只承受靜荷載作用的鋼結(jié)構(gòu)；Q235－B適合用于承受動(dòng)荷載焊接的普通鋼結(jié)構(gòu)；Q235－C適合用于承受動(dòng)荷載焊接的重要鋼結(jié)構(gòu)；Q235－D適合用于低溫環(huán)境使用的承受動(dòng)荷載焊接的重要鋼結(jié)構(gòu)。 ⑵ 低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼低合金高強(qiáng)度鋼是一種在碳素鋼的基礎(chǔ)上添加總量小于5%的一種或多種合金元素的鋼材。合金元素有：硅（Si）、錳（Mn）、釩（V）、鈮（Nb）、鉻（Cr）、鎳（Ni）及稀土元素等。 ①牌號 根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB 1591-94《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》的規(guī)定，低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼分為Q295、Q345、Q390、Q420和Q460共五個(gè)牌號。每個(gè)牌號根據(jù)硫、磷等有害雜質(zhì)的含量，分為A、B、C、D和E五個(gè)等級。?? 牌號表示方法為：如Q345B表示屈服強(qiáng)度不小于345MPa，質(zhì)量等級為B級的低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼。②技術(shù)性能與應(yīng)用 根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB 1591-94《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》的規(guī)定， P150表8-6和8-7中分別列出了低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的化學(xué)成分與力學(xué)性能。低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼主要用于軋制各種型鋼、鋼板、鋼管及鋼筋，廣泛用于鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，特別適用于各種重型結(jié)構(gòu)、高層結(jié)構(gòu)、大跨度結(jié)構(gòu)及橋梁工程等。 2 混凝土結(jié)構(gòu)用鋼 混凝土具有較高的抗壓強(qiáng)度，但抗拉強(qiáng)度很低。用鋼筋增強(qiáng)混凝土，可大大擴(kuò)展混凝土的應(yīng)用范圍，而混凝土又對鋼筋起保護(hù)作用。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的鋼筋，主要由碳素結(jié)構(gòu)鋼和優(yōu)質(zhì)碳素鋼制成，包括有：⑴ 熱軋鋼筋熱軋鋼筋是建筑工程中用量最大的鋼材品種之一，主要用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的配筋。熱軋帶肋鋼筋的牌號由HRB和牌號的屈服點(diǎn)最小值構(gòu)成，有HRB335、HRB400、HRB500三個(gè)牌號，其力學(xué)性能規(guī)定見P153表8－9。應(yīng)用：普通混凝土非預(yù)應(yīng)力鋼筋可根據(jù)使用條件選用I級鋼筋或HRB335、HRB400鋼筋；預(yù)應(yīng)力鋼筋應(yīng)優(yōu)先選用HRB400鋼筋，也可以選用HRB335鋼筋。⑵ 冷拉熱軋鋼筋 P153表8.10 冷拉熱軋鋼筋的性質(zhì)⑶ 冷軋帶肋鋼筋冷軋帶肋鋼筋是由熱軋圓盤條經(jīng)冷軋后，在其表面帶有沿長度方向均勻分布的三面或二面橫肋的鋼筋。P154表8.11 冷軋帶肋鋼筋的性質(zhì)冷軋帶肋鋼筋分為CRB550、CRB650、CRB800、CRB970、CRB1170五個(gè)牌號。CRB550為普通鋼筋混凝土用鋼筋，其他牌號為預(yù)應(yīng)力混凝土鋼筋。CRB550鋼筋的公稱直徑范圍為4～12mm。CRB650及以上牌號鋼筋的公稱直徑為4、5、6mm。（1） 熱處理鋼筋 熱處理鋼筋是將鋼筋按一定規(guī)則加熱、保溫和冷卻，以改變其組織，從而獲得需要性能的一種工藝過程。其特點(diǎn)是塑性降低不多，但其強(qiáng)度提高很大，綜合性能比較理想。其力學(xué)性質(zhì)見P154表8.12 應(yīng)用：主用用于預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕和其他預(yù)應(yīng)力混凝土工程等。（2） 冷拔低碳鋼絲： 冷拉低碳鋼絲是將直徑為6.5～8mm的Q235圓盤條通過截面小于鋼筋截面的鎢合金拔絲而制成。應(yīng)用：主用用于預(yù)應(yīng)力混凝土工程。 （6）預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絲預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絲是以優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼盤條為原料，經(jīng)淬火奧氏體化、酸洗、冷拉制成的用作預(yù)應(yīng)力混凝土骨架的鋼絲。鋼絲的抗拉強(qiáng)度比鋼筋混凝土用熱軋光圓鋼、熱軋帶肋鋼筋高許多，在構(gòu)件中采用預(yù)應(yīng)力鋼絲可收到節(jié)省鋼材、減少構(gòu)件截面和節(jié)省混凝土的效果，主要用作橋梁、吊車梁、大跨度屋架、管樁等預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土構(gòu)件中。 ⑸ 鋼絞線根據(jù)GB 5224－95《預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絞線》規(guī)定，預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絞線是以數(shù)根優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼鋼絲經(jīng)絞捻和消除應(yīng)力的熱處理而制成。根據(jù)鋼絲的股數(shù)分為1×2、1×3和1×7三種類型，其中1表示以一根鋼絲為芯、2、3、7分別表示其周圍圍繞的鋼絲數(shù)量為2、3和7根。應(yīng)用：預(yù)應(yīng)力鋼絞線主要用于預(yù)應(yīng)力混凝土配筋，適用于大型屋架、薄腹梁、大跨度橋梁等負(fù)荷大、跨度大的預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)。 建筑鋼材的力學(xué)性能 1. 抗拉性能 低碳鋼拉伸時(shí)的應(yīng)力－應(yīng)變圖 硬鋼應(yīng)力－應(yīng)變圖抗拉性能是建筑鋼材最重要的力學(xué)性能。鋼材受拉時(shí)，在產(chǎn)生應(yīng)力的同時(shí)，相應(yīng)地產(chǎn)生應(yīng)變。應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系反映出鋼材的主要力學(xué)特征。從低碳鋼（軟鋼）的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系中可看出，低碳鋼從受拉到拉斷，經(jīng)歷了四個(gè)階段：彈性階段（OA）、屈服階段(AB)、強(qiáng)化階段(BC)和頸縮階段(CD)。 ⑴ 彈性階段在圖中OA段，應(yīng)力較低，應(yīng)力與應(yīng)變成正比例關(guān)系，卸去外力，試件恢復(fù)原狀，無殘余形變，這一階段稱為彈性階段。彈性階段的最高點(diǎn)（A點(diǎn)）所對應(yīng)的應(yīng)力稱為彈性極限，用σp表示，在彈性階段，應(yīng)力和應(yīng)變的比值為常數(shù)稱為彈性模量，用E表示，即E=σ/ε。 ⑵ 屈服階段當(dāng)應(yīng)力超過彈性極限后，應(yīng)變的增長比應(yīng)力快，此時(shí)，除產(chǎn)生彈性變形外，還產(chǎn)生塑性變形。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到B上點(diǎn)時(shí)，即使應(yīng)力不再增加，塑性變形仍明顯增長，鋼材出現(xiàn)了“屈服”現(xiàn)象，這一階段稱為屈服階段。在屈服階段中，應(yīng)力會(huì)有波動(dòng)，出現(xiàn)上屈服點(diǎn)（B上）和下屈服點(diǎn)(B下)。由于下屈服點(diǎn)比較比較穩(wěn)定且容易測定，因此，采用下屈服點(diǎn)對應(yīng)的應(yīng)力作為鋼材的屈服極限（σS）或屈服強(qiáng)度。鋼材受力達(dá)到屈服強(qiáng)度后，變形迅速增長，盡管尚未斷裂，已不能滿足使用要求，故結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中以屈服強(qiáng)度作為容許應(yīng)力取值的依據(jù)。 ⑶ 強(qiáng)化階段在鋼材屈服到一定程度后，由于內(nèi)部晶格扭曲、晶粒破碎等原因，阻止了塑性變形的進(jìn)一步發(fā)展，鋼材抵抗外力的能力重新提高，在應(yīng)力－應(yīng)變圖上，曲線從B點(diǎn)開始上升直至最高點(diǎn)C，這一過程稱為強(qiáng)化階段；對應(yīng)于最高點(diǎn)C的應(yīng)力稱為抗拉強(qiáng)度（σb）。它是鋼材所承受的最大拉應(yīng)力。常用低碳鋼的抗拉強(qiáng)度為375～500MPa。條件屈服點(diǎn)： 某些合金鋼或含碳量高的鋼材（如預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼筋和鋼絲）具有硬鋼的特點(diǎn)，其抗拉強(qiáng)度高，無明顯屈服階段，伸長率小。故采用產(chǎn)生殘余變形為0.2％原標(biāo)距長度時(shí)的應(yīng)力作為屈服強(qiáng)度，稱為條件屈服點(diǎn)，用δ0.2表示。強(qiáng)屈比：抗抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度之比（強(qiáng)屈比）σb/σS，是評價(jià)鋼材使用可靠性的一個(gè)參數(shù)。強(qiáng)屈比愈大，鋼材受力超過屈服點(diǎn)工作時(shí)的可靠性越大，安全性越高，但是，強(qiáng)屈比太大，鋼材強(qiáng)度的利用率偏低，浪費(fèi)材料。鋼材的強(qiáng)屈比一般不低于1.2，用于抗震結(jié)構(gòu)的普通鋼筋實(shí)測的強(qiáng)屈比應(yīng)不低于1.25。 ⑷ 頸縮階段在鋼材達(dá)到C點(diǎn)后，試件薄弱處的斷面將顯著減小，塑性變形急劇增加，產(chǎn)生“頸縮”現(xiàn)象而斷裂（圖8－3）。鋼材的塑性通常用拉伸試驗(yàn)時(shí)的伸長率或斷面收縮率來表示。伸長率：將拉斷后試件拼合起來，測量出標(biāo)距長度l1,l1與試件受力前的原標(biāo)距l(xiāng)0之差為塑性變形值，它與原標(biāo)距l(xiāng)0之比為伸長率δ，按下式計(jì)算： 式中 δ——伸長率；l0——試件原始標(biāo)距長度，mm；l1——斷裂試件拼合后標(biāo)距長度，mm； 斷面收縮率：是指斷口處的面積收縮量與原面積之比 試件拉伸前和斷裂后標(biāo)距的長度 2.冷彎性能冷彎性能是指鋼材在常溫下承受彎曲變形的能力，以試驗(yàn)時(shí)的彎曲角度α和彎心直徑d為指標(biāo)表示。鋼材的冷彎試驗(yàn)是通過直徑(或厚度)為a的試件，采用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的彎心直徑d（d = na，n為整數(shù)），彎曲到規(guī)定的角度時(shí)（180°或90°），檢查彎曲處有無裂紋、斷裂及起層等現(xiàn)象。若沒有這些現(xiàn)象則認(rèn)為冷彎性能合格。鋼材冷彎時(shí)的彎曲角度α越大，d/a越小，則表示冷彎性能越好。 3. 沖擊韌性 鋼材的沖擊韌性是處在簡支梁狀態(tài)的金屬試樣在沖擊負(fù)荷作用下折斷時(shí)的沖擊吸收功。鋼材的沖擊韌性與鋼材的化學(xué)成分、組織狀態(tài)，以及冶煉、加工都有關(guān)系。例如，鋼材中磷、硫含量較高，存在偏析、非金屬夾雜物和焊接中形成的微裂紋等都會(huì)使沖擊韌性顯著降低。沖擊韌性隨溫度的降低而下降，其規(guī)律是：開始下降緩和，當(dāng)達(dá)到一定溫度范圍時(shí)，突然下降很多而呈脆性，這種性質(zhì)稱為鋼材的冷脆性； 4. 耐疲勞性受交變荷載反復(fù)作用時(shí)，鋼材在應(yīng)力低于其屈服強(qiáng)度的情況下突然發(fā)生脆性斷裂破壞的現(xiàn)象，稱為疲勞破壞。疲勞破壞是在低應(yīng)力狀態(tài)下突然發(fā)生的，所以危害極大，往往造成災(zāi)難性的事故。 在一定條件下，鋼材疲勞破壞的應(yīng)力值隨應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的增加而降低。鋼材在無窮次交變荷載作用下而不至引起斷裂的最大循環(huán)應(yīng)力值，稱為疲勞強(qiáng)度極限，實(shí)際測量時(shí)常以2×106次應(yīng)力循環(huán)為基準(zhǔn)。一般來說，鋼材的抗拉強(qiáng)度高，其疲勞極限也較高。 5.焊接性能焊接是把兩塊金屬局部加熱，并使其接縫部分迅速呈熔融或半熔融狀態(tài)，而牢固的連接起來。它是鋼結(jié)構(gòu)的主要連接形式。建筑工程的鋼結(jié)構(gòu)中，焊接結(jié)構(gòu)要占90％以上。 鋼材的焊接性能是指在一定的焊接工藝條件下，在焊縫及其附近過熱區(qū)不產(chǎn)生裂紋及硬脆傾向，焊接后鋼材的力學(xué)性能，特別是強(qiáng)度不低于原有鋼材的強(qiáng)度。 鋼材的化學(xué)成分對鋼材的可焊性有很大的影響。隨鋼材的含碳量、合金元素及雜質(zhì)元素含量的提高，鋼材的可焊性降低。鋼材的含碳量超過0.25%時(shí)，可焊性明顯降低；硫含量較多時(shí)，會(huì)使焊口處產(chǎn)生熱裂紋，嚴(yán)重降低焊接質(zhì)量。 [工程實(shí)例分析] 鋼結(jié)構(gòu)屋架倒塌概況：某廠的鋼結(jié)構(gòu)屋架是用中碳鋼焊接而成的，使用一段時(shí)間后，屋架坍塌，請分析事故原因。分析討論：首先是因?yàn)殇摬牡倪x用不當(dāng)，中碳鋼的塑性和韌性比低碳鋼差；且其焊接性能較差，焊接時(shí)鋼材局部溫度高，形成了熱影響區(qū)，其塑性及韌性下降較多，較易產(chǎn)生裂紋。注意：建筑上常用的主要鋼種是普通碳素鋼中的低碳鋼和合金鋼中的低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼。