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　　第三章 工程材料

　　工程材料品種繁多，性能各異，價格相差懸殊，而且用量巨大，因此，正確選擇和合理使用工程材料，對建設工程的安全、適用、美觀、耐久及經濟都有著重要的意義。

　　第一節 建筑鋼材

　　鋼材按照化學成分可分為非合金鋼、低合金鋼和合金鋼，具有品質穩定、強度高、塑性和韌性好、可焊接和鉚接、能承受沖擊和振動荷載等優異性能，是土木工程中使用量最大的材料品種之一。土木工程中常用的鋼材可分為鋼結構用鋼和鋼筋混凝土結構用鋼兩類，常用鋼種有普通碳素結構鋼、優質碳素結構鋼和低合金高強結構鋼。

　　普通碳素結構鋼在各類鋼中產量最大，用途最為廣泛，多軋制成型材、異型型鋼和鋼板等，可供焊接、鉚接和螺栓連接。低合金高強結構鋼主要用于軋制各種型鋼(角鋼、槽鋼、工字鋼等)、鋼板、鋼管及鋼筋，廣泛用于鋼結構和鋼筋混凝土結構中，尤其是大跨度、承受動荷載和沖擊荷載的結構中更為適用。優質碳素結構鋼按照錳含量不同可分為普通含錳鋼和較高含錳鋼兩組，，共有31個牌號，其中30.35.40和45號鋼主要用于重要結構的鋼鑄件及高強螺栓等，.45號鋼還可用作預應力混凝土錨具，65、70、75、80號鋼主要用于預應力混凝土碳素鋼絲、刻痕鋼絲和鋼絞線。

　　一、 筋

　　(一)熱軋鋼筋

　　根據現行國家標準《鋼筋混凝土用鋼 第1部分：熱軋光圓鋼筋》GB 1499.1和《鋼筋混凝土用鋼 第2部分：熱軋帶肋鋼筋》GB 1499.2的相關規定，熱軋光圓鋼筋分 HPB235.HPB300兩種牌號，普通熱軋鋼筋分HRB335、HRB400.HRB500三種牌號，細晶粒熱軋鋼筋分HRBF335、HRBF400、HRBF500三種牌號。熱軋鋼筋的技術要求見表3.1.1，表中所列的強度值和伸長率均為要求的最小值。

　　表3.1.1 熱軋鋼筋的技術要求

　　由表3.1.1可知，隨鋼筋級別的提高，其屈服強度和極限強度逐漸增加，而其塑性則

　　逐漸下降。

　　綜合鋼筋的強度、塑性、工藝性和經濟性等因素，非預應力鋼筋混凝土可選用 HPB235、HRB335和HRB400鋼筋，而預應力鋼筋混凝土則宜選用HRB500.HRB400和HRB335鋼筋。

　　(二)冷加工鋼筋

　　冷加工鋼筋是在常溫下對熱軋鋼筋進行機械加工(冷拉、冷拔、冷軋、冷扭、沖壓

　　等)而成。常見的品種有冷拉熱軋鋼筋、冷軋帶肋鋼筋和冷拔低碳鋼絲。

　　1.冷拉熱軋鋼筋

　　在常溫下將熱軋鋼筋拉伸至超過屈服點小于抗拉強度的某一應力，然后卸荷，即制成了冷拉熱軋鋼筋。如卸荷后立即重新拉伸，卸荷點成為新的屈服點，因此冷拉可使屈服點提高，材料變脆，屈服階段縮短，塑性、韌性降低。若卸荷后不立即重新拉伸，而是保持一定時間后重新拉伸，鋼筋的屈服強度、抗拉強度進一步提高，而塑性、韌性降低繼續降低，這種現象稱為冷拉時效。實踐中，可將冷拉、除銹、調直、切斷合并為一道工序，這樣可簡化流程，提高效率。

　　2.冷軋帶肋鋼筋

　　用低碳鋼熱軋盤圓條直接冷軋或經冷拔后再冷軋，形成三面或兩面橫肋的鋼筋。根據現行國家標準《冷軋帶肋鋼筋》GB 13788的規定，冷軋帶肋鋼筋分為CRB550、CRB650、 CRB800.CRB970四個牌號o CRB550用于非預應力鋼筋混凝土，其他牌號用于預應力混凝土。冷軋帶肋鋼筋克服了冷拉、冷拔鋼筋握裹力低的缺點，具有強度高、握裹力強、節約鋼材、質量穩定等優點，CRB650級、CRB800級和CRB970級鋼筋宜用作中、小型預應力鋼筋混凝土結構構件中的受力主筋，CRB550級鋼筋宜用作普通鋼筋混凝土結構構件中的受力主筋、架立筋、箍筋和構造箍筋。

　　3.冷拔低碳鋼絲

　　將直徑6.5～8mm的Q235或Q215盤圓條通過小直徑的拔絲孔逐步拉拔而成，直徑3～5mmo由于經多次拔制，其屈服強度可提高40%～60%，同時失去了低碳鋼的良好塑性，變得硬脆。根據現行國家標準《鋼結構工程施工質量驗收規范》GB 50205規定，冷拔低碳鋼絲分為兩級，甲級用于預應力混凝土結構構件中，乙級用于非預應力混凝土結構構件中。

　　(三)熱處理鋼筋

　　熱處理鋼筋是鋼廠將熱軋的帶肋鋼筋(中碳低合金鋼)經淬火和高溫回火調質處理而成的，且口以熱處理狀態交貨，成盤供應，每盤長約200mo熱處理鋼筋強度高，用材省，錨固性好，預應力穩定，主要用作預應力鋼筋混凝土軌枕，也可以用于預應力混凝土板、吊車梁等構件。

　　(四)預應力混凝土用鋼絲

　　預應力混凝土鋼絲是用優質碳素結構鋼經冷加工及時效處理或熱處理等工藝過程制得，具有很高的強度，安全可靠，且便于施工。根據現行國家標準《預應力混凝土用鋼絲》GB7T 5223的規定，預應力混凝土用鋼絲按照加工狀態分為冷拉鋼絲和消除應力鋼絲兩類，消除應力鋼絲的塑性比冷拉鋼絲好。消除應力鋼絲按松弛性能又分為低松弛鋼絲(WLR)和普通松弛鋼絲(WNR)兩種;按外形分為光面鋼絲(P)、螺旋類鋼絲(H)和刻痕鋼絲三種。消除應力后鋼絲的塑性比冷拉鋼絲高;刻痕鋼絲是經壓痕軋制而成，刻痕后與混凝土握裹力大，可減少混凝土裂縫。

　　預應力混凝土用鋼絲強度高，柔性好，適用于大跨度屋架、薄腹梁、吊車梁等大型構件的預應力結構。

　　(五)預應力混凝土鋼絞線

　　鋼絞線是將碳素鋼絲若干根，經絞捻及消除內應力的熱處理后制成。根據現行國家標準《預應力混凝土用鋼絞線》GB7T 5224，鋼絞線按其所用鋼絲種類和根數不同分為五種類型。預應力混凝土用鋼絞線強度高、柔性好，與混凝土黏結性能好，多用于大型屋架、薄腹梁、大跨度橋梁等大負荷的預應力混凝土結構。

　　二、鋼結構用鋼

　　結構用鋼常用的有熱軋型鋼、冷彎薄壁型鋼、熱(冷)扎鋼板和鋼管等。 (一)熱軋型鋼

　　常用的熱軋型鋼有工字鋼、槽鋼、角鋼、L型鋼、H型鋼及T型鋼等，根據現行國家標準《熱軋型鋼》GB/T 706對熱軋工字鋼、熱軋槽鋼、熱軋等邊角鋼、熱軋不等邊角鋼、L型鋼的尺寸、外形、重量及允許偏差以及技術要求等做了相應的規定。《熱軋H型鋼和部分T型鋼》GB7T 11263對H型鋼和T型鋼的尺寸、外形、重量及允許偏差以及技術要求等作了相應的規定。處于低溫環境的結構，應選擇韌性好、脆性臨界溫度低、疲勞極限較高的鋼材。

　　(二)冷彎薄壁型鋼

　　冷彎薄壁型鋼通常采用2 - 6mm厚度的薄鋼板經冷彎和模壓而成，有空心薄壁型鋼和開口薄壁型鋼。冷彎薄壁型鋼由于壁薄，剛度好，能高效地發揮材料的作用，在同樣的負荷下，可減輕構件質量、節約材料，通常用于輕型鋼結構，其構件和連接應符合《冷彎薄壁型鋼結構技術規范》GB 50018的規定。

　　(三)鋼板材

　　鋼板材包括鋼板、花紋鋼板、建筑用壓型鋼板和彩色涂層鋼板等。

　　(1)鋼板和鋼帶。鋼板和鋼帶是矩形平板狀的鋼材，可直接軋制而成或由寬鋼帶剪切而成，按軋制方式可分為熱軋鋼板(帶)和冷軋鋼板(帶)o在鋼結構中，單塊鋼板一般

　　較少使用，而是用多塊鋼板組合成工字鋼、箱形等結構來承受荷載。鋼帶可用作裝配各種 類型的石膏板、鈣塑板、吸聲板等，用作墻體和吊頂的龍骨支架。

　　(2)花紋鋼板。花紋鋼板是表面扎有防滑花紋的鋼板，其表面通常有菱形、扁豆形和 圓豆形花紋。花紋鋼板主要用于平臺、過道及樓梯等的鋪板。

　　(3)壓型鋼板。壓型鋼板是涂層板或鍍層板經輥壓冷彎，沿板寬方向形成波形截面的 成形鋼板，其截面呈梯形、V形、U形或類似的波形。建筑用壓型鋼板是用于建筑物圍 護結構(屋面、墻面)及組合樓蓋并獨立使用的壓型鋼板。 《建筑用壓型鋼板》GB/T 12755給出了有關建筑用壓型鋼板的技術性質。壓型鋼板曲折的板形大大增加了鋼板在其 平面外的慣性矩、剛度和抗彎能力，具有重量輕、強度剛度大、施工簡便和美觀等優點。 在建筑上，壓型鋼板主要用作屋面板、墻板、樓板和裝飾板等。

　　(4)彩色涂層鋼板。彩色涂層鋼板是在經過表面預處理的基板上連續涂覆有機涂料 (正面至少兩層)，然后進行烘烤固化而成的產品。彩色涂層鋼板按用途可分為建筑外用、 建筑內用和家用電器等;按表面狀態分為涂層板、壓花板和印花版。《彩色涂層鋼板及鋼 帶》GB/T 12754給出了有關彩色涂層鋼板的技術性質。彩色涂層鋼板主要用于建筑物的 圍護和裝飾。

　　(四)鋼管和棒材

　　(1)鋼管。鋼管有軋制無縫鋼管及冷彎成型的高頻焊接鋼管。與其他截面形狀相比， 在截面面積相同的情況下，鋼管的剛度較大，是軸心受壓桿的理想截面形式。由于表面的 流線型使其承受的風壓較小，因此十分適用于高聳結構。鋼管大多用于制作桁架、塔桅等 構件，也可用于網架、網殼結構和制作鋼管混凝土。

　　(2)棒材。棒材指的是橫截面形狀為圓形、方形、六角形、八角形或其他異形的直條 鋼材。熱軋六角鋼和八角鋼常用作鋼結構螺栓的坯材，熱軋扁鋼一般用作屋架構件、扶. 梯、橋梁和柵欄等，圓鋼可用于輕型鋼結構的一般桿件和連接件。

　　三、鋼材的性能 (一)抗拉性能 抗拉性能是鋼材的最主要性能，表征其性能的技術指標主要是屈服強度、抗拉強度

　　(全稱抗拉極限強度)和伸長率。低碳鋼(軟鋼)受拉的應力一應變圖能夠較好地解釋這 些重要的技術指標，見圖3.1.1。

　　(1)屈服強度。在彈性階段OA段，如卸去拉力，試件能恢復原狀，此階段的變形為 彈性變形，應力與應變成正比，其比值即為鋼材的彈性模量。與A點對應的應力稱為彈 性極限萬p o當對試件的拉伸進入塑性變形的屈服階段AB時，應力的增長滯后于應變的增 加，屈服下限B下所對應的應力稱為屈服強度，.記做CJs o設計時一般以萬s作為強度取值的 依據。對屈服現象不明顯的鋼，規定以0.2%殘余變形時的應力吼.2作為屈服強度。

　　(2)抗拉強度。從BC曲線逐步上升可以看出：試件在屈服階段以后，其抵抗塑性變 形的能力又重新提高，稱為強化階段。對應于最高點C的應力稱為抗拉強度，用.吼表示。 設計中抗拉強度雖然不能利用，但屈強比仃s/吼能反映鋼材的利用率和結構安全可靠程 度。屈強比愈小，反映鋼材受力超過屈服點工作時的可靠性愈大，因而結構的安全性愈 高。但屈服強比太小，則反映鋼材不能有效地被利用。

　　(3)伸長率。當曲線到達C點后，試件薄弱處急劇縮小，塑性變形迅速增加，產生 “頸縮’’現象而斷裂。

　　伸長率表征了鋼材的塑性變形能力。伸長率的大小與標距長度有關。塑性變形在標距 內的分布是不均勻的，頸縮處的伸長較大，離頸縮部位越遠變形越小。因此原標距與試件 的直徑之比愈大，頸縮處伸長值在整個伸長值中的比重愈小，計算伸長率愈小。通常以 和 分別表示 =5 和 =10 ( 為試件直徑)時的伸長率。對同一種鋼材， 應 大于 。

　　二)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，是鋼材的重要工藝性能。冷彎性能 指標是通過試件被彎曲的角度( 、 )及彎心直徑d對試件厚度(或直徑)以的比值 (酬口)區分的。試件按規定的彎曲角和彎心直徑進行試驗，試件彎曲處的外表面無裂斷、 裂縫或起層，即認為冷彎性能合格。冷彎時的彎曲角度越大、彎心直徑越小，則表示其冷 彎性能越好。

　　冷彎試驗能揭示鋼材是否存在內部組織不均勻、內應力、夾雜物未熔合和微裂縫等缺 陷，而這些缺陷在拉力試驗中常因塑造性變形導致應力重分布而得不到反映，因此冷彎試 驗是一種比較嚴格的試驗，對鋼材的焊接質量也是一種嚴格的檢驗，能揭示焊件在受彎表 面存在的未熔合、裂紋和夾雜物等問題。

　　(三)沖擊韌性

　　沖擊韌性指鋼材抵抗沖擊載荷的能力，其指標通過標準試件的彎曲沖擊韌性試驗確 定。按規定，將帶有V形缺口的試件進行沖擊試驗。試件在沖擊荷載作用下折斷時所吸 收的功，稱為沖擊吸收功(或V形沖擊功) (J)o鋼材的化學成分、組織狀態、內在 缺陷及環境溫度等都是影響沖擊韌性的重要因素oAKV值隨試驗溫度的下降而減小，當溫 度降低達到某一范圍時， 急劇下降而呈脆性斷裂，這種現象稱為冷脆性。發生冷脆時 的溫度稱為脆性臨界溫度，其數值越低，說明鋼材的低溫沖擊韌性越好。因此，對直接承 受動荷載而且可能在負溫下工作的重要結構，必須進行沖擊韌性檢驗，并選用脆性臨界溫 度較使用溫度低的鋼材。另外，時效敏感性(因時效導致性能改變的程度)愈大的鋼材， 經過時效以后，其沖擊韌性和塑性的降低愈顯著，對于承受動荷載的結構物應選用時效敏 感性較小的鋼材。

　　(四)硬度

　　鋼材的硬度是指表面層局部體積抵抗較硬物體壓人產生塑性變形的能力，表征值常 用布氏硬度值HB表示。測試鋼材硬度常采用布氏法，在布氏硬度機上用一定直徑的硬 質鋼球，以一定荷載將其壓人試件表面，持續至規定的時間后卸去荷載，使形成壓痕， 將荷載除以壓痕面積，所得的應力值為該鋼材的布氏硬度值，數值越大，表示鋼材 越硬。

　　(五)耐疲勞性

　　在交變荷載反復作用下，鋼材往往在應力遠小于抗拉強度時發生斷裂，這種現象稱為 鋼材的疲勞破壞。疲勞破壞的危險應力用疲勞極限來表示，指鋼材在交變荷載作用下于規 定的周期基數內不發生斷裂所能承受的最大應力。試驗表明，鋼材承受的交變應力越大， 則斷裂時的交變循環次數越少，相反，交變應力越小，則斷裂時的交變循環次數越多;當 交變應力低于某一值時，交變循環次數達無限次也不會產生疲勞破壞。

　　(六)焊接性能

　　鋼材的可焊性是指焊接后在焊縫處的性質與母材性質的一致程度。影響鋼材可焊性的 主要因素是化學成分及含量。含碳量超過0.3%時，可焊性顯著下降;特別是硫含量較多 時，會使焊縫處產生裂紋并硬脆，嚴重降低焊接質量。正確地選用焊接材料和焊接工藝是 提高焊接質量的主要措施。

　　四、鋼材的化學成分對性能的影響

　　鋼材主要化學成分是鐵和碳元素，此外，還有少量的硅、錳、硫、磷等，在不同情況 下往往還需考慮氧、氮及各種合金元素。

　　1.碳

　　碳是決定鋼材性質的重要元素。土木建筑工程用鋼材含碳量不大于0.8%，在此范圍 內，隨著鋼中碳含量的增加，強度和硬度增加，而塑性、韌性和冷彎性能相應降低。碳還 可顯著降低鋼材的可焊性，增加鋼的冷脆性和時效敏感性，降低抗大氣腐蝕臺邑力。

　　2.硅

　　硅在鋼中是有益元素，是我國鋼筋用鋼的主加合金元素，煉鋼時起脫氧作用。當硅在 鋼中的含量較低(小于1%)時，隨著含量的加大可提高鋼材的強度、疲勞極限、耐腐蝕 性和抗氧化性，而對塑性和韌性影響不明顯。當含量提高到1.O%～1.2%時，塑性和韌 性明顯下降，焊接性能變差，并增加鋼材的冷脆性。

　　3.錳

　　錳是我國低合金鋼的主加合金元素，煉鋼時能起脫氧去硫作用，使強度和硬度提高， 還能消減硫和氧引起的熱脆性，使鋼材的熱加工性能改善。錳含量一般在1.0%～2.0% 范圍內，當含量小于1.0%時，對鋼的塑性和韌性影響不大;含量大于1.0%時，在提高 強度的同時，塑性和韌性有所降低，焊接性能變差，耐腐蝕性降低。

　　4.硫

　　硫是很有害的元素，呈非金屬硫化物夾雜物存于鋼中，具有強烈的偏析作用，降低沖 擊韌性、耐疲勞性和抗腐蝕性等性能。硫化物造成的低熔點使鋼在焊接時易于產生熱裂 紋，加大鋼材的熱脆性，顯著降低焊接性能。

　　5.磷

　　磷是有害元素，含量提高，鋼材的強度提高，塑性和韌性顯著下降，特別是溫度愈低，對韌性和塑性的影響愈大。磷在鋼中偏析作用強烈，使鋼材冷脆性增大，并顯著降低鋼材的可焊性。但磷可提高鋼的耐磨性和耐腐蝕性，在低合金鋼中可配合其他元素作為合金元素使用。

　　6.氮

　　氮對鋼材性質的影響與碳、磷相似，可使鋼材的強度提高，但塑性特別是韌性明顯下降。氮還會加劇鋼的時效敏感性和冷脆性，使其焊接性能變差。

　　7.氧

　　氧是冶煉氧化過程中進入鋼水，經脫氧處理后殘留下來的，是鋼中的有害雜質。氧含量增加使鋼的力學性能降低，塑性和韌性降低。氧有促進時效傾向的作用，還能使熱脆性增加，焊接性能較差。

　　8.鈦

　　鈦是強脫氧劑，可顯著提高鋼的強度，但稍降低塑性。由于鈦能細化晶粒，故可改善韌性。鈦能減少時效傾向，改善焊接性能。