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建筑鋼材

發布日期:2018-03-02 瀏覽次數:1299

建筑鋼材     9個課時

【課    題】任務一  鋼的生產與分類

任務二  建筑鋼材的主要技術性能

任務三  鋼材的化學成分

【教學目標】1.理解建筑鋼材的生產及分類

2.掌握建筑鋼材的主要力學性質

【教學重點】1.鋼的生產加工及其對鋼材質量的影響

2.鋼的分類

3.建筑鋼材的主要力學性質(抗拉性能、沖擊韌性、耐疲勞性)

【教學難點】建筑鋼材的主要力學性質

【教學方法】講授、啟發

【時間分配】2學時

1.復習、作業講評    10分鐘

2.引入新課          5分鐘

3.講授新課          70分鐘

4.小結、答疑        10分鐘

5.總結、作業布置    5分鐘

【審    批】

【后    記】

【教學過程】

任務一  鋼的生產加工與分類

7.1.1鋼的生產加工及其對鋼材質量的影響

建筑鋼材是重要的建筑材料。它主要指用于鋼結構中各種型材(如角鋼、槽鋼、工字鋼、圓鋼等)、鋼板、鋼管和用于鋼筋混凝土結構中的各種鋼筋、鋼絲等。由于鋼材在工廠生產中有較嚴格的工藝控制,因此質量通常能夠得到保證。

建筑鋼材具有一系列的優良性能。它有較高的強度,有良好的塑性和韌性,能承受沖擊和振動荷載;可以焊接和鉚接,易于加工和裝配,所以被廣泛的應用于建筑工程中。但鋼材也存在易銹蝕及耐火性差的缺點。

鋼的生產加工與分類

建筑鋼材是主要的建筑材料之一,它包括鋼結構用鋼材(如鋼板、型鋼、鋼管等)和鋼筋混凝土用鋼材(如鋼筋、鋼絲等)。鋼材是在嚴格的技術控制條件下生產的材料,與非金屬材料相比,具有品質均勻穩定、強度高、塑性韌性好、可焊接和鉚接等優異性能。鋼材主要的缺點是易銹蝕、維護費用大、耐火性差、生產能耗大

一、 鋼的生產

鋼是由生鐵生產而成。生鐵的生產過程是:將鐵礦石、熔劑(石灰石)、燃料(焦炭)置于高爐中,約在1750℃高溫下,石灰石與鐵礦石中的硅、錳、硫、磷等經過化學反應,生成鐵渣,浮于鐵水表面,鐵渣和鐵水分別從出渣口和出鐵口放出,鐵渣排出時用水急冷得水淬礦渣;排出的生鐵中含有碳、硫、磷、錳等雜質。生鐵又分為煉鋼生鐵(白口鐵)和鑄造生鐵(灰口鐵)。生鐵硬而脆、無塑性和韌性、不能焊接、鍛造、軋制。

煉鋼的過程就是將生鐵進行精練,使碳的含量降低到一定的限度,同時把其它雜質的含量也降低到允許范圍內。所以,在理論上凡含碳量在2%以下,含有害雜質較少的Fe一C合金可稱為鋼。

根據煉鋼設備的不同,常用的煉鋼方法有空氣轉爐法、氧氣轉爐法、平爐法、電爐法。

(一)空氣轉爐煉鋼法

空氣轉爐煉鋼法是以熔融狀態的鐵水為原料,在轉爐底部或側面吹入高壓熱空氣,使雜質在空氣中氧化而被除去。其缺點是在吹煉過程中,易混入空氣中的氮、氫等有害氣體,且熔煉時間短,化學成分難以精確控制,這種鋼質量較差,但成本較低,生產效率高。

(二)氧氣轉爐煉鋼法

氧氣轉爐煉鋼法是以熔融鐵水為原料,用純氧代替空氣,由爐頂向轉爐內吹入高壓氧氣,能有效地除去磷、硫等雜質,使鋼的質量顯著提高,而成本卻較低。常用來煉制優質碳素鋼和合金鋼。

(三)平爐煉鋼法

以固體或液體生鐵、鐵礦石或廢鋼作原料,用煤氣或重油為燃料進行生產。平爐鋼由于熔煉時間長,化學成分可以精確控制,雜質含量少,成品質量高。其缺點是能耗大、成本高、生產周期長。

(四)電爐煉鋼法

電爐煉鋼法是以生鐵或廢鋼原料,利用電能迅速加熱,進行高溫生產。其熔煉溫度高,而且溫度可以由調節,清除雜質容易。因此,電爐鋼的質量最好,但成本高。主要用于生產優質碳素鋼及特殊合金鋼。

在鑄錠冷卻過程中,由于鋼內某些元素在鐵的液相中的溶解度高于固相,使這些元素向凝固較遲的鋼錠中心集中,導致化學成分在鋼錠截面上分布不均勻,這種現象稱為化學偏析,其中尤以硫、磷最為嚴重。偏析現象對鋼的質量有很大影響。

7.1.2鋼的分類

鋼的品種繁多,分類方法很多,通常有按化學成分、質量、用途等幾種分類方法。鋼的分類見表7.1.1。

具有特殊物理、化學或機械性能的鋼,如不銹鋼、耐熱鋼、耐酸鋼、耐磨鋼、磁性鋼等。

目前,在建筑工程中常用的鋼種是普通碳素結構鋼和普通低合金結構鋼。

任務二    建筑鋼材的主要技術性能


鋼材的技術性質主要包括力學性能(抗拉性能、沖擊韌性、耐疲勞和硬度等)和工藝性能(冷彎和焊接)兩個方面。

7.2.1力學性能

(一) 拉伸性能

拉伸是建筑鋼材的主要受力形式,所以拉伸性能是表示鋼材性能和選用鋼材的重要指標。

將低碳鋼(軟鋼)制成一定規格的試件,放在材料試驗機上進行拉伸試驗,可以繪出如圖7.2.1所示的應力一應變關系曲線。從圖中可以看出,低碳鋼受拉至拉斷,經歷了四個階段:彈性階段(O一A)、屈服階段(A-B)、強化階段(B一C)和頸縮階段(C一D)。

圖7.2.1  低碳鋼受拉的應力一應變圖

1.彈性階段

曲線中OA段是一條直線,應力與應變成正比。如卸去外力,試件能恢復原來的形狀,這種性質即為彈性,此階段的變形為彈性變形。與A點對應的應力稱為彈性極限,以σp表示。應力與應變的比值為常數,即彈性模量E,E=σ/ε。彈性模量反映鋼材抵抗彈性變形的能力,是鋼材在受力條件下計算結構變形的重要指標。

2.屈服階段

應力超過A點后,應力、應變不再成正比關系,開始出現塑性變形。應力增長滯后于應變的增長,當應力達B上點后(上屈服點),瞬時下降至B下屈服點),變形迅速增加,而此時外力則大致在恒定的位置上波動,直到B點這就是所謂的“屈服現象”,似乎鋼材不能承受外力而屈服,所以AB段稱為服階段。與B下點(此點較穩定、易測定)對應的應力稱為屈服點(屈服強度)用σs表示。鋼材受力大于屈服點后,會出現較大的塑性變形,已不能滿足使用要求,此屈服強度是設計上鋼材強度取值的依據,是工程結構計算中非常重要的一個數。

3.強化階段

當應力超過屈服強度后,由于鋼材內部組織中的晶格發生了畸變,阻止了晶格進一步滑移,鋼材得到強化,所以鋼材抵抗塑性變形的能力又重新提高,一C呈上升曲線,稱為強化階段。對應于最高點C的應力值(σb)稱為極限抗拉強度,簡稱抗拉強度。顯然,σb是鋼材受拉時所能承受的最大應力值。屈服強度和抗拉強度之比(即屈強比=σs/σb)能反映鋼材的利用率和結構安全可靠程度。屈強比越小其結構的安全可靠程度越高,但屈強比過小,又說明鋼材強度的利用率偏低,造成鋼材浪費。建筑結構鋼合理的屈強比一般0.60~0.75。

4.頸縮階段

試件受力達到最高點C點后,其抵抗變形的能力明顯降低,變形迅速發展,應力逐漸下降,試件被拉長,在有雜質或缺陷處,斷面急劇縮小,直到斷裂。故CD段稱為頸縮階段。

中碳鋼與高碳鋼(硬鋼)的拉伸曲線與低碳鋼不同,屈服現象不明顯,難以測定屈服點,則規定產生殘余變形為原標距長度的0.2%時所對應的應力值,作為硬鋼的屈服強度,也稱條件屈服點,用σ0.2表示。如圖7.2.2所示。

圖7.2.2  中、高碳鋼的應力-應變圖        圖7.2.3  鋼材的伸長率

(二)塑性

建筑鋼材應具有很好的塑性。鋼材的塑性通常用伸長率和斷面收縮率表示。將拉斷后的試件拼合起來,測定出標距范圍內的長度L1(mm),其與試件原標距L0(mm)之差為塑性變形值,塑性變形值與之比L0稱為伸長率(δ),如圖7.2.3所示。伸長率(δ)即如下計算。

伸長率是衡量鋼材塑性的一個重要指標,δ越大說明鋼材的塑性越好。而一定的塑性變形能力,可保證應力重新分布,避免應力集中,從而鋼材用于結構的安全性越大。

塑性變形在試件標距內的分布是不均勻的,頸縮處的變形最大,離頸縮部位越遠其變形越小。所以原標距與直徑之比越小,則頸縮處伸長值在整個伸長值中的比重越大,計算出來的δ值就大。通常以δ5和δ10分另表示L0=5d0和L0=10

d0時的伸長率。對于同一種鋼材,其δ5 >δ10。

(三) 沖擊韌性

沖擊韌性是指鋼材抵抗沖擊荷載而不被破壞的能力。鋼材的沖擊韌性是用有刻槽的標準試件,在沖擊試驗機的一次擺錘沖擊下,以破壞后缺口處單位面積上所消耗的功(J/cm2)來表示,其符號為αk。試驗時將試件放置在固定支座上,然后以擺錘沖擊試件刻槽的背面,使試件承受沖擊彎曲而斷裂。αk值越大,沖擊韌性越好。對于經常受較大沖擊荷載作用的結構,要選用αk值大的鋼材。影響鋼材沖擊韌性的因素很多,如化學成分、生產質量、冷作及時效、環境溫度等。

(四)耐疲勞性

鋼材在交變荷載的反復作用下,往往在最大應力遠小于其抗拉強度時就發生破壞,這種現象稱為鋼材的疲勞性。疲勞破壞的危險應力用疲勞強度(或稱疲勞極限)來表示,它是指疲勞試驗時試件在交變應力作用下,于規定的周期基數內不發生斷裂所能承受的最大應力。一般把鋼材承受交變荷載106~107次時不發生破壞的最大應力作為疲勞強度。設計承受反復荷載且需進行疲勞驗算的結構時,應了解所用鋼材的疲勞極限。研究證明,鋼材的疲勞破壞是拉應力引起的,首先在局部開始形成微細裂紋,其后由于裂紋尖端處產生應力集中而使裂紋迅速擴展直至鋼材斷裂。因此,鋼材的內部成分的偏析、夾雜物的多少以及最大應力處的表面光潔程度、加工損傷等,都是影響鋼材疲勞強度的因素。疲勞破壞經常是突然發生的,因而具有很大的危險性;往往造成嚴重事故。

(五)硬度

硬度是指金屬材料在表面局部體積內,抵抗硬物壓入表面的能力。亦即材料表面抵抗塑性變形的能力。測定鋼材硬度采用壓入法。即以一定的靜荷載(壓力),把一定的壓頭壓在金屬表面,然后測定壓痕的面積或深度來確定硬度。按壓頭或壓力不同,有布氏法、洛氏法等,相應的硬度試驗指標稱布氏硬度(HB)和洛氏硬度(HR)。較常用的方法是布氏法,其硬度指標是布氏硬度值。

各類鋼材的HB值與抗拉強度之間有一定的相關關系。材料的強度越高,塑性變形抵抗力越強,硬度值也就越大。由試驗得出,其抗拉強度與布氏硬度的經驗關系式如下:

當HB<175時, σb ≈ 0.36HB

當HB>175時, σb ≈ 0.35HB

根據這一關系,可以直接在鋼結構上測出鋼材的HB值,并估算該鋼材的σb。

7.2.2工藝性能

良好的工藝性能,可以保證鋼材順利通過各種加工,而使鋼材制品的質量不受影響。冷彎、冷拉、冷拔及焊接性能均是建筑鋼材的重要工藝性能。

(一) 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。鋼材的冷彎性能指標是以試件彎曲的角度(α)和彎心直徑對試件厚度(或直徑)的比值(d/α)來表示。

鋼材的冷彎試驗是通過致敬(或厚度)為α的試件,采用標準規定的彎心直徑d(d=nα),彎曲到規定的彎曲角(170°或90°)時,試件的彎曲處不發生裂縫、裂斷或起層,即認為冷彎性能合格。鋼材彎曲時的彎曲角度愈大,彎心直徑愈小,則表示其冷彎性能愈好。圖7.2.4為彎曲時不同彎心直徑的鋼材冷彎試驗。

圖7.2.4  鋼材的冷彎試驗

通過冷彎試驗更有助于暴露鋼材的某些內在缺陷。相對于伸長率而言,冷彎是對鋼材塑性更嚴格的檢驗,它能揭示鋼材是否存在內部組織不均勻、內應力和夾雜物等缺陷,冷彎試驗對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未熔合、微裂紋及夾雜物等缺陷。

(二)焊接性能

在建筑工程中,各種型鋼、鋼板、鋼筋及預埋件等需用焊接加工。鋼結構有90%以上是焊接結構。焊接的質量取決于焊接工藝、焊接材料及鋼的焊接性能。

鋼材的可焊性是指鋼材是否適應通常的焊接方法與工藝的性能。可焊性好的鋼材指易于用一般焊接方法和工藝施焊,焊口處不易形成裂紋、氣孔、夾渣等缺陷;焊接后鋼材的力學性能,特別是強度不低于原有鋼材,硬脆傾向小。鋼材可焊性能的好壞,主要取決于鋼的化學成分。含碳量高將增加焊接接頭的硬脆性,含碳量小于0.25%的碳素鋼具有良好的可焊性。

鋼筋焊接應注意的問題是:冷拉鋼筋的焊接應在冷拉之前進行;鋼筋焊接之前,焊接部位應清除鐵銹、熔渣、油污等;應盡量避免不同國家的進口鋼筋之間或進口鋼與國產鋼筋之間的焊接。

(三)冷加工性能及時效處理

1.冷加工強化處理

將鋼材在常溫下進行冷加工(如冷拉、冷拔或冷軋),使之產生塑性變形,從而提高屈服強度,但鋼材的塑性、韌性及彈性模量則會降低,這個過程稱為冷加工強化處理。建筑工地或預制構件廠常用的方法是冷拉和冷拔。

冷拉是將熱軋鋼筋用冷拉設備加力進行張拉,使之伸長。鋼材經冷拉后倔服強度可提高20%~30%,可節約鋼材10%~20%,鋼材經冷拉后屈服階段縮短,伸長率降低,材質變硬。

冷拔是將光面圓鋼筋通過硬質合金拔絲模孔強行拉拔,每次拉拔斷面縮小應在10%以下。鋼筋在冷拔過程中,不僅受拉,同時還受到擠壓作用,因而冷拔的作用比純冷拉作用強烈。經過一次或多次冷拔后的鋼筋,表面光潔度高,屈服強度提高40%~60%,但塑性大大降低,具有硬鋼的性質。

2.時效

鋼材經冷加工后,在常溫下存放15~20d或加熱至100~200℃,保持2h左右,其屈服強度、抗拉強度及硬度進一步提高,而塑性及韌性繼續降低,這種現象稱為時效。前者稱為自然時效,后者稱為人工時效。

鋼材經冷加工及時效處理后,其性質變化的規律,可明顯地在應力—應變圖上得到反映,如圖7.2.5所示。圖中OABCD為未經冷拉和時效試件的σ—ε曲線。當試件冷拉至超過屈服強度的任意一點K,卸去荷載,此時由于試件已產生塑性變形,則曲線沿KO’下降,K0’大致與AO平行。如立即再拉伸,則σ一ε曲線將成為0’KCD(虛線),屈服強度由B點提高到K點。但如在K點卸荷后進行時效處理,然后再拉伸,則σ一ε曲線將成為0’K1C1D1,這表明冷拉時效以后,屈服強度和抗拉強度均得到提高,但塑性和韌性則相應降低。

圖7.2.5  鋼筋冷拉時效后應力—應變圖的變化

(四) 鋼材的熱處理

鋼材的熱處理通常有以下幾種基本方法。

1.淬火

將鋼材加熱至723℃以上某一溫度,并保持一定時間后,迅速置于水中或機油中冷卻,這個過程稱鋼材的淬火處理。鋼材經淬火后,強度和硬度提高,脆性增大,塑性和韌性明顯降低。

2.回火

將淬火后的鋼材重新加熱到723℃以下某一溫度范圍、保溫一定時間后再緩慢地或較快地冷卻至室溫,這一過程稱為回火處理。回火可消除鋼材淬火時產生的內應力,使其硬度降低,恢復塑性和韌性。按回火溫度不同,又可分為高溫回火(500~650℃)、中溫回火(300~500℃)和低溫回火(150~300℃)種。回火溫度愈高,鋼材硬度下降愈多,塑性和韌性恢復愈好,若鋼材淬火后隨即進行高溫回火處理,則稱調質處理,其目的是使鋼材的強度、塑性、韌性等性能均得以改善。

3.退火

退火是指將鋼材加熱至723℃以上某一溫度,保持相當時間后,就在退火爐中緩慢冷卻。退火能消除鋼材中的內應力,細化晶粒、均勻組織,使鋼材硬度降低,塑性和韌性提高,從而達到改善性能。

4.正火

正火是將鋼材加熱到723℃以上某一溫度,并保持相當長時間,然后在空氣中緩慢冷卻,則可得到均勻細小的顯微組織。鋼材正火后強度和硬度提高,塑性較退火為小。

5.化學熱處理

化學熱處理是對鋼材表面進行的熱處理,它是利用某些化學元素向鋼表層內進行擴散,以改變鋼材表面上的化學成分和性能。常用的方法有滲碳法、氮化法、氰化法等。

任務三  鋼的化學成分

(1)碳(C):它是鋼中的重要元素。當含碳量低于0.7%隨著含碳量的增加,鋼的抗拉強度和硬度提高,而塑性及韌性降低。同時 ,還將使鋼的冷彎、焊接及抗腐蝕等性能降低,并增加鋼的冷脆性和時效敏感性。

(2)硅(Si):它是鋼中的有益元素,是為了脫氧去硫而加入的。是鋼的主要合金元素,含量常在1%左右,可以提高強度,對塑性和韌性沒有明顯影響,但含量超過1%時,冷脆性增加,可焊性變差。

(3)錳(Mn):能消除鋼的熱脆性,改善熱加工性能。當含量為0.7%-1%時,可顯著提高鋼的強度和硬度,幾乎不降低塑性和韌性,所以它也是鋼中的主要合金元素之一。當其含量大于1%時,在提高強度的同時 ,塑性及韌性有所下降,可焊性變差。

(4)磷(P)它是鋼中的有害元素,由煉鋼原料帶入。可顯著降低鋼材的塑性和韌性,特別是低溫下沖擊韌性下降更為明顯。常把這種現象稱為冷脆性。磷還能使鋼的冷彎性能降低,可焊性變壞。但磷可使鋼材的強度、硬度、耐磨性、耐蝕性提高。

(5)硫(S):在鋼的熱加工時易引起鋼的脆裂,稱為熱脆性。硫的存在還使鋼的沖擊韌性、

疲勞強度、可焊性及耐蝕性降低,即使微量存在也對鋼有害,因此,硫的含量要嚴格控制。

(6)氧、氮:也是鋼中的有害元素,它們顯著降低鋼的塑性和韌性,以及冷彎性能和可焊性能。

(7)鋁、鈦、釩、鈮:均是煉鋼時強脫氧劑,也是合金鋼常用的元素。適量加入到鋼內,可改善鋼的組織,細化晶粒,顯著提高強度和改善韌性。

小結:1、建筑鋼材的生產及分類

2、建筑鋼材的主要力學性質(抗拉性能、沖擊韌性、耐疲勞性)

3、鋼的化學成分對鋼材的影響

【課    題】任務四 建筑鋼材的標準與選用

任務五 鋼筋混凝土結構用鋼

【教學目標】1.掌握鋼材的選用原則

2.熟悉鋼材的銹蝕及防止

【教學重點】鋼材的選用選擇

【教學難點】鋼材的選用

【教學方法】講授、啟發

【時間分配】2學時

1.復習、作業講評    10分鐘

2.引入新課          5分鐘

3.講授新課          70分鐘

4.小結、答疑        10分鐘

5.總結、作業布置    5分鐘

【審    批】

【后    記】

【教學過程】

復習:1.鋼的分類

2.建筑鋼材的主要技術性能

任務四   建筑鋼材的標準與選用

建筑工程用鋼有鋼結構用鋼和鋼筋混凝土結構用鋼兩類,前者主要應用型鋼和鋼板,后者主要采用鋼筋和鋼絲。

7.4.1 鋼結構用鋼材

鋼結構用鋼主要有碳素結構鋼和低合金結構鋼兩種。

7.5.1.1 碳素結構鋼

1.碳素結構鋼的牌號及其表示方法

碳素結構鋼的牌號由四個部分組成:屈服點的字母(Q)、屈服點數值(N/mm2)、質量等級符號(A、B、C、D)、脫氧程度符號(F、B、Z、TZ)。碳素結構鋼的質量等級是按鋼中硫、磷含量由多至劃分的,隨A、B、C、D的順序質量等級逐級提高。當為鎮靜鋼或特殊鎮靜鋼時,則牌號表示“Z”與“TZ”符號可予以省略。

按標準規定,我國碳素結構鋼分五個牌號,即Q195、Q215、Q235、Q255和Q275。例如Q235—A·F,它表示:屈服點為235N/mm2的平爐或氧氣轉爐生產的A級沸騰碳素結構鋼。

2.碳素結構鋼的技術要求

按照標準GB700—77規定,碳素結構鋼的技術要求包括化學成分、力學性能、生產方法、交貨狀態、表面質量等五個方面。各牌號碳素結構鋼的化學成分及力學性能應分別符合表7.5.1、表7.5.2的要求。


3.碳素結構鋼各類牌號的特性與用途

建筑工程中常用的碳素結構鋼牌號為Q235,由于該牌號鋼既具有較高的強度,又具有較好的塑性和韌性,可焊性也好,故能較好地滿足一般鋼結構和鋼筋混凝土結構的用鋼要求。相反用Q195和Q215號鋼,雖塑性很好,但強度太低;而Q255和Q275號鋼,其

強度很高,但塑性較差,可焊性亦差,所以均不適用。

Q235號鋼生產方便,成本較低,故在建筑中應用廣泛。由于塑性好,在結構中能保證在超載、沖擊、焊接、溫度應力等不利條件下的安全:并適于各種加工,大量被用作軋制各種型鋼、鋼板及鋼筋。其力學性能穩定,對軋制、加熱、急劇冷卻時的敏感性較小。其中Q235—A級鋼,一般僅適用于承受靜荷載作用的結構,Q235—C和D級鋼可用于重要焊接的結構。另外,由于Q235—D級鋼含有足夠的形成細晶粒結構的元素,同時對硫、磷有害元素控制嚴格,故其沖擊韌性很好,具有較強的抗沖擊、振動荷載的能力,尤其適宜在較低溫度下使用。

Q195和Q215號鋼常用作生產一般使用的鋼釘、鉚釘、螺栓及鐵絲等;Q255及Q275號鋼多用于生產機械零件和工具等。

7.5.1.2 低合金高強度結構鋼

低合金高強度結構鋼是在碳素鋼結構鋼的基礎上,添加少量的一種或多種合金元素(總含量 <

5%)的一種結構鋼。其目的是提高鋼的屈服強度、抗拉強度、耐磨性、耐蝕性與耐低溫性等。因而它是綜合性較為理想的建筑鋼材,在大跨度、承重動荷載和沖擊荷載的結構中更適用。此外,與使用碳素鋼相比,可以節約鋼材20%~30%,而成本并不很高。

1.低合金結構鋼的牌號及其表示方法

根據國家標準(GB1591—94)規定,我國低合金結構鋼共有5個牌號,所加元素主要有錳、硅、釩、鈦、鈮、鉻、鎳及稀土元素。其牌號的表示由屈服點字母Q、屈服點數值、質量等級(A、B、C、D、E五級)三部分組成。

2.低合金結構鋼的應用

低合金結構鋼主要用于軋制各種型鋼(角鋼、槽鋼、工字鋼)、鋼板、鋼管及鋼筋,廣泛用于鋼結構和鋼筋混凝土結構中,特別適用于各種重型結構、大跨度結構、高層結構及橋梁工程等,尤其對用于大跨度和大柱網的結構,其技術經濟效果更為顯著。

任務五   鋼筋混凝土結構用鋼

7.5. 1熱軋鋼筋

鋼筋混凝土用熱軋鋼筋,根據其表面狀態特征、工藝與供應方式可分為熱軋光圓鋼筋、熱軋帶肋鋼筋與熱軋熱處理鋼筋等,熱軋帶肋鋼筋通常為圓形橫截面,且表面通常帶有兩條縱肋和沿長度方向均勻分布的橫肋。按肋紋的形狀分為月牙肋和等高肋,如圖7.5.1所示;熱軋鋼筋按其力學性能,分為Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級,其強度等級代號分別為R235、RL335、RL400、

RL540。其中Ⅰ級鋼筋由碳素結構鋼軋制,其余均由低合金鋼軋制而成。

Ⅰ級鋼筋的強度較低,但塑性及焊接性能很好,便于各種冷加工,故廣泛用于普通鋼筋混凝土構件的受力筋及各種鋼筋混凝土結構的構造筋。Ⅱ級和Ⅲ級鋼筋的強度較高,塑性和焊接性能也較好,廣泛用作大、中型鋼筋混凝土結構的受力鋼筋。Ⅳ級鋼筋強度高,但塑性和可焊性較差,可用作預應力鋼筋。

圖7.5.1  帶肋鋼筋外形

7.5.2冷軋帶肋鋼筋

熱軋圓盤條經冷軋后,在其表面帶有沿長度方向均勻分布的三面或兩面橫肋,即成為冷軋帶肋鋼筋。冷軋帶肋鋼筋按抗拉強度分為五個牌號,分別為CRB550、CRB650、CRB700CRB970、CRB1170。C、R、B分別為冷軋、帶肋、鋼筋三個詞的英文首位字母,數值為抗拉強度的最小值。與冷拔低碳鋼絲相比,冷軋帶肋鋼筋具有強度高、塑性好,與鋼筋粘結牢固,節約鋼材,質量穩定等優點。

7.5.3預應力混凝土用熱處理鋼筋

預應力混凝土用熱處理鋼筋是用熱軋帶肋鋼筋經淬火和回火調質處理后的鋼筋。有直徑為6、7.2、10(mm)三種規格。熱處理鋼筋成盤供應,每盤長約100~120m,開盤后鋼筋自然伸直,按要求的長度切斷。

預應力混凝土用熱處理鋼筋的優點是:強度高,可代替高強鋼絲使用;配筋根數少,節約鋼材;錨固性好,不易打滑,預應力值穩定;施工簡便,開盤后鋼筋自然伸直,不需調直,不能焊接。主要用作預應力鋼筋混凝土軌枕,也用于預應力梁、板結構及吊車梁等。

7.5. 4預應力混凝土用優質鋼絲及鋼絞線

1. 預應力混凝土用鋼絲

預應力混凝土用鋼絲是高碳鋼盤條經淬火、酸洗、冷拉加工而制成的高強度鋼絲。

(1)分類及代號

預應力混凝土用鋼絲按下列分類。

按交貨狀態分為:冷拉鋼絲(代號L)、矯直回火鋼絲(代號J)兩種。

按外形分為:光面鋼絲、刻痕鋼絲(代號K)兩種。

(2)技術性能

預應力鋼絲具有強度高、柔性好、松弛率低、耐蝕等特點,適用于各種特殊要求的預應力結構,主要用于大跨度屋架及薄腹梁、大跨度吊車梁、橋梁、電桿、軌枕等的預應力鋼筋。其技術性能應該符合《預應力混凝土用鋼絲》(GB5223—75)的要求。

2.預應力混凝土用鋼鉸線

預應力混凝土用鋼絞線是由7根直徑為2.5~5.0mm的高強度鋼絲,絞捻后經一定熱處理清除內應力而制成。一般以一根鋼絲為中心,其余6根鋼絲圍繞著進行螺旋狀左捻絞合,再經低溫回火制成。鋼鉸線直徑有9.0mm、12.0mm和15.0mm三種。預應力混凝土用鋼鉸線按其應力松弛性能分為兩種:

應力松弛級別            代號

Ⅰ級松弛               Ⅰ

Ⅱ級松弛               Ⅱ

鋼鉸線具有強度高、與混凝土粘結性好、段面面積大,使用根數少,在結構中布置方便,易于錨固等優點。主要用于大跨度、大負荷的后張法預應力屋架、橋梁和薄腹梁等結構的預應力筋。

7.5.5鋼材的選用原則

鋼材的選用一般遵循下面原則:

(1)荷載性質   對于經常承受動力或振動荷載的結構,容易產生應力集中,從而引起疲勞破壞,需要選用材質高的鋼材。

(2)使用溫度  對于經常處于低溫狀態的結構,鋼材容易發生冷脆斷裂,特別是焊接結構更甚,因而要求鋼材具有良好的塑性和低溫沖擊韌性。

(3)連接方式  對于焊接結構,當溫度變化和受力性質改變時,焊縫附近的母體金屬容易出現冷、熱裂紋,促使結構早期破壞。所以焊接結構對鋼材化學成分和機械性能要求應較嚴。

(4)鋼材厚度  鋼材力學性能一般隨厚度增大而降低,鋼材經多次軋制后、鋼的內部結晶組織更為緊密,強度更高,質量更好。故一般結構用的鋼材厚度不宜超過40mm。

(5)結構重要性  選擇鋼材要考慮結構使用的重要性,如大跨度結構、重要的建筑物結構,須相應選用質量更好的鋼材。

7.6鋼材的銹蝕及防止

7.6.1 鋼材的銹蝕

鋼材的銹蝕是指其表面與周圍介質發生化學反應而遭到的破壞過程。根據銹蝕作用的機理,鋼材的銹蝕可分為化學銹蝕和電化學銹蝕兩種:

(1)化學銹蝕

化學銹蝕是指鋼材直接與周圍介質發生化學反應而產生的銹蝕。這種銹蝕多數是氧化作用,使鋼材表面形成疏松的氧化物。在常溫下,鋼材表面能形成一薄層起保護作用的氧化膜FeO,可以防止鋼材進一步銹蝕。因而在干燥環境下,鋼材銹蝕進展緩慢,但在溫度和濕度較高的環境中,這種銹蝕進展加快。

(2)電化學銹蝕

電化學銹蝕是建筑鋼材在存放和使用中發生銹蝕的主要形式。它是指鋼材與電解質溶液接觸而產生電流,形成微電池而引起的銹蝕。潮濕環境中的鋼材表面會被一層電解質水膜所覆蓋,而鋼材含有鐵、碳等多種成分,由于這些成分的電極電位不同,從而鋼的表面層在電解質溶液中構成以鐵素體為陽極,以滲碳體為陰極的微電池。在陽極,鐵失去電子成為Fe2+進入水膜;在陰極,溶于水膜中的氧被還原生成0H—,隨后兩者結合生成不溶于水的Fe(OH)2,并進一步氧化成為疏松易剝落的紅棕色鐵銹Fe(OH)3。由于鐵素體基體的逐漸銹蝕,鋼組織中的滲碳體等暴露出來的越來越多,于是形成的微電池數目也越來越多,鋼材的銹蝕速度也就愈益加速。

影響鋼材銹蝕的主要因素是水、氧及介質中所含的酸、堿、鹽等。同時鋼材本身的組織成分對銹蝕影響也很大。埋于混凝土中的鋼筋,由于普通混凝土的Ph值為12左右,處于堿性環境,使之表面形成一層堿性保護模,它有較強的阻止銹蝕繼續發展的能力,故混凝土中的鋼筋一般不易銹蝕。

7.6.2銹蝕的防止

(1)保護層法

通常的方法是采用在表面施加保護層,使鋼材與周圍介質隔離。保護層可分為金屬保護層和非金屬保護層兩類。

非金屬保護層常用的是在鋼材表面刷漆,常用底漆有紅丹、環氧富鋅漆、鐵紅環氧底漆等,面漆有調和漆、醇酸磁漆、酚醛磁漆等,該方法簡單易行,但不耐久。此外,還可以采用塑料保護層、瀝青保護層、搪瓷保護層等。

金屬保護層是用耐蝕性較好的金屬,以電鍍或噴鍍的方法覆蓋在鋼材表面,如鍍鋅、鍍錫、鍍鉻等。薄壁鋼材可采用熱浸鍍鋅或鍍鋅后加涂塑料涂層等措施。

混凝土配筋的防銹措施,根據結構的性質和所處環境條件等考慮混凝土的質量要求,主要是保證混凝土的密實度(控制最大水比和最小水泥用量、加強振搗)、保證足夠的保護層厚度、限制氯鹽外加劑的摻和量和保證混凝土一定的堿度等;還可摻用阻銹劑(如亞硝酸鈉等)。國外有采用鋼筋鍍鋅、鍍鎳等方法。對于預應力鋼筋,一般含碳量較高,又多系經過變形加工或冷加工、因而對銹蝕破壞較敏感,特別是高強度熱處理鋼筋,容易產生應力銹蝕現象。故重要的預應力承重結構,除禁止摻用氯鹽外,應對原材料進行嚴格檢驗。

(2)制成合金鋼

鋼材的組織及化學成分是引起銹蝕的內因。通過調整鋼的基本組織或加入某些合金元素、可有效地提高鋼材的抗腐蝕能力。例如,在鋼中加入一定量的合金元素鉻、鎳、鈦等,制成不銹鋼,可以提高耐銹蝕能力。

本章小結:

鋼材是建筑工程中最重要的金屬材料。在工程中應用的鋼材主要是碳素結構鋼和低合金高強度結構鋼。鋼材具有強度高,塑性及韌性好,可焊可鉚,易于加工、裝配等優點,已被廣泛的應用于各工業領域中。在建筑工程中,鋼材用來制作鋼結構構件及做混凝土結構中的增強材料,已成為常用的重要的結構材料。尤其在當代迅速發展的大跨度、大荷載、高層的建筑中,鋼材已是不可或缺的材料。

近年迅速發展的低合金高強度結構鋼,是在碳素結構鋼的基本成分中加入5%以下的合金元素的新型材料。其強度得到顯著提高,同時具有良好的塑性、沖擊韌性、耐蝕性、耐低溫沖擊等優良性能,所以在預應力鋼筋混凝土結構的應用中,取得良好的技術經濟效果,因而是大力推廣的鋼種。

為了更好的利用鋼材,因此,在本章學習中,應掌握鋼材的成分、組織結構、制作對技術性能的影響,了解各品種鋼材的特性及其正確合理的應用方法,如何防止銹蝕,使結構物經久耐用。

鋼材也是工程中耗量較大而價格昂貴的建筑材料,所以如何經濟合理的利用鋼材,以及設法用其它較廉價的材料來代替鋼材,以節約金屬材料資源,降低成本,也是非常重要的課題。


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