建筑钢材培训讲座PPT.ppt

建筑钢材,掌握：建筑钢材的主要性能。,熟悉：建筑钢材的常用钢种及应用。,了解：钢筋混凝土用钢材的品种及应用。,本章教学目标,本 章 内 容,第一节 概述第二节 建筑钢材的主要技术性能第三节 建筑钢材的常用钢种第四节 钢筋混凝土用钢材,第一节钢的冶炼和分类,平炉炼钢氧气转炉炼钢电炉炼钢,一 钢的冶炼,二 钢的分类,(1)沸腾钢(2)镇静钢(3)半镇静钢,根据脱氧程度分为：,案例：钢结构屋架坍塌,某厂的钢结构屋架用中碳钢焊接而成，使用一段时间后，屋架坍塌，请分析事故原因。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。,第二节建筑钢材的主要技术性能,建筑钢材的技术性能,冷弯性能,1.应力 2.应变3.弹性与弹性变形4.塑性与塑性变形,A,建筑钢材的抗拉性能,一、钢材的拉伸性能,钢材的拉伸演示过程以低碳钢为例,L0=5d0或10d0,低碳钢的受拉过程分为四个阶段,建筑钢材的抗拉性能,O,弹性阶段OA,屈服阶段AB,强化阶段BC,颈缩阶段CD,低碳钢受拉的应力应变图,http:/,建筑钢材的抗拉性能,一、弹性阶段OA 一条通过原点的直线，应力与应变成正比。弹性弹性模量 E值的大小反映了钢材抵抗弹性变形的能力。A点对应的应力。,O,A,低碳钢受拉的应力应变图,E1 E2,图形的特点：,试件的特点：,计算的指标：,弹性极限,建筑钢材的抗拉性能,二、屈服阶段AB 一条波动的曲线，应力增加很小，而应变增加很大。所能承受的拉力增加很小，而塑性变形迅速增加，似乎钢材不能承受外力 屈服强度（也叫屈服点）点对应的应力。,图形的特点：,试件的特点：,计算的指标：,O,A,低碳钢受拉的应力应变图,A,C,D,B,屈服。,三、强化阶段BC 一段上升的曲线。抵抗塑性变形的能力又重新提高抗拉强度,图形的特点：,试件的特点：,计算的指标：,O,A,低碳钢受拉的应力应变图,A,C,D,B,C点对应的应力。,建筑钢材的抗拉性能,强化。,四、颈缩阶段CD 一段下降的曲线。变形迅速发展，在有杂质或缺陷处，断面急剧缩小，直到断裂。伸长率：,图形的特点：,试件的特点：,计算的指标：,建筑钢材的抗拉性能,计算的指标：,颈缩,三个重要的指标1.屈服强度s 结构设计中钢材强度取值的依据2.抗拉强度b 钢材所能承受的最大应力 屈强比 屈强比，利用率，安全可靠程度3.伸长率 衡量钢材塑性的指标，越大说明钢材的塑性越好,O,A,A,C,D,B,4断面收缩率,A0、An前后的截面积,5与10谁大,http:/,中碳钢、高碳钢的应力应变图,规定：产生残余变形为原始标距的0.2%时所对应的应力值，作为硬钢的屈服强度，称为条件屈服强度，用0.2表示。,二、冲击韧性,钢材抵抗冲击荷载的能力。,定义,试件,http:/,讨论与分析,计算式,测试方法,ak冲击韧性。,钢的化学成分;例：S、P冲击韧性冶炼及轧制质量质量冲击韧性温度温度，冲击韧性,ak,影响冲击韧性的因素,三、疲劳强度,设计承受交变荷载且须进行疲劳验算的结构时，应当了解所用钢材的疲劳强度。,四、钢材的硬度,硬度是指钢材抵抗硬物体压入钢材的表面的能力。方法：布氏法、洛氏法和维氏法，常用方法是布氏法和洛氏法。,定义,测定方法,讨论与分析,材料的硬度往往与材料的其它性能有一定的相关系，如：钢材的HB值与抗拉强度 之间有较好的相关关系。,五、钢材的冷弯性能,指钢材在常温下承受弯曲变形的能力，试件被 弯曲角度、弯心直径与厚度的比值d/a,定义,指标,试验,http:/,弯曲角度 d/a，表示对冷弯性能要求越高。,结论,焊接性能,钢材的焊接性能是指在一定的焊接工艺条件下，在焊缝及其附近过热区不产生裂纹及硬脆倾向，焊接后钢材的力学性能，特别是强度不低于原有钢材的强度。,钢材的冷加工方式有冷拉、冷拔和冷轧。,六 钢材的冷加工,(一)钢材的冷加工及时效,http:/,钢筋经冷拉时效后应力-应变图的变化,钢筋冷拉后屈服强度可提高15%-20%，冷拔后屈服强度可提高40%-60%。,(二)冷加工在工程中的应用,（三）时效处理,将冷加工处理后的钢筋，在常温下存放1520 d，或加热至100200 后保持一定时间（23 h），其屈服强度进一步提高，且抗拉强度也提高，同时塑性和韧性也进一步降低，弹性模量则基本恢复。这个过程称为时效处理。时效处理方法有两种：在常温下存放1520 d，称为自然时效，适合用于低强度钢筋；加热至100200 后保持一定时间（23 h），称人工时效，适合于高强钢筋。,（四）热处理,热处理是将钢材按规定的温度制度，进行加热、保温和冷却处理，以改变其组织，得到所需要的性能的一种工艺。,淬火将钢材加热至基本组织改变温度以上，保温使基本组织转变为奥氏体，然后投入水或矿物油中急冷，使晶粒细化，碳的固溶量增加，强度和硬度增加，塑性和韧性明显下降。回火将比较硬脆、存在内应力的钢，再加热至基本组织改变温度以下（150650），保温后按一定制度冷却至室温的热处理方法称回火。回火后的钢材，内应力消除，硬度降低，塑性和韧性得到改善。退火将钢材加热至基本组织转变温度以下（低温退火）或以上（完全退火），适当保温后缓慢冷却，以消除内应力，减少缺陷和晶格畸变，使钢的塑性和韧性得到改善。正火将钢件加热至基本组织改变温度以上，然后在空气中冷却，使晶格细化，钢的强度提高而塑性有所降低。对于含碳量高的高强度钢筋和焊接时形成的硬脆组织的焊件，适合以退火方式来消除内应力和降低脆性，保证焊接质量。,1.碳是决定钢材性能的主要元素。随着含碳量的增加，钢的强度和硬度提高，塑性和韧性下降。但当含碳量大于1.0%时，由于钢材变脆，强度反而下降。,七钢的化学成分对钢材性能的影响,含碳量对热轧碳素钢性质的影响,b抗拉强度；k冲击韧性；HB硬度；伸长率；面积缩减率,2.硅、锰 加入硅和锰可以与钢中有害成分FeO和FeS分别形成SiO2、MnO和MnS而进入钢渣排出，起到脱氧、降硫的作用。,3.硫、磷 硫使钢材的热脆性增加，磷能使钢的强度、硬度提高，但显著降低钢材的塑性和韧性，使钢材的冷脆性增加。,4.氧、氮降低了钢材的强度、冷弯性能和焊接性能。氧还使钢的热脆性增加，氮使冷脆性及时效敏感性增加。,5.铝、钛、钒、铌是钢的强脱氧剂和合金元素。能改善钢的组织、细化晶粒、改善韧性，并显著提高强度。,钢材的化学成分对钢材的可焊性有很大的影响。随钢材的含碳量、合金元素及杂质元素含量的提高，钢材的可焊性降低。钢材的含碳量超过0.25时，可焊性明显降低；硫含量较多时，会使焊口处产生热裂纹，严重降低焊接质量。钢材的焊接须执行有关规定。,第三节建筑钢材的常用钢种,普通碳素结构钢简称碳素结构钢，化学成分主要是铁，其次是碳，故也称铁-碳合金。其含碳量为0.02%-2.06%，此外尚含有少量的硅、锰和微量的硫、磷等元素。,一 碳素结构钢,按国家标准GB/T 699-1999优质碳素结构钢的规定，优质碳素结构钢根据锰含量的不同可分为：普通锰含量（锰含量0.8）钢和较高锰含量（锰含量0.71.2）钢两组。,碳素结构钢的牌号由代表屈服点的字母、屈服点数值、质量等级符号、脱氧程度符号四部分按顺序组成。,(一)碳素结构钢的牌号表示方法,(二)碳素结构钢的技术要求(三)碳素结构钢的性能和应用,Q235AF表示屈服点为235 Mpa的A级沸腾钢。,国家标准GB 700-88碳素结构钢中规定：,牌号由代表屈服点的字母、屈服点数值、质量等级符号、脱氧方法等四部分按顺序组成。其中以“Q”代表屈服点；屈服点数值共分195 MPa、215 MPa、235 MPa、255 MPa和275 Mpa五种；质量等级以硫、磷等杂质含量由多到少，分别为A、B、C、D符号表示；脱氧方法以F表示沸腾钢、b表示半镇静钢、Z、TZ表示镇静钢和特殊镇静钢，Z和TZ在钢的牌号中予以省略。,Q195强度不高，塑性、韧性、加工性能与焊接性能较好，主要用于轧制薄板和盘条等。Q215与Q195钢基本相同，其强度稍高，大量用做管坯、螺栓等。Q235强度适中，有良好的承载性，又具有较好的塑性和韧性，可焊性和可加工性也较好，是钢结构常用的牌号，大量制作成钢筋、型钢和钢板用于建造房屋和桥梁等。Q235良好的塑性可保证钢结构在超载、冲击、焊接、温度应力等不利因素作用下的安全性，因而Q235能满足一般钢结构用钢的要求。Q235-A一般用于只承受静荷载作用的钢结构。Q235-B适合用于承受动荷载焊接的普通钢结构，Q235-C适合用于承受动荷载焊接的重要钢结构，Q235-D适合用于低温环境使用的承受动荷载焊接的重要钢结构。Q255强度高、塑性和韧性稍差，不易冷弯加工，可焊性较差，主要用做铆接或栓接结构，以及钢筋混凝土的配筋。Q275强度、硬度较高，耐磨性较好，但塑性、冲击韧性和可焊性差，不宜在建筑结构中使用，主要用于制造轴类、农具、耐磨零件和垫板等。,是一种在碳素钢的基础上添加总量小于5合金元素的钢材，具有强度高，塑性和低温冲击韧性好、耐锈蚀等特点。低合金高强度结构钢综合性能较为理想，尤其在大跨度、承受动荷载和冲击荷载的结构中更适用，而且与使用碳素钢相比，可节约钢材20%-30%，但成本并不很高。,二 低合金高强度结构钢,(一)低合金高强度结构钢的牌号表示方法 低合金高强度结构钢的牌号由屈服点字母Q、屈服点数值、质量等级三个部分组成，共有5个牌号。低合金高强度结构钢的牌号的表示方法为：屈服强度质量等级，它以屈服强度划分成五个等级：295、Q345、Q390、Q420、Q460，质量也分为五个等级：E、D、C、B、A。大型结构、重型结构、大跨度结构、高层建筑、桥梁工程、承受动力荷载和冲击荷载的结构,钢结构总重约4万吨，其中桁架1.4万吨，组合柱约1.3万吨，次结构1.2万吨，楼梯马道等0.5万吨。钢板厚度34mm时采用Q345；当36mm时采用Q345GJ(高层建筑用钢板）；少量采用Q460、钢材。,3.型钢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。如图所示为几种常用型钢示意图。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，所以它是钢结构中采用的主要钢材。,2.冷弯薄壁型钢 冷弯薄壁型钢通常用2mm-6mm薄钢板冷弯或模压而成，有角钢、槽钢等开口薄壁型钢及方形、矩形等空心薄壁型钢。可用于轻型钢结构。3.钢板 钢板有热轧钢板和冷扎钢板之分，按厚度可分为厚板(厚度4mm)和薄板(厚度4mm)两种。厚板用热轧方式生产，材质按使用要求相应选取；薄板用热轧或冷扎方式均可生产，冷扎钢板一般质量较好，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。,4.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，也可用冷扎方式生产，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。,第四节钢筋混凝土用钢材,热轧光圆钢筋的强度较低，但塑性及焊接性能很好，便于各种冷加工，因而广泛用作普通钢筋混凝土构件的受力筋及各种钢筋混凝土结构的构造筋；HRB335和HRB400钢筋强度较高，塑性和焊接性能也较好，故广泛用作大、中型钢筋混凝土结构的受力钢筋；HRB500钢筋强度高，但塑性和焊接性能较差，可用作预应力钢筋。,一 钢筋混凝土用热轧钢筋,(a)等高肋钢筋；(b)月牙肋钢筋,热轧钢筋的力学性能和工艺性能,例 从一批钢筋中抽样，并截取两根钢筋做拉伸试验，测得如下结果：屈服下限荷载分别为42.4、42.8kN;抗拉极限荷载分别为62.0kN、63.4kN，钢筋公称直径为12，标距为60，拉断时长度分别为70.6和71.4mm,评定其级别？说明其利用率及使用中安全可靠程度如何？解：1.钢筋试样屈服点为：钢筋试样抗拉强度为：b=(548+561)2=555 N/mm2,钢筋试样伸长率为：=(17.7+19.0)2=18.4%查表2-2知s1、s2 均大于335 N/mm2,b1、b2 均大于490 N/mm2,钢筋试样伸长率均大于16%故该钢筋为II级钢。2.该钢筋的屈强比为：s/b=385/555=0.69该II级钢筋的屈强比在0.650.75范围内，表明其利用率较高，使用中安全可靠度较好。,二 冷轧带肋钢筋,冷轧带肋钢筋既具有冷拉钢筋强度高的特点，同时又具有很强的握裹力，混凝土对冷轧带肋钢筋的握裹力是同直径冷拔低碳钢丝的36倍，大大提高了构件的整体强度和抗震能力。这种钢筋适用于中、小型预应力混凝土结构构件和普通钢筋混凝土结构构件。,冷轧带肋钢筋,热处理钢筋经过调质热处理而成，具有强度高、韧性高、粘结力高和塑性降低小等优点，特别适用于预应力混凝土构件。,三 预应力混凝土用热处理钢筋,热处理钢筋的力学性质(GB 44631984),四 预应力混凝土用钢丝,预应力混凝土用钢丝质量稳定、安全可靠、强度高、无接头、施工方便，主要用于大跨度的屋架、薄腹架、吊车梁或桥梁等大型预应力混凝土构件，还可用于轨枕、压力管道等预应力混凝土构件。,根据GB/T 5223-1995预应力混凝土用钢丝规定，预应力混凝土用钢丝是用优质碳素结构钢制成，抗增强度高达14701770 MPa，分为消除应力光圆钢丝（代号为S）、消除应力刻痕钢丝（SI）、消除应力螺旋力钢丝（SH）和冷拉钢丝（RCD）四种。,螺旋肋钢丝外形示意图,三面刻痕钢丝外形示意图,五 预应力混凝土用钢绞线,钢绞线具有强度高，与混凝土粘结好，断面面积大，使用根数少，在结构中排列布置方便，易于锚固等优点，主要用于大跨度、大荷载的预应力屋架、薄腹梁等构件。,根据GB 52241995预应力混凝钢绞线规定，预应力混凝钢绞线是以数根优质碳素结构钢丝以绞捻和消除内应力的热处理而制成。根据钢丝的股数分为三种结构类型：12、13、和17。17结构钢绞线以一根钢丝为芯、6根钢丝围绕其周围捻制而成。钢绞线与混凝土的粘结力较好。,预应力钢绞线截面图,建筑钢材的锈蚀与防止1 钢材的锈蚀 钢材的锈蚀是指其表面与周围介质发生化学反应而遭到的破坏。根据锈蚀作用的机理，钢材的锈蚀可分为化学锈蚀和电化学锈蚀两种：（）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氧化物。,（）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。潮湿环境中的钢材表面会被一层电解质水膜所覆盖，而钢材是由铁素体、渗碳体及游离石墨等多种成分组成，由于这些成分的电极电位不同，首先，钢的表面层在电解质溶液中构成以铁素体为阳极，以渗碳体为阴极的微电池。在阳极，铁失去电子成为Fe2+进入水膜；在阴极，溶于水膜中的氧被还原生成。,随后两者结合生成不溶于水的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。由于铁素体基体的逐渐锈蚀，钢组织中的渗碳体等暴露出来的越来越多，形成的微电池数目也越来越多，钢材的锈蚀速度愈益加速。,2 防止钢材锈蚀的措施 钢结构防止锈蚀的方法通常是采用表面刷漆。常用底漆有红丹、环氧富锌漆、铁红环氧底漆等。面漆有调和漆、醇酸磁漆、酚醛磁漆等。薄壁钢材可采用热浸镀锌等措施。混凝土配筋的防锈措施，根据结构的性质和所处环境条件等，主要是保证混凝土的密实、保证足够的保护层厚度、限制氯盐外加剂的掺加量和保证混凝土一定的碱度等，还可掺用阻锈剂。钢材的组织及化学成分是引起钢材锈蚀的内因。通过调整钢的基本组织或加入某些合金元素，可有效地提高钢材的抗腐蚀能力。例如，炼钢时在钢中加入铬、镍等合金元素，可制得不锈钢。,板梁底出现裂缝,华南地区某海港油气码头引桥使用仅8年，型板梁底出现明显裂缝及钢筋锈蚀。而型板却基本完好请讨论其原因。,原因分析,经有关单位调研证实，该混凝土开裂，钢筋严重锈蚀、破坏。对混凝土取样，测定不同深度混凝土氯离子含量。我国华南地区海港码头调查该值为0.1050.145。该混凝土保护层设计厚度为5.5 cm，且由于施工偏差，部分构件实际保护层厚度低于设计值。,广东某斜拉桥拉索腐蚀失效分析,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。作者与其他教师一道对此拉索失效的原因作检测分析，研究其腐蚀失效的原因。,对坠落的拉索进行研究，钢丝的腐蚀程度由下而上逐渐增加，且与所灌注的水泥浆体的情况有明显的对应关系,韩国汉城大桥倒塌,1994年10月21日韩国汉城汉江圣水大桥中段50 m长的桥体象刀切一样坠入江中，造成多人死亡。该桥由韩国最大的建筑公司之一东亚建设产业公司于1979建成。事故原因调查团经五个多月的各种试验和研究，于次年4月2日提交了事故报告。事故原因主要有以下两方面：a.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。b.当时韩国缩短工期及汉城市政当局在交通管理上疏漏也是大桥倒塌的主要原因。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。,钢结构吊车梁发现裂纹,某厂气轮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；加劲筋上无裂纹，加劲板与梁翼或腹板之间的焊缝及附近亦未发现裂纹。裂纹深度经铲后，用深度计复测，大多数的深度为12 mm，少量纹深达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；构件运输安装过程未被撞击；裂纹部位远离焊接影响区。经研究获悉：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。而加劲板为另外采购的钢板故未发现裂纹。,世贸大厦倒塌,