Question

钢材选用在建筑结构方面对材质有哪些要求

问题 如题

Answer 1

建筑钢材主要包括：钢结构用各种型钢（如工字钢、角钢、槽钢、方钢等）、板材、钢管、钢筋和钢丝等； 钢材的优点：（1） 抗拉、抗压和抗冲击性能好；（2） 可切割、可焊接、可铆接，装配方便； 缺点是容易腐蚀。建筑钢材的标准与选用1 建筑钢结构常用钢种⑴ 碳素结构钢①牌号及其表示方法国家标准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、215、235、255和275MPa五种；质量等级以硫、磷等杂质含量由多到少，分别用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。例如：Q235－A·F表示屈服点为235MPa的A级沸腾钢。 ②碳素结构钢技术性能与应用
根据国家标准GB 700-88《碳素结构钢》，随着牌号的增大，对钢材屈服强度和抗拉强度的要求增大，对伸长率的要求降低。碳素结构钢的化学成分、力学性能、冷弯性能应符合P148表8-3、表8-4和表8-5的规定。 不同牌号的碳素钢在土木工程中有不同的应用：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。
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。 思考题：在钢结构中，为什么Q235结构钢能得到普遍的应用？Q235是建筑工程中最常用的碳素结构钢牌号，其既具有较高强度，又具有较好的塑性、韧性，同时还具有较好的可焊性。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。 ⑵ 低合金高强度结构钢低合金高强度钢是一种在碳素钢的基础上添加总量小于5%的一种或多种合金元素的钢材。合金元素有：硅（Si）、锰（Mn）、钒（V）、铌（Nb）、铬（Cr）、镍（Ni）及稀土元素等。
①牌号
根据国家标准GB 1591-94《低合金高强度结构钢》的规定，低合金高强度结构钢分为Q295、Q345、Q390、Q420和Q460共五个牌号。每个牌号根据硫、磷等有害杂质的含量，分为A、B、C、D和E五个等级。�0�5 牌号表示方法为：如Q345B表示屈服强度不小于345MPa，质量等级为B级的低合金高强度结构钢。②技术性能与应用
根据国家标准GB 1591-94《低合金高强度结构钢》的规定， P150表8-6和8-7中分别列出了低合金高强度结构钢的化学成分与力学性能。低合金高强度结构钢主要用于轧制各种型钢、钢板、钢管及钢筋，广泛用于钢结构和钢筋混凝土结构中，特别适用于各种重型结构、高层结构、大跨度结构及桥梁工程等。 2 混凝土结构用钢 混凝土具有较高的抗压强度，但抗拉强度很低。用钢筋增强混凝土，可大大扩展混凝土的应用范围，而混凝土又对钢筋起保护作用。钢筋混凝土结构的钢筋，主要由碳素结构钢和优质碳素钢制成，包括有：⑴ 热轧钢筋热轧钢筋是建筑工程中用量最大的钢材品种之一，主要用于钢筋混凝土结构和预应力钢筋混凝土结构的配筋。热轧带肋钢筋的牌号由HRB和牌号的屈服点最小值构成，有HRB335、HRB400、HRB500三个牌号，其力学性能规定见P153表8－9。应用：普通混凝土非预应力钢筋可根据使用条件选用I级钢筋或HRB335、HRB400钢筋；预应力钢筋应优先选用HRB400钢筋，也可以选用HRB335钢筋。⑵ 冷拉热轧钢筋 P153表8.10 冷拉热轧钢筋的性质⑶ 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二面横肋的钢筋。P154表8.11 冷轧带肋钢筋的性质冷轧带肋钢筋分为CRB550、CRB650、CRB800、CRB970、CRB1170五个牌号。CRB550为普通钢筋混凝土用钢筋，其他牌号为预应力混凝土钢筋。CRB550钢筋的公称直径范围为4～12mm。CRB650及以上牌号钢筋的公称直径为4、5、6mm。（1） 热处理钢筋 热处理钢筋是将钢筋按一定规则加热、保温和冷却，以改变其组织，从而获得需要性能的一种工艺过程。其特点是塑性降低不多，但其强度提高很大，综合性能比较理想。其力学性质见P154表8.12 应用：主用用于预应力混凝土轨枕和其他预应力混凝土工程等。（2） 冷拔低碳钢丝： 冷拉低碳钢丝是将直径为6.5～8mm的Q235圆盘条通过截面小于钢筋截面的钨合金拔丝而制成。应用：主用用于预应力混凝土工程。 （6）预应力混凝土用钢丝预应力混凝土用钢丝是以优质碳素结构钢盘条为原料，经淬火奥氏体化、酸洗、冷拉制成的用作预应力混凝土骨架的钢丝。钢丝的抗拉强度比钢筋混凝土用热轧光圆钢、热轧带肋钢筋高许多，在构件中采用预应力钢丝可收到节省钢材、减少构件截面和节省混凝土的效果，主要用作桥梁、吊车梁、大跨度屋架、管桩等预应力钢筋混凝土构件中。 ⑸ 钢绞线根据GB 5224－95《预应力混凝土用钢绞线》规定，预应力混凝土用钢绞线是以数根优质碳素结构钢钢丝经绞捻和消除应力的热处理而制成。根据钢丝的股数分为1×2、1×3和1×7三种类型，其中1表示以一根钢丝为芯、2、3、7分别表示其周围围绕的钢丝数量为2、3和7根。应用：预应力钢绞线主要用于预应力混凝土配筋，适用于大型屋架、薄腹梁、大跨度桥梁等负荷大、跨度大的预应力结构。 建筑钢材的力学性能 1. 抗拉性能 低碳钢拉伸时的应力－应变图 硬钢应力－应变图抗拉性能是建筑钢材最重要的力学性能。钢材受拉时，在产生应力的同时，相应地产生应变。应力和应变的关系反映出钢材的主要力学特征。从低碳钢（软钢）的应力-应变关系中可看出，低碳钢从受拉到拉断，经历了四个阶段：弹性阶段（OA）、屈服阶段(AB)、强化阶段(BC)和颈缩阶段(CD)。 ⑴ 弹性阶段在图中OA段，应力较低，应力与应变成正比例关系，卸去外力，试件恢复原状，无残余形变，这一阶段称为弹性阶段。弹性阶段的最高点（A点）所对应的应力称为弹性极限，用σp表示，在弹性阶段，应力和应变的比值为常数称为弹性模量，用E表示，即E=σ/ε。 ⑵ 屈服阶段当应力超过弹性极限后，应变的增长比应力快，此时，除产生弹性变形外，还产生塑性变形。当应力达到B上点时，即使应力不再增加，塑性变形仍明显增长，钢材出现了“屈服”现象，这一阶段称为屈服阶段。在屈服阶段中，应力会有波动，出现上屈服点（B上）和下屈服点(B下)。由于下屈服点比较比较稳定且容易测定，因此，采用下屈服点对应的应力作为钢材的屈服极限（σS）或屈服强度。钢材受力达到屈服强度后，变形迅速增长，尽管尚未断裂，已不能满足使用要求，故结构设计中以屈服强度作为容许应力取值的依据。 ⑶ 强化阶段在钢材屈服到一定程度后，由于内部晶格扭曲、晶粒破碎等原因，阻止了塑性变形的进一步发展，钢材抵抗外力的能力重新提高，在应力－应变图上，曲线从B点开始上升直至最高点C，这一过程称为强化阶段；对应于最高点C的应力称为抗拉强度（σb）。它是钢材所承受的最大拉应力。常用低碳钢的抗拉强度为375～500MPa。条件屈服点： 某些合金钢或含碳量高的钢材（如预应力混凝土用钢筋和钢丝）具有硬钢的特点，其抗拉强度高，无明显屈服阶段，伸长率小。故采用产生残余变形为0.2％原标距长度时的应力作为屈服强度，称为条件屈服点，用δ0.2表示。强屈比：抗抗拉强度与屈服强度之比（强屈比）σb/σS，是评价钢材使用可靠性的一个参数。强屈比愈大，钢材受力超过屈服点工作时的可靠性越大，安全性越高，但是，强屈比太大，钢材强度的利用率偏低，浪费材料。钢材的强屈比一般不低于1.2，用于抗震结构的普通钢筋实测的强屈比应不低于1.25。 ⑷ 颈缩阶段在钢材达到C点后，试件薄弱处的断面将显著减小，塑性变形急剧增加，产生“颈缩”现象而断裂（图8－3）。钢材的塑性通常用拉伸试验时的伸长率或断面收缩率来表示。伸长率：将拉断后试件拼合起来，测量出标距长度l1,l1与试件受力前的原标距l0之差为塑性变形值，它与原标距l0之比为伸长率δ，按下式计算： 式中 δ——伸长率；l0——试件原始标距长度，mm；l1——断裂试件拼合后标距长度，mm； 断面收缩率：是指断口处的面积收缩量与原面积之比 试件拉伸前和断裂后标距的长度 2.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，以试验时的弯曲角度α和弯心直径d为指标表示。钢材的冷弯试验是通过直径(或厚度)为a的试件，采用标准规定的弯心直径d（d = na，n为整数），弯曲到规定的角度时（180°或90°），检查弯曲处有无裂纹、断裂及起层等现象。若没有这些现象则认为冷弯性能合格。钢材冷弯时的弯曲角度α越大，d/a越小，则表示冷弯性能越好。 3. 冲击韧性 钢材的冲击韧性是处在简支梁状态的金属试样在冲击负荷作用下折断时的冲击吸收功。钢材的冲击韧性与钢材的化学成分、组织状态，以及冶炼、加工都有关系。例如，钢材中磷、硫含量较高，存在偏析、非金属夹杂物和焊接中形成的微裂纹等都会使冲击韧性显著降低。冲击韧性随温度的降低而下降，其规律是：开始下降缓和，当达到一定温度范围时，突然下降很多而呈脆性，这种性质称为钢材的冷脆性； 4. 耐疲劳性受交变荷载反复作用时，钢材在应力低于其屈服强度的情况下突然发生脆性断裂破坏的现象，称为疲劳破坏。疲劳破坏是在低应力状态下突然发生的，所以危害极大，往往造成灾难性的事故。 在一定条件下，钢材疲劳破坏的应力值随应力循环次数的增加而降低。钢材在无穷次交变荷载作用下而不至引起断裂的最大循环应力值，称为疲劳强度极限，实际测量时常以2×106次应力循环为基准。一般来说，钢材的抗拉强度高，其疲劳极限也较高。 5.焊接性能焊接是把两块金属局部加热，并使其接缝部分迅速呈熔融或半熔融状态，而牢固的连接起来。它是钢结构的主要连接形式。建筑工程的钢结构中，焊接结构要占90％以上。
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。 [工程实例分析] 钢结构屋架倒塌概况：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，请分析事故原因。分析讨论：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。注意：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。