實驗手冊建筑鋼材范本

第2章筑鋼學(xué)習指導(dǎo)本章著重闡述公路工程常用建筑鋼材的技術(shù)標準和性質(zhì)。通過本章的學(xué)習規(guī)定學(xué)生掌握鋼材的技術(shù)性質(zhì)和技術(shù)標準，并能按設(shè)計規(guī)定選用相應(yīng)規(guī)格的鋼材。金屬材料涉及黑色金屬和有色金屬兩大類，黑色金屬是指以鐵元素為重要成分的金屬及其合金，常用的黑色金屬材料有鋼和生鐵。有色金屬是指黑色金屬以外的金屬，如鋁、銅、鉛、鋅等金屬及其合金。建筑鋼材是指用于鋼結(jié)構(gòu)的各種型材（如圓鋼、角鋼、工字鋼、管鋼等）、鋼板和用于鋼筋混凝土中的各種鋼筋、鋼絲、鋼絞線等。鋼材具有良好的技術(shù)性質(zhì)：材質(zhì)均勻，性能可靠，強度高，能承受較大的彈塑性變形，加工性能好，因此，在土木工程中被廣泛應(yīng)用。2.1鋼材的分類與結(jié)構(gòu)112.1.1鋼按化學(xué)成分分類鋼材以鐵為重要原素，含碳量為0.2％～2.06％，并具有其他的元素的合金材料。鋼按化學(xué)成分分類可分為碳素鋼和合金鋼兩大類。1.碳素鋼碳素鋼根據(jù)含碳量可分為：低碳鋼（含碳小于0.25%）、中碳鋼（含碳0.25%～0.6%）、高碳鋼（含碳大于0.6%）。2.合金鋼合金鋼中具有一種或多種特意加人或超過碳素鋼限量的合金元素（如錳、硅、礬、鈦等）。這些合金元素用于改善鋼的性能，或者使其獲得某些特殊性能。低合金鋼（合金元素總含量小于5%）；中合金鋼（合金元素總含量為5%～10%）；高合金鋼（合金元素總含量大于10%）。2.1.2按鋼在熔煉過程中脫氧限度不同分類按鋼在熔煉過程中脫氧限度不同分類,可分為：沸騰鋼、鎮(zhèn)靜鋼、半鎮(zhèn)靜鋼、和特殊鎮(zhèn)靜鋼四類。1.沸騰鋼假如煉鋼時脫氧不充足,鋼液終尚有較多的金屬氧化物，澆鑄鋼錠后鋼液冷卻到一定溫度，其中的碳會與金屬氧化物發(fā)生反映，生成大量一氧化碳氣體外逸，引起鋼液劇烈沸騰，因而這種鋼材稱為沸騰鋼，其代號為“F”。沸騰鋼中碳和有害雜質(zhì)在鋼中分布不均勻，富集于某些區(qū)間的現(xiàn)象特別嚴重，鋼的致密限度差。故沸騰鋼的沖擊韌性和可焊接性較差，特別是低溫沖級韌性的減少更顯著。但從經(jīng)濟上比較，沸騰鋼只消耗少量的脫氧劑，鋼錠的搜索孔減少，成品效率高，故成本較低。2.鎮(zhèn)靜鋼假如煉鋼時脫氧充足，鋼液中金屬氧化物很少或沒有,在澆鑄鋼錠時鋼液會安靜的冷卻凝固，這種鋼稱為鎮(zhèn)靜鋼，其代號為“Z”。鎮(zhèn)靜鋼組織致密，氣泡少，偏析限度小，各種力學(xué)性能比沸騰鋼優(yōu)越?？捎糜谑軟_擊荷載的結(jié)構(gòu)和其他重要結(jié)構(gòu)。3.半鎮(zhèn)靜鋼。。。半鎮(zhèn)靜鋼是指脫氧限度和性能都介于沸騰鋼和鎮(zhèn)靜鋼之間的鋼材，其代號為“b”。4.特殊鎮(zhèn)靜鋼比鎮(zhèn)靜鋼脫氧限度更充足徹底的鋼，稱為特殊鎮(zhèn)靜鋼，代號為“TZ”。特殊鎮(zhèn)靜鋼的質(zhì)量最佳，合用于特別重要的結(jié)構(gòu)工程。鋼按壓力加工方式分類，可分為熱加工鋼材和冷加工鋼材。鋼按用途分類，可分為鋼結(jié)構(gòu)用鋼和混凝土結(jié)構(gòu)用鋼兩種。2.1.3鋼按重要質(zhì)量等級（鋼中有害雜質(zhì)的多少）分類普通鋼：含硫量≤0.050％，含磷量≤0.045％；優(yōu)質(zhì)鋼：含硫量≤0.035％，含磷量≤0.035％；高級優(yōu)質(zhì)鋼：含硫量≤0.025％，含磷量≤0.025％，高級優(yōu)質(zhì)鋼的鋼號后面加“高”字或“A”；特級優(yōu)質(zhì)鋼：含硫量≤0.015％，含磷量≤0.025％，特級優(yōu)質(zhì)鋼后加“E”。2.2建筑鋼材的技術(shù)性質(zhì)2.2.1建筑鋼材的物理力學(xué)性質(zhì)1.抗拉性能抗拉性能是表達鋼材性能的重要指標。由于拉伸是建筑鋼材的重要受力形式，因此抗拉性能采用拉伸實驗測定，以屈服點、抗拉強度和伸長率等指標表征。以低碳鋼（軟鋼）受拉的應(yīng)力-應(yīng)變圖2.1為例，可以較好地闡述這些重要的技術(shù)指標。圖2.1低碳鋼受拉應(yīng)力-應(yīng)變圖從圖中可以看出，低碳鋼受拉經(jīng)歷了四個階段：彈性階段（O→A）、屈服階段（A→B）、強化階段（B→C）、頸縮階段C→圖2.1低碳鋼受拉應(yīng)力-應(yīng)變圖（1）屈服強度當試件拉力在OA范圍內(nèi)時，如卸去拉力，試件能恢復(fù)原狀，應(yīng)力與應(yīng)變的比值為常數(shù)，即彈性模量（E），E=σ/ε。該階段被稱為彈性階段。彈性模量反映鋼材抵抗變形的能力，是計算結(jié)構(gòu)受力變形的重要指標。當對試件的拉伸進入塑性變形的屈服階段AB時，稱屈服下限B下所相應(yīng)的應(yīng)力為屈服強度或屈服點，記做σS。設(shè)計時一般以σS作為強度取值的依據(jù)。對屈服現(xiàn)象不明顯的鋼，規(guī)定以0.2%殘余變形時的應(yīng)力σ0.2作為屈服強度。屈服強度可按式（2.1）計算。圖2.2鋼材頸縮現(xiàn)象示意圖（2.1）圖2.2鋼材頸縮現(xiàn)象示意圖式中：——屈服點，MPa；——屈服點荷載，N；——試件的公稱橫截面積，mm2。（2）抗拉強度從圖2.1中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。相應(yīng)于最高點C的應(yīng)力稱為抗拉強度，用σb表達。抗拉強度按式（2.2）計算。（2.2）式中：——屈服點，MPa；——屈服點荷載，N；——試件的公稱橫截面積，mm2。設(shè)計中抗拉強度不能運用，但屈強比σs/σb，卻能反映鋼材的運用率和結(jié)構(gòu)安全可靠性。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(jié)構(gòu)的安全性愈高。但屈服比太小，則反映鋼材不能有效地被運用，導(dǎo)致鋼材浪費。建筑結(jié)構(gòu)鋼合理的屈強比一般為0.60～0.75。（3）伸長率圖2.1中當曲線到達C點后，試件薄弱處急劇縮小，塑性變形迅速增長，產(chǎn)生“頸縮現(xiàn)象”而斷裂（如圖2.2所示）。試件拉斷后測定出拉斷后標距部分的長度L1（mm），L1與試件原標距L0（mm）比較，按式（2.3）可以計算出伸長率（δ）。（2.3）式中：——伸長率，%；——試件原標距，mm；——試件拉斷后測定出拉斷后標距部分的長度，mm。伸長率表征鋼材的塑性變形能力。由于在塑性變形時頸縮處的變形最大，故若原標距與試件的直徑之比愈大，則頸縮處伸長值在整個伸長值中的比重愈小，因而計算的伸長率會小些。通常以δ5和δ10分別表達L0=5d0和L0=10d0時的伸長率，d0為試件直徑。對同一種鋼材,δ5應(yīng)大于δ10。2.沖擊韌性沖擊韌性是指鋼材抵抗沖擊荷載的能力。沖擊韌性指標是通過標準試件的彎曲沖擊韌性實驗擬定的，見圖2.3。圖2.3沖擊韌性實驗原理圖以擺錘沖擊試件，以試件沖斷時缺口處，單位截面積上所消耗的功，即為鋼材的沖擊韌性指標。用ak（J·cm-2）表達。ak值愈大，鋼材的沖擊韌性愈好。圖2.3沖擊韌性實驗原理圖鋼材的化學(xué)成分、內(nèi)在缺陷、加工工藝及環(huán)境溫度都會影響鋼材的沖擊韌性。實驗表白，沖擊韌性隨溫度的減少而下降，其規(guī)律是開始下降緩和，當達成一定溫度范圍時，忽然下降很多而呈脆性，這種脆性稱為鋼材的冷脆性。此時的溫度稱為臨界溫度。其數(shù)值愈低，說明鋼材的低溫沖擊性能愈好。所以在負溫下使用的結(jié)構(gòu)，應(yīng)當選用脆性臨界溫度較工作溫度低的鋼材。由于時效作用，鋼材隨時間的延長，其塑性和沖擊韌性下降。完畢時效變化的過程可過數(shù)十年，但是鋼材如經(jīng)受冷加工變形，或使用中經(jīng)受震動和反復(fù)荷載的影響，時效可迅速發(fā)展。因時效而導(dǎo)致性能改變的限度稱為時效敏感性。對于承受動荷載的結(jié)構(gòu)應(yīng)當選用時效敏感性小的鋼材。因此，對于直接承受動荷載并且也許在負溫下工作的重要結(jié)構(gòu)，必須進行鋼材的沖擊韌性檢查。3.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（90°、180°）及彎心直徑d對試件厚度（或直徑）a的比值表達，如圖2.4所示。圖2.4鋼材冷彎實驗鋼材試件按規(guī)定的彎曲角和彎心直徑進行實驗，若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。冷彎實驗?zāi)芊从吃嚰澢幍乃苄宰冃?，能揭示鋼材是否存在?nèi)部組織不均勻、內(nèi)應(yīng)力和夾雜物雜等缺陷。冷彎實驗也能對鋼材的焊接質(zhì)量進行嚴格的檢查，能揭示焊件受彎表面是否存在未熔合，裂縫及夾雜物等缺陷。圖2.4鋼材冷彎實驗4.硬度鋼材的硬度是指其表面抵抗外物壓入產(chǎn)生塑性變形的能力，測定硬度的方法有布氏法和洛氏法。較常用的方法是布氏法，其硬度指標為布氏硬度值。圖2.5布氏硬度實驗示意圖布氏法是運用直徑為D（mm）的淬火鋼球，以一定的荷載P（N）將其壓人試件表面，得到直徑為d（mm）的壓痕，如圖2.5所示。以壓痕表面積F（mm2）除荷載P，所得的應(yīng)力值即為試件的布氏硬度值（HB），（不帶單位）。布氏法比較準確，但壓痕較大，不適宜成品檢查。圖2.5布氏硬度實驗示意圖洛氏法測定的原理與布氏法相似，但以壓頭壓入試件的深度來表達洛氏硬度值（HR）。洛氏法壓痕很小，常用于鑒定工件的熱解決效果。5.焊接性能鋼材重要以焊接的形式應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)中。焊接的質(zhì)量取決于鋼材與焊接材料的可焊性及其焊接工藝。鋼材的可焊性是指焊接后在焊縫處的性質(zhì)與母材性質(zhì)的一致限度。影響鋼材可焊性的重要因素是化學(xué)成分及含量。一般，焊接結(jié)構(gòu)用鋼應(yīng)注意選用含碳量較低的氧氣轉(zhuǎn)爐或平爐鎮(zhèn)靜鋼。對于高碳鋼及合金鋼，為了改善焊接性能，焊接時一般要采用焊前預(yù)熱及焊后熱解決等措施。2.2.2化學(xué)成分對鋼材性質(zhì)的影響以生鐵冶煉鋼材，通過一定的工藝解決后，鋼材中除重要具有鐵和碳外，尚有少量硅、錳、磷、硫、氧、氮等難以除凈的化學(xué)元素。此外，在生產(chǎn)合金鋼的工藝中，為了改善鋼材的性能，還特意加入一些化學(xué)元素，如錳、硅、礬、鈦等。這些化學(xué)元素對鋼材的性能產(chǎn)生一定的影響。1.碳碳是決定鋼材性質(zhì)的重要元素。鋼材隨含碳量的增長，強度和硬度相應(yīng)提高，而塑性和韌性相應(yīng)減少。當含碳量超過1%時，鋼材的極限強度開始下降。土木工程中用鋼材含碳量不大于0.8%。此外，含碳量過高還會增長鋼的冷脆性和時效敏感性，減少抗大氣腐蝕性和可焊性。2.硅硅也是作為脫氧劑而存在于鋼中的。硅的脫氧能力比錳還強。當硅的含量很低時，能顯著地提高鋼材的強度，但不明顯的減少塑性和韌性。3.錳錳是我國低合金鋼的主加合金元素，錳含量一般在1%～2%范圍內(nèi)，它的作用重要是使強度提高，錳還能消減硫和氧引起的熱脆性，使鋼材的熱加工性質(zhì)改善。4.硫硫是很有害元素。呈非金屬硫化物夾雜物存在于鋼中，具有強烈的偏析作用，減少各種機械性能。硫化物導(dǎo)致的低熔點使鋼在焊接時易于產(chǎn)生熱裂紋，顯著減少可焊性。5.磷磷為有害元素。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。磷的偏析較嚴重，使鋼材冷脆性增大，可焊性減少。但磷可以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.氧氧為有害元素。重要存在于非金屬夾雜物內(nèi)，可減少鋼的機械性能，特別是韌性。氧有促進時效傾向的作用，氧化物導(dǎo)致的低熔點亦使鋼的可焊形變差。7.氮氮對鋼材性質(zhì)的影響與碳、磷相似，使鋼材的強度提高，塑性、韌性顯著下降。氮可加劇鋼材的時效敏感性和冷脆性，減少可焊性。在有鋁、鈮、釩等的配合下，氮可作為低合金鋼的合金元素使用。8.鋁、鈦、釩、鈮均為煉鋼時的強脫氧劑，能提高鋼材強度，改善韌性和可焊性，是常用的合金元素。2.3建筑鋼材的冷加工與熱解決2.3.1冷加工冷加工是指鋼材在常溫下進行的加工，常見的冷加工方式有：冷拉、冷拔、冷軋、冷扭、刻痕等。鋼材經(jīng)冷加工產(chǎn)生塑性變形，從而提高其屈服強度，這一過程稱為冷加工強化解決。冷加工強化的機理描述如下：金屬的塑性變形是通過位錯運動來實現(xiàn)的，位錯是指源自行列間互相滑移形成的線狀缺陷。假如位錯運動受阻，則塑性變形困難，即變形抗力增大，因而強度提高。在塑性變形過程中，位錯運動的阻力重要來自位錯自身。由于隨著塑性變形的進行，位錯在晶體運動時可以通過各種機制發(fā)生增值，使位錯密度不斷增長，位錯之間的距離越來越小并發(fā)生交叉，使位錯運動的阻力增大，導(dǎo)致塑性變形抗力提高。另一方面，由于變形抗力的提高，位錯運動阻力的增大，位錯更容易在晶體中發(fā)生塞積，反過來使位錯的密度加速增長。這相稱于汽車通過一個十分擁擠，又沒有指揮的十字路口。由于互相爭強汽車新近十分困難。所以在冷加工時，依靠塑性變形時位錯密度提高和變形抗力增大這兩方面的互相促進，不久導(dǎo)致金屬強度和硬度的提高，但也會導(dǎo)致其塑性減少。圖2.6鋼材冷拉時效后應(yīng)力-應(yīng)變圖冷加工強化過程如圖2.6所示。鋼材的應(yīng)力-應(yīng)變曲線為OBCD，若鋼材被拉伸至超過屈服強度的任意一點K時，放松拉力，則鋼材將恢復(fù)至Oˊ點。如此時立即再拉伸，其應(yīng)力—應(yīng)變曲線將為OˊK1C1D1，新的屈服點K1圖2.6鋼材冷拉時效后應(yīng)力-應(yīng)變圖建筑工程中大量使用的鋼筋采用冷加工強化具有明顯的經(jīng)濟效益。通過冷加工的鋼材，可適當減小鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計截面或減少混凝土中配筋的數(shù)量，從而達成節(jié)約鋼材的目的。鋼筋冷拉尚有助于簡化施工工序。冷拉盤條鋼筋可省去開盤和調(diào)直工序；冷拉直條鋼筋可與矯直、除銹等工序一并完畢。但冷拔鋼絲的屈強較大，相應(yīng)的安全儲備較小。2.3.2時效將通過冷拉的鋼筋于常溫下存放15～20d，或加熱到100～200℃并保持一段時間，這個過程稱為時效解決。前者稱為自然時效，后者稱為人工時效。鋼筋冷拉以后再通過時效解決，其屈服點進一步提高，塑性繼續(xù)有所減少。由于時效過程中應(yīng)力的消減，故彈性模量可基本恢復(fù)。如圖2.6所示，經(jīng)冷加工和時效后，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線為OˊK1C1D1，此時屈服強度K1和抗拉強度C1因時效而導(dǎo)致鋼材性能改變的限度稱為時效敏感性。時效敏感性大的鋼材，經(jīng)時效后，其韌性、塑性改變較大。因此，對重要性結(jié)構(gòu)應(yīng)選用時效敏感性小的鋼材。2.3.3熱解決熱解決是將鋼材按一定規(guī)則加熱、保溫和冷卻，以獲得需要性能的一種工藝過程。熱解決的方法有：1.退火將鋼材加熱至基本組織改變溫度以下（低溫退火）或以上（完全退火），適當保溫后緩慢冷卻，以消除內(nèi)應(yīng)力，減少缺陷及晶格畸變，使鋼的塑性和韌性得到改善。2.正火將鋼件加熱至基本組織改變溫度以上，然后在空氣中冷卻，使晶格細化，鋼的強度提高而塑性有所減少。3.淬火將鋼材加熱至基本組織改變溫度以上，保溫使基本組織轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，然后投到水或礦物油中急冷，使晶粒細化，碳的固容量增長，強度和硬度加強，塑性和韌性明顯下降。4.回火將比較硬脆、存在內(nèi)應(yīng)力的鋼，加熱至基本組織改變溫度以下（150～650℃公路工程建筑所用鋼材一般只在生產(chǎn)廠進行熱解決，并以熱解決狀態(tài)供應(yīng)。在施工現(xiàn)場，有時需對焊接鋼材進行熱解決。2.4鋼材的銹蝕與防護2.4.1鋼材的銹蝕鋼材表面與其存在環(huán)境接觸，在一定條件下，可以互相作用使鋼材表面產(chǎn)生腐蝕。鋼材表面與其周邊介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反映而遭到的破壞，稱為鋼材的銹蝕。根據(jù)鋼材與周邊介質(zhì)的不同作用，可將其銹蝕分為下列兩種。1.化學(xué)銹蝕化學(xué)銹蝕是指鋼材直接與周邊介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反映而產(chǎn)生的銹蝕，多數(shù)是由氧化作用在鋼材表面形成疏松的氧化物。在干燥環(huán)境中反映緩慢，但在溫度和濕度較高的環(huán)境條件下，銹蝕則發(fā)展迅速。2.電化學(xué)銹蝕鋼材的表面銹蝕重要因電化學(xué)作用引起，由于鋼材自身組成上的因素和雜質(zhì)的存在，在表面介質(zhì)的作用下，各成分電極電位的不同，形成微電池，鐵元素失去了電子成為Fe2+離子進行介質(zhì)溶液，與溶液中的OH-離子結(jié)合生成Fe（OH）2，使鋼材遭到銹蝕。銹蝕的結(jié)果是在鋼材表面形成疏松的氧化物，使鋼結(jié)構(gòu)斷面減小，減少鋼材的性能，因而承載力減少。2.4.2鋼材的防護1.鋼材的防腐鋼材的腐蝕既有內(nèi)因（材質(zhì)），也有外因（環(huán)境介質(zhì)的作用），因此要防止或減少鋼材的腐蝕可以從改變鋼材自身的易腐蝕性，隔離環(huán)境中的侵蝕性介質(zhì)或改變鋼材表面的電化學(xué)過程三方面入手。（1）采用耐候鋼耐候鋼即耐大氣腐蝕鋼。它是在碳素鋼和低合金鋼中加入合金元素鉻、鎳、鈦、銅，制成的。這種在鋼大氣作用下，能在表面形成一種致密的防腐保護層，起到耐腐蝕的作用同時保持鋼材良好的焊接性能。耐候鋼的輕度級別與碳素鋼和低合金鋼一致，技術(shù)指標也相近，但其耐腐蝕能力確高出數(shù)倍。（2）金屬覆蓋用耐腐蝕性好的金屬，以電鍍或噴鍍的方法覆蓋在鋼材表面，提高鋼材的耐腐蝕能力。常用的方法有：鍍鋅（如白鐵皮）、鍍錫（如馬口鐵），鍍銅，鍍鉻等。（3）非金屬覆蓋在鋼材表面用金屬材料做為保護膜，與環(huán)境介質(zhì)隔離，以避免或減緩腐蝕。如噴涂涂料、搪瓷和塑料等。涂料通常分為底漆、中間漆和面漆。底漆規(guī)定有比較好的附著力和防銹能力，中間漆為防銹漆，面漆規(guī)定有較好的牢度和耐候性以保護底漆不受損傷或風化。（4）混凝土用鋼筋的防銹在正常的混凝土中pH值為12這時，在鋼材表面形成堿性氧化膜，對鋼筋起保護作用。若混凝土碳化后由于堿度減少會失去對鋼筋的保護作用。此外，混凝土中氯離子達成一定濃度，也會嚴重破壞鋼筋表面的鈍化膜。為防止鋼筋銹蝕，應(yīng)保證混凝土的密實度以及鋼筋外側(cè)混凝土保護層的厚度，在二氧化碳濃度高的工業(yè)區(qū)采用硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥，限制含氯鹽外加劑摻量并使用混凝土用鋼筋防銹劑。預(yù)應(yīng)力混凝土應(yīng)嚴禁使用含氯鹽的集料和外加劑。鋼筋涂覆環(huán)氧樹脂或鍍鋅也是一種有效的防銹措施。2.鋼材的防火鋼是不燃性材料，但這并不表白鋼材可以抵抗火災(zāi)。耐火實驗與火災(zāi)案例表白：以失去支持能力為標準，無保護層時鋼柱和鋼屋架的耐火極限只有0.25h，而裸露的鋼梁的耐火極限0.15h。溫度在200℃以內(nèi)，可認為鋼材的性能基本不變；超過300℃以后，彈性模量、屈服點和極限抗壓強度均開始顯著下降，應(yīng)變急劇增大,達成鋼結(jié)構(gòu)防火保護的基本原理是采用絕熱火吸熱材料，阻隔火焰和熱量，推遲鋼結(jié)構(gòu)的升溫速率。防火方法以包覆法為主，即以防火涂料、不燃性板材或混凝土和砂漿將鋼構(gòu)件包裹起來。2.5橋梁建筑用常用鋼材2.5.1橋梁建筑用鋼的技術(shù)規(guī)定用于橋梁建筑的鋼材，根據(jù)工程使用條件和特點，這類鋼應(yīng)當具有以下技術(shù)規(guī)定：1.良好的綜合力學(xué)性能橋梁結(jié)構(gòu)在使用中承受復(fù)雜的交通荷載，同時在無遮蓋的條件下經(jīng)受大氣條件的嚴酷環(huán)境考驗，必須具有良好的綜合機械性能。除具有較高的屈服點和抗拉強度外，還應(yīng)具有良好的塑性、冷彎、沖擊韌性和抵抗振動應(yīng)力的疲勞強度以及低溫的沖擊韌性。2.良好的焊接性由于近代焊接技術(shù)的發(fā)展，橋梁結(jié)構(gòu)趨向于采用焊接結(jié)構(gòu)代替鉚接結(jié)構(gòu)，以加快施工速度和節(jié)約鋼材。橋梁在焊接后不易整體熱解決，因此規(guī)定鋼材具有較好的焊接性，亦即焊接部分應(yīng)強而韌，其強度和韌性應(yīng)不低于或略低于焊件自身，以防止產(chǎn)生硬化脆裂和內(nèi)應(yīng)力過大現(xiàn)象。3.良好的抗蝕性橋梁長期暴露與大氣中，所以規(guī)定橋梁用鋼具有良好的抵抗大氣因素腐蝕的性能。2.5.2鋼結(jié)構(gòu)用鋼1.碳素結(jié)構(gòu)鋼碳素結(jié)構(gòu)鋼指一般結(jié)構(gòu)鋼和工程用熱軋板、管、帶、型、棒材等?，F(xiàn)行國標GB700-88《碳素結(jié)構(gòu)鋼》規(guī)定了碳素鋼的牌號表達方法、技術(shù)標準等。（1）碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號由四部分表達，按順序為：屈服點字母（Q）、屈服點數(shù)值（單位為MPa）、質(zhì)量等級（有A、B、C、D四級，逐級提高）和脫氧方法符合（F為沸騰鋼，b為半鎮(zhèn)鋼，Z為鎮(zhèn)靜鋼，TZ為特殊鎮(zhèn)鋼。牌號表達時Z、TZ可省略）。例如：Q235—A·F：表達屈服點為235MPa，A級沸騰鋼。Q235—B：表達屈服點為235MPa，B級鎮(zhèn)靜鋼。（2）技術(shù)規(guī)定現(xiàn)行國標（GB700-88）對碳素鋼的化學(xué)成分、力學(xué)性質(zhì)及工藝性質(zhì)做出了具體的規(guī)定。其化學(xué)成分及含量應(yīng)符合表2.1的規(guī)定。表2.1碳素鋼的化學(xué)成分牌號等級化學(xué)成分/%脫氧方法CMnSiSP不大于Q195—0.06～0.120.25～0.500.300.0500.045F、b、ZQ215A0.09～0.150.05～0.550.300.0500.045F、b、ZB0.045Q235A0.14～0.220.30～0.650.300.0500.045F、b、ZB0.12～0.200.30～0.700.045C≤0.180.35～0.800.0400.040ZD≤0.170.0350.035TZQ255A0.18～0.280.40～0.700.300.0500.045F、b、ZB0.045Q275—0.28～0.380.50～0.800.350.0500.045b、Z注：Q235A、B級沸騰鋼錳含量上限為0.60%。碳素結(jié)構(gòu)鋼依據(jù)屈服點Q的數(shù)值大小劃分為五個牌號。其力學(xué)性能規(guī)定列如表2.2，冷彎實驗規(guī)定列如表2.3。表2.2碳素結(jié)構(gòu)鋼的位伸與沖擊實驗～～～～～～～～～～～～～表2.3碳素結(jié)構(gòu)鋼的冷彎性能牌號試樣方向冷彎實驗B=2a180°鋼材厚度（直徑）/mm≤60>60～100>100～200彎心直徑dQ195縱橫00.5a——Q215縱橫0.5aa0.5a2a2a2.5aQ235縱橫a1.5a2a2.5a2.2a3aQ255Q275--2a3a3a4a3.5a4.5a注：B為試樣寬度，a為鋼材厚度（直徑）。（3）鋼材選用碳素結(jié)構(gòu)鋼依牌號增大，含碳量增長，其強度增大，但塑性和韌性減少。建筑工程中重要應(yīng)用Q235號鋼，可用于軋制各種型鋼、鋼板、鋼管與鋼筋。Q235號鋼具有較高的強度，良好的塑性、韌性，可焊性及可加工等綜合性能好，且冶煉方便，成本較低，因此廣泛用于一般鋼結(jié)構(gòu)。其中C、D級可用在重要的焊接結(jié)構(gòu)。Q195、Q215號鋼材強度較低，但塑性、韌性較好，易于冷加工，可制作鉚釘、鋼筋等。Q225、Q275號鋼材強度高，但塑性、韌性、可焊性差，可用于鋼筋混凝土配筋及鋼結(jié)構(gòu)中的構(gòu)件及螺栓等。受動荷載作用結(jié)構(gòu)、焊接結(jié)構(gòu)及低溫下工作的結(jié)構(gòu)，不能選用A、B質(zhì)量等級鋼及沸騰鋼。表2.4低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼的化學(xué)成分牌號質(zhì)量等級化學(xué)成分/%C≤MnSiP≤S≤VNbTiAl≤Cr≤Ni≤Q295ABQ345ABCDEQ390ABCDEQ420ABCDEQ460CDE注：表中的Al為全鋁含量。如化驗酸溶鋁時，其含量不應(yīng)小于0.010%。2.低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼低合金高強度鋼是普通低合金結(jié)構(gòu)鋼的簡稱。一般是在普通碳素鋼的基礎(chǔ)上，添加少量的一種或幾種合金元素而成。合金元素有硅、錳、釩、鈦、鈮、鉻、鎳及稀土元素。加入合金元素后，可使其強度、耐腐蝕性、耐磨性、低溫沖擊韌性等性能得到顯著提高和改善。現(xiàn)行國家標準GB1591-94《低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼》規(guī)定了低合金高強度鋼的牌號與技術(shù)性質(zhì)。（1）低合金高強度鋼的牌號低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼共有5個牌號。牌號由三部分表達：含碳量、合金元素的種類及含量。前兩位數(shù)字表達平均含碳量的萬分數(shù)；其后的元素符合表達按主次加入的合金元素；合金元素后面如未附數(shù)字，表達其平均含量在1.5%以下；如附有數(shù)字“2”，表達其平均含量在1.5%～2.5%之間；最后如附有“b”，表達為半鎮(zhèn)靜鋼，否則為鎮(zhèn)靜鋼。例如：16Mn：表達平均含碳量為0.16%，平均含碳量低于1.5%的鎮(zhèn)靜鋼。（2）技術(shù)規(guī)定按現(xiàn)行國標（GB1591-94）規(guī)定，低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼的化學(xué)成分與力學(xué)性質(zhì)如表2.4和表2.5。表2.5低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼的力學(xué)、工藝性質(zhì)屈服點σs/MPa厚度（直徑，邊長）/mm（3）鋼材選用低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼具有輕質(zhì)高強，耐蝕性、耐低溫性好，抗沖擊性強，使用壽命長等良好的綜合性能；具有良好的可焊性及冷加工性，易于加工與施工，因此，低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼可以用作高層及大跨度建筑（如大跨度橋梁、大型廳館、電視塔等）的主體結(jié)構(gòu)材料。與普通碳素鋼相比可節(jié)約鋼材，具有顯著的經(jīng)濟效益。當?shù)秃辖痄撝械你t含量達11.5%時，鉻就在合金金屬的表面形成一層惰性的氧化鉻膜，成為不銹鋼。不銹鋼具有低的導(dǎo)熱性，良好的耐蝕性能等優(yōu)點；缺陷是溫度變化時膨脹性較大。不銹鋼既可以作為承重構(gòu)件，又可以作為建筑裝飾材料。3.型鋼、鋼板、鋼管碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金鋼還可以加工成各種型鋼、鋼板、鋼管等構(gòu)件直接供工程選用，構(gòu)件之間可采用鉚接、螺栓聯(lián)接、焊接等方式進行聯(lián)接。（1）型鋼型鋼有熱軋和冷軋兩種成型方式。熱軋型鋼重要有角鋼、工字鋼、槽鋼、T型鋼、H型鋼、Z型鋼等。以碳素結(jié)構(gòu)鋼為原料熱軋加工的型鋼，可用于大跨度、承受動荷載的鋼結(jié)構(gòu)。冷軋型鋼重要有角鋼、槽鋼等開口薄壁型鋼及方形、矩形等空心薄壁型鋼。重要用于輕型鋼結(jié)構(gòu)。（2）鋼板鋼板亦有熱軋和冷軋兩種型式。熱軋鋼板有厚板（厚度大于4mm）和薄板（厚度小于4mm）兩種，冷軋鋼板只有薄板（厚度為0.2～4mm）一種。一般厚板用于焊接結(jié)構(gòu)；薄板可用作屋面及墻體圍護結(jié)構(gòu)等，亦可進一步加工成各種具有特殊用途的鋼板使用。（3）鋼管鋼管分為無縫鋼管與焊接鋼管兩大類。焊接鋼管采用優(yōu)質(zhì)帶材焊接面成，表面鍍鋅或不鍍鋅。按其焊縫形式分為直紋焊管和螺紋焊管。焊管成本低，易加工，但一般抗壓性能較差。無縫鋼管多采用熱軋—冷拔聯(lián)合工藝生產(chǎn)，也可采用冷軋方式生產(chǎn)，但成本昂貴。熱軋無縫鋼管具有良好的力學(xué)性能與工藝性能。無縫鋼管重要用于壓力管道，在特定的鋼結(jié)構(gòu)中，往往也設(shè)計使用無縫鋼管。2.5.3混凝土結(jié)構(gòu)用鋼材1.熱軋鋼筋（1）牌號現(xiàn)行國標GB13013-91《鋼筋混凝土用熱軋光圓鋼筋》和GB1499-98《鋼筋混凝土用熱軋帶肋鋼筋》規(guī)定，熱軋鋼筋分為R235、HRB335、HRB400、HRB500四個牌號。牌號中R代表熱軋光圓鋼筋、HRB代表熱軋帶肋鋼筋，牌號中的數(shù)字表達熱軋鋼筋的屈服強度。其中熱軋光圓鋼筋由碳素結(jié)構(gòu)鋼軋制而成，表面光圓；熱軋帶肋鋼筋由低合金鋼軋制而成，外表帶肋。按照現(xiàn)行國標（GB13013-91）和（GB1499-98）規(guī)定，對熱軋光圓鋼筋和熱軋帶肋鋼筋的力學(xué)性能和工藝性能的規(guī)定如表2.6。表2.6熱軋鋼筋的力學(xué)性能、工藝性能表面形狀牌號公稱直徑/mm屈服點σs/MPa抗拉強度σb/MPa伸長率δ5／%冷彎d—彎芯直徑a—鋼筋公稱直徑不小于光圓R2358～2023537025180°d=a帶肋HRB3356～2528～5033549016180°d=3ad=4aHRB4006～2528～5040057014180°d=4ad=5aHRB5006～2528～5050063012180°d=6ad=7a注：①按GB13013-91規(guī)定，熱軋直條光圓鋼筋級別為I級；②按GB1499-98規(guī)定，熱軋帶肋鋼筋的屈服點一項，也可以用σp0.2表達。（3）鋼材選用光圓鋼筋的強度較低，但塑性及焊接性好，便于冷加工，廣泛用做普通鋼筋混凝土；HRB325，HRB400帶肋鋼筋的強度較高，塑性及焊接性也較好，廣泛用做大、中型鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的受力鋼筋；HRB500帶肋鋼筋強度高，但塑性與焊接性較差，適宜作預(yù)應(yīng)力鋼筋。2.冷拉熱軋鋼筋為了提高強度以節(jié)約鋼筋，工程中常按施工規(guī)程對熱軋鋼筋進行冷拉。冷拉后鋼筋的力學(xué)性能應(yīng)符合表2.7，GB50204-92《冷拉熱軋鋼筋》的規(guī)定。表2.7冷拉熱軋鋼筋的性能鋼筋級別直徑/mmσs/MPaσb/MPaδ/%冷彎不小于彎曲角d—彎芯直徑a—鋼筋直徑冷拉Ⅰ級6～1228037011180°d=3a冷拉Ⅱ級8～254505101090°d=3a28～4043049010d=4a冷拉Ⅲ級8～40500570890°d=5a冷拉Ⅳ級10～28700835690°d=5a注：鋼筋直徑>25mm的冷拉Ⅲ、Ⅳ級鋼筋，冷彎彎芯直徑應(yīng)增長1a。冷拉I級鋼筋合用作非預(yù)應(yīng)力受拉鋼筋，冷拉Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級鋼筋強度較高，可用作預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力筋。由于冷拉鋼筋的塑性、韌性較差，易發(fā)生脆斷，因此，冷拉鋼筋不宜用于負溫度、受沖擊或反復(fù)荷載作用的結(jié)構(gòu)。3.冷軋帶肋鋼筋冷軋帶肋鋼筋是用低碳鋼熱軋圓盤條經(jīng)冷軋或冷拔減徑后，在其表面冷軋成三面有肋的鋼筋?，F(xiàn)行國標GB13788-2023《冷軋帶肋鋼筋》規(guī)定，冷軋帶肋鋼筋代號為CR，按抗拉強度分為三級：CRB550、CRB650、CRB800、CRB970、CRB1170，其中數(shù)值表達鋼筋應(yīng)達成的最小抗拉強度值。冷軋帶肋鋼筋的力學(xué)、工藝性質(zhì)列如表2.8。表2.8冷軋帶肋鋼筋的性質(zhì)級別代號抗拉強度σb/MPa不小于伸長率/%不小于冷彎180D—彎心直徑d—鋼筋公稱直徑應(yīng)力松馳Qcon=0.7σb1000h不大于/%10h不大于/%δ10δ100CRB5505508.0—D=3d——CRB650650－4.0－85CRB800800—4.0－85CRB970970－4.0－85CRB11701170－4.085冷軋帶肋鋼筋提高了鋼筋的握裹力，可廣泛用于中、小預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件和普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件，也可用于焊接鋼筋網(wǎng)。4.冷軋扭鋼筋冷軋扭鋼筋由低碳鋼熱軋圓盤條經(jīng)專用鋼筋冷軋扭機調(diào)直、冷軋并冷扭一次成型，具有規(guī)定截面形狀和節(jié)距的連續(xù)螺旋狀鋼筋。按其截面形狀不同分為I型（矩形截面）和Ⅱ型（菱形截面）兩種類型。代號為LZN。冷軋扭鋼筋可合用于鋼筋混凝土構(gòu)件，其力學(xué)和工藝性質(zhì)應(yīng)符合表2.9JG3046-98《冷軋扭鋼筋》的規(guī)定。表2.9冷軋扭鋼筋的性能抗拉強度σb/MPa伸長率δ10/%冷彎180（彎心直徑=3d）≥580≥4.5受彎曲部位表面不得產(chǎn)生裂紋注：d為冷軋扭鋼筋標志直徑；δ10以標距為10倍標志直徑的試樣拉斷伸長率。冷軋扭鋼筋與混凝土的握裹力與其螺距大小有直接關(guān)系。螺距越小，握裹力越大，但加工難度也越大，因此應(yīng)選擇適宜的螺距。冷軋扭鋼筋在拉伸時無明顯屈服臺階，為安全起見，其抗拉設(shè)計強度采用0.8σb。5.熱解決鋼筋熱解決鋼筋是用熱軋螺紋鋼筋經(jīng)淬火和回火的調(diào)質(zhì)解決而成的。代號為RB150。按螺紋外形可分為有縱肋和無縱肋兩種。根據(jù)GB4463-92《預(yù)應(yīng)力混凝土用熱解決鋼筋》的規(guī)定，熱解決鋼筋有40SiMn、48Si2Mn和45Si2Cr等三個牌號，其性能規(guī)定列如表2.10。表2.10預(yù)應(yīng)力混凝土熱解決鋼筋的性能公稱直徑/mm牌號屈服強度σ0.2/MPa抗拉強度σb/MPa伸長率δ10/%不小于640Si2Mn1325(135)1470(150)68.248Si2Mn1045Si2Cr熱解決鋼筋目前重要用于預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕，用以代替高強度鋼絲，配筋根數(shù)減少，制作方便，錨固性能好，建立預(yù)應(yīng)力穩(wěn)定。也用于預(yù)應(yīng)力混凝土板、梁和吊車梁，使用效果良好。熱解決鋼筋系成盤供應(yīng)（每盤長約20mm），開盤后能自然伸直，不需調(diào)直、焊接，故施工簡樸，并可節(jié)約鋼材。6.預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絲和鋼絞線預(yù)應(yīng)力鋼絲按交貨狀態(tài)分為冷拉鋼絲及消除應(yīng)力鋼絲兩種，按外形分為光面鋼絲、刻痕鋼絲、螺旋鋼絲三種。按松馳能力分為I級松馳和Ⅱ級松馳兩級。代號為RCD（冷拉鋼絲）、S（消除應(yīng)力鋼絲）、SI（消除應(yīng)力刻痕鋼絲）、SH（消除應(yīng)力螺旋肋鋼絲）。按現(xiàn)行國標GB/T5223-2023《預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絲》規(guī)定，部分鋼絲的力學(xué)性能規(guī)定如表2.11、表2.12。表2.11消除應(yīng)力鋼絲的力學(xué)性能公稱直徑/mm抗拉強度