发布时间： 2016年08月05日
第三章 工程材料
工程材料品种繁多，性能各异，价格相差悬殊，而且用量巨大，因此，正确选择和合理使用工程材料，对建设工程的安全、适用、美观、耐久及经济都有着重要的意义。
第一节 建筑钢材
钢材按照化学成分可分为非合金钢、低合金钢和合金钢，具有品质稳定、强度高、塑性和韧性好、可焊接和铆接、能承受冲击和振动荷载等优异性能，是土木工程中使用量最大的材料品种之一。土木工程中常用的钢材可分为钢结构用钢和钢筋混凝土结构用钢两类，常用钢种有普通碳素结构钢、优质碳素结构钢和低合金高强结构钢。
普通碳素结构钢在各类钢中产量最大，用途最为广泛，多轧制成型材、异型型钢和钢板等，可供焊接、铆接和螺栓连接。低合金高强结构钢主要用于轧制各种型钢(角钢、槽钢、工字钢等)、钢板、钢管及钢筋，广泛用于钢结构和钢筋混凝土结构中，尤其是大跨度、承受动荷载和冲击荷载的结构中更为适用。优质碳素结构钢按照锰含量不同可分为普通含锰钢和较高含锰钢两组，，共有31个牌号，其中30.35.40和45号钢主要用于重要结构的钢铸件及高强螺栓等，.45号钢还可用作预应力混凝土锚具，65、70、75、80号钢主要用于预应力混凝土碳素钢丝、刻痕钢丝和钢绞线。
一、 筋
(一)热轧钢筋
根据现行国家标准《钢筋混凝土用钢 第1部分：热轧光圆钢筋》GB 1499.1和《钢筋混凝土用钢 第2部分：热轧带肋钢筋》GB 1499.2的相关规定，热轧光圆钢筋分 HPB235.HPB300两种牌号，普通热轧钢筋分HRB335、HRB400.HRB500三种牌号，细晶粒热轧钢筋分HRBF335、HRBF400、HRBF500三种牌号。热轧钢筋的技术要求见表3.1.1，表中所列的强度值和伸长率均为要求的最小值。
表3.1.1 热轧钢筋的技术要求
由表3.1.1可知，随钢筋级别的提高，其屈服强度和极限强度逐渐增加，而其塑性则
逐渐下降。
综合钢筋的强度、塑性、工艺性和经济性等因素，非预应力钢筋混凝土可选用 HPB235、HRB335和HRB400钢筋，而预应力钢筋混凝土则宜选用HRB500.HRB400和HRB335钢筋。
(二)冷加工钢筋
冷加工钢筋是在常温下对热轧钢筋进行机械加工(冷拉、冷拔、冷轧、冷扭、冲压
等)而成。常见的品种有冷拉热轧钢筋、冷轧带肋钢筋和冷拔低碳钢丝。
1.冷拉热轧钢筋
在常温下将热轧钢筋拉伸至超过屈服点小于抗拉强度的某一应力，然后卸荷，即制成了冷拉热轧钢筋。如卸荷后立即重新拉伸，卸荷点成为新的屈服点，因此冷拉可使屈服点提高，材料变脆，屈服阶段缩短，塑性、韧性降低。若卸荷后不立即重新拉伸，而是保持一定时间后重新拉伸，钢筋的屈服强度、抗拉强度进一步提高，而塑性、韧性降低继续降低，这种现象称为冷拉时效。实践中，可将冷拉、除锈、调直、切断合并为一道工序，这样可简化流程，提高效率。
2.冷轧带肋钢筋
用低碳钢热轧盘圆条直接冷轧或经冷拔后再冷轧，形成三面或两面横肋的钢筋。根据现行国家标准《冷轧带肋钢筋》GB 13788的规定，冷轧带肋钢筋分为CRB550、CRB650、 CRB800.CRB970四个牌号o CRB550用于非预应力钢筋混凝土，其他牌号用于预应力混凝土。冷轧带肋钢筋克服了冷拉、冷拔钢筋握裹力低的缺点，具有强度高、握裹力强、节约钢材、质量稳定等优点，CRB650级、CRB800级和CRB970级钢筋宜用作中、小型预应力钢筋混凝土结构构件中的受力主筋，CRB550级钢筋宜用作普通钢筋混凝土结构构件中的受力主筋、架立筋、箍筋和构造箍筋。
3.冷拔低碳钢丝
将直径6.5～8mm的Q235或Q215盘圆条通过小直径的拔丝孔逐步拉拔而成，直径3～5mmo由于经多次拔制，其屈服强度可提高40%～60%，同时失去了低碳钢的良好塑性，变得硬脆。根据现行国家标准《钢结构工程施工质量验收规范》GB 50205规定，冷拔低碳钢丝分为两级，甲级用于预应力混凝土结构构件中，乙级用于非预应力混凝土结构构件中。
(三)热处理钢筋
热处理钢筋是钢厂将热轧的带肋钢筋(中碳低合金钢)经淬火和高温回火调质处理而成的，且口以热处理状态交货，成盘供应，每盘长约200mo热处理钢筋强度高，用材省，锚固性好，预应力稳定，主要用作预应力钢筋混凝土轨枕，也可以用于预应力混凝土板、吊车梁等构件。
(四)预应力混凝土用钢丝
预应力混凝土钢丝是用优质碳素结构钢经冷加工及时效处理或热处理等工艺过程制得，具有很高的强度，安全可靠，且便于施工。根据现行国家标准《预应力混凝土用钢丝》GB7T 5223的规定，预应力混凝土用钢丝按照加工状态分为冷拉钢丝和消除应力钢丝两类，消除应力钢丝的塑性比冷拉钢丝好。消除应力钢丝按松弛性能又分为低松弛钢丝(WLR)和普通松弛钢丝(WNR)两种;按外形分为光面钢丝(P)、螺旋类钢丝(H)和刻痕钢丝三种。消除应力后钢丝的塑性比冷拉钢丝高;刻痕钢丝是经压痕轧制而成，刻痕后与混凝土握裹力大，可减少混凝土裂缝。
预应力混凝土用钢丝强度高，柔性好，适用于大跨度屋架、薄腹梁、吊车梁等大型构件的预应力结构。
(五)预应力混凝土钢绞线
钢绞线是将碳素钢丝若干根，经绞捻及消除内应力的热处理后制成。根据现行国家标准《预应力混凝土用钢绞线》GB7T 5224，钢绞线按其所用钢丝种类和根数不同分为五种类型。预应力混凝土用钢绞线强度高、柔性好，与混凝土黏结性能好，多用于大型屋架、薄腹梁、大跨度桥梁等大负荷的预应力混凝土结构。
二、钢结构用钢
结构用钢常用的有热轧型钢、冷弯薄壁型钢、热(冷)扎钢板和钢管等。 (一)热轧型钢
常用的热轧型钢有工字钢、槽钢、角钢、L型钢、H型钢及T型钢等，根据现行国家标准《热轧型钢》GB/T 706对热轧工字钢、热轧槽钢、热轧等边角钢、热轧不等边角钢、L型钢的尺寸、外形、重量及允许偏差以及技术要求等做了相应的规定。《热轧H型钢和部分T型钢》GB7T 11263对H型钢和T型钢的尺寸、外形、重量及允许偏差以及技术要求等作了相应的规定。处于低温环境的结构，应选择韧性好、脆性临界温度低、疲劳极限较高的钢材。
(二)冷弯薄壁型钢
冷弯薄壁型钢通常采用2 - 6mm厚度的薄钢板经冷弯和模压而成，有空心薄壁型钢和开口薄壁型钢。冷弯薄壁型钢由于壁薄，刚度好，能高效地发挥材料的作用，在同样的负荷下，可减轻构件质量、节约材料，通常用于轻型钢结构，其构件和连接应符合《冷弯薄壁型钢结构技术规范》GB 50018的规定。
(三)钢板材
钢板材包括钢板、花纹钢板、建筑用压型钢板和彩色涂层钢板等。
(1)钢板和钢带。钢板和钢带是矩形平板状的钢材，可直接轧制而成或由宽钢带剪切而成，按轧制方式可分为热轧钢板(带)和冷轧钢板(带)o在钢结构中，单块钢板一般
较少使用，而是用多块钢板组合成工字钢、箱形等结构来承受荷载。钢带可用作装配各种 类型的石膏板、钙塑板、吸声板等，用作墙体和吊顶的龙骨支架。
(2)花纹钢板。花纹钢板是表面扎有防滑花纹的钢板，其表面通常有菱形、扁豆形和 圆豆形花纹。花纹钢板主要用于平台、过道及楼梯等的铺板。
(3)压型钢板。压型钢板是涂层板或镀层板经辊压冷弯，沿板宽方向形成波形截面的 成形钢板，其截面呈梯形、V形、U形或类似的波形。建筑用压型钢板是用于建筑物围 护结构(屋面、墙面)及组合楼盖并独立使用的压型钢板。 《建筑用压型钢板》GB/T 12755给出了有关建筑用压型钢板的技术性质。压型钢板曲折的板形大大增加了钢板在其 平面外的惯性矩、刚度和抗弯能力，具有重量轻、强度刚度大、施工简便和美观等优点。 在建筑上，压型钢板主要用作屋面板、墙板、楼板和装饰板等。
(4)彩色涂层钢板。彩色涂层钢板是在经过表面预处理的基板上连续涂覆有机涂料 (正面至少两层)，然后进行烘烤固化而成的产品。彩色涂层钢板按用途可分为建筑外用、 建筑内用和家用电器等;按表面状态分为涂层板、压花板和印花版。《彩色涂层钢板及钢 带》GB/T 12754给出了有关彩色涂层钢板的技术性质。彩色涂层钢板主要用于建筑物的 围护和装饰。
(四)钢管和棒材
(1)钢管。钢管有轧制无缝钢管及冷弯成型的高频焊接钢管。与其他截面形状相比， 在截面面积相同的情况下，钢管的刚度较大，是轴心受压杆的理想截面形式。由于表面的 流线型使其承受的风压较小，因此十分适用于高耸结构。钢管大多用于制作桁架、塔桅等 构件，也可用于网架、网壳结构和制作钢管混凝土。
(2)棒材。棒材指的是横截面形状为圆形、方形、六角形、八角形或其他异形的直条 钢材。热轧六角钢和八角钢常用作钢结构螺栓的坯材，热轧扁钢一般用作屋架构件、扶. 梯、桥梁和栅栏等，圆钢可用于轻型钢结构的一般杆件和连接件。
三、钢材的性能 (一)抗拉性能 抗拉性能是钢材的最主要性能，表征其性能的技术指标主要是屈服强度、抗拉强度
(全称抗拉极限强度)和伸长率。低碳钢(软钢)受拉的应力一应变图能够较好地解释这 些重要的技术指标，见图3.1.1。
(1)屈服强度。在弹性阶段OA段，如卸去拉力，试件能恢复原状，此阶段的变形为 弹性变形，应力与应变成正比，其比值即为钢材的弹性模量。与A点对应的应力称为弹 性极限万p o当对试件的拉伸进入塑性变形的屈服阶段AB时，应力的增长滞后于应变的增 加，屈服下限B下所对应的应力称为屈服强度，.记做CJs o设计时一般以万s作为强度取值的 依据。对屈服现象不明显的钢，规定以0.2%残余变形时的应力吼.2作为屈服强度。
(2)抗拉强度。从BC曲线逐步上升可以看出：试件在屈服阶段以后，其抵抗塑性变 形的能力又重新提高，称为强化阶段。对应于最高点C的应力称为抗拉强度，用.吼表示。 设计中抗拉强度虽然不能利用，但屈强比仃s/吼能反映钢材的利用率和结构安全可靠程 度。屈强比愈小，反映钢材受力超过屈服点工作时的可靠性愈大，因而结构的安全性愈 高。但屈服强比太小，则反映钢材不能有效地被利用。
(3)伸长率。当曲线到达C点后，试件薄弱处急剧缩小，塑性变形迅速增加，产生 “颈缩’’现象而断裂。
伸长率表征了钢材的塑性变形能力。伸长率的大小与标距长度有关。塑性变形在标距 内的分布是不均匀的，颈缩处的伸长较大，离颈缩部位越远变形越小。因此原标距与试件 的直径之比愈大，颈缩处伸长值在整个伸长值中的比重愈小，计算伸长率愈小。通常以 
和 
分别表示 
=5 
和 
=10 
( 
为试件直径)时的伸长率。对同一种钢材， 
应 大于 
。
二)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，是钢材的重要工艺性能。冷弯性能 指标是通过试件被弯曲的角度( 
、 
)及弯心直径d对试件厚度(或直径)以的比值 (酬口)区分的。试件按规定的弯曲角和弯心直径进行试验，试件弯曲处的外表面无裂断、 裂缝或起层，即认为冷弯性能合格。冷弯时的弯曲角度越大、弯心直径越小，则表示其冷 弯性能越好。
冷弯试验能揭示钢材是否存在内部组织不均匀、内应力、夹杂物未熔合和微裂缝等缺 陷，而这些缺陷在拉力试验中常因塑造性变形导致应力重分布而得不到反映，因此冷弯试 验是一种比较严格的试验，对钢材的焊接质量也是一种严格的检验，能揭示焊件在受弯表 面存在的未熔合、裂纹和夹杂物等问题。
(三)冲击韧性
冲击韧性指钢材抵抗冲击载荷的能力，其指标通过标准试件的弯曲冲击韧性试验确 定。按规定，将带有V形缺口的试件进行冲击试验。试件在冲击荷载作用下折断时所吸 收的功，称为冲击吸收功(或V形冲击功) 
(J)o钢材的化学成分、组织状态、内在 缺陷及环境温度等都是影响冲击韧性的重要因素oAKV值随试验温度的下降而减小，当温 度降低达到某一范围时， 
急剧下降而呈脆性断裂，这种现象称为冷脆性。发生冷脆时 的温度称为脆性临界温度，其数值越低，说明钢材的低温冲击韧性越好。因此，对直接承 受动荷载而且可能在负温下工作的重要结构，必须进行冲击韧性检验，并选用脆性临界温 度较使用温度低的钢材。另外，时效敏感性(因时效导致性能改变的程度)愈大的钢材， 经过时效以后，其冲击韧性和塑性的降低愈显著，对于承受动荷载的结构物应选用时效敏 感性较小的钢材。
(四)硬度
钢材的硬度是指表面层局部体积抵抗较硬物体压人产生塑性变形的能力，表征值常 用布氏硬度值HB表示。测试钢材硬度常采用布氏法，在布氏硬度机上用一定直径的硬 质钢球，以一定荷载将其压人试件表面，持续至规定的时间后卸去荷载，使形成压痕， 将荷载除以压痕面积，所得的应力值为该钢材的布氏硬度值，数值越大，表示钢材 越硬。
(五)耐疲劳性
在交变荷载反复作用下，钢材往往在应力远小于抗拉强度时发生断裂，这种现象称为 钢材的疲劳破坏。疲劳破坏的危险应力用疲劳极限来表示，指钢材在交变荷载作用下于规 定的周期基数内不发生断裂所能承受的最大应力。试验表明，钢材承受的交变应力越大， 则断裂时的交变循环次数越少，相反，交变应力越小，则断裂时的交变循环次数越多;当 交变应力低于某一值时，交变循环次数达无限次也不会产生疲劳破坏。
(六)焊接性能
钢材的可焊性是指焊接后在焊缝处的性质与母材性质的一致程度。影响钢材可焊性的 主要因素是化学成分及含量。含碳量超过0.3%时，可焊性显著下降;特别是硫含量较多 时，会使焊缝处产生裂纹并硬脆，严重降低焊接质量。正确地选用焊接材料和焊接工艺是 提高焊接质量的主要措施。
四、钢材的化学成分对性能的影响
钢材主要化学成分是铁和碳元素，此外，还有少量的硅、锰、硫、磷等，在不同情况 下往往还需考虑氧、氮及各种合金元素。
1.碳
碳是决定钢材性质的重要元素。土木建筑工程用钢材含碳量不大于0.8%，在此范围 内，随着钢中碳含量的增加，强度和硬度增加，而塑性、韧性和冷弯性能相应降低。碳还 可显著降低钢材的可焊性，增加钢的冷脆性和时效敏感性，降低抗大气腐蚀台邑力。
2.硅
硅在钢中是有益元素，是我国钢筋用钢的主加合金元素，炼钢时起脱氧作用。当硅在 钢中的含量较低(小于1%)时，随着含量的加大可提高钢材的强度、疲劳极限、耐腐蚀 性和抗氧化性，而对塑性和韧性影响不明显。当含量提高到1.O%～1.2%时，塑性和韧 性明显下降，焊接性能变差，并增加钢材的冷脆性。
3.锰
锰是我国低合金钢的主加合金元素，炼钢时能起脱氧去硫作用，使强度和硬度提高， 还能消减硫和氧引起的热脆性，使钢材的热加工性能改善。锰含量一般在1.0%～2.0% 范围内，当含量小于1.0%时，对钢的塑性和韧性影响不大;含量大于1.0%时，在提高 强度的同时，塑性和韧性有所降低，焊接性能变差，耐腐蚀性降低。
4.硫
硫是很有害的元素，呈非金属硫化物夹杂物存于钢中，具有强烈的偏析作用，降低冲 击韧性、耐疲劳性和抗腐蚀性等性能。硫化物造成的低熔点使钢在焊接时易于产生热裂 纹，加大钢材的热脆性，显著降低焊接性能。
5.磷
磷是有害元素，含量提高，钢材的强度提高，塑性和韧性显著下降，特别是温度愈低，对韧性和塑性的影响愈大。磷在钢中偏析作用强烈，使钢材冷脆性增大，并显著降低钢材的可焊性。但磷可提高钢的耐磨性和耐腐蚀性，在低合金钢中可配合其他元素作为合金元素使用。
6.氮
氮对钢材性质的影响与碳、磷相似，可使钢材的强度提高，但塑性特别是韧性明显下降。氮还会加剧钢的时效敏感性和冷脆性，使其焊接性能变差。
7.氧
氧是冶炼氧化过程中进入钢水，经脱氧处理后残留下来的，是钢中的有害杂质。氧含量增加使钢的力学性能降低，塑性和韧性降低。氧有促进时效倾向的作用，还能使热脆性增加，焊接性能较差。
8.钛
钛是强脱氧剂，可显著提高钢的强度，但稍降低塑性。由于钛能细化晶粒，故可改善韧性。钛能减少时效倾向，改善焊接性能。
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