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一、建筑钢材

钢材具有品质稳定、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。常用的钢材品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。

(一)常用的建筑钢材

建筑钢材可分为钢筋混凝土用钢、钢结构用钢和建筑装饰用钢材制品等。

1.钢筋混凝土结构用钢

(1)热轧钢筋。根据现行国家标准《钢筋混凝土用钢第1部分：热乳光圆钢筋》GB1499.1和《钢筋混凝土用钢第2部分：热轧带肋钢筋》GB1499.2的相关规定，热轧光圆钢筋为HPB300—种牌号，普通热轧钢筋分HRB335、HRB400、HRB500三种牌号，细晶粒热乳钢筋分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。

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HPB300、HRB335和HRB400钢筋，而预应力钢筋混凝土则宜选用HRB500、HRB400和HRB335钢筋。

(2)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，即制成了冷拉热乳钢筋。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、軔性降低。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、軔性继续降低，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)冷乳带肋钢筋。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》GB13788—2008的规定，冷乳带肋钢筋分为CRB550、CRB650、CRB800、CRB970四个牌号。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?8.0mm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?5mm。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。现行国家标准《钢结构工程施工质量验收规范》GB50205—2012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。

(3)热处理钢筋。热处理钢筋是钢厂将热轧的带肋钢筋(中磷低合金钢)经淬火和高温回火调质处理而成的，即以热处理状态交货，成盘供应，每盘长约200m。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。

(4)预应力混凝土用钢丝。预应力混凝土用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》GB/T5223—2014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;刻痕钢丝是经压痕乳制而成，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。

(5)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《预应力混凝土用钢绞线》GB/T5224—2014，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。

2.钢结构用钢

钢结构用钢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及低合金高强度结构钢。

钢结构常用的热轧型钢有：工字钢、H形钢、T形钢、槽钢、等边角钢、不等边角钢等。型钢是钢结构中采用的主要钢材。

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。钢板规格表示方法为“宽度X厚度X长度”(单位为mm)。钢板分厚板(厚度大于4mm)和薄板(厚度小于或等于4mm)两种。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，单块钢板一般较少使用，而是用几块板组合成工字形、箱形等结构形式来承受荷载。

3.钢管混凝土结构用钢

钢管混凝土结构即在薄壁钢管内填充普通混凝土，将两种不同性质的材料组合而形成的复合结构。近年来，随着理论研究的深入和新施工工艺的产生，钢管混凝土结构工程应用日益广泛。钢管混凝土结构按照截面形式的不同，可分为矩形钢管混凝土结构、圆钢管混凝土结构和多边形钢管混凝土结构等，其中矩形钢管混凝土结构和圆钢管混凝土结构应用较广。从已建成的众多建筑来看，目前钢管混凝土的使用范围还主要限于柱、桥墩、拱架等。

(二)钢材的性能

钢材的主要性能包括力学性能和工艺性能。其中力学性能是钢材最重要的使用性能，包括抗拉性能、冲击性能、硬度、疲劳性能等。工艺性能表示钢材在各种加工过程中的行为，包括弯曲性能和焊接性能等。

1.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、抗拉强度和伸长率。低碳钢(软钢)受拉的应力-应变图能够较好地解释这些重要的技术指标，见图3.1.1。

冲击性能指钢材抵抗冲击载荷的能力。其指标是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)Akv(J)。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。Akv值随试验温度的下降而减小，当温度降低达到某一范围时，AkV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軔性越好。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)越大的钢材，经过时效以后，其冲击韧性和塑性的降低越显著，对于承受动荷载的结构物应选用时效敏感性较小的钢材。

3.硬度

钢材的硬度是指表面层局部体积抵抗较硬物体压入产生塑性变形的能力，表征值常用布氏硬度值HB表示。测试钢材硬度的方法常采用布氏法，在布氏硬度机上用一定直径的硬质钢球，以一定荷载将其压入试件表面，持续至规定的时间后卸去荷载，使其形成压痕，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。

4.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，它是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。

5.冷弯性能

冷弯性能是指钢材在t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(90°、180°)及弯心直径d对试件厚度(或直径)a的度比值d/a)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。

6.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。

(三)钢材化学成分

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，降低抗大气腐蚀的能力。

(2)硅。硅在钢中是有益元素，是我国钢筋用钢的主要合金元素，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1.0%?1.2%时，塑性和钿性明显下降，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要合金元素，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，塑性和軔性有所降低，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，降低冲击軔性、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，塑性和初性显著下降，特别是温度越低，对軔性和塑性的影响越大。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人钢水，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，故可改善初性。钛能减少时效倾向，改善焊接性能。

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（责任编辑：zyc）

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