2020造價(jià)工程師《土建工程》教材精講：第三章第一節(jié)

第三章　工程材料

第一節(jié)　建筑結(jié)構(gòu)材料

　　一、建筑鋼材

　　(一)常用的建筑鋼材

　　1.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)用鋼

　　(1)熱軋鋼筋

　　熱軋鋼筋是建筑工程中用量最大的鋼材之一，主要用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。熱軋鋼筋的技術(shù)要求應(yīng)符合《鋼筋混凝土用鋼 第 1 部分：熱軋光圓鋼筋》GB1499.1 和《鋼筋混凝土用鋼第 2 部分：熱軋帶肋鋼筋》GB1499.2 的相關(guān)規(guī)定。

　　(2)冷加工鋼筋

　　在常溫下對(duì)熱軋鋼筋進(jìn)行機(jī)械加工(冷拉、冷拔、冷軋、冷扭、沖壓等)而成。常見的品種有冷拉熱軋鋼筋、冷軋帶肋鋼筋和冷拔低碳鋼絲。

　　1)冷拉熱軋鋼筋。在常溫下將熱軋鋼筋拉伸至超過屈服點(diǎn)小于抗拉強(qiáng)度的某一應(yīng)力，然后卸荷，即制成了冷拉熱軋鋼筋。如卸荷后立即重新拉伸，卸荷點(diǎn)成為新的屈服點(diǎn)，因此冷拉可使屈服點(diǎn)提高，材料變脆、屈服階段縮短，塑性、韌性降低。若卸荷后不立即重新拉伸，而是保持一定時(shí)間后重新拉伸，鋼筋的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度進(jìn)一步提高，而塑性、韌性繼續(xù)降低，這種現(xiàn)象稱為冷拉時(shí)效。

　　2)冷軋帶肋鋼筋。

　　用低碳鋼熱軋盤圓條直接冷軋或經(jīng)冷拔后再冷軋，形成三面或兩面橫肋的鋼筋。根據(jù)《冷軋帶肋鋼筋》GB 13788 規(guī)定，冷軋帶肋鋼筋分為 CRB550、CRB650、CRB800、CRB600H、CRB680H、CRB800H 六個(gè)牌號(hào)。CRB550、CRB600H 為普通鋼筋混凝土用鋼筋，CRB650、CRB800、CRB800H 為預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼筋，CRB680H 既可作為普通鋼筋混凝土用鋼筋，也可作為預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼筋使用。冷軋帶肋鋼筋克服了冷拉、冷拔鋼筋握裹力低的缺點(diǎn)，具有強(qiáng)度高、握裹力強(qiáng)、節(jié)約鋼材、質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，但塑性降低，強(qiáng)屈比變小。

　　3)冷拔低碳鋼絲。

　　低碳鋼熱軋圓盤條或熱軋光圓鋼筋經(jīng)一次或多次冷拔制成的光圓鋼絲，在使用中應(yīng)符合《冷拔低碳鋼絲應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》JGJ 19 規(guī)定。冷拔低碳鋼絲宜作為構(gòu)造鋼筋使用，作為結(jié)構(gòu)構(gòu)件中縱向受力鋼筋使用時(shí)應(yīng)采用鋼絲焊接網(wǎng)。冷拔低碳鋼絲不得作預(yù)應(yīng)力鋼筋使用。作為箍筋使用時(shí)，冷拔低碳鋼絲的直徑不宜小于 5mm，間距不應(yīng)大于 200mm，構(gòu)造應(yīng)符合國家現(xiàn)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的有關(guān)規(guī)定。冷拔低碳鋼絲只有CDW550 一個(gè)牌號(hào)。CDW550 級(jí)冷拔低碳鋼絲的直徑可為：3mm、4mm、5mm、6mm、7mm 和 8mm。直徑小于5mm 的鋼絲焊接網(wǎng)不應(yīng)作為混凝土結(jié)構(gòu)中的受力鋼筋使用;除鋼筋混凝土排水管、環(huán)形混凝土電桿外，不應(yīng)使用直徑 3mm 的冷拔低碳鋼絲;除大直徑的預(yù)應(yīng)力混凝土樁外，不宜使用直徑 8mm 的冷拔低碳鋼絲。

　　(3)預(yù)應(yīng)力混凝土熱處理鋼筋

　　(4)預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絲與鋼絞線

　　2.鋼結(jié)構(gòu)用鋼

　　鋼結(jié)構(gòu)用鋼主要是熱軋成型的鋼板、型鋼等，其中型鋼又分熱軋型鋼和冷彎薄壁型鋼。鋼材所用的母材主要是普通碳素結(jié)構(gòu)鋼及低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼。

　　(1)熱軋型鋼。按

　　鋼材的外形，鋼結(jié)構(gòu)常用熱軋型鋼有：工字鋼、H 型鋼、T 型鋼、槽鋼、等邊角鋼、不等邊角鋼等。

　　(2)冷彎薄壁型鋼。薄壁型鋼是用薄鋼板(通常 2-6mm)冷彎或者模壓而成，其界面形狀多樣，可分為角鋼、槽鋼等開口薄壁型鋼及方形、矩形等空心薄壁型鋼。薄壁輕型鋼結(jié)構(gòu)中主要采用薄壁型鋼、圓鋼和小角鋼，壁厚一般為 1.5-5mm，多用于輕型鋼結(jié)構(gòu)。

　　(3)鋼板和壓型鋼板。

　　3.鋼管混凝土結(jié)構(gòu)用鋼

　　鋼管混凝土結(jié)構(gòu)即采用鋼管混凝土構(gòu)件作為主要受力構(gòu)件的結(jié)構(gòu)，簡稱 CFST 結(jié)構(gòu)。鋼管混凝土構(gòu)件是指在鋼管內(nèi)填充混凝土的構(gòu)件，包括實(shí)心和空心鋼管混凝土構(gòu)件，截面可為圓形、矩形及多邊形，簡稱 CFST 構(gòu)件。

　　(二)鋼材的性能

　　鋼材的主要性能包括力學(xué)性能和工藝性能。其中力學(xué)性能是鋼材最重要的使用性能，包括抗拉性能、沖擊性能、硬度、疲勞性能等。工藝性能表示鋼材在各種加工過程中的行為，包括彎曲性能和焊接性能等。

　　1.抗拉性能

　　(1)屈服強(qiáng)度。在彈性階段 OA 段，如卸去拉力，試件能恢復(fù)原狀，此階段的變形為彈性變形，應(yīng)力與應(yīng)變成正比，其比值即為鋼材的彈性模量。與 A 點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力稱為彈性極限(σp)。當(dāng)對(duì)試件的拉伸進(jìn)入塑性變形的屈服階段 AB 時(shí)，應(yīng)力的增長滯后于應(yīng)變的增加。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到 B 點(diǎn)時(shí)，試件進(jìn)入塑性階段，應(yīng)力不增加但應(yīng)變增大，這時(shí)相應(yīng)的應(yīng)力稱為屈服強(qiáng)度(屈服點(diǎn))。如果達(dá)到屈服點(diǎn)后應(yīng)力值發(fā)生下降，則應(yīng)區(qū)分上屈服點(diǎn)(ReH)和下屈服點(diǎn)(ReL)，在結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)以下屈服點(diǎn)作為材料的屈服強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值。預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土用的高強(qiáng)度鋼筋和鋼絲具有硬鋼的特點(diǎn)，沒有明顯的屈服平臺(tái)，這類鋼材的屈服點(diǎn)以產(chǎn)生殘余變形達(dá)到原始標(biāo)距長度 L0的 0.2%時(shí)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力作為規(guī)定的屈服強(qiáng)度極限(RP0.2)。

　　(2)抗拉強(qiáng)度。

　　(3)伸長率。

　　2.沖擊性能

　　沖擊性能指鋼材抵抗沖擊載荷的能力。其指標(biāo)是通過標(biāo)準(zhǔn)試件的彎曲沖擊韌性試驗(yàn)確定。按規(guī)定，將帶有 V 形缺口的試件進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。試件在沖擊荷載作用下折斷時(shí)所吸收的功，稱為沖擊吸收功Akv(J)。鋼材的化學(xué)成分、組織狀態(tài)、內(nèi)在缺陷及環(huán)境溫度等都是影響沖擊韌性的重要因素。

　　Akv值隨試驗(yàn)溫度的下降而減小，當(dāng)溫度降低達(dá)到某一范圍時(shí)，Akv急劇下降而呈脆性斷裂，這種現(xiàn)象稱為冷脆性。發(fā)生冷脆時(shí)的溫度稱為脆性臨界溫度，其數(shù)值越低，說明鋼材的低溫沖擊韌性越好。因此，對(duì)直接承受動(dòng)荷載而且可能在負(fù)溫下工作的重要結(jié)構(gòu)，必須進(jìn)行沖擊韌性檢驗(yàn)，并選用脆性臨界溫度較使用溫度低的鋼材。另外，時(shí)效敏感性(因時(shí)效導(dǎo)致性能改變的程度)愈大的鋼材，經(jīng)過時(shí)效以后，其沖擊韌性和塑性的降低愈顯著，對(duì)于承受動(dòng)荷載的結(jié)構(gòu)物應(yīng)選用時(shí)效敏感性較小的鋼材。

　　3.硬度

　　鋼材的硬度是指表面層局部體積抵抗較硬物體壓入產(chǎn)生塑性變形的能力。表征值常用布氏硬度值 HB表示。數(shù)值越大，表示鋼材越硬。

　　4.耐疲勞性

　　在交變荷載反復(fù)作用下，鋼材往往在應(yīng)力遠(yuǎn)小于抗拉強(qiáng)度時(shí)發(fā)生斷裂，這種現(xiàn)象稱為鋼材的疲勞破壞。疲勞破壞的危險(xiǎn)應(yīng)力用疲勞極限來表示，它是指鋼材在交變荷載作用下于規(guī)定的周期基數(shù)內(nèi)不發(fā)生斷裂所能承受的最大應(yīng)力。試驗(yàn)表明，鋼材承受的交變應(yīng)力越大，則斷裂時(shí)的交變循環(huán)次數(shù)越少，相反，交變應(yīng)力越小，則斷裂時(shí)的交變循環(huán)次數(shù)越多;當(dāng)交變應(yīng)力低于某一值時(shí)，交變循環(huán)次數(shù)達(dá)無限次也不會(huì)產(chǎn)生疲勞破壞。

　　5.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(biāo)是通過試件被彎曲的角度(90°、180°)及彎心直徑 d 對(duì)試件厚度(或直徑)a 的比值(d/a)區(qū)分的。試件按規(guī)定的彎曲角和彎心直徑進(jìn)行試驗(yàn)，試件彎曲處的外表面無裂斷、裂縫或起層，即認(rèn)為冷彎性能合格。

　　冷彎試驗(yàn)?zāi)芙沂句摬氖欠翊嬖趦?nèi)部組織不均勻、內(nèi)應(yīng)力、夾雜物未熔合和微裂隙等缺陷。在拉力試驗(yàn)中，這些缺陷常因塑造性變形導(dǎo)致應(yīng)力重分布而得不到反映。因此，冷彎試驗(yàn)是一種比較嚴(yán)格的試驗(yàn)，對(duì)鋼材的焊接質(zhì)量也是一種嚴(yán)格的檢驗(yàn)，能揭示焊件在受彎表面存在的裂紋和夾雜物。

　　6.焊接性能

　　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)的一致程度。影響鋼材可焊性的主要因素是化學(xué)成分及含量。含碳量超過 0.3%，可焊性顯著下降等。

　　(三)鋼材的化學(xué)成分

　　鋼材的化學(xué)成分主要是指碳、硅、錳、硫、磷等，在不同情況下往往還需考慮氧、氮及各種合金元素。

　　1.碳

　　2.硅

　　3.錳

　　4.硫

　　5.磷

　　6.氮

　　7.氧

　　8.鈦