土木工程中常用的钢材可分为钢筋混凝土结构用的钢筋、钢丝和钢结构用的型钢两类。
一、建筑钢材的主要钢种
在土木工程中,常用的钢筋、钢丝、型钢及预应力锚具等,基本上都是碳素结构钢和低合金高强度结构钢等钢种,经热轧或再进行冷加工强化及热处理等工艺加工而成的。
1、碳素结构钢
根据我国国家标准《碳素结构钢》(GB700-88)的规定,碳素结构钢可分为5个牌号(即Q195、Q215、Q235、Q255和Q275),其含碳量在0.06~0.38%之间。每个牌号又根据其硫、磷等有害杂质的含量分成若干等级。碳素结构钢牌号由下列四个要素标示:
脱氧程度代号,F沸腾钢;b半镇静钢;Z镇静钢;TZ特殊镇静钢
例如Q235-BZ,表示这种碳素结构钢的屈服点σs≥235MPa(当钢材厚度或直径≤16mm时);质量等级为B,即硫、鳞均控制在0.045%以下;脱氧程度为镇静钢。
各种牌号碳素结构钢的力学性能及工艺性能示于表2-3中。
碳素钢的屈服强度和抗拉强度随含碳量的增加而增高,伸长率则随含碳量的增加而下降。其中Q235的强度和伸长率均居中等,两者得以兼顾,所以是结构钢常用的牌号。
碳素结构刚抗弯试验指标(GB700-88)表2-3
一般而言,碳素结构钢的塑性较好,适宜于各种加工,在焊接、冲击及适当超载的情况下也不会突然破坏,它的化学性能稳定,对轧制、加热或骤冷的敏感性较小,因而常用于热轧钢筋。
2.低合金高强度钢
根据我国国家标准《低合金高强度结构钢》(GB1591-94)的规定,低合金高强度结构钢可分为5个牌号(即Q295、Q345、Q390、Q420和Q460),每个牌号又根据其所含硫、磷等有害物质的含量,分为A、B、C、D、E五个等级。低合金钢的合金元素总含量一般不超过5%,所加元素主要有锰、硅、钒、钛、铌、铬、镍及稀土元素。
低合金高强度结构钢的牌号由下列三个要素表示:
由于低合金钢中的合金元素起了细晶强化和固溶强化等作用,使低合金钢不但具有较高的强度,而且也具有较好的塑性、韧性和可焊性。因此,它是综合性能较好的建筑钢材,尤其适用于大跨度、承受动荷载和冲击荷载的结构物。
二、常用建筑钢材
㈠钢筋
钢筋主要用于钢筋混凝土和预应力钢筋混凝土的配筋,是土木工程中用量最大的钢材之一。主要品种有以下几种:
1、低碳钢热轧圆盘条
建筑用的低碳钢热轧圆盘条由Q215和Q235碳素结构钢经热轧而成。其主要力学性能见表2-5。
建筑用低碳热轧圆盘条力学性能及工艺性能表2-5(GB/T701-1997)
冷弯实验180°
d=弯心直径
a=试样直径
由表中可见低碳钢热轧圆盘条的强度较低,但塑性好,伸长率高,便于弯折成形,容易焊接等特点。可用作中、小型钢筋混凝土结构的受力钢筋或箍筋,以及作为冷加工的原料
2、钢筋混凝土用热轧带肋钢筋
钢筋混凝土用热轧带肋钢筋采用低合金钢热轧而成,横截面通常为圆形,且表面带有两条纵肋和沿长度方向均匀分布的横肋。其含碳量为0.17~0.25%,主要合金元素有硅、锰、钒、铌、钛等,有害元素硫和磷的含量应控制在0.045%以下。牌号有HPB235、HRB335,HRB(RRB)400、HRB500四种,主要力学性能见表2-6。
钢筋混凝土用热轧带肋钢筋的力学性能及工艺性能表2-6(GB1499-1998)
冷弯实验
弯心直径d
热轧带肋钢筋具有较高的强度,塑性和可焊性也较好。钢筋表面带有纵肋和横肋,从而加强了钢筋与混凝土之间的握裹力。可用于钢筋混凝土结构的受力钢筋,以及预应力钢筋。
3、冷轧带肋钢筋
冷轧带肋钢筋多数用于预应力结构构件之中。它是采用热轧圆盘条经冷轧而成,在表面带有沿长度方向,均匀分布的二面或三面的月牙肋。按抗拉强度的不同分为5个等级,即CRB550、CRB650、CRB800、CRB970、CRB1170。公称直径范围为4~12mm。其中CRB650公称直径φ4、5、6mm,CRB800以上级别推荐公称直径5mm。
冷轧带肋钢筋是采用冷加工方法强化的典型产品,冷轧后强度明显提高,但塑性也随之降低,使强屈比变小,但其强屈比σb/σ0.2不得小于1.05。这种钢筋适用于中、小预应力混凝土结构构件和普通钢筋混凝土结构构件。
4、预应力混凝土热处理钢筋
预应力混凝土常用热处理钢筋是指用热轧中碳低合金钢钢筋经淬火、回火、调质处理的钢筋。通常有φ6、8.2、10mm等三中规格,抗拉强度σb≥1500MPa,屈服点σ0.2≥1350MPa,伸长率δ10≥6%。为增加与混凝土的粘结力,钢筋表面常轧有通长的纵肋和均布的横肋。一般卷成直径为1.7~2.0m的弹性盘条供应,开盘后可自行伸直。使用时应按所需长度切割,不能用电焊或氧气切割,也不能焊接,以免引起强度下降或脆断。
5、预应力混凝土用钢丝与钢绞线
预应力混凝土用钢丝是采用优质碳素钢或其他性能相应的钢种,经冷加工及时效处理或热处理而制得的高强度钢丝。可分为冷拉钢丝及消除应力钢丝两种,按外形又可氛围光面钢丝和刻痕钢丝两种(GB/T5223-1995)。
若将两根、三根或七根圆形断面的钢丝捻成一束,而成预应力混凝土用钢绞线(GB/T5224-1995)。钢绞线的最大负荷随钢丝的根数不同而不同,七根捻制结构的钢绞线,整根钢绞线的最大负荷可达300kN,屈服负荷可达255kN,伸长率为≤3.5%,1000小时应力松弛率≤2.5~8%。
从上述介绍中可知,预应力钢丝、钢绞线等均属于冷加工强化及热处理钢材,拉伸试验时没有屈服点,但抗拉强度远远超过热轧钢筋和冷轧钢筋,并具有较好的柔韧性,应力松弛率低。盘条状供应,松卷后可自行弹直,可按要求长度切割。适用于大荷载、大跨度及需曲线配筋的预应力混凝土结构。
㈡型钢
钢结构构件一般应直接选用各种型钢。型钢之间可直接连接或附加连接钢板进行连接。连接方式可铆接、螺栓连接或焊接。所以钢结构所用钢材主要是型钢和钢板。型钢有热轧及冷成型两种,钢板也有热轧和冷轧两种。
1、热轧型钢
常用的热轧型钢有角钢(等边和不等边)、I字钢、槽钢、T形钢、H型钢、Z形钢等。
钢结构用钢的钢种和钢号,主要根据结构与构件的重要性、荷载的性质(静载或动载)、连接方法(焊接、铆接或螺栓连接)、工作条件(环境温度及介质)等因素予以选择。对于承受动荷载的结构,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。对于焊接结构,应选择可焊性较好的钢材。
我国建筑用热轧型钢主要采用碳素结构钢和低合金钢。在碳素结构钢中主要采用Q235-A(含碳量约为0.14~0.22%),其强度较适中,塑性和可焊性较好,而且冶炼容易、成本低廉,适合土木工程使用。在低合金钢中主要采用Q345及Q390,可用于大跨度、承受动荷载的钢结构中。
2、冷弯薄壁型钢
冷弯薄壁型钢通常用2~6mm薄钢板冷弯或模压而成,有角钢、槽钢等开口薄壁型钢及方形、矩形等空心薄壁型钢。可用于轻型钢结构。
3、钢板和压型钢板
用光面轧轧制成的扁平钢材称为钢板。按轧制温度的不同,钢板可分热轧和冷轧两类。土木工程用钢板的钢种主要是碳素结构钢,某些重型结构,大跨度桥梁等也采用低合金钢。
按厚度来分,热轧钢板可分为厚板(厚度大于4mm)和薄板(厚度为0.35~4mm)两种;冷轧钢板只有薄板(厚度0.2~4mm)。厚板可用于型钢的连接与焊接,组成钢结构承力构件,薄板可用作屋面或墙面等维护结构,或作为薄壁型钢的原料。
薄钢板经压或冷弯可制成截面呈V形、U形、梯形或类似形状的波纹,并可采用有机涂层、镀锌等表面保护层的钢板,称为型钢板,在建筑上常用作屋面板、楼板、墙板及装饰板等,还可将其与保温材料等复合,制成复合墙板等,用途十分广泛。