第二节
建筑钢材

建筑钢材是指在建筑工程中使用的各种钢材，主要包括钢结构中使用的板、管、型材，以及钢筋混凝土中使用的建筑钢筋、钢丝等。

钢材具有良好的技术性质，能承受较大的弹塑性变形，加工性能好，因此在建筑工程中被广泛使用。

一、概述

将生铁（含碳量高于2.06 %）在炼钢炉中冶炼，将含碳量降低到指定范围，并去除杂质后即得到钢。钢锭（或钢坯）经过压力加工（轧制、挤压、拉拔等）及相应的工艺处理后，得到钢材。

（一）钢材分类

1.按冶炼方法分类：分为平炉钢、氧气转炉钢和电炉钢。

2.按脱氧程度分类：在炼钢精炼期中，加入脱氧剂（铝、锰、硅等），将氧化铁还原。脱氧充分者为镇静钢及特殊镇静钢（代号Z及TZ），脱氧不充分者为沸腾钢（F），介于二者之间为半镇静钢（b）。

3.按化学成分分类：钢是含碳量低于2.06 %的Fe-C合金，并含有Si、Mn、S、P等元素。

碳素钢：分为低碳钢（C：＜0.25 %）；中碳钢（C：0.25 %～0.60 %）；高碳钢（C：＞0.60 %）。

合金钢：含有某些用来改善钢材性能的合金元素，如Si、Mn、Ti、V等。合金元素总含量小于5 %为低合金钢；5 %～10 %为中合金钢；大于10 %为高合金钢。

4.按用途分类：分为结构钢、工具钢和特殊钢（如不锈钢、耐热钢、耐酸钢等）。

建筑钢材多为平炉及转炉生产的碳素钢与低合金钢，轧材占绝大部分。

（二）钢材的化学成分

钢材的化学成分主要指碳、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（C）：当含碳量小于 0.8 %时，C含量增加将使抗拉强度及硬度提高，但塑性与韧性将降低，焊接性能、耐腐蚀性能也下降。

2.硅（Si）：当小于等于1 %时，Si含量的增加可显著提高强度及硬度，而对塑性及韧性无显著影响。

3.锰（Mn）：在一定限度内，随Mn含量的增加可显著提高强度及耐腐、耐磨性，并可消减因氧与硫引起的热脆性。

4.硫（S）：为有害元素，引起热脆性，使机械性能、焊接性能及抗腐蚀性能下降。

5.磷（P）：为有害元素，引起冷脆性，造成塑性、韧性、焊接性、冷弯性下降，但可提高耐磨性及耐腐蚀性。

其他元素这里不作一一列举。

（三）钢材的力学性能与工艺性能

1.抗拉性能。抗拉性能是建筑钢材最重要的性能，在设计与施工中广泛使用。表征抗拉性能的技术指标有：屈服点、抗拉强度及伸长率。它们均与拉伸试验得出的应力—应变图（图2.2.1）有关。

（1）屈服点。拉伸进入塑性变形屈服段 BC ，称屈服下限 C _下 所对应的应力为屈服强度或压服点，记作 σ _s 。设计时，一般以 σ _s 作为强度取值的依据。对屈服现象不明显的钢，规定以产生0.2 %残余变形时的应力 σ _{0 .2} 作为屈服强度。

（2）抗拉强度。应力—应变图中（图2.2.1），曲线最高点对应的应力 σ _b 称为抗拉强度。在设计中，屈强比 σ _s / σ _b 有参考价值。在一定范围内，屈强比小则表明钢材在超过屈服点工作时可靠性较高，较为安全。

（3）伸长率。记试件拉断后标距部分的长度 L ₁ ，原标距长度为 L ₀ ，则伸长率 δ 规定为：

δ 表征了钢材的塑性变形能力。 δ 值还与试件的 L ₁ / d ₀ 值有关（ d ₀ 为试件直径）。常用 L ₀ / d ₀ =5及 L ₀ / d ₀ =10两种试件，相应的 δ 分别记作 δ ₅ 与 δ ₁₀ ，对同一种钢材， δ ₅ ＞ δ ₁₀ 。

2.冷弯性能。冷弯性能指钢材在常温下承受弯曲变形的能力，它表征在恶劣变形条件下钢材的塑性，是建筑钢材一项重要的工艺性能。冷弯性能指标是以试件被弯曲的角度（90°，180°）及弯心直径 d 与试件厚度（或直径） a 的比值（ d / a ）来表示，见图2.2.2。试件按规定条件弯曲，若弯曲处的外表面无裂断、裂缝或起层，即认为冷弯性能合格。

3.冲击韧性。冲击韧性指钢材抵抗冲击载荷的能力。按《金属夏比（V型缺口）冲击试验方法》（GB2106—80）的规定，将带有V型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型冲击功） A _kv （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。 A _kv 值随试验温度的下降而减小，当温度降低达到某一范围时， A _kv 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。

4.硬度。硬度指表面层局部体积抵抗压入产生塑性变形的能力。表征值常用布氏硬度值HB表示，HB值用专门试验测得。

5.耐疲劳性。材料在交变应力作用下，在远低于抗拉强度时突然发生断裂，称为疲劳破坏。疲劳破坏的危险应力用疲劳极限表示，其含义是：试件在交变应力下工作，在规定的周期基数内不发生断裂的最大应力。

6.焊接性能。可焊性主要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。如硫产生热脆性，使焊缝处产生硬脆及热裂纹；又如，含碳量超过 0.3 %时，可焊性显著下降。

二、常用建筑钢材

建筑钢材按其用途，可划分为钢结构用材及钢筋混凝土用材两大类。

（一）碳素结构钢

碳素结构钢指一般的结构钢，以及工程用的热轧板、管、带、型、棒材。在建筑工程的钢结构中，广泛使用着这些钢材。现行国家标准是《碳素结构钢》（GB700—88）。

碳素结构钢的牌号包括四个部分，依顺序为：屈服点字母（Q），屈服点数值（单位为MPa），质量等级（分为A、B、C、D四级，逐级提高）和脱氧方法符号（F为沸腾钢，B为半镇静钢，Z为镇静钢，TZ为特殊镇静钢。但表示中如遇Z、TZ可省略）。

［例］ 1，Q235-A·F，表示屈服点为 235MPa，A级沸腾钢。

［例］ 2，Q235-C，表示屈服点为235MPa，C级镇静钢。

碳素结构钢冶炼方便，成本较低，具有良好的塑性及各种加工性能。在各种恶劣条件下，如冲击、温度大幅度变化、超载等，具有良好的安全性。因此，在建筑工程中它一直占有重要地位。

碳素结构钢最大的不足在于：与低合金钢相比，其强度较低，在一些特殊情况下不能满足性能要求。

碳素结构钢依据屈服点Q数值的大小被划分为五个牌号，依牌号升序，含碳量及抗拉强度增大，但冷弯性及伸长率却反向，即呈下降变化，见表2.2.1。

碳素结构钢的化学成分要求，见表 2.2.2，冷弯试验应按表 2.2.3 进行。

建筑工程中主要应用的碳素钢是Q235号钢，可轧制各种型钢、钢板、钢管与钢筋。Q235号钢具有较高的强度，良好的塑性与韧性，可焊性及可加工等综合性能好，且冶炼方便，成本较低，故广泛用于一般钢结构。其中C、D级可用在重要的焊接结构。

Q195、Q215 号钢材强度较低，但塑性、韧性较好，易于冷加工，可制作铆钉、钢筋等。Q255、Q275 号钢材强度高，但塑性、韧性、可焊性差，可用于钢筋混凝土配筋及钢结构中的构件及螺栓等。

选用钢材时，还要根据工程结构的荷载类型（动荷载或静荷载）、连接方式（焊接或铆接）及环境温度等，综合考虑钢材的牌号、质量等级、脱氧方法加以选择。如受动荷载、焊接结构、在低温情况下工作的结构，不能选用A、B质量等级钢材及沸腾钢。

（二）低合金高强度结构钢

低合金高强度结构钢是在碳素结构钢的基础上，少量添加若干合金元素而成，例如硅、锰、钒、钛、铌等。一般情况下，合金元素的总量不超过总量的 5 %。

理论分析及生产实践表明：在钢中加入某些合金元素，只需少量即可使钢的强度、耐腐蚀性、耐磨性、低温冲击韧性等得到显著的改善与提高。在普通低合金钢中，含碳量均较低，这是为了使钢材具有良好的加工性能（如可焊性等），而强度的提高则主要借助于添加合金元素来达到。

低合金高强度结构钢在如下几方面具有突出的优点：

1.强度较高，可以减少钢结构的自重，经济效益好。

2.具有良好的综合性能，如耐腐蚀、耐低温性好，抗冲击韧性强，使用寿命长等。

3.易于加工及施工，良好的可焊性及冷加工性为施工提供了方便条件。

因此，在建筑工程中，普通低合金钢材得到了日益广泛的应用，在诸如大跨度桥梁、大型柱网构架、电视塔、大型厅馆中成为主体结构材料。

低合金高强度结构钢按力学性能和化学成分分为Q295、Q345、Q390、Q420、Q460 五个牌号。又按硫磷等含量划分为A、B、C、D、E五个等级，其质量依次提高。表 2.2.4 及表 2.2.5 中列出了低合金高强度结构钢的化学成分及力学性能规定。

（三）型钢与钢板

1.型钢。在建筑工程的钢结构中，大量使用各种规格与型号的型钢。绝大部分型钢用热轧方式生产，常用的热轧型钢有角钢（等边和不等边）、I字钢、槽钢、T型钢、H型钢、Z型钢等。热轧型钢的标记需标出型钢名称、横断面主要尺寸、型钢标准及钢号与钢种标准。例如，用碳素钢Q235-A轧制的、尺寸为160×160×16（mm）的等边角钢，应标示为：

冷弯薄壁型钢有角钢、槽钢等开口薄壁型钢及方形、矩形等空心薄壁型钢。通常由 2～6mm薄钢板冷弯或模压而成，可用于轻型钢结构。

2.钢板。用光面轧辊轧制而成的扁平钢材，以平板状态供货的称为钢板，以卷状供货的称为钢带，可用热轧或冷轧方式生产。

热轧钢板按厚度可分为中厚板（厚度大于4mm）和薄板（厚度为 0.35～4mm）两种，冷轧钢板只有薄板（厚度为 0.2～4mm）一种。薄钢板可在面层镀锌（俗称白铁皮）、敷以有机涂层（或称彩色钢板）等。薄钢板经冷压或冷轧成波形、双曲形、V型等形状，称为压型钢板，主要用于围护结构、楼板、屋面等。

（四）钢筋

钢筋是建筑工程中使用量最大的钢材品种之一，其材质包括普通碳素钢和普通低合金钢两大类。常用的有热轧钢筋、冷加工钢筋以及钢丝、钢绞线等。钢厂按直条或盘圆供货。

1.热轧钢筋。钢筋混凝土结构，对热轧钢筋的要求是机械强度较高，具有一定的塑性、韧性、冷弯性与可焊性。

热轧钢筋按屈服点与抗拉强度分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个等级，其强度等级代号分别为R235、RL335、RL400、RL540。其中Ⅰ级钢筋由碳素结构钢轧制，其余均由低合金结构钢轧制而成。各级热轧钢筋的力学及工艺性能要求见表 2.2.6。

Ⅰ级钢筋的强度较低，但塑性及焊接性好，便于冷加工，广泛用作普通混凝土中非预应力钢筋；预应力钢筋应优先选用Ⅳ级钢筋，也可选用Ⅲ级或Ⅱ级钢筋。

2.冷加工钢筋。

（1）钢筋的冷加工与时效处理。在常温下对钢筋进行机械加工（冷拉、冷拔、冷轧），使其产生塑性变形，从而达到提高强度（屈服点）、节约钢材的目的，这种方法称为冷加工。经冷加工后，钢筋的塑性、韧性有所下降。

将经过冷拉的钢筋，于常温下存放15～20d（称为自然时效处理）或加热到100～200℃并保持2～3h（称为人工时效处理）后，则钢筋的屈服点与抗拉强度都得到提高，但塑性及韧性也相应降低。

钢筋在冷拉及时效处理后，其应力与应变关系如图2.2.3所示。当钢材冷拉至超过屈服强度的任意一点 K ，然后卸去荷载，则曲线沿 KO '下降， KO '大致与 AO 平行。如立即再拉伸，则应力与应变关系将成为 O ' KCD （虚线），即屈服点由 B 点上升到 K 点。但若冷拉卸荷后进行时效处理，然后再拉伸，则应力与应变关系将成为 O ' K ₁ C ₁ D ₁ ，表明屈服点与抗拉强度都得到了提高，但塑性相应降低了。

（2）冷拉钢筋。冷拉钢筋的力学性能应符合表 2.2.7 的规定。

冷拉Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级钢筋强度较高，可用作预应力混凝土结构的预应力筋。冷拉钢筋不宜用于负温及承受冲击或重复荷载的结构，因冷拉钢筋的塑性、韧性较差，易发生脆断。

（3）冷拔低碳钢丝。冷拔低碳钢丝是将直径为 6.5～8mm的碳素结构钢Q235 或Q215 盘条，通过拔丝机进行多次强力拉拔而成。冷拔低碳钢丝的力学性能应符合表 2.2.8 的规定。

甲级钢丝主要用作预应力筋，乙级钢丝用作普通钢筋（非预应力筋），也可用于焊接网、焊接骨架，作箍筋和构造钢筋等。

3.热处理钢筋。热处理钢筋是以热轧的螺纹钢筋经淬火和回火调质处理而成，即以热处理状态交货，成盘供应，每盘长约 200m。力学性能应符合《预应力混凝土用热处理钢筋》（GB4463—84）的规定。

预应力混凝土用热处理钢筋强度高，可代替高强钢丝使用，配筋根数少，预应力值稳定，主要用作预应力钢筋混凝土轨枕，也可用于预应力混凝土板、吊车梁等构件。

4.碳素钢丝、刻痕钢丝和钢绞线。预应力混凝土需使用专门的钢丝，这些钢丝用优质碳素结构钢经冷拔、热处理、冷轧等工艺过程制得，具有很高的强度，安全可靠且便于施工。

预应力混凝土用钢丝分为碳素钢丝（矫直回火钢丝，代号J）、冷拉钢丝（代号L）及矫直回火刻痕钢丝（代号JK）三种。

（1）碳素钢丝（矫直回火钢丝）。由含碳量不低于0.8 %的优质碳素结构钢盘条，经冷拔及回火制成。碳素钢丝具有很好的力学性能，是生产刻痕钢丝和钢绞线的母材。

（2）刻痕钢丝。将碳素钢丝表面沿长度方向压出椭圆形刻痕，即为刻痕钢丝，压痕后，成盘的刻痕钢丝需作低温回火处理后交货。

（3）钢绞线。钢绞线是将碳素钢丝若干根，经绞捻及热处理后制成。钢绞线强度高、柔性好，特别适于曲线配筋的预应力混凝土结构、大跨度或重荷载的屋架等。

三、焊接材料

（一）焊条

焊接是建筑工程中常用的工艺手段之一，多用于钢结构制作及钢筋混凝土中钢筋的连接。

焊条材质分为碳素结构钢及低合金结构钢两种。根据药皮的不同，大体分为酸性型及碱性低氢型两种。焊条的选用要依据构件材质、化学成分及工艺要求来确定。

结构钢电焊条用量最大，主要用来焊接碳素钢、普通低合金钢及铸钢。其牌号表示规定为：一个汉字+两位数字+一位数码。如“结”表示结构钢，“奥”表示奥氏体不锈钢；两位数字表示焊缝金属抗拉强度下限（MPa）；末位数码为0～9共十种，相应规定见专门手册，如6表示低氢型药皮且交直流两用。

铸铁电焊条适用于焊接各种铸铁施焊物，如一般灰口铸铁、可锻铸铁及球墨铸铁等。其品种牌号众多，以铸字开头，其后面标三位数码：第一位可取1～6，后二位均可取0～9，其含义在专门手册中列出。例如：铸127表示铸铁电焊条，1表示焊缝金属主要化学成分属碳素钢或高钒钢，2表示药皮牌号，7表示低氢型，工作时用直流电源。

（二）焊剂

为使焊头具有较好的机械性能，在进行焊接时多应选择适当的焊剂。焊剂的选择以适应施焊材料及施焊结构为依据。如一般的低碳钢结构可选用高锰高硅型焊剂，并配以H08A和H08MnA焊丝。对于Q345、Q390等低合金钢，则可选用高锰型或低锰型焊剂。在使用焊剂时要注意：在使用前，焊剂一般要在250℃下烘烤1～2h。

四、钢材的防锈与防火

（一）钢材的防锈

当钢材表面与环境介质发生各种形式的化学作用时，就可能遭到腐蚀。例如，因与O ₂ 、SO ₂ 、H ₂ S等腐蚀性气体作用而被氧化。当环境潮湿或与含有电解质的溶液接触时，则可能因形成微电池效应而遭电化学腐蚀。

腐蚀的结果是：在钢材表面形成疏松的氧化物，或称为生锈。一般说来，钢材的锈蚀有危害，可降低钢材的性能，使钢结构断面减小，因而承载能力降低，甚至由于局部腐蚀引发应力集中，导致钢结构突然破坏，造成严重的后果。

防止钢材锈蚀的方法通常是采用表面刷防锈漆。常用底漆有红丹、环氧富锌漆、铁红环氧漆等；面漆有灰铅油、醇酸磁漆、酚醛磁漆等。薄壁钢材可热浸镀锌或镀锌后加涂塑料涂层，这种方法防锈效果好，但造价高。

埋于混凝土中的钢筋具有一层碱性保护膜，故在碱性介质中不致锈蚀。但氯等卤素离子可加速锈蚀反应，甚至破坏保护膜，造成锈蚀迅速发展。因此，混凝土配筋的防锈措施应考虑：限制水灰比和水泥用量，限制氯盐外加剂的使用，采取措施保证混凝土的密实性，还可以采用掺加防锈剂（如重铬酸盐等）的方法。

（二）钢材的防火

钢材的防锈已广为人知，但对钢材，特别是钢结构的防火，却常引起常识上的疏忽。实际上，尽管钢结构具有良好的机械性能，尤其是有很高的强度，但在高温时，却会发生很大的变化。裸露的、未作表面防火处理的钢结构，耐火极限仅15min左右。在温升500℃的环境下，强度迅速降低，甚至会迅速塌垮。因此，对于钢结构，尤其是有可能经历高温环境的钢结构，需要作必要的防火处理，主要的方法是在其表面上涂敷防火涂料。

防火涂料有ST ₁ -A型钢结构防火涂料及LG钢结构防火隔热涂料等。一般采用分层喷涂工艺制作涂层，局部修补时，可用手工抹涂或刮涂。 EC+G7mIdL/KDDkYoT4QrJfEq9Wq3MxxB11BYP91KL3s6ZOZmwcr0twb3Krev5qOS