05第二章材料

第二章材料幕墙是用各种不同材质、性能的材料组合而成的。了解和掌握这些材料在各种不同使用条件和应力状态下的工作性能，根据幕墙的使用要求、荷载（作用）的性质、周围环境、受力特性和应力分布、慎重选择幕墙材料，使幕墙既能安全可靠地满足使用要求，又尽量节约材料，降低造阶。正确选择幕墙材料是设计、制造幕墙一项重要内容，为此我们要对这些材料作深入的探讨，掌握必要的基本知识。JGJ102-2003规定：1.玻璃幕墙用材料应符合国家现行标准的有关规定及设计要求。尚无相应标准的材料应符合设计要求，并应有出厂合格证。2.玻璃幕墙应选用耐气候性的材料。金属材料和金属零配件除不锈钢及耐候钢外，钢材应进行表面热浸镀处理、无机富锌涂料处理或采取其他有效的防腐措施，铝合金材料应进行表面阳极氧化、电泳涂漆、粉末喷涂或氟碳漆喷涂处理。3.玻璃幕墙材料宜采用不燃性材料或难燃性材料；防火密封构造应采用防火密封材料。4.隐框和半隐框玻璃幕墙，其玻璃与铝型材的粘结必须采用中性硅酮结构密封胶；全玻幕墙和点支承幕墙采用镀膜玻璃时，不应采用酸性硅酮结构密封胶粘接。5.硅酮结构密封胶和硅酮建筑密封胶必须在有效期内使用。幕墙用的主要材料是钢材、铝合金材料、玻璃、密封胶等，下面分别介绍这些材料。第一节钢材钢材在铝合金幕墙材料中占很重要的地位。比较大的幕墙工程，要以钢结构为主骨架，铝合金幕墙与建筑物的连接构件大部分采用钢材，使用的钢材以碳素结构钢为主，它是延性材料中力学性能比较典型的材料，其他很多材料的力学性能的描述是从碳素结构钢引伸出来的，所以重点介绍碳素结构钢。对幕墙使用的低合金钢和耐候钢也作介绍。一．钢结构对材料性能的要求钢结构对材料性能的要求当然是多方面的，不能偏重于某一项或少数几项指标，对各种指标的高低、好坏和利害得失，要进行全面的衡量，慎重地选择合适的钢材．下面分别对各种指标进行讨论．l．强度钢材的强度有比例极限σp、弹性极限σe和屈服点(流限)fy。如前所述，这三个指标实际上可用屈服点作为代表，设计时认为这是钢材可以达到的最大应力。屈服点fy高，则可减轻结构自重、节约钢材和降低造价。此外还有一个强度指标即抗拉强度(极限强度)fμ，这是钢材破坏前能够承受的最大应力。虽然在达到这个应力时，钢材巳由于产生很大的塑性变形而失去使用性能，但是抗拉强度fμ高，则可增加结构的安全保障，故fμ／fy的值可以看作是钢材强度储备多少的一个系数。必须注意，fy、fμ值是由单向均匀受力的静力拉伸试验获得的，这样的指标也只有在承受静力荷载，而且应力单向分布较均匀的结构或构件中才具有实际意义。强度指标虽然是结构设计的重要依据之一，但单凭这一指标不足以完全判定结构是否安全可靠，还需考虑下面所述因素。2．塑性钢材的塑性一般是指当应力超过屈服点后，能产生显著的残余变形(塑性变形)而不立即断裂的性质。衡量钢材塑性好坏的主要指标是伸长率δ和断面收缩率ψ。伸长率δ是应力——应变曲线中最大应变值，等于试件拉断后的原标距间长度的伸长值(包括残余塑性变形)和原标距比值的百分率，当l0/d0=10时，以δ10表示，当l0/d0=5时，以δ5表示。δ值可按下计算：δ=(l1-l0)/l0×100%(2-1)式中：δ---伸长率；l0---试件原标距长度；l1---试件拉断后标距间的长度；d0---试件中间部分的直径。断面收缩率Ψ是指试件拉断后，颈缩区的断面面积缩小值与原断面面积比值的百分率，按下式计算：Ψ=(A0-A1)/A0×100%(2-2)式中：A0---试件原来的断面面积；A1---试件拉断后颈缩区的断面面积。断面收缩率Ψ是表示钢材在颈缩区的应力状态(形成同号受拉的立体应力区域)条件下，所能产生的最大塑性变形量，它也是衡量钢材塑性的一个指标。由于伸长率δ是钢材的均匀变形和集中变形(颈缩区)的总和所确定的，所以它不能代表钢材的最大塑性变形能力。断面收缩率是衡量钢材塑性的一个比较真实和稳定的指际。不过在测量时容易产生较大的误差。在实际工程中，结构或构件中的个别区域出现应力集中，个别地方的材料有缺陷或者实际受力与计算假定不相符合等是难以避免的。当钢材具有良好的塑性时，在受力达到一定程度后，个别区域材料屈服而产生塑性变形，构件内部应力可以重新分布而趋于比较均匀，不致因个别区域首先出现裂缝并扩展到全构件而导致破坏。尤其是在动力荷载(包括冲击荷载和振动荷载)作用下的结构或构件，材料的塑性好坏常是决定结构是否安全可靠的主要因素之一，所以钢材塑性指标比强度指标更为重要。3．韧性钢材的韧性是钢材在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力，也是表示钢材抵抗冲击荷载的能力，它与钢材的塑性有关而又不同于塑性，它是强度与塑性的综合表现。钢材的强度和塑性指标是由静力拉伸试验获得的。这些指标用于承受动力荷栽的结构时，显然有很大的局限性。因此，必须相应地用动力荷载进行试验，从而获得更可靠的指标。韧性指标是由冲击试验获得的，它是判断钢材在冲击荷载作用下是否出现脆性破坏危险的重要指标之一。在冲击试验中，一般采用截面为10×l0mm2，长度为55mm，中间开有小槽(缺口)的长方形试件，放在摆锤式冲击试验机上进行试验。冲断试样后，可以从试验机的刻度盘上直接读出冲击功Ak(单位为N-m)值。此值除以试件缺口处的净截面面积Ai(单位为cm2)，所得的值即为冲击韧性值，用ak表示ak=Ak/AiN-m/mm2(2-3)钢结构或构件的脆性断裂常是从应力集中处开始的，冶金或轧制过程中产生的缺陷，特别是缺口和裂纹，常是脆性断裂的发源地。为此，冲击试验的试件做成带有缺口的。钢材冲击韧性的数值，随试件刻槽（缺口)的形式和试验机的种类不同而相差很大，各国采用的缺口形式并不统一，主要三种类型的缺口，目前我国规定采用夏比V型缺口的试件。4．可焊性钢材的可焊性，是指在一定材料、工艺和结构条件下，钢材经过焊接后能够获得良好的焊接接头的性能。可焊性可分为施工上的可焊性和使用性能上的可焊性。施工上的可焊性，是指焊缝金属产生裂纹的敏感性以及由于焊接加热的影响、近缝区钢材硬化和产生裂纹的敏感性。可焊性好是指在一定的焊接工艺条件下，焊接金属和近缝区钢材均不产生裂纹。使用性能上的可焊性，是指焊接接头和焊缝的缺口韧性(冲击韧性)和热影响区的延伸性(塑性)。要求焊接结构在施焊后的力学性能不低于母材的力学性能。目前，国内外所采用的可焊性试验方法很多。我国、日本和苏联既采用施工上的可焊性试验方法，也采用使用性能上的可焊性试验方法，而美国则对钢材焊后的冲击韧性进行大量研究工作，英国的可焊性试验，近年来偏重于对裂纹的研究。每一种可焊性试验方法都有其特定的约束程度和冷却速度，它们与实际施焊的条件相比有一定距离。因此可焊性试验结果的评定仅具有相对比较的参考意义，而不能绝对代表实际中的情况，更不能单纯地根据某种试验方法来确定操作规程及措施。5．冷弯性能冷弯性能是指钢材在冷加工(即在常温下加工)产生塑性变形时，对产生裂缝的抵抗能力。钢材的冷弯性能是用冷弯试验来检验钢材承受规定弯曲程度的弯曲变形性能，并显示其缺陷的程度。冷弯试验方法是在材料试验机上，通过冷弯冲头加压。当试件弯曲至某一规定角度α时(一般取α=180O)，检查试件弯曲部分的外面、里面和侧面，如无裂纹、裂断或分层，即认为试件冷弯性能合格。冷弯试验一方面是检验钢材能否适应构件制作中的冷加工工艺过程，另一方面通过试验还能暴露出钢材的内部缺陷(颗粒组织、结晶情况和非金属夹杂物分布等缺陷)，鉴定钢材的塑性和可焊性。冷弯试验是鉴定钢材质量的一种良好方法，常作为静力拉伸试验和冲击试验等的补充试验。冷弯性能是一项衡量钢材力学性能的综合指标。6．耐久性影响钢结构使用寿命的因素较多。首先由于钢材的耐腐蚀性较差，必须采取防护措施，避免钢材的腐蚀，这是钢结构的一大弱点。新建的结构需要油漆，已建成的结构也要根据使用的具体条件定期维护，这就使钢结构的维修费用较其他结构为高。随着时间的增长，钢材的力学性能有所改变，出现所谓“时效”现象。根据结构的使用要求和所处的环境条件，必要时对钢材进行快速时效后测定钢材的冲击韧性，以鉴定钢材是否适用。其次由于钢材在高温和长期荷载作用下的破坏强度远比短期的静力拉伸试验的强度低得多，所以在长期高温条件下工作的钢材，应另行测定其“持久强度”。钢结构在多次的重复荷载或交变荷载作用下，虽然钢材应力低于屈服点fy，也往往会发生破坏。这种现象叫做钢材的疲劳现象。疲劳破坏与脆性破坏相似，破坏之前没有显著的变形和明显的迹象，破坏是突然发生的，常易引起严重后果。因此，在重复和交变荷载作用下，需要确定钢材的另一个力学性能指标——“疲劳强度”。二.化学成分对钢材力学性能的影响钢结构中常用的钢材，例如Q235钢，在一般情况下，既有较高的强度fy≈235N／mm2，又有很好的塑性δ10≥21%和韧性αk≥0.70N-m/mm2，是比较理想的承重结构材料。但是，仍有可能出现脆性断裂。促使钢材发生脆性断裂的因素很多，主要的因素是钢材的化学成分，钢材的化学成分直接影响钢的组织构造，并与钢材的力学性能有密切关系。钢的基本元素是铁(Fe)，普通碳素钢中的纯铁约占99％，此外便是碳(C)、锰(Mn)和硅(Si)等杂质元素，以及在冶炼中不易除尽的有害元素硫(S)、磷(P)、氧(O)，氮(N)等。碳和其他元素虽然含量不大(仅占1%左右)，但对钢材的力学性能却有着决定性的影响。因此，在选用钢材时要注意钢的化学成分．在普通碳素钢中，碳是除铁以外最主要的元素，它直接影响着钢材的强度，塑性、韧性和可焊性等。随着含碳量的增加，钢材的屈服点和抗拉强度提高，但塑性和韧性，特别是负温冲击韧性下降。同时,钢材的耐腐蚀性能，疲劳强度和冷弯性能也却明显下降，并将恶化钢材的可焊性和增加低温脆断的危险性。因此建筑钢的含碳量不宜大高，一般不过0.22%，在焊接结构中则应限制在0.20％以下。硅一般作为脱氧剂加入普通碳素钢，用以制成质量较高的镇静钢。硅有使铁液在冷却时形成无数结晶中心的作用，因而可使纯铁体的晶粒变为细小而均匀。适量的硅可以使钢材的强度大为提高，而对塑性、冲击韧性、冷弯性能及可焊性均无显著的不良影响。一般镇静钢的含硅量为0.10~0.30％，如含量过高(达1％左右)将会降低钢材的塑性、冲击韧性，抗锈性和可焊性。锰是一种弱脱氧剂。锰与铁、碳的化合物既能溶解于纯铁体中，又能溶解于渗碳体中，有强化纯铁体和珠光体的双重作用，是一种十分有效的合金成分。含量不太多的锰可以有效地提高钢材的强度，消除硫、氧对钢材的热脆影响，改善钢材的热加工性能，并能改善钢材的冷脆倾向，而同时又不显著降低钢材的塑性和冲击韧性。锰在普通碳素钢中的含量约为0.3~0.8%。如含量过高(达l.0~1.5％以上)，会使钢材变得脆而硬，并将降低钢材的抗锈性和可焊性。在普通碳素钢中，硫和磷是极为有害的物质．硫与铁化合为硫化铁(FeS)，散布在纯铁体晶粒的间层中。含硫量增大时会降低钢材的塑性、冲击韧性、疲劳强度和抗锈性等。高温(800~1200℃)时，例如在焊、铆及热加工时，硫化铁即将熔化而使钢材变脆(热脆)和发生裂缝。因此应严格控制钢材中的含硫量，一般应不超过0.055％，在焊接结构中则应不越过0.050％。在钢中增加锰的含量，可使硫形成熔点高、塑性较好的硫化锰(MnS)，它的熔点(约为1600℃)，远远高出热加工温度．这样就可以消除一部分硫的有害作用。磷与纯铁体结成不稳定的固熔体，有增大纯铁体晶粒的害处。磷的存在虽可提高钢材的强度和抗锈性，但严重降低钢材的塑性、冲击韧性、冷弯性能和可焊性等，特别是在低温时能使钢材变得很脆(冷脆)。所以磷的含量也应严格控制，一般不超过0.050％，在焊接结构中不超过0.045％。但是，磷在钢材中的强化作用是十分显著的，因此有时就利用它的这一强化作用来提高建筑钢的强度。磷使钢材的塑性、冲击韧性和可焊性等方面的降低，可用减少钢材中的含碳量来弥补。在有些国家中，采用特殊的冶炼工艺，生产高磷钢，其中含磷量(在含碳量小于0.09％时)最高可达0.08~0.12％。氧和氮因容易从铁液中逸出，故含量甚少。这两种物