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第2章建筑金属材料•钢与生铁的区分在于含碳量的大小。含碳量小于2.06％的铁碳合金称为钢。含碳量大于2.06％的铁碳合金称为生铁。•土木工程钢材是指用于钢结构的各种型钢、钢板、钢管和用于钢筋混凝土中的各种钢筋、钢丝等。•钢材是在严格的技术控制条件下生产的材料，与非金属材料相比，具有品质均匀稳定、强度高、塑性韧性好、可焊接和铆接等优异性能。钢材主要的缺点是易锈蚀、维护费用大、耐火性差、生产能耗大.劣质钢材浇铸钢锭炼钢转炉炼钢炼钢筋炼钢板2.1钢材的分类2.1.1按化学成分分类1.碳素钢碳素钢的化学成分主要是铁，其次是碳，故也称铁--碳合金，其含碳量为0．02％一2．06％。此外尚含有极少量的硅、锰和微量的硫、磷等元素。碳素钢按含碳量又可分为：低碳钢(含碳量小于0．25％)、中碳钢(含碳量为0．25％一0．60％)和高碳钢(含碳量大于0．60％)三种。其中低碳钢在建筑工程中应用最多。2合金钢合金钢是指在炼钢过程中，有意识地加入一种或多种能改善钢材性能的合金元素而制得的钢种。常用合金元素有：硅、锰、钛、钒、银、铬等。按合金元素总含量的不同，合金钢可分为低合金钢(合金元素总含量小于5％)、中合金铜(合金元素总含量为5％一10％)和高合金钢(合金元素总含量大于10％)。低合金钢为建筑工程中常用的主要钢种。2.1.2按品质分类普通钢：S≤0.05%;P≤0.045%;优质钢：S≤0.035%;P≤0.035%;高级优质钢：S≤0.025%;P≤0.025%;特级优质钢：S≤0.015%;P≤0.025%;2.1.3按冶炼时脱氧程度分类炼钢时脱氧程度不同，钢的质量差别很大，通常可分为以下四种：沸腾钢。炼钢时仅加入锰铁进行脱氧，则脱氧不完全，这种钢水浇入锭模时，会有大量的CO气体从钢水中外逸，引起钢水呈沸腾状，故称沸腾钢，代号为“F”。沸腾钢组织不够致密，成分不太均匀，硫、磷等杂质偏析较严重，故质量较差。但因其成本低、产量高，故被广泛用于一般建筑工程。镇静钢。炼钢时采用锰铁、硅铁和铝锭等作脱氧剂，脱氧完全，且同时能起去硫作用。这种钢水铸锭时能平静地充满锭模并冷却凝固，故称镇静钢；代号为“Z”。镇静钢虽成本较高，但其组织致密，成分均匀，性能稳定，故质量好。适用于预应力混凝土等重要结构工程。半镇静钢。脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间，为质量较好的钢，其代号为“b”。特殊镇静钢—脱氧程度比镇静钢更加彻底，质量最好，用于特别重要的工程，代号“TZ”2.2建筑钢材的主要技术性能钢材的力学性能主要有抗拉性能、冲击韧性、耐疲劳和硬度等；工艺性能有冷弯性能、可焊性等。2.2.1抗拉性能抗拉性能是建筑钢材最重要的技术性质。建筑钢材的抗拉性能，可用低碳钢受拉时的应力一应变图来阐明，图中明显地分为以下四个阶段：弹性阶段(OA段)：在OA阶段，如卸去荷载，试件将恢复原状，表现为弹性变形，与A点相对应的应力为弹性极限。此阶段应力与应变成正比，即产生单位弹性应变时所需的应力大小。它是钢材在受力条件下计算结构变形的重要指标。（弹性模量和弹性极限）屈服阶段(AB段)：当荷载增大，试件应力超过A时，应变增加的速度大于应力增长速度，应力与应变不再成比例，开始产生塑性变形。图中B上点是这一阶段应力最高点，称为屈服上限，B下点称为屈服下限。由于B下比较稳定易测，因此以它作为材料抗力的指标，称为屈服点或屈服强度，用бs表示。故—般以B下点对应的应力作为屈服点。钢材受力达屈服点后，变形即迅速发展，尽管尚未破坏但已不能满足使用要求。故设计中一般以屈服点作为强度取值依据。强化阶段(BC段)：当荷载超过屈服点以后，由了试件内部组织结构发生变化，抵抗变形能力又重新提高，故称为强化阶段。对应于最高点C的应力，称为强度极限或抗拉强度бb。工程上使用的钢材，不仅希望具有高的屈服强度，还希望具有一定的屈强比。屈强比越小，钢材在受力超过屈服点工作时的可靠性越大，结构愈安全。但如果屈强比过小，则钢材有效利用率太低，造成浪费。常用碳素钢的屈强比为0.58～0.63，合金钢为0.65～0.75。颈缩阶段(CD段)当钢材强化达到最高点后，在试件薄弱处的截面将显著缩小，产生“颈缩现象”，由于试件断面急剧缩小，塑性变形迅速增加，拉力也就随着下降，最后发生断裂。将拉断后的试件于断裂处对接在一起，测得其断后标距Ll。标距的伸长值与原始标距(L0)的百分比称为伸长率。伸长率δ是衡量钢材塑性的指标，它的数值越大，表示钢材塑性越好。良好的塑性，可将结构上的应力(超过屈服点的应力)重分布，从而避免结构过早破坏。δ5和δ10分别表示l0=5d和l0=10d时的伸长率。对同一种钢材δ5δ10。这是因为钢材中各段在拉伸的过程中伸长量是不均匀的,颈缩处的伸长率较大，因此当原始标距l0与直径d0之比愈大，则颈缩处伸长值在整个伸长值中的比重愈小，因而计算得的伸长率就愈小。某些钢材的伸长率是采用定标距试件测定的，如标距l0=100mm或200mm，则伸长率用δ100或δ200表示。根据应力应变曲线回答问题：1)若对于变形要求严格的构件，Ⅰ、Ⅱ两种低碳钢选用谁者更合适。2)使用Ⅰ、Ⅱ两种钢材，哪一个安全性较高。•分析：•从Ⅰ、Ⅱ两条曲线比较可知，低碳钢Ⅱ的弹性模量E小于低碳钢Ⅰ，也就是说，低碳钢Ⅱ的抗变形能力不如低碳钢Ⅰ。对于变形要求严格的构件选用低碳钢Ⅰ更为合适。Ⅰ、Ⅱ两种低碳钢的屈服强度бs相近，但低碳钢Ⅰ的抗拉强度бb高于Ⅱ，即其屈服强度比бs/бb较小。屈服强度比值越小，反映钢材超过屈服点工作时可靠性越大，结构的安全性越高。(当然，屈服比过小时，表示钢材强度的利用率偏低，不合理。Q225钢材的屈服比为0.58～0.63，普通的合金钢的屈强比在0.67～0.75之间。)2.2.2冲击韧性冲击韧性是指钢材抵抗冲击荷载的能力。将有缺口的标准试件放在冲击试验机的支座上，用摆锤打断试件，测得试件单位面积上所消耗的功，作为冲击韧性指标，用冲击值ak表示ak值愈大，表明钢材在断裂时所吸收的能量越多，则冲击韧性越好。钢材的冲击韧性越大,钢材抵抗冲击荷载的能力越强。ak值与试验温度有关。有些材料在常温时冲击韧性并不低，破坏时呈现韧性破坏特征。但当试验温度低于某值时，ak突然大幅度下降，材料无明显塑性变形而发生脆性断裂，这种性质称为钢材的冷脆性。钢的化学成分及冶炼、加工质量都对冲击韧性能有明显的影响。例如，钢中磷、硫含量较高，存在偏析、非金属夹杂物、气孔和焊接中形成的微裂纹等，都会使冲击韧性显著降低。冷脆性钢的冲击韧性受温度的影响较大，冲击韧性随温度的下降而减小，当降到一定温度范围时，ak值急剧下降，从而可使钢材出现脆性断裂．这种性质称为钢的冷脆性。所以，在负温下使用的钢材，特别是承受动荷载的重要结构，必须要检验其低温下的冲击韧性。•2.2.3耐疲劳性•受交变荷载反复作用，钢材在应力低于其屈服强度的情况下突然发生脆性断裂破坏的现象,称为疲劳破坏。•钢材的疲劳破坏一般是由拉应力引起的，首先在局部开始形成细小断裂，随后由于微裂纹尖端的应力集中而使其逐渐扩大，直至突然发生瞬时疲劳断裂。疲劳破坏是在低应力状态下突然发生的，所以危害极大，往往造成灾难性的事故。钢材在无穷次交变荷载作用下而不至引起断裂的最大循环应力值，称为疲劳强度极限，实际测量时常以2×106次应力循环为基准。钢材的疲劳强度与很多因素有关，如组织结构、表面状态、合金成分、夹杂物和应力集中几种情况。一般来说，钢材的抗拉强度高，其疲劳极限也较高。在一定条件下，钢材疲劳破坏的应力值随应力循环次数的增加而降低（如图所示）。•2.2.4工艺性能•1冷弯性能冷弯性能是指钢材在常温下承受弯曲变形的能力，为钢材的重要工艺性质。钢材的冷弯性能是以试验时的弯曲角度(a)和弯心直径(d)为指标表示。钢材冷弯试验是通过直径(或厚度)为a的试件，采用标准规定的弯心直径d(d=na)，弯曲到规定的角度(180或90)时，检查弯曲处有无裂纹、断裂及起层等现象，若无则认为冷弯性能合格。钢材冷弯时的弯曲角度愈大，弯心直径愈小，则表示其冷弯性能愈好。钢材的冷弯性能和其伸长率（均匀变形下的塑性）一样，也是表明钢材在静荷下的塑性，而且冷弯是在苛刻条件下对钢材塑性的严格检验（不利变形条件下的塑性），它能揭示钢材内部组织是否均匀，是否存在内应力及夹杂物等缺陷。在工程中，冷弯试验还被用作对钢材焊接质量进行严格检验的一种手段。•2焊接性能•焊接是把两块金属局部加热，并使其接缝部分迅速呈熔融或半熔融状态，而牢固的连接起来。它是钢结构的主要连接形式。•钢材的焊接性能是指在一定的焊接工艺条件下，在焊缝及其附近过热区不产生裂纹及硬脆倾向，焊接后钢材的力学性能，特别是强度不低于原有钢材的强度。•钢材的化学成分对钢材的可焊性有很大的影响。随钢材的含碳量、合金元素及杂质元素含量的提高，钢材的可焊性降低。钢材的含碳量超过0.25％时，可焊性明显降低；硫含量较多时，会使焊口处产生热裂纹，严重降低焊接质量。硬度:硬度是衡量钢的软硬程度的一个指标，它是表示钢材表面局部体积内，抵抗变形或破裂的能力，也即指抵抗其他更硬的物体压入钢材表面的能力。测定钢材硬度的方法很多，建筑钢材常用的是布氏法，所测硬度称布氏硬度。布氏硬度是用一定直径D(mm)的硬质钢球,在规定荷载P(N)作用下压入试件表面，并持续一定时间后卸裁，量出压痕直径d(mm)，然后计算每单位压痕球面积所承受的荷载值，即布氏硬度值(HD)，见图。工程质量事故分析•1994年10月21日韩国汉城汉江圣水大桥中段50m长的桥体象刀切一样坠入江中，造成多人死亡。该桥由韩国最大的建筑公司之一——东亚建设产业公司于1979建成。•事故原因调查团经五个多月的各种试验和研究，于次年4月2日提交了事故报告。事故原因主要有以下两方面：•a.东亚建筑公司没有按图纸施工，在施工中偷工减料，利用疲劳性能很差的劣质钢材，这是事故的直接原因。b.当时韩国缩短工期及汉城市政当局在交通管理上疏漏也是大桥倒塌的主要原因。设计负载限制为32t，建成后交通流量逐年增加，超常负荷，倒塌时负载为43.2t。1999年１月４日晚６时５０分前后，重庆市綦江县城跨越綦河（长江支流）两岸、连接城东城西的人行彩虹桥（形似彩虹而名，系綦江县形象工程）整体垮塌，４０人遇难，包括１８名年轻武警战士。１月８日，经事故调查组调查，彩虹桥突然垮塌是由两方面的原因造成的。一是工程质量问题：彩虹桥的主要受力拱架钢管焊接质量不合格，存在严重缺陷，个别焊缝并有陈旧性裂痕；钢管内混凝土抗压强度不足，低于设计标号的三分之一；连接桥梁、桥面和拱架的拉索、锚具和镏片严重锈蚀。二是工程承发包不合法：到８日止，事故调查组找不到工程设计专用章，设计手续不全，实际上是私人设计。施工承包者是一个挂靠国有的个体业主，其组织的施工队伍不具备进行市政工程建设的技术力量和设备，不具有合法的市政工程施工资质。工作人员正在对桥面进行分解切割重庆南门大桥位于宜宾城内的长江(长江上游也称金沙江)上，连引桥在内，大桥全长约1000米左右，主桥横跨度500余米，是一座提篮式跨江大桥。2001年11月8日凌晨４点３０分左右，横跨金沙江的宜宾南门大桥两端断裂，造成至少２辆客车和一辆货车坠入江中，客车中有３名驾乘人员死亡和失踪，货车伤亡情况不明，宜宾市南北交通和对外通讯一度中断。四川省一些桥梁专家和工程设计人员在桥梁的断裂处进行了现场勘查，发现坍塌断裂之处露出一层薄薄的钢筋网，悬吊的承重钢管中露出了锈迹斑斑的钢缆。据现场一位工程人员说，让人不可思议的是，那承重钢缆是装在钢管中且加了防锈油的，怎么会生锈？据宜宾市曾参加过泸州大桥、岷江大桥、马鸣溪大桥施工的吴工程师讲，这种动态式的悬吊式设计很可能有问题。从南门大桥断裂的状况看，两边的断裂处都是在主桥与引桥的结合点，恰恰也是吊桥动态与静态的结合点。因受力不均，一边垮塌后，使桥面的支撑力发生波浪形摆动，造成另一边也垮塌。吴工程师还说，从现场看桥的伸缩缝过大，部分施工材料不合格也是造成桥面断裂的原因之一。2.3钢材的