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一、建筑鋼材

鋼材具有品質穩定、強度高、塑性和韌性好、可焊接和鉚接、能承受沖擊和振動荷載等優異性能，是土木工程中使用量最大的材料品種之一。常用的鋼材品種有普通碳素結構鋼、優質碳素結構鋼和低合金高強結構鋼。

(一)常用的建筑鋼材

建筑鋼材可分為鋼筋混凝土用鋼、鋼結構用鋼和建筑裝飾用鋼材制品等。

1.鋼筋混凝土結構用鋼

(1)熱軋鋼筋。根據現行國家標準《鋼筋混凝土用鋼第1部分：熱乳光圓鋼筋》GB1499.1和《鋼筋混凝土用鋼第2部分：熱軋帶肋鋼筋》GB1499.2的相關規定，熱軋光圓鋼筋為HPB300—種牌號，普通熱軋鋼筋分HRB335、HRB400、HRB500三種牌號，細晶粒熱乳鋼筋分HRBF335、HRBF400、HRBF500三種牌號。熱軋鋼筋的技術要求見表3.1.1。表中所列的強度值和伸長率均為要求的最小值。

由表3.1.1可知，隨鋼筋級別的提高，其屈服強度和極限強度逐漸增加，而其塑性則逐漸下降。

綜合鋼筋的強度、塑性、工藝性和經濟性等因素，非預應力鋼筋混凝土可選用HPB300、HRB335和HRB400鋼筋，而預應力鋼筋混凝土則宜選用HRB500、HRB400和HRB335鋼筋。

(2)冷加工鋼筋。冷加工鋼筋是在常溫下對熱軋鋼筋進行機械加工(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小于抗拉強度的某一應力，然后卸荷，即制成了冷拉熱乳鋼筋。如卸荷后立即重新拉伸，卸荷點成為新的屈服點，因此冷拉可使屈服點提高，材料變脆，屈服階段縮短，塑性、軔性降低。若卸荷后不立即重新拉伸，而是保持一定時間后重新拉伸，鋼筋的屈服強度、抗拉強度進一步提高，而塑性、軔性繼續降低，這種現象稱為冷拉時效。實踐中，可將冷拉、除銹、調直、切斷合并為一道工序，這樣可簡化流程，提高效率。

2)冷乳帶肋鋼筋。用低碳鋼熱軋盤圓條直接冷軋或經冷拔后再冷軋，形成三面或兩面橫肋的鋼筋。根據現行國家標準《冷軋帶肋鋼筋》GB13788—2008的規定，冷乳帶肋鋼筋分為CRB550、CRB650、CRB800、CRB970四個牌號。CRB550用于非預應力鋼筋混凝土，其他牌號用于預應力混凝土。冷軋帶肋鋼筋克服了冷拉、冷拔鋼筋握裹力低的缺點，具有強度高、握裹力強、節約鋼材、質量穩定等優點，CRB650級、CRB800級和CRB970級鋼筋宜用作中、小型預應力鋼筋混凝土結構構件中的受力主筋，CRB550級鋼筋宜用作普通鋼筋混凝土結構構件中的受力主筋、架立筋、箍筋和構造箍筋。

3)冷拔低碳鋼絲。將直徑6.5?8.0mm的Q235或Q215盤圓條通過小直徑的拔絲孔逐步拉拔而成，直徑3?5mm。由于經多次拔制，其屈服強度可提高40%?60%，同時失去了低碳鋼的良好塑性，變得硬脆。現行國家標準《鋼結構工程施工質量驗收規范》GB50205—2012規定，冷拔低碳鋼絲分為兩級，甲級用于預應力混凝土結構構件中，乙級用于非預應力混凝土結構構件中。

(3)熱處理鋼筋。熱處理鋼筋是鋼廠將熱軋的帶肋鋼筋(中磷低合金鋼)經淬火和高溫回火調質處理而成的，即以熱處理狀態交貨，成盤供應，每盤長約200m。熱處理鋼筋強度高，用材省，錨固性好，預應力穩定，主要用作預應力鋼筋混凝土軌枕，也可以用于預應力混凝土板、吊車梁等構件。

(4)預應力混凝土用鋼絲。預應力混凝土用鋼絲是用優質碳素結構鋼經冷加工及時效處理或熱處理等工藝過程制得，具有很高的強度，安全可靠，且便于施工。根據現行國家標準《預應力混凝土用鋼絲》GB/T5223—2014的規定，預應力混凝土用鋼絲按照加工狀態分為冷拉鋼絲和消除應力鋼絲兩類，消除應力鋼絲的塑性比冷拉鋼絲好。消除應力鋼絲按松弛性能又分為低松弛鋼絲(WLR)和普通松弛鋼絲(WNR)兩種;按外形分為光面鋼絲(P)、螺旋類鋼絲(H)和刻痕鋼絲三種。消除應力后鋼絲的塑性比冷拉鋼絲高;刻痕鋼絲是經壓痕乳制而成，刻痕后與混凝土握裹力大，可減少混凝土裂縫。

預應力混凝土用鋼絲強度高、柔性好，適用于大跨度屋架、薄腹梁、吊車梁等大型構件的預應力結構。

(5)預應力混凝土鋼絞線。鋼絞線是將碳素鋼絲若干根，經絞捻及消除內應力的熱處理后制成。根據《預應力混凝土用鋼絞線》GB/T5224—2014，鋼絞線按其所用鋼絲種類和根數不同分為五種類型。預應力混凝土用鋼絞線強度高、柔性好，與混凝土黏結性能好，多用于大型屋架、薄腹梁、大跨度橋梁等大負荷的預應力混凝土結構。

2.鋼結構用鋼

鋼結構用鋼主要是熱軋成型的鋼板和型鋼等。薄壁輕型鋼結構中主要采用薄壁型鋼、圓鋼和小角鋼。鋼材所用的母材主要是普通碳素結構鋼及低合金高強度結構鋼。

鋼結構常用的熱軋型鋼有：工字鋼、H形鋼、T形鋼、槽鋼、等邊角鋼、不等邊角鋼等。型鋼是鋼結構中采用的主要鋼材。

鋼板材包括鋼板、花紋鋼板、建筑用壓型鋼板和彩色涂層鋼板等。鋼板規格表示方法為“寬度X厚度X長度”(單位為mm)。鋼板分厚板(厚度大于4mm)和薄板(厚度小于或等于4mm)兩種。厚板主要用于結構，薄板主要用于屋面板、樓板和墻板等。在鋼結構中，單塊鋼板一般較少使用，而是用幾塊板組合成工字形、箱形等結構形式來承受荷載。

3.鋼管混凝土結構用鋼

鋼管混凝土結構即在薄壁鋼管內填充普通混凝土，將兩種不同性質的材料組合而形成的復合結構。近年來，隨著理論研究的深入和新施工工藝的產生，鋼管混凝土結構工程應用日益廣泛。鋼管混凝土結構按照截面形式的不同，可分為矩形鋼管混凝土結構、圓鋼管混凝土結構和多邊形鋼管混凝土結構等，其中矩形鋼管混凝土結構和圓鋼管混凝土結構應用較廣。從已建成的眾多建筑來看，目前鋼管混凝土的使用范圍還主要限于柱、橋墩、拱架等。

(二)鋼材的性能

鋼材的主要性能包括力學性能和工藝性能。其中力學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

抗拉性能是鋼材的最主要性能，表征其性能的技術指標主要是屈服強度、抗拉強度和伸長率。低碳鋼(軟鋼)受拉的應力-應變圖能夠較好地解釋這些重要的技術指標，見圖3.1.1。

沖擊性能指鋼材抵抗沖擊載荷的能力。其指標是通過標準試件的彎曲沖擊韌性試驗確定。按規定，將帶有V形缺口的試件進行沖擊試驗。試件在沖擊荷載作用下折斷時所吸.收的功，稱為沖擊吸收功(或V形沖擊功)Akv(J)。鋼材的化學成分、組織狀態、內在缺陷及環境溫度等都是影響沖擊韌性的重要因素。Akv值隨試驗溫度的下降而減小，當溫度降低達到某一范圍時，AkV急劇下降而呈脆性斷裂，這種現象稱為冷脆性。發生冷脆時的溫度稱為脆性臨界溫度，其數值越低，說明鋼材的低溫沖擊軔性越好。因此，對直接承受動荷載而且可能在負溫下工作的重要結構，必須進行沖擊韌性檢驗，并選用脆性臨界溫度較使用溫度低的鋼材。另外，時效敏感性(因時效導致性能改變的程度)越大的鋼材，經過時效以后，其沖擊韌性和塑性的降低越顯著，對于承受動荷載的結構物應選用時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生塑性變形的能力，表征值常用布氏硬度值HB表示。測試鋼材硬度的方法常采用布氏法，在布氏硬度機上用一定直徑的硬質鋼球，以一定荷載將其壓入試件表面，持續至規定的時間后卸去荷載，使其形成壓痕，將荷載除以壓痕面積，所得的應力值為該鋼材的布氏硬度值，數值越大，表示鋼材越硬。

4.耐疲勞性

在交變荷載反復作用下，鋼材往往在應力遠小于抗拉強度時發生斷裂，這種現象稱為鋼材的疲勞破壞。疲勞破壞的危險應力用疲勞極限來表示，它是指鋼材在交變荷載作用下于規定的周期基數內不發生斷裂所能承受的最大應力。試驗表明，鋼材承受的交變應力越大，則斷裂時的交變循環次數越少，相反，交變應力越小，則斷裂時的交變循環次數越多;當交變應力低于某一值時，交變循環次數達無限次也不會產生疲勞破壞。

5.冷彎性能

冷彎性能是指鋼材在t溫下承受彎曲變形的能力，是鋼材的重要工藝性能。冷彎性能指標是通過試件被彎曲的角度(90°、180°)及彎心直徑d對試件厚度(或直徑)a的度比值d/a)區分的。試件按規定的彎曲角和彎心直徑進行試驗，試件彎曲處的外表面無裂斷、裂縫或起層，即認為冷彎性能合格。冷彎時的彎曲角度越大、彎心直徑越小，則表示其冷彎性能越好。

冷彎試驗能揭示鋼材是否存在內部組織不均勻、內應力、夾雜物未熔合和微裂縫等缺陷，而這些缺陷在拉力試驗中常因塑造性變形導致應力重分布而得不到反映，因此，冷彎試驗是一種比較嚴格的試驗，對鋼材的焊接質量也是一種嚴格的檢驗，能揭示焊件在受彎表面存在的未熔合、裂紋和夾雜物等問題。

6.焊接性能

鋼材的可焊性是指焊接后在焊縫處的性質與母材性質的一致程度。影響鋼材可焊性的主要因素是化學成分及含量。含碳量超過0.3%時，可焊性顯著下降;特別是硫含量較多時，會使焊縫處產生裂紋并硬脆，嚴重降低焊接質量。正確地選用焊接材料和焊接工藝是提高焊接質量的主要措施。

(三)鋼材化學成分

鋼材主要化學成分是鐵和碳元素，此外，還有少量的硅、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。碳是決定鋼材性質的重要元素。土木建筑工程用鋼材含碳量不大于0.8%。在此范圍內，隨著鋼中碳含量的增加，強度和硬度增加，而塑性、韌性和冷彎性能相應降低;碳還可顯著降低鋼材的可焊性，增加鋼的冷脆性和時效敏感性，降低抗大氣腐蝕的能力。

(2)硅。硅在鋼中是有益元素，是我國鋼筋用鋼的主要合金元素，煉鋼時起脫氧作用。當硅在鋼中的含量較低(小于1%)時，隨著含量的加大可提高鋼材的強度、疲勞極限、耐腐蝕性和抗氧化性，而對塑性和韌性影響不明顯。當含量提高到1.0%?1.2%時，塑性和鈿性明顯下降，焊接性能變差，并增加鋼材的冷脆性。

(3)錳。錳是我國低合金鋼的主要合金元素，煉鋼時能起脫氧去硫作用，使強度和硬度提高，還能消減硫和氧引起的熱脆性，使鋼材的熱加工性能改善。錳含量一般在1.0%?2.0%范圍內，當含量小于1.0%時，對鋼的塑性和韌性影響不大;含量大于1.0%時，在提高強度的同時，塑性和軔性有所降低，焊接性能變差，耐腐蝕性降低。

(4)硫。硫是很有害的元素，呈非金屬硫化物夾雜物存于鋼中，具有強烈的偏析作用，降低沖擊軔性、耐疲勞性和抗腐蝕性等性能。硫化物造成的低熔點使鋼在焊接時易于產生熱裂紋，加大鋼材的熱脆性，顯著降低焊接性能。

(5)磷。磷是有害元素，含量提高，鋼材的強度提高，塑性和初性顯著下降，特別是溫度越低，對軔性和塑性的影響越大。磷在鋼中偏析作用強烈，使鋼材冷脆性增大，并顯著降低鋼材的可焊性。但磷可提高鋼的耐磨性和耐腐蝕性，在低合金鋼中可配合其他元素作為合金元素使用。

(6)氮。氮對鋼材性質的影響與碳、磷相似，可使鋼材的強度提高，但塑性特別是韌性明顯下降。氮還會加劇鋼的時效敏感性和冷脆性，使其焊接性能變差。

(7)氧。氧是冶煉氧化過程中進人鋼水，經脫氧處理后殘留下來的，是鋼中的有害雜質。氧含量增加使鋼的力學性能降低，塑性和韌性降低。氧有促進時效傾向的作用，還能使熱脆性增加，焊接性能較差。

(8)鈦。鈦是強脫氧劑，可顯著提高鋼的強度，但稍降低塑性。由于鈦能細化晶粒，故可改善初性。鈦能減少時效傾向，改善焊接性能。

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（責任編輯：zyc）

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