钢铁材料及其在建筑上的应用

钢铁材料及其在建筑上的应用
一、简介
当今世界的各个工程领域中钢铁的应用都已十分广泛，其中建筑作为最大的钢铁消费行业，仅中国2006年消耗钢材就已达到1.8亿吨，相当于日本及美国钢铁的产量总和。

而近10年乃至今后数年我国民用建筑都处于发展的鼎盛时期，可以预见极其大量的钢材将被生产并使用于建筑行业。

可以毫不夸张的说，钢铁的发展与进步直接推动了现代建筑的发展。

而现代建筑不断提升的对材料的需求也促进了钢铁的发展。

现代钢铁工业的历史并不长，始建于19世纪，距今百年，且在二战前都发展缓慢，产量低下。

而上个世纪50年代后世界钢铁达到了一个迅猛发展的时期，钢铁的冶炼技术得到提升，钢铁的种类数量和质量都有所增进。

二、钢铁的种类与性能
钢铁材料是以铁-碳二元合金为基础体系的金属材料，人们根据对性能和用途的不同要求，常加入其他各种合金元素以改变和提高钢铁的性能。

而根据钢铁的成分、组织结构和用，钢铁可分为结构钢、铸铁、不锈钢、工具钢等。

1、碳素钢碳钢指没有特别加入合金元素的铁碳合金，但因冶炼的原
料和工艺仍含有杂质。

具有性能好、价格低廉、容易加工的优点，但
有淬透性较低，回火稳定性差、集体相强度不高等缺点。

根据质量被分成普通碳素结构钢、优质碳素结构钢和特殊碳素结构钢（又称为碳素工具钢）。

（1）、普通碳素结构钢普通碳素结构钢的成分控制不很严格，强度不高，焊接性能好，韧性和塑性好，且价格较低，在建筑工程中运用较多。

（2）、优质碳素结构钢优质碳素结构钢具有较高的强度良好的塑性和韧性、优良的冷成型性能和焊接性能。

通过各种热处理能够不同程度地提高优质碳素钢不同的性能指标。

（3）、特殊碳素结构钢（碳素工具钢）较高碳含量的钢经过适当的热处理（如淬火加低温回火）得到的有较高硬度的钢可以用于各种要求不是很高的工具的制作，因此被称为工具钢。

2、合金钢在碳钢的基础上适当添加种类和数量的其他元素，提高合金各方面性能，这种特异添加了合金元素的钢称为合金钢。

合金元素从三个方面影响着合金钢的性能，第一，合金元素融入铁碳合金的基体相中（主要指奥氏体相和铁素体相）；第二，合金元素影响铁碳合金的状态；第三，合金元素和碳发生相互作用。

合金钢根据用途被分为合金结构钢、轴承钢、合金工具钢、不锈钢、耐热钢等。

合金结构钢根据运用领域被分为工程结构钢和机械结构钢。

前者根据工程应用的需要，具有良好的综合力学性能，包括较高的屈服强度、较好的塑性、较好的耐候性能（各种大气条件下的耐蚀性、低温
条件下保持良好的综合力学性能）、良好的工艺性能（易于进行塑性成形加工、良好的焊接性能）、较好的经济性。

后者分为调质钢和渗碳钢。

调质钢是指以调质处理作为零件加工和工艺处理前的预处理工艺或零件的最终热处理工艺的结构钢，调质处理即将钢淬火后进行高温回火得到回火索氏体组织（铁素体集体上弥散分布较细小的颗粒状碳化物）的热处理工艺。

而碳素钢表面具有较高硬度以耐磨，心部保持较好的强韧性以抗击冲击或震动。

不锈铁是指在大气和弱腐蚀介质中具有较高稳定性能够保持不锈蚀的钢材。

不锈钢脚如合金主要达到三个目的：一、使钢的表面形成致密的氧化物保护层（钝化层），使腐蚀不能进行；二、提高钢的基体相的电极电位，从而减小电化学腐蚀的腐蚀电流；三、使钢具有均匀的单相组织，从而减小电化学腐蚀的倾向。

不锈钢科分为马氏体型、铁素体型和奥氏体型。

马氏体不锈钢中含Cr多达百分之十三。

这类不锈钢随碳含量的增加，强度和硬度提高，但耐腐蚀性能下降，变形与焊接加工能力变差。

在马氏体不锈钢的成本基础上降低碳含量或提高Cr含量可使钢的组织保持稳定的单相铁素体组织，即为铁素体不锈钢，优点是耐腐蚀性能好，缺点是韧性低，冷塑性变形能力差，焊接或在350摄氏度至500摄氏度长时间的加热后易发生脆化。

奥氏体不锈钢除含有较高的Cr含量外还有较高的Ni含量，具有稳定的奥氏体组织，强度和硬度较低，但塑性韧性好，耐腐蚀能力强，
不易出现低温脆性，适宜在较低温度下使用，适于冷成型加工，焊接性能也较好。

且该种不锈钢没有磁性。

3、铸铁指碳含量在百分之2.5至百分之4的铁碳合金，通常含有较
多的Si，Mn、S、P等杂质的含量也较高。

其生产工艺简单价格低廉，易于批量生产，具有切削加工性能好、减摩性和减震性好的特点。

铸铁可以根据断口的色泽特点分为灰口铸铁和白口铸铁。

也可以根据铸铁中石墨的形态分为四类：一、普通灰铸铁，石墨呈片状；二、可锻铸铁，石墨呈絮状；三、球墨铸铁，石墨呈球状；四、蠕墨铸铁，石墨呈蠕虫状。

三、钢铁在建筑中的应用
1、建筑用钢材分类
建筑业主要采用黑色金属材料中的钢材，铸铁主要用作铸铁制品(如压力管等)。

中国建筑用钢多数是采用平炉和氧气顶吹转炉冶炼的低碳钢(碳含量小于 0.25%)、中碳钢（碳含量0.25～
0.60%）及低合金钢，并以沸腾钢或镇静钢工艺生产，其中沸腾钢
因冲击、时效、冷脆性能较镇静钢为差，使用时在某些结构中有所限制，如铁路桥梁、重级工作制吊车梁等。

半镇静钢机械性能优于沸腾钢而接近镇静钢,其成品收得率却接近沸腾钢,在中国已被推广使用。

分类：建筑钢材的产品种类一般分为螺纹钢、线材、盘螺、圆钢、
1、螺纹钢：螺纹的规格范围一般在6-50mm，我们平时涉及及较多的是8mm、10mm、12mm、14mm、16mm、18mm、20mm、22mm、25mm、28mm、32mm、36mm、40mm等。

国家允许的偏差：6-12mm
偏差在±7%，14-20mm偏差在±5%，22-50mm偏差在±4%。

螺纹钢一般定长9m、12m，其中9m长螺纹主要用于正常的道路建设，12m长螺纹主要用于桥梁建设。

螺纹钢根据强度可分为三类：HRB335、HRB400、HRB500三类。

2、线材：平时涉及较多的规格为6.5mm、8.0mm、10mm（直径）；此外还有5.5mm、6.0mm、7.0mm等等。

目前我国生产的盘条最大直径可达到30mm。

另线材生产一般允许公差在±0.4m m。

线材常见牌号一般分Q195、Q215、Q235三种，其中建筑钢材用盘条只有Q215、Q235两个牌号；举例说明：Q235（Q－指钢材的屈服强度，235指屈服强度不小于235Mpa）。

线材按轧制速度可分为：普线、高线和准高线
3、盘螺：顾名思义就是像线材一样盘在一起的螺纹钢，一般市面上的就是6.5-8.0-10-12-14的居多。

盘螺优点：螺纹钢只有9-12的，盘螺则可以按需求随意截取。

4、圆钢：圆钢圆钢是指截面为圆形的实心长条钢材。

其规格以直径的毫米数表示，如“ 50”即表示直径为 50毫米的圆钢。

圆钢材质：10#、20#、35#、45#、Q215-235、304、316、20Cr、40Cr、20CrMo、35CrMo、42CrMo、40CrNiMo、GCr15、65Mn、50Mn、50Cr、3Cr2W8V、20CrMnTi、5CrMnMo等。

圆钢分为热轧、锻制和冷拉三种。

热轧圆钢的规格为5.5-250毫米。

其中：5.5-25毫米的小圆钢大多以直条成捆供应，常用作钢筋、螺栓及各种机械零件；大于25毫米的圆钢，主要用于制造机械零件或作无缝钢管坯。

钢铁在建筑结构方面的作用
17世纪70年代，人类开始大量应用生铁作建筑材料，到19世纪初发展到用熟铁建造桥梁、房屋等。

这些材料因强度低、综合性能差,在使用上受到限制,但已是人们采用钢铁结构的开始。

19世纪中期以后，钢材的规格品种日益增多，强度不断提高，相应地连接等工艺技术也得到发展，为建筑结构向大跨重载方向发展奠定了基础，带来了土木工程的一次飞跃。

如今钢铁在建筑中的应用十分广泛，形式也非常多样，其中在结构上最常见的，一是裸露的钢结构，二是钢筋混凝土。

钢筋混凝土
钢筋混凝土结构是指用配有钢筋增强的混凝土制成的结构。

承重的主要构件是用钢筋混凝土建造的。

包括薄壳结构、大模板现浇结构及使用滑模、升板等建造的钢筋混凝土结构的建筑物。

用钢筋和混凝土制成的一种结构。

钢筋承受拉力，混凝土承受压力。

具有坚固、耐
久、防火性能好、比钢结构节省钢材和成本低等优点。

用在工厂或施工现场预先制成的钢筋混凝土构件，在现场拼装而成。

钢筋混凝土的发明出现在近代，通常为人认为发明于1848年。

1868年一个法国园丁，获得了包括钢筋混凝土花盆，以及紧随其后应用于公路护栏的钢筋混凝土梁柱的专利。

1872年，世界第一座钢筋混凝土结构的建筑在美国纽约落成，人类建筑史上一个崭新的纪元从此开始，钢筋混凝土结构在1900年之后在工程界方得到了大规模的使用。

1928年，一种新型钢筋混凝土结构形式预应力钢筋混凝土出现，并于二次世界大战后亦被广泛地应用于工程实践。

钢筋混凝土的发明以及19世纪中叶钢材在建筑业中的应用使高层建筑与大跨度桥梁的建造成为可能。

钢筋混凝土结构还具有下列优点：
（1）就地取材。

钢筋混凝土结构中，砂和石料所占比例很大，水泥和钢筋所占比例较小，砂和石料一般都可以由建筑工地附近提供。

（2）节约钢材。

钢筋混凝土结构的承载力较高，大多数情况下可用来代替钢结构，因而节约钢材。

（3）耐久、耐火。

钢筋埋放在混凝土中，经混凝土保护不易发生锈蚀，因而提高了结构的耐久性。

当火灾发生时，钢筋混凝土结构不会像木结构那样被燃烧，也不会像钢结构那样很快达到软化温度而破坏。

（4）可模性好。

钢筋混凝土结构可以根据需要浇捣成任意形状。

（5）现浇式或装配整体式钢筋混凝土结构的整体性好，刚度大。

钢筋混凝土结构也具有下述主要缺点：
（1）自重大。

钢筋混凝土的重力密度约为25kN/m^3，比砌体和木材的重度都大。

尽管比钢材的重度小，但结构的截面尺寸较大，因而其自重远远超过相同跨度或高度的钢结构的重量。

（2）抗裂性差。

如前所述，混凝土的抗拉强度非常低，因此，普通钢筋混凝土结构经常带裂缝工作。

尽管裂缝的存在并不一定意味着结构发生破坏，但是它影响结构的耐久性和美观。

当裂缝数量较多和开展较宽时，还将给人造成一种不安全感。

钢结构
钢结构建筑相比于砖混结构建筑在环保、节能、高效、工厂化生产等方面具有明显优势。

人类自 17世纪70年代开始使用生铁，19世纪初开始使用熟铁建造桥梁和房屋，钢结构发展的历史要比钢筋混凝土结构发展的历史悠久，它的生命力也是越来越强。

在美国，低层建筑如两层楼以下的非居住型建筑市场已有70%以上是建筑金属制品。

全世界至今已完成的101幢超高层建筑中，钢筋混凝土结构16幢，纯钢结构 59幢，不同形式的钢砼混合结构27幢。

钢材的“容重与强度比”一般小于木材、混凝土和砖石，因此钢结构比较轻，与钢筋混凝土结构相比要轻 30%-50%；另外钢结构断面
小，与钢筋混凝土结构相比可增加建筑有效面积8%左右。

钢结构具有强度高、自重轻、抗震性能好、施工速度快、地基费用省、占地面积小、工业化程度高、外形美观等一系列优点，此外，钢结构建筑还具有良好的空间感，可设计成大量开放型办公室围绕着空中花园、中央天井加上合理的电梯设计可达到最低的能源消耗。

因此钢结构又是环保型和节能型建筑结构。

与混凝土结构相比它是环保型和可再次利用的、易于产业化的结构，发达国家在房屋建筑中广泛采用钢结构。

我国二十世纪初建造的松花江钢桁桥、黄河大桥、上海国际饭店等就采用了钢结构；新中国成立后，我国民用高层建筑钢结构发展速度进一步加快，全国十几幢高层钢结构建筑中北京就占了六幢：京广中心(208米高)、京城大厦 (182米高)、国贸中心(155.2米高)、长富宫饭店(90.9米高)、香格里拉饭店(82.7米高)、中国工商银行总行(48.3米高)，还有正在建设中的国家大剧院工程。

全国上百个大小机场都将设计采用钢结构，以加快建设速度和增大空间。

由此可见，高速度发展的经济需要钢结构。

两种结构比较
1、钢框架结构是以钢材制作为主的结构，是主要的建筑结构类型之一。

具有自重较轻，工作的可靠性较高，抗振（震）性、抗冲击性好，工业化程度较高，容易做成密封结构，易腐蚀，耐火性差等特点。

2、钢筋混凝土结构是用钢筋和混凝土建造的一种结构，钢筋承受拉力，混凝土承受压力。

具有坚固、耐久、防火性能好、比钢结构节省钢材和成本低等优点。

由于钢材塑性、韧性好，可有较大变形，能很好地承受动力荷载，其次钢材匀质性和各向同性好，属理想弹性体，最符合一般工程力学的基本假定，因此，钢结构的抗震性能比钢筋混凝土结构的抗震性能好。