《建筑材料与检测》8 第8章 建筑钢材
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第七章 建筑钢材
英国福斯湾河桥
南京长江大桥
位于江苏省南京市， 跨越长江的公路铁路两用 钢桁架桥。正桥有1孔， 共长1576m，包括1孔 128m简支桁架梁和3联3 孔各160m连续桁架梁。 正桥为公路铁路双层钢连 续桁梁桥，上层为四车道 公路桥，下层为双线铁路 桥。
南京长江大桥
芜湖长江大桥
九江长江大桥
✓ 1. 按化学成分
8.1.2 钢的分类
✓ 2. 按脱氧程度
8.1.2 钢的分类
✓ 3. 按质量分
✓ 4. 按用途分 建筑工程中常用：普通碳素结构钢和普通低合金结构钢。
8.1.3 钢的化学成分对钢性能的影响
✓ （1）碳--重要元素。当含碳量小于0.8%时，随着含碳量 的增加，钢的抗拉强度和硬度提高，而塑性及韧性降低。
位于江西九江，跨越长 江的公铁两用（4车道加双 线）桥。正桥11孔，跨度 3X162+3X162+(180+216+ 180)+2X126米，架4联三 角形桁架式钢连续梁，3个 大孔增设拱系构件加强。 主跨216米，为中国当时铁 路钢桥跨度之最。钢梁设 双层桥面，上层公路下层 铁路 。
九江长江大桥
基础砼
✓缺点：易锈蚀，维护费用高，耐火性差。
本章导读
钢材切割
本章导读
钢材焊接
钢结构用各种型材示意图
8.1 钢的冶炼、分类及钢的化学成分 对钢性能的影响
➢ 8.1.1 钢的冶炼 ➢ 8.1.2 钢的分类 ➢ 8.1.3 钢的化学成分对钢性能的影响
8.1.1 钢的冶炼
✓ 钢是生铁精炼而成。 ✓ 生铁是含碳量≥2.06%的铁碳合金，其中磷、硫等杂质
✓ （2）硅 --主要合金元素，是有益元素。含量在1%以内， 可提高钢的强度，对塑性和韧性没有明显影响。但含量 超过1%时，冷脆性增加，可焊性变差。
✓ （3）锰--主要合金元素。含量为0.8%～1%时，可显著 提高钢的强度和硬度，消除热脆性，几乎不降低塑性及 韧性。但含量超过1%时，在提高强度的同时，塑性及韧 性有所下降，可焊性变差。
σ
C
上屈服点
B上Βιβλιοθήκη Baidu
A
B
D
B下 下屈服点
OA—弹性阶段 AB—屈服阶段 BC—强化阶段 CD—颈缩阶段
0
Fε
以下屈服点的应力作
为钢材的屈服强度。
钢材拉伸过程的σ-ε图
1）弹性阶段（OA）
σS
σp
A
弹性阶段
0
ε
注：一般认为σp=σS。
钢材拉伸弹性阶段示意图
2）屈服阶段（AB）
屈服阶段
B上
A
B
B下
放大后
8.1.3 钢的化学成分对钢性能的影响
✓ （4）磷--有害元素。磷可显著降低钢材的塑性和韧性， 特别是低温下冲击韧性下降更为明显，常把这种现象称 为冷脆性。磷还能使钢的冷弯性能降低，可焊性变差。 但磷可使钢材的强度、硬度、耐磨性、抗腐蚀性提高。
✓ （5）硫--极有害元素 。 硫在钢的热加工时易引起钢的脆 裂，称为热脆性。硫的存在还使钢的冲击韧性、疲劳强 度、可焊性及耐蚀性降低，即使微量存在也对钢有害， 因此硫的含量要严格控制。
C
B上
A
B
B下
CD——颈缩阶 段
D
0
ε
钢材拉伸颈缩阶段示意图
拉伸过程的参数
强度指标
屈服强度：s 屈服强度是结构设计中钢材强度取值的依据。
抗拉强度：b 应力达到极限值的强度。
• 屈强比s b ：屈服 强度和抗拉强度之比，
塑性指标
伸长率 ：是衡量钢材塑性的重要指标，
能反映钢材的利用率 和结构的安全可靠程 度。
8.2.1 力学性能
（1）拉伸性能--低碳钢
✓拉伸性能是建筑钢材的主要受力方式，也是钢材最重要 的性能。它是选用钢材的重要指标。
✓低碳钢受力拉伸至拉断，全过程可划分为四个阶段： • （1）弹性阶段（OA） • （2）屈服阶段（AB） • （3）强化阶段（BC） • （4）颈缩阶段（CD）
（1）拉伸性能--低碳钢
越大，则钢材塑性越好，钢材用于结构的 • 建筑结构钢合理的屈
安全性越大。
强比一般在0.60～
0.75范围内。
（1）拉伸性能--中、高碳钢
A
0 ba
ε
0.2%
oa——总变形。 ba——弹性变形99.8%。 ob——塑性变形0.2%。
硬钢强度高，塑性差，拉 伸过程无明显屈服阶段， 无法直接测定屈服强度。 用条件屈服强度σ0.2来代替 屈服强度。
的含量较高。生铁硬而脆，强度低，韧性和塑性差，耐 腐蚀性强，不能进行焊接、锻造、轧制等加工，使用上 受到限制。 ✓ 炼钢就是将熔融的生铁进行高温氧化，使碳的含量降低 到2.06%以下，同时把杂质含量降低到允许范围之内。 ✓ 炼钢的主要方法有转炉、平炉、电炉炼钢法三种。
8.1.1 钢的冶炼
炼钢过程
8.1.2 钢的分类
8.1.3 钢的化学成分对钢性能的影响
✓ （6）氧、氮--有害元素。它们显著降低钢材的塑性、韧 性、冷弯性能和可焊性。
✓ （7）铝、钛、钒、铌--常用的合金元素。适量加入可改 善钢的组织，细化晶粒，显著提高强度和改善韧性。
8.2 建筑钢材的技术性能
➢ 8.2.1 力学性能 ➢ 8.2.2 工艺性能
拱肋转体施工
预制主梁
拼装焊接
本章导读
✓定 义 ： 建筑钢材是指在用于钢结构的各种型钢（圆钢、 角钢、槽钢、工字钢等）、钢板和用于钢筋混凝土中的 各种钢筋、钢丝、钢绞线等。
✓优 点 ： 材质均匀、性能可靠、强度高，塑性和韧性好， 能承受冲击和振动荷载，可以焊接、铆接、螺栓连接， 便于装配，是建筑工程中重要的结构材料之一。
B上
B A B下
0
ε
钢材拉伸屈服阶段示意图
3）强化阶段（BC）
σ
σb
B上
A
B
B下
• 屈强比s b ：屈服
强度和抗拉强度之比，
C
能反映钢材的利用率
强化阶段
和结构的安全可靠程 度。
• 建筑结构钢合理的屈
强比一般在0.60～
0.75范围内。
0
ε
σb—— 抗拉强度或强
度极限。
钢材拉伸强化阶段示意图
4）颈缩阶段（CD）
条件屈服点σ0.2 ：使硬钢 产生0.2%塑性变形时的应 力。见左图。
案例分析
为什么说屈服点（σs）、抗拉强度（σb）和伸长率（δ）是建筑 工程用钢的重要技术性能指标？
【解析】
屈服点（σs）是结构设计时取值的依据，表示钢材在正常工作时承受应力 不超过σs值； 屈服点与抗拉强度的比值（σs／σb）称为屈强比。它反映钢材的利用率和 使用中安全可靠程度； 伸长率（δ）：表示钢材的塑性变形能力。 钢材在使用中，为避免正常受力时在缺陷处产生应力集中发生脆断，要求 其塑性良好，即具有一定的伸长率，可以使缺陷处应力超过σs时，随着发生 塑性变形使应力重分布，而避免结构物的破坏。
英国福斯湾河桥
南京长江大桥
位于江苏省南京市， 跨越长江的公路铁路两用 钢桁架桥。正桥有1孔， 共长1576m，包括1孔 128m简支桁架梁和3联3 孔各160m连续桁架梁。 正桥为公路铁路双层钢连 续桁梁桥，上层为四车道 公路桥，下层为双线铁路 桥。
南京长江大桥
芜湖长江大桥
九江长江大桥
✓ 1. 按化学成分
8.1.2 钢的分类
✓ 2. 按脱氧程度
8.1.2 钢的分类
✓ 3. 按质量分
✓ 4. 按用途分 建筑工程中常用：普通碳素结构钢和普通低合金结构钢。
8.1.3 钢的化学成分对钢性能的影响
✓ （1）碳--重要元素。当含碳量小于0.8%时，随着含碳量 的增加，钢的抗拉强度和硬度提高，而塑性及韧性降低。
位于江西九江，跨越长 江的公铁两用（4车道加双 线）桥。正桥11孔，跨度 3X162+3X162+(180+216+ 180)+2X126米，架4联三 角形桁架式钢连续梁，3个 大孔增设拱系构件加强。 主跨216米，为中国当时铁 路钢桥跨度之最。钢梁设 双层桥面，上层公路下层 铁路 。
九江长江大桥
基础砼
✓缺点：易锈蚀，维护费用高，耐火性差。
本章导读
钢材切割
本章导读
钢材焊接
钢结构用各种型材示意图
8.1 钢的冶炼、分类及钢的化学成分 对钢性能的影响
➢ 8.1.1 钢的冶炼 ➢ 8.1.2 钢的分类 ➢ 8.1.3 钢的化学成分对钢性能的影响
8.1.1 钢的冶炼
✓ 钢是生铁精炼而成。 ✓ 生铁是含碳量≥2.06%的铁碳合金，其中磷、硫等杂质
✓ （2）硅 --主要合金元素，是有益元素。含量在1%以内， 可提高钢的强度，对塑性和韧性没有明显影响。但含量 超过1%时，冷脆性增加，可焊性变差。
✓ （3）锰--主要合金元素。含量为0.8%～1%时，可显著 提高钢的强度和硬度，消除热脆性，几乎不降低塑性及 韧性。但含量超过1%时，在提高强度的同时，塑性及韧 性有所下降，可焊性变差。
σ
C
上屈服点
B上Βιβλιοθήκη Baidu
A
B
D
B下 下屈服点
OA—弹性阶段 AB—屈服阶段 BC—强化阶段 CD—颈缩阶段
0
Fε
以下屈服点的应力作
为钢材的屈服强度。
钢材拉伸过程的σ-ε图
1）弹性阶段（OA）
σS
σp
A
弹性阶段
0
ε
注：一般认为σp=σS。
钢材拉伸弹性阶段示意图
2）屈服阶段（AB）
屈服阶段
B上
A
B
B下
放大后
8.1.3 钢的化学成分对钢性能的影响
✓ （4）磷--有害元素。磷可显著降低钢材的塑性和韧性， 特别是低温下冲击韧性下降更为明显，常把这种现象称 为冷脆性。磷还能使钢的冷弯性能降低，可焊性变差。 但磷可使钢材的强度、硬度、耐磨性、抗腐蚀性提高。
✓ （5）硫--极有害元素 。 硫在钢的热加工时易引起钢的脆 裂，称为热脆性。硫的存在还使钢的冲击韧性、疲劳强 度、可焊性及耐蚀性降低，即使微量存在也对钢有害， 因此硫的含量要严格控制。
C
B上
A
B
B下
CD——颈缩阶 段
D
0
ε
钢材拉伸颈缩阶段示意图
拉伸过程的参数
强度指标
屈服强度：s 屈服强度是结构设计中钢材强度取值的依据。
抗拉强度：b 应力达到极限值的强度。
• 屈强比s b ：屈服 强度和抗拉强度之比，
塑性指标
伸长率 ：是衡量钢材塑性的重要指标，
能反映钢材的利用率 和结构的安全可靠程 度。
8.2.1 力学性能
（1）拉伸性能--低碳钢
✓拉伸性能是建筑钢材的主要受力方式，也是钢材最重要 的性能。它是选用钢材的重要指标。
✓低碳钢受力拉伸至拉断，全过程可划分为四个阶段： • （1）弹性阶段（OA） • （2）屈服阶段（AB） • （3）强化阶段（BC） • （4）颈缩阶段（CD）
（1）拉伸性能--低碳钢
越大，则钢材塑性越好，钢材用于结构的 • 建筑结构钢合理的屈
安全性越大。
强比一般在0.60～
0.75范围内。
（1）拉伸性能--中、高碳钢
A
0 ba
ε
0.2%
oa——总变形。 ba——弹性变形99.8%。 ob——塑性变形0.2%。
硬钢强度高，塑性差，拉 伸过程无明显屈服阶段， 无法直接测定屈服强度。 用条件屈服强度σ0.2来代替 屈服强度。
的含量较高。生铁硬而脆，强度低，韧性和塑性差，耐 腐蚀性强，不能进行焊接、锻造、轧制等加工，使用上 受到限制。 ✓ 炼钢就是将熔融的生铁进行高温氧化，使碳的含量降低 到2.06%以下，同时把杂质含量降低到允许范围之内。 ✓ 炼钢的主要方法有转炉、平炉、电炉炼钢法三种。
8.1.1 钢的冶炼
炼钢过程
8.1.2 钢的分类
8.1.3 钢的化学成分对钢性能的影响
✓ （6）氧、氮--有害元素。它们显著降低钢材的塑性、韧 性、冷弯性能和可焊性。
✓ （7）铝、钛、钒、铌--常用的合金元素。适量加入可改 善钢的组织，细化晶粒，显著提高强度和改善韧性。
8.2 建筑钢材的技术性能
➢ 8.2.1 力学性能 ➢ 8.2.2 工艺性能
拱肋转体施工
预制主梁
拼装焊接
本章导读
✓定 义 ： 建筑钢材是指在用于钢结构的各种型钢（圆钢、 角钢、槽钢、工字钢等）、钢板和用于钢筋混凝土中的 各种钢筋、钢丝、钢绞线等。
✓优 点 ： 材质均匀、性能可靠、强度高，塑性和韧性好， 能承受冲击和振动荷载，可以焊接、铆接、螺栓连接， 便于装配，是建筑工程中重要的结构材料之一。
B上
B A B下
0
ε
钢材拉伸屈服阶段示意图
3）强化阶段（BC）
σ
σb
B上
A
B
B下
• 屈强比s b ：屈服
强度和抗拉强度之比，
C
能反映钢材的利用率
强化阶段
和结构的安全可靠程 度。
• 建筑结构钢合理的屈
强比一般在0.60～
0.75范围内。
0
ε
σb—— 抗拉强度或强
度极限。
钢材拉伸强化阶段示意图
4）颈缩阶段（CD）
条件屈服点σ0.2 ：使硬钢 产生0.2%塑性变形时的应 力。见左图。
案例分析
为什么说屈服点（σs）、抗拉强度（σb）和伸长率（δ）是建筑 工程用钢的重要技术性能指标？
【解析】
屈服点（σs）是结构设计时取值的依据，表示钢材在正常工作时承受应力 不超过σs值； 屈服点与抗拉强度的比值（σs／σb）称为屈强比。它反映钢材的利用率和 使用中安全可靠程度； 伸长率（δ）：表示钢材的塑性变形能力。 钢材在使用中，为避免正常受力时在缺陷处产生应力集中发生脆断，要求 其塑性良好，即具有一定的伸长率，可以使缺陷处应力超过σs时，随着发生 塑性变形使应力重分布，而避免结构物的破坏。