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金属材料之钢结构

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金属材料之钢结构的内容简介:

建筑金属材料的应用及发展
(一)建筑用钢材的应用及发展 钢结构用钢材 砼用钢筋
(二)建筑用铝及铝合金材料的应用及发展 铝材的工程应用 铝合金材料的工程应用

铝塑板的工程应用
(一)建筑用钢材的应用及发展 1、钢结构用钢材类型及发展 (1)钢结构的发展空间 (2)钢结构的优点
(二)建筑用钢材的应用及发展 (3)钢结构的类型 高层钢结构 : 普通钢结构 组合结构: 轻钢结构 空间结构 (4)钢结构常用钢材 型钢 钢管 钢板 钢结构常用钢材: H型钢 类型:分为热轧成型及焊接成型两种 宽翼缘(HW系列) 中翼缘(HM系列) 窄翼缘(HN系列) 桩专用型(HP系列) 特点: 翼缘宽,侧向刚度大。 结构强度高。 翼缘两表面相互平行,构造方便。 便于机械加工、结构连接和安装 钢结构常用钢材: 冷弯型钢 建筑业应用结构用冷弯方形管、矩形管 立柱采用方矩形管,以增大焊缝的长度,提高抗震性。 冷弯方矩形管作立柱、H型钢作房梁其良好的抗震性能和经济优势 国外冷弯方矩形管和热轧H型钢在建筑业中的用量约为1:1的关系。 钢结构常用钢材: 冷弯C型钢、Z型钢 壁薄自重轻,截面性能优良,强度高,与传统槽钢相比,同等强度可节约材30%。 C型钢广泛用于钢结构建筑的檩条、墙梁。Z型钢特别适用于大坡度屋面的檩条。 C型钢高度为80、100、120、140、160五种规格,长一般不超过12米。 钢结构常用钢材: 其他型钢 工字钢、槽钢、圆钢、角钢等 钢板 中厚板:钢板厚度大于等于5.0mm,但抗腐蚀性好的的镀铝锌钢板应用越来越广泛。 牌号:Q195-255 产品规格: 6-40x1500-2600x6000-12000mm 彩钢板

建筑钢材的标准及选用:
一、钢结构用钢目前国内钢结构用钢的品种主要是普通碳素结构钢和低合金高强度结构钢。碳素结构钢(非合金钢)1、牌号及其表示方法国标《碳素结构钢》(GB700-88)中规定,牌号由代表屈服点的字母、屈服点数值、质量等级符号、脱氧方法等四部分按顺序组成。其中以Q代表屈服点;屈服点数值共分195、215、235、255和275MPa五种;质量等级以硫、磷等杂质含量由多到少,分别为A、B、C、D符号表示;脱氧方法以F表示沸腾钢、b表示半镇静钢、Z、TZ表示镇静钢和特殊镇静钢,Z和TZ在钢的牌号中予以省略。例如:Q235-A表示屈服点为235MPa的A级沸腾钢 2、技术要求各牌号钢的钢材类别应符合表7-6钢材规格和用途3、选用 一方面要根据钢材的质量、性能及相应的标准;另一方面要根据工程使用条件对钢材性能的要求。国标将碳素结构钢分为五个牌号,每个牌号又分为不同的质量等级。一般来讲,牌号数值越大,含碳量越高,其强度、硬度越高,但塑性、韧性越低。硫、磷含量低的D、C级钢的质量优于B、A级钢。特殊镇静钢、镇静钢质量优于半镇静钢,更优于沸腾钢,当然质量好的钢成本也高。 工程结构的荷载类型、焊接情况及环境温度等条件对钢材性能有不同的要求,选用钢材时必须满足。

一般情况下,沸腾钢在下述情况下是限制使用的:(1)在直接承受动荷载的焊接结构。(2)非焊接结构而计算温度低于或等于-20℃ 时。(3)受静荷载及间接动荷载作用,而计算温度等于或低于-30℃ 时的焊接结构。钢结构中,主要应用的是碳素钢Q235,即用Q235轧成的各种型材、板材和管材。Q235钢的强度、韧性和塑性以及可加工性能好,且冶炼方便、成本较低。由于Q235-D含有足够的形成细粒结构的元素,同时对硫、磷元素控制较严格,其冲击韧性好,抵抗振动、冲击荷载能力强,尤其在一定的负温条件下,较其他牌号更为合理。A级钢一般仅适用于承受静荷载作用的结构。 4、选用钢材的选用一方面要根据钢材的质量、性能及相应的标准;另一方面要根据工程使用条件对钢材性能的要求。国标将碳素结构钢分为五个牌号,每个牌号又分为不同的质量等级。一般来讲,牌号数值越大,含碳量越高,其强度、硬度越高,但塑性、韧性越低。硫、磷含量低的D、C级钢的质量优于B、A级钢。特殊镇静钢、镇静钢质量优于半镇静钢,更优于沸腾钢,当然质量好的钢成本也高 工程结构的荷载类型、焊接情况及环境温度等条件对钢材性能有不同的要求,选用钢材时必须满足。一般情况下,沸腾钢在下述情况下是限制使用的:(1)在直接承受动荷载的焊接结构。(2)非焊接结构而计算温度低于或等于-20℃ 时。

(3)受静荷载及间接动荷载作用,而计算温度等于或低于-30℃ 时的焊接结构。钢结构中,主要应用的是碳素钢Q235,即用Q235轧成的各种型材、板材和管材。Q235钢的强度、韧性和塑性以及可加工性能好,且冶炼方便、成本较低。由于Q235-D含有足够的形成细粒结构的元素,同时对硫、磷元素控制较严格,其冲击韧性好,抵抗振动、冲击荷载能力强,尤其在一定的负温条件下,较其他牌号更为合理。A级钢一般仅适用于承受静荷载作用的结构。 Q215钢强度低、塑性大、受力产生变形大,经冷加工后可代替Q235钢使用。Q275钢虽然强度高,但塑性较差,有时轧成带肋钢筋用于混凝土中。低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢是一种在碳素结构钢的基础上添加总量小于5%合金元素的钢材,具有强度高、塑性和低温冲击韧性好、耐腐蚀等特点。 牌号及其表示方法国标《低合金高强度结构钢》(GB1591-94)规定,低合金高强度结构钢以屈服点等级为主,划分成五个牌号,其表示方法如下:屈服点等级-质量等级屈服点等级:Q295、Q345、Q390、Q420、Q460质量等级:E、D、C、B、A 性能与应用由于合金元素的强化作用,使低合金结构钢不但具有较高的强度,且具有较好的塑性、韧性和可焊性。Q345钢的综合性能较好,是钢结构的常用牌号,Q390也是推荐使用的牌号。与碳素结构钢Q235相比,低合金高强度结构钢Q345的强度和承载力更高,并具有良好的承受动荷载和耐疲劳性能,但价格稍高。用低合金高强度结构钢代替碳素结构钢Q235可节省钢材15%~25%,并减轻结构的自重。低合金高强度结构钢广泛应用于钢结构和混凝土结构中,特别是大型结构、重型结构、大跨度结构、高层建筑、桥梁工程、承受动力荷载合冲击荷载的结构。

二、混凝土结构用钢
目前混凝土结构用钢主要有:热轧钢筋、冷拉热轧钢筋、冷拔低碳钢丝、冷轧带肋钢筋、热处理钢筋和预应力混凝土用钢丝及钢绞线。1、热轧钢筋混凝土结构用热轧钢筋应有较高的强度,具有一定的塑性、韧性、冷弯和可焊性。热轧钢筋主要有用Q235轧制的光圆钢筋和用合金钢轧制的带肋钢筋两类。热轧钢筋的标准国标《钢筋混凝土用热轧光圆钢筋》(GB13013-91)和《钢筋混凝土用热轧带肋钢筋》(GB1499-91)规定,按强度(屈服强度和抗拉强度)将钢筋分为四级。热轧直条圆钢筋为Ⅰ级,强度等级代号为R235;热轧带肋钢筋的级别为Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级,其强度等级代号为RL335、RL400、RL540; 2、热轧钢筋的选用普通混凝土废预应力钢筋可根据使用条件选用Ⅰ级钢筋或Ⅱ、Ⅲ级钢筋;预应力混凝土应优先选用Ⅳ级钢筋,也可选用Ⅲ级或Ⅱ级钢筋。热轧钢筋除Ⅰ级是光圆钢筋,其余为月牙肋或等高肋钢筋,粗糙的表面可提高混凝土与钢筋之间的握裹力。3、冷拉热轧钢筋将Ⅰ~Ⅳ级热轧钢筋,在常温下拉伸至超过屈服点的某一应力,然后卸荷,即制成了冷拉钢筋。冷拉可使屈服点提高17%~27%,材料变脆、屈服阶段变短,伸长率降低,冷拉时效后强度略有提高。生产中可将冷拉、除锈、调直、切断合并为一道工序,这样简化了流程,提高了效率;冷拉既可以节约钢材,有可以制成预应力钢筋,增加了品种规格,设备简单,易于操作,是钢筋冷加工的常用方法之一。

4、冷轧带肋钢筋冷轧带肋钢筋使用低碳钢热轧圆盘条经冷轧或冷拔减径后,在其表面冷轧成三面有肋的钢筋。国标《冷轧带肋钢筋》(GB13788-92)规定,冷轧带肋钢筋代号用LL表示,并按抗拉强度等计划分为三级:LL550、LL650、LL800,其直径一般为5、6、7、8、10mm,冷轧带肋钢筋克服了冷拉、冷拔钢筋握裹力低的缺点,同时具有和冷拉、冷拔相近的强度,因此在中、小型预应力混凝土结构构件和普通混凝土结构构件中得到了越来越广泛的应用 5、冷拔低碳钢丝冷拔低碳钢丝是将直径为6.5~8mm的Q235(或Q215)圆盘条通过截面小于钢筋截面的钨合金拔丝模而制成。冷拔钢丝不仅受拉、同时还将受到挤压作用,如图7-7所示。经受一次或多次的拔制而得的钢丝,其屈服强度可提高40%~60%,且已失去了低碳钢的性质,变得硬脆,属硬钢类钢丝,国标《混凝土结构工程施工及验收规范》(GB50204-92)规定,冷拔低碳钢丝按力学强度分为两极:甲级为预应力钢丝,乙级为非预应力钢丝。混凝土工厂自行冷拔时,应对钢丝的质量严格控制,对其外观要求分批抽样,表面不准锈蚀、油污、伤痕、皂渍、裂纹等,逐盘检查其力学、工艺性质并符合表9-11的规定。凡伸长率不合格者,不准用于预应力混凝土构件中。冷拔钢丝示意图(图9-7) 五)热处理钢筋热处理是指将钢材按一定规则加热、保温和冷却,以改变其组织,从而获得需要性能的一种工艺过程。

热处理钢筋是钢厂将热轧的带肋钢筋(中碳低合金钢)经淬火和高温回火调质处理而成的。其特点是塑性降低不大,但强度提高很多,综合性能比较理想。表9-12为国标(GB4463-84)规定的力学指标。热处理钢筋主要用于预应力混凝土轨枕,代替碳素钢丝。由于其具有制作方便,质量稳定、锚固性好、节省钢材等优点,以开始用于预应力混凝土工程中。 预应力混凝土用钢丝及钢绞线它们是钢厂用优质碳素结构钢经冷加工、再回火、冷轧或绞捻等加工而成的专用产品,也称为优质碳素钢丝及钢绞线。国标(GB5223-85)规定,预应力混凝土用钢丝分为:矫直回火钢丝、轿直回火刻痕钢丝和冷拉钢丝三种。钢丝直径有3、4、5mm三种规格,抗拉强度为1470~1670MPa,屈服点为1100~1410Mpa。钢绞线是由七根钢丝经绞捻热处理制成的,国标(GB5224-85)规定,钢绞线直径为9~15mm,破坏荷载达220KN,屈服荷载可达185KN。钢丝和钢绞线均具有强度高、塑性好,使用时不需要接头等优点,尤其适用于需要曲线配筋的预应力混凝土结构、大跨度或重荷载的屋架等。钢材的冷加工、时效及焊接 冷加工冷加工是指钢材在常温下进行的加工,建筑钢材常见的冷加工方式有:冷拉、冷拔、冷轧、冷扭、刻痕等。钢材在常温下超过弹性范围后,产生塑性变形,强度和硬度提高,塑性和韧性下降的现象称为冷加工强化。,钢材的应力应变曲线为OBKCD如图钢材的应力应变曲线(图7-7),若钢材被拉伸至K点时,放松拉力,则钢材将恢复至O`点,此时重新受拉后,其应力应变曲线将为O`KCD,新的屈服点将比原屈服点提高,但伸长率降低。在一定范围内,冷加工变形程度越大,屈服强度提高越多,塑性和韧性降低越多。 时效钢材随时间的延长,强度、硬度提高,而塑性、韧性下降的现象称为时效。钢材在自然条件下的时效是非常缓慢的,若经过冷加工或使用中经常受到振动、冲击荷载作用时,时效将迅速发展。钢材经冷加工后在常温下搁置15~20天或加热至100~200℃保持2h以内,钢材的屈服强度、抗拉强度及硬度都进一步提高,而塑性、韧性继续降低完成时效过程,前者称为自然时效,后者称为人工时效。如图9-8所示,经冷加工和时效后,其应力-应变曲线为O`K1C1D1,此时屈服强度(K1)和抗拉强度(C1)比时效前进一步提高。一般强度较低的钢材采用自然时效,而强度较高的钢材采用人工时效。 返回键

钢材的防锈蚀钢材表面与周围环境接触,在一定条件下,可发生作用而使钢材表面腐蚀。腐蚀不仅造成钢材受力截面减小,表面不平整导致应力集中,降低了钢材的承载能力;还会使疲劳强度大为降低,尤其是显著降低钢材的冲击韧性,使钢材脆断。混凝土中的钢筋腐蚀后,产生体积膨胀,使混凝土顺筋开裂。因此为了确保钢材不产生腐蚀,必须采取防腐措施。 钢筋腐蚀的原因根据钢材表面与周围介质的不同作用,一般把腐蚀分为下列两种。1、化学腐蚀由非电解质溶液或各种干燥介质(如O2、CO2、SO2、Cl2等)所引起的一种纯化学性质的腐蚀,无电流产生。这种腐蚀多数是氧化作用,在钢材的表面形成疏松的氧化物,在干燥的环境下进展很缓慢,但在温度和湿度较高的条件下,这种腐蚀进展很快。 电化学腐蚀钢材与电解质溶液相接触产生电流,形成原电池而发生的腐蚀称电化学腐蚀。钢材中含有铁素体、渗碳体、非金属夹杂物等,这些成分的电极电位不同,即活泼性不同,在电解质存在时,很容易形成原电池的两个极。钢材与潮湿介质空气、水、土壤接触时,表面覆盖一层水膜,水中溶有来至空气的各种离子,便形成了电解质。首先钢中的铁素体失去电子即Fe-Fe2+ +2e 成为阳极,渗碳体成为阴极。在酸性电解质中H+得到电子变成氢气跑掉;在中性介质中,由于氧的还原作用使水中含有OH-,随之生成不溶于水的Fe(OH)2;进一步氧化成Fe(OH)3及其脱水产物Fe2O3 ,即红褐色铁锈的主要成分。

钢材腐蚀的防止 防止钢材腐蚀的方法有三种:1、保护膜法用保护模使钢材与周围介质隔离,从而避免或减缓外界腐蚀性介质对钢材的破坏作用。例如在钢材的表面喷刷涂料、搪瓷、塑料等或以金属镀层作为保护膜,如锌、锡、铬等。 2、电化学保护法无电流保护法是在钢铁结构上接一块较钢铁更为活泼的金属如锌、镁,因为锌、镁比钢铁的电位低,所以锌、镁成为腐蚀电池的阳极遭到破坏(牺牲阳极),而钢铁结构得到保护。这种方法对于那些不容易或不能覆盖保护层的地方,如蒸汽锅炉、轮船外壳、地下管道、港口结构、道桥建筑等。 外加电流保护法是在钢铁结构附近,安放一些废钢铁或其他难熔金属,如高硅铁及铅银合金等,将外加直流电源的负极接在被保护的钢铁结构上,正极接在难熔的金属上,通电后者难熔金属成为阳极而被腐蚀,钢铁结构成为阴极得到保护。 3、合金化在碳钢中加入能提高抗腐蚀能力的合金元素,如镍、铬、钛、铜等制成不同的合金钢。防止混凝土中钢筋的腐蚀可以采用上述的方法,但最经济有效的方法使提高混凝土的密实度和碱度。并保证钢筋有足够的保护层厚度。 在水泥水化的产物中,由1/5左右的氢氧化钙产生,介质的PH值达到13左右,使钢筋的表面产生钝化膜,因此混凝土中的钢筋是不易生锈的。但大气中的CO2以扩散方式进入混凝土中,与氢氧化钙作用而使混凝土中性化。当PH值降低到11.5以下时钝化膜可能破坏,使钢材表面成活化状态,此时若具备潮湿和供氧条件,钢筋表面积开始发生电化学腐蚀作用,由于铁锈的体积比钢大2~4倍,这可导致混凝土顺筋开裂。由于二氧化碳是以扩散方式进入混凝土内部进行碳化的,所以提高混凝土的密实度就十分有效地减缓了碳化过程。因为Cl-有破坏钝化膜的作用,因此在配制钢筋混凝土时还应限制氯盐的使用量。 铝合金型材和制品 目前,世界各地工业发达国家在建筑装饰工程中,大量采用了铝合金门窗,铝合金柜台、货架,铝合金装饰板,铝合金吊顶等。现在,我国除门窗大量采用铝合金外,在建筑外墙贴面、外墙装饰、城市大型隔音壁、桥梁和街道广场的花圃栅栏、建筑回廊、轻便小型固定式移动式房屋、亭阁、特殊铝合金结构物、室内家具设备及各种内部装饰和配件等也都大量应用铝合金型材及其制品。

一、 铝合金型材 铝合金型材具有良好的 耐蚀性能,在工业气愤和海洋性气氛下,未经表面处理的铝合金的耐腐蚀能力优于其他合金材料,经涂漆和氧化着色后,铝合金的耐蚀性更高。 铝合金型材可进行热处理(一般为淬火和人工时效)强化。铝合金具有良好的机械加工性能,可用氩弧焊进行焊接,合金制品经阳极氧化着色处理后,可制成各种装饰颜色。

二、铝合金门窗及其他铝合金制品 1、铝合金门窗 铝合金门窗是将经表面处理的铝合金型材,经加工而制成的门窗构件。在建筑中采用铝合金门窗,尽管其造价比普通的钢门窗高3-4倍,但由于其长期维修费用低、性能好、可节约能源、特别是富有良好的装饰性,所以应用日益广泛。目前我国已有平开铝窗、推拉铝窗、平开铝门、平推拉式铝门、铝制地弹簧门等几十种系列投入市场。基本满足了我国城乡建设的需要。 2、铝合金装饰板 铝合金装饰板属于现代流行的建筑装饰材料,具有质量轻、不燃烧、耐久性好、施工方便、装饰华丽等优点,适用于公共建筑、室内外装饰饰面,产品颜色有本色、古铜色、金黄色、茶色等。 3、铝合金吊顶材料 铝合金吊顶材料有质轻、不锈蚀、美观等优点,适用于较高的室内吊顶。全套部件包括铝龙骨、铝平顶筋、铝天花板及相应吊挂件等。 4、专门的铝合金装饰制品 许多类型的棒、杆和其他的铝合金制品,可拼装成富有装饰性的栏杆、扶手、屏幕和格栅,能张开的铝合金片可用作装饰性的屏幕或遮阳帘。 (二)塑钢门窗 产量将达到4000-4500万平方米,重点 在三北采暖和沿海地区加强推广应用 。 塑钢门窗是以氯乙烯(PVC)树脂为主要原料,加工成型材,型材的空腔里填加钢衬(加强筋)。 型材壁厚应在2.5毫米以上。 塑钢门窗与铝合金门窗性能比较 抗风压强度:塑窗(1500~2500Pa)比铝窗(2500~350Pa)低2个等级。 气密性:塑窗和铝窗在同一个等级上(2.5~0.5m3/mh)。 保温性:能塑窗是铝窗的1.36倍(单层窗)和1.44倍(单框双玻窗)。 采光性能:塑窗遮光面积比铝窗大10%左右 。 隔声性能:塑窗与铝窗性能相似 防火性能、防雷和静电、装饰性:塑窗比铝窗差 塑窗存在老化问题 铝窗也存在变形问题 塑窗一般用于低层住宅。

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