第六節(jié)　建筑鋼材的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及選用

土木建筑工程用鋼分鋼結(jié)構(gòu)用鋼和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)用鋼兩類，前者主要采用型鋼和鋼板，后者主要用鋼筋和鋼絲，二者鋼制品所用的原料鋼種均多為碳素鋼和低合金鋼。

一、建筑鋼材的主要鋼種

（一）碳素結(jié)構(gòu)鋼

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB／T　700—2006規(guī)定，我國碳素結(jié)構(gòu)鋼由氧氣轉(zhuǎn)爐或電爐冶煉，一般以熱軋、控軋或正火狀態(tài)交貨。

1.碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號及其表示方法

按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，我國碳素結(jié)構(gòu)鋼分四個牌號，即Q195、Q215、Q235和Q275。各牌號鋼又按其硫、磷含量由多至少分為A、B、C、D四個質(zhì)量等級。碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號表示按順序由代表屈服點的字母（Q）、屈服點數(shù)值（N／mm²）、質(zhì)量等級符號（A、B、C、D）、脫氧程度符號（F、Z、TZ）等四部分組成。例如Q235AF，它表示：屈服點為235 N／mm²的平爐或氧氣轉(zhuǎn)爐冶煉的A級沸騰碳素結(jié)構(gòu)鋼。當(dāng)為鎮(zhèn)靜鋼或特殊鎮(zhèn)靜鋼時，則其牌號表示中“Z”或“TZ”符號可予以省略。

2.碳素結(jié)構(gòu)鋼的技術(shù)要求

按照標(biāo)準(zhǔn)GB／T　700—2006規(guī)定，碳素結(jié)構(gòu)鋼的技術(shù)要求如下：

（1）化學(xué)成分

各牌號碳素結(jié)構(gòu)鋼的化學(xué)成分應(yīng)符合表2－1的規(guī)定。

表2－1　碳素結(jié)構(gòu)鋼的化學(xué)成分

注：＊殘余元素含量具體要求見GB／T　700—2006　5.1。

（2）力學(xué)性能

鋼材的拉伸和沖擊試驗結(jié)果應(yīng)符合表2－2的規(guī)定，彎曲試驗結(jié)果應(yīng)符合表2－3的規(guī)定。

表2－2　鋼材的拉伸和沖擊性能

表2－3　鋼材的冷彎性能

由表2－2和表2－3可知，碳素結(jié)構(gòu)鋼隨著牌號的增大，其含碳量增加，強度提高，塑性和韌性降低，冷彎性能逐漸變差。

3.碳素結(jié)構(gòu)鋼的特性與選用

（1）碳素結(jié)構(gòu)鋼的特性及應(yīng)用

土木建筑工程中常用的碳素結(jié)構(gòu)鋼牌號為Q235，由于其既具有較高的強度，又具有較好的塑性、韌性及可焊性，故能較好地滿足一般鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的用鋼要求。Q195和Q215號鋼塑性很好，但強度太低；而Q275號鋼，強度很高，但塑性較差，因此均不適用。

　Q235號鋼冶煉方便，成本較低，在建筑中應(yīng)用廣泛。由于塑性好，在結(jié)構(gòu)中能保證在超載、沖擊、焊接、溫度應(yīng)力等不利條件下的安全；并適于各種加工，大量被用作軋制各種型鋼、鋼板及鋼筋；其力學(xué)性能穩(wěn)定，對軋制、加熱、急劇冷卻時的敏感性較小。其中Q235－A級鋼，一般僅適用于承受靜荷載作用的結(jié)構(gòu)，Q235－C和D級鋼可用于重要的焊接結(jié)構(gòu)。另外，由于Q235－D級鋼含有足夠的形成細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)的元素，同時對硫、磷有害元素控制嚴(yán)格，故其沖擊韌性很好，具有較強的抗沖擊、振動荷載的能力，尤其適宜在較低溫度下使用。Q195和Q215號鋼常用作生產(chǎn)一般使用的鋼釘、鉚釘、螺栓及鐵絲等。Q275號鋼多用于生產(chǎn)機械零件和工具等。

（2）碳素結(jié)構(gòu)鋼選用原則

在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，對于用作承重結(jié)構(gòu)的鋼材，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的重要性、荷載特征（動荷載或靜荷載）、連接方法（焊接或鉚接）、工作溫度（正溫或負(fù)溫）等不同情況選擇其鋼號和材質(zhì)。下列情況的承重結(jié)構(gòu)不宜采用沸騰鋼：

①焊接結(jié)構(gòu)。重級工作制吊車梁、吊車桁架或類似結(jié)構(gòu)；設(shè)計冬季計算溫度等于或低于－20℃時的輕、中級工作制的吊車梁、吊車桁架或類似結(jié)構(gòu)；設(shè)計冬季計算溫度等于或低于－30℃時的其他承重結(jié)構(gòu)。

②非焊接結(jié)構(gòu)。設(shè)計冬季計算溫度等于或低于－20℃時的重級工作制吊車梁、吊車桁架或類似的結(jié)構(gòu)。

（二）優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼

1.優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的分類

按冶金質(zhì)量等級分為：優(yōu)質(zhì)鋼、高級優(yōu)質(zhì)鋼A、特級優(yōu)質(zhì)鋼E。

按使用加工方法分為：（1）壓力加工用鋼UP，其中：熱壓力加工用鋼U HP，頂鍛用鋼UF，冷拔坯料用鋼UCD；（2）切削加工用鋼UC。

2.優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》（GB／T　699—1999）的規(guī)定，共有31個牌號，其牌號由數(shù)字和字母兩部分組成。前面兩位數(shù)字表示平均碳含量的萬分?jǐn)?shù)；字母分別表示錳含量、冶金質(zhì)量等級、脫氧程度。錳含量為0.25%～0.80%時，不注“Mn”；錳含量為0.70%～1.2%時，兩位數(shù)字后加注“Mn”。如果是高級優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，應(yīng)加注“A”，如果是特級優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，應(yīng)加注“E”。對于沸騰鋼，牌號后面為“F”；對于半鎮(zhèn)靜鋼，牌號后面為“b”。例如：15F即表示碳含量為0.12%～0.18%，錳含量為0.25%～0.50%，冶金質(zhì)量等級為優(yōu)質(zhì)，脫氧程度為沸騰狀態(tài)的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。

優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼由氧氣轉(zhuǎn)爐或電爐冶煉，大部分為鎮(zhèn)靜鋼，其特點是生產(chǎn)過程中對硫、磷等有害雜質(zhì)控制嚴(yán)格，其力學(xué)性能主要取決于碳含量，碳含量高則強度也高，但塑性和韌性降低。

在土木工程中，優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼主要用于重要結(jié)構(gòu)的鋼鑄件及高強螺栓，其常用鋼號為30～45號鋼；用作碳素鋼絲、刻痕鋼絲和鋼絞線時通常采用65～80號鋼。

（三）低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼

1.低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼的牌號

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼》（GB／T　1591—2008）的規(guī)定，低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼共有四個牌號，所加合金元素主要有錳（Mn）、硅（Si）、釩（V）、鈦（Ti）、鈮（Nb）、鉻（Cr）、鎳（Ni）及稀土元素。低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼的牌號由代表屈服強度的漢語拼音字母（Q）、屈服強度數(shù)值和質(zhì)量等級符號（分A、B、C、D、E五級）三個部分按順序排列。

2.低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼的性能及應(yīng)用

由于合金元素的細(xì)晶強化和固深強化等作用，使低合金鋼不僅具有較高的強度，而且也具有較好的塑性、韌性和可焊性。因此，它是綜合性能較為理想的建筑鋼材。低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼主要用于軋制各種型鋼（角鋼、槽鋼、工字鋼）、鋼板、鋼管及鋼筋，廣泛用于鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，尤其是大跨度、承受動荷載和沖擊荷載的結(jié)構(gòu)物中更為適用。低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼的力學(xué)性能見表2－4和表2－5。

表2－4　鋼材的拉伸性能

續(xù)　表

表2－5　夏比（V形）沖擊試驗的試驗溫度和沖擊吸收能量

續(xù)　表

當(dāng)需方要求做彎曲試驗時，彎曲試驗應(yīng)符合表2－6的規(guī)定。當(dāng)供方保證彎曲合格時，可不做彎曲試驗。

表2－6　彎曲試驗

二、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)用鋼

（一）鋼筋混凝土用熱軋鋼筋

鋼筋混凝土用熱軋鋼筋，根據(jù)其表面狀態(tài)特征分為光圓鋼筋和帶肋鋼筋兩類，帶肋鋼筋又分月牙肋和等高肋兩種，見圖2－14。

圖2－14　帶肋鋼筋

根據(jù)《鋼筋混凝土用鋼　第1部分：熱軋光圓鋼筋》（GB　1499.1—2008）、《低碳鋼熱軋圓盤條》（GB／T　701—2008）和《鋼筋混凝土用鋼　第2部分：熱軋帶肋鋼筋》（GB　1499.2—2007）的規(guī)定，熱軋光圓鋼筋級別為Ⅰ級，強度等級代號為HPB235。熱軋帶肋鋼筋分為普通熱軋鋼筋HRB335、HRB400、HRB500和細(xì)晶粒熱軋鋼筋HRBF335、HRBF400、HRBF500共六個牌號。熱軋鋼筋的力學(xué)和工藝性能要求見表2－7和表2－8所示。建筑用低碳鋼熱軋盤條光圓鋼筋的力學(xué)性能和工藝性能應(yīng)符合表2－9的要求。按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，鋼筋拉伸、冷彎試驗時，試樣不允許進(jìn)行車削加工，計算鋼筋強度用截面面積應(yīng)采用其公稱橫截面面積。

表2－7　熱軋鋼筋的力學(xué)性能

按表2－8規(guī)定的彎芯直徑彎曲180°后，鋼筋受彎曲部位表面不得產(chǎn)生裂紋。

表2－8　彎曲性能　單位：mm

鋼筋的屈服強度R_el、抗拉強度R_m、斷后伸長率A、最大力總伸長率A_gt等力學(xué)性能特征值應(yīng)符合表2－9的規(guī)定，表中所列各力學(xué)性能特征值，可作為交貨檢驗的最小保證值。

表2－9　低碳鋼熱軋盤條光圓鋼筋的力學(xué)和工藝性能

熱軋光圓鋼筋是用HPB235或HPB300碳素結(jié)構(gòu)鋼熱軋成型，其強度較低，塑性及焊接性能好，伸長率高，便于彎折成形和進(jìn)行各種冷加工，廣泛用于普通中小型鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的主要受力鋼筋和各種鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的箍筋等。

熱軋帶肋鋼筋是用低合金鎮(zhèn)靜鋼軋制成的鋼筋，因表面帶肋，加強了鋼筋與混凝土之間的黏結(jié)力，其中，HRB335和HRB400強度較高，塑性和焊接性能也較好，廣泛用于大、中型鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的受力鋼筋，HRB500強度高，但塑性和焊接性能較差，可用作預(yù)應(yīng)力鋼筋。

細(xì)晶粒熱軋鋼筋，是在熱軋過程中，通過控軋和控冷工藝形成的細(xì)晶粒鋼筋，外形與普通低合金熱軋帶肋鋼筋相同。細(xì)晶粒熱軋鋼筋應(yīng)做晶粒度檢驗，其晶粒度不粗于9級。晶粒細(xì)化是在提高強度的同時又能改善韌性的有效手段，但細(xì)晶化降低了鋼的強屈比，同時焊接過程的高溫也將導(dǎo)致焊接熱影響區(qū)晶粒長大。目前細(xì)晶粒熱軋鋼筋在一些重點工程上已經(jīng)應(yīng)用，如國家大劇院、北京西直門交通樞紐工程等。

（二）預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼棒

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼棒》（GB／T　5223.3—2005），預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼棒（代號PCB）是用低合金鋼熱軋圓盤條經(jīng)冷加工后（或不經(jīng)冷加工）淬火和回火所得。按鋼棒表面形狀分為光圓鋼棒（代號P）、螺旋槽鋼棒（代號HG）、螺旋肋鋼棒（代號HR）、帶肋鋼棒（代號R）四種。

產(chǎn)品標(biāo)記應(yīng)含下列內(nèi)容：預(yù)應(yīng)力鋼棒、公稱直徑、公稱抗拉強度、代號、延性級別（延性35或延性25）、松弛（N或L）、標(biāo)準(zhǔn)號。例如：公稱直徑為9 mm，公稱抗拉強度為1420MPa，35級延性，低松弛預(yù)應(yīng)力混凝土用螺旋槽鋼棒，其標(biāo)記為：PCB9－1420－35－LHG－GB／T5223.3。

預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼棒的公稱直徑、橫截面積及性能應(yīng)符合表2－10的要求，伸長特性應(yīng)符合表2－11的要求。

表2－10　預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼棒的公稱直徑、橫截面積及性能

續(xù)　表

表2－11　預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼棒的伸長特性要求

注：①日常檢驗可用斷后伸長率，仲裁試驗以最大力總伸長率為準(zhǔn)。

②最大力伸長率標(biāo)距L₀＝200 mm。

③斷后伸長率標(biāo)距L₀為鋼棒公稱直徑的8倍，L₀＝8　d_n。

預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼棒的優(yōu)點是：強度高，可代替高強鋼絲使用；配筋根數(shù)少，節(jié)約鋼材；錨固性好，不易打滑，預(yù)應(yīng)力值穩(wěn)定；施工簡便，開盤后鋼筋自然伸直，不需調(diào)直及焊接。主要用于預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土軌枕，也用于預(yù)應(yīng)力梁、板結(jié)構(gòu)及吊車梁等。

（三）冷軋帶肋鋼筋

圖2－15　冷軋帶肋鋼筋橫截面上月牙肋分布情況

冷軋帶肋鋼筋是采用熱軋圓盤條為母材，經(jīng)冷軋減徑后在其表面冷軋成帶有沿長度方向均勻分布的二面或三面橫肋的鋼筋。肋呈月牙形，二面或三面肋均應(yīng)沿鋼筋橫截面周圈上均勻分布（如圖2－15），且其中有一面的肋必須與另一面或另兩面的肋反向。冷軋帶肋鋼筋是熱軋圓盤鋼筋的深加工產(chǎn)品，是一種新型高效建筑鋼材。

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《冷軋帶肋鋼筋》（GB　13788—2008）規(guī)定，其按抗拉強度最小值可分為四級牌號，即CRB550、CRB650、CRB800、CRB970，其中C、R、B分別表示“冷軋”、“帶肋”、“鋼筋”的英文首位字母，數(shù)字表示鋼筋抗拉強度最小數(shù)值。CRB550為普通鋼筋混凝土用鋼筋，其他牌號為預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼筋。

CRB550鋼筋的公稱直徑范圍為4～12 mm，CRB650及以上牌號鋼筋的公稱直徑為4 mm、5 mm、6 mm。制造冷軋帶肋鋼筋的盤條應(yīng)符合GB／T　701和GB／T　4354或其他有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，其力學(xué)性能和工藝性能應(yīng)符合表2－12的要求。反復(fù)彎曲試驗的彎曲半徑見表2－13。

表2－12　冷軋帶肋鋼筋的力學(xué)性能和工藝性能

注：表中D為彎心直徑，d為鋼筋公稱直徑。

表2－13　反復(fù)彎曲試驗的彎曲半徑

冷軋帶肋鋼筋的肋高、肋寬和肋距是其外形尺寸的主要控制參數(shù)，其質(zhì)量偏差則是重要指標(biāo)之一。由于二面或三面有肋的鋼筋無法測定其內(nèi)徑，故控制其質(zhì)量偏差即等于控制了平均直徑。冷軋帶肋鋼筋為冷加工狀態(tài)交貨，允許冷軋后進(jìn)行低溫回火處理。鋼筋通常按盤卷交貨，CRB550鋼筋也可按直條交貨；直條鋼筋每米彎曲度不大于4 mm，總彎曲度不大于鋼筋全長的0.4%；盤卷鋼筋質(zhì)量不小于100 kg，每盤由一根組成，CRB650及以上牌號鋼筋不得有焊接接頭。鋼筋表面不得有裂紋、折疊、結(jié)疤、油污及其他影響使用的缺陷。表面不得有銹皮及肉眼可見的麻坑等腐蝕現(xiàn)象。鋼筋應(yīng)軋上明顯的級別標(biāo)志。

冷軋帶肋鋼筋具有以下優(yōu)點：

（1）強度高、塑性好，綜合力學(xué)性能優(yōu)良?？估瓘姸却笥?50 MPa，伸長率可大于4%。

（2）握裹力強?；炷翆滠垘Ю咪摻畹奈展橥睆嚼浒武摻z的3～6倍。同時由于塑性較好，大大提高了構(gòu)件的整體強度和抗震能力。

（3）節(jié)約鋼材，降低成本。以冷軋帶肋鋼筋代替Ⅰ級鋼筋用于普通鋼筋混凝土構(gòu)件（如現(xiàn)澆樓板），可節(jié)約鋼材30%以上。

（4）提高構(gòu)件整體質(zhì)量，改善構(gòu)件的延性，避免“抽絲”現(xiàn)象。用冷軋帶肋鋼筋制作的預(yù)應(yīng)力空心樓板，其強度、抗裂度均明顯優(yōu)于用冷拔低碳鋼絲制作的構(gòu)件。

根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《冷軋帶肋鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ　95—2011），鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中的冷軋帶肋鋼筋，可按下列規(guī)定選用：CRB550、CRB600H鋼筋宜用作鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件中的受力鋼筋、鋼筋焊接網(wǎng)、箍筋、構(gòu)造鋼筋以及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中的非預(yù)應(yīng)力鋼筋。CRB650及以上牌號鋼筋宜用作預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件中的預(yù)應(yīng)力筋。

（四）預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絲及鋼絞線

大型預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件，由于受力很大，常采用高強度鋼絲或鋼絞線作為主要受力筋。預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絲是以優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼盤條，經(jīng)淬火、回火等調(diào)質(zhì)處理后，再經(jīng)冷加工制得的鋼絲，此稱冷拉鋼絲。鋼絞線則由數(shù)根冷拉鋼絲捻制而成。

根據(jù)《預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絲》（GB／T　5223—2002）規(guī)定：預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絲按加工狀態(tài)分為冷拉鋼絲（代號為WCD）和消除應(yīng)力鋼絲兩種。消除應(yīng)力鋼絲按松弛性能又分為低松弛級鋼絲（代號為WLC）和普通松弛級鋼絲（代號為WNR）；按外形分為光圓鋼絲（代號為P）、螺旋肋鋼絲（代號為H）和刻痕鋼絲（代號為I）三種。

低松弛鋼絲是冷拉鋼絲在塑性變形下（軸應(yīng)變）進(jìn)行短時熱處理后而得的，普通松弛鋼絲是鋼絲通過矯直工序后在適當(dāng)溫度下進(jìn)行短時熱處理后而制成。

根據(jù)GB／T　5223—2002規(guī)定，冷拉鋼絲的公稱直徑有3.00 mm、4.00 mm、5.00 mm、6.00 mm、7.00 mm、8.00 mm等6種；消除應(yīng)力光圓及螺旋肋鋼絲的公稱直徑為4～12 mm，共10種；它們的抗拉強度σ_b達(dá)1470 MPa以上，彈性模量為（205±10）GPa。

預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絲具有強度高、柔性好、無接頭等優(yōu)點。施工簡便，不需冷拉、焊接接頭等加工，而且質(zhì)量穩(wěn)定、安全可靠。主要用于大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土屋架及薄腹梁、大跨度吊車梁、橋梁、電桿、軌枕等的預(yù)應(yīng)力鋼筋。

根據(jù)《預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絞線》（GB／T　5224—2003）的規(guī)定，鋼絞線按結(jié)構(gòu)分為5類：用兩根冷拉鋼絲捻制的鋼絞線（代號為1×2），用三根鋼絲捻制的鋼絞線（代號為1×3），用三根刻痕鋼絲捻制的鋼絞線（代號為1×3I），用七根鋼絲捻制的標(biāo)準(zhǔn)型鋼絞線（代號為1×7），用七根鋼絲捻制又經(jīng)模拔的鋼絞線（代號為（1×7）C）。整根鋼絞線的最大拉力可達(dá)384 kN以上，規(guī)定非比例延伸力值不小于整根鋼絞線公稱最大拉力的90%。

鋼絞線主要用于大跨度、大負(fù)荷的后張法預(yù)應(yīng)力混凝土屋架、橋梁和薄腹梁等結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力鋼筋。