建筑钢材的技术标准及选用

第六节　建筑钢材的技术标准及选用

土木建筑工程用钢分钢结构用钢和钢筋混凝土结构用钢两类，前者主要采用型钢和钢板，后者主要用钢筋和钢丝，二者钢制品所用的原料钢种均多为碳素钢和低合金钢。

一、建筑钢材的主要钢种

（一）碳素结构钢

根据国家标准GB／T　700—2006规定，我国碳素结构钢由氧气转炉或电炉冶炼，一般以热轧、控轧或正火状态交货。

1.碳素结构钢的牌号及其表示方法

按标准规定，我国碳素结构钢分四个牌号，即Q195、Q215、Q235和Q275。各牌号钢又按其硫、磷含量由多至少分为A、B、C、D四个质量等级。碳素结构钢的牌号表示按顺序由代表屈服点的字母（Q）、屈服点数值（N／mm²）、质量等级符号（A、B、C、D）、脱氧程度符号（F、Z、TZ）等四部分组成。例如Q235AF，它表示：屈服点为235 N／mm²的平炉或氧气转炉冶炼的A级沸腾碳素结构钢。当为镇静钢或特殊镇静钢时，则其牌号表示中“Z”或“TZ”符号可予以省略。

2.碳素结构钢的技术要求

按照标准GB／T　700—2006规定，碳素结构钢的技术要求如下：

（1）化学成分

各牌号碳素结构钢的化学成分应符合表2－1的规定。

表2－1　碳素结构钢的化学成分

注：＊残余元素含量具体要求见GB／T　700—2006　5.1。

（2）力学性能

钢材的拉伸和冲击试验结果应符合表2－2的规定，弯曲试验结果应符合表2－3的规定。

表2－2　钢材的拉伸和冲击性能

表2－3　钢材的冷弯性能

由表2－2和表2－3可知，碳素结构钢随着牌号的增大，其含碳量增加，强度提高，塑性和韧性降低，冷弯性能逐渐变差。

3.碳素结构钢的特性与选用

（1）碳素结构钢的特性及应用

土木建筑工程中常用的碳素结构钢牌号为Q235，由于其既具有较高的强度，又具有较好的塑性、韧性及可焊性，故能较好地满足一般钢结构和钢筋混凝土结构的用钢要求。Q195和Q215号钢塑性很好，但强度太低；而Q275号钢，强度很高，但塑性较差，因此均不适用。

　Q235号钢冶炼方便，成本较低，在建筑中应用广泛。由于塑性好，在结构中能保证在超载、冲击、焊接、温度应力等不利条件下的安全；并适于各种加工，大量被用作轧制各种型钢、钢板及钢筋；其力学性能稳定，对轧制、加热、急剧冷却时的敏感性较小。其中Q235－A级钢，一般仅适用于承受静荷载作用的结构，Q235－C和D级钢可用于重要的焊接结构。另外，由于Q235－D级钢含有足够的形成细晶粒结构的元素，同时对硫、磷有害元素控制严格，故其冲击韧性很好，具有较强的抗冲击、振动荷载的能力，尤其适宜在较低温度下使用。Q195和Q215号钢常用作生产一般使用的钢钉、铆钉、螺栓及铁丝等。Q275号钢多用于生产机械零件和工具等。

（2）碳素结构钢选用原则

在结构设计时，对于用作承重结构的钢材，应根据结构的重要性、荷载特征（动荷载或静荷载）、连接方法（焊接或铆接）、工作温度（正温或负温）等不同情况选择其钢号和材质。下列情况的承重结构不宜采用沸腾钢：

①焊接结构。重级工作制吊车梁、吊车桁架或类似结构；设计冬季计算温度等于或低于－20℃时的轻、中级工作制的吊车梁、吊车桁架或类似结构；设计冬季计算温度等于或低于－30℃时的其他承重结构。

②非焊接结构。设计冬季计算温度等于或低于－20℃时的重级工作制吊车梁、吊车桁架或类似的结构。

（二）优质碳素结构钢

1.优质碳素结构钢的分类

按冶金质量等级分为：优质钢、高级优质钢A、特级优质钢E。

按使用加工方法分为：（1）压力加工用钢UP，其中：热压力加工用钢U HP，顶锻用钢UF，冷拔坯料用钢UCD；（2）切削加工用钢UC。

2.优质碳素结构钢的牌号

根据国家标准《优质碳素结构钢》（GB／T　699—1999）的规定，共有31个牌号，其牌号由数字和字母两部分组成。前面两位数字表示平均碳含量的万分数；字母分别表示锰含量、冶金质量等级、脱氧程度。锰含量为0.25%～0.80%时，不注“Mn”；锰含量为0.70%～1.2%时，两位数字后加注“Mn”。如果是高级优质碳素结构钢，应加注“A”，如果是特级优质碳素结构钢，应加注“E”。对于沸腾钢，牌号后面为“F”；对于半镇静钢，牌号后面为“b”。例如：15F即表示碳含量为0.12%～0.18%，锰含量为0.25%～0.50%，冶金质量等级为优质，脱氧程度为沸腾状态的优质碳素结构钢。

优质碳素结构钢由氧气转炉或电炉冶炼，大部分为镇静钢，其特点是生产过程中对硫、磷等有害杂质控制严格，其力学性能主要取决于碳含量，碳含量高则强度也高，但塑性和韧性降低。

在土木工程中，优质碳素结构钢主要用于重要结构的钢铸件及高强螺栓，其常用钢号为30～45号钢；用作碳素钢丝、刻痕钢丝和钢绞线时通常采用65～80号钢。

（三）低合金高强度结构钢

1.低合金高强度结构钢的牌号

根据国家标准《低合金高强度结构钢》（GB／T　1591—2008）的规定，低合金高强度结构钢共有四个牌号，所加合金元素主要有锰（Mn）、硅（Si）、钒（V）、钛（Ti）、铌（Nb）、铬（Cr）、镍（Ni）及稀土元素。低合金高强度结构钢的牌号由代表屈服强度的汉语拼音字母（Q）、屈服强度数值和质量等级符号（分A、B、C、D、E五级）三个部分按顺序排列。

2.低合金高强度结构钢的性能及应用

由于合金元素的细晶强化和固深强化等作用，使低合金钢不仅具有较高的强度，而且也具有较好的塑性、韧性和可焊性。因此，它是综合性能较为理想的建筑钢材。低合金高强度结构钢主要用于轧制各种型钢（角钢、槽钢、工字钢）、钢板、钢管及钢筋，广泛用于钢结构和钢筋混凝土结构中，尤其是大跨度、承受动荷载和冲击荷载的结构物中更为适用。低合金高强度结构钢的力学性能见表2－4和表2－5。

表2－4　钢材的拉伸性能

续　表

表2－5　夏比（V形）冲击试验的试验温度和冲击吸收能量

续　表

当需方要求做弯曲试验时，弯曲试验应符合表2－6的规定。当供方保证弯曲合格时，可不做弯曲试验。

表2－6　弯曲试验

二、钢筋混凝土结构用钢

（一）钢筋混凝土用热轧钢筋

钢筋混凝土用热轧钢筋，根据其表面状态特征分为光圆钢筋和带肋钢筋两类，带肋钢筋又分月牙肋和等高肋两种，见图2－14。

图2－14　带肋钢筋

根据《钢筋混凝土用钢　第1部分：热轧光圆钢筋》（GB　1499.1—2008）、《低碳钢热轧圆盘条》（GB／T　701—2008）和《钢筋混凝土用钢　第2部分：热轧带肋钢筋》（GB　1499.2—2007）的规定，热轧光圆钢筋级别为Ⅰ级，强度等级代号为HPB235。热轧带肋钢筋分为普通热轧钢筋HRB335、HRB400、HRB500和细晶粒热轧钢筋HRBF335、HRBF400、HRBF500共六个牌号。热轧钢筋的力学和工艺性能要求见表2－7和表2－8所示。建筑用低碳钢热轧盘条光圆钢筋的力学性能和工艺性能应符合表2－9的要求。按标准规定，钢筋拉伸、冷弯试验时，试样不允许进行车削加工，计算钢筋强度用截面面积应采用其公称横截面面积。

表2－7　热轧钢筋的力学性能

按表2－8规定的弯芯直径弯曲180°后，钢筋受弯曲部位表面不得产生裂纹。

表2－8　弯曲性能　单位：mm

钢筋的屈服强度R_el、抗拉强度R_m、断后伸长率A、最大力总伸长率A_gt等力学性能特征值应符合表2－9的规定，表中所列各力学性能特征值，可作为交货检验的最小保证值。

表2－9　低碳钢热轧盘条光圆钢筋的力学和工艺性能

热轧光圆钢筋是用HPB235或HPB300碳素结构钢热轧成型，其强度较低，塑性及焊接性能好，伸长率高，便于弯折成形和进行各种冷加工，广泛用于普通中小型钢筋混凝土结构的主要受力钢筋和各种钢筋混凝土结构的箍筋等。

热轧带肋钢筋是用低合金镇静钢轧制成的钢筋，因表面带肋，加强了钢筋与混凝土之间的黏结力，其中，HRB335和HRB400强度较高，塑性和焊接性能也较好，广泛用于大、中型钢筋混凝土结构的受力钢筋，HRB500强度高，但塑性和焊接性能较差，可用作预应力钢筋。

细晶粒热轧钢筋，是在热轧过程中，通过控轧和控冷工艺形成的细晶粒钢筋，外形与普通低合金热轧带肋钢筋相同。细晶粒热轧钢筋应做晶粒度检验，其晶粒度不粗于9级。晶粒细化是在提高强度的同时又能改善韧性的有效手段，但细晶化降低了钢的强屈比，同时焊接过程的高温也将导致焊接热影响区晶粒长大。目前细晶粒热轧钢筋在一些重点工程上已经应用，如国家大剧院、北京西直门交通枢纽工程等。

（二）预应力混凝土用钢棒

根据国家标准《预应力混凝土用钢棒》（GB／T　5223.3—2005），预应力混凝土用钢棒（代号PCB）是用低合金钢热轧圆盘条经冷加工后（或不经冷加工）淬火和回火所得。按钢棒表面形状分为光圆钢棒（代号P）、螺旋槽钢棒（代号HG）、螺旋肋钢棒（代号HR）、带肋钢棒（代号R）四种。

产品标记应含下列内容：预应力钢棒、公称直径、公称抗拉强度、代号、延性级别（延性35或延性25）、松弛（N或L）、标准号。例如：公称直径为9 mm，公称抗拉强度为1420MPa，35级延性，低松弛预应力混凝土用螺旋槽钢棒，其标记为：PCB9－1420－35－LHG－GB／T5223.3。

预应力混凝土用钢棒的公称直径、横截面积及性能应符合表2－10的要求，伸长特性应符合表2－11的要求。

表2－10　预应力混凝土用钢棒的公称直径、横截面积及性能

续　表

表2－11　预应力混凝土用钢棒的伸长特性要求

注：①日常检验可用断后伸长率，仲裁试验以最大力总伸长率为准。

②最大力伸长率标距L₀＝200 mm。

③断后伸长率标距L₀为钢棒公称直径的8倍，L₀＝8　d_n。

预应力混凝土用钢棒的优点是：强度高，可代替高强钢丝使用；配筋根数少，节约钢材；锚固性好，不易打滑，预应力值稳定；施工简便，开盘后钢筋自然伸直，不需调直及焊接。主要用于预应力钢筋混凝土轨枕，也用于预应力梁、板结构及吊车梁等。

（三）冷轧带肋钢筋

图2－15　冷轧带肋钢筋横截面上月牙肋分布情况

冷轧带肋钢筋是采用热轧圆盘条为母材，经冷轧减径后在其表面冷轧成带有沿长度方向均匀分布的二面或三面横肋的钢筋。肋呈月牙形，二面或三面肋均应沿钢筋横截面周圈上均匀分布（如图2－15），且其中有一面的肋必须与另一面或另两面的肋反向。冷轧带肋钢筋是热轧圆盘钢筋的深加工产品，是一种新型高效建筑钢材。

根据国家标准《冷轧带肋钢筋》（GB　13788—2008）规定，其按抗拉强度最小值可分为四级牌号，即CRB550、CRB650、CRB800、CRB970，其中C、R、B分别表示“冷轧”、“带肋”、“钢筋”的英文首位字母，数字表示钢筋抗拉强度最小数值。CRB550为普通钢筋混凝土用钢筋，其他牌号为预应力混凝土用钢筋。

CRB550钢筋的公称直径范围为4～12 mm，CRB650及以上牌号钢筋的公称直径为4 mm、5 mm、6 mm。制造冷轧带肋钢筋的盘条应符合GB／T　701和GB／T　4354或其他有关标准的规定，其力学性能和工艺性能应符合表2－12的要求。反复弯曲试验的弯曲半径见表2－13。

表2－12　冷轧带肋钢筋的力学性能和工艺性能

注：表中D为弯心直径，d为钢筋公称直径。

表2－13　反复弯曲试验的弯曲半径

冷轧带肋钢筋的肋高、肋宽和肋距是其外形尺寸的主要控制参数，其质量偏差则是重要指标之一。由于二面或三面有肋的钢筋无法测定其内径，故控制其质量偏差即等于控制了平均直径。冷轧带肋钢筋为冷加工状态交货，允许冷轧后进行低温回火处理。钢筋通常按盘卷交货，CRB550钢筋也可按直条交货；直条钢筋每米弯曲度不大于4 mm，总弯曲度不大于钢筋全长的0.4%；盘卷钢筋质量不小于100 kg，每盘由一根组成，CRB650及以上牌号钢筋不得有焊接接头。钢筋表面不得有裂纹、折叠、结疤、油污及其他影响使用的缺陷。表面不得有锈皮及肉眼可见的麻坑等腐蚀现象。钢筋应轧上明显的级别标志。

冷轧带肋钢筋具有以下优点：

（1）强度高、塑性好，综合力学性能优良。抗拉强度大于550 MPa，伸长率可大于4%。

（2）握裹力强。混凝土对冷轧带肋钢筋的握裹力为同直径冷拔钢丝的3～6倍。同时由于塑性较好，大大提高了构件的整体强度和抗震能力。

（3）节约钢材，降低成本。以冷轧带肋钢筋代替Ⅰ级钢筋用于普通钢筋混凝土构件（如现浇楼板），可节约钢材30%以上。

（4）提高构件整体质量，改善构件的延性，避免“抽丝”现象。用冷轧带肋钢筋制作的预应力空心楼板，其强度、抗裂度均明显优于用冷拔低碳钢丝制作的构件。

根据行业标准《冷轧带肋钢筋混凝土结构技术规程》（JGJ　95—2011），钢筋混凝土结构及预应力混凝土结构中的冷轧带肋钢筋，可按下列规定选用：CRB550、CRB600H钢筋宜用作钢筋混凝土结构构件中的受力钢筋、钢筋焊接网、箍筋、构造钢筋以及预应力混凝土结构中的非预应力钢筋。CRB650及以上牌号钢筋宜用作预应力混凝土结构构件中的预应力筋。

（四）预应力混凝土用钢丝及钢绞线

大型预应力混凝土构件，由于受力很大，常采用高强度钢丝或钢绞线作为主要受力筋。预应力混凝土用钢丝是以优质碳素结构钢盘条，经淬火、回火等调质处理后，再经冷加工制得的钢丝，此称冷拉钢丝。钢绞线则由数根冷拉钢丝捻制而成。

根据《预应力混凝土用钢丝》（GB／T　5223—2002）规定：预应力混凝土用钢丝按加工状态分为冷拉钢丝（代号为WCD）和消除应力钢丝两种。消除应力钢丝按松弛性能又分为低松弛级钢丝（代号为WLC）和普通松弛级钢丝（代号为WNR）；按外形分为光圆钢丝（代号为P）、螺旋肋钢丝（代号为H）和刻痕钢丝（代号为I）三种。

低松弛钢丝是冷拉钢丝在塑性变形下（轴应变）进行短时热处理后而得的，普通松弛钢丝是钢丝通过矫直工序后在适当温度下进行短时热处理后而制成。

根据GB／T　5223—2002规定，冷拉钢丝的公称直径有3.00 mm、4.00 mm、5.00 mm、6.00 mm、7.00 mm、8.00 mm等6种；消除应力光圆及螺旋肋钢丝的公称直径为4～12 mm，共10种；它们的抗拉强度σ_b达1470 MPa以上，弹性模量为（205±10）GPa。

预应力混凝土用钢丝具有强度高、柔性好、无接头等优点。施工简便，不需冷拉、焊接接头等加工，而且质量稳定、安全可靠。主要用于大跨度预应力混凝土屋架及薄腹梁、大跨度吊车梁、桥梁、电杆、轨枕等的预应力钢筋。

根据《预应力混凝土用钢绞线》（GB／T　5224—2003）的规定，钢绞线按结构分为5类：用两根冷拉钢丝捻制的钢绞线（代号为1×2），用三根钢丝捻制的钢绞线（代号为1×3），用三根刻痕钢丝捻制的钢绞线（代号为1×3I），用七根钢丝捻制的标准型钢绞线（代号为1×7），用七根钢丝捻制又经模拔的钢绞线（代号为（1×7）C）。整根钢绞线的最大拉力可达384 kN以上，规定非比例延伸力值不小于整根钢绞线公称最大拉力的90%。

钢绞线主要用于大跨度、大负荷的后张法预应力混凝土屋架、桥梁和薄腹梁等结构的预应力钢筋。