淺析建筑工程中的鋼材選用與防護問題

王浩　蔣恩科　何乾

摘要：本文在大量收集資料，查閱建筑工程書籍的基礎上，對當前建筑工程的鋼材選用和防護問題做出了簡要分析，內容涵蓋了建筑鋼材力學、工藝、耐久性三大性能，最后在選用鋼材后，分析了鋼材的耐久性提升方法。

關鍵詞：建筑工程；鋼材；應用

引言

建筑工程中所用到的各類鋼材統稱為建筑鋼材，是一種在嚴格技術質量條件下生產的材料，具有材質均勻密實，強度硬度高，塑性韌性佳，能進行切割、焊接、栓接、鉚接，可承受較大沖擊荷載和振動荷載等諸多優點。由于鋼材的這些優點，使得鋼材不僅適用于一般的建筑工程，更廣泛適用于大跨度結構和高層建筑中。鋼材料發展至今，種類繁多，各種鋼材的技術性能（拉伸性能、冷彎性能、沖擊韌性、硬度、可焊性以及耐銹蝕和防火性能等等）有很大差異，對應不同的建筑結構，合理選用適合的鋼材，是一門技術問題。所以，我們要了解各種鋼材的性能特征，做到在結構設計和施工中對癥下藥，恰當地應用鋼材，增加建筑結構的穩定性和耐久性。

1鋼材的發展

鋼材經過多年的發展，目前種類十分繁多，鋼技術也是目前發展成熟的技術，鋼材已經成為我們社會生產的必備材料。按化學成分不同，鋼材分為碳素鋼（含碳量0.02%～2.06%）和合金鋼。合金鋼是指在碳素鋼中加入一定含量的合金元素而制成的鋼，按合金元素的含量不同，合金鋼又可以分為低合金鋼（合金元素總含量小于5%）、中合金鋼（合金元素總含量在5%到10%）和高合金鋼（合金元素總含量大于10%）。按鋼材冶煉方式不同，分為氧氣轉爐鋼、平爐鋼和電爐鋼。按脫氧程度不同，分為沸騰鋼、半鎮靜鋼、鎮靜鋼和特殊鎮靜鋼。按鋼材內部雜質含量不同，分為普通鋼、優質鋼和高級優質鋼。按用途分，還可以分為結構鋼、工具鋼、專用鋼和特殊性能鋼。按外形不同，亦可分為圓鋼、角鋼、板鋼、工字鋼、鋼管、槽鋼、H型鋼、鋼筋、鋼絲和鋼絞線等。

2技術性能及選用

鋼材的性能主要有力學性能（拉伸性能、沖擊韌性、硬度）、工藝性能（耐疲勞性、可焊性、彎曲性能）和耐久性（抗銹蝕、防火）。

2.1拉伸性能

鋼材的拉伸性能是建筑鋼材最常用也最重要的技術指標，通過拉伸試驗，可以得到鋼材的彈性模量E。彈性模量E的大小反映鋼材抗變形的能力，彈性模量越大，鋼材產生相同變形時所需要的應力值也就越大。拉伸試驗中最重要的幾個技術指標是屈服強度、抗拉強度、屈強比和伸長率。屈強比是屈服強度與抗拉強度的比值，它能反映鋼材利用率和結構安全可靠度，在工程中，需要在不浪費鋼材的情況下適當減小構件的屈強比，增大結構的安全儲備，提高結構的安全可靠度。合理的屈強比一般是在0.6到0.75之間。伸長率是衡量鋼材塑性大小的指標，建筑中選用伸長率大的鋼材，當鋼材要發生破壞時可以明顯感覺到鋼材的塑性變形，起到危險提醒的作用，給人員和財產撤離提供了時間。

2.2沖擊韌性和硬度

沖擊韌性是鋼材抵抗沖擊荷載而不破壞的能力，對于承受沖擊荷載的鋼材，規范規定必須滿足沖擊韌性指標要求。試驗中用沖擊功來表示試件鋼材所吸收的功，沖擊功越大，鋼材的沖擊韌性越好。需要特別指出的是，溫度對于沖擊韌性的影響很大，鋼材的沖擊韌性會隨著溫度的降低而降低，鋼材在0攝氏度以下時，其沖擊韌性下降明顯，鋼材會由塑性轉為脆性，這就是俗稱的冷脆。所以，當鋼材運用于高寒環境時，需要注意鋼材的冷脆性能，避免鋼材發生冷脆破壞。硬度也是表示鋼材性能的一個重要指標，測試鋼材硬度我們常使用布氏硬度法（HB）、洛氏硬度法（HRC）和維氏硬度法（HV）。

2.3冷彎性能

冷彎性能是指鋼材在常溫下承受變形而不斷裂的能力，鋼材的冷彎性能以彎曲角度α、彎心直徑d與鋼材厚度（直徑）a的比值 來表示，α角越大， 越小，表示鋼材的冷彎性能越佳。試驗發現，伸長率較大的鋼材，其冷彎性能也是很好的。但是不可將伸長率指標替代冷彎性能指標，因為冷彎性能是一項利用更加嚴格的檢驗方法得出的指標，它能暴露出鋼材內部存在的缺陷（氣泡、雜質、裂紋等），同時冷彎性能也可以反映鋼材的焊接性缺陷，可見，冷彎性能對于鋼材選用的重要性。

2.4耐疲勞和可焊性

鋼材承受交變荷載反復作用時，可能在最大應力遠低于屈服強度的情況下突然破壞，這種破壞稱為疲勞破壞。我們習慣用疲勞強度來表示鋼材的疲勞破壞指標。疲勞強度越高，說明該鋼材接受交變力作用時抗破壞性能越強。在設計修建經常受到交變力（風荷載、浪壓力、機械振動等）作用的建筑物時，就需要特別考慮到鋼材的抗疲勞能力，選擇疲勞強度高的鋼材，可以完美地保證建筑物的抗疲勞要求。

鋼材在使用過程中不可避免地需要進行焊接以滿足不同構件的尺寸形狀要求，所以在設計需要焊接的構件時，還要考慮到鋼材的可焊性是否滿足要求?？珊感院?，那么鋼材在焊接部位才不會產生裂縫和應力集中，保證焊接部位的力學性能?？珊感允艿交瘜W成分和含量的影響，特別是碳、硫含量的多少，對可焊性起到重要影響。當涉及到大量焊接時，選擇含碳量低的非合金鋼能保證良好的可焊性。

2.5耐久性

鋼材在使用過程中由于環境因素（暴露于空氣、水中或者溫度變化）變化，會發生一定程度的銹蝕。鋼材表面與周圍介質發生化學反應或者電化學反應，使得鋼材有效截面變小，應力集中，鋼材與混凝土的粘結力和承載力減小，加速結構的破壞。所以，暴露在潮濕環境下的鋼材需要特別注意鋼筋的防銹蝕問題，選用抗銹蝕能力強的鋼材能延長結構的使用壽命，除此之外，采用電化學電池抗銹蝕也是很好的辦法。

鋼材在遇到高溫時其強度也會顯著下降，變形急劇增加，這說明鋼材結構在火災中會出現結構失穩。試驗表明：鋼材在300攝氏度時，其彈性模量、屈服強度和極限抗拉強度開始出現明顯下降；當溫度持續升高到600攝氏度時，鋼材以及基本失去了承載能力。由此可知，當鋼材運用于易發生火災或者環境高溫地區的結構時，應當注意提高鋼材的防火性，比如給鋼材表面進行防火層處理。

3鋼材防護

上文已經提到鋼材的耐久性所面臨的問題，主要是防銹蝕和防火。防銹蝕主要針對鋼結構和混凝土中鋼材兩方面，應用于鋼結構中，那么可以有如下方法進行防銹蝕處理。其一，在鋼材中摻入合金元素，制成抗銹蝕能力較強的合金鋼，適用于大構件；其二，采用電鍍的方法，將其他耐銹蝕的金屬覆蓋在鋼材表面，即為所謂的“金包銀”，這種方法適用于小部件；其三，采用油漆涂層進行鋼材覆蓋，這種辦法是用最為廣泛，其缺點是耐久性不佳，需要時常補漆。應用于混凝土結構中的鋼材防銹蝕與鋼結構不同，混凝土本身在鋼材表面生成的鈍化膜對鋼材有很好的保護作用，為防止在鈍化膜失效的情況下鋼筋被腐蝕，我們需要通過限制混凝土中氯離子含量和氯鹽外加劑摻量的方法來保護混凝土中鋼材。除此之外，增加混凝土保護層厚度和密實度，采用帶保護層的鋼材也是科學可行的辦法。

另外一個問題是鋼材的防火處理，防火處理的原理是采用絕熱材料，阻隔火焰和熱量，延長鋼結構的升溫時間。目前鋼結構的防火處理手段主要是以包覆法為主，主要使用材料是防火涂料和阻燃性板材。

4結語

鋼材是建筑工程中運用十分廣泛的優秀建筑材料，它較之于膠凝材料、砂石材料、混凝土、建筑砂漿有許多優秀性能（例如自重輕、承載力大、可抗拉壓、可塑性強等），但是其不耐銹蝕，防火性能差等缺點使得它在某些領域難以大展拳腳，使用中，我們需要結合構件的用途、使用環境、形狀合理使用各種鋼材，注意提高鋼材的耐銹蝕性能和防火性能，補充鋼材的短板，使得鋼材可以運用到更多的領域中來。

參考文獻：

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