建筑钢材与木材 本章教学目的 主要内容：建筑钢材的概念及其分类，建筑钢材的力学性能及工艺性能，钢材的冷加工与热处理。木材的性质及应用等。 1.重点掌握建筑钢材的力学性能及工艺性能，钢材的冷加工与热处理。 2.熟悉建筑钢材的概念及其分类。 3.了解木材的性质及应用等。 1 建筑钢材 1.1 钢材的概念 理论上，把凡是含碳量0.08%～2%，含杂质比较少的铁碳合金称为钢。含碳量超过2%，称为生铁；含碳量小于0.08%，称为工业纯铁。 建筑钢材是指用于钢结构的各种型材(如圆钢、角钢、工字钢等)、钢板、钢管和用于钢筋混凝土中的各种钢筋、钢丝等。 钢材具有强度高、有一定塑性和韧性、有承受冲击和振动荷载的能力、可以焊接或铆接、便于装配等特点，因此，在建筑工程中大量使用钢材作为结构材料。 用型钢制作钢结构，安全性大，自重较轻，适用于大跨度及多层结构；用钢筋制作的钢筋混凝土结构，虽自重较大，但用钢量较少，还克服了钢结构因易锈蚀而维护费用大的缺点。 1.2 钢材的分类 1)按化学成分分为： 碳素钢还含有在冶炼中难以除净的少量化学元素硅、锰及少量有害杂质如磷、硫、氧、氮等。 合金钢中含有一种或多种特意加入或超过碳素钢限量的合金元素，如锰、硅、钒、钛等，合金元素的作用是改善钢的性能，或者使其获得某些特殊性能。 2)按质量分: 3)按钢的用途分： 4)按冶炼方法分 空气转炉，一般炼制普通碳素钢；氧气转炉， 炼制优质碳素钢和合金钢；平炉，用来炼制优质碳素钢、合金钢或有特殊要求的专用钢；电炉，一般用生铁或废铁为原料，炼制纯净的钢。 2 钢材的主要性能 2.1钢材的力学性能 1）低碳钢(软钢)的拉伸性能 标准试件 按照一定的要求，对表面进行车削加工后的试件。 非标准试件 不经过加工，直接在线材上切取的试件。 标准试件 非标准试件 （1）软钢的拉伸试验（万能材料试验机） 1.抗拉性能——是建筑钢材最重要的 力学性能。 拉伸过程分四个阶段： OB—弹性阶段 BC—屈服阶段 CD—强化阶段 DE—颈缩阶段 以下屈服点的应 力作为钢材的屈 服强度。 例：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？ 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。 2）冲击性能 (1)定义及指标 指钢材抵抗冲击荷载而不被破坏的能力。其大小用冲击韧性值ak表示。 ak 越大，则冲击韧性越好。 ak 是以试件冲击破坏时缺口处单位面积上所消耗的功(J/cm2)。 (2)影响冲击韧性的因素 硫、磷含量高，存在化学偏析，含非金属夹杂物，焊接形成裂纹，温度降低等，均会降低冲击韧性。 温度的影响，发生冷脆性时的温度称为脆性临界温度。 时效作用，冲击韧性还将随时间的延长而下降。 对于承受冲击荷载和振动荷载部位的钢材，必须考虑冲击韧性。 3）耐疲劳性 ①疲劳破坏 交变荷载反复作用，钢材在应力低于屈服强度时,突然发出脆性断裂的现象。 ② 危害极大 钢材的疲劳破坏是拉应力引起的，首先在局部开始形成微细裂纹，其后由于裂纹尖端处产生应力集中而使裂纹迅速扩展直至钢材断裂。因此，钢材的内部成分的偏析和夹杂物的多少以及最大应力处的表面光洁程度、加工损伤等，都是影响钢材疲劳强度的因素。疲劳破坏经常是突然发生的，因而具有很大的危险性，往往造成严重事故。 4）硬度 硬度是指金属材料抵抗硬物压入表面的能力。即材料表面抵抗塑性变形的能力。 硬度测试仪器 2.2 工艺性能 1)冷弯性能 指钢材在常温下承受弯曲变形的能力。 冷弯试验的指标：弯心直径d与试件厚度(直径)a的比值d/a；弯曲角度(90°或180o)；试样弯曲外表面无肉眼可见裂纹则冷弯合格。 通过冷弯试验揭示钢材是否存在内部组织不均匀、内应力和夹杂物等缺陷。 2) 可焊性 可焊性是指在一定焊接工艺条件下，在焊缝及其附近过热区是否产生裂缝及脆硬影响，焊接后接头强度是否与母体相近的性能。 可焊性受化学成分及含量的影响。含碳量高、含硫量高、合金元素含量高等，均会降低可焊性。含碳量小于0.25%的非合金钢具有良好的可焊性。 焊接结构应选择含碳量较低的氧气转炉或平炉的镇静钢。当采用高碳钢及合金钢时，为了改善焊接后的硬脆性，焊接时一般要采用焊前预热及焊后热处理等措施。 2.3 不同化学成分对钢材性能的影响 1）碳(C) 碳是决定钢材性质的主要元素。对钢材力学性质影响如图。当含碳量低于0.8%时，随着含碳量的增加，钢的抗拉强度(σb)和硬度(HB)提高，而塑性(延伸率δ)及韧性(冲击韧性аk）降低。同时，还将使钢的冷弯、焊接及抗腐蚀等性能降低，并增加钢的冷脆性和时效敏感性。 2）有害元素 （1）磷、硫 磷与碳相似，能使钢的塑性和韧性下降，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。磷的偏析较严重，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、耐蚀性提高。 硫在钢材中以FeS形式存在，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度、疲劳强度、可焊性及耐蚀性降低。因此，硫的含量要严格控制。 （2）氧、氮 氧、氮也是钢中的有害元素，显著降低钢的塑性和韧性，以及冷弯性能和可焊性。 3）有益元素 (1）硅、锰 硅和锰是在炼钢时为了脱氧去硫而有意加入的元素。硅是钢的主要合金元素，含量在1%以内，可提高强度，对塑性和韧性没有明显影响。但含硅量超过1%时，冷脆性增加，可焊性变差。锰能消除钢的热脆性，改善热加工性能，显著提高钢的强度，但其含量不得大于1%，否则可降低塑性及韧性，可焊性变差。 (2) 铝、钛、钡、铌 以上元素均是炼钢时的强脱氧剂。适时加入钢内，可改善钢的组织，细化晶粒，显著提高强度和改善韧性。 2.4 钢材生锈及防护 1）钢材生锈 钢材的锈蚀，指其表面与周围介质发生化学反应或电化学作用而遭到侵蚀而破坏的过程。根据钢材表面与周围介质的不同作用，锈蚀可分为下述两类。 (1)化学锈蚀 指钢材表面与周围介质直接发生反应而产生锈蚀。 (2)电化学锈蚀 建筑钢材在存放和使用中发生的锈蚀主要属于这一类。由于表面成分、晶体组织不同、受力变形、平整度差等的不均匀性，使邻近局部产生电极电位的差别，构成许多微电池。钢材锈蚀时，伴随体积增大，最严重的可达原体积的6倍。在钢筋混凝土中，会使周围的混凝土胀裂。 2) 钢材的防锈 (1) 保护层法 金属保护层是用耐蚀性较强的金属，以电镀或喷镀的方法覆盖钢材表面，如镀锌、镀锡、镀铬等。 非金属保护层是用有机或无机物质作保护层。 (2) 制成合金钢 钢材的化学性能对耐锈蚀性有很大影响。如在钢中加入合金元素铬、镍、钛、铜等，制成不锈钢，可以提高耐锈蚀能力。 3 钢材的冷加工与热处理 3.1 钢材的冷加工及时效强化 1）钢材的冷加工 将钢材于常温下进行冷拉、 冷拔或冷轧，使其产生塑性 变形，从而提高屈服强度， 并导致塑性、韧性和弹性模量 降低，这个过程称冷加工强化 处理。工地或预制构件厂常利 用这一原理，对钢筋或低碳钢 盘条按一定标准进行冷拉或冷拔加工，以提高屈服强度， 节约钢材。 2）钢材的时效强化 将经过冷拉的钢筋于常温下15d～20d，或加热到1000C～2000C并保持一定时间，这个过程称为时效处理。前者称为自然时效，后者称为人工时效。 冷拉后再经时效处理的钢筋，其屈服点进一步提高，抗拉极限强度稍见增长，塑性继续有所降低。由于时效过程中内应力的降低，故弹性模量可基本恢复。 工地通常是通过试验选择恰当的冷拉应力和时效处理措施。一般强度较低的钢筋，采用自然时效即可达到时效目的。强度较高的钢筋，对自然时效几乎无反应，必须进行人工时效。 3.2 钢材的热处理 热处理是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。热处理的方法有退火、正火、淬火和回火。建筑钢材一般只在生产厂进行处理并以热处理状态供应。在施工现场，有时需对焊接件进行热处理。 1)退火 退火有低温退火和完倒退火等。低温退火的目的是利用加温使加工中产生缺陷减少，消除内应力。完全退火的加热温度为8000C～8500C，经保温后以适当速度缓冷，从而达到改变组织并改善性能的目的。例如，含碳量较高的高强度钢筋，焊接中容易形成很脆的组织，必须紧接进行完全退火以消除这一不利的转变，保证焊接质量。 2）汗火和回火 淬火和回火通常是两道相连的处理过程。淬火是加热、保温使组织完全转变，即投入选定的冷却介质（如水或矿物油等)中急冷，使其转变为不稳定组织，淬火即完结。 随后进行回火，加热温度在l500C～6500C。保温后按一定速度冷却至室温。其目的是促进不稳定组织转变为需要的组织，消除淬火产生的内应力。 我国目前生产的热处理钢筋，即采用中碳低合金钢经油浸淬火和铅浴高温(500 0C～6500C)回火制得的。 3.3 钢材的焊接 焊接是钢结构的主要连接方式，在工业与民用建筑的钢结构中，焊接结构占90﹪以上。在钢筋混凝土工程中，焊接大量应用于钢筋接头、钢筋网、钢筋骨架和预埋件，以及装配式构件的安装。 建筑钢材的焊接方法最主要的是钢结构焊接用的电弧焊和钢筋连接用的接触对焊。焊件的质量主要取决于选择正确的焊接工艺和适宜的焊接材料，以及钢材本身的焊接性能。 电弧焊的焊接接头是由基本金属和焊缝金属通过二者间的熔合线部分连接而成。焊缝金属是在焊接电弧的高温之下由焊条金属熔化而成；同时电弧的高温也使基本金属的边缘部分熔化，与熔融的焊条金属通过扩散作用均匀地密切熔合，有助于金属间的牢固连接。接触对焊的焊接接头亦相类似，因不用焊条，故其连接是通过接触端面上由电流熔化的熔融金属冷却凝固而成。 经常产生的焊接缺陷有焊缝金属缺陷(热裂纹、气孔、夹杂物)和基体金属热影响区的缺陷(冷裂纹、晶粒大和析出脆化等)。由于焊接件在使用过程中要求的主要力学性能是强度、塑性、韧性和耐疲劳性，因此，对性能影响最大的焊接缺陷是焊件中的裂纹、缺口和由于硬化而引起的塑性和冲击韧性的降低。 4 常用建筑钢材的标准与选用 1建筑钢材的主要钢种 在建筑工程中，钢结构所用的各种型钢，以及钢筋混凝土结构所用的各种钢筋、钢丝、锚具等钢材，基本上都是碳素结构钢和低合金结构钢等钢种，经热轧或冷轧、冷拔及热处理等工艺加工而成的。现将主要常用钢种的性能和牌号分述如下。  碳素结构钢的牌号由4个要素组成: 脱氧程度代号，F代表沸腾钢； b代表半镇静钢；z代表镇静钢； TZ代表特殊镇静(Z，TZ苻号予以省略) 质量等级代号，分A, B, C, D共4级 钢材屈服点数值 钢材屈服点代号，以屈字汉语 拼音首位字母Q表示 低合金高强度结构钢牌号由3个要素组成: 质量等级符号（A、B、C、D、E） 屈服点数值 屈服点的拼音字母（Q） 如Q345A表示屈服点不小于345MPa的A级钢。 2 常用建筑钢材 1)热轧钢筋 热轧钢筋主要用于钢筋混凝土结构和预应力钢筋混凝土结构的配筋。按力学性能热轧钢筋可分为4级： I级钢筋 强度等级为σs≥235 MPa，σb≥ 370MPa，强度等级代号为R235 ，是用Q235 碳素结构钢轧制而成的光圆钢筋。 它的强度较低，但具有塑性好、伸长率高(δ≥25﹪) 、便于弯折成型、容易焊接等优点。可用作中、小型钢筋混凝土结构的主要受力钢筋、构件的箍筋、钢木结构的拉杆等，也可作为冷轧带肋钢筋的原材料、盘条，还可作为冷拔低碳钢丝的原材料。 钢筋 钢筋 钢筋 钢筋 Ⅱ、Ⅲ级钢筋 用低合金钢镇静和半镇静钢轧制，以硅、锰作为主要固溶强化元素。Ⅱ级钢筋强度等级代号为RL335，Ⅲ级钢筋强度等级代号为RL400。 强度较高，塑性和焊接性均较好。钢筋表面轧有通长的纵肋和均匀分布的横肋，从而加强了钢筋与混凝土之间的粘结力。 用Ⅱ、Ⅲ级钢筋作为钢筋混凝土结构的受力钢筋，比使用I级钢筋可节省钢材40﹪～50﹪，因此，广泛用于大、中型钢筋混凝土缩构的主筋。Ⅱ、Ⅲ级钢筋冷拉后，也可作预应力筋。 Ⅳ级钢筋 强度等级代号为RL540 ，用中碳低合金钢镇静钢轧制而成，除以硅、锰为主要合金元素外，还加入钒或钛作为固溶或弥散强化元素，使之在提高强度的同时保证其塑性和韧性。 Ⅳ级钢筋表面也轧有纵肋和横肋，它是房屋建筑的主要预应力钢筋。使用前可进行冷拉处理，以提高屈服点，达到节省钢材的目的，经冷拉的钢筋，其屈服点提高不明显，设计时以冷拉应力统计值为强度依据，其冷拉应力为750MPa。 但冷拉后经数月的自然时效或人工时效，又会出现短小屈服台阶，其值略高于冷拉应力，同时钢筋有变硬趋势，因此，钢筋冷拉时在保证规定冷拉应力的同时，要控制冷拉伸长率，使其不宜过大，以免钢筋变脆。Ⅳ级钢筋含碳量较高，若需焊接，应采用适当焊接方法和焊后热处理工艺，以保证焊接接头及其热影响区不产生淬硬组织，防止发生脆性断裂。 2)预应力混凝土用热处理钢筋 是指用热轧中碳低合金钢筋经淬火+回火调质处理的钢筋。 通常有直径为6mm，8.2mm，10mm 3种规格，抗拉强度σb≥1500 MPa，屈服点σ0.2 ≥1350MPa，伸长率δ10≥6﹪。为增加与混凝土的粘结力，钢筋表面常轧有通长的纵肋和均布的横肋。通常卷成直径为1.7m～2.0m的弹性盘条供应，开盘后可自行伸直。使用这种钢筋应按所要求长度切割，不能用电弧切割，也不能焊接，以免引起强度下降或脆断。 热处理钢筋的设计强度取标准强度的0.8，先张法和后张法预应力结构的张拉控制应力分别为标准强度的0.7和0.65。 热处理钢筋在预应力结构中使用，具有与混凝上粘结性能好。应力松弛率低，施工方便等优点。 3)冷拔低碳钢丝 用直径6.5 mm或8mm的碳索结构钢热轧盘条，在常温下经冷拔工艺拔制而成的直径为3mm、4mm或5mm的圆截面钢丝，称为冷拔低碳钢丝。 建筑用冷拔低碳钢丝按力学性能分为甲、乙两个级别。甲级钢丝又按其抗拉强度分为I、Ⅱ2组(见表1)。甲级钢丝主要用于小型预应力构件；乙级钢丝一股用于焊接或绑扎骨架、网片或箍筋。 这种钢丝在冷拔过程中，由于钢材的位错增多，使晶格滑移受阻，因而强度提高，同时伸长率下降。所以其强度主要取决于热轧盘条的原有强度和冷拔后的总变形量，拔制时应适当选择冷拔次数，以保证其强度和塑性性能满足要求。用作预应力混凝土构件的钢丝，应逐盘取样进行力学性能检验，并判定级别和组别，以便合理安排使用。 表1 冷拔低碳钢丝的力学性能 4)预应力钢丝、刻痕钢丝和钢绞线 预应力钢丝是以优质高碳钢圆盘条经等温淬火并拔制而成。预应力钢丝的直径为2.5mm～5mm，抗拉强度为1500MPa～1900MPa。 若将预应力钢丝经辊压出规律性凹痕，以增强与混凝土的粘结，则成刻痕钢丝。 以一根钢丝为芯、6根钢丝围绕其周围绞合在一起，即成7股的钢绞线 预应力混凝土结构用碳素钢丝力学性能要求 表3钢绞线的力学性能 预应力钢丝、刻痕钢丝及钢绞线均属于冷加工强化的钢材，没有明显的屈服点，材料检验只能以抗拉强度为依据。其强度几乎等于热轧Ⅳ级钢筋的2倍，并具有较好的柔韧性，使用时可根据要求的长度切断。设计强度取值以条件屈服点σ0.2的统计值来确定。 预应力钢丝、刻痕钢丝和钢绞线适用于大荷载、大跨度及曲线配筋的预应力混凝土结构。 钢绞线与其他配筋材料相比，具有强度高、柔性好、质量稳定、成盘供应不需接头等优点。 钢绞线)型钢 钢结构构件一般应直接选用各种型钢。构件之间可采用铆接、螺栓连线或焊接。钢结构所用钢材主要是型钢和钢板，有热轧、冷轧或冷成型2种。 (1)热轧型钢 常用的热轧型钢有角钢(等边和不等边)、工字钢、槽钢、T型钢、H型钢、Z型钢等。热轧型钢的标记方式为在一组符号中需标出型钢名称、横断面主要尺寸、型钢标准号及钢号与钢种标准。 对于承受动荷载的结构、处于低温环境的结构、焊接的结构及结构中的关键构件，应选用质量较好的钢材。我国建筑用热轧型钢主要采用碳素结构钢Q235-A，其强度适中，塑性和焊接性较好，而且冶炼容易、成本低廉，适合建筑工程使用。在钢结构设计规范中推荐使用的低合金钢主要有Q345(l6Mn及Q390(15MnV)2 种，可用于大跨度、承受动载的钢结构中。 (2)冷弯簿壁型钢 通常是用2mm～6mm薄钢板冷弯或模压而成，包括角钢、槽钢等开口薄壁型钢及方形、矩形等空心薄壁型钢。冷弯薄壁型钢的标示方法与热轧型钢相同。 (3)钢板和压型钢板 用光面轧辊轧制而成的扁平钢材，以平板状态供货的称钢板，以卷状供货称钢带。按轧制温度不同，又可分热轧和冷轧2种。建筑用钢板及钢带的钢种主要是碳素结构钢，一些重型结构、大跨度桥梁、高压容器等也采用低合金钢钢板。 按厚度来分，热轧钢板分为厚板(a

　　4mm)和薄板(0.35mm～4mm)2种；冷轧钢板只有薄板(0.2mm～4mm)一种。厚板可用于焊接结构；薄板可用作屋面或墙面等围护结构，或作为涂层钢板的原料，如制作压型钢板等。钢板可用来弯曲型钢。 薄钢板经冷压或冷轧成波形、双曲形、V形等形状，称为压型钢板。制作压型钢板的板材采用有机涂层薄钢板(或称彩色钢板)、镀锌薄钢板、防腐薄钢板或其他簿钢板。 压型钢板具有单位质量轻、强度高、抗震性能好、施工快、外形美观等特点，主要用于围护结构、楼板、屋面等。 常用建筑钢材举例 1）型钢 简单截面型钢：圆钢、方钢、六角钢、八角钢等； 复杂截面型钢：工字钢、角钢、槽钢、钢轨等。 2）线材 如钢筋、钢丝等。 3）管材 无缝钢管、焊接钢管等。 4）板材 光面钢板、花纹钢板、彩色涂层钢板等。 建筑钢材 5 建筑木材 木材具有轻质高强，易加工，导电、导热性低，有很好的弹性和塑性，能承受冲击和振动等作用，在干燥环境或长期置于水中均有很好的耐久性等性质。木材与水泥、钢材并列为建筑工程中的三大材料。 由于木材具有美丽的天然花纹，给人以淳朴、古雅、亲切的质感，作为装饰与装修材料，仍有其独特的功能和价值，因而被广泛应用。 木材也有使其应用受到限制的缺点，如构造不均匀性，各向异性，易吸湿吸水从而导致形状、尺寸、强度等物理、力学性能变化；长期处于干湿交替环境中，其耐久性变差；易燃、易腐、天然疵病较多等。 5.1 木材的分类 从树叶的外观形状可分为： 1）针叶树 树干通直而高大，易得大材，纹理平顺，材质均匀，木质较软而易于加工，故又称为软木材。这类木材表观密度和胀缩变形较小，耐腐性较强，为建筑工程中主要用材，多用作承重构件。常用树种有松、杉、柏等。 2）阔叶树 树干通直部分一般较短，材质较硬，较难加工，故又称为硬木材。这类木材一般较重，强度较大，胀缩、翘曲变形较大，较易开裂，建筑上常用作尺寸较小的构件。有些树种具有美丽的纹理，适于作内部装修、家具及胶合板等。常用树种有榆木、水曲柳、柞木等。 5.2 木材的性质 1)化学性质 纤维素、半纤维素、木质素是木材细胞壁的主要组成，其中纤维素占50﹪左右。此外，还有少量的油脂、树脂、果胶质、蛋白质、无机物等。由此可见，木材的组成主要是一些天然高分子化合物。 木材的化学性质复杂多变。在常温下木材对稀的盐溶液、稀酸、弱碱有一定的抵抗能力，但随着温度升高，木材的抵抗能力显著降低。而强氧化性的酸、强碱在常温下也会便木材发生变色、湿胀、水解、氧化、酯化、降解交联等反应。在高温下即使是中性水也会使木材发生水解等反应。 木材的上述化学性质也正是木材某些处理、改性以及综合利用的工艺基础。 2）物理性质 (l)密度与表观密度 木材的表观密度则随木材孔隙率、含水量以及其他一些因素的变化而不同。一般有气干表观密度、绝于表观密度和饱水表观密度之分。木材的表观密度越大，其湿胀干缩率也越大。各树种木材的密度相差不大，一般为1.48g/cm3 ～1.56g/cm3。 (2)吸湿性与含水率 由于纤维素、半纤维素、木质素的分子均含有羚基(—OH基)，所以木材很容易从周围环境中吸附水分。木材中所含的水根据其存在形式可分为自由水、吸附水和化含水3类。 ①自由水 是存在于细胞腔中和细胞间隙中的水。自由水含量影响木材的表观密度、燃烧性和抗腐蚀性。 ②吸附水 是被吸附在细胞壁内细纤维间的水。吸附水含量影响到木材体积的胀缩和强度。 ③化含水 即木材化学组成中的结合水。当木材细胞腔和细胞间隙中的自由水完全脱去，而细胞壁吸附水尚未饱和时，木材的含水率称为“木材的纤维饱和点”。纤维饱和点随树种而异，一般在25﹪～30﹪，平均为30﹪左右。 木材含水量的多少与木材的表观密度、强度、耐久性、加工性、导热性、导电性等有关。尤其是纤维饱和点是木材物理力学性质发生变化的转折点。 潮湿的木材能在较干燥的空气中失去水分，干燥的木材也能从周围的空气中吸收水分。当木材长时间处于一定温度和湿度的空气中，则会达到相对稳定的含水率，亦即水分的蒸发和吸收趋于平衡，这时木材的含水率称为平衡含水率，它随大气的温度和相对湿度而变化。 新伐木材含水率在35﹪以上，长期处于水中的木材含水率更高，风干木树含水率为15﹪～25﹪，室内干燥的木材含水率常为8﹪～15﹪。 3）湿胀干缩 木材具有显著的湿胀干缩性。当木材从潮湿状态干燥至纤维饱和点时，自由水蒸发其尺寸不改变，继续干燥，亦即当细胞壁中吸附水蒸发时，则发生体积收缩。反之，干燥木材吸湿时，将发生体积膨胀，直到含水量达纤维饱和点时为止。此后，木材含水量继续增大，也不再膨胀。木材的送种湿胀干缩性随树种而有差异，一般来讲，表观密度大的，夏材含量多的，胀缩就较大。 木材由于构造不均匀，使各方向胀缩也不一样，在同一木材中，这种变化沿弦向最大，径向次之，纤维方向最小。木材干燥时，弦向干缩为6﹪～12﹪，径向干燥3﹪～6﹪，纤维方向干缩0.1﹪～0.35﹪，这主要是受髓线影响所致。由此可知，湿材干燥后，将改变其截面形状和尺寸，这是实际应用上极为不利的现象。 木材的湿胀干缩对木材的使用有严重影响，干缩使木结构构件连接处发生隙缝而导致接合松弛，湿胀则造成凸起。为了避兔这种情况，最根本的办法是预先将木材进行干燥，便木材的含水率与将做成的构件使用时所处的环境湿度相适应，即将木材预先干燥至平衡含水率后再加工使用。 4)其他物理性质 ①木材的导热系数随其表观密度增大而增大，且顺纹方向的导热系数大于横方向。 ②干材具有很高的电阻，当木材的含水量提高或温度升高时，木材电阻会降低。 ③木材具有较好的吸声性能，故常用软木板、木丝板、穿孔板等作为吸声材料。 3.3 木材的力学性质 1）木材的强度 由于木材构造的不均质性，使木材的力学性质也具有明显的方向性。建筑工程中的木材所受荷载种类主要有压、拉、弯、剪切等。 (1)抗压强度 木材的顺纹抗压强度较高，仅次于顺纹抗拉和抗弯强度，且木材的疵病对其影响较小。顺纹受压破坏是木材细胞壁丧失稳定性的结果，并非纤维的断裂。工程中常见的柱、桩、斜撑及框架等承直构件均是顺纹受压。木材横纹受压时，开始细胞壁弹性变形，此时变形与外力成正比。当超过比例极限时，细胞壁失去稳定，细胞腔被压扁，随即产生大量变形。所以，木材的横纹抗压强度以使用中所限制的变形量来决定，通常只须其顺纹抗压强度的10﹪～20﹪。 (3)抗弯强度 木材受力变曲时内部应力十分复杂，上部是顺纹受压，下部为顺纹受拉，而在水平面中则有剪切力。木材受弯破坏时，通常在受压区首先达到强度极限，开始形成微小的不明显的皱纹，但并不立即破坏。随着外力增大，皱纹慢慢地在受压区扩展，产生大量塑性变形，此后当受拉区域内许多纤维达到强度极限时，则因纤维本身及纤维间连接的断裂而最后破坏。 木材的抗弯强度很高，为顺纹抗压强度的I.5倍～2倍。因此，在土建工程中应用很广，如用于桁架、梁、桥梁、地板等。但木节、斜纹等对木材的抗弯强度影响很大，特别是当它们分布在客观存在拉区时。另外，裂纹不能承受受弯曲构件中的顺纹剪切。 (2)抗拉强度 木材的顺纹抗拉强度是木材各种力学强度中最高的。顺纹受拉破坏时往往不是纤维被拉断而是纤维间被撕裂。顺纹抗拉强度为顺纹抗压强度的2倍～3倍，但强度值波动范围大。木材的疵病如木节、斜纹、裂缝等都会使顺纹抗拉强度显著降低。同时，木材受拉杆件连接处应力复杂，这是使顺纹抗拉强度难以被充分利用的原因。木材的横纹抗拉强度很小，仅为顺纹抗拉强度的1/40～1/10 ，这是因为木材纤维之间横向连接薄弱。 (4) 剪切强度 木材的剪切有顺纹剪切、横纹剪切和横纹切断3 种，如图1所示。 斜纹为木纤维与树轴成一定夹角。斜纹木材极大降低其顺纹抗拉强度，抗弯次之，对顺纹抗压影响较小。 裂纹、腐朽、虫害等疵病会造成木材结构的不连续性或破坏其组织，因此极大地影响木材的力学性质，有时甚至会使木材完全失去使用价值。  2）木材的韧性 木材的韧性较好，因而木结构具有良好的抗震性。木材的韧性受很多因素影响，如木材的密度越大，冲击韧性越好；高温会使木材变脆，韧性降低。而负温则会使湿木材变脆而韧性、强度降低；任何缺陷的存在都会极大降低木材的冲击韧性。 3)本材的硬度和耐磨性 木材的硬度和耐磨性主要取决于细胞组织的紧密度，各个截面上相差显著。木材横切面的硬度和耐磨性都较径切面切面为高。木髓线发达的木材其弦切面的硬度和耐磨性均比径切面高。 表4 常用树种的木材主要物理力学性能 3.4 木材的应用 木材在建筑工程中可被用作桁架梁、柱、桩、门窗、地板、脚手架、混凝土模板以及其他一些装饰、装修。 建筑工程中使用的木材常为3种形式，即原木、板材、枋材。原木系指去皮去枝梢后，按一定规格锯成一定长度的木料；板材系指宽度为厚度的3倍或3倍以上的木料；枋材则指宽度不足厚度3倍的木料。 将木材加工过程中的边角、碎料、刨花、木屑、锯末等，经过再加工处理，制成各种人造板材，可有效提高木材的综合利用率。 (1)胶合板 胶合板是将原木沿年轮方向施切成薄片，经干燥处理后上胶，以数张薄片（一般为3～13层）使其纤维方向互相垂直叠放，再经热压而制成。 针叶树和阔叶树均可制作胶合板。常用的胶粘剂有酚醛树脂、脲醛树脂、血胶、豆胶等。 优点：克服了木材各向异性的缺点；导热系数小，绝热性能好；无明显的纤维饱和点存在；平衡含水率和吸湿性比木材低；木材的疵病被剔除，板面质量好等。 表5胶合板的分类、特性与适用范围 2) 纤维板 纤维板是将树皮、刨花、树枝等废料，经破碎浸泡、研磨成木浆，加入胶粘剂或利用木材自身的胶粘物质，再经热压、干燥等工序而制成的板材。 纤维板木材利用率高达90﹪以上。且材质均匀，各向强度一致。弯曲强度大，不易胀缩和翘曲开裂。 纤维板吸水后会导致沿板厚度方向膨胀，而强度下降，且板面发生变形翘曲，因此纤维板若使用于湿度较大的环境中，应做防潮处理。 (3)刨花板 以木质刨花或木质纤维材料(如木片、锯屑、亚麻等)为原料，加或不加胶料压制而成的板材，称刨花板。 胶结料：豆胶、血胶等动植物胶； 酚醚树脂、脲醛树脂等合成树脂胶； 水泥、菱苦土等无机胶凝材料。 同类产品还有木丝板、木屑板等。刨花板、木丝板、木屑板通常用作吊顶板材、隔断、隔热板和吸声板等。 本章小结 1.普通混凝土组成材料:粗细骨料、水泥、水等在混凝土构成中的作用与技术要求。 2.普通混凝土有哪些的主要技术性质？如何改善与提高普通混凝土的技术性质？ 3.普通混凝土应用要注意什么？ 砂浆的组成材料与技术性质。 18.4 16.4 103.8 149.4 49.1 —— —— 0.818 浙江 榔榆 10.5 11.3 118.6 138.1 52.5 0.353 0.197 0.686 东北 水曲柳 18.0 15.9 128.6 155.4 52.1 0.389 0.210 0.930 安徽 栎 12.9 11.8 120 155.4 55.6 0.316 0.199 0.766 东北 栎 阔叶林 6.5 5.0 70.0 97.3 38.8 0.341 0.174 0.433 四川 冷杉 6.5 6.2 75.1 100.9 42.4 0.349 0.171 0.451 东北 鱼鳞云杉 6.8 8.5 109.4 129.9 55.7 0.398 0.168 0.641 东北 落叶松 7.1 7.3 80.7 99.0 41.9 0.270 0.140 0.533 安徽 马尾松 6.9 6.3 65.3 98.1 32.8 0.321 0.122 0.440 东北 红松 5.0 6.0 68.4 93.5 39.1 0.286 0.136 0.416 四川 9 2 63.8 77.2 38.8 0.277 0.123 0.371 湖南 杉木 针叶树 弦面 径面 弦向 径向 顺纹抗剪强度 抗弯强度 顺纹抗拉强度 顺纹抗压强度 干缩系数 气干表观密度 产地 树种名称 室内工程（一般常态下使用） 有一定的胶合强度，但不耐潮 豆胶或其他性能相当的胶 不耐潮胶合板 Ⅳ类 室内工程（一般常态下使用） 耐短时间冷水浸泡 血胶、低树脂含量的脲醛树脂胶或其他性能相当的胶 耐潮胶合板 Ⅲ类 室内、外工程 耐冷水浸泡及短时间热水浸泡，抗菌，但不耐煮沸 脲醛树脂胶或其他性能相当的胶 耐水胶合板 Ⅱ类 室内、外工程 耐久、耐煮沸或蒸汽处理，耐干热，抗菌 酚醛树脂胶或其他性能相当的胶 耐气候胶合板 Ⅰ类 针阔 叶叶 树树 胶胶 合合 板板 适用范围 特性 胶种 名称 分类 种类 如：Q235－AF表示为屈服点不小于235MPa的A级沸腾钢 4 2 550 3.0-5.0 乙 4 3 600 650 5.0 GBJ10-88 4 2.5 650 700 0 甲 Ⅱ组 Ⅰ组 引用标准 反复弯曲1800次数不小于 最小伸长率 最小抗拉强度MPa 直径(mm) 等级 4 2 6 9 1200 1500 3.0 4 3 4 4 1280 1600 5.0 4 3 5 6 1360 1700 0 4 2 6 9 1440 1800 3.0 4 2 8 10 1520 1900 2.5 不小于 回火 冷拔 回火 冷拔 伸长率δ5 反复弯曲次数r=10 屈服强度σ0.2 抗拉强度σb 钢丝直径 (mm) 4 1500 210 197.3 15(7×Φ5.0) 4 1600 147.0 135.2 12(7×Φ0) GB5224-85 4 1700 88.4 81.3 9(7×Φ3.0) 不小于 不小于 全部钢丝拉力之和 整根钢绞线破断拉力 引用标准 伸长率 公称抗拉强度 破断拉力 公称直径 * 正在施工中的国家体育馆现场 钢结构、铝合金、玻璃幕墙组成的现代建筑 钢结构、铝合金、玻璃幕墙组成的现代建筑 正在建设的钢结构高层建筑结构 钢 中碳钢 低合金钢 高碳钢 低碳钢 碳素钢 合金钢 中合金钢 高合金钢 C＜0.25% C=0.25%～0.60％ C＞0.60％ 合金总含量＜5% 5%～10％ 合金总含量＞10％ 普通碳素钢 S≤0.055%~0.065%,P≤0.045%~0.085%) 优质碳素钢 S≤0.030%~0.045%,P≤0.035%~0.040%) 高级优质钢 S≤0.020%~0.030%,P≤0.027%~0.035%) 按S和P元素含量分为 结构钢 建筑工程用结构钢、机械制造用结构钢 工具钢 用于用于制作刀具、量具、模具 特殊钢 不锈钢、耐酸钢、耐热钢、耐磨钢、磁钢等 按钢材的用途分为 普通碳素钢 S≤0.055%~0.065%,P≤0.045%~0.085%) 优质碳素钢 S≤0.030%~0.045%,P≤0.035%~0.040%) 高级优质钢 S≤0.020%~0.030%,P≤0.027%~0.035%) 按S和P元素含量分为 钢 转炉钢 沸腾钢 电炉钢 平炉钢 按冶炼方法分 按脱氧程度分 半镇静钢 镇静钢 特殊镇静钢 按炉衬材料分为酸性钢和碱性钢 TZ Z F b 一般可不表示 工作段 l 头部 头部 A0 d0 l0 2.1钢材的力学性能 1）低碳钢(软钢)的拉伸性能 标准试件 按照一定的要求，对表面进行车削加工后的试件。 σ ε O D C上 上屈服点 C下 下屈服点 F E B A 钢材拉伸过程的s –e 图 σ ε O sp 弹性阶段 sB A B 钢材拉伸弹性阶段示意图 sp—比例极限，MPa。 sB—弹性极限，MPa。 注：由于A、B两点相距较近，一般认为sp＝sB 。 钢材拉伸屈服阶段示意图 B C下 C上 C 放大后 屈服阶段 C上 C下 C σ ε o A B ss ss—— 屈服强度 钢材拉伸强化阶段示意图 强化阶段 C上 C下 A B C D σ ε o sb sb—— 抗拉强度或强度极限。 钢材拉伸颈缩阶段示意图 DE——颈缩阶段 σ ε o D C上 C下 A B C D E 拉伸性能指标：主要有屈服点、抗拉强度和伸长率等。 （1）屈服强度（屈服点） 上屈服强度：试样首次屈服前的最大应力； 下屈服强度：不计初始瞬时效应时的最小强度， 即屈服点 Fs ——屈服阶段最小应力(首次回针所对应的力),N； Ao ——钢材的截面积，mm2。 注意：有些钢材无明显屈服点（合金钢、高碳钢等硬钢）， 应采用产生残余变形为0.2%原标距长度时的应力 作为屈服点（称条件屈服点）,记为σ0.2或者σP0.2。 （2）抗拉强度：钢材所能承受的最大强度。 Fb——为最大应力，N。 相反，值越小，可靠性越低，安全性越低。 因此，强屈比一般不低于1.2，抗震结构一般 不低于1.25。 可靠性参数 值得注意：强屈比的概念: 抗拉强度与屈服点的比值.即 值越大可靠性越高，安全性越高，但利用率降低，浪费增大。 （3）伸长率：塑性指标 。 意义：? 值越大，塑性增强，可避免结构过早破坏；加工性 增强， 安全性增强。 ? 值有两种：?5——表示 l0=5d0， d0——钢材直径； ?10——l0=10d0。 lo——试件原始标距长度，mm ； l1——试件拉断后测定出伸长后标距部分的长度，mm。 （4）断面收缩率：塑性指标。 AO——试样拉断后颈缩处的截面积，mm2； A1——表示钢材的原始截面积，mm2。 伸长率和断面收缩率均表示钢材断裂前经受塑性变形的能力。 1—钢球； 2—试件； P—施加于钢球上的荷载D—钢球直径； d—压痕直径； h—压痕深度 （2）硬钢(中碳钢、高碳钢)的拉伸性能 σ ε O A 0.2% a b 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s0.2 来代替屈服强度。 条件屈服点s0.2 ：使硬钢产生0.2%塑性变形时的应力。见左图。 oa——总变形。 ba——弹性变形99.8%。 ob——塑性变形0.2%。 *

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