【2017年整理】第十章 建筑幕墙主要材料.doc

227第十章 建筑幕墙主要材料建筑幕墙是用各种不同材质、性能的材料组合而成的了解和掌握这些材料在各种应力状态和不同使用条件下的工作性能，根据幕墙的使用要求、荷载（作用）的性质、周围环境、受力特性和应力分布，慎重选择幕墙材料，使幕墙既能安全可靠地满足使用要求，又尽量节约材料，降低造价正确选择幕墙材料是设计、制造幕墙一项重要内容，为此，我们要对这些材料作一些必要的探讨，并掌握必要的基本知识建筑幕墙用的主要材料是钢材、铝合金型材与板材、玻璃、石材板、密封胶等第一节 钢 材钢材在铝合金玻璃幕墙、金属板幕墙、石材幕墙中占很重要的地位比较大的幕墙工程，要以钢结构为主骨架，铝合金玻璃幕墙与建筑物的连接构件大部分采用钢材，使用的钢材以碳素结构钢为主，因为它是延性材料中力学性能比较典型的材料，其他很多材料的力学性能的描述是从碳素结构钢引伸出来的，所以，重点介绍碳素结构钢对幕墙使用的低合金和耐候钢也作适当的介绍一、钢结构对材料性能的要求1. 强度钢材的强度，是指钢材在外力（荷载）作用下抵抗破坏的能力（破坏包含断裂与过量的塑性变形）钢材 (以低碳钢 Q235 为例 ) 的强度指标有比例极限 σ P、弹性极限σ e、屈服极限 σ S、强度极限 σ b。

强度指标是指该钢材的力学性质（也称为机械性质），但用于幕墙设计时，不用这个指标，而是采用“强度设计值”例如：钢材牌号Q235（当厚度或直径 d≤16mm 时），钢材的强度设计值 f S（N/mm 2）为：抗拉、抗压、折弯 f S＝215N/mm 2；抗剪 f S＝125N/mm 2；端面承压 f S＝325N/mm 22. 塑性强度指标虽然是幕墙结构设计的重要依据之一，但单凭这一指标不足以完全判定结构是否安全可靠，还要考虑其他几个指标其中一个是刚度指标刚度是指钢材构件抵抗弹性变形的能力，如果幕墙构件弹性变形过大，会发生塑性变形（残余变形、永久变形）钢材的塑性一般是指当应力超过屈服极限 σ S 后，能产生显著的残余变形（塑性变形）而不立即断裂的性质衡量钢材塑性好坏的主要指标是伸长率 δ和断面收缩率 ψ由材料力学可知：伸长率 δ是应力 ——应变曲线中最大应变值，等于试件拉断后的原标距间长度的伸长值（包括残余塑性变形）和原标距比值的百分率, 当 L0/d0＝10 时, 以 δ10 表示，当 L0/d0＝ 5 时，以 δ5 表示δ值可按式（10 －1）计算：δ ＝（L 1－d 0）／ L0×100% （10－1）式中： δ为伸长率；L0 为试件原标距长度； L1 为试件拉断后标距间的长度；d0 为试件中间部分的直径断面收缩率 ψ是指试件拉断后，颈缩区的断面面积缩小值与原断面面积比值的百分率，按式（10－2）计算：ψ ＝（A 0－A 1）／ A0×100% （10－2）式中： A0 为试件原来的断面面积；A1 为拉断后颈缩区的断面面积。

断面收缩率 ψ是表示钢材在颈缩区的应力状态（形成同号受拉的立体应力区域）条件下，所能产生的最大塑性变形量，它是衡量钢材塑性的一个指标3. 韧性钢材的韧性是钢材在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力，也是表示钢材抵抗冲击荷载的能力，它与钢材的塑性有关而又不同于塑性，它是强度与塑性的综合表现韧性指标是由冲击试验获得的，它是判断钢材在冲击荷载作用下是否出现危性破坏危险的重要指标之一在冲击试验中，一般采用截面为 10mm×10mm，长度为 55mm，中间开有小槽（缺口）的长方形试件，放在摆锤式冲击试验机上进行试验冲断试件后，可以从试验机上的刻度盘上直接读出冲击功 AK（单位为 N·m）值此值除以试件缺口处的净截面面积 A i（单位为 cm2），所得的值即为冲击韧性值，用 αK 表示：αK ＝A K／A i，N ·m／ mm2 （10－3）4. 可焊性钢材的可焊性，是指在一定材料、工艺和结构条件下，钢材经过焊接后能够获得良好的焊接接头的性能可焊性可分为施工焊的可焊性和使用性能上的可焊性施工上的可焊性，是指焊缝金属产生裂纹的敏感性以及由于焊接加热的影响，近缝区钢材硬化和产生裂纹的敏感性。

可焊性好是指在一定的焊接工艺条件下，焊接金属和近缝区钢材均不产生裂纹使用性能上的可焊性，是指焊接接头和焊缝的缺口韧性（冲击韧性）和热影响区的延伸性（塑性）要求焊接结构在施焊的力学性能不低于母材的力学性能5. 冷弯性能冷弯性能是指钢材在冷加工（即在常温下加工）产生塑性变形时，对产生裂缝的抵抗能力钢材的冷弯性能是用冷弯试验来检验钢材承受规定弯曲程度的弯曲变形性能，并显示其缺陷的程度冷弯试验方法是在材料试验机上，通过冷弯冲头加压当试件弯曲至某一规定角度 α时（一般取 α＝180°），检查试件弯曲部分的外面、里面和侧面，如无裂纹、裂断可分层，即认为试件冷弯性能合格冷弯试验常作为静力拉伸试验和冲击试验等的补充试验冷弯性能是一项衡量钢材力学性能的综合指标6. 耐久性影响钢结构使用寿命的因素较多首先由于钢材的耐腐蚀性较差，必须采取防护措施避免钢材的腐蚀，这是钢结构的一大弱点新建的钢结构需要油漆，已建成的结构也要根据使用的具体条件定期维护，这就使钢结构的维修费用较其他结构高二、化学成分对钢材力学性能的影响229钢结构中常用的钢材，例如 Q235（A3）碳素结构钢，在一般情况下，既有较高的强度（σ S＝235N/mm 2）,又有很好的塑性（ δ 10≥21%）和韧性 ( αK ≥0.70N·m／ mm2),是比较理想的承重结构材料。

但是，仍然有可能出现脆性断裂促使钢材发生脆性断裂的因素很多，主要的因素是钢材的化学成分，钢材的化学成分直接影响钢的组织构造，并与钢材的力学性能有密切关系钢的基本元素是铁（Fe），普通碳素钢中的纯铁约占 99%，此外便是碳（C ）、锰（ Mn）和硅（Si）等杂质元素，以及在冶炼中不易除尽的有害元素硫（S）、磷（P）、氧（O）、氮（N）等碳和其他元素虽然含量不大（仅占 1%左右），但对钢材的力学性能却有着决定性的影响因此，在选用钢材时要注意钢的化学成分在普通碳素钢中，碳（C）是除铁（ Fe）以外的最主要的元素，它直接影响着钢材的强 度 、 塑 性 、 韧 性 和 可 焊 性 随 着 含 碳 量 的 增 加 ， 钢 材 的 屈 服 极 限 （σ S）和强度极限（σ b）提高，但塑性和韧性，特别是负温冲击韧性下降同时，钢材的耐腐蚀性能、疲劳强度和冷弯性能也明显下降，并将恶化钢材的可焊性和增加低温脆断的危险性因此,建筑钢的含碳量不宜太高, 一般不超过 0.22%, 在焊接钢结构中则应限制在 0.20%以下硅（Si）一般作为脱氧剂加入普通碳素钢，用以制成质量较高的镇静钢硅有使铁液在冷却时形成无数结晶中心的作用，因而可使纯铁体的晶料变为细小而均匀。

适量的硅可以在使钢材的强度大为提高，而对塑性、冲击韧性、冷弯性能及可焊性均无显著的不良影响一般镇静钢的含硅量为 0.10%～0.30%，如含量过高（达到 1%左右）将会降低钢材的塑性、冲击韧性、抗锈化和可焊性锰（Mn）是一种弱脱气剂锰与铁、碳的化合物既能溶解于纯铁体中，又能溶解于渗碳体中，有强化纯铁体和珠光体的双重作用，是一种十分有效的合金成分含量不大多的锰可以有效地提高钢材的强度，消除硫、氧对钢材的热脆影响，改善钢材的热加工性能，并能改善钢材的冷脆倾向，而同时又不显著降低钢材的塑性和冲击韧性锰在普通碳素钢中的含量约为 0.3～0.8%如果锰含量过高（达 1.0～1.5%），会使钢材变得脆而硬，并将降低钢材的抗锈性和可焊性硫 （ S） 和 磷 （ P） 在 普 通 碳 素 钢 中 是 极 为 有 害 的 物 质 硫 与 铁 化 合 为 硫 化 亚 铁（FeS），散布在纯铁体晶粒的间层中含硫量增大时会降低钢材的塑性、冲击韧性、疲劳强度（σ r）和抗锈性等高温（800～1200℃）时，例如在烛接、铆接及热加工时，硫化亚铁即将熔化而使钢材变脆（热脆）和发生裂纹因此，应当严格控制钢材中的含硫量，一般应不超过 0.055%，在焊接结构中则应不超过 0.050%。

若在钢中增加锰的含量，可使硫形成熔点高、塑性较好的硫化锰（MnS），它的熔点（约为 1600℃），远远起出热加工温度这样就可以消除一部分硫的有害作用磷与纯铁体结成不稳定的固熔体，有增大纯铁体晶粒的害处磷的存在虽然可以提高钢材的强度和抗锈性，但严重降低钢材的塑性、冲击韧性、冷弯性能和可焊性等，特别是在低温时能使钢材变得很脆（冷脆）所以磷的含量也应严格控制，一般不超过 0.050%，在焊接结构中不超过 0.045%但是磷在钢材中的强化作用是十分显著的，因此，有时就利用它的这一强化作用来提高建筑用钢材的强度磷使钢材的塑性、冲击韧性和可焊性等方面的降低，可用减少钢材中的含碳量来弥补国外有的生产企业，采用的特殊的冶炼工艺，生产高磷钢，其中磷含量（在含碳量小于 0.09%时）最高可达 0.08～0.12%氧和氮由于容易从铁液中逸出，故含量甚少这两种物质对钢材具有极为严重的危害性，能使钢材变得极脆氧的作用与硫类似，是引起热脆的因素之一一般要求含氧量小于 0.05%氮能使钢材强化但和磷的作用类似，它的存在将显著降低钢材的塑性、韧性、可焊性和冷弯性能，增加时效倾向和冷脆性因此应尽量减少钢中的含氮量，一般应小于 0.008%。

三、钢材的物理性能钢材的物理性能如表 10－1 所示钢材的物理性能 表 10－1四、碳素结构钢国家标准《碳素结构钢》GB700－88 规定了碳素结构钢的技术条件1. 牌号表示方法、代号和符号（1）牌号表示方法钢的牌号由表示屈服点的字母、屈服点数值、质量等级符号、脱氧方法符号四个部分按顺序组成2）符号Q——钢材屈服点“屈”字汉语拼音首位字母；A、B、C、D——分别为质量等级；F——沸腾钢“沸”字汉语拼音首位字母；b——半镇静钢“半”字汉语拼音首位字母；Z——镇静钢“镇”字汉语拼音首位字母；TZ——特殊镇静钢“特镇”两字汉语拼音首位字母；在牌号表示方法中“Z”、与 “TZ”符号予以省略，如 Q235B2. 钢的牌号和化学成分可参阅文献〔21〕表 2－2 及相应说明（1）～（6）3. 钢材的拉伸和冲击试验、弯曲试验可参阅文献〔21〕的表 2－3、表 2－4 及相应说明五、合金结构钢国 家 标 准 《 低 合 金 高 强 度 结 构 钢 》 GB/T1591－ 94 规 定 了 低 合 金 高 强 度 结 构 钢 的 牌号 和 技 术 要 求 其 牌 号 表 示 方 法 与 前 面 已 介 绍 的 方 法 类 似 ， 如 Q390A。

详 见 文 献〔 21〕 表 2－ 5、 表 2－6六、耐候钢耐候钢即耐大气腐蚀钢焊接结构用耐候钢是在钢中加入少量的合金元素,如铜（Cu）、铬（Cr）、镍（Ni）弹性模量 E（MPa）剪切模量 G（MPa）线胀系数 α1/℃密度 ρ 泊松比 υ2.06×105 0.79×105 1.2×10－57850（kg/m 3）78.5（ KN/m3） 0.3231等，使其在金属基体表面上形成保护层，以提高钢材的耐候性能，同时保持钢材具有良好的焊接性能高 耐 候 钢 是 在 钢 中 加 入 少 量 的 合 金 元 素 ， 如 铜 （ Cu） 、 磷 （ P） 、 铬 （ Cr） 、 镍（Ni）等，使其在金属基体表面上形成保护层，以提高钢材的耐候性能因为这类钢的耐候性能比焊接结构用耐候钢好，称作高耐候性结构钢国家标准《高耐候结构钢》GB/T4171－2000 规定了高耐候结构钢的技术要求1. 高耐候性结构钢按主要化学成分分为两类：（1）铜磷钢；（2）铜磷铬镍钢2. 牌号表示方法钢的牌号由代表“屈服点”和“高耐候”的汉语拼音字母及屈服点的数字组成，含Cr、Ni 的高耐候钢在牌号后加代。