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《钢结构设计标准》解说专题(0)—钢结构的材料选择

  《钢结构设计规范》解说专题(0)—钢结构的原材料选择
原創: Steeler, 钢结构设计 微信公众号
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《钢结构设计规范》(GB2017)第4章 原材料,详细介绍了钢结构原材料的相关内容。 钢结构用的不锈钢板材(合金结构钢),有Q235、Q345、Q390、Q420、Q460等型号,每一个型号,有A、B、C、D和E的质量等级(Q235无E级别)。针对厚钢板,有《厚度方向性能钢板》(GB/T 5313-2)要求的Z15、Z25、Z35的横断面缩水率规定。针对耐蚀性,有《耐候结构钢》(GB/T 4171-2008)要求的Q235NH、Q355NH和Q415NH。此外,还有一个《建筑结构用钢板》(GB/T2005)的GJ系列产品不锈钢板材。
这种涉及到不锈钢板材的规定,结构设计师在施工图纸中应确立表明。钢材牌号的选择,主要是抗压强度难题,一般技术工程师都是会从承受力的视角,经济发展有效地开展选择。其他的质量等级、Z向特性、GJ不锈钢板材、锈蚀钢板、焊材,海外不锈钢板材运用等难题,标准的规定是啥?怎样有效地开展选择?文中专题探讨。
一、合金结构钢的质量等级怎样选择?
1. 质量等级如何确定?
合金结构钢不一样抗压强度级别都是有A~D或是E的质量等级,质量等级事实上关键意味着的是原材料在不一样溫度下的断裂韧性规定。
依据原材料的规范《碳素结构钢》(GB/T 700-2006)及其《低合金高强度结构钢》(GB/T 1591-2008)的要求,Q235、Q345、Q390、Q420、Q460不一样质量等级的成分及其物理性能以下表。能够看得出,不一样型号的不锈钢板材根据调节C、S、P的成分,完成了不一样溫度下的断裂韧性特性,做到了不一样的质量等级。

  

  

  
《钢标》第4.3.4条对不锈钢板材的断裂韧性做出了规定。融合以上的断裂韧性,将相匹配的不锈钢板材质量等级列入,归纳如下:
1)针对必须检算疲惫的电焊焊接构造的不锈钢板材
a.当构造操作温度高过0℃时,应具备常温下断裂韧性的达标确保(Q235B、Q345B、Q390B、Q420B);
b.当构造操作温度不高过0℃但高过-20℃时,Q235钢和Q345钢应具备0℃断裂韧性的达标确保(Q235C、Q345C);对Q390钢、Q420钢和Q460钢应具备-20℃断裂韧性的达标确保(Q390D、Q420D、Q460D);
c.当构造操作温度不高过-20℃时,对Q235钢和Q345钢应具备-20℃断裂韧性的达标确保(Q235D、Q345D);对Q390钢、Q420钢和Q460钢应具备-40℃断裂韧性的达标确保(Q390E、Q420E)。
2)针对必须检算疲惫的非电焊焊接构造的不锈钢板材
a.当构造操作温度高过-20℃时,应具备常温下断裂韧性的达标确保(Q235B、Q345B、Q390B、Q420B);
b.当构造操作温度不高过-20℃时,对Q235钢和Q345钢应具备0℃断裂韧性的达标确保(Q235C、Q345C);对Q390钢、Q420钢和Q460钢应具备-20℃断裂韧性的达标确保(Q390D、Q420D、Q460D)。
另外,起重机吊重不小于50t的初级工时制度吊车梁,对不锈钢板材断裂韧性的规定应与必须检算疲惫的预制构件同样。
第4.3.4条,工作中工作温度不高过-20℃的受拉预制构件及载重预制构件的受拉板才,应合乎以下规定:常用不锈钢板材薄厚或直徑不适合超过40mm,质量等级不适合小于C级;当不锈钢板材薄厚或直徑不小于40mm时,其质量等级不适合小于D级;关键载重构造的受拉板才宜达到《建筑结构用钢板》GB/T规定。
《钢标》第4.3.4条的条款表明表3,梳理了之上各个的不锈钢板材质量等级采用规定,查看十分便捷。

  
《高层住宅工业建筑钢结构技术规范》(JGJ 99-2015)对不锈钢板材的质量等级也是有一定的规定,应遵循以下要求:
第4.1.2条,载重预制构件常用不锈钢板材的质量等级不适合小于B级;建筑抗震等级为二级及之上的高层住宅工业建筑钢结构,其框架柱、柱和抗侧力支撑点等关键抗侧力预制构件不锈钢板材的质量等级不适合小于C级;载重预制构件中薄厚不小于40mm的受拉零件,当其操作温度小于-20℃时,宜适度提升其常用不锈钢板材的质量等级。
第4.1.4条,建筑抗震等级为三级及之上的高层住宅工业建筑钢结构,其关键抗侧力预制构件常用不锈钢板材应具备与其说操作温度相对应的断裂韧性达标确保。即,操作温度高过0℃时,选用B级钢;操作温度不高过0℃但高过-20℃时,选用C级;操作温度不高过-20℃时,选用D级。

2. 什么是必须检算疲惫的电焊焊接构造?
《钢标》第16.1.1条及条款表明要求,立即承担驱动力载荷反复功效的钢结构预制构件以及联接(比如厂房吊车梁、有悬架起重机的屋架构造、公路桥梁、深海海上钻井平台、风能发电机构造、大中型转动游乐场设施等),当其载荷造成的地应力转变 的循环系统频次n相当于或超过5×10^4次时,应开展疲惫测算。
当钢结构承担的地应力循环系统频次低于真奈美规定时,并不开展疲惫测算,且可依照不用检算疲惫的规定采用不锈钢板材。
《钢标》第16.2.4条要求,重级工时制度吊车梁和重级、初级工时制度起重机桁架结构应开展疲惫测算。另外在条款表明中表明,“轻级工时制度吊车梁和起重机桁架结构及其大部分初级工时制度吊车梁,依据很多年来应用的状况和设计方案工作经验,并不开展疲惫测算”。
《钢标》第4.3.3-3条,吊重不小于50t的初级工时制度吊车梁,其原材料的质量等级应与必须检算疲惫的预制构件同样。《钢标》第11.1.6条,吊重相当于或超过50t的初级工时制度吊车梁的焊接明确提出了实际规定。因而,下意识地把吊重相当于或超过50t的初级工时制度吊车梁,也列入必须检算疲惫的构造。
《起重机设计规范》(GB/T 3811-2008)起重设备设计标准,详细介绍了起重机工时制度与工作中等级、应用级别、载荷情况的对应关系;

  

  

  

  

3. 构造操作温度如何确定?
《钢标》4.3.3的条款表明中提议,选用《采暖通风与空气调节设计规范》GBJ 19-87(2001年版)中列出的“最少日平均温度”做为构造操作温度,见下表,节选自该标准的附则二。

  
实际上,GBJ 19-87标准在03版《钢结构设计标准》定编后,早已升版为《采暖通风与空气调节设计规范》(GB2003),在其中未列入气候主要参数。标准后又一部分升版为《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》(GB2012),虽然有气象数据,但没了“最少日平均温度”这一项。
靠他人不可靠啊,咋整?现阶段的作法只有是,去找旧版的已废止的标准。《钢标》(GB2017)修定时也观念到这一难题,采用的解决方案是,索性把这些数据信息拿出来制成报表放到了条款表明里(见下表)。

  
此外一个难题,针对房间内工作中的预制构件,由于供暖等缘故造成室内室外溫度不另外,构造预制构件溫度显著不太可能是户外的“最冷日平均气温”,如何处理?
崔佳等主编的03版《钢结构设计标准》的教材《钢结构设计标准了解与运用》中有一个表述:

  

《机械工业厂房结构设计规范》(GB2013)第5.3.3条要求:“构造操作温度按《采暖通风与空气调节气象资料集》中列出的最少日平均气温明确,对供暖房屋里的构造,可提升10℃选用”。
《钢标》(GB2017)对这个问题有一个表明:针对房间内工作中的预制构件,如能保证自始至终在某一溫度之上,可将其做为工作中工作温度,如供暖屋子的工作中工作温度可视作0℃之上;不然可按以上标值提升5℃选用。

二、GJ钢在什么时候采用?
在我国的《建筑结构用钢板》(GB/T2015)参照日本的SN不锈钢板材规范制订,在原钢材牌号后加GJ表明,如Q345GJ,别名“GJ钢”,是致力于高层住宅工业建筑钢结构生产制造的性能卓越厚钢板。GJ钢对钢的纯粹性明确提出了严苛的规定,大幅度降低了危害原素P、S原素的成分。进而完成了抗压强度薄厚效用小(随薄厚螺栓强度减少水平小)、屈服极限有上低限(可完成抗震等级明确的塑性变形能耗区)、确保碳当量和Z向特性(Z15、Z25、Z35)等层面的优势。
在我国现阶段仍未像日本强制规定抗震等级的工程建筑钢结构选用GJ钢。现阶段主要是《高层住宅工业建筑钢结构技术规范》在提规定:第4.1.2条:关键载重预制构件常用偏厚的板才宜采用性能卓越工程用GJ厚钢板;第4.1.4条,高层住宅工业建筑中按抗震等级设计方案的框架柱、柱和抗侧力支撑点等关键抗侧力预制构件,不锈钢板材屈服强度起伏范畴不可超过120N/mm2。
实际上第4.1.2条极力推荐高层住宅钢结构选用GJ钢,第4.1.4条从屈服强度起伏范畴的要求也造成最好是选用GJ钢。

三、Z向特性怎样规定?
《钢标》对Z向特性的要求较为含糊,第4.3.5条及条款表明要求:
因为当电焊焊接熔化面平行面于原材料表层时,片层撕破容易产生,因而T 形、十字形、角型电焊焊接联接连接点宜达到以下规定:
1 当翼缘板薄厚相当于或超过40mm 且联接焊接焊透高宽比相当于或超过25mm 或联接角焊缝单层高宽比超过35mm 时,设计方案宜选用对薄厚方位特性有规定的抗片层撕破厚钢板,其Z向安装特性级别不适合小于Z15 (限定厚钢板的硫含量不超0.01%);当翼缘板薄厚相当于或超过40mm 且联接焊接焊透高宽比超过40mm 或联接角焊缝单层高宽比超过60mm 时, Z向安装特性级别宜为Z25(限定厚钢板的硫含量不超0. 007%);
2 翼缘板薄厚大于或等于25mm ,且联接焊接焊透高宽比相当于或超过16mm 时,宜限定厚钢板的硫含量不超0.01% 。
《建筑抗震设计规范》第三.9.5条:选用电焊焊接联接的钢结构,当连接头的电焊焊接束缚度很大、不锈钢厚度不小于40mm且承担沿板厚方位的抗拉力时,不锈钢厚度方位横截面缩水率不可低于国家行业标准《厚度方向性能钢板》GB/T 5313有关Z15级要求的允许值。
《高层住宅工业建筑钢结构技术规范》第4.1.5条:电焊焊接连接点区T形或十字形对接焊缝中的厚钢板,当板厚不小于40mm且沿板厚方位承担很大抗拉力功效(含较高电焊焊接管束拉应力功效)时,该一部分厚钢板应具备薄厚方位回弹性特性(Z向特性)的达标确保。其沿板厚方位的横断面缩水率不可低于现行标准国家行业标准《厚度方向性能钢板》GB/T 5313要求的Z15级容许限制值。
之上标准全是判定地表明,什么状况应选用Z向特性原材料,沒有定量分析的测算根据。Z向特性明确方式的根据,在崔佳等主编的03版《钢结构设计标准》的教材《钢结构设计标准了解与运用》(2004年出版发行)中,有一个横断面缩水率的测算明确方式(将多种要素需要的横断面缩水率累加后在表2.7中寻找相匹配的结构的Z向特性规定):

  

  
而这一部分內容事实上来自于欧洲地区标准Eurocode 3, Part 1-10有关Z向特性的明确方式,有兴趣爱好去瞧瞧吧。

  

  



  四、焊材的采用

1. 常见不锈钢板材的焊材采用
《钢标》第4.3.8条的条款表明表5,得出了常见不锈钢板材的焊材采用配对推荐表,查看十分便捷。

  
《钢标》第11.1.5-6条要求,焊接联接宜选择等抗压强度配对;当不一样抗压强度的不锈钢板材联接时,可选用与低抗压强度不锈钢板材相符合的焊材。

2. 新钢材牌号的焊接方法鉴定

《钢标》第11.1.7 条,电焊焊接工程项目中,初次选用的新钢材牌号应开展电焊焊接性实验,达标后应依据现行标准国家行业标准《钢结构电焊焊接标准》GB的要求开展焊接方法鉴定。
有些人很有可能会问,即然《钢标》得出了常见不锈钢板材的焊材配对推荐表,假如常见不锈钢板材,采用了《钢标》的强烈推荐焊材,是否就无需做焊接方法鉴定了?
针对这个问题,《钢规》第11. 1. 7 条的条款表明得出了回答。
焊接方法鉴定是在钢结构工程项目逐渐电焊焊接前,依照电焊焊接性实验結果所拟订的焊接方法,认证所拟订的焊接方法是不是恰当的技术性工作中。
钢结构开展焊接方法鉴定有两个关键目地:
(1) 认证所拟订的焊接方法是不是恰当。
此项工作中包含根据金属焊接的性实验或依据相关电焊焊接特性的技术文档所拟订的加工工艺,也包含早已鉴定达标,但因为种种原因必须更改一个或一个之上的焊接方法主要参数的加工工艺。
(2) 点评施工企业是不是能焊出合乎相关规定的对接焊缝。
焊接方法鉴定具备不能键入性,不能出让。焊接方法鉴定务必依据本企业的具体情况来开展。由于电焊焊接品质由“工作人员、设备、原材料、方式、自然环境”五大管理方法因素决策,企业不一样其管理方法因素也不一样,所进行的焊接方法鉴定的水准也不一样,从而产生的焊接工艺也不一样。实际上,在开展焊接方法鉴定的全过程中,有的企业常常有不过关的状况产生,充足确认了这一点。
换句话说,钢结构新项目或是必须依照《钢结构电焊焊接标准》(GB2011)的规定,开展焊接方法鉴定的。
《钢焊范》(GB2011)也给出了免于焊接工艺评定的范围,第6.1.1条(黑体字强条)规定, 除非符合本章6.6 节规定的免予评定条件,施工单位首次采用的钢材、焊接材料、焊接方法、接头形式、焊接位置、焊后热处理制度以及焊接工艺参数、预热和后热措施等各种参数的组合条件。应在钢结构构件制作及安装施工之前进行焊接工艺评定。《钢焊范》(GB2011)6.6 节内容很多,介绍也非常详细,以后再单独介绍。
了解焊接工艺评定,可参考下方的文章:

焊接工艺评定报告示例
焊接工艺评定都有哪些注意事项?


3. 低氢型焊条的应用
《钢标》第4.3.8-2条,对直接承受动力荷载或需要验算疲劳的结构,以及低温环境下工作的厚板结构,宜采用低氢型焊条;
《钢标》第11.3.5-3条和表11.3.5,规定了角焊缝的最小焊脚尺寸。采用低氢焊接方法可以减小焊脚尺寸。

  
此表格摘录自《钢焊范》(GB2011)第5.4.2条,该条文说明解释为,角焊缝最小长度、断续角焊缝最小长度及角焊缝的最小焊脚尺寸规定均为防止因热输入量过小而使母材热影响区冷却速度过快而形成硬化组织,用低氢焊条时由于减少了氢脆的影响,最小角焊缝尺寸可比非低氢焊条时小一些。
此处提到了“低氢焊接方法”,而且关系到不同板厚的角焊缝最小焊脚尺寸计算板厚取值,理解这个概念也很重要。《钢焊范》(GB2011)对低氢焊接方法,没有太多解释。我们的理解是:采用低氢焊条,使用前按《钢焊范》要求对低氢焊条进行烘干、保温存放的手工电弧焊,是低氢焊接方法;同时,《钢焊范》(GB2011)第7.2.4条的条文说明规定,实际应用中可将埋弧焊认为是一种低氢焊接方法。查阅一些资料,认为气体保护焊也是一种低氢焊接方法。电渣焊一般用于厚度大于16mm的厚板焊接,很少用于角焊缝。
因此,设计阶段可以简单的理解为:采用非低氢焊条的手工电弧焊为非低氢焊接方法;采用低氢焊条的手工焊,各类气保焊,各类埋弧焊都属于低氢焊接方法。
钢结构设计时,如果需要按较薄件厚度来考虑最小焊缝尺寸时,应指定采用低氢焊条。一般情况,可以按较厚件厚度来计算最小焊脚尺寸。角焊缝连接的板件厚度差异不大时,这两种情况没有太大差别。

五、耐候钢选用

1. 耐候钢的材料说明
《钢标》第4.1.3条,处于外露环境,且对耐腐蚀有特殊要求或处于侵蚀性介质环境中的承重结构,可采用Q235NH 、Q355NH 和Q415NH牌号的耐候结构钢,其质量应符合现行国家标准《耐候结构钢》GB/T 4171 的规定。
条文说明解释为:通过添加加少量合金元素Cu 、P 、Cr 、Ni 等,使其在金属基体表面形成保护层,以提高耐大气腐蚀性能的钢,称为耐候钢。
耐候结构钢分为高耐候钢和焊接耐候钢两类,高耐候结构钢具有较好的耐大气腐蚀性能,而焊接耐候钢具有较好的焊接性能。耐候结构钢的耐大气腐蚀性能为普通钢的2 倍~8 倍。因此,当有技术经济依据时,将耐候钢用于外露大气环境或有中度侵蚀性介质环境中的重要钢结构,可取得较好的效果。
耐候钢在钢结构桥梁领域,已广泛使用,有较好的技术、经济效果。这些年在市政领域(水厂厂房、河湖岸边钢结构)也应用较多。
了解耐候钢在桥梁领域的应用,可参考下方的文章:
英国耐候钢桥梁技术一
英国耐候钢桥梁技术二

2. 耐候钢结构的设计要点
小编团队(Steeler)曾设计过多个耐候钢项目,以下是我们的经验总结:
(1)尽量选用焊接耐候钢,Q235NH 、Q355NH 和Q415NH牌号,结构设计和连接节点设计,可以按普通钢结构进行设计,《钢标》第4.3.8条的条文说明表5(见上方)也推荐了耐候钢的焊接方式和焊接材料;
(2)市场上耐候钢的钢板材料比较少,当某个板厚规格用量较少时(少于10吨),供货商较少、钢材采购周期长(0.5~2个月)、采购运费高。Q355NH是最常用、最容易采购的耐候钢牌号,应优先选用Q355NH焊接耐候钢;
(3)市场上几乎没有耐候钢的热轧型钢现货。设计时,尽量不要选用耐候钢的热轧型钢,应采用类似的焊接截面替代热轧截面。除非某种规格的热轧型钢用量较大(达到几百吨以上),可以联系钢厂专门轧制。
(4)设计时,耐候钢的板厚规格尽量少,板厚相近的尽量归并,每种厚度的钢板用量尽量大于10吨。

六、国外钢材的应用
《钢标》(GB2017)对使用本标准未列出的其他牌号钢材(包括国外材料),提供了指导意见。
《钢标》第4.1.5条,当采用本标准未列出的其他牌号钢材时,宜按照现行国家标准《建筑结构可靠度设计统一标准》GB进行统计分析,研究确定其设计指标及适用范围。
第4.1.5条的条文说明中,对于已有国家材料标准,但尚未列入钢结构设计标准的钢材,《钢标》给出了具体的统计分析方法,试验研究、专家论证,确定其设计指标。

对国外进口且满足国际材料标准的钢材:
1)如既有国外标准,又有相同或相近中国标准,应按中国钢结构工程施工质量验收规范要求验收,可就近就低按中国标准规范取用设计强度,在具体工程中使用;
这为我国的工程公司一带一路走出去,采用国外标准的钢材,提供了规范依据。
常用的中外钢材牌号近似对照表如下表。

  
2)如有国外标准,但无相近中国标准可供参照,则将材料质量证明文件和验收试验资料提供给《钢结构设计标准》国家标准管理组,经统计分析和专家会商后确定设计强度,在具体工程中使用。

  
相关文章:
《钢结构设计标准》解说专题(1)—截面等级
《钢结构设计标准》解说专题(2)—新术语解释
【钢构知识】新钢结构设计标准宣贯| 第1~5章

  本文前半部分,参照了“钢结构的材料等级,你知道咋选吗?(修订版)”,来自:公众号“从钢结构到装配式钢结构建筑”,作者:牛必任;“钢结构设计”公众号,按2017版《钢标》做了修订,并编写了后半部分。

  来源:钢结构设计、从钢结构到装配式钢结构建筑,作者:牛必任,Steeler修订汇编,转载请注明。
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