钢结构工程施工教程
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1.5 结构钢材选用及代用原则

1.5.1 钢材的选用原则

各种结构对钢材各有要求,这些要求主要是针对钢材的强度、塑性、韧性、耐疲劳性、焊接性能、耐锈蚀性能等。对厚板结构、焊接结构、低温环境下结构,还应防止脆性破坏。表1-3~表1-5为建筑结构钢材的设计选择原则。

表1-3 焊接结构钢材的设计选择原则

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表1-4 非焊接结构钢材设计选用原则

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表1-5 需要验算疲劳结构钢材设计选择原则

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1.5.2 钢材的确认与代用原则

施工单位应按照设计选用钢材的钢号,根据设计对钢材的性能要求进行采购。钢结构工程所采用的钢材必须附有钢材的质量证明书,各项指标应符合设计文件的要求和国家现行有关标准规定。钢材代用必须与设计单位共同研究确定,并办理书面代用手续后方可实施代用,钢材的确认与代用原则如下:

(1)钢号虽然满足设计要求,但生产厂提供的材质保证书中缺少设计提出的性能要求时,应做补充试验。如钢材缺少冲击、低温、冲击试验的保证条件时,应做补充试验,合格后才能应用。

(2)钢材性能虽然满足设计要求,但钢号的质量(指标)优于设计提出的要求时,应经过设计同意并办理代用手续,保证钢材代用的安全性和经济合理性。普通低合金钢的相互代用,如Q390钢代用Q345钢等,要更加谨慎,除机械性能满足设计要求外,在化学成分方面还应注意可焊性。重要的结构要有可靠的试验依据。

(3)钢材的钢号和性能都与设计提出的要求不符时,如Q235钢代用Q345钢,应办理设计变更手续,按钢材的设计强度重新计算,根据计算结果改变结构构件的截面、焊缝尺寸和节点构造。

(4)钢材的化学成分检测值允许与规定的标准数值有一定的偏差,允许偏差参见表1-6。

表1-6 钢材化学成分允许偏差

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(5)钢材机械性能所需的保证项目仅有一项不合格者,可按照以下原则处理:①当冷弯合格时,抗拉强度的上限值可以不限;②伸长率比规定的数值低1%时,允许使用,但不宜用于考虑塑性变形的构件;③冲击功值按一组3个试样值的算术平均值计算,允许其中1个试样的值低于规定值,但不得低于规定值的70%。

(6)当采用进口钢材时,除应验证其化学成分和机械性能是否满足相应的外国标准,还要验证是否符合设计要求。

(7)钢材的规格尺寸与设计要求不同时,须经设计计算后才能代用。

(8)如钢材品种、规格供应不全,可根据钢材选择的原则调整并办理设计变更。一般情况下,建筑结构对材质的要求遵循以下原则:①受拉构件高于受压构件;②焊接结构高于螺栓或铆钉连接的结构;③厚钢板结构高于薄钢板结构;④低温结构高于常温结构;⑤受动力荷载的结构高于受静力荷载的结构。

(9)桁架结构中上弦、下弦、腹杆可用不同钢种的钢材。

(10)含碳量高或焊接困难的钢材,可改用螺栓连接。

1.5.3 钢板厚度方向性能(Z)指标的确定

1.影响钢板层状撕裂的因素

钢材由铸锭轧制成板材后,晶粒间存在的硫化锰等夹杂物也被轧成薄膜状与金属带状组织共存。如果夹杂物量较多形成连续的片状分布,当板厚方向产生拉力时,就易发生夹杂物与金属脱开,钢板产生层状撕裂。

钢板层状撕裂的主要影响因素是含硫量,含硫量越高,夹杂物含量越多,越容易产生层状撕裂;钢板厚度也是影响因素之一,钢板越厚,越容易产生层状撕裂,一般情况,当钢板厚度超过40mm时,设计有Z向指标的要求;钢材的延性和韧性也对层状撕裂有影响,碳当量越高,钢材组织易脆化,层状撕裂越敏感。

2.防止层状撕裂的措施

(1)控制钢材的含硫量:钢材厚度方向的抗拉性能以断面收缩率为表征,影响断面收缩率最直接的因素就是钢材含硫量,不同的含硫量对应不同的断面收缩率,含硫量越低,相应的断面收缩率越大,说明厚度方向性能越好。表1-7表明了钢材厚度方向性能(抗层状撕裂性能)与含硫量、断面收缩率的对应关系。

表1-7 钢材厚度方向性能与含硫量、断面收缩率的对应关系

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(2)合理的节点构造:不同形式和构造的节点,其拘束度不同。节点拘束度与节点形式、焊缝大小、板厚有关,一般情况下,T形、十字形、L形角接接头的拘束度依次增大;部分焊透的拘束度小于全焊透焊缝;钢板越厚,拘束度越大。

(3)合理的焊接工艺:从焊接工艺上尽量减小焊接引起的拘束度,例如,采取对称多道次施焊、塑性过渡层、低氢焊材、预热、消氢处理等一系列工艺措施。

3.钢板Z向指标的确定

欧盟规范(EC3)规定了钢板Z向指标的计算方法,可供参考。首先根据焊缝尺寸、接头形式、钢板厚度、焊缝约束、预热等因素,得出相应的分项指标值Zi(见表1-8),再按下式求其总和ZED

ZED=Za+Zb+Zc+Zd+Ze

求得ZED后按照表1-9即可确定钢板的Z向指标。

表1-8 分项Z向指标

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续表1-8

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注:s为板厚。

表1-9 Z向性能等级的选用

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