Z向性能钢板的技术要求及选用.pdf

2005 年第 2 期 钢 铁 技 术钢 铁 技 术 26 建筑工程 Z 向性能钢板的技术要求及选用 Z 向性能钢板的技术要求及选用 但泽义 (中冶赛迪公司建工分院, 重庆 400013) 摘 要介绍了国产厚度方向性能钢板及牌号， 并重点阐述了钢材中化学成分及轧制对厚板性能的影响和如何确定厚 板的断面收缩率 值以及防止层状撕裂的措施。可供设计者参考。 关键词钢材牌号 Z 向性能 断面收缩率 层状撕裂 近 20 年年来，我国高层建筑钢结构、海上采 油平台以及类似的重要建(构)筑物钢结构得到了 蓬勃的发展。在这类建(构)筑物中因结构承载力的 需要，常常采用厚板焊接结构，厚板结构在制造焊 接中，由于钢材质量和焊接构造等原因，厚板容易 出现层状撕裂，这对沿厚度方向受拉的接头来说是 很不利的。厚度方向性能良好的钢板，我国在上世 纪 8090 年代尚不能完全生产，需要进口一批厚 板来满足国内建筑市场日益增长的需要，近几年经 广大科技工作者共同努力奋斗，我国厚度方向性能 钢板的产量和质量已基本能满足市场的需求，并制 定了自己的厚度方向性能钢板、高层建筑结 构用钢板国家标准和行业标准。我国生产的 Z 向 钢板的标志是在母级钢钢号后面加Z向钢标志Z15、 Z25、Z35。高层建筑结构用钢板的牌号是在屈服点 数值后面加上代表高层建筑的汉语拼音字母(GJ) 接着是质量等级符号(C、D、E)如 Q345GJC；对厚度 方向性能钢板，是在质量等级符号前还要加上厚度 方向性能级别，例如 Q345GJZ25C。 钢板在轧制过程中，随着板厚的增加，厚度方 向压缩比相对减小，钢板在三个方向的机械性能是 有差别的：沿轧制方向性能最好；垂直于轧制方向 的性能稍差：沿厚度方向性能则又次之。用一般质 量的钢轧制的钢材，尤其是厚钢板，局部性的分层 现象往往难于避免。分层主要来源于钢中的硫、磷 偏析和非金属夹杂等缺陷，这些缺陷将影响钢的力 学性能。 Z 向性能钢板的技术要求及工艺措施为： 1 化学成分 影响钢材性能的因素有：化学成分、熔炼与浇 铸、轧制以及热处理等，而以化学成分为主。其中 硫、磷含量直接影响钢板厚度方向的性能。硫、磷 是建筑钢材中的主要杂质，硫能产生易于熔化的硫 化铁，当热加工或焊接的温度达到 8001200 时，可能出现热裂纹，硫化铁又能形成夹杂物，不 仅促使钢材起层，还会引起应力集中，降低钢材的 塑性和冲击韧性。硫又是钢中偏析最严重的杂质之 一，偏析程度越大对厚度方向的性能越不利。磷是 以固溶体的形式溶解于铁素体中，这种固溶体很 脆，加以磷的偏析比硫更严重，形成的富磷区促使 钢变脆，降低钢的塑性、韧性及可焊性。因此 Z 向 性能的钢板对硫、磷的含量均应有合格保证，其中 对硫的含量控制较严。 超高层建筑钢结构或类似结构的梁柱翼缘板 厚一般都选用大于 40 mm 的低合金高强度结构钢， 连接节点都是采用 V 型或 U 型坡口的焊接连接， 在 低合金高强度结构钢的焊接接头中，热影响区因急 冷而产生淬硬倾向，热影响区淬硬倾向大的钢易产 生焊接裂纹，接头的塑性恶化，可靠性降低，甚至 存在很大的隐患。因此为保证结构的承载力和安全 可靠，应对钢材可焊性(工艺可焊性和使用可焊性) 进行评定，决定钢材可焊性通常控制低合金钢的碳 当量(Ceq)或焊接裂纹敏感性指数(Pcm)。 Ceq 或 Pcm 是根据化学成分对钢材焊接热影响区淬硬性的影 响程度，粗略地评价焊接时产生裂纹倾向及脆化倾 2005 年第 2 期 钢 铁 技 术钢 铁 技 术 27 向的一种估算方法，其计算公式如下： Ceq()CMn/6Si/24 Ni/40Cr/5 （1） Mo/4V/14 Pcm()CSi/30Mn/20Cu/20 Ni/60Cr/20Mo/15 （2） V/105B 用于建造高层建筑结构和其他类似重要建筑 结构厚度100 mm 钢板的化学成分和碳当量(Ceq) 或焊接裂纹敏感性指数 (Pcm)见表 1、表 2、表 3。 表 1 高层建筑结构用钢板的化学成分 化学成分() 钢的 牌号 质量 等级 厚度 (mm) C Si Mn P S V Nb Ti A1s C 0.20 D Q235GJ E 6100 0.18 0.35 0.61.20.0250.015 0.015 C 0.20 D Q345GJ E 6100 0.18 0.55 1 60 0.0250.0150.200.150.015O.060 0.010.100.015 C 0.20 D Q235GJZ E 16100 0.18 0.35 0.61.20.020见表 2 0.015 C 0.20 D Q345GJZ E 16100 0.18 0.55 1.60 0.020见表 20.020.150.015O.060 0.0l0.100.015 注：Z 为厚度方向性能级别 Z15、Z25、Z35 的缩写，具体在牌号中注明。有关厚度方向性能的其它要求见相关标准(GB/T5313)。 表 3 高层建筑结构用钢板的碳当量和焊接裂纹敏感性指数限值 碳当量（Ceq） 焊接裂纹敏感性指数（Pcm） 牌 号 交货状态 50 mm 50100 mm 50 mm 50100 mm Q235GJ Q235GJZ 热轧或正火 036 036 026 Q345GJ 热轧或正火 042 044 029 Q345GJZ TMCP 038 040 024 026 注：TMCP 表示温度变形控制轧制。交货状态应在合同中注明，否则将由供方选择。 表 2 厚度方向性能钢板的硫含量限值 厚度方向性能级别 硫含量()不大于 Z15 0010 Z25 0007 Z35 0005 各牌号所有质量等级钢板的碳当量(Ceq)或 焊接裂纹敏感性指数(Pcm)应符合表 3 的相应规 定。采用熔分析值并根据式(1)或式(2)计算 Ceq 或 Pcm。一般以计算 Ceq 交货，除非有协议规定。 2 力学性能 钢锭经热轧后，钢铸锭时形成的气泡、裂纹和 疏松等缺陷，可在高温和压力作用下焊合，并细化 钢材的晶粒使组织密实，力学性能得到改善。这种 改善主要体现在沿轧制方向上，钢材在三个方向不 再是各向同性体，钢材内部的非金属夹杂物 (主要 是硫化物、硅酸盐及氧化物等)被压成薄片或条状， 出现分层(夹层)现象。分层使钢材沿厚度方向受拉 的性能大大恶化，并有可能在焊缝收缩时出现层间 撕裂。高层建筑框架梁柱刚性节点中，柱的翼缘板 受有厚度方向的拉力以及内外焊缝的收缩应力，当 柱的翼缘板较厚时，层间撕裂的可能性和危险性就 比较大。为解决这个问题，应采用 Z 向性能钢板。 我国制订的适用于高层钢结构或其它重要建 (构) 筑物用的 高层建筑结构用钢板 (YB41042000) 2005 年第 2 期 钢 铁 技 术钢 铁 技 术 28 行业标准，其性能与日本建筑结构用钢材 (JISG31361994)相近而且在质量上有下列改进： 1)降低了硫、磷含量和焊接碳当量; 2)提高了屈服点并缩小其波动范围： 3)提高了冲击功值； 4)增加弯曲试验； 5)厚度方向的性能可以保证到 Z35 级别。 力学性能见表 4。 表 4 力学性能 屈服点s(MPa) 180弯曲试验 钢板厚度(mm) 伸长度 s() 冲击功 Akv 纵向 钢板厚度(mm) 屈强比s/b 牌 号 质量 等级 616 16353550 50100 抗拉 强度 b(MPa) 不小于温度()不小于16 16100不大于 C 0 D -20 Q235GJ E 235 235345225335 21532540051023 -40 34 2a 3a 0.80 C 0 D -20 Q345GJ E 345 345455335445 32543549061022 -40 34 2a 3a 0.80 C 0 D -20 Q235GJZ E - 235345225335 21532540051023 -40 34 2a 3a 0.80 C 0 D -20 Q345GJZ E - 345455335445 32543549061022 -40 34 2a 3a 0.80 注：若供方能保证弯曲试验结果符合表 4 规定，可不作弯曲试验。若需方要求作弯曲试验，应在合同中注明。 3 断面收缩率 为了防止结构在受力和焊接中层状撕裂的产 生，当采用厚度 t40 mm 的钢材时，钢材厚度方 向应具有必需的断面收缩率，断面收缩率可由 下式求得： EDCBA E An n += = 各影响因素所需的断面收缩率n 的参数见 表 5。表中列出的断面收缩率n 为参考值，当 n 为负值时表示该影响因素有利于抗层状撕 裂。对 D 项进行分析时要根据结构的具体情况慎重 处理。示例见表 6。 4 防止层状撕裂工艺措施 在厚板焊接结构中，厚度方向焊接十字接头、 T 形接头和斜接头，构件上始终承受因收缩产生的 焊接应力。母材内微小的层状偏折，在受垂直板面 的拉应力作用时，易产生层状撕裂。为避免构造不 当产生层状撕裂，设计人员在节点构造设计时，可 考虑以下措施： 1)尽量避免垂直钢板表面受力，当构件不可避 免在板厚度方向承受外加荷载时，应尽可能使受力 面积扩大，以降低板厚方向的外加应力峰值。 2)焊缝设计时，在满足结构承载力和构造要求 等的前提下，宜选用比母材强度稍微低一些或者塑 性好变形能力大的焊接材料焊接，使焊缝在内外应 力作用下，增加缓冲层先行塑性变形，以达到应力 重分布的目的。 3)合理选择焊接接头及施焊工艺，如在对接与 角接组合的 T 形接头中，可以采用增大焊缝与板面 的接触面积； 选择适宜的坡口角度， 减少空腔体积； 对称焊缝，焊道采用对称焊接的次序等措施。 4)钢材预热可以减少层状撕裂，预热可使溶敷 金属冷却速度慢，收缩的范围增大，降低焊接接头 的淬硬倾向。预热温度与钢材碳当量 Ceq 有关，碳 当量愈高，预热温度也愈高，当预热温度在 200 2005 年第 2 期 钢 铁 技 术钢 铁 技 术 29 表 5 各影响因素所需的断面收缩率n 影 响 因 素 n A 焊脚尺寸 hf 当 hf50 mm 时 A0.3 hf 由此得出如： h10 mm h20 mm h30 mm h40 mm h50 mm 15 12 9 6 3 -25 -10 -5 0 3 5 B 焊缝型式和 焊缝位置 8 C 在钢板厚度方向 焊接的刚性焊缝 当钢板厚度 t60 mm 时 t20 mm; 适用，c0.2t t40 mm; 例如就下列值得出： t60 mm 12 8 4 D 结构刚度 刚度低：能自由收缩，如 T 型接头。 刚度中等：在一定条件下可收缩。如箱形梁的横板。 刚度高：收缩受阻。如交叉的周围焊透的梁。 0 3 5 E 焊接工艺 不预热。 预热温度 100以上。 0 -8 注：如在板件厚度方向受压而且主要是受静载的压力（如支架的柱脚底板），表中所注的n 值减半。因统计数据不足，表中数 值仅适用于板厚 t60 mm 时。 （转第 34 页） t 改善焊道次序 较大 较小 t t 0.7 t 0.5t t 焊接变形大的材料(缓冲层) t 2005 年第 2 期 钢 铁 技 术钢 铁 技 术 34 2 G S0.19456 误差平方和： 2222222 111 GCsYuCTE SSSSSSSS= =0.19442 列出方差分析表(见表 7)。 查数理统计书籍中的 F 分布表得：F0.05(6，42) 2.331，F0.0l(6，42)3.273。由表 7 可知，除 Fcs 大于 F0.05(6，42)而小于 F0.01(6，42)外，其他参数 的 F 值均大于 F0.01(6，42)。所以除参数 Cs 对边坡 稳定性的影响是显著的(表 7 中示以*)之外，其他 参数对边坡稳定性的影响都是高度显著的(表 7 中 示以*)。表 7 中“显著性”一栏内（）内的数 字表示敏感性排序号，除最后两个参数(1和 Cs) 外，其他同用极差分析方法求得的排序结果是一致 的。 参考文献 1 孙玉科等著 .中国露天矿边坡稳定性研究M.北京： 中国科学技术出版社,1999 年 4 月 2 赵选民等编 .概率论与数理统计典型题分析解集(第 2 版)M.西安：西北工业大学出版社,2001 年 3 月 3 季夜眉等编著 .概率与数理统计M.北京：电子工业 出版社,2001 年 9 月 (收稿日期：2004-03-15) （接第 29 页） 表 6 计算必需的断面收缩率示例 n 影响因数 构 件 ABCDE n 质量 等级 1)T 形焊件 t1 15 20 30 50 3 3 3 3 0 0 0 0 4 4 6 10 0 0 0 0 0 0 0 0 7 7 9 13 Z15 2)交