国内外钢材强度

3材料3.1结构钢材3.1.1概论本章规范涉及根据以下条款之一进行装配式结构的设计，其中结构钢设计强度不超过460N/mm2。条款1：遵照附录A1.1的相关材料标准之一和条款3.1.2所列的基本要求并且由具有质量保证体系的厂商生产的钢材。条款2：没有按照附录A1.1的相关标准之一但是来自于具有认可质量保证体系的厂商的钢材。这些钢材在使用前需进行测试以表明其能够满足某个相关标准。附录D1列出了关于测试试样尺寸的要求。条款3：不确定钢材；没有包含在条款1、条款2或条款1H中的钢材。在使用前必须对这些钢材进行拉伸试验，以证明其能够满足预期设计目的。附录D1列出了关于测试试样尺寸的要求。对这些材料的使用进行了用途的约束和限制。章节3.1涉及热轧型钢和冷成型空腹截面型钢，同时章节3.8涉及冷成型开口截面型钢和压型钢板。根据条款3.1.3列出的附加的要求和限制，规范包括了一个高强钢材的级别，其强度大于460N/mm2同时不超过690N/mm2，并且由具有认可质量保证体系的厂商生产。条款1H：屈服强度大于460N/mm2并且小于或等于690N/mm2同时满足附录A1.1所列某个相关标准的高强钢材。条款3.1.3给出了关于这些钢材及生产厂商的基本要求。附录D1列出了关于测试试样尺寸的要求。本规范没有涉及屈服强度大于690N/mm2的超高强度钢材。根据香港建筑权威的批准，其可以以专有高强拉杆或拉筋的形式，用于抗拉螺栓连接的应用，或者其它用途。在这些情况中，RSE必须提供彻底的证明，以确保香港将建筑权威材料文件递呈中的所有要求都能够满足。本规范包括弹性和塑性分析及设计。塑性分析和设计不允许用于不确定钢材或屈服强度大于460N/mm2的钢材。高强钢材可能有利于某一些临界极限状态，但限制了抗屈曲能力的改善。它们的使用没有能够改善疲劳和正常使用状态的性能。表3.1强度等级概括表强度等级钢号认可质量保证体系遵照相关标准附加测试要求备注1YYN普通用途2YNY能够用于满足性测试3NY有限制的用途1HYYY必须满足基本要求用途有限制注：相关标准查阅澳大利亚/新西兰、中国、日本、欧盟和美国所采纳的认可标准。关于试样测试的频度参见附录D1。3.1.2普通强度钢材的设计强度钢材的设计强度 如下：且不大于 其中：和 分别为相关产品标准中的最小屈服强度（ ）和最小拉伸强度（ ）。和 为表4.1中所列材料系数。对于等级1号钢和1H号钢， 的值为1.0， 的值为1.2。参照欧盟BS EN、中国GBJ、美国ASTM、澳大利亚AS日本JIS关于热轧型钢的标准，对于常用规格和厚度的1号钢，表3.2至3.6分别列出了设计强度 的值。另外设计强度 的值，还可以通过相关产品标准中给出的利用最小屈服和拉伸强度值的上述公式获得，参见附录A1.1。规范要求钢材生产厂商轧制的截面所标定的尺寸在其规定的（/）容许偏差范围内，以使平均截面尺寸和特性至少为额定值。RSE必须所有用到的钢材满足这些要求或者他必须考虑设计中的任何不利变数。普通强度钢材基本要求的内涵为：l强度设计强度应当是最小屈服强度，但不能超过最小拉伸强度除以1.2的值。l脆性破坏的抗力在要求设计温度下，摆锤式V型缺口冲击试验的最小平均能量，必须参照本规范条款3.2以提供足够的韧性。l延性5.65 标距其延伸率不小于15，其中 为试样的正截面面积。l可焊性在包样分析时1、1H或2号钢的最大碳当量必须不超过0.48，同时含碳量必须不超过0.24。通常应用中，最大含硫量必须不超过0.03，最大含磷量必须不超过0.03。当确定为通厚度质量（Z质量）钢材时，含硫量必须不超过0.01。以上要求是关于材料化学组成的最小值。同时各种各样规格钢材的化学组成必须遵守生产地区国家规范中的要求规定。对于冷成型钢材，仅仅用到了强度和韧性的基本要求，如条款3.8.1.1和条款3.8.1.2所示。条款3.8.1.1列出了冷成型钢材的标准设计强度。表3.2参照BS EN标准提供的钢材的设计强度值 （板、热轧型钢、热轧及冷成型空腹型钢）钢材等级厚度（小于或等于）（mm）设计强度（N/mm2）S23516235402356321580215100215150205S27516275402656325580245100235150225S35516355403456333580325100315150295S46016460404406343080410100400注：横截面最厚部分的厚度应当用于轧制钢材的强度分类。表3.3参照中国规范GB50017提供的钢材设计强度值 （板、热轧型钢、热轧及冷成型空腹型钢）钢材等级厚度（小于或等于）（mm）设计强度（N/mm2）Q235162154020560200100190Q345163103529550265100250Q390163503533550315100295Q420163803536050340100325草案声明这些设计强度值中包括了1.1的材料系数。为了于中国钢结构规范GB500172003中表3.4 1-1保持一致性，建议保留该表。表3.4由ASTM规范提供的北美地区钢材设计强度值 （板、热轧型钢、热轧及冷成型空腹型钢）钢材等级厚度（小于或等于）（mm）设计强度（N/mm2）ASTM A36200245200220ASTM 等级50所有345ASTM A500等级 B圆形空腹型钢290方形空腹型钢315ASTM A992热轧型345ASTM A913等级50自行调质过的345ASTM A913等级60自行调质过的415ASTM A913等级65自行调质过的450表3.5参照澳大利亚规范提供的钢材设计强度值 （板、热轧型钢、热轧及冷成型空腹型钢）钢材等级依赖厚度的设计强度值范围200200250230250300280300350320350400380400450420450注：澳大利亚规范用到了一个更广泛的范围，参见附录A1.1中的参考资料。设计等级从200到450以及屈服强度从200N/mm2到450的板、轧制型钢和空腹型钢被典型应用。此处该表根据简化手册列出了一个大概的强度范围。表3.6参照JIS规范提供的日本JIS SN钢材（建筑产品轧制钢材）至JIS G 3136钢材的设计强度值 （板、热轧型钢、热轧及冷成型空腹型钢）钢材等级厚度（小于或等于）（mm）设计强度（N/mm2）SN400A1623540235100215150SN400B1623535540235355100215355150SN400C1623535540235355100235355150SN490B1632544540325445100295415150SN490C1632544540325445100295415150注：日本规范用了广泛范围的钢材，参见附录A1.1中的参考资料。本表包括了来自JIS G 3136的最近SN范围的一个大概的强度范围。请参考有关设计强度值的部分钢材产品。3.1.3高强钢材的设计强度对于参照附录A1.1中的基本要求生产的，设计强度超过460N/mm2但不大于690N/mm2的高强钢材，其设计强度 可以根据 /1.0得到但不超过 /1.2，其中 和 分别是最小屈服强度（ ）和最小拉伸强度（ ），其根据相关产品标准或通过使用恰当QA体系的手册进行推导确定。这些材料有代表性地通过淬火和回火的热处理方法获得其强度，因而在制作于设计中有着附加的限制，尤其是带有焊缝，因为加热可以影响母体钢材的强度。对于特定的高强钢材，当焊缝不允许使用时，应当考虑螺栓连接。RSE必须通过利用手册建议或自己验证的参数及公式这些基本根据，对每一个实例的设计加以证明。正确的焊缝工序非常重要而且必须加以证明。当高强钢材用于受压时，其必须被限制在不会发生突出部分局部屈曲的紧凑截面内。关于高强钢材基本要求的内涵如条款3.1.2所述，不过其中最大含碳量必须不超过0.20，最大含硫量和含磷量必须不超过0.025。3.1.4不确定钢材草案声明本条款的目的时为了允许如下钢材的使用：没有证明文件可以使用，但保守地用到了较低地设计强度值而且用在不太重要的情况下。澳大利亚规范AS4100将之定义为不确定钢材。对于确切的限制可能要被修改。此类钢材的用途已经被普遍地发现。6米限度地跨距是根据屋宇署指南得到的，其中不要求注册结构工程师受此跨度限制。假设使用3号不确定钢材，必须消除其表面缺陷，遵照所有几何误差地规定，并且必须只能用在钢材的特殊自然属性及其自身可焊性不会影响结构强度和适用性的地方。其设计强度 必须采用不超过170N/mm2且其抗拉强度必须不超过300N/mm2。这种钢材不允许用在多层建筑的主要部分或大跨单层建筑的主要部分上。主要结构部分是指直接跨在柱上的主梁，跨距超过6m的任何梁，支撑超过25m2楼板面积的柱以及横向荷载抵抗结构体系的构件。该钢材只能用在利用弹性设计方法分析及设计截面承载力。除非对其力学性能，化学组成以及硬度的充分测试已经证明其适用性，否则不允许焊接该钢材，参见条款3.1.2和附录D1。3.1.5厚度方向特性标准中列出了有关纵向和横向方向的设计强度值。当有厚度方向拉应力超过设计强度的90时，附录A1.1中认可标准所定义的厚度方向特性必须要加以证明以确保结构的可靠性。对于较厚丁字型对接焊缝或者重度双面焊缝连接，必须考虑对有保证钢材的厚度方向拉伸面积特性作折减，以减少层状撕裂的危险（同样参见条款9.2.1）。本质要求是垂直于表面方向上的足够变形能力以提供延性和韧性抵抗断裂。3.1.6其它特性分析时可能用到的钢材特性如下：弹性模量 剪切模量 泊松比 线性热膨胀系数 3.2脆性破坏的避免脆性破坏必须通过确保制作没有太大缺陷以及通过使用足够韧性品质的钢材加以避免，其韧性可以通过摆锤冲击性能加以验证，需考虑： 最小工作温度 厚度 钢材等级 细部类型 应力水平 应变水平或应变率另外，必须选择焊接耗材和焊接工艺，以使连接处焊缝金属和热影响区域摆锤冲击测试性能等于或高于母材额定最小值，参见条款3.4。在香港外部钢框架中的钢材最小工作温度 应当取为0.1C。对于冷藏库、承受温度特别低的位置或者其它国家建设的结构， 应当取设计寿命周期内钢材将会受到的最小温度值。应当对每一部分选择钢材品质以使构件的厚度 满足： （3.1） 其中： 是关于细部类型、总体应力水平、应力集中效应以及应变情况的系数，参见表3.8； 在恰当的最小工作温度 时的限制厚度。对于给定的钢材等级和品质， 的值可以由下式决定： 如 20C 如 20C 其中： 其中： 结构设计使用周期内钢材将受到的最小工作温度值（单位：C）；产品标准规定的最小摆锤冲击能 27J时的试验测试温度（单位：C）。 额定厚度下的名义屈服应力（单位：N/mm2），可以取设计强度 。表3.7列出关于额定强度范围下 的值及 值。表3.7最小工作温度0C下的最大基本厚度 （mm）以及所列钢材的摆锤试验性能和强度等级强度等级27J最小摆锤测试值下的额定温度（C）0-20-30-50-602151011451742513012358912815422226627571103124178213310608710415018035051738812715235550728612414938045657911313646035506087104注：这些厚度必须乘上表3.8中恰当的系数K，以得到对应钢材等级的实际允许厚度。另外，构件的最大厚度必须不超过最大厚度 ，在厚度 时完全摆锤冲击值用于给关于产品类型和钢材等级的钢材品质分类，参照附录A1.1有关特殊钢材产品的相关认可规范。对于轧制型钢 和 必须用系数K联系相同构件的横截面，但 必须联系最厚构件的横截面。表3.8有关细部类型、应力水平和应力状态的系数K细部或位置类型受分项荷载作用的受拉构件未受外施拉力的构件应力 应力 碳素钢234钻孔或铰孔1.523焰割边缘11.52冲压孔（非铰切）11.52焊接，通常11.52焊接，部分焊透或角焊缝0.811.5沿翼缘板端部焊接0.50.751连接无加劲肋翼缘焊接0.50.751注1：当要求构件抵抗最小工作温度下的重大塑性变形时（诸如防撞护栏或吊车制动），K必须减半。注2：出于使用定位及传力安全的目的，仅仅通过额定焊缝附着在柱上的支撑板，必须按照碳素钢分类。注3：长度不超过150mm的焊接附件不可以按照翼缘板分类。注4：对于焊接状态，焊缝材料和HAZ的摆锤冲击能必须与母材相匹配。应当通过焊缝工艺测试来证明这些要求的满足。3.3螺栓3.3.1普通螺栓螺栓、螺母及垫圈必须满足附录A1.3所列认可规范和参考资料中的要求。临界抗拉强度超过1000N/mm2的螺栓不允许使用，除非在特殊设计应用中试验结构证明其适用性。3.3.2高强螺栓或预紧螺栓高强螺栓、螺母及垫圈必须满足附录A1.3所列认可规范和参考资料中的要求。条款9.3列出了高强螺栓连接（包括预紧工艺）的设计要求。3.4焊缝耗材所有焊缝耗材必须满足附录A1.4所列相关规范的要求。对于设计强度不超过460 N/mm2的钢材，额定屈服强度，临界抗拉强度、破坏延伸率以及焊缝耗材的摆锤冲击能量值必须等于或大于被焊钢材等级相应的额定值。如果不同等级钢材焊接在一起，最麻烦等级钢材必须加以限制。对于高强及超高强钢材，假如由必要形成恰当的焊缝，焊接材料可以取较低的强度值；破坏延伸率和摆锤冲击能值仍然必须与母材的等级相匹配。在这种情况下，焊缝的设计强度必须依赖与焊缝材料。3.5钢铸件和锻件所有的钢铸件和锻件必须满足附录A1.2所列认可标准和参考资料中的要求。3.6支撑板的灌浆材料基础螺栓或柱底板附近的灌浆采用下列形式之一：其一：液态硅酸盐水泥，将硅酸盐水泥安装1:1的体积比混和。所加水的量要提供恰当的粘稠度以使空隙能被填满且不会导致新加关键混和料的渗出和分凝。浇筑灌浆必须在一定合理的落差进行，同时捣实和振动以排除气泡。其二：专有的无收缩或松脂的灌浆，不包括高铝水泥。3.7组合结构的材料第10章涉及了组合结构的设计。除了钢材外组合结构的材料如下：3.7.1混凝土混凝土材料必须参照HKCC规范。3.7.2钢筋钢筋和钢筋网材料必须参照HKCC规范。3.7.3压型钢板压型钢板必须遵照第10 章所列相关规范的要求。3.7.4剪切立筋组合结构剪切立筋必须遵照附录A1.6所列相关规范的要求。3.8冷成型钢材的材料特性第11章所使用的冷成型开口型钢和压型钢板的材料特性如下所列。附录A1.7列出了认可规范。3.8.1力学性能钢带的屈服强度（以及受拉强度）和延性必须满足以下要求：3.8.1.1钢材的强度3.8.1.2延性要求通常，遵照CS2规范标准试样测试的总的伸长率必须不超过50mm标距长度的10或200mm标距长度的7。作为替代，可以采纳关于局部和平均伸长率的下列评定标准：I.13mm标距长度沿断面的局部伸长率必须不少于20。II.断面外的平均伸长率必须不少于3。在这种情况下，必须从根本上限制受横向荷载作用构件中此类钢材的使用，诸如铺板、护板及檩条。另外，冷成型的设计强度不允许增加。3.8.1.3有限延性的高强钢材对于不能符合以上延性要求的1H号钢带，必须从根本上限制受横向荷载作用构件中此类钢材的使用，且设计屈服强度必须作如下折减：0.90 或495N/mm2(取较小者)当 1.0mm0.75 或450N/mm2(取较小者)当 0.6mm另外，冷成型的设计强度不允许增加。表3.9遵照多种国家规范钢材应用的屈服和极限强度钢材类型等级屈服强度（N/mm2）受拉强度（N/mm2）英国规范：BS EN 10025 结构品质的热轧钢板S235S235S235235275355360430510英国规范：BS EN 10147结构品质的连续热浸镀锌碳素钢S220 GS250 GS280 GS320 GS350 G220250280320350300330360390420英国规范：BS EN 10149-2&3冷成型高屈服强度钢材S315 MCS355 MCS420 MCS260 NCS315 NCS355 NCS420 NC315355420260315355420390430480370430470530英国规范：BS 1449-1-1.5&1.11基于最小强度的冷成型钢板34/2037/2343/2550/3540/3043/3540F3043F35200230250350300350300350340370430500400430400430澳大利亚规范：AS 1939钢板和钢带G250G300G350G450G500G550250300350450500550320340420480520550中国规范：GB 50018冷成型