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1、厚 板 钢 材 在 钢 结 构 工 程 中 的 应 用 及 其 材 性 选 用柴 昶(中国 钢结构协会 专家委员会 北京 100088)摘 要 近年来厚板钢材在钢结构工程中的应 用 日 益 广 泛 ,为 此 ,详 细 地 介 绍 了 20 世 纪 50 年 代 至 今 不 同 时 期 的厚 板应用 、设计与材料标准及材料性能特点等 ,同时对当前工程中选 用厚板材性 的 难 点 与 问 题 进 行 了 评 述 ,并 提 出 了合理选材的建议 ,可供设计参考 。关键词 高层建筑结构用钢板 高强度低合金结构钢 耐候钢 厚板 厚度方向性能 碳当量APPL ICATIO N OF STEEL THIC
2、K PL ATES TO STEEL WO RK CO NSTRUCTIO NSA ND SEL ECTIO N OF THEIR C HA RACTERChai Chang( Specialist Co mmit tee under China Steel Co nst ructio n Societ y Beijing 100088)ABSTRACT In recent years ,st ruct ures made f ro m steel t hick plate are used widely1 It has been int roduced in detail t hat t h
3、e general sit uatio n in use of steel t hick plates for steelwor k co nst ructio ns ,as well as design codes ,material standards and characters of t he t hick plates etc in different periods since 1950s1 In additio n ,t he difficulty and p roblems of choosing plate character ratio nally are reviewed
4、 , and so me suggestio ns o n ratio nal selectio n of materials are also given , which may be areference for designs1KEY WO RDS steel plates for high rise building st ruct ure high st rengt h low alloy st ruct ural steels weat heringt hrough2t hickness characteristics carbo n equivalentresistant ste
5、el steel t hick plate与 15 年之久 ,这对厚板的设计应用起到了明 显的滞后作用 。11112 早期钢结 构工程中厚板钢材的应用实例与材性要求 尽 管受到材料与设计规范方面条件的限制 ,但由 于 工 程 建 设应用的需要 ,在 一 些 早 期 重 型 钢 结 构 工 程 ,如 重 级 吊 车 梁 、高炉炉壳等 结构中 ,厚板钢材仍得到了一定 应用 ,并 开 始 积累了设计 、施工与材料方面的一些经验 。现以冶金 工 厂 重 级工作制吊 车梁为例 ,介绍早期钢结构工程中的厚板 应 用 实例 ,其中有的厚板实际上只是多层叠板的组合 。1) 武钢 、包 钢 平 炉 车 间 35
6、0 t 吊 车 铆 接 钢 吊 车 梁 ( 1958年 )a1 使用条件 :重级 工 作 制 吊 车 起 重 量 350 t , 2 台 作 用 , 轮 压 P = 735 kN ,小车重 1 565 kN ,同时梁上还有起重量 75 kN 的悬臂吊车作用 ,梁跨度 L = 3610 m 。b1 截 面 设 计 :梁 跨 度 3610 m ,承 受 每 台吊车 8 个轮压 (吊 车一 侧 ) 的 作 用 ,梁 跨 中 最 大 竖 向 弯 矩 达 84 600 kNm ,横 向 弯 矩 3 270 kNm ,设 计 按 容 许 应 力 方 法 进 行 ,钢 材 选 用 16Mnq 钢 。因 截
7、面 要 求 为 多 层 叠 板 与 角 钢 的 组 合 ,故 设 计 为 铆 接 组 合 梁 ,沿 跨 度 截 面 变 化 ,跨 中 最 大 截 面 如 图 1 所 示 。c1 材质要求 :采用按原苏联标 准 0C T - 6713 - 53 生 产的 M16c 钢 (相当于 16Mnq 钢 ) 。其 主 要 力 学 性 能 指 标 如 下(第三组 ) :1 建筑钢结构工程中厚板钢材的应用概况111 早期工程厚板钢材的应用概况11111 工 程 应 用 受 到 钢 材 生 产 与 建 筑 技 术 政 策 标 准 等 的 限 制 由 建国初期到 20 世 纪 80 年 代 初 近 30 余 年
8、内 ,由 于 经 济 条件与钢铁生产条件的限制 ,我国建筑技术政策一 直 严 格限 制着建筑钢结构 的 应 用 ,而 厚 板 钢 材 则 因 受 到 国 产 品 种 、 质 量的制约而更少 应 用 ,直 到 1988 年 国 内 自 行 编 制 颁 布 的钢结构设计规范 ( GBJ 17 - 88) 中 ,仍限定设计 选 用 钢 材 的 厚度不大于 50 mm ( 3 号 钢 ) 或 36 mm ( 16Mn 钢 ) ,除 “规 范 ” ( GBJ 17 - 88) 所给出的强度设计值指标以此为限 制 外 ,在 构 造 要求第 81113 条中还 明 确 提 出 “ 在 正 常 情 况 下 ,
9、焊 件 的厚度为 :对低碳 钢 不宜大于 50 mm ;对低合金 钢 ,不宜大于36 mm”。而 令 人 尴 尬 的 是 ,在 “规 范 ”( GBJ 17 - 88) 颁 布 的 同 一年 , 碳素结构钢 ( GB 700 - 88) 也 同 时 颁 布 执 行 ,该 标 准不仅更新了牌号 ( Q235 代 替 了 原 3 号 钢 ) 、增 加 了 质 量 等 级 ,而且钢材选用的厚度也扩大到 150 mm ,大大突破了设计 规范只能用到 50 mm 的限制 ;1994 年修订颁布的 低合金高 强度结构钢 ( GB/ T 1591 - 94) 也 更 新 了 牌 号 ( Q345 钢 代 替
10、 了 16Mn 钢 ) , 增 加 了 质 量 等 级 , 并 将 钢 材 厚 度 扩 大 到 了100 mm ,突破了 36 mm 的限 制 规 定 。这 些 标 准 的 颁 布 意 味 着 从钢材产品的规 格 、质 量 与 品 种 方 面 ,已 有 充 分 的 条 件 选用 厚板钢材 ,但设计 规 范 却 一 直 未 对 此 作 出 及 时 补 充 规 定 ,作 者 :柴 昶 男 1934 年 2 月 出 生 教 授 级 高 工收 稿 日 期 :2004 - 06 - 25图 2 叠 板 焊 接 箱 形 吊 车 梁 截 面图 1 全 铆 接 重 级 工 作 钢 吊 车 梁( 跨 度 36
11、m ,吊 车 起 重 量 350 t ) c1 梁材质要求 :主截面采用 16Mn 钢材 ,要求强 度 、屈 服 点 、延伸率 、冷弯 、常温冲 击韧性等性能符 合 普通低 合 金 钢 ( YB13 - 63) 要 求 外 , 还 要 求 : - 40 横 向 冲 击 韧 性 值 30J / cm2 ,时 效 后 + 20 冲 击 韧 性 值 40 J / cm2 ( 纵 向 ) 及 35J / cm2 (横向 ) ;钢材含氮 ( N) 量 25 mm 的板材 ,要 求 正 火 状 态 交 货 ,并 要 求 全 部 钢 材均为细晶粒钢 (晶粒度 6 级 ) 。d1 钢材计算抗力取值 :t 16
12、 mm R 拉 = 290 M Pa R 剪 = 170 M Pat 25 mm R 拉 = 270 M Pa R 剪 = 160 M Pat = 38 mm R拉 = 250 MPa (屈 服 强 度 f y 320 MPa)本 工程实例只是在早期工程中 ,因无法供应厚板 时 所 采 用的一种叠板代用的特殊作法 。3) 宝钢转 炉炼钢车间 重级焊接 钢吊车梁 (1981 年 )a1 使用条件与试验研究梁跨度 29 m ,其上 有 起 重 量 达 440/ 80 t 的 重 级 铸 锭 吊 车作用 ,设计要求采用国产厚板全焊吊车梁 ,为此 ,由 原 冶 金 部 建筑研究总院 承 担 了 “厚
13、板 全 焊 吊 车 梁 试 验 研 究 的 大 型 课题 ,进 行了 厚 板 ( 16Mn 50 mm 板 ,由 武 钢 供 货 ) 材 料 性 能 试验 、厚板焊接工艺 试 验 、厚 板 吊 车 梁 模 拟 梁 试 制 及 其 疲 劳 试验等系统试验研究 ,并提出了设计 建议作为设计依据 。b1 根据试验研究提出的设计建议设计选材建议 :为 确保在 - 15 环境条件下受动 载 吊 车 梁工作的可靠性 ,根据试验结果建议采用 16Mn 50 mm 厚板的材质要求如表 1 所列 。强度 s 310 M Pa , b 480 M Pa伸长率 s 19 %冲击韧性 (横轧制方向 ) 60 J /
14、cm2 (常温 )30 J / cm2 ( - 40 )30 J / cm2 (应变时效后 )其化学成分应符合 :C 0112 % 0120 % ; S 01045 % ; P 01040 % ; Si012 % 016 % ; Mn 112 % 116 % 。梁全重 1 440 kN ,单位长度重 40 kN/ m 。2) 鞍 钢三 炼钢特重级工作制炉顶钢吊车梁 (1974 年 )a1 应用条件 : 吊 车 梁 跨 度 L = 261675 m ,位 于 120 t 转炉 炉口顶部 ,故 限 定 其 截 面 高 度 h 213 m ( 不 允 许 另 设 制 动梁 ) 、下翼缘宽度 b下 0
15、16 m 。梁上 承 受 2 台 特 重 级 钢 水 包吊车 ( Q = 150 t) 作用 ,并要求可靠的隔热保护 。b1 设计截面 及 厚 板 代 用 措 施 : 根 据 净 空 限 制 与 承 载 力 要 求 ,梁设 计 为 上 宽 下 窄 的 焊 接 箱 形 截 面 , 计 算 要 求 采 用16Mn 钢 ,上下翼 缘板厚度为 75 mm (图 2) 。因 无 厚 板 ,决 定 采用多层叠板代替厚板 ,上翼缘采用 3 层 25 mm 板 ( 板 间 以 高 强螺栓连接 ) 叠 成 ,下 翼 缘 以 2 层 38 mm 板 ( 板 间 以 纵 向 角焊缝 ) 叠成 ,腹板厚度 20 mm 。结 构设计计算根据 1974 年 钢结构设计规范 ( 送 审 稿 )并参考前苏联 1962 年 的 钢 结 构 设 计 规 范 ,按 极 限 状 态 方 法计算 。 表 1 宝钢炼钢厂重级吊车梁用厚板的性能指标项 目 类 别 参 数 指 标化 学 成 分 / %力 学 性 能C 01120 12 Mn 1121 16 Si 0120 16 S 0104 P 0104 Al 60 , 60 , 60 , 60 , 60 , 60 , 50 mm 时 )012201201160155 01035 01035 - 295
