【摘 要】隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)在建設(shè)工程中的應(yīng)用日趨廣泛，這就要求設(shè)計(jì)人員必須掌握與此相關(guān)的各種知識(shí)，本文只要是對(duì)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在幾個(gè)基本問(wèn)題進(jìn)行論述。

【關(guān)鍵字】鋼材；高強(qiáng)度螺栓；鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1 鋼材的選型

很多設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)總說(shuō)明關(guān)于鋼材的選型中往往寫(xiě)道：“鋼材選用Q235-B，其抗拉強(qiáng)度，屈服點(diǎn)，伸長(zhǎng)率，碳、硫、磷極限含量，應(yīng)符合有關(guān)規(guī)定，且保證其可焊性?！边@種說(shuō)法是不正確的。其錯(cuò)誤的原因是對(duì)我國(guó)現(xiàn)行的鋼產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)不熟悉，與老標(biāo)準(zhǔn)相混淆。

目前我國(guó)建筑鋼材一般只用兩種，即素結(jié)構(gòu)鋼和低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，其相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)為《碳素結(jié)構(gòu)鋼》(GB700—88)和(低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼>(GB／T159l-94)。以前常說(shuō)的三號(hào)鋼和16Mn鋼就分別屬于碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼。按(GB700—88)碳素結(jié)構(gòu)鋼分為Q195、Q215、0225、Q235、Q275，Q235又分為A、B、C、D四個(gè)質(zhì)量等級(jí)，即Q235-A～D。A級(jí)鋼不做沖擊試驗(yàn)．而B(niǎo)、C、D級(jí)則分別保證在20、0、-20℃時(shí)V型沖擊功不小于27J。當(dāng)設(shè)計(jì)承受動(dòng)力荷載的結(jié)構(gòu)時(shí)．要根據(jù)環(huán)境溫度的不同情況，選用不同級(jí)別的鋼材。如果我們選用了Q235-B，那么只要它是符合標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品，則鋼材的屈服點(diǎn)，抗拉強(qiáng)度，伸長(zhǎng)率，碳、硫、磷等化學(xué)成分，冷彎試驗(yàn)值，V型沖擊功試驗(yàn)值都是有保證的(即以前所說(shuō)的五項(xiàng)保證)，不必另行強(qiáng)調(diào)。因此正確的說(shuō)法應(yīng)該是：“鋼材選用Q235-B，其性能應(yīng)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB700—88)的規(guī)定。”

要特別提到的是，在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB700-88)中第5.1.1.5條注明：“在保證鋼材力學(xué)性能符合本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定情況下，各牌號(hào)A級(jí)鋼的碳、錳、硅含量和各牌號(hào)其他等級(jí)鋼碳、錳含量下限可以不作為交貨條件，但其含量(熔煉分析)應(yīng)在質(zhì)量證明書(shū)中注明?！边@就表明A級(jí)鋼的碳、錳、硅含量是不保證的。在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB700-88)中第5.4.1.3條注明：“各牌號(hào)A級(jí)鋼的冷彎試驗(yàn)，在需方有要求時(shí)才進(jìn)行。當(dāng)冷彎試驗(yàn)合格時(shí)，抗拉強(qiáng)度上限可以不作為交貨條件。由于碳含量對(duì)鋼材的可焊性影響很大，從表面上看，既然A級(jí)鋼的碳、錳、硅含量不保證，那么Q235-A是不能用于焊接結(jié)構(gòu)的。目前的教科書(shū)以及鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)大都持此觀點(diǎn)。似乎Q235-A是一種質(zhì)量很差的鋼材，除平臺(tái)板和支撐構(gòu)件外，幾乎很少場(chǎng)合可以用0235-A。事實(shí)并非如此。壓力容器應(yīng)該是典型的焊接結(jié)構(gòu)，對(duì)其性能的要求也比普通的建筑鋼結(jié)構(gòu)要嚴(yán)格。然而我國(guó)最新壓力容器標(biāo)準(zhǔn)(鋼制壓力容器)(GBl50-1998)卻明文規(guī)定在壓力≤1.0Mpa。溫度0～350℃，殼體厚度≤16mm時(shí)，除極度危害介質(zhì)的壓力容器外，可以使用Q235.A(見(jiàn)該標(biāo)準(zhǔn)第4.2.2.4.2.3條)。這就表明Q235-A是可以用于焊接結(jié)構(gòu)的。除了象吊車(chē)梁這樣以動(dòng)荷載為主要荷載的承重結(jié)構(gòu)，一般對(duì)沖擊韌性沒(méi)有特殊要求的承重結(jié)構(gòu)都可以選用Q235-A。下面分兩點(diǎn)說(shuō)明其原因。

一是可焊性，評(píng)價(jià)一種鋼材的可焊性，并非僅僅由含碳量決定，而是由碳當(dāng)量Cequ決定。《建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)程》(JGJ81—91)給出的表達(dá)式為：

Cequ=C+Mn／6+(Cr+Mo+V)／5+(Ni+Cu)／15 (1)

式中，C、Mn、Cr、Mo、v、Ni、Cu分別為碳、錳、鉻、鉬、釩、鈮、銅的含量，％。當(dāng)碳當(dāng)量Cequ<0.4％時(shí)，焊接性?xún)?yōu)良；當(dāng)碳當(dāng)量Cequ=0.4％～0.6％時(shí)，焊接時(shí)要采取一些工藝措施，如預(yù)熱，緩冷等；當(dāng)碳當(dāng)量Cequ>0.6％時(shí)，要采取更高的預(yù)熱溫度和嚴(yán)格的工藝措施?！督ㄖ摻Y(jié)構(gòu)焊接規(guī)程》(JGJ81-91)則規(guī)定碳當(dāng)量Cequ應(yīng)不大于0.45％。式(1)為國(guó)際焊接學(xué)會(huì)(IIW)所推薦的公式，比較常用。

目前我國(guó)生產(chǎn)的符合標(biāo)準(zhǔn)的Q235-A，其碳當(dāng)量不會(huì)超過(guò)0.45％，其可焊性是有保證的，是可以用于焊接結(jié)構(gòu)的。

二是力學(xué)性能，Q235-A的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率是有保證的，只是當(dāng)冷彎試驗(yàn)合格時(shí)，抗拉強(qiáng)度上限不保證，而設(shè)計(jì)時(shí)，一般都把屈服強(qiáng)度作為強(qiáng)度計(jì)算和穩(wěn)定計(jì)算的依據(jù)，結(jié)構(gòu)的實(shí)際應(yīng)力值都遠(yuǎn)低于屈服強(qiáng)度，因此只要材料的屈服強(qiáng)度有保證，則結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度是有保證的。至于結(jié)構(gòu)的剛度只與結(jié)構(gòu)形式和截面尺寸有關(guān)，與抗拉強(qiáng)度并無(wú)關(guān)系。一般而言，當(dāng)一種鋼材的伸長(zhǎng)率和冷彎試驗(yàn)合格時(shí)，就表明它具有了一定的韌性。因此，對(duì)于一般承重結(jié)構(gòu)所需要的基本力學(xué)性能，Q235-A是可以保證的。

綜上所述，Q235-A是可以用于焊接承重結(jié)構(gòu)的，但不能用于低溫環(huán)境和動(dòng)荷載較大的結(jié)構(gòu)(即對(duì)材料的韌性有較高要求的結(jié)構(gòu))。這一點(diǎn)已經(jīng)為大量的工程實(shí)踐所證明。當(dāng)然，在選用Q235+A時(shí)，要附加冷彎試驗(yàn)合格的保證，并且要根據(jù)質(zhì)保書(shū)核算碳當(dāng)量是否滿(mǎn)足要求，為可靠起見(jiàn)，板材的厚度一般不宜超過(guò)16mm。

2 焊接和焊接檢驗(yàn)

有不少設(shè)計(jì)者喜歡在說(shuō)明焊條時(shí)注明具體的焊條牌號(hào)，如E4301、E4315、E5015等。其實(shí)焊條的具體牌號(hào)是由焊接工藝所決定的，制造商根據(jù)自己的設(shè)備、操作習(xí)慣、焊接環(huán)境及焊接方位(如平焊、仰焊等)可以選擇不同牌號(hào)的焊條。除有特殊要求外，設(shè)計(jì)者只需根據(jù)母材的種類(lèi)選擇與其匹配的相同強(qiáng)度等級(jí)的焊條即可。如Q235選擇E43，Q345選擇E50，無(wú)需給出具體的焊條牌號(hào)。

當(dāng)結(jié)構(gòu)的母材和焊接材料選定以后，就要確定焊縫的質(zhì)量等級(jí)。選擇合適的質(zhì)量等級(jí)是非常重要的，不恰當(dāng)?shù)靥岣吆缚p的質(zhì)量等級(jí)將提高工程造價(jià)。

鑒于現(xiàn)有的焊接技術(shù)尚無(wú)法避免焊接過(guò)程中焊接缺陷的產(chǎn)生，因此必須采取一定措施將焊接缺陷控制在允許的范圍內(nèi)。實(shí)踐證明，通過(guò)制定焊接缺陷質(zhì)量要求標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行約束是一種有效的手段。在《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》(GB50205)中就將焊縫質(zhì)量等級(jí)分為3級(jí)，即一、二、三級(jí)。如果經(jīng)過(guò)檢查，焊接缺陷不超過(guò)所要求的級(jí)別的各項(xiàng)規(guī)定，則焊接過(guò)程中焊接缺陷就得到了控制。

在《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》(GB50205)中，三個(gè)質(zhì)量等級(jí)對(duì)于焊縫的內(nèi)部缺陷檢驗(yàn)、外觀質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及檢驗(yàn)方法都做了明確的規(guī)定：設(shè)計(jì)要求全焊透的一、二級(jí)焊縫應(yīng)采用超聲波探傷進(jìn)行內(nèi)部缺陷的檢驗(yàn)，焊縫內(nèi)部缺陷分級(jí)及探傷方法應(yīng)符合國(guó)家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《鋼焊縫手工超聲波探傷方法及質(zhì)量分級(jí)法》(GBll345)的規(guī)定，對(duì)于一、二級(jí)焊縫的探傷結(jié)果應(yīng)符合表1的規(guī)定。

在GBll345中檢驗(yàn)等級(jí)分為A、B、C三個(gè)級(jí)別，評(píng)定等級(jí)分為I、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四個(gè)級(jí)別。所謂檢驗(yàn)等級(jí)就是檢驗(yàn)方法(有的設(shè)計(jì)手冊(cè)把焊縫質(zhì)量等級(jí)和檢驗(yàn)等級(jí)混為一談，出現(xiàn)“一級(jí)焊縫應(yīng)符合檢驗(yàn)等級(jí)中的B級(jí)”這樣明顯的錯(cuò)誤)。焊縫中缺陷的位置、形狀和方向直接影響缺陷的聲反射信號(hào)強(qiáng)度。由于缺陷存在的任意性，因此超聲波探測(cè)焊縫的方向愈多，波束垂直于缺陷平面的幾率愈大，則缺陷的檢出率也愈高。根據(jù)探測(cè)方向(取決于探頭角度、探傷側(cè)、探傷面及探頭移動(dòng)角度等)的多少，分為A、B、C三個(gè)級(jí)別，它體現(xiàn)了檢驗(yàn)的完善程度，按A、B、C逐級(jí)提高。其檢驗(yàn)工作的難度系數(shù)也逐級(jí)提高(A為1，B為5～6，C為10～12)。各級(jí)別探傷面、探傷側(cè)、探頭角度及探測(cè)方法等在GBll345中都有明確的規(guī)定。對(duì)于建筑鋼結(jié)構(gòu)以及壓力容器目前我國(guó)超聲波探傷的檢驗(yàn)等級(jí)都采用B級(jí)。當(dāng)檢驗(yàn)方法(即檢驗(yàn)等級(jí))確定以后．根據(jù)用該種方法檢測(cè)出焊縫中缺陷的情況，對(duì)其結(jié)果進(jìn)行等級(jí)分類(lèi)，就是所謂的評(píng)定等級(jí)。對(duì)于焊縫宏觀質(zhì)量控制，缺陷的尺寸超過(guò)1mm才有實(shí)際意義。GBl1345根據(jù)缺陷的長(zhǎng)度按表2中的規(guī)定予以評(píng)級(jí)。表2中的12、δ／3等均為超聲波探傷儀測(cè)出的缺陷尺寸。

在冶金建筑中，經(jīng)常要接觸到高爐，熱風(fēng)爐，重力除塵器等構(gòu)筑物。此類(lèi)構(gòu)筑物雖然有壓力，但壓力較低，其使用要求也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于壓力容器。如果按壓力容器對(duì)待，不僅在設(shè)計(jì)、制造技術(shù)上有很多麻煩，而且在生產(chǎn)操作、行政管理等方面也會(huì)帶來(lái)很多麻煩。事實(shí)上在《冶金機(jī)械設(shè)備安裝工程施工及驗(yàn)收規(guī)范(煉鐵設(shè)備)》(YBJ208—85)中對(duì)此類(lèi)構(gòu)筑物的外殼對(duì)接焊縫質(zhì)量要求有些方面還低于GB50205中二級(jí)質(zhì)量等級(jí)的要求。如其焊縫檢查長(zhǎng)度僅要求為總長(zhǎng)的10％(對(duì)手工焊)，低于GB50205中二級(jí)20％的要求；其超聲波探傷方法和標(biāo)準(zhǔn)按《鍋爐和鋼制壓力容器對(duì)接焊縫超聲波》(JBll52-81)中規(guī)定的Ⅱ級(jí)焊縫執(zhí)行，該標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ級(jí)焊縫缺陷指示長(zhǎng)度為23／3；最小12 mm，最大40 mm。對(duì)比表2可以看出，僅最大指示長(zhǎng)度相差10 mm，略有差別。因此，筆者認(rèn)為將此類(lèi)構(gòu)筑物當(dāng)作建筑鋼結(jié)構(gòu)處理較好，其焊縫質(zhì)量要求可以按GB50205執(zhí)行。這些構(gòu)筑物的殼體對(duì)接焊縫可以按GB50205中二級(jí)要求執(zhí)行。這樣處理既符合設(shè)計(jì)院的習(xí)慣分工，又可以保證質(zhì)量，且避免了引用不同行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)而產(chǎn)生的混亂?！督ㄖ摻Y(jié)構(gòu)焊接規(guī)程》(JGJ81～91)中焊縫超聲波探傷檢驗(yàn)方法和標(biāo)準(zhǔn)也是引用JBl152—8l，存在著同樣的缺點(diǎn)，也應(yīng)按GB50205執(zhí)行。目前《鋼制壓力容器》(GBl50—1998)所引用的焊縫檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)是《壓力容器無(wú)損檢測(cè)》(JB4730—94)，已不用JBIl52-8l。

3 涂裝

涂裝是最近才出現(xiàn)的新名詞。其意思與防腐基本一致，不僅包括涂料，還包括對(duì)鋼材表面的除銹要求?！颁摬谋砻骓氄J(rèn)真除銹”這樣的說(shuō)明缺乏具體的標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)該注明除銹等級(jí)Sa2.5，或除銹等級(jí)St3。Sal、Sa2、Sa2.5、Sa3是噴射或拋射(通常說(shuō)的噴砂只是其中一種)的等級(jí)要求，共有4級(jí)。手工和動(dòng)力工具除銹等級(jí)只有St2、St3兩種。我國(guó)對(duì)于除銹等級(jí)早已有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《涂裝前鋼材表面銹蝕等級(jí)和除銹等級(jí)》(GB8923—88)。噴射除銹不僅除銹徹底，而且能在鋼材表面形成微小的凸凹面，有利于涂料與鋼材的粘結(jié)，大大提高防腐年限。當(dāng)構(gòu)件有殘余應(yīng)力時(shí)，噴射還可以消除部分殘余應(yīng)力，值得大力推廣。

4 結(jié)束語(yǔ)

盡管承壓型在設(shè)計(jì)數(shù)值上占有優(yōu)勢(shì)，但由于其屬于剪壓破壞型式，螺栓孔為類(lèi)似普通螺栓的孔隙型螺栓孔，在承受荷載作用時(shí)的變形遠(yuǎn)大于摩擦型，所以高強(qiáng)度螺栓承壓型主要用于非抗震構(gòu)件連接、非承受動(dòng)荷載構(gòu)件連接、非反復(fù)作用構(gòu)件連接。

參考文獻(xiàn)

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[3]劉聲揚(yáng)編著.鋼結(jié)構(gòu)疑難釋義(第三版).中國(guó)建筑工業(yè)出版社

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