高山，張琳琳

（1.科尼起重機(jī)設(shè)備（上海）有限公司，上海 200331；2.沈陽(yáng)理工大學(xué)，沈陽(yáng) 110159）

1 起重機(jī)鋼結(jié)構(gòu)材料的選擇要求

起重機(jī)鋼結(jié)構(gòu)材料的選擇要求結(jié)構(gòu)安全可靠，用材經(jīng)濟(jì)合理。在選擇鋼材時(shí)需考慮下列因素：1）根據(jù)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的重要性等級(jí)的不同，選擇鋼材的質(zhì)量等級(jí)也應(yīng)不同，重要的結(jié)構(gòu)構(gòu)件選用質(zhì)量好的鋼材。2）按照載荷性質(zhì)（靜力或動(dòng)力荷載）應(yīng)選用各項(xiàng)性能不同的鋼材。3）焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)選擇可焊性好的鋼材，非焊接結(jié)構(gòu)可對(duì)含碳量降低要求。4）結(jié)構(gòu)環(huán)境工作溫度對(duì)鋼材的影響很大，宜選用具有適應(yīng)低溫，高溫和腐蝕性環(huán)境能力的鋼材。5）在符合上述性能的條件下，鋼材還應(yīng)能容易生產(chǎn)、采購(gòu)、價(jià)格便宜。

起重機(jī)通常采用普通低合金結(jié)構(gòu)鋼和普通碳素結(jié)構(gòu)鋼為其鋼結(jié)構(gòu)的材料，因?yàn)檫@類鋼結(jié)構(gòu)材料不但能夠滿足結(jié)構(gòu)安全可靠和使用的要求，還可以最大可能地降低造價(jià)和節(jié)約鋼材。起重機(jī)鋼結(jié)構(gòu)材料應(yīng)具有較高的伸長(zhǎng)率、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和對(duì)磷、硫元素含量的合格保證。對(duì)焊接結(jié)構(gòu)，為保證其良好的可焊性，還應(yīng)具有碳含量的合格保證。冷彎試驗(yàn)的合格保證對(duì)于焊接承重結(jié)構(gòu)和重要的非焊接承重結(jié)構(gòu)所采用的鋼材也是必不可少。常溫或負(fù)溫沖擊韌性的合格保證則對(duì)于需要驗(yàn)算疲勞的焊接結(jié)構(gòu)的鋼材至關(guān)重要。常溫沖擊韌性的合格保證對(duì)需要驗(yàn)算疲勞的非焊接結(jié)構(gòu)的鋼材不可或缺。

2 起重機(jī)鋼結(jié)構(gòu)材料的品種、牌號(hào)和等級(jí)

1）普通碳素結(jié)構(gòu)鋼Q195、Q215、Q235、Q255、Q275。其中Q235 最為常用。按質(zhì)量等級(jí)和脫氧方法等可以表示為Q235-A/B/C/D-F/b.例如：Q235 為屈服強(qiáng)度235 N/mm2,A 為A 級(jí)鎮(zhèn)靜鋼；AF 為A 級(jí)沸騰鋼；Bb 為B 級(jí)半鎮(zhèn)靜鋼；C 為C 級(jí)鎮(zhèn)靜鋼；D 為D 級(jí)特殊鎮(zhèn)靜鋼。

2）低合金結(jié)構(gòu)鋼Q345，Q390,Q420。其中Q345 最為常用。按質(zhì)量等級(jí)可以表示為Q345-A/B/C/D/E。例如：Q390 為屈服強(qiáng)度390 N/mm2，A/B 為A/B 級(jí)鎮(zhèn)靜鋼；C/D/E 為C/D/E 級(jí)特殊鎮(zhèn)靜鋼。

3）等級(jí)劃分。A 級(jí)：保證抗拉強(qiáng)度、屈服點(diǎn)和伸長(zhǎng)率及硫、磷含量，對(duì)沖擊韌性值未做要求，對(duì)冷彎實(shí)驗(yàn)只在需方有要求時(shí)才進(jìn)行。B、C、D 級(jí)：保證抗拉強(qiáng)度、屈服點(diǎn)、伸長(zhǎng)率及碳、硅、錳、硫、磷含量，還需滿足冷彎和沖擊韌性AKV≥27J（分別在20 ℃、0 ℃、-20 ℃下）合格的條件。E級(jí)：除了必須具備D 級(jí)的各項(xiàng)指標(biāo)，還要求-40℃時(shí)的沖擊韌性。

3 影響鋼材性能的因素

1）化學(xué)成分。鋼材是由各種化學(xué)成分組成的，其中鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)在碳素鋼中約占99%，碳和其它元素僅占1%，但對(duì)鋼材的力學(xué)性能卻有著決定性的影響。碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，鋼的強(qiáng)度提高而塑性、韌性和疲勞強(qiáng)度下降。因此碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般不超過(guò)0.22%，在0.2%以下時(shí)，可焊性良好。硅和錳是鋼材中的有益元素，含量適宜時(shí)可提高鋼材的強(qiáng)度，對(duì)塑性和韌性并無(wú)不良影響。在碳素結(jié)構(gòu)鋼中，硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)不大于0.3%，錳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%～0.8%。在低合金結(jié)構(gòu)鋼中，硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)0.55%，錳質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)1%～1.6%。氧和氮都是鋼材中的有害雜質(zhì)，降低鋼材的塑性、韌性、可焊性和疲勞強(qiáng)度，在高低溫時(shí)易使鋼材熱脆和冷脆。因此在起重機(jī)鋼結(jié)構(gòu)選材時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制化學(xué)成分的含量，既要保證較高的抗拉強(qiáng)度，還要保證良好的塑性、韌性和可焊性。

2）冶金缺陷與鋼材硬化。裂紋、氣孔、非金屬化合物、偏析等為常見(jiàn)的冶金缺陷,會(huì)造成鋼中化學(xué)成分分布不均勻。裂紋、氣孔和非金屬夾雜物在軋制中可能造成鋼材的分層，影響鋼材的冷彎性能。偏析使鋼中化學(xué)成分分布不均勻，造成偏析區(qū)鋼材的塑性、韌性及可焊性變壞。鋼材中存在非金屬化合物會(huì)使鋼材性能變脆。當(dāng)材料加載超過(guò)其比例極限之后，隨即卸載，出現(xiàn)殘余變形，再次加載時(shí)，塑性和韌性降低，屈服點(diǎn)提高，即冷作硬化。此外還有時(shí)效硬化等對(duì)鋼材的性能都有較大的影響，因此特別是對(duì)于重要的承載構(gòu)件要選用質(zhì)量良好的鋼材。

3）溫度的影響。100 ℃以內(nèi)的環(huán)境溫度對(duì)鋼材性能無(wú)影響；超過(guò)100 ℃之后，隨溫度升高，總的趨勢(shì)是塑性增大，彈性模量與強(qiáng)度降低。250 ℃上下時(shí)塑性和韌性降低，抗拉強(qiáng)度略有提高，脆性增加即出現(xiàn)藍(lán)脆現(xiàn)象，該溫度區(qū)段稱為“藍(lán)脆區(qū)”。250～350 ℃應(yīng)力不變的情況下，鋼材以很緩慢的速度持續(xù)變形，即稱徐變現(xiàn)象。到達(dá)600 ℃左右，彈性模量趨于零，鋼材基本上完全失去承載能力。受高溫輻射作用的起重機(jī)鋼結(jié)構(gòu)，應(yīng)根據(jù)不同情況，采取加隔熱層或保護(hù)層等防護(hù)措施。設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)計(jì)算應(yīng)力的許用值應(yīng)適當(dāng)考慮高溫的影響并作相應(yīng)的減小，以確保安全。當(dāng)溫度低于常溫時(shí)，鋼材的脆性傾向隨溫度降低而增加。T1～T2之間溫度轉(zhuǎn)變脆性區(qū)，沖擊功急劇下降。而且不同的鋼材其脆性轉(zhuǎn)變區(qū)溫度不同，必須通過(guò)試驗(yàn)確定。在強(qiáng)度或剛度允許的前提下，設(shè)計(jì)時(shí)盡量采用較薄的鋼板，而厚度超過(guò)36 mm 的鋼板不應(yīng)用于低溫承載結(jié)構(gòu)上。對(duì)于有特殊溫度或輻射要求的起重機(jī)，應(yīng)按訂單特殊設(shè)計(jì)，合理選擇材料并嚴(yán)格控制質(zhì)量等級(jí)。

4）應(yīng)力集中的影響。鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件表面不平整上面的孔洞、刻槽、凹角、裂紋以及截面厚度或?qū)挾韧蛔兊炔课?，在力作用下出現(xiàn)高峰應(yīng)力，而其它部位應(yīng)力較低，這種應(yīng)力集中現(xiàn)象特別是在負(fù)溫下或動(dòng)力荷載作用下，可能提前出現(xiàn)塑性變形使材料的脆性增加，塑性降低或發(fā)生脆性破壞。設(shè)計(jì)中應(yīng)努力去避免尖銳角和截面突變的情況，避免或減小應(yīng)力集中，并選用質(zhì)量?jī)?yōu)良的鋼材。

圖1 溫度對(duì)鋼材力學(xué)性能的影響

圖2 沖擊韌性與溫度的關(guān)系曲線

圖3 孔洞及槽孔處的應(yīng)力集中

圖4 變幅疲勞

5）鋼結(jié)構(gòu)的疲勞破壞。在連續(xù)反復(fù)荷載作用下的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件，盡管應(yīng)力低于抗拉強(qiáng)度，甚至低于屈服點(diǎn)，但經(jīng)過(guò)一定的循環(huán)次數(shù)后，也會(huì)發(fā)生突然斷裂破壞，即疲勞破壞。鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件上難免有微觀裂紋，如非金屬雜質(zhì)、軋制或加工時(shí)造成的微小裂紋等。在荷載作用下，受拉區(qū)的尖端因應(yīng)力集中而出現(xiàn)高應(yīng)力區(qū)，并伴隨雙向或三向拉應(yīng)力場(chǎng)，使鋼材的塑性發(fā)展受到限制。在長(zhǎng)期反復(fù)荷載作用下，高應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)的微觀裂紋逐漸展開(kāi)成宏觀裂紋，裂紋尖端的拉應(yīng)力使裂紋逐步擴(kuò)展，與此同時(shí)結(jié)構(gòu)件的有效截面也逐步減小。經(jīng)過(guò)一定的循環(huán)次數(shù)n 后，一旦裂紋擴(kuò)展到構(gòu)件截面不能承受荷載時(shí)，結(jié)構(gòu)件出現(xiàn)突然斷裂。當(dāng)n≥105時(shí)，應(yīng)該進(jìn)行疲勞計(jì)算。

目前疲勞計(jì)算仍采用的是容許應(yīng)力幅法，荷載采用標(biāo)準(zhǔn)值，不考慮分項(xiàng)系數(shù)和動(dòng)力系數(shù)，并按彈性工作計(jì)算。實(shí)際上起重機(jī)的起吊荷載每次可能都不一樣，且多數(shù)工作荷載小于設(shè)計(jì)的額定荷載，每次循環(huán)鋼結(jié)構(gòu)工作應(yīng)力幅都是變化的，計(jì)算時(shí)應(yīng)將隨機(jī)變化的應(yīng)力幅折算成等效常應(yīng)力幅，用容許應(yīng)力幅作為疲勞強(qiáng)度。

4 起重機(jī)鋼結(jié)構(gòu)材料質(zhì)量等級(jí)的確定

4.1 結(jié)構(gòu)材料質(zhì)量等級(jí)的一般確定

通常情況下，對(duì)于A 級(jí)鋼含碳量和冷彎實(shí)驗(yàn)合格，對(duì)沖擊韌性不作要求，所以僅適合于不直接承受動(dòng)力的結(jié)構(gòu)中。對(duì)于需要驗(yàn)算疲勞的焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)采用具有常溫沖擊韌性合格保證的B 級(jí)鋼。當(dāng)起重機(jī)工作溫度介于0 ℃～-20 ℃之間時(shí)，所選鋼結(jié)構(gòu)材料Q235 鋼和Q345 鋼應(yīng)具有0 ℃沖擊韌性合格保證的C 級(jí)鋼；Q390 鋼和Q420 鋼應(yīng)具有-20 ℃沖擊韌性合格保證的D 級(jí)鋼。當(dāng)起重機(jī)工作溫度等于或低于-20 ℃時(shí)，所選鋼結(jié)構(gòu)材料Q235 鋼和Q345 鋼應(yīng)具有-20 ℃沖擊韌性合格保證的D 級(jí)鋼；Q390和Q420 鋼應(yīng)具有-40 ℃沖擊韌性合格保證的E 級(jí)鋼。對(duì)于非焊接結(jié)構(gòu)構(gòu)件發(fā)生脆性斷裂的危險(xiǎn)性比焊接結(jié)構(gòu)小些，對(duì)材質(zhì)的要求可適當(dāng)放寬。

4.2 起重機(jī)鋼結(jié)構(gòu)材料質(zhì)量等級(jí)在《GB/T3811-2008起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》中的確定

導(dǎo)致起重機(jī)鋼結(jié)構(gòu)材料脆性破壞的因素有：

1）縱向拉伸殘余應(yīng)力與自重載荷引起的縱向拉伸應(yīng)力的聯(lián)合作用。

對(duì)于一類焊縫：自重載荷引起的縱向拉伸應(yīng)力σG與鋼材的屈服點(diǎn)σS之比σG/σS＞0.3 時(shí)，才考慮此因素對(duì)脆性破壞的影響，殘余應(yīng)力評(píng)價(jià)系數(shù)ZA=σG/（0.3σS）-1。對(duì)于二類焊縫：只有縱向焊縫的結(jié)構(gòu)，脆性破壞的危險(xiǎn)性增加。評(píng)價(jià)系數(shù)ZA=σG/（0.3σS）。對(duì)于三類焊縫：焊縫聚集，高度應(yīng)力集中，脆性破壞的危險(xiǎn)性最大。ZA=σG/（0.3σS）+1。

2）構(gòu)件材料的厚度。

3）工作環(huán)境的溫度

當(dāng)起重機(jī)工作環(huán)境溫度為0 ℃以下時(shí)，隨著溫度的降低，脆性破壞的危險(xiǎn)性越來(lái)越大。當(dāng)溫度不低于-30 ℃時(shí)，評(píng)價(jià)系數(shù)ZC=6T2/1 600。當(dāng)溫度低于-30 ℃，但高于-55 ℃時(shí)，評(píng)價(jià)系數(shù)ZC=（-2.25T-33.75）/10。

4）鋼材質(zhì)量等級(jí)的確定。

將評(píng)價(jià)系數(shù)ZA、ZB、ZC相加，得到總評(píng)價(jià)系數(shù)Z=ZA+ZB+ZC，由表1、表2 查出所要求鋼材質(zhì)量級(jí)別。

5）計(jì)算實(shí)例。計(jì)算應(yīng)力為120 MPa，材料為Q235。

鋼材質(zhì)量等級(jí)的選擇（GB/T3811-2008）如下：

應(yīng)力比（拉伸應(yīng)力/屈服應(yīng)力，一類載荷）σG/σS=0.5；焊縫類型為三類焊縫；板材厚度t=25 mm；最低環(huán)境溫度T 為-20 ℃；應(yīng)力評(píng)價(jià)系數(shù)ZA為2.7；厚度評(píng)價(jià)系數(shù)ZB為2.3；溫度評(píng)價(jià)系數(shù)ZC為1.5；總評(píng)價(jià)系數(shù)ZA+ZB+ZC為6.5。因此，可以確定鋼材質(zhì)量等級(jí)為C。

表1

表2

表3 沖擊韌性參數(shù)qi

4.3 起重機(jī)鋼結(jié)構(gòu)材料質(zhì)量等級(jí)在《EN13001-3-1 起重機(jī)通用設(shè)計(jì)-歐洲標(biāo)準(zhǔn)》中的確定

當(dāng)選擇拉伸構(gòu)件其材料的質(zhì)量等級(jí)時(shí)，應(yīng)考慮的沖擊韌性參數(shù)之和qi。表3 給出了各種情況下的沖擊韌性參數(shù)之和值qi。表4 給出了所需鋼材的質(zhì)量和在qi的工況測(cè)試溫度下的沖擊功。

表4 沖擊韌性的要求與所對(duì)應(yīng)的質(zhì)量等級(jí)

計(jì)算實(shí)例如表5 所示，計(jì)算應(yīng)力為220 N/mm2,選擇材料為Q345。根據(jù)鋼材沖擊韌性要求，得到對(duì)應(yīng)質(zhì)量級(jí)別為JO（EN10025-2 標(biāo)準(zhǔn)）或C（GB/T1591-2008 標(biāo)準(zhǔn)）。

表5

5 結(jié) 論

起重機(jī)鋼結(jié)構(gòu)材料的選擇是設(shè)計(jì)中非常重要的問(wèn)題。掌握起重機(jī)各種載荷的特性和量值及其它們應(yīng)有的載荷組合，了解工作環(huán)境條件及使用要求，特別對(duì)于工作在極端溫度條件下的起重機(jī)鋼材選擇要十分謹(jǐn)慎，應(yīng)認(rèn)真分析各種因素造成的影響，正確合理地選擇起重機(jī)的鋼結(jié)構(gòu)材料與質(zhì)量等級(jí)，選用最優(yōu)結(jié)構(gòu)方案和最先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法，使鋼結(jié)構(gòu)材料選擇與設(shè)計(jì)做到技術(shù)先進(jìn)，經(jīng)濟(jì)合理，安全適用。

［1］ GB/T3811-2008 起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

［2］ GB/T1591-2008 低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

［3］ FEM 1.001 3rd Edition 1998Crane Design Rule［S］.

［4］ EN 13001-3-1：2012 起重機(jī)通用設(shè)計(jì)-歐洲標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［5］ GB50017-2003 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2004.

［6］ 趙建波.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2011.